KR20170017608A - 헤드 마운티드 디스플레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 관한 것으로, 사용자의 두부(頭部)에 착용 가능하도록 형성되는 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 있어서, 화면정보를 출력하도록 형성되는 디스플레이부와, 상기 디스플레이부와 이격되어 상기 화면정보를 확대하여 허상을 형성하는 렌즈, 및 상기 디스플레이부 및 렌즈가 수용되는 프레임을 포함하고, 상기 렌즈는, 상기 디스플레이부와 반대되는 제1 방향을 향하여 형성되는 제1 부분과, 상기 제1 부분과 일체로 형성되고, 상기 디스플레이부를 향하는 제2 방향을 향하여 형성되는 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 프레넬(fresnel) 형상인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치가 제공된다.

Description

헤드 마운티드 디스플레이{HEAD MOUNTED DISPLAY}

본 발명은 내부에 장착되는 렌즈를 변형시켜 보다 슬림해진 헤드 마운티드 디스플레이에 관한 것이다.

헤드 마운티드 디스플레이(HMD)란 안경처럼 사용자의 헤드에 착용되어 사용자가 영상(컨텐츠)을 볼 수 있도록 하는 각종 영상 표시 장치를 말한다. 디지털 디바이스의 경량화 및 소형화 추세에 따라, 다양한 웨어러블 컴퓨터(Wearable Computer)가 개발되고 있으며, 상기 HMD 또한 널리 사용되고 있다. HMD는 단순한 디스플레이 기능을 넘어 증강 현실 기술, 가상 현실 기술, N 스크린 기술 등과 조합되어 사용자에게 다양한 편의를 제공할 수 있다.

최근에는, HMD의 사용이 증가함에 따라, 이동 단말기에서 실행될 수 있는 다양한 기능의 실행이 가능한 HMD가 구현되고 있다. 예를 들어, 상기 이동 단말기에서 특정 기능의 실행에 근거하여 특정 시각정보나 청각정보를 제공하는 것과 마찬가지로 상기 HMD에서도 상기 특정 기능의 실행에 근거하여 특정 시각정보 및 청각정보의 제공이 가능해졌다.

또한, 상기 HMD는 사용자의 두부에 착용된다는 특수성으로 인하여, 상기 HMD를 이용하는 사용자가 특정 시각정보나 청각정보를 제공받는 동안은 외부(Real World)와 효과적으로 단절될 수 있어, 다양한 기능을 보다 현실감 있게 사용자에게 제공할 수 있다.

상기 HMD에 사용되는 렌즈는 허상을 만들기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이, 볼록한 형상으로 제작되는데, 이러한 볼록 렌즈(130')에 의해 렌즈 및 HMD의 두께가 두꺼워지고, 무거워지는 문제가 있었다.

또한, 몰입감을 향상시키기 위해서는 렌즈의 초점 거리를 짧게 해야 하는데, 이를 위해서는 렌즈의 곡률이 작아져서 렌즈 형상이 두꺼워지는 단점이 있어, 렌즈가 두꺼워지지 않으면서 렌즈의 초점 거리를 짧게 하기 위한 방안이 필요한 실정이다.

본 발명의 일 목적은 내부에 장착되는 렌즈의 두께 및 중량을 변경하여 두께 및 중량이 감소된 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 사용자의 두부(頭部)에 착용 가능하도록 형성되는 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 있어서, 화면정보를 출력하도록 형성되는 디스플레이부와, 상기 디스플레이부와 이격되어 상기 화면정보를 확대하여 허상을 형성하는 렌즈, 및 상기 디스플레이부 및 렌즈가 수용되는 프레임을 포함하고, 상기 렌즈는, 상기 디스플레이부와 반대되는 제1 방향을 향하여 형성되는 제1 부분과, 상기 제1 부분과 일체로 형성되고, 상기 디스플레이부를 향하는 제2 방향을 향하여 형성되는 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 프레넬(fresnel) 형상인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 렌즈는, 상기 디스플레이부가 상기 제2 부분의 초점거리 이내의 위치하도록 상기 디스플레이로부터 이격되는 거리가 가변될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 렌즈는 한 쌍으로 형성되고, 상기 디스플레이부는 상기 한 쌍의 렌즈를 향하여 화면정보를 각각 출력할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제2 부분에는 제2 부분의 중심을 동심원으로 하면서 기설정된 간격으로 이격되는 다수의 원형 돌기들이 형성되고, 상기 돌기들 사이의 간격은 하기 식에 의해 산정될 수 있다.

상기 식에서 P는 상기 돌기들 사이의 간격을 의미하고, λ는 가시광선의 파장이고, f는 렌즈의 초점거리이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 돌기들 사이의 깊이는 하기 식에 의해 산정될 수 있다.

상기 식에서 S는 돌기들 사이에 형성되는 깊이(depth)를 의미하고, c는 표면 꼭대기에서의 곡률(curvature at the pole of the surface)을 의미하고, r은 방사거리(radial distance)로 원점에서 (x,y)지점까지의 거리를 의미하고, k는 비구면 상수(conic constant)이고, A,B,C,D,E,F,G,H,J는 각각 4,6,8,10,12,14,16,18,20차수의 계수를 의미한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 렌즈는 PMMA(Poly Methyl Meth Acrylate), PVA(Poly Vinyl Acetate), COP(Cyclo Polyolefin), COC(Cyclo Olefin Copolymer), TAC(Tri Acetyl Cellulose), PC(Poly Carbonate) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 렌즈의 두께는 6mm 이하일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 렌즈와 디스플레이부 사이의 간격은 40mm 이하일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 디스플레이부는 상기 프레임으로부터 분리될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 렌즈는 상기 렌즈의 중심을 지나는 대각선 또는 지름의 길이가 다르게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 돌기들 사이의 간격은 100~250㎛일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 돌기들 사이의 깊이는 0.1mm 이하일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 부분은 구면(球面) 또는 비구면일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 렌즈의 시야(FOV)는 110~120°일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 렌즈와 디스플레이부 사이의 거리는 상기 프레임에 구비된 가변 제어부에 의해 조절될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다수의 돌기들은 빛이 하나의 초점에 모이도록 일정한 비율로 조금씩 다른 각도로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다수의 돌기들은 렌즈의 중심으로부터 일정 크기의 반경 이후의 영역에 형성되고, 상기 일정 크기의 반경 이내의 영역은 볼록 렌즈일 수 있다.

본 발명에 따른 이동 단말기 및 그 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 프레넬 렌즈를 활용함으로써 렌즈의 초점거리를 단축시킴과 동시에 시야(FOV)를 확대시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 렌즈의 초점거리를 단축시킴으로써 렌즈 장체의 두께 및 HMD의 두께를 보다 얇게 할 수 있다는 장점이 있다.

그리고, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 렌즈를 광학용 플라스틱으로 제작함으로써 HMD를 보다 경량화할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명과 관련된 HMD를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명과 관련된 HMD를 일 방향에서 바라본 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예와 관련된 HMD를 일 방향으로 절단한 단면도이고, 도 3b는 도 3a에서의 화면정보의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 HMD를 착용한 상태의 개략적인 사시도이다.
도 5는 HMD에 사용되는 렌즈를 볼록 렌즈로 하는 경우의 빛의 경로를 설명하기 위한 광학계를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD에서의 광학계를 도시한 것이다.
도 7a는 볼록 렌즈의 초점거리를 설명하기 위한 광학계이고, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 일면이 프레넬 렌즈의 초점거리를 설명하기 위한 광학계이다.
도 8a는 볼록렌즈를 이용한 단렌즈에 의한 광학계를 도시한 것이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 프레넬 렌즈에 의한 광학계를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD에서의 광학계를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈의 중심으로부터 최외곽까지의 형상을 개략적으로 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈의 형상에 따른 FOV를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 설명되는 HMD에는 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 글래스형 단말기 (smart glass)) 등이 포함될 수 있다.

그러나, 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 구성은 HMD에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 워치형 단말기 (smartwatch) 등과 같은 이동 단말기에도 적용될 수 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명과 관련된 HMD를 설명하기 위한 블록도이다.

상기 HMD(100)는 무선 통신부(110), 입력부(120), 센싱부(140), 출력부(150), 인터페이스부(160), 메모리(170), 제어부(180) 및 전원 공급부(190) 등을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 구성요소들은 HMD를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 HMD는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 구성요소들 중 무선 통신부(110)는, HMD(100)와 무선 통신 시스템 사이, HMD(100)와 다른 HMD(100) 사이, HMD(100)와 이동 또는 고정 단말기 사이, HMD(100)와 제어장치 사이, HMD(100)와 외부에 설치되어 무선통신이 가능한 카메라) 사이 또는 HMD(100)와 외부서버 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 무선 통신부(110)는, HMD(100)를 하나 이상의 네트워크에 연결하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다.

이러한 무선 통신부(110)는, 방송 수신 모듈(111), 이동통신 모듈(112), 무선 인터넷 모듈(113), 근거리 통신 모듈(114), 위치정보 모듈(115) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

입력부(120)는, 영상 신호 입력을 위한 카메라(121) 또는 영상 입력부, 오디오 신호 입력을 위한 마이크로폰(microphone, 122), 또는 오디오 입력부, 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 사용자 입력부(123, 예를 들어, 터치키(touch key), 푸시키(mechanical key) 등)를 포함할 수 있다. 입력부(120)에서 수집한 음성 데이터나 이미지 데이터는 분석되어 사용자의 제어명령으로 처리될 수 있다.

센싱부(140)는 HMD 내 정보, HMD를 둘러싼 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 센싱하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센싱부(140)는 근접센서(141, proximity sensor), 조도 센서(142, illumination sensor), 터치 센서(touch sensor), 가속도 센서(acceleration sensor), 자기 센서(magnetic sensor), 중력 센서(G-sensor), 자이로스코프 센서(gyroscope sensor), 모션 센서(motion sensor), RGB 센서, 적외선 센서(IR 센서: infrared sensor), 지문인식 센서(finger scan sensor), 초음파 센서(ultrasonic sensor), 광 센서(optical sensor, 예를 들어, 카메라(121 참조)), 마이크로폰(microphone, 122 참조), 배터리 게이지(battery gauge), 환경 센서(예를 들어, 기압계, 습도계, 온도계, 방사능 감지 센서, 열 감지 센서, 가스 감지 센서 등), 화학 센서(예를 들어, 전자 코, 헬스케어 센서, 생체 인식 센서 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 본 명세서에 개시된 HMD는, 이러한 센서들 중 적어도 둘 이상의 센서에서 센싱되는 정보들을 조합하여 활용할 수 있다.

출력부(150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 디스플레이부(151), 음향 출력부(152), 햅팁 모듈(153), 광 출력부(154) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

인터페이스부(160)는 HMD(100)에 연결되는 다양한 종류의 외부 기기와의 통로 역할을 수행한다. 이러한 인터페이스부(160)는, 유/무선 헤드셋 포트(port), 외부 충전기 포트(port), 유/무선 데이터 포트(port), 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트(port), 오디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 비디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 이어폰 포트(port) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. HMD(100)에서는, 상기 인터페이스부(160)에 외부 기기가 연결되는 것에 대응하여, 연결된 외부 기기와 관련된 적절할 제어를 수행할 수 있다.

또한, 메모리(170)는 HMD(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 메모리(170)는 HMD(100)에서 구동되는 다수의 응용 프로그램(application program 또는 애플리케이션(application)), HMD(100)의 동작을 위한 데이터들, 명령어들을 저장할 수 있다. 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 무선 통신을 통해 외부 서버로부터 다운로드 될 수 있다. 또한 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, HMD(100)의 기본적인 기능(예를 들어, 이미지, 동영상 등과 같은 화면정보 출력 기능, 전화 착신, 발신 기능, 메시지 수신, 발신 기능)을 위하여 출고 당시부터 HMD(100)상에 존재할 수 있다. 한편, 응용 프로그램은, 메모리(170)에 저장되고, HMD(100) 상에 설치되어, 제어부(180)에 의하여 상기 HMD의 동작(또는 기능)을 수행하도록 구동될 수 있다.

제어부(180)는 상기 응용 프로그램과 관련된 동작 외에도, 통상적으로 HMD(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(180)는 위에서 살펴본 구성요소들을 통해 입력 또는 출력되는 신호, 데이터, 정보 등을 처리하거나 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동함으로써, 사용자에게 적절한 정보 또는 기능을 제공 또는 처리할 수 있다.

또한, 제어부(180)는 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여, 도 1과 함께 살펴본 구성요소들 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(180)는 상기 응용 프로그램의 구동을 위하여, HMD(100)에 포함된 구성요소들 중 적어도 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.

전원공급부(190)는 제어부(180)의 제어 하에서, 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 HMD(100)에 포함된 각 구성요소들에 전원을 공급한다. 이러한 전원공급부(190)는 배터리를 포함하며, 상기 배터리는 내장형 배터리 또는 교체가능한 형태의 배터리가 될 수 있다.

상기 각 구성요소들 중 적어도 일부는, 이하에서 설명되는 다양한 실시예들에 따른 HMD의 동작, 제어, 또는 제어방법을 구현하기 위하여 서로 협력하여 동작할 수 있다. 또한, 상기 HMD의 동작, 제어, 또는 제어방법은 상기 메모리(170)에 저장된 적어도 하나의 응용 프로그램의 구동에 의하여 HMD 상에서 구현될 수 있다.

이하에서는, 위에서 살펴본 HMD(100)를 통하여 구현되는 다양한 실시예들을 살펴보기에 앞서, 위에서 열거된 구성요소들에 대하여 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.

먼저, 무선 통신부(110)에 대하여 살펴보면, 무선 통신부(110)의 방송 수신 모듈(111)은 방송 채널을 통하여 외부의 방송 관리 서버로부터 방송 신호 및/또는 방송 관련된 정보를 수신한다. 상기 방송 채널은 위성 채널, 지상파 채널을 포함할 수 있다. 적어도 두 개의 방송 채널들에 대한 동시 방송 수신 또는 방송 채널 스위칭을 위해 둘 이상의 상기 방송 수신 모듈이 상기 HMD(100)에 제공될 수 있다.

상기 방송 관리 서버는, 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 생성하여 송신하는 서버 또는 기 생성된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 제공받아 HMD 또는 상기 HMD와 연결되어 상기 HMD를 제어하는 장치(예를 들어, 제어장치, 단말기 등)에 송신하는 서버를 의미할 수 있다. 상기 방송 신호는, TV 방송 신호, 라디오 방송 신호, 데이터 방송 신호를 포함할 뿐만 아니라, TV 방송 신호 또는 라디오 방송 신호에 데이터 방송 신호가 결합한 형태의 방송 신호도 포함할 수 있다.

상기 방송 신호는 디지털 방송 신호의 송수신을 위한 기술표준들(또는 방송방식, 예를 들어, ISO, IEC, DVB, ATSC 등) 중 적어도 하나에 따라 부호화될 수 있으며, 방송 수신 모듈(111)은 상기 기술표준들에서 정한 기술규격에 적합한 방식을 이용하여 상기 디지털 방송 신호를 수신할 수 있다.

상기 방송 관련 정보는, 방송 채널, 방송 프로그램 또는 방송 서비스 제공자에 관련된 정보를 의미할 수 있다. 상기 방송 관련 정보는, 이동통신망을 통하여도 제공될 수 있다. 이러한 경우에는 상기 이동통신 모듈(112)에 의해 수신될 수 있다.

상기 방송 관련 정보는 예를 들어, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)의 EPG(Electronic Program Guide) 또는 DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld)의 ESG(Electronic Service Guide) 등의 다양한 형태로 존재할 수 있다. 방송 수신 모듈(111)을 통해 수신된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보는 메모리(170)에 저장될 수 있다.

이동통신 모듈(112)은, 이동통신을 위한 기술표준들 또는 통신방식(예를 들어, GSM(Global System for Mobile communication), CDMA(Code Division Multi Access), CDMA2000(Code Division Multi Access 2000), EV-DO(Enhanced Voice-Data Optimized or Enhanced Voice-Data Only), WCDMA(Wideband CDMA), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등)에 따라 구축된 이동 통신망 상에서 기지국, 외부의 단말, 서버 중 적어도 하나와 무선 신호를 송수신한다.

상기 무선 신호는, 음성 호 신호, 화상 통화 호 신호 또는 문자/멀티미디어 메시지 송수신에 따른 다양한 형태의 데이터를 포함할 수 있다.

무선 인터넷 모듈(113)은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈을 말하는 것으로, HMD(100)에 내장되거나 외장될 수 있다. 무선 인터넷 모듈(113)은 무선 인터넷 기술들에 따른 통신망에서 무선 신호를 송수신하도록 이루어진다.

무선 인터넷 기술로는, 예를 들어 WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi(Wireless Fidelity) Direct, DLNA(Digital Living Network Alliance), WiBro(Wireless Broadband), WiMAX(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등이 있으며, 상기 무선 인터넷 모듈(113)은 상기에서 나열되지 않은 인터넷 기술까지 포함한 범위에서 적어도 하나의 무선 인터넷 기술에 따라 데이터를 송수신하게 된다.

WiBro, HSDPA, HSUPA, GSM, CDMA, WCDMA, LTE, LTE-A 등에 의한 무선인터넷 접속은 이동통신망을 통해 이루어진다는 관점에서 본다면, 상기 이동통신망을 통해 무선인터넷 접속을 수행하는 상기 무선 인터넷 모듈(113)은 상기 이동통신 모듈(112)의 일종으로 이해될 수도 있다.

근거리 통신 모듈(114)은 근거리 통신(Short range communication)을 위한 것으로서, 블루투스(Bluetooth™), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus) 기술 중 적어도 하나를 이용하여, 근거리 통신을 지원할 수 있다. 이러한, 근거리 통신 모듈(114)은, 근거리 무선 통신망(Wireless Area Networks)을 통해 HMD(100)와 무선 통신 시스템 사이, HMD(100)와 다른 HMD(100) 사이, HMD(100)와 이동 또는 고정 단말기 사이, HMD(100)와 제어장치 사이, HMD(100)와 외부에 설치되어 무선통신이 가능한 카메라) 사이 또는 HMD(100)와 외부서버 사이의 무선 통신을 지원할 수 있다. 상기 근거리 무선 통신망은 근거리 무선 개인 통신망(Wireless Personal Area Networks)일 수 있다.

여기에서, 상기 HMD는 본 발명에 따른 HMD(100)와 데이터를 상호 교환하는 것이 가능한(또는 연동 가능한) 디바이스(device, 예를 들어, 휴대폰, 스마트폰(smart phone), 스마트워치(smartwatch), 노트북 컴퓨터, 제어장치 등)가 될 수 있다. 근거리 통신 모듈(114)은, HMD(100) 주변에, 상기 HMD(100)와 통신 가능한 디바이스를 감지(또는 인식)할 수 있다. 나아가, 제어부(180)는 상기 감지된 디바이스가 본 발명에 따른 HMD(100)와 통신하도록 인증된 디바이스인 경우, 상기 근거리 통신 모듈(114)을 통해, HMD(100)에서 처리되는 데이터의 적어도 일부를 상기 디바이스로 전송할 수 있고, 상기 디바이스에서 처리되는 데이터의 적어도 일부를 HMD(100)로 전송할 수 있다.

따라서, HMD(100)의 사용자는, 디바이스에서 처리되는 데이터를 HMD(100)를 통해 이용할 수 있다. 예를 들어, 이에 따르면 사용자는, 디바이스에 전화가 수신된 경우, HMD(100)를 통해 전화 통화를 수행하거나, 디바이스에 메시지가 수신된 경우, HMD(100)를 통해 상기 수신된 메시지를 확인하는 것이 가능하다.

위치정보 모듈(115)은 HMD의 위치(또는 현재 위치)를 획득하기 위한 모듈로서, 그의 대표적인 예로는 GPS(Global Positioning System) 모듈 또는 WiFi(Wireless Fidelity) 모듈이 있다. 예를 들어, HMD는 GPS모듈을 활용하면, GPS 위성에서 보내는 신호를 이용하여 HMD의 위치를 획득할 수 있다. 다른 예로서, HMD는 Wi-Fi모듈을 활용하면, Wi-Fi모듈과 무선신호를 송신 또는 수신하는 무선 AP(Wireless Access Point)의 정보에 기반하여, HMD의 위치를 획득할 수 있다. 필요에 따라서, 위치정보모듈(115)은 치환 또는 부가적으로 HMD의 위치에 관한 데이터를 얻기 위해 무선 통신부(110)의 다른 모듈 중 어느 기능을 수행할 수 있다. 위치정보모듈(115)은 HMD의 위치(또는 현재 위치)를 획득하기 위해 이용되는 모듈로, HMD의 위치를 직접적으로 계산하거나 획득하는 모듈로 한정되지는 않는다.

다음으로, 입력부(120)는 영상 정보(또는 신호), 오디오 정보(또는 신호), 데이터, 또는 사용자로부터 입력되는 정보의 입력을 위한 것으로서, 영상 정보의 입력을 위하여, HMD(100) 는 하나 또는 복수의 카메라(121)를 구비할 수 있다. 카메라(121)는 화상 통화모드 또는 촬영 모드에서 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지영상 또는 동영상 등의 화상 프레임을 처리한다. 처리된 화상 프레임은 디스플레이부(151)에 표시되거나 메모리(170)에 저장될 수 있다. 한편, HMD(100)에 구비되는 복수의 카메라(121)는 매트릭스 구조를 이루도록 배치될 수 있으며, 이와 같이 매트릭스 구조를 이루는 카메라(121)를 통하여, HMD(100)에는 다양한 각도 또는 초점을 갖는 복수의 영상정보가 입력될 수 있다. 또한, 복수의 카메라(121)는 입체영상을 구현하기 위한 좌 영상 및 우 영상을 획득하도록, 스트레오 구조로 배치될 수 있다.

마이크로폰(122)은 외부의 음향 신호를 전기적인 음성 데이터로 처리한다. 처리된 음성 데이터는 HMD(100)에서 수행 중인 기능(또는 실행 중인 응용 프로그램)에 따라 다양하게 활용될 수 있다. 한편, 마이크로폰(122)에는 외부의 음향 신호를 입력 받는 과정에서 발생되는 잡음(noise)을 제거하기 위한 다양한 잡음 제거 알고리즘이 구현될 수 있다.

사용자 입력부(123)는 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 것으로서, 사용자 입력부(123)를 통해 정보가 입력되면, 제어부(180)는 입력된 정보에 대응되도록 HMD(100)의 동작을 제어할 수 있다. 이러한, 사용자 입력부(123)는 기계식 (mechanical) 입력수단(또는, 메커니컬 키, 예를 들어, HMD(100)의 전/후면 또는 측면에 위치하는 버튼, 돔 스위치 (dome switch), 조그 휠, 조그 스위치 등) 및 터치식 입력수단을 포함할 수 있다. 일 예로서, 터치식 입력수단은, 터치 패드 및 터치패널 중 적어도 하나일 수 있다.

한편, 센싱부(140)는 HMD 내 정보, HMD를 둘러싼 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 센싱하고, 이에 대응하는 센싱 신호를 발생시킨다. 제어부(180)는 이러한 센싱 신호에 기초하여, HMD(100)의 구동 또는 동작을 제어하거나, HMD(100)에 설치된 응용 프로그램과 관련된 데이터 처리, 기능 또는 동작을 수행 할 수 있다. 센싱부(140)에 포함될 수 있는 다양한 센서 중 대표적인 센서들의 대하여, 보다 구체적으로 살펴본다.

먼저, 근접 센서(141)는 소정의 검출면에 접근하는 물체, 혹은 근방에 존재하는 물체의 유무를 전자계의 힘 또는 적외선 등을 이용하여 기계적 접촉이 없이 검출하는 센서를 말한다. 이러한 근접 센서(141)는 위에서 살펴본 터치 스크린에 의해 감싸지는 HMD의 내부 영역 또는 상기 터치 스크린의 근처에 근접 센서(141)가 배치될 수 있다.

근접 센서(141)의 예로는 투과형 광전 센서, 직접 반사형 광전 센서, 미러 반사형 광전 센서, 고주파 발진형 근접 센서, 정전 용량형 근접 센서, 자기형 근접 센서, 적외선 근접 센서 등이 있다. 사용자 입력부(123)의 터치식 입력수단이 정전식인 경우에, 근접 센서(141)는 전도성을 갖는 물체의 근접에 따른 전계의 변화로 상기 물체의 근접을 검출하도록 구성될 수 있다. 이 경우 사용자 입력부(123) 자체가 근접 센서로 분류될 수 있다.

한편, 설명의 편의를 위해, 사용자 입력부(123) 상에 물체가 접촉되지 않으면서 근접되어 상기 물체가 상기 사용자 입력부(123) 상에 위치함이 인식되도록 하는 행위를 "근접 터치(proximity touch)"라고 명명하고, 상기 사용자 입력부(123) 상에 물체가 실제로 접촉되는 행위를 "접촉 터치(contact touch)"라고 명명한다. 상기 사용자 입력부(123) 상에서 물체가 근접 터치 되는 위치라 함은, 상기 물체가 근접 터치될 때 상기 물체가 상기 사용자 입력부(123)에 대해 수직으로 대응되는 위치를 의미한다. 상기 근접 센서(141)는, 근접 터치와, 근접 터치 패턴(예를 들어, 근접 터치 거리, 근접 터치 방향, 근접 터치 속도, 근접 터치 시간, 근접 터치 위치, 근접 터치 이동 상태 등)을 감지할 수 있다. 한편, 제어부(180)는 위와 같이, 근접 센서(141)를 통해 감지된 근접 터치 동작 및 근접 터치 패턴에 상응하는 데이터(또는 정보)를 처리하며, 나아가, 처리된 데이터에 대응하는 시각적인 정보를 디스플레이부(151) 상에 출력시킬 수 있다. 나아가, 제어부(180)는, 사용자 입력부(123) 상의 동일한 지점에 대한 터치가, 근접 터치인지 또는 접촉 터치인지에 따라, 서로 다른 동작 또는 데이터(또는 정보)가 처리되도록 HMD(100)를 제어할 수 있다.

터치 센서는 저항막 방식, 정전용량 방식, 적외선 방식, 초음파 방식, 자기장 방식 등 여러 가지 터치방식 중 적어도 하나를 이용하여 사용자 입력부(123)에 가해지는 터치(또는 터치입력)을 감지한다.

일 예로서, 터치 센서는, 사용자 입력부(123)의 특정 부위에 가해진 압력 또는 특정 부위에 발생하는 정전 용량 등의 변화를 전기적인 입력신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 터치 센서는, 사용자 입력부(123) 상에 터치를 가하는 터치 대상체가 터치 센서 상에 터치 되는 위치, 면적, 터치 시의 압력, 터치 시의 정전 용량 등을 검출할 수 있도록 구성될 수 있다. 여기에서, 터치 대상체는 상기 터치 센서에 터치를 인가하는 물체로서, 예를 들어, 손가락, 터치펜 또는 스타일러스 펜(Stylus pen), 포인터 등이 될 수 있다.

이와 같이, 터치 센서에 대한 터치 입력이 있는 경우, 그에 대응하는 신호(들)는 터치 제어기로 보내진다. 터치 제어기는 그 신호(들)를 처리한 다음 대응하는 데이터를 제어부(180)로 전송한다. 이로써, 제어부(180)는 사용자 입력부(123)의 어느 영역이 터치 되었는지 여부 등을 알 수 있게 된다. 여기에서, 터치 제어기는, 제어부(180)와 별도의 구성요소일 수 있고, 제어부(180) 자체일 수 있다.

한편, 제어부(180)는, 사용자 입력부(123)를 터치하는, 터치 대상체의 종류에 따라 서로 다른 제어를 수행하거나, 동일한 제어를 수행할 수 있다. 터치 대상체의 종류에 따라 서로 다른 제어를 수행할지 또는 동일한 제어를 수행할 지는, 현재 HMD(100)의 동작상태 또는 실행 중인 응용 프로그램에 따라 결정될 수 있다.

한편, 위에서 살펴본 터치 센서 및 근접 센서는 독립적으로 또는 조합되어, 사용자 입력부(123)에 대한 숏(또는 탭) 터치(short touch), 롱 터치(long touch), 멀티 터치(multi touch), 드래그 터치(drag touch), 플리크 터치(flick touch), 핀치-인 터치(pinch-in touch), 핀치-아웃 터치(pinch-out 터치), 스와이프(swype) 터치, 호버링(hovering) 터치 등과 같은, 다양한 방식의 터치를 센싱할 수 있다.

초음파 센서는 초음파를 이용하여, 감지대상의 위치정보를 인식할 수 있다. 한편 제어부(180)는 광 센서와 복수의 초음파 센서로부터 감지되는 정보를 통해, 파동 발생원의 위치를 산출하는 것이 가능하다. 파동 발생원의 위치는, 광이 초음파보다 매우 빠른 성질, 즉, 광이 광 센서에 도달하는 시간이 초음파가 초음파 센서에 도달하는 시간보다 매우 빠름을 이용하여, 산출될 수 있다. 보다 구체적으로 광을 기준 신호로 초음파가 도달하는 시간과의 시간차를 이용하여 파동 발생원의 위치가 산출될 수 있다.

한편, 입력부(120)의 구성으로 살펴본, 카메라(121)는 카메라 센서(예를 들어, CCD, CMOS 등), 포토 센서(또는 이미지 센서) 및 레이저 센서 중 적어도 하나를 포함한다.

카메라(121)와 레이저 센서는 서로 조합되어, 3차원 입체영상에 대한 감지대상의 터치를 감지할 수 있다. 포토 센서는 디스플레이 소자에 적층될 수 있는데, 이러한 포토 센서는 터치 스크린에 근접한 감지대상의 움직임을 스캐닝하도록 이루어진다. 보다 구체적으로, 포토 센서는 행/열에 Photo Diode와 TR(Transistor)를 실장하여 Photo Diode에 인가되는 빛의 양에 따라 변화되는 전기적 신호를 이용하여 포토 센서 위에 올려지는 내용물을 스캔한다. 즉, 포토 센서는 빛의 변화량에 따른 감지대상의 좌표 계산을 수행하며, 이를 통하여 감지대상의 위치정보가 획득될 수 있다.

디스플레이부(151)는 HMD(100)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다. 예를 들어, 디스플레이부(151)는 HMD(100)에서 구동되는 응용 프로그램의 실행화면 정보, 또는 이러한 실행화면 정보에 따른 UI(User Interface), GUI(Graphic User Interface) 정보를 표시할 수 있다.

또한, 상기 디스플레이부(151)는 입체영상을 표시하는 입체 디스플레이부로서 구성될 수 있다.

상기 입체 디스플레이부에는 스테레오스코픽 방식(안경 방식), 오토 스테레오스코픽 방식(무안경 방식), 프로젝션 방식(홀로그래픽 방식) 등의 3차원 디스플레이 방식이 적용될 수 있다.

일반적으로 3차원 입체 영상은 좌 영상(좌안용 영상)과 우 영상(우안용 영상)으로 구성된다. 좌 영상과 우 영상이 3차원 입체 영상으로 합쳐지는 방식에 따라, 좌 영상과 우 영상을 한 프레임 내 상하로 배치하는 탑-다운(top-down) 방식, 좌 영상과 우 영상을 한 프레임 내 좌우로 배치하는 L-to-R(left-to-right, side by side) 방식, 좌 영상과 우 영상의 조각들을 타일 형태로 배치하는 체커 보드(checker board) 방식, 좌 영상과 우 영상을 열 단위 또는 행 단위로 번갈아 배치하는 인터레이스드(interlaced) 방식, 그리고 좌 영상과 우 영상을 시간 별로 번갈아 표시하는 시분할(time sequential, frame by frame) 방식 등으로 나뉜다.

또한, 3차원 썸네일 영상은 원본 영상 프레임의 좌 영상 및 우 영상으로부터 각각 좌 영상 썸네일 및 우 영상 썸네일을 생성하고, 이들이 합쳐짐에 따라 하나의 영상으로 생성될 수 있다. 일반적으로 썸네일(thumbnail)은 축소된 화상 또는 축소된 정지영상을 의미한다. 이렇게 생성된 좌 영상 썸네일과 우 영상 썸네일은 좌 영상과 우 영상의 시차에 대응하는 깊이감(depth)만큼 화면 상에서 좌우 거리차를 두고 표시됨으로써 입체적인 공간감을 나타낼 수 있다.

3차원 입체영상의 구현에 필요한 좌 영상과 우 영상은 입체 처리부에 의하여 입체 디스플레이부에 표시될 수 있다. 입체 처리부는 3D 영상(기준시점의 영상과 확장시점의 영상)을 입력 받아 이로부터 좌 영상과 우 영상을 설정하거나, 2D 영상을 입력 받아 이를 좌 영상과 우 영상으로 전환하도록 이루어진다.

음향 출력부(152)는 호신호 수신, 통화모드 또는 녹음 모드, 음성인식 모드, 방송수신 모드 등에서 무선 통신부(110)로부터 수신되거나 메모리(170)에 저장된 오디오 데이터를 출력할 수 있다. 음향 출력부(152)는 HMD(100)에서 수행되는 기능(예를 들어, 호신호 수신음, 메시지 수신음 등)과 관련된 음향 신호를 출력하기도 한다. 이러한 음향 출력부(152)에는 리시버(receiver), 스피커(speaker), 버저(buzzer) 등이 포함될 수 있다.

햅틱 모듈(haptic module)(153)은 사용자가 느낄 수 있는 다양한 촉각 효과를 발생시킨다. 햅틱 모듈(153)이 발생시키는 촉각 효과의 대표적인 예로는 진동이 될 수 있다. 햅틱 모듈(153)에서 발생하는 진동의 세기와 패턴 등은 사용자의 선택 또는 제어부의 설정에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 햅틱 모듈(153)은 서로 다른 진동을 합성하여 출력하거나 순차적으로 출력할 수도 있다.

햅틱 모듈(153)은, 진동 외에도, 접촉 피부면에 대해 수직 운동하는 핀 배열, 분사구나 흡입구를 통한 공기의 분사력이나 흡입력, 피부 표면에 대한 스침, 전극(electrode)의 접촉, 정전기력 등의 자극에 의한 효과와, 흡열이나 발열 가능한 소자를 이용한 냉온감 재현에 의한 효과 등 다양한 촉각 효과를 발생시킬 수 있다.

햅틱 모듈(153)은 직접적인 접촉을 통해 촉각 효과를 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 사용자가 머리, 얼굴, 손가락이나 팔 등의 근 감각을 통해 촉각 효과를 느낄 수 있도록 구현할 수도 있다. 햅틱 모듈(153)은 HMD(100)의 구성 태양에 따라 2개 이상이 구비될 수 있다.

광출력부(154)는 HMD(100)의 광원의 빛을 이용하여 이벤트 발생을 알리기 위한 신호를 출력한다. HMD(100)에서 발생 되는 이벤트의 예로는 메시지 수신, 호 신호 수신, 부재중 전화, 알람, 일정 알림, 이메일 수신, 애플리케이션을 통한 정보 수신, 영상(이미지, 동영상 등) 출력 등이 될 수 있다. 즉, 상기 광 출력부(154)는 HMD(100)가 사용자에 의해 특정 동작(기능)을 수행중임을 알리는 역할을 할 수도 있다.

광출력부(154)가 출력하는 신호는 HMD가 전면이나 후면으로 단색이나 복수색의 빛을 발광함에 따라 구현된다. 상기 신호 출력은 HMD가 사용자의 이벤트 확인을 감지함에 의하여 종료되거나, HMD에서 수행중인 동작이 끝나는 것에 근거하여 종료될 수 있다.

인터페이스부(160)는 HMD(100)에 연결되는 모든 외부 기기와의 통로 역할을 한다. 인터페이스부(160)는 외부 기기로부터 데이터를 전송받거나, 전원을 공급받아 HMD(100) 내부의 각 구성요소에 전달하거나, HMD(100) 내부의 데이터가 외부 기기로 전송되도록 한다. 예를 들어, 유/무선 헤드셋 포트(port), 외부 충전기 포트(port), 유/무선 데이터 포트(port), 메모리 카드(memory card) 포트(port), 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트(port), 오디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 비디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 이어폰 포트(port) 등이 인터페이스부(160)에 포함될 수 있다.

한편, 식별 모듈은 HMD(100)의 사용 권한을 인증하기 위한 각종 정보를 저장한 칩으로서, 사용자 인증 모듈(user identify module; UIM), 가입자 인증 모듈(subscriber identity module; SIM), 범용 사용자 인증 모듈(universal subscriber identity module; USIM) 등을 포함할 수 있다. 식별 모듈이 구비된 장치(이하 '식별 장치')는, 스마트 카드(smart card) 형식으로 제작될 수 있다. 따라서 식별 장치는 상기 인터페이스부(160)를 통하여 단말기(100)와 연결될 수 있다.

또한, 상기 인터페이스부(160)는 HMD(100)가 외부 크래들(cradle)과 연결될 때 상기 크래들로부터의 전원이 상기 HMD(100)에 공급되는 통로가 되거나, 사용자에 의해 상기 크래들에서 입력되는 각종 명령 신호가 상기 HMD(100)로 전달되는 통로가 될 수 있다. 상기 크래들로부터 입력되는 각종 명령 신호 또는 상기 전원은 상기 HMD(100)가 상기 크래들에 정확히 장착되었음을 인지하기 위한 신호로 동작될 수 있다.

메모리(170)는 제어부(180)의 동작을 위한 프로그램을 저장할 수 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들어, 폰북, 메시지, 정지영상, 동영상 등)을 임시 저장할 수도 있다. 상기 메모리(170)는 상기 터치 스크린 상의 터치 입력시 출력되는 다양한 패턴의 진동 및 음향에 관한 데이터를 저장할 수 있다.

메모리(170)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory), 자기 메모리, 자기 디스크 및 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. HMD(100)는 인터넷(internet)상에서 상기 메모리(170)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage)와 관련되어 동작될 수도 있다.

한편, 앞서 살펴본 것과 같이, 제어부(180)는 응용 프로그램과 관련된 동작과, 통상적으로 HMD(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(180)는 상기 HMD의 상태가 설정된 조건을 만족하면, 애플리케이션들에 대한 사용자의 제어 명령의 입력을 제한하는 잠금 상태를 실행하거나, 해제할 수 있다.

또한, 제어부(180)는 음성 통화, 데이터 통신, 화상 통화 등과 관련된 제어 및 처리를 수행하거나, 사용자 입력부(123) 상에서 행해지는 필기 입력 또는 그림 그리기 입력을 각각 문자 및 이미지로 인식할 수 있는 패턴 인식 처리를 행할 수 있다. 나아가 제어부(180)는 이하에서 설명되는 다양한 실시예들을 본 발명에 따른 HMD(100) 상에서 구현하기 위하여, 위에서 살펴본 구성요소들을 중 어느 하나 또는 복수를 조합하여 제어할 수 있다.

전원 공급부(190)는 제어부(180)의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다. 전원공급부(190)는 배터리를 포함하며, 배터리는 충전 가능하도록 이루어지는 내장형 배터리가 될 수 있으며, 충전 등을 위하여 HMD 바디에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.

또한, 전원공급부(190)는 연결포트를 구비할 수 있으며, 연결포트는 배터리의 충전을 위하여 전원을 공급하는 외부 충전기가 전기적으로 연결되는 인터페이스(160)의 일 예로서 구성될 수 있다.

다른 예로서, 전원공급부(190)는 상기 연결포트를 이용하지 않고 무선방식으로 배터리를 충전하도록 이루어질 수 있다. 이 경우에, 전원공급부(190)는 외부의 무선 전력 전송장치로부터 자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식이나 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Magnetic Resonance Coupling) 방식 중 하나 이상을 이용하여 전력을 전달받을 수 있다.

한편, 이하에서 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.

도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명과 관련된 HMD를 일 방향에서 바라본 개념도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명과 관련된 HMD(100)는 인체의 두부(또는, 머리, 얼굴, 헤드(head))에 착용 가능하도록 형성되며, 이를 위한 프레임부(케이스, 하우징, 커버 등)를 포함할 수 있다. 프레임부는 착용이 용이하도록 플렉서블(flexible) 재질로 형성될 수 있다. 본 도면에서는 프레임부가 서로 다른 재질의 제1 프레임(101)과 제2 프레임(102)을 포함하는 것을 예시하고 있다.

일 예로, 상기 제1 프레임(101)은 도 1에서 설명한 구성요소들 중 적어도 하나가 배치될 수 있는 공간을 제공하는 역할을 하고, 상기 제2 프레임(102)은 상기 제1 프레임(101)이 인체의 두부에 장착 가능하도록 하는 지지(또는 고정)하는 역할을 할 수 있다.

상기 프레임부는 본체(또는, HMD 본체) 또는 바디(또는, HMD 바디)로 명명될 수 있다. 여기에서, HMD 본체(또는 HMD 바디)는 HMD(100)를 적어도 하나의 집합체로 보아 이를 지칭하는 개념으로 이해될 수도 있다.

프레임부는 두부에 지지되며, 각종 부품들이 장착되는 공간을 마련한다. 도시된 바와 같이, 제1 프레임(101)에는 카메라(121), 출력부, 사용자 입력부(123), 제어부, 센싱부 등과 같은 전자부품이 장착될 수 있다. 여기서, 디스플레이부(151)는 사용자의 좌안 및 우안 중 적어도 하나를 덮도록 (또는, 사용자의 좌안 및 우안 중 적어도 하나를 마주보도록) 형성될 수 있으며, 착탈 가능하게 형성될 수 있다.

제2 프레임(102)에는 음향 출력부(152) 등과 같은 전자부품이 장착될 수 있다. 다만 이에 한정되지 않고, 상기 제1 프레임(101) 및 제2 프레임(102)에는 도 1에서 설명한 구성요소 및 HMD에 필요한 구성요소들이 사용자의 선택에 의해 다양하게 배치될 수 있다.

제어부(180, 도 1 참조)는 HMD(100)에 구비되는 각종 전자부품을 제어하도록 이루어진다. 제어부(180)는 도 1에서 설명한 제어부(180)에 대응되는 구성으로 이해될 수 있다.

디스플레이부(151)는 프레임부에 장착되어, 사용자의 눈 앞에서 화면정보(예를 들어, 영상, 이미지, 동영상 등)를 출력하는 역할을 한다. 사용자가 HMD(100)를 착용하였을 때, 사용자의 눈 앞에 화면정보가 표시될 수 있도록, 디스플레이부(151)는 좌안 및 우안 중 적어도 하나에 대응되게 배치될 수 있다. 본 도면에서는, 사용자의 좌안 및 우안 모두를 향하여 영상을 출력할 수 있도록, 디스플레이부(151)가 좌안 및 우안을 모두 덮도록 위치한 것을 예시하고 있다.

또한, 디스플레이부(151)는 프리즘을 이용하여 사용자의 눈으로 이미지를 투사할 수 있다. 또한, 사용자가 투사된 이미지와 전방의 일반 시야(사용자가 눈을 통하여 바라보는 범위)를 함께 볼 수 있도록, 프리즘은 투광성으로 형성될 수 있다.

이처럼, 디스플레이부(151)를 통하여 출력되는 영상은, 일반 시야와 오버랩(overlap)되어 보여질 수 있다. HMD(100)는 이러한 디스플레이의 특성을 이용하여 현실의 이미지나 배경에 가상 이미지를 겹쳐서 하나의 영상으로 보여주는 증강현실(Augmented Reality, AR)을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명과 관련된 HMD의 디스플레이부(151)는 본체의 내부에 위치할 수 있다. 구체적으로, 상기 디스플레이부(151)는 HMD가 사용자의 두부에 착용 되었을 때, HMD의 내부에서 상기 사용자의 눈과 마주하는 위치에 배치될 수 있다.

카메라(121)는 좌안 및 우안 중 적어도 하나에 인접하게 배치되어, 전방의 영상을 촬영하도록 형성된다. 카메라(121)가 눈에 인접하여 전방을 향하도록 배치되므로, 카메라(121)는 사용자가 바라보는 장면을 영상으로 획득할 수 있다.

본 도면에서는, 카메라(121)가 하나 구비된 것을 예시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 카메라(121)는 복수 개로 구비되어 입체 영상을 획득하도록 이루어질 수도 있다.

HMD(100)는 제어명령을 입력받기 위한 사용자 입력부를 구비할 수 있다. 일 예로, 상기 사용자 입력부는 도 2에서 도시된 것처럼, 상기 HMD(100)의 본체의 일 영역에 장착되어, 터치, 푸시 등과 같이 사용자가 촉각적인 느낌을 가면서 조작하게 되는 방식(tactile manner)에 근거하여 제어명령을 입력받을 수 있다. 즉, 본 도면에서는, 프레임부에 푸시 및 터치 입력 방식의 사용자 입력부(123)가 구비된 것을 예시하고 있다.

또 다른 예로, 본 발명에 따른 HMD(100)의 사용자 입력부는 상기 HMD(100)에 대한 사용자의 기 설정된 제스처, 상기 HMD(100)의 본체의 기 설정된 움직임 등을 제어명령으로써 입력받을 수 있다. 이를 위하여, 상기 사용자 입력부는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 HMD(100)의 본체의 회전이나 기울임과 같은 움직임을 감지하기 위한 자이로 센서나 가속도 센서를 포함할 수 있다. 또한, 상기 사용자의 상기 HMD(100)에 대한 기 설정된 제스처로써, 상기 사용자의 기 설정된 시선을 감지하기 위한 카메라나 적외선 센서를 추가로 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 상기 사용자 입력부를 통하여 제어명령이 입력되면, 상기 제어부는 상기 제어명령에 근거하여 상기 디스플레이부 및 음향 출력부 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

또한, HMD(100)에는 사운드를 입력받아 전기적인 음성 데이터로 처리하는 마이크로폰(미도시) 및 음향을 출력하는 음향 출력부(152)가 구비될 수 있다. 음향 출력부(152)는 일반적인 음향 출력 방식 또는 골전도 방식으로 음향을 전달하도록 이루어질 수 있다. 음향 출력부(152)가 골전도 방식으로 구현되는 경우, 사용자가 HMD(100)를 착용시, 음향 출력부(152)은 두부에 밀착되며, 두개골을 진동시켜 음향을 전달하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 HMD(100)는 상기 HMD(100)의 본체에, 상기 HMD(100)의 외부에서 발생되는 소리 이벤트를 감지할 수 있는 적어도 하나의 마이크(도면 미도시)를 포함할 수 있다. 상기 마이크는, 상기 HMD(100)의 음향 출력부(152)에서 음향정보가 출력되는 동안, 사용자가 듣지 못하는 상기 HMD(100)의 외부에서 발생되는 소리 이벤트를 감지할 수 있다. 일 예로, 상기 마이크는, 상기 소리 이벤트가 발생된 위치를 파악할 수 있는 지향성 마이크로 구성될 수 있다.

이하에서는 이와 같이 구성된 HMD(100)와 관련된 실시예들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

본 발명의 일 실시예에서의 HMD(100)는 다양한 방식으로 이미지를 출력할 수 있다. 일 예로서, HMD(100)는 투시형(see-through) 방식으로 이미지를 출력할 수 있다. 여기에서, 투시형(see-through) 방식은 화면정보를 출력하는 디스플레이부(151)가 투명한 것으로, HMD(100)를 착용한 상태에서 사용자가 주위 환경을 인식하면서 컨텐츠를 이용할 수 있는 방식을 나타낸다. 다른 일 예로서, HMD(100)는 전방 주사(front-light) 방식으로 이미지를 출력할 수 있다. 여기에서, 전방 주사 방식은 빛이 눈에 직접 투사되지 않고 반사된 영상을 거울과 같은 반사체를 통해 디스플레이하는 방식을 나타낸다.

또한, 다른 일 예로서, HMD(100)는 암막형(see-closed) 방식으로 이미지를 출력할 수 있다. 여기에서, 암막형 방식은 디스플레이부(151)가 가장 전단에 위치하고 디스플레이부(151)를 통해 외부 환경을 볼 수 없으며, 디스플레이부(151)를 통해 컨텐츠를 이용하는 방식을 나타낸다. 즉, 화면정보가 디스플레이부(151)를 통해 출력되는 방식이다.

이하에서는 HMD(100)는 암막형 방식으로 이미지를 디스플레이하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다. 상기 암막형 방식은 도 2에 도시된 바와 같이, 디스플레이부(151)가 HMD(100)로부터 분리 형성될 수 있고, 상기 디스플레이부(151)라는 독립된 기기에서 동영상, 게임 등의 다양한 미디어(화면정보)가 출력될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 HMD를 일 방향에서 바라본 사시도이고, 도 3a는 본 발명의 일 실시예와 관련된 HMD를 일 방향으로 절단한 단면도이고, 도 3b는 도 3a에서의 화면정보의 크기를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 HMD를 착용한 상태의 개략적인 사시도이다. 도 3a는 도 2의 HMD를 도 4에서와 같이 사용자가 착용한 상태를 일 방향을 따라서 취한 단면도로 이해될 수 있다.

이하에서는, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

상기 HMD(100)가 3차원의 입체 영상을 출력하는 경우에는 다양한 방식이 적용될 수 있으며, 3차원 입체 영상은 좌 영상(A1,좌안용 영상)과 우 영상(A2,우안용 영상)으로 구성된다. 좌 영상과 우 영상이 3차원 입체 영상으로 합쳐지는 방식에 따라, 좌 영상과 우 영상을 한 프레임 내 상하로 배치하는 탑-다운(top-down) 방식, 좌 영상과 우 영상을 한 프레임 내 좌우로 배치하는 L-to-R(left-to-right, side by side) 방식, 좌 영상과 우 영상의 조각들을 타일 형태로 배치하는 체커 보드(checker board) 방식, 좌 영상과 우 영상을 열 단위 또는 행 단위로 번갈아 배치하는 인터레이스드(interlaced) 방식, 그리고 좌 영상과 우 영상을 시간 별로 번갈아 표시하는 시분할(time sequential, frame by frame) 방식 등이 적용될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 3차원 입체 영상을 출력하는 경우를 위하여 렌즈(130)는 좌안용 렌즈(130a)와 우안용 렌즈(130b)를 포함한다. 디스플레이부(151)로부터 출력되는 영상이 좌안용 영상(A1)과 우안용 영상(A2)로 분리되어 출력되고, 좌안용 영상(A1)과 우안용 영상(A2) 각각은 좌안용 렌즈(130a)와 우안용 렌즈(130b)를 통하여 사용자의 눈(eye) 또는 동공(pupil)으로 입사된다.

이때, 사용자에게는 디스플레이부(151)에 의한 화면정보의 크기보다 훨씬 큰 허상(151')의 화면정보로 인식된다. 사용자의 눈과 동공은 의미상 차이가 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 동일한 신체 부위를 의미하는 것으로 이해될 수 있으며, 동일한 도면부호(E)를 사용하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이(head mounted display, HMD) 장치는 프레넬 렌즈(130,Fresnel lens)를 이용하여 초점 거리를 줄이면서 렌즈(130)의 두께를 얇게 함으로써 HMD(100) 자체의 두께를 슬림(slim)하게 할 수 있는 방안이 제시된다.

도 5는 HMD(100)에 사용되는 렌즈를 볼록 렌즈(130')로 하는 경우의 빛의 경로를 설명하기 위한 광학계인데, 도 5에서와 같이 물체(M) 앞쪽에 위치한 확대경(130’)를 통해 허상의 확대된 이미지(M')를 보게 된다. 이때, 상기 물체(M)는 디스플레이부(151)로 이해될 수 있다. 즉, 렌즈(130')의 전면에 배치되는 물체(M)는 렌즈(130’)의 초점거리(F) 이내에 배치되고, 실제 크기는 P와 Q를 잇는 선분인데, 상기 렌즈(130')에 의한 허상(M')이 형성되어 실제 크기보다 큰 P'와 Q'를 잇는 선분의 크기를 갖는 물체로 인식된다. 이는 일반적인 볼록 렌즈에 의해 허상을 보는 것과 동일한 원리이다.

이러한 원리를 이용하여 VR(virtual reality) 시스템이 작동되며 이러한 시스템을 적용하면 디스플레이부(151)로부터 출력되는 작은 화면정보를 크게 확대하여 볼 수 있어 몰입감을 향상시킬 수 있다.

그러나, 보다 몰입감을 향상시키기 위하여 시야(field of view,FOV)를 크게 할 필요가 있는데, 이를 위해서는 볼록 렌즈(130’)의 직경을 크게 하거나 볼록 렌즈(130’)의 초점 거리를 짧게 해야 한다. 이때, 렌즈(130')의 초점 거리는 1/f= (n-1)/r 의 렌즈 공식에 의해서 렌즈(130’)의 반지름(r)이 작아져야 한다. 이때, f는 렌즈(130')의 초점거리이고, r은 렌즈(130’)의 반경이다.

본 발명의 일 실시예에서 FOV는 눈이 화면을 볼 수 있는 최대 각도를 의미한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD(100)에서의 광학계를 도시한 것인데, 도 6을 참조하면, 상기 FOV는 디스플레이부(151)의 양 단부가 렌즈(130)를 통하여 사용자의 눈에 비춰질 때 렌즈(130)의 양 단부를 통해 사용자의 눈(E)에 입사되는 광의 경로가 이루는 각(θ)을 의미한다.

도 6에서도 알 수 있듯이, FOV를 크게 하기 위해서는 사용자의 눈(E)과 렌즈(130) 사이의 거리(eye relief)를 짧게 하거나, 렌즈(130)의 초점거리를 짧게 하면 유리함을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 HMD(100)는 화면정보를 출력하도록 형성되는 디스플레이부(151)와, 상기 디스플레이부(151)와 이격되어 상기 화면정보를 확대하여 허상을 형성하는 렌즈(130), 및 상기 디스플레이부(151) 및 렌즈(130)가 수용되는 프레임(101)을 포함하여 이루어진다. 상기 프레임(101)은 바디(body) 또는 본체(main body)로 명명될 수도 있다.

도 7a는 볼록 렌즈(130')의 초점거리를 설명하기 위한 광학계이고, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 일면이 프레넬 형상인 렌즈(130)의 초점거리를 설명하기 위한 광학계이다.

상기 렌즈(130)는 상기 디스플레이부(151)와 반대되는 제1 방향을 향하여 형성되는 제1 부분(131)과, 상기 제1 부분(131)과 일체로 형성되고, 상기 디스플레이부(151)를 향하는 제2 방향을 향하여 형성되는 제2 부분(132)을 포함하여 이루어지며, 상기 제2 부분(132)은 프레넬(fresnel) 형상이다. 즉, 상기 렌즈(130)의 양면(S1,S2)에 형성되는 렌즈가 다른 형상을 가지며, 일면(S1)은 구면(球面) 또는 비구면(非球面)으로 형성되고, 타면(S2)은 프레넬 형상의 비구면으로 형성된다. 이때, 상기 타면(S2)은 빛이 디스플레이부(151)로부터 렌즈(130)로 입사되는 입사면이고, 상기 일면(S1)은 빛이 렌즈(130)를 통하여 사용자에게로 향하는 출사면이다.

본 발명의 일 실시예에서는 볼록 렌즈(130')의 사용에 의해 무겁고 두께가 두꺼운 광학계를 가볍고 슬림하게 하기 위하여 프레넬 렌즈(130)를 사용하였다. 상기 프레넬 렌즈(130)는 볼록 렌즈(130')와 같이 빛을 한 곳(초점)에 집중시키므로 볼록 렌즈(130')와 유사한 기능을 하는데, 프레넬 렌즈를 사용하면 렌즈의 두께가 얇아지는 장점이 있다.

상기 제2 부분(132)에는 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 제2 부분(132)의 중심을 동심원으로 하면서 기설정된 간격으로 이격되는 다수의 원형의 돌기들(136)이 형성되는데, 상기 다수의 링 형상의 돌기들(136)과 리세스(recessed)되는 홈(137)에 의해 프레넬 형상을 이룬다. 상기 돌기(136)은 산에 대응되고, 상기 홈(137)은 골에 대응된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 렌즈(130)를 프레넬 형상으로 제작하는데, 상기 프레넬 렌즈(130)는 얇고 평면의 광학 렌즈로, 작고 좁은 원형의 돌기들(136)로 이루어진 것이다.

프레넬 렌즈는 종래의 볼록렌즈 등에 비하여 무게와 두께 그리고 가격 등을 개선한 플라스틱 판형태의 렌즈이다. 각각의 돌기들(136)은 일정한 비율에 의해 조금씩 다른 각도로 설계되어서 빛이 하나의 초점으로 모이도록 설계된다. 상기 각각의 돌기들(136)은 모두가 빛을 굴절시키는 프리즘 형태의 개별 렌즈들이라 할 수 있으며, 프레넬 렌즈(130)는 구면수차를 줄일 수 있어 상이 흐트러지는 것을 방지할 수도 있다. (도 7b 참조)

본 발명의 일 실시예에서는 좌안용 렌즈(130a) 및 우안용 렌즈(130b)가 쌍으로 형성되고, 상기 렌즈(130)는 상기 디스플레이부(151)가 상기 제2 부분(132)의 초점거리(f2) 이내의 위치하도록 상기 디스플레이로(151)부터 이격되는 거리가 가변된다. 이때, 상기 볼록 렌즈(130')의 초점거리는 f1이라 할 때, f1>f2의 관계를 만족한다.

상기 렌즈(130)의 위치를 가변시키기 위하여 HMD(100)의 상측에는 도 2에 도시된 바와 같이, 가변 제어부(135)가 형성되며, 상기 가변 제어부(135)는 다이얼(dial) 형태로 구현된다. 즉, 상기 가변 제어부(135)를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시킴으로써 상기 렌즈(130)와 디스플레이부(151) 사이의 간격을 조정할 수 있도록 한다.

상기 다수의 원형의 돌기들(136)은 기설정된 간격(P)으로 이격되는데, 이를 피치(pitch)라고 명명할 수 있다. 즉, 상기 피치는 이웃하여 형성되는 돌기들(136) 사이의 간격을 의미한다. 상기 피치는 하기 식(1)에서와 같은 공식에 의해 산정되는 간격일 수 있다.

------(1)

이때, 상기 식(1)에서 P는 돌기들(136) 사이의 간격을 의미하고, λ는 가시광선의 파장이고, f는 렌즈(130)의 초점거리이다. 이때, 상기 가시광선의 파장은 일예로, 550nm일 수 있다.

보다 구체적으로 상기 돌기들(136) 사이의 간격(P)은 100~250㎛일 수 있다. 만약, 상기 돌기들(136) 사이의 간격이 100㎛ 보다 작으면, 상기 돌기들(136)이 과도하게 촘촘하게 형성되어 콘트라스트(contrast)가 나빠지고, 250㎛를 초과하게 되면 프레넬 형상에 의해 초점거리를 단축시키는 효과가 감소되므로, 본 발명의 일 실시예에서의 상기 돌기들(136) 사이의 간격은 100~250㎛로 한정한다.

또한, 상기 돌기들(136) 사이의 깊이(S)는 하기 (2)식에 의해 산정되는 값으로 할 수 있다. 상기 돌기들(136) 사이의 깊이는 이웃하여 형성되는 돌기(136)로부터 홈(137)까지의 거리(S)를 의미한다.

---(2)

상기 식(2)에서 S는 돌기들(136) 사이에 형성되는 깊이(depth) 또는 새그(sag)를 의미하고, c는 표면 꼭대기에서의 곡률(curvature at the pole of the surface)을 의미하고, r은 방사거리(radial distance)로 원점에서 (x,y)지점까지의 거리를 의미하고, k는 비구면 상수(conic constant)이고, A,B,C,D,E,F,G,H,J는 각각 4,6,8,10,12,14,16,18,20차수의 계수를 의미한다.

상기 식(2)에 의하면 방사거리가 증가할수록 돌기들(136) 사이의 깊이는 더욱 깊어지며, 빛이 하나의 초점으로 모아질 수 있도록 상기 돌기들(136)은 일정한 비율로 조금씩 다른 각으로 형성된다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 돌기들(136) 사이의 깊이(S)는 0.1mm 이하로 한정하는데, 만약 상기 돌기들(136) 사이의 깊이(S)가 0.1mm를 초과하게 되면, 콘트라스트가 저하될 수 있다.

상기와 같이, 식 (1) 및 (2)에 의해 렌즈(130)를 프레넬 형상으로 제작하면, 상기 렌즈(130)의 두께는 6mm이하로 할 수 있으며, 상기 렌즈(130)와 디스플레이부(151) 사이의 간격을 40mm 이하, 보다 구체적으로는 36mm로 할 수 있다.

이와 같이, 렌즈(130)의 일면을 프레넬 형상으로 함으로써 HMD(100)에 장착되는 렌즈(130)의 두께를 얇게 할 수 있을 뿐만 아니라 상기 HMD(100)를 경량화할 수도 있다.

이때, 상기 렌즈(130)의 표면에는 렌즈(130)의 중심으로부터 가장자리까지 일정한 간격으로 돌기(136) 및 홈(137)이 형성될 수 있으며, 다른 실시예로 렌즈(130)의 내부는 돌기(136) 및 홈(137)이 없이 단순히 볼록 형상으로 형성하고, 렌즈(130)의 중심에서 일정 크기의 반경 이후의 영역에서는 돌기(136) 및 홈(137)이 형성되어 프레넬 형상으로 형성될 수도 있다.

즉, 반드시 상기 렌즈(130)의 표면 전체가 프레넬 형상으로 형성되어야만 하는 것은 아니고, 렌즈(130)의 중심으로부터 일정 크기의 반경 이내의 영역에는 볼록 렌즈가 형성되고, 일정 크기의 반경 이후의 외부 영역에만 상기 돌기(136) 및 홈(137)이 형성될 수도 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈(130)에서의 돌기(136) 사이의 깊이를 표현한 것으로, 렌즈(130)의 제2 부분(132) 중 렌즈(130)의 중심으로부터 최외곽까지의 형상을 개략적으로 도시한 것이다. 도 10을 참조하면, 렌즈(130)의 중심으로부터 멀어질수록 렌즈(130)의 두께가 점차적으로 얇아지는 것을 알 수 있다. 또한, S값이 0.1mm 이하이고, 피치는 약 100~250㎛인 것을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 도 7b에서와 같이, 제2 부분(132)의 두께는 크게 변하지 않고, 입사면(S2)에 일정한 깊이(S)를 갖도록 형성될 수도 있고, 도 10에 도시된 바와 같이, 피치는 동일하나, 렌즈(130)의 중심으로부터 외곽으로 갈수록 돌기의 깊이(S)는 점점 깊어지도록 할 수도 있다.

이때, 상기 디스플레이부(151)는 상기 프레임(101)으로부터 분리되어 제공될 수도 있으며, 상기 프레임(101)과 일체로 형성될 수도 있다. 만약, 상기 디스플레이부(151)가 상기 프레임(101)으로부터 분리되어 제공되는 경우, 상기 디스플레이부(151)는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 워치형 단말기 (smartwatch) 등과 같은 이동 단말기일 수 있다.

앞서 살펴본 바와 같이, 도 7a 및 도 7b에서 렌즈(130.130')는 하나의 지점에 초점을 형성하는데, 초점거리는 상이하다. 즉, 도 7a에 도시된 광학계에서의 초점거리를 f1이라고 하고, 도 7b에 도시된 광학계에서의 초점거리를 f2라고 할 때, f1>f2가 된다. 렌즈(130)와 초점거리 사이의 거리가 짧을수록 보다 렌즈(130)를 이용한 장치를 보다 슬림하게 제작할 수 있는데, 도 7b에서와 같이 초점거리를 단축시킴으로써 렌즈(130)와 디스플레이부(151) 사이의 간격을 줄일 수 있게 된다. 즉, 도 7a 및 도 7b에서 초점이 형성되는 물체가 디스플레이부(151)가 되며, 도 7b에서와 같이 프레넬 렌즈(130)를 이용하는 경우에 렌즈(130)와 디스플레이부(151) 사이의 거리가 보다 짧아지는 것을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 다수의 원형의 돌기들(136)에 의해 초점거리의 위치에 빛을 모아주도록 형성된다. 렌즈(130)의 초점거리를 짧게 하기 위해서는 렌즈(130)의 곡률이 작게 제작하면 되는데, 렌즈(130)의 곡률이 작아지게 되면 렌즈(130)의 형상이 두꺼워지는 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 렌즈(130)의 일면을 프레넬 형상으로 하였으며, 이에 의해 렌즈(130)의 두께를 줄임과 동시에 HMD(100) 광학계를 보다 슬림화하고 가볍게 할 수 있게 된다. 특히, 본 발명의 일 실시예에서는 렌즈(130)의 재질로 유리(glass)가 아닌 광학용 플라스틱 재질을 사용하였는데, 일 예로, PMMA(Poly Methyl Meth Acrylate), PVA(Poly Vinyl Acetate), COP(Cyclo Polyolefin), COC(Cyclo Olefin Copolymer), TAC(Tri Acetyl Cellulose), PC(Poly Carbonate) 중 어느 하나를 포함한다.

도 8a는 볼록렌즈(130')를 이용한 단렌즈에 의한 광학계를 도시한 것이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 프레넬 렌즈(130)에 의한 광학계를 도시한 것이다.

도 8a에서는 볼록렌즈에 의한 구면수차의 차이에 의해 디스플레이부(151)로부터 출력되는 화면정보가 정확한 초점으로 사용자의 눈(E)로 전해지지 않으나, 도 8b에서는 디스플레이부(151)에 의한 화면정보가 프레넬 렌즈(130)를 통하여 선명하게 사용자의 눈(E)에 입사됨을 알 수 있다. 이때, 사용자의 눈(E)은 일정한 크기 및 움직임을 가지므로, 세 개의 동공 지점(P1,P2,P3)으로 구분하여 도시하였다.

또한, 도 8a에서는 FOV가 100° 적용했을 때, 렌즈(130')에서 디스플레이부(151)까지의 거리가 50mm인 반면, 도 8b에서는 렌즈(130)에서 디스플레이부(151)까지의 거리가 38mm로 12mm가 감소하였다. 또한, 렌즈(130,130’)의 두께도 15mm에서 6mm로 현저하게 줄어들었다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD(100)에서의 광학계를 도시한 것인데, 도 9를 참조하면, 렌즈(130)와 디스플레이부(151) 사이의 거리가 렌즈(130)의 초점거리 또는 초점거리 이내에서 가변되는 경우에는 디스플레이부(151)로부터 렌즈(130)를 통해 사용자의 눈(E)에 빛이 입사되어 허상(virtual image)을 맺게 된다. 상기 허상은 상기 디스플레이부(151)로부터 렌즈(130)를 통해 눈으로 입사되는 빛에 의해 형성되는데, 사용자의 눈(E)으로 입사되는 광의 경로 중 마지막 직진 경로를 따라 눈(E)에서부터 연장선을 그었을 때의 광의 경로는 사용자로부터 멀리 떨어진 위치에서 한 지점(초점)에 모이도록 형성된다.

예를 들면, 사용자는 렌즈(130)를 통해 디스플레이부(151)로부터 출력되는 화면정보를 보게 되는데, 디스플레이부(151) 상의 특정 지점을 아래에서부터 위를 향하여 Q1 내지 Q6라 하고, 각각의 지점들(Q1 내지 Q6)로부터 렌즈(130)를 통해 사용자의 눈(E)로 입사되는 광을 각각 R1 내지 R6라 하기로 한다. 사용자의 동공(E)의 크기를 감안하면 정확히 한 지점으로 빛이 수렴하는 것은 아니므로, 세 개의 동공 지점(P1,P2,P3)으로 입사되는 것을 알 수 있다. 다시 말해, Q1으로부터 세 개의 광선(R11,R12,R13)이 세 개의 지점(P1,P2,P3)으로 각각 진행하며, 이는 Q2 내지 Q6의 경우도 동일하다. 즉, Q3로부터 세 개의 광선(R31,R32,R33)이 세 개의 동공 지점(P1,P2,P3)으로 각각 진행한다. 도 9에서는 편의상 모든 빛의 경로에 대한 부호를 명기하지 않았으나, Q2, Q4, Q5, Q6의 경우에 대하여도 Q1 및 Q3의 경우와 동일하다.

이때, R11, R12, R13는 각각 Q1 지점으로부터 P1,P2,P3로 각각 입사되는 광을 의미하며, R2 내지 R6의 경우에도 동일하다.

이때, 사용자가 인식하는 허상의 위치는 디스플레이부(151)의 위치보다 훨씬 멀리에 위치해 있다. 사용자는 세 개의 동공 지점(P1,P2,P3)으로 입사되는 빛을 허상을 만드는 빛(I1 내지 I6)으로 인식하는데, 보다 구체적으로는 앞서 설명한 R1 내지 R6의 빛을 I1 내지 I6의 빛으로 인식하므로, 허상의 위치는 디스플레이부(151)의 위치에서보다 먼 위치에 있다.

도 3b를 다시 참조하면, 디스플레이부(151)에 의해 출력되는 화면의 크기보다 허상(151')에 의한 이미지의 크기가 훨씬 크며, 렌즈(130)로부터 디스플레이부(151)까지의 거리(L1)보다 훨씬 먼 거리(L2)에 위치한 것으로 보여진다.

이때, HMD(100) 내에서의 렌즈(130)와 디스플레이부(151) 사이의 간격이 36mm라고 할 때, 상기 광학계에 의해 형성되는 허상(151')의 위치는 수 미터(m) 이상이 될 수 있다. 따라서, HMD(100)로 영화 또는 게임 등의 동영상을 시청할 때 수~수십 미터 떨어진 위치에 형성되는 허상을 볼 수 있다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈의 형상에 따른 FOV를 설명하기 위한 도면이다. 도 11a에서는 직경이 D1인 렌즈를 사용하는 경우 FOV가 θ1인 경우인데, θ1은 110°이다. 이때, B1의 부분은 동공(E)이 렌즈(130)의 영역을 벗어나서 깜깜하게 보이는 영역이다. 즉, 안경을 착용한 상태에서 눈동자를 움직이면 안경의 렌즈 영역을 벗어나게 되고, 이러한 경우에는 초점이 맞지 않아 흐릿하게 보이는 경우가 있는데, 상기 B1영역은 이와 유사한 영역이라 할 수 있다. 즉, B1 영역은 사용자의 눈이 렌즈 형성 영역을 벗어나는 영역이다.

이때, 상기 렌즈(130)은 반드시 정확한 원형일 필요는 없고, 약간 타원형일 수도 있으며, 도 11a에서의 B1 영역은 렌즈가 형성되지 않은 빈 공간을 나타내는 영역이다.

도 11b에서는 도 11a에서와 같이 사용자의 시야를 벗어나는 경우를 방지하고, 시야를 더욱 크게 하기 위하여 대각선 또는 지름의 길이가 서로 다르게 형성하였다. 예를 들면, 렌즈(130)를 대략 원형의 렌즈(1301)와 원형의 렌즈(1301)의 외곽을 감싸는 렌즈(1302)로 구분하여 형성하였다. 이때, 도 11b에서의 렌즈(130)는 대략 8각형으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 렌즈의 중심을 지나는 대각선 또는 지름의 길이가 서로 다르게 하는 것이면 다각형 또는 원형을 모두 포함할 수 있다.

도 11b에서 렌즈의 중심을 지나는 지름 중 짧은 것을 D1이라 하고, 렌즈의 중심으로부터 반대 방향으로 가장 먼 지점까지의 거리를 갖는 대각선 또는 지름을 D2라고 하기로 한다. 이때, E1에서 짧은 지름(D1)을 바라볼 때의 FOV는 θ1이고, E2에서 보다 큰 대각선 또는 지름(D2)을 바라볼 때의 FOV를 θ2라고 하면, θ2는 대략 120°정도이다. 즉, θ1<θ2가 된다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 렌즈(130)의 중심을 지나는 지름 또는 대각선의 길이를 서로 다르게 함으로써 동공의 움직임에 의해 FOV를 벗어나는 영역의 발생을 억제하였다. 즉, 도 11b에서의 렌즈는 도 11a에서의 렌즈(130)에 B2 영역을 추가함으로써 눈동자의 움직임에도 불구하고 렌즈의 영역을 벗어나지 않도록 하였다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 렌즈(130)의 대각선 또는 지름의 길이를 다르게 함으로써 시야(FOV)의 크기를 110~120°로 확대시켰다.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (17)

1. 사용자의 두부(頭部)에 착용 가능하도록 형성되는 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 있어서,
   화면정보를 출력하도록 형성되는 디스플레이부;
   상기 디스플레이부와 이격되어 상기 화면정보를 확대하여 허상을 형성하는 렌즈; 및
   상기 디스플레이부 및 렌즈가 수용되는 프레임을 포함하고,
   상기 렌즈는,
   상기 디스플레이부와 반대되는 제1 방향을 향하여 형성되는 제1 부분; 및
   상기 제1 부분과 일체로 형성되고, 상기 디스플레이부를 향하는 제2 방향을 향하여 형성되는 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 프레넬(fresnel) 형상인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 렌즈는,
   상기 디스플레이부가 상기 제2 부분의 초점거리 이내의 위치하도록 상기 디스플레이로부터 이격되는 거리가 가변되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 렌즈는 한 쌍으로 형성되고, 상기 디스플레이부는 상기 한 쌍의 렌즈를 향하여 화면정보를 각각 출력하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 부분에는 제2 부분의 중심을 동심원으로 하면서 기설정된 간격으로 이격되는 다수의 원형 돌기들이 형성되고,
   상기 돌기들 사이의 간격은 하기 식에 의해 산정되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
   

   

   
   상기 식에서 P는 상기 돌기들 사이의 간격을 의미하고, λ는 가시광선의 파장이고, f는 렌즈의 초점거리이다.
5. 제4항에 있어서,
   상기 돌기들 사이의 깊이는 하기 식에 의해 산정되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
   

   

   
   상기 식에서 S는 돌기들 사이에 형성되는 깊이(depth)를 의미하고, c는 표면 꼭대기에서의 곡률(curvature at the pole of the surface)을 의미하고, r은 방사거리(radial distance)로 원점에서 (x,y)지점까지의 거리를 의미하고, k는 비구면 상수(conic constant)이고, A,B,C,D,E,F,G,H,J는 각각 4,6,8,10,12,14,16,18,20차수의 계수를 의미한다.
6. 제1항에 있어서,
   상기 렌즈는 PMMA(Poly Methyl Meth Acrylate), PVA(Poly Vinyl Acetate), COP(Cyclo Polyolefin), COC(Cyclo Olefin Copolymer), TAC(Tri Acetyl Cellulose), PC(Poly Carbonate) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 렌즈의 두께는 6mm 이하인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 렌즈와 디스플레이부 사이의 간격은 40mm 이하인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 디스플레이부는 상기 프레임으로부터 분리가능한 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
10. 제4항에 있어서,
    상기 렌즈는,
    상기 렌즈의 중심을 지나는 대각선 또는 지름의 길이가 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
11. 제4항에 있어서,
    상기 돌기들 사이의 간격은 100~250㎛인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
12. 제5항에 있어서,
    상기 돌기들 사이의 깊이는 0.1mm 이하인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 부분은 구면(球面) 또는 비구면인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
14. 제10항에 있어서,
    상기 렌즈의 시야(FOV)는 110~120°인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
15. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈와 디스플레이부 사이의 거리는 상기 프레임에 구비된 가변 제어부에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
16. 제4항에 있어서,
    상기 다수의 돌기들은 빛이 하나의 초점에 모이도록 일정한 비율로 조금씩 다른 각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
17. 제4항에 있어서,
    상기 다수의 돌기들은 렌즈의 중심으로부터 일정 크기의 반경 이후의 영역에 형성되고, 상기 일정 크기의 반경 이내의 영역은 볼록 렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.

Images