KR20160002690U - 헤드 장착형 디스플레이 기기 및 그 광학 렌즈 - Google Patents

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?-셴 양
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Abstract

본 고안에 의해 제공되는 헤드 장착형 디스플레이 기기는 발광 유닛, 디스플레이 모듈, 프리즘 및 광학 렌즈를 포함하며 광학 렌즈는 디스플레이 모듈에 의해 표시되는 영상 화면을 외부로 투사하기 위한 것이고, 그 중 광학 렌즈는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하며 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈 중의 적어도 2개 렌즈는 동일한 굴절률 및 동일한 아베수를 구비한다.

Description

헤드 장착형 디스플레이 기기 및 그 광학 렌즈{HEAD MOUNTED DISPLAY AND OPTICAL LENS THEREOF}
본 고안은 디스플레이 기기에 관한 것으로 특히 헤드 장착형 디스플레이 기기 및 그 광학 렌즈에 관한 것이다.
과학기술의 급속한 변화와 더불어 정보의 섭취 및 멀티 미디어 비디오에 대한 사람들의 수요가 날로 늘어나고 있다. 이에, 일반적으로 시각 또는 청각에 의해 외부의 정보를 수신함에 있어서, 흔히 보는 멀티 미디어 재생 장치, 인터넷 통신 장치 및 컴퓨터 장치에 모두 LCD 또는 LED 등의 모니터를 결합시켜 사용하여 획득한 화면을 표시한다. 하지만 이에 의해 표시되는 영상 화소 및 크기는 모니터의 크기 및 성능의 제한으로 인해 시각적 효과가 부족하여 장시간 사용할시 쉽게 시각 피로를 초래한다.
따라서, 시중에 헤드 장착형 디스플레이(이하, HMD로 약칭 함)가 출시되었다. 상기 헤드 장착형 디스플레이는 입체적 시각 표시의 광학 제품으로서, 두 눈 시차를 구비하는 3D 효과의 정보를 두 눈 전방에 설치되는 모니터 및 광학렌즈를 순차적으로 통과시켜 두 눈에 전송함으로써 입체적인 큰 사이즈의 영상을 형성한다. 헤드 장착형 디스플레이는 통상적으로 증강 현실(augmented reality, AR) 시스템 또는 가상 현실(virtual reality, VR) 시스템에 응용되고 또한 사용자를 따라 이동 가능하고 입력기기로서 사용자의 반응을 수신할 수 있으며 사용자의 머리에 장착된 헤드 장착형 디스플레이를 이용하여 사용자가 관람하는 영상에 이미지 및 문자를 추가함으로써 가상 현실 또는 증강 현실의 효과를 실현할 수 있다.
가상 현실 또는 증강 현실 효과의 최적화에 있어서, 헤드 장착형 디스플레이에 의해 제공되는 사용자의 관람 시야 범위는 극히 중요하다. 따라서, 헤드 장착형 디스플레이의 광학 렌즈가 적절한 시야(Field of View, FOV)를 구비하도록 하는 것이 당업자가 전념해야 할 개발 방향으로 되고 있다.
본 고안의 목적은 광학 렌즈의 각 렌즈의 굴절률 및 아베수를 규범화하여 헤드 장착형 디스플레이 기기가 적절한 시야각을 구비하도록 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기를 제공하는 것이다.
바람직한 실시예에 있어서, 본 고안이 제공하는 헤드 장착형 디스플레이 기기는 영상 화면을 표시하기 위한 디스플레이 모듈과, 광속을 제공하기 위한 발광 유닛과, 광학 렌즈 및 상기 디스플레이 모듈, 상기 발광 유닛 및 상기 광학 렌즈 사이에 설치되는 프리즘(prism)을 포함하고, 상기 발광 유닛에 의해 제공되는 상기 광속은 상기 프리즘을 통과한 후, 상기 디스플레이 모듈에 전송되어 반사되고 반사된 상기 광속은 상기 프리즘을 통과한 후, 상기 광학 렌즈에 전송되고, 상기 광학 렌즈는 상기 영상 화면이 구현되도록 수신된 상기 광속을 밖으로 출력하며, 그 중, 상기 광학 렌즈는 그 광축의 방향을 따라 순차적으로 제1 렌즈, 제2렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하며 상기 제1 렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 적어도 2개 렌즈는 동일한 굴절률 및 동일한 아베수(ABBE number)를 구비한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 상기 적어도 2개 렌즈의 상기 굴절률은 I이고 1.5＜I＜1.6이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 상기 적어도 2개 렌즈의 상기 아베수는 V이고 50＜V＜60이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 동일한 상기 굴절률과 동일한 상기 아베수를 구비한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 양수 굴절력을 가지지만 상기 제2렌즈는 음의 굴절력을 가진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 모두 비구면 렌즈이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 디스플레이 모듈은 반사형 액정(LCOS) 모듈 또는 디지털 마이크로 반사경(DMD) 모듈이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 프리즘은 편광 분리(PBS) 프리즘 또는 내부 전반사(TIR) 프리즘이다.
바람직한 실시예에 있어서, 본 고안에 의해 제공되는 헤드 장착형 디스플레이 기기에 적용되는 광학 렌즈는 광축 방향을 따라 순차적으로, 양수 굴절력을 구비하는 제1 렌즈와, 음의 굴절력을 구비하는 제2렌즈와, 양수 굴절력을 구비하는 제3 렌즈 및 양수 굴절력을 구비하는 제4 렌즈를 포함하고, 그 중, 상기 제1 렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 적어도 2개 렌즈는 동일한 굴절률 및 동일한 아베수를 구비한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 상기 적어도 2개 렌즈의 상기 굴절률은 I이고 1.5＜I＜1.6이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 상기 적어도 2개 렌즈의 상기 아베수는 V이고 50＜V＜60이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 동일한 상기 굴절률과 동일한 상기 아베수를 구비한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 모두 비구면 렌즈이다.
본 고안에 따르면, 광학 렌즈의 각 렌즈의 굴절률 및 아베수를 규범화하여 헤드 장착형 디스플레이 기기가 적절한 시야각을 구비하도록 할 수 있다.
도1은 본 고안인 헤드 장착형 디스플레이 기기의 바람직한 실시예의 외관 구조 모식도이다.
도2는 도1에 도시된 헤드 장착형 디스플레이 기기의 내부 구조 모식도이다.
도1과 도2를 참조하면, 도1은 본 고안인 헤드 장착형 디스플레이 기기의 바람직한 실시예의 외관 구조 모식도이고, 도2는 도1에 도시된 헤드 장착형 디스플레이 기기의 내부 구조 모식도이다. 헤드 장착형 디스플레이 기기(1)는 프레임(11) 및 프레임(11) 내부에 설치되는 디스플레이 모듈(12), 발광 유닛(13), 광학 렌즈(14) 및 프리즘(15)을 포함한다. 그 중，프레임(11)은 사용자의 머리에 걸려 사용자가 두 눈(2)으로 관람할 수 있도록 한다. 또한 발광 유닛(13)은 영상 화면을 표시하기 위한 디스플레이 모듈(12)에 광속(L)을 제공하기 위한 것이다. 프리즘(15)은 디스플레이 모듈(12), 발광 유닛(13) 및 광학 렌즈(14) 사이에 설치되고, 발광 유닛(13)에 의해 제공되는 광속(L)은 프리즘(15)을 통과한 후 디스플레이 모듈(12)의 방향으로 전송되어 반사되고 반사된 광속(L)은 다시 프리즘(15)을 통과한 후 광학 렌즈(14)의 방향으로 전송된다. 하여 최종적으로 광학 렌즈(14)는 수신된 광속(L)을 밖으로 출력함으로써 영상 화면이 확대되어 사용자의 두 눈(2)에 표시되도록 한다.
바람직하게는, 디스플레이 모듈(12)은 반사형 액정(LCOS) 모듈이며 프리즘(15)은 편광 분리 프리즘(PBS)이지만 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 디스플레이 모듈(12)은 또한 디지털 마이크로 반사경(DMD)모듈일 수 있으며 프리즘(15)은 또한 내부 전반사 프리즘(TIR)일 수 있다.
또한, 광학 렌즈(14)는 광축(149) 방향을 따라 순차적으로 양수 굴절력을 구비하는 제1 렌즈(141), 음수 굴절력을 구비하는 제2렌즈(142), 양수 굴절력을 구비하는 제3 렌즈(143) 및 양수 굴절력을 구비하는 제4 렌즈(144)를 포함하며 제1 렌즈(141), 제2렌즈(142), 제3 렌즈(143) 및 제4 렌즈(144)는 모두 비구면 렌즈이다. 비구면의 곡선 방정식은 하기와 같이 표시한다.
Figure utm00001
그 중, Z는 비구면의 회전 대칭축이고, c는 정점 곡률이며, r는 정점 곡률의 반경이고, k는 원추 상수이며, α4~α14는 각 표면의 4~14급 계수이다.
또한, 상기 바람직한 실시예에 있어서 제1 렌즈(141)의 제1 표면(S1)과 제2표면 (S2), 제2렌즈(142)의 제1 표면(S3)과 제2표면(S4), 제3 렌즈(143)의 제1 표면(S5)과 제2표면(S6) 및 제4 렌즈(144)의 제1 표면 (S7)과 제2표면(S8)의 비구면 계수는 하기의 표 1를 참조한다.
Figure utm00002
본 고안의 광학 렌즈(14)에서 제1 렌즈(141), 제2렌즈(142), 제3 렌즈(143) 및 제4 렌즈(144) 중의 적어도 2개 렌즈는 동일한 굴절률(I)을 구비하고 또한 상기 동일한 굴절률(I)은 하기 초점 거리 조건 1.5＜I＜1.6에 부합된다. 또한，제1 렌즈(141), 제2렌즈(142), 제3 렌즈(143) 및 제4 렌즈(144) 중의 적어도 2개 렌즈는 동일한 아베수(V)를 구비하고, 또한 상기 동일한 아베수(V)는 하기 초점 거리 조건 50＜V＜60 에 부합된다.
하기 표 2를 참조하면, 표 2는 도 2에 도시된 상기 광학 렌즈(14)의 일 실시예에서의 광학 수치 표이다.
Figure utm00003
본 고안의 바람직한 실시예에 있어서, 광학 렌즈(14)의 제1 렌즈(141), 제3 렌즈(143) 및 제4 렌즈(144)는 동일한 굴절률(I) 및 동일한 아베수(V)를 구비하며 상기 동일한 굴절률(I)은 1.53116이며 동일한 아베수(V)는 56.0438이다. 그 중，광학 렌즈(14)의 전체 초점 거리는 18.5256mm이고 구경 수치는 4.622이며 시야각은 36도이다.
상기 서술은 단지 본 고안의 바람직한 실시예일 뿐 본 고안의 등록청구범위를 한정하지 않는다. 따라서, 본 고안에 의해 게시된 사상을 이탈하지 않으면서 완성되는 모든 동등한 변화 또는 수식은 반드시 모두 본 고안의 등록청구범위에 포함되어야 한다.
1: 헤드 장착형 디스플레이 기기
11: 프레임
2: 두 눈
12: 디스플레이 모듈
13: 발광 유닛
14: 광학 렌즈
15: 프리즘
141: 제1 렌즈
142: 제2렌즈
143: 제3 렌즈
144: 제4 렌즈
149: 광축
L: 광속
S1: 제1 렌즈의 제1 표면
S2: 제1 렌즈의 제2 표면
S3: 제2 렌즈의 제1 표면
S4: 제2 렌즈의 제2 표면
S5: 제3 렌즈의 제1 표면
S6: 제3 렌즈의 제2 표면
S7: 제4 렌즈의 제1 표면
S8: 제4 렌즈의 제2 표면

Claims (13)

  1. 영상 화면을 표시하기 위한 디스플레이 모듈과;
    광속을 제공하기 위한 발광 유닛과;
    광학 렌즈; 및
    상기 디스플레이 모듈, 상기 발광 유닛 및 상기 광학 렌즈 사이에 설치되는 프리즘(prism)을 포함하고,
    상기 발광 유닛에 의해 제공되는 상기 광속은 상기 프리즘을 통과한 후, 상기 디스플레이 모듈에 전송되어 반사되고, 반사된 상기 광속은 상기 프리즘을 통과한 후, 상기 광학 렌즈에 전송되고, 상기 광학 렌즈는 상기 영상 화면이 구현되도록 수신된 상기 광속을 밖으로 출력하며,
    그 중, 상기 광학렌즈는 그 광축의 방향을 따라 순차적으로 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 적어도 2개 렌즈는 동일한 굴절률 및 동일한 아베수(ABBE number)를 구비하는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 상기 적어도 2개 렌즈의 상기 굴절률은 I이고, 1.5＜I＜1.6인 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 상기 적어도 2개 렌즈의 상기 아베수는 V이고, 50＜V＜60인 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 동일한 상기 굴절률과 동일한 상기 아베수를 구비하는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 양수 굴절력을 가지지만, 상기 제2 렌즈는 음수 굴절력을 가지는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 모두 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 모듈은 반사형 액정(LCOS) 모듈 또는 디지털 마이크로 반사경(DMD) 모듈인 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 프리즘은 편광 분리(PBS) 프리즘 또는 내부 전반사(TIR) 프리즘인 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기.
  9. 광축 방향을 따라 순차적으로,
    양수 굴절력을 구비하는 제1 렌즈;
    음수 굴절력을 구비하는 제2 렌즈;
    양수 굴절력을 구비하는 제3 렌즈; 및
    양수 굴절력을 구비하는 제4 렌즈를 포함하고
    그 중, 상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 적어도 2개 렌즈는 동일한 굴절률 및 동일한 아베수를 구비하는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기에 적용되는 광학 렌즈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 상기 적어도 2개 렌즈의 상기 굴절률은 I이고, 1.5＜I＜1.6인 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기에 적용되는 광학 렌즈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 중의 상기 적어도 2개 렌즈의 상기 아베수는 V이고, 50＜V＜60인 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기에 적용되는 광학 렌즈.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 동일한 상기 굴절률과 동일한 상기 아베수를 구비하는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기에 적용되는 광학 렌즈.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 모두 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 기기에 적용되는 광학 렌즈.
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