KR20180013591A - 가상 영상 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치 - Google Patents

가상 영상 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치 Download PDF

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KR20180013591A
KR20180013591A KR1020160097523A KR20160097523A KR20180013591A KR 20180013591 A KR20180013591 A KR 20180013591A KR 1020160097523 A KR1020160097523 A KR 1020160097523A KR 20160097523 A KR20160097523 A KR 20160097523A KR 20180013591 A KR20180013591 A KR 20180013591A
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Abstract

본 발명에 따른 가상 영상 디스플레이 장치는 복수의 화소를 갖는 영상 디스플레이 모듈과 영상 디스플레이 모듈로부터 이격되는 복수의 렌즈를 갖는 포커싱 부재를 포함하되, 복수의 렌즈 각각은 영상 디스플레이 모듈의 화소에 포커싱되는 초점을 가짐으로써 가상 영상의 화질 저하를 방지하면서 선명한 가상 영상을 사용자에게 제공할 수 있다.

Description

가상 영상 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치{VIRTUAL IMAGE DISPLAY DEVICE AND HEAD MOUNTED DISPLAY APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 가상 영상 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라 스마트 폰(smart phone), 스마트 와치(smart watch), 와치 폰(watch phone), 태블릿 PC(Personal Computer), 전자 책, PMP(Portable Multimedia Player), 및 UMPC(Ultra Mobile PC) 등과 같이 정보를 표시하기 위한 다양한 형태의 디스플레이 장치가 등장하고 있다.
최근에는 사용자의 머리에 착용하여 영상을 볼 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이 장치(head mounted display device)가 등장하고 있다. 종래의 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 사용자의 눈과 근접하게 배치된 복수의 렌즈를 이용하여 영상 디스플레이 모듈에 표시되는 실제 영상을 확대하여 가상면에 확대된 가상 영상(또는 허상)을 구현함으로써 사용자가 확대된 가상 영상을 볼 수 있도록 한다.
그러나, 종래의 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 사용자 눈과의 거리에 따라 복수의 렌즈 각각의 초점 거리가 달라지기 때문에 가상 영상의 중심부 대비 외곽부에서 영상 왜곡이 발생되고, 이로 인하여 가상 영상의 화질이 저하됨과 아울러 사용자에게 어지럼증을 유발시킨다는 문제점이 있다.
나아가, 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 사용자가 실제 영상을 보는 것이 아니라 허상을 보기 때문에 초점 거리에 따른 영상 왜곡을 최소화하기 위한 광학적인 구조를 가져야 하고, 사람의 머리에 착용되기 때문에 착용시 불편함을 느끼지 않도록 인체 공학적인 구조를 가져야 한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 가상 영상의 화질 저하를 방지할 수 있는 가상 영상 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 가상 영상 디스플레이 장치는 복수의 화소를 갖는 영상 디스플레이 모듈 및 영상 디스플레이 모듈로부터 이격되는 복수의 렌즈를 갖는 포커싱 부재를 포함하고, 복수의 렌즈 각각은 영상 디스플레이 모듈의 화소에 포커싱되는 초점을 갖는다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 가상 영상 디스플레이 장치를 각각 가지는 제 1 영상 표시부와 제 2 영상 표시부를 포함하고, 가상 영상 디스플레이 장치는 복수의 화소를 갖는 영상 디스플레이 모듈 및 영상 디스플레이 모듈로부터 이격되는 복수의 렌즈를 갖는 포커싱 부재를 포함하고, 복수의 렌즈 각각은 영상 디스플레이 모듈의 화소에 포커싱되는 초점을 갖는다.
본 발명에 따른 가상 영상 디스플레이 장치는 가상 영상의 화질 저하를 방지하면서 선명한 가상 영상을 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 가상 영상 디스플레이 장치를 통해 실제 영상으로부터 선명하게 확대되는 3차원 가상 영상을 통해 사용자에게 증강현실을 제공할 수 있으며, 슬림화될 수 있다.
위에서 언급된 본 발명의 효과 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술되거나, 그러한 기술 및 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가상 영상 디스플레이 장치를 이용한 가상 영상의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 선 I-I’의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 B 부분의 확대도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 C 부분의 확대도이다.
도 9a는 비교 예에 따른 입사 각도별 렌즈의 초점 면적을 나타내는 도면이다.
도 9b는 본 발명의 실시 예에 따른 입사 각도별 렌즈의 초점 면적을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 1 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제 1", "제 2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. "적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제 1 항목, 제 2 항목 및 제 3 항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제 1 항목, 제 2 항목 또는 제 3 항목 각각 뿐만 아니라 제 1 항목, 제 2 항목 및 제 3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다. "상에"라는 용어는 어떤 구성이 다른 구성의 바로 상면에 형성되는 경우뿐만 아니라 이들 구성들 사이에 제3의 구성이 개재되는 경우까지 포함하는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명에 따른 초점 거리에 따른 영상 왜곡을 방지할 수 있는 가상 영상 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 바람직한 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가상 영상 디스플레이 장치를 이용한 가상 영상의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)는 사용자(또는 시청자)의 눈(10)에 근접하도록 배치되어 영상 디스플레이 모듈(110)에 영상을 표시하고, 사용자 눈(10)과 영상 디스플레이 모듈(110) 사이에 배치된 포커싱 부재(120)를 통해 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 표시되는 영상을 확대한다. 이에 따라, 사용자는 포커싱 부재(120)에 의해 영상 디스플레이 모듈(110)로부터 일정 거리로 이격된 가상면(VP)으로 확대 투사된 가상 영상(VI)을 볼 수 있다. 즉, 영상 디스플레이 모듈(110)로부터의 광은 포커싱 부재(120)에 의해 확대되어 사용자 눈(10)의 수정체(12)에 입사되고 다시 수정체(12)에 의해 망막(14)으로 포커싱됨으로써 사용자 눈(10)은 가상면(VP)으로 확대 투사된 가상 영상(VI)을 시감하게 된다.
상기 포커싱 부재(120)는 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 표시되는 실제 영상을 가상면(VP)으로 확대하여 투사하기 위한 복수의 렌즈를 갖는 렌즈 어레이를 포함한다.
상기 복수의 렌즈 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)에 표시되는 실제 영상을 확대 투사시키는 역할을 하기 때문에 복수의 렌즈 각각의 초점이 동일 평면에 포커싱될 경우, 확대 투사되는 영상의 왜곡을 방지 내지 최소화할 수 있다.
복수의 렌즈 각각은 수직 입사 광에 대해 상대적으로 긴 초점 거리를 가지는 반면에 측면 입사 광에 대해 수직 입사 광 대비 상대적으로 짧은 초점 거리를 갖는 특성이 있다. 이러한 렌즈의 특성을 고려하지 않고, 동일한 형태를 갖는 복수의 렌즈 각각을 동일 평면에 배열하여 렌즈 어레이를 구성할 경우, 복수의 렌즈 각각과 사용자 눈(10)과의 거리에 따라 복수의 렌즈 각각의 초점 거리 편차가 발생되고, 이러한 렌즈들의 초점 거리 편차는 가상 영상(VI)의 외곽부 왜곡을 유발시킨다.
만약, 복수의 렌즈 각각을 사용자 눈(10)과 동일한 거리를 갖는 구면 상에 배치할 경우, 복수의 렌즈 각각의 초점 거리 편차에 따른 문제점을 개선할 수 있다. 하지만, 복수의 렌즈 각각이 구면 상에 배치됨에 따라 렌즈 어레이는 돔 형태를 가지게 되고, 이는 포커싱 부재(120)의 두께를 증가시킬 뿐만 아니라 가상 영상 디스플레이 장치(100)의 디자인적인 미감을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 복수의 렌즈 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점을 갖는 형상을 갖는다. 이를 위해, 복수의 렌즈 각각의 곡률과 돌출 높이, 인접한 렌즈들 간의 피치, 및 렌즈의 정점과 화소(SP) 간의 거리 중 적어도 하나는 사용자 눈(10)과의 거리에 따라 개별 또는 영역별로 상이하게 설정될 수 있다. 이에 따라, 복수의 렌즈 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점을 가짐으로써 포커싱 부재(120)의 두께 증가를 최소화하면서 가상 영상 디스플레이 장치(100)의 디자인적인 미감을 향상시킨다.
따라서, 본 발명은 사용자 눈(10)과의 거리(또는 사용자의 시선 각도)에 따라서 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점을 갖는 복수의 렌즈를 통해 영상 디스플레이 모듈(110)에 표시되는 실제 영상(RI)을 확대 투사시킴으로써 가상 영상(VI)의 중심부 대비 외곽부에서 발생되는 외곽부 영상 왜곡을 방지하여 가상 영상(VI)의 화질 저하를 방지하고, 이를 통해 선명한 가상 영상(VI)을 사용자에게 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치의 구성을 설명하기 위한 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 선 I-I’의 단면도이며, 도 4는 도 3에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)는 영상 디스플레이 모듈(110), 포커싱 부재(120), 및 광학 갭 부재(130)를 포함한다.
상기 영상 디스플레이 모듈(110)은 실제 영상을 표시하는 것으로, 복수의 화소(SP)를 포함하는 평판 디스플레이 장치로 구현될 수 있다. 여기서, 하나의 화소(SP)는 영상을 표시하는 최소 단위의 영역으로 정의될 수 있다.
일 예로서, 영상 디스플레이 모듈(110)은 복수의 자발광 화소를 갖는 디스플레이 패널, 및 복수의 자발광 화소를 구동하여 디스플레이 패널에 실제 영상을 표시하는 패널 구동 회로를 포함할 수 있다. 여기서, 자발광 화소는 유기 발광 소자와 마이크로 발광 다이오드 및 전기 영동 소자 등을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 영상 디스플레이 모듈(110)은 복수의 비자발광 화소를 갖는 액정 디스플레이 패널, 복수의 자발광 화소를 구동하여 액정 디스플레이 패널에 실제 영상을 표시하는 액정 패널 구동 회로, 및 액정 디스플레이 패널에 광을 조사하는 백라이트 유닛을 포함할 수 있다.
추가적으로, 영상 디스플레이 모듈(110)은 상기 복수의 자발광 화소를 포함하는 플렉서블 디스플레이 장치, 상기 복수의 자발광 화소 또는 상기 복수의 비자발광 화소를 포함하는 커브드 디스플레이 장치로 구현될 수도 있다.
상기 포커싱 부재(120)는 영상 디스플레이 모듈(110)로부터 이격되는 복수의 렌즈(121)를 포함한다. 즉, 포커싱 부재(120)는 광학 갭 부재(130)의 두께(T)만큼 영상 디스플레이 모듈(110)의 표시면(111)으로부터 이격되는 복수의 렌즈(121)를 포함하는 렌즈 어레이로 구현될 수 있다.
제 1 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 광학 갭 부재(130)의 일면(131)으로부터 볼록하게 돌출될 수 있다. 즉, 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 표시면(111)과 접하는 광학 갭 부재(130)의 타면(132)과 반대되는 광학 갭 부재(130)의 일면(131)으로부터 볼록하게 돌출될 수 있다. 일 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 광학 갭 부재(130)의 일면(131)과 마주하는 사각 형태의 바닥면(121a), 및 바닥면(121a)으로부터 돔 형태로 돌출된 볼록부(121b)를 포함하는 마이크로 렌즈로 구현될 수 있다. 예를 들어 복수의 렌즈(121) 각각은 펜던티브 돔(pendentive dome) 형태를 가질 수 있다.
제 1 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 갖는다. 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리는, 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1에서, f는 초점 거리, n은 렌즈의 굴절율, p는 렌즈의 피치, 8은 상수, △n은 렌즈의 굴절율과 공기 굴절율의 차, d는 렌즈의 높이를 각각 의미한다.
수학식 1에서 알 수 있듯이, 렌즈(121)의 초점 거리(f)는 렌즈의 높이(d)에 반비례하고, 렌즈의 피치(p)에 비례한다. 이러한 수학식 1에 따른 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리(f)를 기반으로, 복수의 렌즈(121) 각각의 높이(d1 내지 d8)(또는 광학 갭 부재(130)의 일면(131)과 복수의 렌즈(121) 각각의 정점(PP) 사이의 거리)는 서로 수평 교차하는 제 1 및 제 2 수평 축 방향(X, Y) 각각을 따라 광학 갭 부재(130)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 감소하도록 설정됨으로써 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 가질 수 있다. 이때, 인접한 렌즈들(121) 사이의 피치(p1)는 동일하게 설정된다. 이로 인하여, 복수의 렌즈(121) 각각의 곡률은 서로 수평 교차하는 제 1 및 제 2 수평 축 방향(X, Y) 각각을 따라 광학 갭 부재(130)(또는 영상 디스플레이 모듈)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 커지게 된다. 또한, 복수의 렌즈(121) 각각의 정점(PP)과 화소(SP)간의 거리(L1 내지 L8)는 서로 수평 교차하는 제 1 및 제 2 수평 축 방향(X, Y) 각각을 따라 광학 갭 부재(130)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 감소하게 된다. 이에 따라, 광학 갭 부재(130)의 내부에서, 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리는 사용자 눈과의 대각 거리로 인하여 서로 수평 교차하는 제 1 및 제 2 수평 축 방향(X, Y) 각각을 따라 광학 갭 부재(130)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 증가하게 된다.
따라서, 사용자 눈과의 대각 거리로 인하여 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되지 않는 렌즈들의 초점 거리는 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)까지 증가됨으로써 모든 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 가질 수 있다. 결과적으로, 제 2 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 가짐으로써 가상 영상(VI)의 외곽부 영상 왜곡없이 선명한 가상 영상(VI)을 사용자에게 제공할 수 있다.
결과적으로, 제 1 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 가짐으로써 가상 영상(VI)의 외곽부 영상 왜곡 없이 선명한 가상 영상(VI)을 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 제 1 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 동일 평면 상에 배열되어 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점을 갖기 때문에 포커싱 부재(120)의 두께를 증가시키지 않으면서 가상 영상(VI)의 외곽부 영상 왜곡을 방지할 수 있다.
상기 광학 갭 부재(130)는 영상 디스플레이 모듈(110)과 포커싱 부재(120) 사이에 마련된다. 이때, 광학 갭 부재(130)의 두께(T)는 영상 디스플레이 모듈(110)에 표시되는 실제 영상의 확대 비율에 따라 설정된다.
일 예에 따른 광학 갭 부재(130)는 투명한 플라스틱 재질 또는 투명한 유리 재질로 이루어질 수 있다.
다른 예에 따른 광학 갭 부재(130)는 영상 디스플레이 모듈(110)과 포커싱 부재(120) 사이에 마련된 공기층으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 포커싱 부재(120)는 일정한 두께를 갖는 베이스 부재, 및 영상 디스플레이 모듈(110)과 마주하는 제 1 면과 반대되는 베이스 부재의 제 2 면으로부터 볼록하게 돌출된 복수의 렌즈(121)를 포함한다. 또한, 영상 디스플레이 모듈(110)과 포커싱 부재(120)는 사각띠 형태를 갖는 지지 프레임에 의해 공기층을 사이에 두고 서로 마주보게 된다. 지지 프레임은 영상 디스플레이 모듈(110)과 마주하는 제 1 면, 및 포커싱 부재(120)과 마주하는 제 2 면을 갖는다. 지지 프레임의 제 1 면은 영상 디스플레이 모듈(110)의 가장자리에 마련된 비표시 영역과 결합되고, 지지 프레임의 제 2 면은 상기 베이스 부재의 제 2 면 가장자리와 결합된다.
이와 같은, 본 발명의 제 1 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)는 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 갖는 복수의 렌즈(121)를 통해 영상 디스플레이 모듈(110)에 표시되는 실제 영상(RI)을 확대하여 가상 영상(VI)를 구현함으로써 가상 영상(VI)의 중심부 대비 외곽부에서 발생되는 외곽부 영상 왜곡을 방지하여 가상 영상(VI)의 화질 저하를 방지하고, 이를 통해 선명한 가상 영상(VI)을 사용자에게 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 B 부분의 확대도로서, 이는 본 발명의 제 1 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치에서 포커싱 부재의 렌즈 형상을 변경한 것이다. 이에 따라, 이하의 설명에서는 복수의 렌즈에 대해서만 설명하기로 하고, 나머지 구성들에 대해서는 도 3 및 도 4와 동일한 도면 부호를 부여하고, 그에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)에서, 제 2 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각의 피치(p1 내지 p7)는 광학 갭 부재(130)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 증가하도록 설정됨으로써 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 갖는다. 즉, 상기의 수학식 1과 같이, 렌즈(121)의 피치(p1 내지 p7)에 비례하여 증가되는 렌즈(121)의 초점 거리(f)를 기반으로, 인접한 렌즈들(121) 사이의 피치(p1 내지 p7)는 서로 수평 교차하는 제 1 및 제 2 수평 축 방향(X, Y) 각각을 따라 광학 갭 부재(130)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 증가하도록 설정됨으로써 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 가질 수 있다. 이때, 제 2 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각의 높이(d1)(또는 광학 갭 부재(130)의 일면(131)과 복수의 렌즈(121) 각각의 정점(PP) 사이의 거리)는 동일하게 설정된다. 이로 인하여, 제 2 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각의 곡률은 서로 수평 교차하는 제 1 및 제 2 수평 축 방향(X, Y) 각각을 따라 광학 갭 부재(130)(또는 영상 디스플레이 모듈)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 커지게 된다. 또한, 제 2 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각의 정점(PP)과 화소(SP)간의 거리(L1)는 동일하게 설정된다. 이에 따라, 광학 갭 부재(130)의 내부에서, 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리는 사용자 눈과의 대각 거리로 인하여 서로 수평 교차하는 제 1 및 제 2 수평 축 방향(X, Y) 각각을 따라 광학 갭 부재(130)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 증가하게 된다.
따라서, 사용자 눈과의 대각 거리로 인하여 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되지 않는 렌즈들의 초점 거리는 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)까지 증가됨으로써 모든 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 가질 수 있다.
결과적으로, 제 2 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 가짐으로써 가상 영상(VI)의 외곽부 영상 왜곡없이 선명한 가상 영상(VI)을 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 제 2 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 동일 평면 상에 배열되어 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점을 갖기 때문에 포커싱 부재(120)의 두께를 증가시키지 않으면서 가상 영상(VI)의 외곽부 영상 왜곡을 방지할 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 제 2 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)는 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 갖는 복수의 렌즈(121)를 통해 영상 디스플레이 모듈(110)에 표시되는 실제 영상(RI)을 확대하여 가상 영상을 구현함으로써 가상 영상(VI)의 화질 저하를 방지하면서 선명한 가상 영상(VI)을 사용자에게 제공할 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 제 2 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)는 본 발명의 제 1 예와 동일한 효과를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 3 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 8은 도 7에 도시된 C 부분의 확대도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제 3 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)는 영상 디스플레이 모듈(110), 포커싱 부재(120), 및 광학 갭 부재(130)를 포함한다.
상기 영상 디스플레이 모듈(110)은 실제 영상을 표시하는 것으로, 전술한 바와 동일하므로, 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
상기 포커싱 부재(120)는 서로 수평 교차하는 제 1 및 제 2 수평 축 방향(X, Y) 각각을 따라 영상 디스플레이 모듈(110)로부터 개별적 또는 영역별로 상이하게 이격되는 복수의 렌즈(121)를 포함한다.
제 3 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 광학 갭 부재(130)의 일면(131)으로부터 볼록하게 돌출될 수 있다. 즉, 제 3 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이, 사각 형태의 바닥면(121a), 및 바닥면(121a)으로부터 돔 형태로 돌출된 볼록부(121b)를 포함하는 마이크로 렌즈로 구현될 수 있다.
상기 광학 갭 부재(130)는 영상 디스플레이 모듈(110)과 포커싱 부재(120) 사이에 마련된다. 상기 광학 갭 부재(130)는 투명한 플라스틱 재질 또는 투명한 유리 재질로 이루어질 수 있다.
일 예에 따른 광학 갭 부재(130)는 디스플레이 모듈(110)의 표시면(111)과 마주하는 몸체(135), 및 몸체(135)로부터 곡면 형태를 가지도록 돌출된 곡면 돌출부(137)를 포함한다.
상기 몸체(135)는 투명한 플라스틱 재질 또는 투명한 유리 재질로 이루어질 수 있다. 이러한 몸체(135)는 곡면 돌출부(137)가 마련되는 일면(135a), 및 영상 디스플레이 모듈(110)의 표시면(111)과 마주하는 타면(135b)을 포함한다.
상기 곡면 돌출부(137)는 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리 간의 편차를 보상하거나 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리를 설정하기 위하여, 몸체(135)의 일면(135a)으로부터 곡면 형태로 돌출됨으로써 복수의 렌즈(121) 각각의 초점(FP)이 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되도록 한다. 예를 들어, 동일한 형태를 갖는 복수의 렌즈(121)가 동일한 피치를 가지도록 광학 갭 부재(130)의 동일 평면 상에 배치될 경우, 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리는 광학 갭 부재(130)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 감소하게 된다. 이에 따라, 곡면 돌출부(137)는, 광학 갭 부재(130)의 가장자리(EP)에 배치된 렌즈의 초점 거리를 기준으로, 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리 편차만큼 몸체(135)의 일면(131)으로부터 돌출시켜 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리 편차를 보상함으로써 복수의 렌즈(121) 각각의 초점(FP)이 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되도록 한다.
제 3 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리 간의 편차를 보상하기 위하여 곡면 형태를 갖는 광학 갭 부재(130)의 곡면 돌출부(137)로부터 동일한 곡률을 가지도록 볼록하게 돌출된다. 이때, 인접한 렌즈들(121) 간의 피치(p)는 동일하게 설정된다. 이에 따라, 제 3 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 광학 갭 부재(130)의 곡면 돌출부(137)로부터 볼록하게 돌출됨으로써 복수의 렌즈(121) 각각의 정점(PP)과 화소(SP) 간의 거리(L1 내지 L8)는 광학 갭 부재(130)의 정중앙(CP)에서 가장자리(EP) 쪽으로 갈수록 감소하게 된다. 따라서, 사용자 눈과의 대각 거리로 인한 복수의 렌즈(121) 각각의 초점 거리는 광학 갭 부재(130)의 곡면 돌출부(137)에 의해 보상될 수 있고, 이로 인하여 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 가질 수 있다. 결과적으로, 제 3 예에 따른 복수의 렌즈(121) 각각은 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 가짐으로써 가상 영상의 외곽부 영상 왜곡 없이 선명한 가상 영상을 사용자에게 제공할 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 제 3 예에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)는 영상 디스플레이 모듈(110)의 화소들(SP)에 포커싱되는 초점(FP)을 갖는 복수의 렌즈(121)를 통해 영상 디스플레이 모듈(110)에 표시되는 실제 영상(RI)을 확대하여 가상 영상(VI)를 구현함으로써 가상 영상의 화질 저하를 방지하면서 선명한 가상 영상을 사용자에게 제공할 수 있다.
도 9a는 비교 예에 따른 입사 각도별 렌즈의 초점 면적을 나타내는 도면이고, 도 9b는 본 발명의 실시 예에 따른 입사 각도별 렌즈의 초점 면적을 나타내는 도면이다. 비교 예에 따른 시뮬레이션에서는 단일 렌즈에 입사되는 광의 입사각도를 0도(수직 입사)에서 40도(측면 입사)까지 10도 단위로 변경하여 입사 각도별 렌즈의 초점 면적을 측정하였다. 그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 시뮬레이션에서는 비교 예와 동일하되, 입사각도에 대응되는 높이를 갖는 렌즈만 교체하여 입사 각도별 렌즈의 초점 면적을 측정하였다.
도 9a에서 알 수 있듯이, 비교 예는 영상 디스플레이 모듈의 정중앙과 가장자리까지의 거리가 상이하기 때문에 입사 각도가 증가할수록 렌즈의 초점 면적이 증가하게 된다. 이에 따라, 비교 예에서는 영상 디스플레이 모듈의 가장자리에서는 렌즈의 초점이 맞지 않게 됨에 따라 가장자리의 초점 왜곡으로 인하여 화질이 저하되게 된다.
도 9b에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예는 복수의 렌즈 각각의 초점이 영상 디스플레이 모듈의 화소에 포커싱되도록 설정됨으로써 입사 각도별 렌즈의 초점 면적이 균일한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명은 가상 영상의 외곽부 영상 왜곡 없이 선명한 가상 영상을 사용자에게 제공할 수 있다.
이상과 같은, 본 발명의 예들에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)는 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 구성하는 좌안 영상 표시부 및 우안 영상 표시부 각각의 디스플레이 장치로 사용되거나 디지털 카메라의 디스플레이 장치로 사용됨으로써 실제 영상으로부터 확대된 가상 영상을 사용자에게 제공할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 1 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제 1 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치(200)는 제 1 영상 표시부(210), 제 2 영상 표시부(220), 및 헤드 착용부(230)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 영상 표시부(210)는 사용자의 좌안에 근접하도록 배치되고, 제 1 실제 영상을 확대하여 확대된 제 1 가상 영상을 사용자의 좌안에 제공한다. 예를 들어, 상기 제 1 영상 표시부(210)는 사용자의 좌안에 근접하도록 배치되고, 좌안용 실제 영상을 확대하여 확대된 좌안용 가상 영상(VI_L)을 사용자의 좌안에 제공한다.
상기 제 2 영상 표시부(220)는 사용자의 우안에 근접하도록 배치되고, 제 1 영상과 동일하거나 다른 제 2 실제 영상을 확대하여 확대된 제 2 가상 영상을 사용자의 우안에 제공한다. 예를 들어, 상기 제 2 영상 표시부(220)는 사용자의 우안에 근접하도록 배치되고, 우안용 실제 영상을 확대하여 확대된 우안용 가상 영상(VI_R)을 사용자의 우안에 제공한다.
상기 제 1 및 제 2 영상 표시부(210, 220) 각각은 평면 형태의 커버 프레임(211, 221), 및 커버 프레임(211, 221)의 내측면과 결합된 가상 영상 디스플레이 장치(213, 223)를 포함할 수 있다.
일 예에 따른 커버 프레임(211, 221)은 가상 영상 디스플레이 장치(213, 223)로 입사되는 광을 차단하기 위해 불투명 재질로 이루어질 수 있다. 다른 예에 따른 커버 프레임(211, 221)은 사용자 눈의 전방에 배치되는 평판 형태의 전면 커버부, 및 사용자 눈의 주변과 직접적으로 마주하는 전면 커버부의 가장자리에 마련된 테두리 커버부를 포함할 수 있다. 전면 커버부는 불투명 재질로 이루어질 수 있다. 테두리 커버부는 외부광이 사용자 눈 쪽으로 입사되는 것을 최소화함으로써 가상 영상 디스플레이 장치(213, 223)에 표시되는 영상의 시인성을 개선한다.
상기 가상 영상 디스플레이 장치(213, 223)는 커버 프레임(211, 221)의 내측면, 즉 전면 커버부의 내측면에 결합되고, 실제 영상을 확대하여 확대된 가상 영상을 구현한다. 일 예로서, 제 1 영상 표시부(210)의 가상 영상 디스플레이 장치(213)와 제 2 영상 표시부(220)의 가상 영상 디스플레이 장치(223)는 동일한 실제 영상을 표시하여 확대 투사할 수 있으며, 이 경우 사용자는 2차원 실제 영상으로부터 확대된 2차원 가상 영상을 시청할 수 있다. 다른 예로서, 제 1 영상 표시부(210)의 가상 영상 디스플레이 장치(213)는 좌안 실제 영상을 표시하여 확대 투사하고, 제 2 영상 표시부(220)의 가상 영상 디스플레이 장치(223)는 우안 실제 영상을 표시하여 확대 투사할 수 있으며, 이 경우, 사용자는 좌안 실제 영상으로부터 확대된 좌안 가상 영상(VI_L)과 우안 실제 영상으로부터 확대된 우안 가상 영상(VI_R)으로부터 확대된 3차원 가상 영상을 시청할 수 있다.
상기 가상 영상 디스플레이 장치(213, 223)는 도 1 내지 도 8에 도시된 가상 영상 디스플레이 장치(100)과 동일한 구성을 가지므로, 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
상기 헤드 착용부(230)는 사용자 머리에 착용 가능하도록 제 1 및 제 2 영상 표시부(210) 각각과 결합된다. 예를 들어, 헤드 착용부(230)는 헤드 장착 밴드, 안경 다리 형태, 또는 헬멧 형태를 가질 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 제 1 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치(200)는 제 1 및 제 2 영상 표시부(210) 각각을 지지하는 지지 프레임을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 헤드 착용부(230)는 사용자 머리에 착용 가능하도록 지지 프레임과 결합된다.
이와 같은, 본 발명의 제 1 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치(200)는 본 발명에 따른 가상 영상 디스플레이 장치(100)를 통해 실제 영상으로부터 선명하게 확대된 3차원 가상 영상을 통해 사용자에게 증강현실을 제공할 수 있으며, 슬림화될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제 2 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 설명하기 위한 평면도로서, 이는 본 발명의 제 1 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치(200)에서 커버 프레임의 형상을 변경한 것이다. 이에 따라, 이하의 설명에서는 커버 프레임 및 이와 관련된 구성에 대해서만 설명하기로 하고, 나머지 구성들에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제 2 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치(200)에서, 커버 프레임(211, 221)은 유선형 디자인 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 커버 프레임(211, 221)은 곡면 형태로 둥글게 형성되어 사용자 눈과 마주하는 유선형 전면 커버부, 및 사용자 눈의 주변과 직접적으로 마주하는 전면 커버부의 가장자리에 마련된 테두리 커버부를 포함할 수 있다. 유선형 전면 커버부는 불투명 재질로 이루어질 수 있다. 테두리 커버부는 외부광이 사용자 눈 쪽으로 입사되는 것을 최소화함으로써 가상 영상 디스플레이 장치(213, 223)에 표시되는 영상의 시인성을 개선한다.
상기 가상 영상 디스플레이 장치(213, 223)는 커버 프레임(211, 221)의 내측면, 즉 유선형 전면 커버부의 내측면에 결합되고, 실제 영상을 확대하여 확대된 가상 영상을 구현한다. 가상 영상 디스플레이 장치(213, 223)는 곡면 형태를 가지도록 유선형 전면 커버부의 내측면과 결합되는 것을 제외하고는 전술한 바와 동일하므로, 이에 대한 중복 설명은 생략한다.
이와 같은, 본 발명의 제 2 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치(200)는 도 10에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치(200)와 동일한 효과를 제공하되, 유선형 디자인 구조를 갖는 커버 프레임(211, 221)으로 인하여 더욱 슬림화될 수 있으며, 미감이 증진된 디자인을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 영상 디스플레이 모듈 120: 포커싱 부재
121: 렌즈 130: 광학 갭 부재
135: 몸체 137: 곡면 돌출부
210: 제 1 영상 표시부 211, 221: 커버 프레임
220: 제 2 영상 표시부 230: 헤드 착용부

Claims (14)

  1. 복수의 화소를 갖는 영상 디스플레이 모듈; 및
    상기 영상 디스플레이 모듈로부터 이격되는 복수의 렌즈를 갖는 포커싱 부재를 포함하고,
    상기 복수의 렌즈 각각은 상기 영상 디스플레이 모듈의 화소에 포커싱되는 초점을 갖는, 가상 영상 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 디스플레이 모듈과 상기 포커싱 부재 사이에 배치된 광학 갭 부재를 더 포함하는, 가상 영상 디스플레이 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈 각각의 정점과 상기 화소 간의 거리는 상기 광학 갭 부재의 정중앙에서 가장자리 쪽으로 갈수록 감소하는, 가상 영상 디스플레이 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈 각각은 상기 광학 갭 부재의 일면으로부터 볼록하게 돌출되고,
    상기 광학 갭 부재의 일면과 상기 복수의 렌즈 각각의 정점 사이의 거리는 상기 광학 갭 부재의 정중앙에서 가장자리 쪽으로 갈수록 감소하는, 가상 영상 디스플레이 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    인접한 렌즈들 사이의 피치는 동일한, 가상 영상 디스플레이 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈 각각은 상기 광학 갭 부재의 일면으로부터 볼록하게 돌출되고,
    상기 복수의 렌즈 각각의 곡률은 상기 광학 갭 부재의 정중앙에서 가장자리 쪽으로 갈수록 커지는, 가상 영상 디스플레이 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈 각각은 상기 광학 갭 부재의 일면으로부터 볼록하게 돌출되고,
    인접한 렌즈들 사이의 피치는 상기 광학 갭 부재의 정중앙에서 가장자리 쪽으로 갈수록 증가하는, 가상 영상 디스플레이 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학 갭 부재의 일면과 상기 복수의 렌즈 각각의 정점 사이의 거리는 동일한, 가상 영상 디스플레이 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광학 갭 부재는 상기 영상 디스플레이 모듈과 마주하는 몸체 및 상기 몸체로부터 곡면 형태를 가지도록 돌출된 곡면 돌출부를 포함하고,
    상기 복수의 렌즈 각각은 상기 곡면 돌출부로부터 볼록하게 돌출된, 가상 영상 디스플레이 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈 각각은 동일한 곡률을 갖는, 가상 영상 디스플레이 장치.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 부재 내부에서, 상기 복수의 렌즈 각각의 초점 거리는 상기 광학 갭 부재의 정중앙에서 가장자리 쪽으로 갈수록 증가하는, 가상 영상 디스플레이 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 가상 영상 디스플레이 장치를 포함하는, 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  13. 제 1 영상을 표시하기 위한 제 1 영상 표시부;
    제 2 영상을 표시하기 위한 제 2 영상 표시부;
    사용자의 머리에 착용 가능하도록 상기 제 1 영상 표시부와 상기 제 2 영상 표시부 각각에 결합된 헤드 착용부를 포함하고,
    상기 제 1 영상 표시부와 상기 제 2 영상 표시부 각각은 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 가상 영상 디스플레이 장치를 포함하는, 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 영상 표시부와 상기 제 2 영상 표시부 각각은 유선형 디자인 구조를 가지면서 상기 가상 영상 디스플레이 장치를 지지하는 커버 프레임을 포함하며,
    상기 가상 영상 디스플레이 장치는 곡면 형태를 가지도록 상기 커버 프레임의 내측면과 결합된, 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180107811A (ko) * 2017-03-22 2018-10-04 삼성디스플레이 주식회사 헤드 마운티드 디스플레이 장치
WO2020222534A1 (ko) * 2019-04-30 2020-11-05 가톨릭대학교 산학협력단 착용가능한 모델아이 장치
US11515509B2 (en) 2019-03-12 2022-11-29 Samsung Display Co., Ltd. Virtual image display device and head-mounted device

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