KR20170112068A - 광학 장치 및 이를 포함하는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치 - Google Patents

광학 장치 및 이를 포함하는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치 Download PDF

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KR20170112068A KR1020160038589A KR20160038589A KR20170112068A KR 20170112068 A KR20170112068 A KR 20170112068A KR 1020160038589 A KR1020160038589 A KR 1020160038589A KR 20160038589 A KR20160038589 A KR 20160038589A KR 20170112068 A KR20170112068 A KR 20170112068A
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Abstract

실시예는 패널; 및 상기 패널과 이격되고, 상기 패널 방향의 제2 면과 상기 제2 면과 마주보는 제1 면으로 이루어지는 렌즈를 포함하고, 상기 제1 면과 제2 면은 각각 볼록하고 변곡점을 갖지 않고, 0.5＜│Sag 2/Sag 1│＜2이고, Sag 1은 상기 제1 면의 중심에 대한 주변 영역의 높이이고, Sag 2는 상기 제2 면의 중심에 대한 주변 영역의 높이인 광학 장치를 제공한다.

Description

광학 장치 및 이를 포함하는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치{OPTICAL DEVICE AND HEAD MOUNT DISPLAY DEVICE FOR REALIZATION OF VIRTUAL REALITY INCLUDING THE SAME}
실시예는 광학 장치와 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치에 관한 것이다.
가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치는 사용자가 안경처럼 착용하여 영상을 시청할 수 있는 장치로서, 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display) 또는 FMD(Face Mounted Display) 등의 용어로서 지칭되기도 한다.
이러한 안경형 모니터는 처음에는 군사용으로 개발되어 군사용으로 사용하기 시작하였으나 컴퓨터 시스템의 고성능화, 소형화 그리고 LCD 등의 디스플레이 장치의 발전, 영상 및 통신 기술의 발전 등의 다양한 요인에 따라 점차 민간용으로도 사용이 확대되고 있다.
특히 웨어러블 컴퓨터(Wearable Computer)나 스마트폰의 개발에 따라서 점차 웨어러블 컴퓨터를 위한 개인용 디스플레이 장치로서의 안경형 모니터의 보급이 늘어날 것으로 예측된다.
실시예는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시에서, 사용자에게 전달되는 이미지가 왜곡되지 않고 해상력을 확보하며, 사용자의 시력이나 미간 거리 등에 따라 이미지의 초점을 정확히 맞추고자 한다.
실시예는 패널; 상기 패널과 이격되며 상기 패널 방향의 제2 면과 상기 제2 면과 마주보는 제1 면으로 이루어지는 렌즈; 및 상기 패널과 상기 렌즈가 결합되는 하우징을 포함하고, 상기 렌즈의 광축에서 상기 제2 면의 곡률반경이 상기 제1 면의 곡률반경보다 크고, 상기 렌즈의 유효초점거리(EFL)은 21<EFL<35이고, 상기 제1 면의 중심으로부터 상기 패널에 표시되는 이미지까지의 거리 TTL은 25<TTL<40이고, 상기 패널의 이미지의 크기 IH는 18<IH<40인 광학 장치를 제공한다.
제1 면과 상기 제2 면은 변곡점을 포함하지 않을 수 있다.
제1면과 상기 제2면은 상기 패널의 영상부의 이미지가 투과될 수 있는 유효경 상의 면일 수 있다.
3＜CT/ET＜7이고, 상기 CT는 상기 렌즈의 중심의 두께이고, 상기 ET는 상기 렌즈의 주변 영역의 두께일 수 있다.
25＜EPD＜65이고, 상기 EPD은 상기 렌즈의 유효경의 크기일 수 있다.
패널에 표시되는 이미지는 상기 렌즈를 통과하여 동공에 맺히고, 8＜E.R＜15이고, 상기 E.R은 상기 제1 면으로부터 상기 동공까지의 거리일 수 있다.
패널은 제1 패널과 제2 패널을 포함하고, 상기 렌즈는 제1렌즈와 제2렌즈를 포함하며, 상기 제1 패널의 영상은 상기 제1 렌즈를 통해 출력되고, 상기 제2 패널의 영상은 상기 제2렌즈를 통해 출력될 수 있다.
패널 상의 영상이 출력될 수 있는 유효 영역 중 일부는 차단되어 상기 렌즈에 영상이 입사될 수 있다.
차단되는 영역은 네 개의 영역일 수 있다.
차단되는 영역은 상기 유효 영역의 네 꼭지점 부분일 수 있다.
다른 실시예는 패널; 상기 패널과 이격되어 배치되며 상기 제1 면과 제2 면을 포함하는 렌즈; 및 상기 패널과 상기 렌즈가 결합되는 하우징을 포함하고, 여기서 1＜│Sag 2/Sag 1│＜2이고, Sag 1은 상기 제1면의 중심에 대한 주변 영역의 광축과 평행한 방향에서의 높이이고, Sag 2는 상기 제2면의 중심에 대한 주변영역의 광축과 평행한 방향에서의 높이이고, 상기 패널 상의 영상이 출력될 수 있는 유효 영역 중 일부는 차단되어 상기 렌즈에 영상이 입사되는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치를 제공한다.
실시예에 따른 광학 장치 및 이를 포함하는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치는, 렌즈의 디스플레이면과 접안면과의 굴절능 차이를 적게 하여 광학계 사용시 사용자에게 이미지가 왜곡되지 않고, 렌즈의 중심 두께와 주변 두께의 비율이 조절되어 광학계의 수차 보정이 용이하고, 아이 모션 박스(Eye motion box)를 확보하여 해상력의 확보되며, 통상의 사용자의 시력에 맞추어 렌즈를 이동하여 이미지의 초점을 정확히 맞출 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치의 일 실시예의 사시도이고,
도 2는 도 1의 광학 장치의 분해 사시도이고,
도 3a 및 도 3b는 도 1의 광학 장치의 사시도와 배면도이고,
도 3c 및 도 3d는 고정 홀더의 제1 영역과 제2 영역의 개구부를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 1의 렌즈와 패널을 상세히 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 렌즈와 패널의 제1 실시예와 제2 실시예의 광경로를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4에서 아이 모션 박스(Eye Motion Box)를 상세히 나타낸 도면이고,
도 7a는 도 4의 렌즈의 구조를 상세히 나타낸 도면이고,
도 7b는 도 7a의 제2 영역을 상세히 나타낸 도면이고,
도 8은 도 1의 렌즈와 패널의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 도 8의 렌즈의 곡률 반경과 높이와의 관계를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치의 일 실시예의 사시도이다.
실시예에 따른 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치(10)는, 본체(12)와 상기 본체 프레임(12) 상에 배치되는 한 쌍의 광학 장치(1000)를 포함할 수 있다.
본체(12)의 일측에는 한 쌍의 광학 장치(1000)가 배치되고, 한 쌍의 광학 장치(1000) 사이에는 착용자의 코에 지지되는 제1 지지 유닛(14)이 배치되며, 본체(12)의 가장 자리에는 측면 차폐부(13)가 배치될 수 있으며, 본체(12)의 타측에는 전면 차폐부(11)가 배치될 수 있다. 전면 차폐부(11)과 측면 차폐부(130) 등의 작용에 의하여, 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치(10)를 착용한 사용자는, 외부의 광의 유입 없이 패널에 표시되는 이미지만을 볼 수 있다.
본체(12)는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치(10)의 프레임(frame)으로 작용하므로 강도가 크고 깨지지 않는 재료, 예를 들면 금속이나 세라믹 등의 재료로 이루어질 수 있다.
본체(12)의 타측인 전면에 구비되는 전면 차폐부(11)와 본체(12)의 일측에 구비되는 측면 차폐부(13)은 외부로부터의 빛을 차폐할 수 있는 재료와 형상으로 구비될 수 있다. 특히, 측면 차폐부(13)에 그루브(g)가 형성되어 착용자의 코에 의하여 지지될 수 있다.
한 쌍의 광학 장치(1000)의 바깥쪽에서는, 본체(12) 또는 측면 차폐부(13)와 연결되고 착용자의 귀에 지지되는 제2 지지 유닛(15)이 배치될 수 있다.
제1 케이블(16)은 광학 장치(1000)에 연결될 수 있는데, 광학 장치(1000) 내의 후술하는 패널에 구동 신호 등을 공급할 수 있다.
제2 케이블(18)은 본체(12)에 연결될 수 있는데, 외부로부터 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치(10)에 전류를 공급할 수 있다. 실시예에 의한 가상 현실 구현을 위한 헤드 장치 광학 장치(10)는 전원이 외부에 구비되어 경량으로 구현될 수 있다. 제1 케이블(16)과 제2 케이블(18)은 예를 들면 USB(Universal Serial Bus)일 수 있다.
도 2는 도 1의 광학 장치의 분해 사시도이다.
실시예에 따른 광학 장치(1000)는, 렌즈 덮개(100)와, 고정 링(200)과, 렌즈(300)와, 렌즈 이동 유닛(400)과, 스토퍼(stopper, 500)와, 홀더(holder, 600)와, 고정 유닛(700)과, 패널(800), 및 보호 유닛(900)을 포함할 수 있다.
렌즈(300)는 도 4 등에서 상세히 후술한다. 렌즈(300)는 적어도 하나의 매수로 구비될 수 있으며, 도시된 실시예에서 1매의 렌즈(300)의 적어도 일부가 렌즈 이동 유닛(400)에 삽입되며 고정될 수 있다. 렌즈(300)가 복수 개로 구비되어 렌즈부를 구성할 수도 있다.
렌즈 이동 유닛(400)에 삽입된 렌즈(300)의 가장 자리에는 고정 링(200)이 배치될 수 있는데, 고정 링(200)은 렌즈(300)의 가장 자리와 렌즈 이동 유닛(400)의 사이에 삽입되어, 렌즈(300)가 렌즈 이동 유닛(400)으로부터 이탈되지 않게 할 수 있다.
렌즈(300)의 전면에 배치되는 렌즈 덮개(100)는, 렌즈(300)의 표면에 이물질이 붙거나 스크래치(scratch) 등이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치(10)를 사용할 때는 광학 장치(1000)로부터 분리할 수 있다.
렌즈 이동 유닛(400)의 외주면에는 복수 개의 패턴(410)이 배치될 수 있는데, 패턴(410)은 렌즈 이동 유닛(400)의 표면이 돌출되거나 함몰된 형상일 수 있다. 상기의 패턴(410)은 착용자가 렌즈 이동 유닛(400)을 회전시켜서 홀더(600)와 접근시키거나 또는 홀더(600)로부터 멀어지게 할 때 사용할 수 있으며, 따라서 패널(800)에서 발생하여 렌즈(300)를 통하여 전달되는 이미지(image)가 착용자의 동공(iris)에 정확하게 맺히게 할 수 있다.
상술한 패턴(410)은 렌즈 이동 유닛(400)의 외주면의 상부에 구비될 수 있고, 렌즈 이동 유닛(400)의 외주면의 하부에는 제1 나사선(420)이 돌출된 형상으로 구비될 수 있다.
홀더(600)는 광학 장치(1000)의 하우징일 수 있으며, 적어도 일부가 경통(body tube) 형상으로 구비될 수 있고, 내주면의 상부에는 제2 나사선(620)이 함몰될 형상으로 구비될 수 있다. 제2 나사선(620)은 상술한 제1 나사선(420)의 역상으로 구비되어, 렌즈 이동 유닛(400)을 제1 방향으로 회전시키면 렌즈 이동 유닛(400)이 홀더(600)에 점차 삽입되며 렌즈(300)가 후술하는 패널(800)과 접근할 수 있고, 렌즈 이동 유닛(400)을 제2 방향으로 회전시키면 렌즈 이동 유닛(400)이 홀더(600)로부터 점차 분리되어 렌즈(300)가 패널(800)로부터 멀어질 수 있다.
스토퍼(500)는 홀더(600)의 가장 자리와 렌즈 이동 유닛(400)의 가장 자리 사이에서, 스토퍼(500)에 고정되며 배치될 수 있다. 스토퍼(500)의 내주면의 직경은 상술한 렌즈 이동 유닛(400)의 외주면의 제1 나사선(420)의 외주면의 직경보다 작게 구비되어, 렌즈 이동 유닛(400)을 제2 방향으로 계속 회전시키더라도, 렌즈 이동 유닛(400)이 홀더(600)로부터 분리되는 것을 방지할 수 있다.
홀더(600)의 하부면은 지지판(support plate, 630)의 형상으로 구비될 수 있는데, 이러한 형상은 패널(800)과의 결합에 용이할 수 있다. 지지판(630)은 렌즈(300)의 광축에 대하여 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 지지판(630)은 가로 방향의 길이가 세로 방향의 길이보다 큰 직사각형 형상일 수 있는데, 패널(800)이나 고정 유닛(700)의 형상에 따라 지지판(630)의 형상이 다를 수 있다.
홀더(600)의 지지판(630)의 내부에는 한 쌍의 슬라이딩 바(sliding bar, 650)가 구비되는데, 상기 슬라이딩 바(650)는 지지판(630)의 양측으로 돌출되고 있다. 상기 슬라이딩 바(650)는 지지판(630) 내부의 관통 홀(미도시)에 삽입되어 배치되는데, 슬라이딩 바(650)에 대하여 지지판(630)을 이동시킴으로써 렌즈 유닛(1000)의 위치를 이동시킬 수 있다. 상술한 슬라이딩 바(650)에 대한 렌즈 유닛(1000)의 위치 이동 기능은, 착용자의 미간의 폭에 따라 한 쌍의 렌즈 유닛(1000) 사이의 거리를 조절할 수 있다.
홀더(600)의 하부에는 패널(800)이 배치될 수 있는데, 패널(800)은 동영상 내지 정지 영상을 표시할 수 있으며 예를 들면 LCD(Liquid crystal display)일 수 있다. 패널(800)은 홀더(600)의 하부에 고정 유닛(700)을 통하여 고정될 수 있으며 고정 유닛(700)은 예를 들면 양면 테이프(tape)일 수 있다.
고정 유닛(700)은 고정 홀더(600)의 제2 영역의 하부와 패널(800)의 가장 자리를 밀폐하며 고정하므로, 외부의 광이 광학 장치(1000) 내부로 유입되지 않도록 차단할 수 있다.
패널(800)의 영상이 렌즈(300) 방향으로 전달되도록, 고정 부재(700)는 중앙 영역이 오픈(open)되고 테두리 영역에만 구비될 수 있다. 그리고, 홀더(600)의 하부에서도 중앙 영역이 오픈되어, 패널(800)의 영상을 렌즈(300) 방향으로 전달할 수 있다.
패널(800)은 광원을 포함할 수 있으며, 광원은 예를 들면 발광 다이오드(Light emitting diode)일 수 있다.
패널(800)의 하부에는 보호 유닛(900)이 구비될 수 있으며, 패널(800)을 지지하고 패널(800)의 FPCB(Flexible printed circuit board, 미도시) 등을 고정할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 광학 장치의 사시도와 배면도이다.
도 3a에서 홀더(600)는 지지판(630)과 지지판의 양측에서 노출된 슬라이딩바(650)를 포함하고, 홀더(600)에 렌즈 이동 유닛(400)이 삽입되어 배치되고, 렌즈 이동 유닛(400)과 홀더(600)의 결합 영역의 가장 자리에는 스토퍼(500)가 배치된다. 렌즈 이동 유닛(400)의 외주면에는 복수 개의 패턴(410)이 구비되고, 렌즈 이동 유닛(400)에 삽입된 렌즈(300)의 가장 자리에는 고정 링(200)이 배치되고 있다.
홀더(600)의 하부면에는, 도시되지 않았으나, 상술한 패널(800)이 고정 부재(700)에 의하여 고정되고, 패널(800)의 하부의 보호 유닛(900, 미도시)의 가장 자리에서 회로 기판(850)이 밴딩되고 있으며, 회로 기판(850)은 예를 들면 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)일 수 있다.
상술한 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치(10)에는 한 쌍의 광학 장치(1000)가 구비되므로, 한 쌍의 렌즈(300)와 한 쌍의 패널(800)이 구비될 수 있다. 한 쌍의 렌즈(300)를 제1 렌즈와 제2 렌즈라고 하고, 한 쌍의 패널(800)을 제1 패널과 제2 패널이라 할 때, 제1 패널의 영상은 제1 렌즈를 통해 출력되고, 제2 패널의 영상은 제2렌즈를 통해 출력될 수 있다.
도 3c 및 도 3d는 고정 홀더의 제1 영역과 제2 영역의 개구부를 나타낸 도면이다.
고정 홀더(600)에서 렌즈가 배치되는 영역을 제1 영역이라고 할 수 있으며, 제1 영역에서 고정 홀더(600)에는 중공 형상의 개구부가 형성될 수 있다. 고정 홀더(600)에서 패널 방향의 영역을 제2 영역이라고 할 수 있으며, 제2 영역에서도 고정 홀더(600)에 중공 형상의 개구부가 형성될 수 있다.
패널의 형상은 상술한 바와 같이 사각형 형상일 수 있으므로, 패널 상의 영상이 출력될 수 있는 유효 영역 중 일부는 차단되어 상기 렌즈에 영상이 입사될 수 있다. 상세하게는 패널의 이미지로부터 영상이 고정 홀더(600)의 제2 영역의 중공을 통과할 때, 사각형 형상의 영상의 유효 영역 중 꼭지 점에 대응되는 4개의 부분에서 영상 중 일부가 가려지거나 차단될 수 있으며, 제2 영역의 중공의 형상이 패널의 이미지의 형상과 다르기 때문이다.
도시된 바와 같이, 제2 영역에서 개구부는 서로 마주보는 두 개의 평면과 서로 마주보는 두 개의 곡면을 형상을 가질 수 있다.
도 4는 도 1의 렌즈와 패널을 상세히 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 렌즈(300)의 일 실시예는 서로 마주보는 제1 면(S1)과 제2 면(S2)를 포함하는데, 제1 면(S1)은 관찰자 즉 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치(1000)의 사용자의 동공(Iris) 방향의 렌즈(300)의 표면이고, 제2 면(S2)은 패널(800) 방향의 렌즈(300)의 표면이다. 렌즈(300)와 패널(800)을 '광학 장치'라고 할 수 있다.
렌즈(300)는 예를 들면 546 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 1.5465의 굴절률을 갖는 플라스틱 계열의 소재로 이루어질 수 있다.
도시된 바와 같이 동공과 렌즈(300)는 이격되어 배치되고 이격 거리는 고정되지 않고 변할 수 있으며, 렌즈(300)와 패널(800) 사이의 거리도 이격되고 이격 거리는 고정되지 않고 변할 수 있다. 이러한 기능은, 상술한 바와 같이 렌즈 이동 유닛(400)과 홀더(600)의 제1,2 나사선(420, 620)이 서로 맞물리며 제1 방향 또는 제2 방향으로 회전하여 구현될 수 있다.
제1 면(S1)과 제2 면(S2)은 패널의 영상부의 이미지가 투과될 수 있는 유효경 상의 면일 수 있다.
제1 면(S1)과 제2 면(S2)은 각각 볼록한 형상일 수 있고, 변곡점을 갖지 않을 수 있다. 이때, 변곡점을 갖지 않는 영역은 렌즈(300)의 제1 면(S1)과 제2 면(S2)의 유효경이며, 상기 유효경 이외의 영역에서는 변곡점이 형성될 수도 있다. 여기서, 유효경은 패널(800)에서 방출된 영상이 동공으로 진행할 때, 빛이 지나는 경로의 범위를 뜻할 수 있다.
Sag 1과 Sag 2를 각각 렌즈(300)의 유효경 내에서, 제1 면(S1)의 중심에 대한 주변 영역의 높이와 제2 면(S2)의 중심에 대한 주변 영역의 높이라 할 수 있으며, 이때 렌즈(300)는 아래의 수학식 1을 만족할 수 있다.
<수학식 1>
0.5＜│Sag 2/Sag 1│＜2
수학식 1은 렌즈(300)의 접안면인 제1 면(S1)과 디스플레이면인 제2 면(S2)의 굴절능에 대한 비율에 관한 것이며, 접안면의 굴절력을 비교적 약하게 설정하며, 디스플레이면과 접안면과의 굴절능 차이를 적게 하여 광학계 사용시 사용자에게 최적의 사용조건을 만들기 위함이다. 수학식 1의 범위를 벗어나면, 렌즈(300)를 통하여 이미지가 왜곡되어 이미지를 관찰하는 사용자에게 어지러움이나 멀미 등이 발생할 수 있다.
도 4에서 렌즈의 광축의 방향을 x축이라 하고, 상기 광축에 수직한 방향을 y축이라 할 때, Sag 1은 렌즈(300)의 제1 면(S1)의 중심(Cs1)으로부터 제1 면(S1)의 주변 영역까지의 x축 상의 거리일 수 있고, Sag 2는 렌즈(300)의 제2 면(S2)의 중심(Cs2)으로부터 제2 면(S2)의 주변 영역까지의 x축 상의 거리일 수 있다.
CT와 ET를 각각 렌즈(300)의 중심과 주변 영역의 두께라 할 때, 렌즈(300)는 아래의 수학식 2를 만족할 수 있다.
<수학식 2>
3＜CT/ET＜7
CT는 렌즈(300)의 중심의 두께이며 일정하고, ET는 렌즈(300)의 주변 영역의 두께이며 주변 영역의 위치에 따라 다를 수 있으며, 각각의 단위는 밀리미터일 수 있다.
수학식 2는 렌즈(300)의 중심 두께와 주변 두께의 비율을 뜻하며, 수학식 2의 범위를 벗어나면 렌즈(300) 제조시에 광학계의 수차 보정이 어려울 수 있다.
EFL을 렌즈(300)의 유효 초점 거리라고 할 때, 렌즈(300)는 아래의 수학식 3을 만족할 수 있다.
<수학식 3>
21＜EFL
수학식 3의 범위를 벗어나면, 렌즈(300)를 사용하여 허상을 구현할 수 없고 또한 아이 모션 박스(Eye motion box)를 확보할 수 없어서 해상력의 저하가 발생할 수 있으며, 단위는 밀리미터일 수 있다. 아이 모션 박스는 도 6을 참조하여 후술한다.
EPD를 렌즈(300)의 유효경의 크기라고 할 때, 렌즈(300)는 아래의 수학식 4를 만족할 수 있으며, EPD의 단위는 밀리미터일 수 있다.
<수학식 4>
25＜EPD＜65
이미지면(S1)의 크기를 IH(Image height)라고 할 때, IH는 아래의 수학식 5를 만족할 수 있으며, 도시된 바와 같이 IH는 패널에 표시되는 이미지의 크기일 수 있고, IH의 단위는 밀리미터일 수 있다.
<수학식 5>
18＜IH＜40
렌즈의 제1 면(S1)의 중심(Cs1)으로부터 패널의 이미지면까지의 거리를 TTL이라고 할 때, 렌즈(300)는 아래의 수학식 6을 만족할 수 있으며 단위를 밀리미터일 수 있다.
<수학식 6>
25＜TTL＜40
E.R(Eye Relief)를 동공으로부터 렌즈(300)의 제1 면(S1)까지의 거리(밀리미터)라고 할 때, 렌즈(300)는 아래의 수학식 7을 만족할 수 있다.
수학식 6과 7은 렌즈(300)의 이동 구간에 관련된 식이며, 수학식 6과 7의 범위 이내면 통상의 사용자의 시력에 맞추어 렌즈(300)를 이동하여 이미지의 초점을 정확히 맞출수 있다.
<수학식 7>
8＜E.R＜15
도 5a 및 도 5b는 렌즈와 패널의 제1 실시예와 제2 실시예의 광경로를 나타낸 도면이다. 렌즈(300)와 동공(Iris)과 패널(800)의 위치 관계 등은 도 4 등에서 설명한 범위에 따른다.
표 1은 렌즈와 패널의 제1 실시예 및 제2 실시예의 특성을 나타낸다.
실시예 1 실시예 2
Sag 1 2.236 2.562
Sag 2 -4.104 -4.009
CT 7.5 7.7
Et 1.15 1.23
EFL 28.69 26.95
E.R 10 10
EPD 14.35 14.35
IH 19.08 19.08
TTL 34.5 32
│Sag 2/Sag 1│ 1.83542 1.564793
CT/ET 6.521739 6.260163
EFL 28.69 26.95
TTL 34.5 32
상술한 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 렌즈 및 패널의 형상 및 배치는 수학식 1,2,3 및 6을 만족하여, 상술한 바와 같이 허상을 정확히 구현할 수 있다.
표 2와 표 3은 각각 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 렌즈의 비구면계수를 나타낸다.
S1(제1 면) S2(제2 면)
R 41.96977 -23.4507
K 0 -10.3176
A -1.66E-05 -5.76E-05
B 4.72E-08 -1.32E-07
S1(제1 면) S2(제2 면)
R 40.44082 -21.602
K 0 0.495277
A 3.72E-05 5.70E-05
B -2.00E-07 -2.28E-07
C 4.35E-09
D -2.44E-11
E 3.66E-14
도 6은 도 4에서 아이 모션 박스(Eye Motion Box)를 상세히 나타낸 도면이다.
패널(800)의 크기를 S라고 하고, 렌즈(300)의 유효경의 크기를 D라고 하고, 동공의 크기를 E라고 할 때, 동공과 렌즈(300) 사이의 거리가 Le이고, 렌즈(300)와 패널(800) 사이의 거리가 F일 때 아래의 수학식 8의 관계가 성립할 수 있다.
<수학식 8>
E=D-{(Le×S)/F}
E를 아이 모션 박스의 크기라고 할 수 있으며, 수학식 8로부터 아이 모션 박스의 크기가 커지려면 렌즈(300)의 유효경의 크기 D가 증가하거나, 패널(800)의 크기를 S가 감소하거나, 동공과 렌즈(300) 사이의 거리가 Le가 감소하거나, 렌즈(300)와 패널(800) 사이의 거리가 F가 증가하여야 할 수 있다.
상술한 제1 실시예와 제2 실시예에서 아이모션 박스의 크기는 각각 15.4와 14.5일 수 있다.
도 7a는 도 4의 렌즈의 구조를 상세히 나타낸 도면이고, 도 7b는 도 7a의 제2 영역을 상세히 나타낸 도면이다.
도 7a에서 렌즈(300)에서 상술한 패널의 이미지를 통과한 광이 지나는 유효경의 영역을 제1 영역(region 1)이라 하고, 바깥의 영역을 제2 영역(region 2)이라고 할 수 있다. 렌즈(300)의 제1 면(S1)의 제1 영역(region 1)의 지름(R1)과 제2 면(S2)의 제1 영역(region 1)의 지름(R2)는 서로 동일할 수 있으며, 제2 영역(region 2)을 포함하는 렌즈(300) 전체의 지름(R3)보다 작을 수 있다.
도 7b에서 제2 영역(region 2)은, 제31 면(S31)과 제32 면(S32)과 제33 면(S33)과 제34 면(S34)과 제35 면(S35)과 제36 면(S36)과 제37 면(S37)과 제38 면(S38)과 제39 면(S39)을 포함하여 이루어진다.
제31 면(S31) 내지 제39 면(S39)면의 방향은 도 7a에서 x축과 y축에 도시된 방향에 따른다.
제31 면(S31)은 제1 면(S1)의 끝단으로부터 y축 방향으로 연장될 수 있고, 제32 면(S32)은 제31 면(S31)의 끝단으로부터 x축 방향으로 연장될 수 있고, 제33 면(S33)은 제32 면(S32)의 끝단으로부터 y축 방향으로 연장될 수 있고, 제34 면(S34)은 제33 면(S33)의 끝단으로부터 x축 방향으로 연장될 수 있고, 제35 면(S35)은 제34 면(S34)의 끝단으로부터 경사를 가지고 x축과 -y축 방향으로 연장될 수 있고, 제36 면(S36)은 제35 면(S35)의 끝단으로부터 -y축 방향으로 연장될 수 있고, 제37 면(S37)은 제36 면(S36)의 끝단으로부터 x축 방향으로 연장될 수 있고, 제38 면(S38)은 제37 면(S37)의 끝단으로부터 -y축 방향으로 연장될 수 있고, 제39 면(S39)은 제38 면(S38)의 끝단으로부터 -x축과 -y축 방향으로 경사를 가지고 연장되어 제2 면(S2)과 연결될 수 있다.
도 7a에서 제1 영역(region 1)의 양측에 제2 영역(region 2)이 구비되며, 렌즈(300)의 중심을 지나는 광축(optical axis)에 대하여 2개의 제2 영역(region 2)은 대칭을 이룰 수 있다.
제1 영역(region 1)은 렌즈(300)의 유효경에 대응하는 부분일 수 있고, 제2 영역(region)은 유효경 외곽의 부분이며 도 2 등에서 렌즈(300)가 렌즈 이동 유닛(400)에 삽입되어 렌즈(300)를 고정시키는 부분일 수 있다.
도 8은 도 1의 렌즈와 패널의 다른 실시예들을 나타낸 도면이다.
좌측부터 동공(Iris)과 렌즈(300)와 패널(800) 및 허상(virtual image)이 표시되고 있다. 패널(800)의 y축 방향의 크기를 η이라 하고 여기서 η는 패널(800)의 물리적인 크기가 아니고 패널(800)에 표시되는 이미지면의 크기일 수 있다.
동공(Iris)의 y축 방향의 크기를 β(Field of view, FOV)라고 할 때, 렌즈의 제1 면(S1)의 중심으로부터 이미지면까지의 거리를 Optical length(도 4에서의 TTL)이라고 할 수 있다.
이때, Optical length를 줄이면 광학 장치의 부피가 감소할 수 있으며, Optical length를 줄이기 위하여는 패널(800)의 y축 방향의 크기를 η이 일정한 경우 동공(Iris)의 y축 방향의 크기를 β가 증가하여 배율이 커지거나, 또는 패널(800)의 y축 방향의 크기를 η를 줄이면서 동공(Iris)의 y축 방향의 크기를 β를 일정하게 하여 배율을 증가시킬 수 있다.
표 4는 도 8에 도시된 렌즈와 패널의 제3 실시예 내지 제5 실시예를 나타낸 도면이다.
실시예 3 실시예 4 실시예 5
FOV(화각) 80 109 80
Optical length 34 34 25.1
E.R 10 10 10
굴절률 1.54 1.9 1.9
유효경의 직경 22.8 34.0 22.8
렌즈의 두께 7.5 10 11
렌즈의 초점 거리 26.5 24 14.1
렌즈면의 곡률 14.31 21.6 12.69
렌즈의 직경 25.2 36.4 25.2
제2 영역의 크기 1.2 1.2 1.2
도 8에 도시된 광학 장치는, 화각이 75도 내지 115도 일 수 있고, Optical length는 25 내지 40밀리미터일 수 있고, E.R은 8 밀리미터 내지 15 밀리미터일 수 있고, 굴절률은 1.5 내지 2.0일 수 있고, 렌즈(300)의 유효경의 직경은 22 밀리미터 내지 35 밀리미터일 수 있고, 렌즈(300)의 두께는 7 밀리미터 내지 15 밀리미터일 수 있고, 렌즈의 초점 거리는 14 밀리미터 내지 30 밀리미터일 수 있고, 렌즈면의 곡률은 12 내지 22일 수 있고, 렌즈(300)의 직경은 렌즈(300)의 유효경의 직경보다 양측에서 각각 1.2 밀리미터가 클 수 있다.
도 9는 도 8의 렌즈의 곡률 반경과 높이와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 9에서 렌즈의 높이가 증가할수록 곡률반경이 증가하고 있다. 여기서, 렌즈의 높이는 도 4에서 Sag 1 또는 Sag 2로 표시한 것과 동일하다. 곡률반경이 클수록 렌즈의 곡률이 감소하여 표면이 플랫(flat)하여 평면에 가깝고, 곡률반경이 작을수록 렌즈의 곡률이 증가할 수 있다.
즉, 렌즈의 제1 면과 제2 면에서 중심으로부터의 높이 Sag 1 또는 Sag 2가 증가할수록, 렌즈의 표면의 곡률이 더 증가할 수 있다.
상술한 광학 장치가 구비된 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치는, 외부의 기기 예를 들면 스마트폰이나 노트북 또는 스마트 TV 등에 표시되는 이미지의 신호를 공급받아서, 사용자가 3D 또는 2D의 이미지를 헤드 장착 표시 장치를 착용하고 관찰할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치
11: 전면 차폐부 12: 본체
13: 측면 차폐부 14: 제1 지지 유닛
15: 제2 지지 유닛 16: 제1 케이블
18: 제2 케이블 100: 렌즈 덮개
200: 렌즈 링 300: 렌즈
400: 렌즈 이동 유닛 410: 패턴
420: 제1 나사선 500: 스포터
600: 고정 홀더 620: 제2 나사선
630: 지지판 650: 슬라이딩 유닛
700: 고정 유닛 800: 패널
850: 회로 기판 900: 보호 유닛
100: 광학 장치

Claims (11)

  1. 패널;
    상기 패널과 이격되며 상기 패널 방향의 제2 면과 상기 제2 면과 마주보는 제1 면으로 이루어지는 렌즈; 및
    상기 패널과 상기 렌즈가 결합되는 하우징을 포함하고,
    상기 렌즈의 광축에서 상기 제2 면의 곡률반경이 상기 제1 면의 곡률반경보다 크고,
    상기 렌즈의 유효초점거리(EFL)은 21<EFL<35이고,
    상기 제1 면의 중심으로부터 상기 패널에 표시되는 이미지까지의 거리 TTL은 25<TTL<40이고,
    상기 패널의 이미지의 크기 IH는 18<IH<40인 광학 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 면과 상기 제2 면은 변곡점을 포함하지 않은 광학 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1면과 상기 제2면은 상기 패널의 영상부의 이미지가 투과될 수 있는 유효경 상의 면인 광학 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    3＜CT/ET＜7이고, 상기 CT는 상기 렌즈의 중심의 두께이고, 상기 ET는 상기 렌즈의 주변 영역의 두께인 광학 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    25＜EPD＜65이고, 상기 EPD은 상기 렌즈의 유효경의 크기인 광학 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 패널에 표시되는 이미지는 상기 렌즈를 통과하여 동공에 맺히고, 8＜E.R＜15이고, 상기 E.R은 상기 제1 면으로부터 상기 동공까지의 거리인 광학 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 패널은 제1 패널과 제2 패널을 포함하고, 상기 렌즈는 제1렌즈와 제2렌즈를 포함하며, 상기 제1 패널의 영상은 상기 제1 렌즈를 통해 출력되고, 상기 제2 패널의 영상은 상기 제2렌즈를 통해 출력되는 광학 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 패널 상의 영상이 출력될 수 있는 유효 영역 중 일부는 차단되어 상기 렌즈에 영상이 입사되는 광학 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 차단되는 영역은 네 개의 영역인 광학 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    차단되는 영역은 상기 유효 영역의 네 꼭지점 부분인 광학 장치.
  11. 패널;
    상기 패널과 이격되어 배치되며 상기 제1 면과 제2 면을 포함하는 렌즈; 및
    상기 패널과 상기 렌즈가 결합되는 하우징을 포함하고,
    여기서 1＜│Sag 2/Sag 1│＜2이고, Sag 1은 상기 제1면의 중심에 대한 주변 영역의 광축과 평행한 방향에서의 높이이고, Sag 2는 상기 제2면의 중심에 대한 주변영역의 광축과 평행한 방향에서의 높이이고,
    상기 패널 상의 영상이 출력될 수 있는 유효 영역 중 일부는 차단되어 상기 렌즈에 영상이 입사되는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002156599A (ja) * 2000-11-16 2002-05-31 Mixed Reality Systems Laboratory Inc 画像観察装置及びそれを用いた画像観察システム

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