KR20170120459A

KR20170120459A - 렌즈, 광학 장치 및 이를 포함하는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치

Info

Publication number: KR20170120459A
Application number: KR1020160048983A
Authority: KR
Inventors: 정재욱; 이기석
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-10-31

Abstract

실시예는 제1 면과, 상기 제1 면과 마주보는 제2 면을 포함하고, 상기 제2 면은 복수 개의 광 경로 변환부를 포함하고, 상기 복수 개의 광 경로 변환부는 각각 상기 제1 면에 수직한 제1 축에 대하여 서로 다른 기울기를 갖는 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 면의 중앙부에 배치된 광 경로 변환부의 상기 제1 축 방향의 높이와 주변부에 배치된 광 경로 변환부의 상기 제1 축 방향의 높이가 서로 다른 렌즈를 제공한다.

Description

렌즈, 광학 장치 및 이를 포함하는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치{LENS, 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.

상술한 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시장치에서, 렌즈는 통상 적어도 1면이 볼록 렌즈의 형상일 수 있다. 이때, 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치의 성능을 높이기 위하여, 렌즈의 초점거리가 짧아져야 하며 따라서 렌즈가 두꺼워지고 렌즈와 디스플레이부 사이의 거리가 길어져서 전체 헤드 장착 표시 장치의 부피가 증가할 수 있다.

실시예는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시에서, 광학 장치의 무게와 부피를 감소시키면서도 화각을 증가시키고자 한다.

복수 개의 광 경로 변환부는 원형의 형상을 가질 수 있다.

복수 개의 광 경로 변환부는 동일한 중심을 가지고 배치될 수 있다.

제1 부분은, 상기 제1 축에 평행할 수 있다.

제2 부분은 곡률을 가질 수 있다.

각각의 광 경로 변환부의 높이는 상기 중앙부에서 주변부로 갈수록 증가할 수 있다.

동심원의 복수 개의 광 경로 변환부의 중심은 상기 제2 면의 중심에서 이격될 수 있다.

렌즈는 한 쌍이 구비되고, 상기 각각의 렌즈에서 상기 복수 개의 광 경로 변환부의 중심은 서로 반대 방향으로 이격될 수 있다.

복수 개의 광 경로 변환부들의 폭은 일정할 수 있다.

각각의 광 경로 변환부들의 폭은 10 마이크로 미터 내지 1 밀리미터일 수 있다.

각각의 광 경로 변환부들의 높이는 0.5 밀리미터 이하일 수 있다.

렌즈의 크기는 상기 패널의 크기 이하일 수 있다.

다른 실시예는 상술한 렌즈; 상기 렌즈가 고정되는 고정 홀더를 더 포함하고; 상기 고정 홀더는 디스플레이부가 결합되기 위한 안착부를 포함하는 광학 장치를 제공한다.

렌즈의 크기는 상기 디스플레이부의 크기 이하일 수 있다.

렌즈의 제1 면으로부터 상기 디스플레이부까지의 거리는, 상기 디스플레이부의 크기의 2/3보다 작을 수 있다.

렌즈는 2개가 구비되고, 각각의 렌즈의 광축은 서로 기울어질 수 있다.

렌즈와 디스플레이부는 각각 2개가 구비되고, 상기 각각의 디스플레이부는 상기 각각의 렌즈의 광축에 대하여 수직으로 배치될 수 있다.

각각의 렌즈의 광축은 서로 60도 이내의 각도로 기울어질 수 있다.

또 다른 실시예는 상술한 렌즈; 상기 렌즈의 제2 면과 이격되어 배치되는 디스플레이부; 상기 렌즈와 상기 디스플레이부가 고정되는 고정 홀더; 상기 디스플레이부에 신호를 공급하는 회로 기판; 및 상기 고정 홀더와 회로기판을 수용하는 본체를 포함하는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치를 제공한다.

또 다른 실시예는 적어도 하나의 프레넬 렌즈를 포함하는 렌즈부; 상기 렌즈부가 결합되는 고정 홀더;를 포함하고 상기 고정홀더는 디스플레이부가 결합되기 위한 디스플레이 안착부를 더 포함하는 광학 장치를 제공한다.

또 다른 실시예는 상술한 광학 장치; 상기 디스플레이부에 신호를 공급하는 회로기판; 및 상기 고정 홀더와 상기 회로 기판을 수용하는 본체를 포함하고, 상기 디스플레이부는 상기 프레넬 렌즈와 이격되어 상기 디스플레이 안착부에 배치되는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치를 제공한다.

실시예에 따른 렌즈, 광학 장치 및 이를 포함하는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치는, 렌즈의 부피가 감소하여, 광학 장치의 무게와 부피가 감소하면서도 화각이 증가할 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 디스플레이부를 상세히 나타낸 도면이고,
도 5a 내지 도 5d는 렌즈의 원리를 나타낸 도면이고,
도 6a 내지 도 6c는 렌즈의 제2 면을 상세히 나타낸 도면이고,
도 7a 및 도 7b는 렌즈의 에지 영역의 형상을 나타낸 도면이고,
도 8a 내지 도 8g는 렌즈의 다른 실시예들을 나타낸 도면이고,
도 9는 렌즈를 지나는 광이 수렴하는 원리를 나타낸 도면이고,
도 10a 내지 도 10d는 렌즈의 각 영역에서 광의 수렴 원리를 나타낸 도면이고,
도 11a 내지 도 11d는 한 쌍의 렌즈와 디스플레이부의 배치를 상세히 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.

이하에서, 무한대의 기울기 또는 0의 기울기를 갖는 것도 기울기를 갖는다고 볼 수 있으며, 무한대 또는 0의 기울기도 다른 상수값을 갖는 기울기들과 비교 가능하다고 볼 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 디스플레이부에 표시되는 이미지를 뚜렷하게 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 디스플레이부에 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, 디스플레이부(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. 또한, 상기 렌즈(300)는 적어도 한쪽 면 상에 요철부가 형성된 프레넬렌즈(Fresnel lens)일 수 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 디스플레이부(800)에서 발생하여 렌즈(300)를 통하여 전달되는 이미지(image)가 착용자의 눈(eye)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 디스플레이부(800)와 접근할 수 있고, 렌즈 이동 유닛(400)을 제2 방향으로 회전시키면 렌즈 이동 유닛(400)이 홀더(600)로부터 점차 분리되어 렌즈(300)가 디스플레이부(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 디스플레이부(800)와의 결합에 용이할 수 있다. 지지판을 디스플레이부(800)가 배치되는 안착부라고 할 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, 디스플레이부(800)나 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 배치될 수 있는데, 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 디스플레이부(800)가 배치될 수 있는데, 디스플레이부(800)는 동영상 내지 정지 영상을 표시할 수 있으며 예를 들면 LCD(Liquid crystal display)일 수 있으며 디스플레이 패널일 수 있다. 디스플레이부(800)는 하나로 구비될 수 있고, 후술하는 바와 같이 한 쌍이 구비될 수 있으며, 각각 사용자의 좌우 눈에 영상을 전달할 수 있다.

디스플레이부(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 디스플레이부(800)의 가장 자리를 밀폐하며 고정하므로, 외부의 광이 광학 장치(1000) 내부로 유입되지 않도록 차단할 수 있다.

디스플레이부(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, 디스플레이부(800)의 영상을 렌즈(300) 방향으로 전달할 수 있다.

디스플레이부(800)는 광원을 포함할 수 있으며, 광원은 예를 들면 발광 다이오드(Light emitting diode)일 수 있다.

디스플레이부(800)의 하부에는 보호 유닛(900)이 구비될 수 있으며, 디스플레이부(800)를 지지하고 디스플레이부(800)의 PCB 또는 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 양측 방향으로 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 배치될 수 있다. 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 배치될 수 있다.

홀더(600)의 하부면에는, 도시되지 않았으나, 상술한 디스플레이부(800)가 고정 부재(700)에 의하여 고정되고, 디스플레이부(800)가 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, 적어도 한 쌍의 렌즈(300)와 한 쌍의 디스플레이부(800)가 구비될 수 있다. 다른 실시예로, 적어도 한 쌍의 렌즈(300)와 하나의 디스플레이부(800)가 구비될 수도 있다. 한 쌍의 렌즈(300)를 제1 렌즈와 제2 렌즈라고 구분하고, 한 쌍의 디스플레이부(800)를 제1 디스플레이부와 제2 디스플레이부이라 할 때, 제1 디스플레이부의 영상은 제1 렌즈를 통해 출력되고, 제2 디스플레이부의 영상은 제2렌즈를 통해 출력될 수 있다.

도 3c 및 도 3d는 고정 홀더의 제1 영역과 제2 영역의 개구부를 나타낸 도면이다.

고정 홀더(600)에서 렌즈를 포함하는 렌즈부가 배치되는 영역을 제1 영역이라고 할 수 있다. 렌즈부는 적어도 하나의 렌즈와 내부공간에 렌즈를 포함하는 이동유닛(400)을 포함할 수 있다. 제1 영역에서 고정 홀더(600)에는 중공 형상의 개구부가 형성될 수 있다. 제1 영역에 형성된 중공 형상은 원형의 개구부일 수 있다. 고정 홀더(600)에서 디스플레이부 방향의 영역을 제2 영역이라고 할 수 있으며, 제2 영역에서도 고정 홀더(600)에 중공 형상의 개구부가 형성될 수 있다. 제2 영역은 직사각형의 형상일 수 있다.

디스플레이부의 형상은 상술한 바와 같이 사각형 형상일 수 있으므로, 디스플레이부 상의 영상이 출력될 수 있는 유효 영역 중 일부는 차단되어 상기 렌즈에 영상이 입사될 수 있다. 상세하게는 디스플레이부로부터 출력되는 영상이 고정 홀더(600)의 제2 영역의 중공을 통과할 때, 사각형 형상의 영상의 유효 영역 중 꼭지 점 부분을 포함하는 4개의 부분에서 출력되는 영상 중 일부가 가려지거나 차단될 수 있으며, 제2 영역의 중공의 형상이 디스플레이부의 형상과 다를 수 있기 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 디스플레이부를 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 눈(Eyes) 방향의 렌즈(300)의 표면이고, 제2 면(S2)은 디스플레이부(800) 방향의 렌즈(300)의 표면이다. 렌즈(300)와 디스플레이부(800)을 '광학 장치'라고 할 수 있다.

렌즈(300)는 플라스틱 계열의 소재로 이루어질 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.

도시된 바와 같이 눈과 렌즈(300)는 이격되어 배치되고 이격 거리는 고정되지 않고 변할 수 있으며, 렌즈(300)와 디스플레이부(800) 사이의 거리도 이격되고 이격 거리는 고정되지 않고 변할 수도 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 디스플레이부의 영상부의 이미지가 투과될 수 있는 유효경 상의 면일 수 있다.

제1 면(S1)과 제2 면(S2) 중 적어도 하나는 높이가 일정하지 않고 높이의 편차를 가지고 배치될 수 있고, 특히 제1 면(S1)은 플랫(flat)하고 제2 면(S2)은 높이의 편차를 가지고 배치될 수 있다. 제2 면(S2)의 구체적인 형상은 도 5a 내지 도 5d에서 후술한다.

렌즈(300)의 제1 면(S1)과 제2 면(S2)의 유효경에서 렌즈(300)의 표면은 변곡점을 가지지 않을 수 있으며, 상기 유효경 이외의 영역에서는 변곡점이 형성될 수도 있다. 여기서, 유효경은 디스플레이부(800)에서 방출된 영상이 눈으로 진행할 때, 빛이 지나는 경로의 범위를 뜻할 수 있다.

도 4에서 렌즈의 광축의 방향을 x축이라 하고, 상기 광축에 수직한 방향을 y축이라 할 때, 렌즈(300)의 제1 면(S1)으로부터 광축 방향으로 디스플레이부(800)까지의 거리(d)는, y 방향으로 디스플레이부(800)의 크기(IH, image height)보다 작을 수 있다. 이때, 광축을 제1 축이라 할 수 있고, 렌즈(300)의 제1 면(S1)과 제1 축은 수직할 수 있다.

그리고, 렌즈(300)의 크기(R)은 디스플레이부(800)의 크기(IH)의 크기와 같거나 보다 작을 수 있다. 여기서, 렌즈(300)의 크기(R)는 렌즈의 y축 방향으로의 단면이 원형이면 지름을 뜻하고, 사각형 형상이면 긴 변의 길이를 뜻한다. 디스플레이부(800)의 크기는 디스플레이부(800)의 영상이 출력되는 영역이 정사각형이면 한 변의 길이를 뜻하고, 직사각형이면 긴 변의 길이를 뜻한다.

그리고, 렌즈(300)는 한 쌍이 구비되어 디스플레이부(800)로부터 출력된 이미지는 각각의 렌즈(300)를 통하여 각각 다른 위치, 예를 들면 좌안과 우안 각각에 포커싱(focusing)될 수 있다.

도 5a 내지 도 5d는 렌즈의 원리를 나타낸 도면이나 제조 공정을 나타내지는 않으며, 렌즈는 도 5d의 형상의 역상을 가지는 금형에 의하여 제조될 수 있다.

도 5a에서는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)가 도시되고 있으며, 도 5b 및 도 5c에서는 프레넬 렌즈를 좌우 방향으로 동일한 폭의 구간으로 구획하여 분리하고 있다. 광축과 평행한 방향으로 돌출된 부분 각각을 광 경로 변환부이라고 할 수 있으며, 실시예에서는 원형으로 구비될 수 있다.

도 5d에서 7개의 광 경로 변환부(U0~U23)이 도시되고 있으나, 실제 렌즈에는 훨씬 많은 개수의 광 경로 변환부(U0~U23)이 배치될 수 있다.

중심에 배치된 광 경로 변환 유닛(U0)으로부터 좌측 방향으로 제11 광 경로 변환부(U11) 내지 제13 광경로 변환부(U13)이 배치되고, 우측 방향으로 제21 광 경로 변환부(U21) 내지 제23 광경로 변환부(U23이 배치되고 있다. 렌즈 중심을 기준으로 상호 대칭위치에 배치된 광 경로 변환부는 서로 원형으로 연결되어 원형의 광경로 변환부를 형성할 수 있다.

각각의 광 경로 변환부(U0~U23)의 폭(do~d23)은 일정할 수 있고, 높이(h0~h23)는 서로 다를 수 있으며, 여기서 높이(h0~h23)은 각각의 광 경로 변환부(U0~U23)의 최대 높이일 수 있다.

각각의 광 경로 변환부에는 광축과 평행한 방향으로 높이 솟아 있는 마루가 형성될 수 있고 각각의 광 경로 변환부 사이에는 움푹 파인 형상의 골 이 형성될 수 있다. 각각의 골과 산은 각각의 광 경로 변환부의 높이 및 폭을 재는 기준이 될 수 있다. 예를 들어 산과 산 사이의 광축에 수직한 방향으로의 거리 또는 골과 골간의 광축과 수직한 방향으로의 거리가 광 경로 변환부의 폭이 될 수 있고, 산과 골의 광축에 평행한 방향으로의 거리가 광 경로 변환부의 높이가 될 수 있다.

상세하게는, 렌즈의 중심부에 배치된 광 경로 변환부의 광축에 평행한 방향으로의 높이가 렌즈의 주변부에 배치된 광 경로 변환부의 광축에 평행한 방향으로의 높이보다 낮을 수 있다. 따라서, 중심에 배치된 광 경로 변환부(U0)의 높이(h0)가 가장 낮고, 가장 자리의 광 경로 변환부(U13, U23)의 높이(h13, h23)가 가장 높을 수 있으며, 중심에 배치된 광 경로 변환부(U0)을 기준으로 좌측과 우측에서 서로 대응되는 광 경로 변환부 예를 들면(U12, U22)의 높이(h12, h22)는 서로 동일할 수 있다. 도면에서는 렌즈 중심부에 광 경로 변환부가 형성된 경우를 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 렌즈의 중심부는 광 경로 변환부가 형성되지 않고 평면으로 이루어 질 수 있다.

상세하게는 각각의 광 경로 변환부(U0~U23)의 폭(do~d23)은 10 마이크로 미터 내지 1 밀리미터일 수 있고, 높이(h0~h23)는 0.5 밀리미터 이하일 수 있고 적어도 0.1 밀리미터일 수 있다. 또한 각각의 광 경로 변환부의 폭의 기준은 각각의 산간의 수평방향(광축에 수직한 방향)의 거리일 수 있고, 각각의 광 경로 변환부의 폭의 기준은 각각의 골간의 수평 방향이 될 수 있다.

각각의 광 경로 변환부의 산의 간격은 10마이크로 미터 내지 1밀리미터일 수 있으며, 높이는 0.5 밀리미터 이하일 수 있다.

각각의 광 경로 변환부(U0~U23)의 상부가 렌즈(300)의 제2 면(S2)에 형성될 수 있고, 하부가 제1 면(S1)에 대응할 수 있다. 그리고, 도 5d의 설명에서 중심은 렌즈(300)의 제2 면(S2)의 기하학적인 중심과 반드시 일치하지 않을 수 있다. 즉, 제2 면의 기하학적인 중심과 제1 면의 광 경로 변환부의 중심은 서로 다른 위치에 형성될 수 있다.

그리고, 광 경로 변환부(U0~U23)은 동일한 중심을 갖는 구조의 점대칭 형상일 수 있으므로, 광 경로 변환부(U11, U21)은 서로 연결된 구조일 수 있고, 광 경로 변환부(U12, U22)은 서로 연결된 구조일 수 있으며, 광 경로 변환부(U13, U23)은 서로 연결된 구조일 수 있다.

도 5a 내지 도 5d에서는 볼록한 형상의 렌즈로부터 본 실시예의 광학 장치 내의 렌즈(300)를 구성하는 원리를 도시하였으나, 오목한 형상 또는 기타 다른 형상의 렌즈로부터 본 실시예의 광학 장치 내의 렌즈(300)를 구성할 수도 있다.

도 6a 내지 도 6c는 렌즈의 제2 면을 상세히 나타낸 도면이다.

복수의 광 경로 변환부들은 제1 면(S1)에 수직한 제1 축에 대하여 서로 다른 기울기를 갖는 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 제2 면의 중앙부에 배치된 광 경로 변환부의 상기 제1 축 방향의 높이와 주변부에 배치된 광 경로 변환부의 상기 제1 축 방향의 높이가 서로 다를 수 있다. 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6b 및 도 6c는 도 4의 렌즈(300)의 제2 면(S2)을 y축 방향으로 절단한 단면도이며, 특히 제2 면(S2)의 중심을 지나는 단면을 도시하고 있다.

렌즈(300)의 제2 면(S2)에서 복수 개의 광 경로 변환부(U0~U5)가 배치되고 있으며, 복수 개의 광 경로 변환부(U0~U5)의 중심(C)은 제2 면(S2)의 기하학적인 중심과 이격될 수 있으며, 여기서 제2 면(S2)의 기하학적인 중심은 유효경의 중심일 수 있다.

각각의 광 경로 변환부들(U0~U23)은 제1 부분(a)과 제2 부분(b)을 포함하여 이루어질 수 있다. 제1 부분(a)과 제2 부분(b)은 제2 면(S2)을 이루는 면이며, 도 6b와 도 6c에서 각각의 광 경로 변환부들(U0~U23)의 바닥면이 제1 면(S1)을 이룰 수 있다.

도 6b에서 각각의 광 경로 변환부들(U0~U23)의 제1 부분(a)은 광축에 대하여 나란할 수 있는데, 제조 공정의 오차를 고려하면 반드시 광축과 기하학적으로 평행하지는 않을 수 있다. 각각의 광 경로 변환부들(U0~U23)의 제2 부분(b)은 광축(optical zxis)에 대하여 기울어지고 곡률이 없는 평면 또는 곡률이 없는 직선 구조를 가지거나 곡률을 가질 수 있는데, 도 5a 내지 도 5d의 원리로 제조되므로 제2 부분들(b)의 곡률은 서로 동일할 수 있으나, 제조 공정의 오차를 고려하면 기하학적으로 정확히 일치하지는 않을 수도 있다. 또한 제2 부분들(b)의 곡률은 서로 다를 수 있고, 곡률이 없는 직선이나 평면 등일 수도 있다.

도 6b에서 각각의 광 경로 변환부들(U0~U23)이 수평면에 대하여 이루는 각도들(θ₀~ θ₂₃)이 도시되고 있으며, 중앙에 구비된 광 경로 변환부(U0)이 수평면에 대하여 이루는 각도(θ0)는 0도에 가깝고, 가장 자리 영역으로 갈수록 각도가 점차 증가하여 가장 자리 영역에서 광 경로 변환부(U23)이 수평면에 대하여 이루는 각도(θ23)가 가장 클 수 있다.

그리고, 각각의 광 경로 변환부들(U0~U23)의 최고점들 사이의 피치(P)가 일정할 수 있다.

도 6c의 실시예는 도 6b의 실시예와 동일하나, 제1 부분(a)이 광축(Optical axis)와 나란하지 않고 기울어질 수 있으며, 제1 부분(a)의 단면은 제2 부분(b)과 달리 직선일 수 있다.

도 6c에서, 각각의 광 경로 변환부들(U0~U23)의 최고점들 사이의 피치(P)가 일정할 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 렌즈의 에지 영역의 형상을 나타낸 도면이다.

여기서, 에지 영역이라 함은 'e'로 표시된 영역이며, 도 7a와 같은 불연속한 곡률을 가지는 형상 외에 도 7b에 도시된 바와 같이 에지 영역이 라운드 형상으로 구비될 수도 있다. 이러한 라운드 형상은 렌즈의 설계 또는 금형에 의한 사출 공정의 특성에 따라 형성될 수도 있다.

도 8a 내지 도 8g는 렌즈의 다른 실시예들을 나타낸 도면이다.

렌즈(300)의 하부 방향이 제1 면(S1)이고 상부 방향이 제2 면(S2)이고 렌즈의 가장 자리에는 연결부(C)가 도시되는데, 연결부(C)는 렌즈(300)를 상술한 렌즈 이동 유닛(400) 또는 고정 홀더 등에 고정되는 부분일 수 있다. 연결부(C)의 폭, 두께 또는 형상은 렌즈(300)가 고정되는 렌즈 이동 유닛(400) 등과의 결합 구조에 따라 상이할 수 있다.

도 8a는 도 6c 등에 도시된 렌즈보다 광 경로 변환부(U)이 많이 도시되고 있으며, 실제로 유효경의 지름 40 밀리미터 정도의 렌즈에 광 경로 변환부들이 0.2 마이크로 미터 정도의 피치로 형성될 수 있어서 도 8a에서 총 40 밀리미터의 유효경을 지름을 가지는 렌즈에 20만개 정도의 광 경로 변환부(U)들이 표시될 수 있으며, 동심원 구조를 고려하면 10만개 정도의 광 경로 변환부(U)들이 구비될 수 있다.

도 8b에 도시된 실시예 따른 렌즈(300)는 렌즈(300)의 광 경로 변환부(U)들이 도 7b에서 검토한 바와 같이 라운드 가공된 차이점이 있다. 또한, 도 8a에 도시된 실시예에서 광 경로 변환부(U)들은 연결부(C)로부터 함몰되어 구비되나, 도 8b에 도시된 실시예에 따른 렌즈(300)에서 광 경로 변환부(U)들이 연결부(C)로부터 돌출되어 형성되고 있다.

도 8c와 도 8d에 도시된 실시예에 따른 렌즈(300)는, 광 경로 변환부(U)들의 양측면이 모두 경사를 이루는 점에서 하나의 측면이 수직을 이루는 도 8a와 도 8b에 도시된 실시예와 차이점이 있다.

도 8e에 도시된 실시예에서 광 경로 변환부(U)들의 경사 방향이 도 8a 내지 도 8d와 반대 방향으로 도시되고 있다.

도 8f와 도 8g에 도시된 실시예에서 광 경로 변환부(U)들은 도 8a에 도시된 실시예와 유사하나, 렌즈(300)가 전체적으로 볼록하게 또는 오목하게 휘어질 수 있다.

도 9는 렌즈를 지나는 광이 수렴하는 원리를 나타낸 도면이고, 도 10a 내지 도 10d는 렌즈의 각 영역에서 광의 수렴 원리를 나타낸 도면이다.

도 9에서 전방으로부터 입사되는 광들이 렌즈(300)의 제2 면(S2)으로 입사되어 제1 면(S1)을 통하여 눈(Eye) 방향으로 수렴하여 진행할 수 있다.

도 10a에서 디스플레이부(800)에서 방출된 광이 렌즈(300)의 가장 자리의 제1,3 영역(R1, R2)과 중앙의 제2 영역(R2)을 통과하며 사용자의 눈(Eye)으로 수렴되고 있으며, 렌즈의 제1 영역 내지 제3 영역(R1~R3)에서 광의 경로를 도 10b 내지도 10d에서 상세히 도시하고 있다.

도 10b에서 디스플레이부 방향에서 진행되는 광(L1~L3)들은 디스플레이부의 한 지점에서 방출될 수 있으며, 렌즈의 제1 영역(R1)을 통과하여 눈(Eye) 방향으로 평행하게 진행될 수 있다. 여기서, 광이 렌즈의 제1 영역(R1)의 광 경로 변환부들의 제1 면(S1) 및 제2 면(S2)과 이루는 각도의 관계는 θ11> θ21> θ31, θ12> θ22> θ32일 수 있으며 즉, 광축에서 멀어질수록 각도가 더 커진다.

그리고, 렌즈의 제2 면(R1)에서 눈(Eye) 방향으로 진행하는 광들은 평행할 수 있다.

도 10c에서 렌즈의 제2 영역(R2)의 제2 면(S2)은 거의 플랫(flat)하며, 디스플레이부(800)에서 방출된 광(L1~L3)들이 렌즈의 제2 영역(R2)을 통과하여 눈(Eye) 방향으로 진행한다.

도 10d에서 디스플레이부 방향에서 진행되는 광(L1~L3)들은 디스플레이부의 한 지점에서 방출될 수 있으며, 렌즈의 제3 영역(R3)을 통과하여 눈(Eye) 방향으로 평행하게 진행될 수 있으며, 광이 렌즈의 제1 영역(R1)의 광 경로 변환부들의 제1 면(S1) 및 제2 면(S2)과 이루는 각도의 관계는 도 10b와 동일할 수 있다.

도 11a 내지 도 11d는 한 쌍의 렌즈와 디스플레이부의 배치를 상세히 나타낸 도면이다.

도 11a의 실시예에서 한 쌍의 렌즈(300a, 300b)와 한 쌍의 디스플레이부(800a, 800b)가 배치되고 있으며, 각각의 렌즈(300a, 300b)와 디스플레이부(800a, 800b)는 상술한 실시예들에 기재된 바와 동일할 수 있다.

그리고, 하나의 렌즈(300a)의 광축(OP1)은 다른 하나의 렌즈(300b)의 광축(OP2)과 나란할 수 있다. 그리고, 각각의 디스플레이부(800a, 800b)에서 방출된 광은 각각의 렌즈(300a, 300b)를 통과하여 눈(left eye, right eye)에 각각 포커싱될 수 있다.

도 11a 내지 도 11d에서 각각의 디스플레이부(80a, 800b)는 광축(OP1, OP2)에 대하여 각각 수직으로 배치될 수 있다.

도 11b의 실시예는 도 11a와 동일하나, 하나의 렌즈(300a)의 광축(OP1)은 다른 하나의 렌즈(300b)의 광축(OP2)과 나란하지 않을 수 있다. 그리고, 한 쌍의 디스플레이부(800a, 800b)은 서로 기울어지고 배치되어, 각각의 디스플레이부(800a, 800b)에서 방출된 광은 각각의 렌즈(300a, 300b)를 통과하여 눈(left eye, right eye)에 각각 포커싱될 수 있다.

이때, 광축이 기울어진 각도는 60도(°) 이내의 범위일 수 있다. 도 11b와 같은 렌즈(300a, 300b)와 디스플레이부(800a, 800b)의 배치로 인하여, 디스플레이부(800a, 800b)의 크기를 더 크게 할 수 있어서, 광학 장치의 부피를 증가시키지 않으면서도 화각을 증가시킬 수 있다.

도 11c에 도시된 실시예는 도 11a의 실시예와 동일하나, 각각의 렌즈(300a, 300b)의 광축(OP1,OP2)이 렌즈(300a, 300b)의 기하학적인 중심으로부터 이격되어 배치되고 있다.

도 11d의 실시예는 도 11c와 동일하나, 하나의 렌즈(300a)의 광축(OP1)은 다른 하나의 렌즈(300b)의 광축(OP2)과 나란하지 않을 수 있다. 그리고, 한 쌍의 디스플레이부(800a, 800b)은 서로 기울어지고 배치되어, 각각의 디스플레이부(800a, 800b)에서 방출된 광은 각각의 렌즈(300a, 300b)를 통과하여 눈(left eye, right eye)에 각각 포커싱될 수 있다.

이때, 광축이 기울어진 각도는 60도(°) 이내의 범위일 수 있다.

도 11b와 도 11d에서 렌즈(300a, 300b)의 중심에서 광축(OP1, OP2)이 각각 이격되는 방향으로 반대이고, 상세하게는 렌즈(300a)의 중심에서 광축(OP1)은 윗 방향으로 이격되고 렌즈(300b)의 중심에서 광축(OP2)은 아랫 방향으로 이격될 수 있다.

이때, 광축(OP1 OP2)이 각각 렌즈(300a, 300b)의 제2 면(S2)의 중심으로부터 1 밀리미터 정도 이격될 때, 화각이 1도 정도 증가할 수 있다. 그리고, 광축(OP1 OP2)이 각각 렌즈(300a, 300b)의 제2 면(S2)의 중심으로 10 밀리미터까지 이격이 가능하여, 광학 장치의 화각은 20도 정도 증가할 수 있다.

상술한 렌즈(300a, 300b)는 두께가 종래보다 얇아져서 광학 장치의 부피 및 무게가 감소할 수 있다. 특히, 도 4에서 렌즈(300)의 제1 면(S1)과 디스플레이부(800) 사이의 거리(d)가 감소될 수 있다.

또한, 도 11b와 도 11d에서 광축(OP1, OP2)이 수평 방향에 대하여 각각 상부와 하부로 1도 기울어질 때마다, 광학 장치의 화각이 1도 정도 증가할 수 있다.

따라서, 각각의 렌즈(300a, 300b)에서 광축(OP1, OP2)이 수평 방향에 대하여 이격되어 화각이 20도 정도 증가하고 광축이 서로 반대 방향으로 기울어져서 화각이 60도 정도 증가하므로, 종래의 광학 장치에서 화각이 90도 정도였으나 본 실시예에서는 170도 정도까지 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: 스토퍼
600: 고정 홀더 620: 제2 나사선
630: 지지판 650: 슬라이딩 유닛
700: 고정 유닛 800: 디스플레이부
850: 회로 기판 900: 보호 유닛
1000: 광학 장치

Claims

제1 면과, 상기 제1 면과 마주보는 제2 면을 포함하고,
상기 제2 면은 복수 개의 광 경로 변환부를 포함하고,
상기 복수 개의 광 경로 변환부는 각각 상기 제1 면에 수직한 제1 축에 대하여 서로 다른 기울기를 갖는 제1 부분과 제2 부분을 포함하고,
상기 제2 면의 중앙부에 배치된 광 경로 변환부의 상기 제1 축 방향의 높이와 주변부에 배치된 광 경로 변환부의 상기 제1 축 방향의 높이가 서로 다른 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 복수 개의 광 경로 변환부는 원형의 형상을 가지는 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 복수 개의 광 경로 변환부는 동일한 중심을 가지고 배치되는 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 제1 부분은, 상기 제1 축에 평행한 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 제2 부분은 곡률을 가지는 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 각각의 광 경로 변환부의 높이는 상기 중앙부에서 주변부로 갈수록 증가하는 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 동심원의 복수 개의 광 경로 변환부의 중심은 상기 제2 면의 중심에서 이격되는 렌즈.
제6 항에 있어서,
상기 렌즈는 한 쌍이 구비되고, 상기 각각의 렌즈에서 상기 복수 개의 광 경로 변환부의 중심은 서로 반대 방향으로 이격되는 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 복수 개의 광 경로 변환부들의 폭은 일정한 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 각각의 광 경로 변환부들의 폭은 10 마이크로 미터 내지 1 밀리미터인 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 각각의 광 경로 변환부들의 높이는 0.5 밀리미터 이하인 렌즈.
제1 항에 있어서,
상기 렌즈의 크기는 상기 패널의 크기 이하인 렌즈.
제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항의 렌즈;
상기 렌즈가 고정되는 고정 홀더를 더 포함하고;
상기 고정 홀더는 디스플레이부가 결합되기 위한 안착부를 포함하는 광학 장치.
제13 항에 있어서,
상기 렌즈의 크기는 상기 디스플레이부의 크기 이하인 광학 장치.
제13 항에 있어서,
상기 렌즈의 제1 면으로부터 상기 디스플레이부까지의 거리는, 상기 디스플레이부의 크기의 2/3보다 작은 광학 장치.
제13 항에 있어서,
상기 렌즈는 2개가 구비되고, 각각의 렌즈의 광축은 서로 기울어진 광학 장치.
제13 항에 있어서,
상기 렌즈와 디스플레이부는 각각 2개가 구비되고, 상기 각각의 디스플레이부는 상기 각각의 렌즈의 광축에 대하여 수직으로 배치되는 광학 장치.
제13 항에 있어서,
상기 각각의 렌즈의 광축은 서로 60도 이내의 각도로 기울어진 광학 장치.
제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항의 렌즈;
상기 렌즈의 제2 면과 이격되어 배치되는 디스플레이부;
상기 렌즈와 상기 디스플레이부가 고정되는 고정 홀더;
상기 디스플레이부에 신호를 공급하는 회로 기판; 및
상기 고정 홀더와 회로기판을 수용하는 본체를 포함하는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치.
적어도 하나의 프레넬 렌즈를 포함하는 렌즈부;
상기 렌즈부가 결합되는 고정 홀더;를 포함하고
상기 고정홀더는 디스플레이부가 결합되기 위한 디스플레이 안착부를 더 포함하는 광학 장치.
제20 항의 광학 장치;
상기 디스플레이부에 신호를 공급하는 회로기판; 및
상기 고정 홀더와 상기 회로 기판을 수용하는 본체를 포함하고,
상기 디스플레이부는 상기 프레넬 렌즈와 이격되어 상기 디스플레이 안착부에 배치되는 가상 현실 구현을 위한 헤드 장착 표시 장치.