KR20160005557A - 광학모듈 및 이를 구비한 헤드 마운티드 디스플레이 장치 - Google Patents

광학모듈 및 이를 구비한 헤드 마운티드 디스플레이 장치 Download PDF

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KR20160005557A
KR20160005557A KR1020140084638A KR20140084638A KR20160005557A KR 20160005557 A KR20160005557 A KR 20160005557A KR 1020140084638 A KR1020140084638 A KR 1020140084638A KR 20140084638 A KR20140084638 A KR 20140084638A KR 20160005557 A KR20160005557 A KR 20160005557A
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Abstract

본 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 렌즈유닛은 플러스 파우어를 가지는 제 1 렌즈; 플러스 파우어를 가지며, 상기 제 1 렌즈 후단에 중심이 점 접촉하도록 배치되는 제 2 렌즈; 마이너스 파우어를 가지며, 상기 제 2 렌즈와 접합되어 상기 제 2 렌즈의 마주보는 면과 면 접촉되는 제 3 렌즈; 마이너스 파우어를 가지며, 상기 제 3 렌즈와 일정 간격 이격되는 제 4 렌즈; 및 상기 제 4 렌즈와 이격되는 마이크로 디스플레이;를 포함하며, 상기 제 1 내지 제 4 렌즈는 수지재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

광학모듈 및 이를 구비한 헤드 마운티드 디스플레이 장치{Optical apparatus and HMD having the same}
본 실시예는 광학모듈 및 이를 구비한 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 관한 것이다.
웨어러블 디스플레이 장치 중 대표적인 것으로는 헤드 마운티드 디스플레이 장치(Head Mounted Display, 이하 HMD)를 들 수 있다. HMD는 얼굴에 착용하는 디스플레이 장치로 주변 환경 및 조명 밝기 등에 관계 없이 대화면 영상을 관람할 수 있는 장치이다. 그러나 얼굴에 직접 착용하기 때문에 무게에 대한 고려가 반드시 필요하다.
HMD에서 고화질 대화면의 영상을 구현하기 위해, 종래의 넓은 영상을 가지는 HMD의 경우에는 양안 광학모듈의 렌즈구조로서, 렌즈의 직경이 커지며 고굴절 글라스 재질과 플라스틱 재를 혼합한 멀티 렌즈로 구성되어 왔다. 따라서, 글래스 재질의 렌즈의 무게로 인해 장치 무게가 증가하는 문제가 있다.
본 실시예는 광학계의 무게를 경량화할 수 있도록 구조 및 재질이 개선된 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 렌즈유닛을 제공한다.
본 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 렌즈유닛은 플러스 파우어를 가지는 제 1 렌즈; 플러스 파우어를 가지며, 상기 제 1 렌즈 후단에 중심이 점 접촉하도록 배치되는 제 2 렌즈; 마이너스 파우어를 가지며, 상기 제 2 렌즈와 접합되어 상기 제 2 렌즈의 마주보는 면과 면 접촉되는 제 3 렌즈; 마이너스 파우어를 가지며, 상기 제 3 렌즈와 일정 간격 이격되는 제 4 렌즈; 및 상기 제 4 렌즈와 이격되는 마이크로 디스플레이;를 포함하며, 상기 제 1 내지 제 4 렌즈는 수지재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 렌즈는 외곽 두께가 가장 두껍고 중심이 가장 얇게 형성되며, 중심 두께가 지름의 2% 이내로 형성될 수 있다.
상기 제 2 및 제 3 렌즈는 더블렛 렌즈로 마련될 수 있다.
상기 마이크로 디스플레이는 LCD, LCOS, DLP 및 OLED 중 어느 하나일 수 있다.
또는 본 실시예에 따른 광학모듈은 백라이트 유닛; 및 상기 백라이트 유닛의 빛을 상기 마이크로 디스플레이에 전달하고, 상기 마이크로 디스플레이의 빛은 투과하는 반사부재;를 더 포함할 수도 있다.
상기 제 4 렌즈는 중심두께가 가장 두껍고 외곽으로 갈수록 얇아지는 초승달 형상일 수 있다.
상기 제 4 렌즈는 적어도 하나의 비구면을 포함할 수 있다.
상기 제 1 렌즈는 상기 제 2 내지 제 4 렌즈에 비해 약한 파우어를 가질 수 있다.
본 실시예에 따른 광학모듈은 망원방식(binocular), 양안방식(bi-ocular) 및 단안방식(mono-ocular) 중 어느 하나의 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 몸체부; 상기 몸체부에 결합되어 사용자의 두부에 상기 몸체부를 고정하는 밴드부; 상기 몸체부의 상단에 결합되어 사용자의 이마 부분을 지지하는 고정부; 및 상기 몸체부 내부에 설치되며, 상기한 바와 같이 구성된 광학모듈;을 포함할 수 있다.
렌즈의 재질을 플라스틱 재질로 변경하더라도, 더블렛 렌즈 구조로 형성하여 영상의 색수차 및 왜곡 등의 성능을 확보할 수 있다.
또한, 오목렌즈의 두께를 직경대비 2% 이내로 형성하여 기존의 글래스 재질의 고굴절 렌즈를 사용하지 않더라도 광학계의 성능을 유지할 수 있다.
또한, 양안 방식은 물론 단안 방식의 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 모두 적용 가능하며, LCD, OLED와 같은 마이크로 디스플레이 외에 LCOS, DLP 등과 같이 백라이트 유닛에서 반사투사 되는 구조의 디스플레이 장치에도 사용 가능하므로 설계 자유도를 높일 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 렌즈유닛을 구비한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 일 예를 개략적으로 도시한 사시도,
도 2는 본 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 렌즈유닛의 일 예를 개략적으로 도시한 도면, 그리고,
도 3은 본 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 렌즈유닛이 백라이트 유닛을 가지는 디스플레이 장치에 적용된 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 렌즈유닛을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
한편, 제 1 또는 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 실시예에 따른 렌즈유닛을 구비한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 일 예를 개략적으로 도시한 사시도, 도 2는 본 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 렌즈유닛의 일 예를 개략적으로 도시한 도면, 그리고, 도 3은 본 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 렌즈유닛이 백라이트 유닛을 가지는 디스플레이 장치에 적용된 상태를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치(Head mount display, 이하 HMD, 1)는, 몸체부(2), 밴드부(3), 고정부(4) 및 광학모듈(100)을 포함할 수 있다.
HMD(1)는 머리 부분에 장착하여 이용자의 눈 앞에 직접 영상을 제시하는 장치로서 1968년 유타 대학의 이반 서덜랜드가 만든 것이 최초이다. 초기의 HMD는 두 눈에 장착된 모니터에 3차원 영상이 표시되었으며, 천장에 연결된 기구를 통해 장착자의 방향을 감지하여 이에 상응하는 영상을 보여줄 수 있었다. 현재 5세대 HMD가 공개된 바 있으며, 블루투스 등과 같은 무선 통신을 이용하여 영화 등의 콘텐츠를 제공 받을 수도 있다.
몸체부(2)는 사용자의 머리 둘레 및 눈을 감쌀 수 있도록 환형으로 마련될 수 있으며, 사용자의 머리 둘레 크기에 따라 지름을 증감할 수 있도록 길이 조정이 가능한 밴드부(3)를 포함할 수 있다.
밴드부(3)는 상기 몸체부(2)와 연결되어, 사용자 머리의 후방 상하 부분을 지지할 수 있으며, 이를 위해 적어도 2개 이상의 분기 구조를 가질 수 있다.
고정부(4)는 상기 몸체부(2)의 전면 측에 배치되어, 사용자 이마 부분과 마주보는 위치에 배치될 수 있도록 하여, 상기 밴드부(3)와 함께 HMD의 무게를 지탱할 수 있다. 상기 고정부(4)는 사용자의 이마 부분과 직접 접촉하므로, 접촉 부분을 실리콘 또는 페브릭 재질의 접촉면을 형성할 수 있다.
광학모듈(100)은 상기 몸체부(2)의 내부 공간부에 배치되며, 사용자의 눈(E)과 마주보도록 배치될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 광학모듈(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 플라스틱과 같은 투광성 수지 재질로 형성되는 제 1 내지 제 4 렌즈(10~40)와 마이크로 디스플레이(50)로 구성될 수 있다.
제 1 렌즈(10)는 사용자의 눈(E)과 일정 거리(L) 이격 배치될 수 있으며, 플러스 파우어를 가질 수 있다. 상기 거리(L)는 광학계의 크기에 따라 증감될 수 있으나, 본 실시예에 따르면 10mm를 넘지 않도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 렌즈(10)의 파우어는 상기 제 2 내지 제 4 렌즈(20~40)의 파우어와 비교할 때, 상대적으로 약하게 형성할 수 있다. 이와 같이 제 1 렌즈(10)의 파우어를 약하게 형성할 경우, 상기 마이크로 디스플레이(50)의 영상을 관측하는 사용자의 눈의 동공이 움직이는 영역(eye motion box)을 확대할 수 있다. 상기 제 1 렌즈(10)의 재질은 상기한 바와 같이 수지 재질로 형성하므로, 렌즈 무게를 기존의 글래스 재질과 비교할 때 경량화할 수 있다. 상기 제 1 렌즈(10)는 상기 마이크로 디스플레이(50)의 영상의 빔을 모아 사용자의 눈(E)에 보내는 기능과, 허공에 영상을 결상 시키는 역할을 담당한다. 한편, 상기 제 1 렌즈(10)의 사용자 눈(E)과 마주보는 면의 곡률은 상기 제 2 렌즈(20)를 마주보는 면의 곡률보다 완만하게 형성될 수 있다.
제 2 렌즈(20)는 플러스 파우어를 가지도록 형성되며, 후술할 제 3 렌즈(30)와 접합되어 영상의 색수차 및 왜곡 등 성능을 확보하는 역할을 수행한다. 제 2 렌즈(20)의 제 1 렌즈(10)를 마주보는 면의 곡률보다 상기 제 3 렌즈(30)와 마주보는 면의 곡률이 더 완만하게 구성될 수 있으며, 상기 제 2 렌즈(20)와 제 1 렌즈(10)는 중심 부근에서 일부 구간만이 접촉되도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 제 1 렌즈(10)와 제 2 렌즈(20)는 점 접촉될 수도 있고, 일부 구간에서만 면 접촉될 수도 있다. 본 실시예의 경우, 제 1 및 제 2 렌즈(10)(20)는 중심에서 점 접촉될 수 있다.
제 3 렌즈(30)는 마이너스 파우어를 가지도록 형성되며, 상기 제 2 렌즈(20)와 접합되어 더블렛 렌즈를 구성할 수 있다. 상기 제 3 렌즈(30)는 외곽의 두께가 가장 두껍게 형성될 수 있으며, 중심이 가장 얇게 구성될 수 있다. 이때, 상기 제 3 렌즈(30)의 중심 두께(t)는 상기 제 3 렌즈(30)의 지름(D)의 크기에 대하여 2% 이하가 되도록 구성될 수 있다.
또한, 제 3 렌즈(30)의 제 2 렌즈(20)를 마주보는 면과 제 4 렌즈(40)를 마주보는 면은 모두 오목하게 구성될 수 있는데, 상기 제 2 렌즈(20)를 마주보는 면의 곡률은 상기 제 2 렌즈(20)의 제 3 렌즈(30)를 마주보는 면의 곡률과 대응되도록 구성될 수 있다.
또한, 제 3 렌즈(30)의 제 4 렌즈(40)를 마주보는 면에는 상기 제 4 렌즈(40)의 일부를 수용하는 오목홈부와 함께 일정 길이의 직선구간이 마련될 수도 있다.
한편, 상기 제 2 및 제 3 렌즈(20)(30) 역시 상기 제 1 렌즈(10)와 같이 플라스틱과 같은 수지재질로 형성될 수 있다. 또한 상기 제 2 및 제 3 렌즈(20)(30)의 서로 마주보는 면은 곡면으로 마련될 수 있으며, 이들의 곡률은 서로 대응되도록 마련되어, 서로 접촉하는 면이 면 접촉될 수 있도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 제 2 및 제 3 렌즈(20)(30)는 별도의 접착부재의 개재 하에 접착될 수도 있고, 접착부재 없이 밀착 배치되는 것도 가능하다.
제 4 렌즈(40)는 마이너스 파우어를 가지며, 상기 제 3 렌즈(30)와 일정 거리 이격 배치될 수 있다. 제 4 렌즈(40)의 양 끝단의 두께는 중심의 두께보다 얇게 구성될 수 있으며, 대략 초승달 형태로 마련될 수 있다. 또한, 제 4 렌즈(40)는 적어도 하나의 비구면을 구비할 수 있으며, 이와 같은 비구면을 통해 광학성능을 최적화할 수 있다. 또한, 상게 제 4 렌즈(40)는 상기 제 3 렌즈(30)와 일정 거리 이격 배치될 수 있으며, 상기 제 3 렌즈(30)의 오목한 부분과 마주보는 제 4 렌즈(40)의 면은 상기 제 3 렌즈(30)의 오목한 부분 안쪽에 배치될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 광학모듈(100)은 망원방식(binocular), 양안방식(bi-ocular) 및 단안방식(mono-ocular) 중 어느 하나의 헤드 마운티드 디스플레이 장치(1)에 적용될 수 있다.
예컨대, 양안방식으로 구성될 경우, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 구성된 광학계가 한 쌍이 마련되어, 사용자의 눈(E)에 대응되도록 배치될 수 있다.
마이크로 디스플레이(50)는 LCD, LCOS, DLP 및 OLED 중 어느 하나로 마련될 수 있으며, 상기 제 4 렌즈(40)와 일정 간격 이격 배치될 수 있다. LCD(Liquid Crystal Display)는 패터닝이 되어있는 유리 기판 사이에 액정을 넣고 봉입한 구조 로서 투과형 방식이 일반적이다. LCD는 자체발광이 어렵기 때문에 별도의 백라이트 유닛을 필요로 한다. LCOS(Liquid Crystal On Silicon)는 화소 전극의 구성을 실리콘 기판 위에 구성한 소자로서 반사형으로 제작되는 것이 특징이다. 디스플레이 소자를 반사형으로 제작하는 경우에는 화소 구동 전극이 빛을 차단하지 않아서 광 효율을 높일 수 있으므로 밝은 시스템의 구성이 가능하다. 또, 반도체 공정을 이용하여 실리콘 기판 위에 화소를 제작하게 되므로 고해상도화가 용이하다. OLED (Organic Light-Emitting Diode)는 빛을 내는 층이 유기 화합물로 이루어진 박막 발광 다이오드이다. OLED 픽셀은 직접 빛을 내기 때문에 빛의 표현 범위가 LCD보다 더 크며 백라이트(Backlight)도 필요 없으므로 검정 수준이 뛰어나다. 또한 LCD에 비교하여 1000배 빠른 응답 속도를 가지고 있으며 휠 수도 있다.
한편, 도시하지 않았으나 상기 마이크로 디스플레이(50)는 리어 또는 프론트 프로젝션 방식을 이용하여 간접 영상을 재결상 시킨 영상이미지로 구성하는 것도 가능하다.
만일, 마이크로 디스플레이(50)가 LCD일 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, 백라이트 유닛(60)이 더 구비될 필요가 있으며, 반사부재(61)가 상기 백라이트 유닛(60)의 광 경로 상에 설치되어 백라이트 유닛(60)의 빛을 마이크로 디스플레이(50) 측으로 전달할 수 있다. 이때, 상기 반사부재(61)는 상기 백라이트 유닛(60)의 빛은 전반사하여 상기 마이크로 디스플레이(50) 측으로 전달할 수 있으며, 상기 마이크로 디스플레이(50)의 영상이 포함된 빛은 투과시킬 수 있다. 그러나 이를 한정하는 것은 아니며, 상기 반사부재(61)의 위치를 조절하여, 상기 마이크로 디스플레이(50)의 영상이 전달되는 광 경로와는 간섭되지 않도록 배치하는 것도 가능하다.
이상과 같은 본 실시예에 따르면, 광학모듈(100)을 구성하는 제 1 내지 제 4 렌즈(10~40)를 기존의 글래스 재질 보다 상대적으로 가벼운 수지재질로 형성하므로, HMD의 무게를 경량화할 수 있다. 또한, 고해상도를 지원하는 마이크로 디스플레이(50)에 적용할 경우에도 제 2 및 제 3 렌즈(20)(30)가 더블렛 렌즈로 구성되므로, 영상의 색수차 및 왜곡 등이 발생하지 않도록 광학계를 최적화하는 것이 가능하다.
또한, 마이크로 디스플레이(50)의 종류에 상관 없이 광학계를 구성할 수 있어, 다양한 영상 제공수단에 적용될 수 있다. 또한, 단안, 양안방식의 광학계에 상관 없이 적용될 수 있다.
이상에서 본 실시예에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하고, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 실시예의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1; 헤드 마운티드 디스플레이 장치 2; 몸체부
3; 밴드부 4; 고정부
10; 제 1 렌즈 20; 제 2 렌즈
30; 제 3 렌즈 40; 제 4 렌즈
50; 마이크로 디스플레이 60; 백라이트 유닛
61; 반사부재 100; 광학모듈

Claims (10)

  1. 플러스 파우어를 가지는 제 1 렌즈;
    플러스 파우어를 가지며, 상기 제 1 렌즈 후단에 중심이 점 접촉하도록 배치되는 제 2 렌즈;
    마이너스 파우어를 가지며, 상기 제 2 렌즈와 접합되어 상기 제 2 렌즈의 마주보는 면과 면 접촉되는 제 3 렌즈;
    마이너스 파우어를 가지며, 상기 제 3 렌즈와 일정 간격 이격되는 제 4 렌즈; 및
    상기 제 4 렌즈와 이격되는 마이크로 디스플레이;를 포함하며,
    상기 제 1 내지 제 4 렌즈는 수지재질로 형성되는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 렌즈는,
    외곽 두께가 가장 두껍고 중심이 가장 얇게 형성되며,
    중심 두께가 지름의 2% 이내로 형성되는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 렌즈는 더블렛 렌즈인 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이는,
    LCD, LCOS, DLP 및 OLED 중 어느 하나인 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    백라이트 유닛; 및
    상기 백라이트 유닛의 빛을 상기 마이크로 디스플레이에 전달하고, 상기 마이크로 디스플레이의 빛은 투과하는 반사부재;를 더 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 4 렌즈는,
    중심두께가 가장 두껍고 외곽으로 갈수록 얇아지는 초승달 형상인 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 4 렌즈는,
    적어도 하나의 비구면을 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는,
    상기 제 2 내지 제 4 렌즈에 비해 약한 파우어를 가지는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학모듈.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    망원방식(binocular), 양안방식(bi-ocular) 및 단안방식(mono-ocular) 중 어느 하나의 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 적용되는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학모듈.
  10. 몸체부;
    상기 몸체부에 결합되어 사용자의 두부에 상기 몸체부를 고정하는 밴드부;
    상기 몸체부의 상단에 결합되어 사용자의 이마 부분을 지지하는 고정부; 및
    상기 몸체부 내부에 설치되며, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같이 구성된 광학모듈;을 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
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