KR20180125879A

KR20180125879A - 헤드-마운트 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR20180125879A
Application number: KR1020180042821A
Authority: KR
Inventors: 이 황; 치웨이 시; 추안터 청
Original assignee: 코어트로닉 코포레이션
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2018-11-26
Also published as: KR102115899B1; US10422997B2; EP3413117B1; JP7114318B2; US20180335628A1; EP3413117A2; EP3413117A3; CN108873326A; JP2018194827A; TWI678556B; TW201901239A

Abstract

HMD 장치는 조명 시스템, 디스플레이 장치, 렌즈 모듈 및 도파로 시스템을 포함한다. 조명 시스템은 구경 조리개를 포함한다. 디스플레이 장치는 조명 빔을 영상 빔으로 변환한다. 도파로 시스템은 영상 빔을 유도하고, 영상 빔을 투사 타겟에 투사한다. 도파로 시스템은 제1 도파로 소자 및 제2 도파로 소자를 포함한다. 영상 빔은 렌즈 모듈, 제1 도파로 소자 및 제2 도파로 소자를 통해 투사 타겟에 투사되고, 및 제1 도파로 소자 내의 제1 조리개로 수렴한다. 영상 빔은 제2 도파로 소자 외부의 제2 조리개로 투사된다. 제2 조리개는 투사 타겟에 위치한다. 조명 빔은 조명 시스템 내의 제3 조리개로 수렴한다. 구경 조리개는 제3 조리개에 위치한다.

Description

헤드-마운트 디스플레이 장치{HEAD-MOUNTED DISPLAY DEVICE}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2017년 5월 16일 출원된 중국 특허출원 제201710343432.6호의 우선권 이익을 주장한다. 상기 언급된 특허 출원의 전체적인 내용은 참조에 의해 본원에 편입되어 명세서의 일부를 구성한다.

본 발명은 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 특히 헤드-마운트 디스플레이(head-mounted display, HMD)에 관한 것이다.

근안 디스플레이(Near-Eye Display, NED) 및 헤드-마운트 디스플레이(head-mounted display, HMD)는 가장 유망한 차세대 주력 제품이다. NED 기술의 관련 응용은 현재 증강 현실(AR) 기술과 가상 현실(VR) 기술로 구분된다. AR 기술에 있어서, 관련 기술 분야의 개발자들은 현재 경량 박형이면서 최고의 영상 품질을 제공하는 방법을 연구하고 있다.

AR을 구현하기 위해 HMD를 사용하는 광학 시스템 구성에서, 디스플레이에 사용되는 영상 빔이 투영 장치에 의해 전송된 후에, 영상 빔은 도파로를 통해 사용자의 눈에 진입한다. 광 밸브 및 외부 환경 빔으로부터 오는 영상은 AR의 효과를 얻기 위해 도파로를 통해 사용자의 눈에 진입한다. HMD 제품에서, 도파로와 광학 엔진 메카니즘 사이의 거리가 너무 가깝기 때문에, 주변 빔은 사용자의 눈에 진입하는 것이 차단되어, 몰입감을 망치고 AR 효과가 크게 감소된다.

HMD에 대한 수요와 관련하여, HMD는 일반 근시 안경 또는 선글라스의 설계에 더 가깝도록 예정되기 때문에 거대한 광학 엔진을 사용자의 시각 영역 외부로 이동시켜 사용자의 시야를 차단하는 것을 방지하는 방법이 현재 가장 중요한 이슈 중 하나이다. 또한, HMD에 의해 제공되는 시야(FOV)의 크기 및 HMD의 볼륨은 사용자 경험에 영향을 미치는 중요한 요소이다.

본원에서 "발명의 배경이 되는 기술" 부분에 개시된 정보는 설명된 기술의 배경에 대한 이해를 높이기 위한 것일 뿐이므로, 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 이미 공지된 선행 기술을 형성하지 않는 정보를 포함할 수 있다. 또한, "발명의 배경이 되는 기술" 부분에 개시된 정보는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 의해 해결되어야 할 하나 이상의 과제들이 당업자에 의해 인식되었음을 의미하지 않는다.

발명의 요약

본 발명은 큰 시야(FOV) 및 우수한 영상 품질을 제공하도록 적용되고, 작은 볼륨을 갖는, 헤드-마운트 디스플레이(HMD) 장치에 관한 것이다.

목적 또는 다른 목적의 하나 또는 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 헤드-마운트 디스플레이(HMD) 장치를 제공한다. HMD 장치는 조명 시스템, 디스플레이 장치, 렌즈 모듈 및 도파로 시스템을 포함한다. 조명 시스템은 조명 빔을 제공하도록 구성되고, 구경 조리개를 포함한다. 디스플레이 장치는 조명 빔을 영상 빔으로 변환하도록 구성된다. 영상 빔은 투사 타겟으로 전송되고 투사된다. 렌즈 모듈은 영상 빔을 수신하고 투사하도록 구성된다. 도파로 시스템은 영상 빔을 유도하고, 영상 빔을 투사 타겟에 투사하도록 구성된다. 도파로 시스템은 제1 도파로 소자 및 제2 도파로 소자를 포함한다. 영상 빔은 렌즈 모듈, 제1 도파로 소자 및 제2 도파로 소자를 통해 투사 타켓에 투사된다. 영상 빔은 제1 도파로 소자 내의 제1 조리개로 수렴한다. 제1 조리개는 제1 도파로 소자 내에 위치된다. 영상 빔이 제2 도파로 소자를 떠나고, 제2 도파로 소자 외부의 제2 조리개로 투사된다. 제2 조리개는 투사 타겟에 위치한다. 조명 빔은 조명 시스템 내의 제3 조리개로 수렴한다. 구경 조리개는 제3 조리개에 위치한다.

본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 본 발명의 실시예들에 의해 개시된 추가적인 기술적 특징들로부터 더욱 이해될 것인데, 본 발명을 실시하는데 가장 적합한 방식들을 설명하기 위해 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명된다.

첨부 도면은 본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 실시예들을 도시하고 발명의 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드-마운트 디스플레이(HMD) 장치의 3차원 도면이다.
도 2a는 도 1의 HMD의 측면도이다.
도 2b는 도 2a의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 광 경로의 측면도이다.
도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 의한 HMD 장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 HMD 장치의 3차원 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 HMD 장치의 3차원 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 7은 도 1의 제2 도파로 소자의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 영상 빔의 입사각에 대한 확산 코팅막 반사율의 반사율 분포 곡선 개략도이다.
도 9는 도 7의 실시예의 영상 빔에 의해 투사 타겟에 생성된 영상 프레임의 개략도이다.
도 10은 도 1의 제1 도파로 소자의 측면도이다.
도 11은 도 10의 실시예의 영상 빔에 의해 투사 타겟에 생성된 영상 프레임의 개략도이다.
도 12a는 도 9 및 도 11의 실시예의 영상 빔에 의해 투사 타겟에 생성된 중첩 영상 프레임들의 개략도이다.
도 12b는 상이한 제2 광 분할 소자들에 의한 투사 타겟에 대한 반사 영상 빔의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 제1 광 분할 소자로부터 제2 도파로 소자에 입사하는 영상 빔의 개략도이다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 의한 제1 광 분할 소자에 입사하는 영상 빔의 개략도이다.
도 14b는 본 발명의 일 실시예에 의한 제1 광 분할 소자에 입사하는 영상 빔의 개략도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 18은 도 17에 의한 실시예의 HMD 장치의 일부 구성 요소들의 개략도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD 장치의 개략도이다.

이하에서 본 발명의 일부를 형성하고 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예들을 예시로 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 이와 관련하여, "상부", "하부", "전면", "후면" 등과 같은 방향 용어는 설명된 도면(들)의 방향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 구성 요소들은 다수의 상이한 방향으로 배치될 수 있다. 이와 같이, 방향 용어는 설명의 목적으로 사용되며 제한적이지 않다. 한편, 도면은 개략적인 것으로 구성 요소들의 크기는 설명을 명확하게 하기 위하여 과장될 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예들이 이용될 수 있고 구조적 변경이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에 사용된 표현 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한적으로 간주되어서는 안된다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "구비한(having)" 및 이들의 변형 용어들의 사용은 그 이후에 열거된 항목들 및 그 등가물뿐만 아니라 추가 항목들을 포함하는 것을 의미한다. 다르게 제한되지 않는 한, 본 명세서에서 용어 연결된(connected), 결합된(coupled) 및 장착된(mounted) 및 이들의 변형 용어들은 광범위하게 사용되며 직접 및 간접 연결, 결합 및 장착을 포함한다. 유사하게, 본원에서 사용된 용어 면하는(facing), 면하다(faces) 및 이들의 변형 용어들은 광범위하게 사용되며 직접 및 간접적으로 면하는 것을 포함하고, 본 명세서에서 "~ 에 인접한(adjacent to)" 및 이들의 변형 용어들은 광범위하게 사용되며 직접 또는 간접적으로 "인접한"을 포함한다. 그러므로, 본원에서 "B" 구성 요소를 면하는 "A" 구성 요소의 설명은 "A" 구성 요소가 "B" 구성 요소에 직접 면하거나 하나 이상의 추가 구성 요소들이 "A" 구성 요소와 "B" 구성 요소 사이에 개재되는 상황을 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "B" 구성 요소에 "인접한" "A" 구성 요소의 설명은 "A" 구성 요소가 "B" 구성 요소에 직접 인접하거나 또는 하나 이상의 추가 구성 요소들이 "A" 구성 요소와 "B" 구성 요소 사이에 개재되는 상황을 포함할 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되고 제한적인 것으로 간주되지 않을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 헤드-마운트 디스플레이(HMD) 장치의 3차원 도면이다. 도 2a는 도 1의 HMD의 측면도이다. 도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 HMD(100)는 제1 도파로 소자(110), 제2 도파로 소자(120), 디스플레이 장치(130) 및 렌즈 모듈(140)을 포함한다. 제2 도파로 소자(120)는 제1 도파로 소자(110)에 연결된다. 렌즈 모듈(140)은 디스플레이 장치(130)와 제1 도파로 소자(110) 사이에 배치된다.

일 실시예에서, 제1 도파로 소자(110)는 제1 입광면(S11), 제1 출광면(S12) 및 복수의 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)을 포함한다. 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)은 제1 방향(Y)을 따라 배열된다. 일 실시예에서, 제1 입광면(S11)은 제1 출광면(S12)에 대향하여 배치되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 일 실시예에서, 디스플레이 장치(130)의 상이한 배치 위치들에 기초하여, 제1 입광면(S11)은 제1 출광면(S12)에 또한 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 영상 빔(ML)은 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)의 위치에서 트랜스-반사 광학 효과를 가지며, 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)은, 예를 들어, 시 스루 거울(see through mirrors, STM)이다. 일 실시예에서, 제2 도파로 소자(120)는 제2 입광면(S21), 제2 출광면(S22) 및 복수의 제2 광 분할 소자들(X1, X2, X3, X4, X5, X6)을 포함하는데, 제2 입광면(S21)과 제2 출광면(S22)는 동일한 면에 속하고, 제2 도파로 소자(120)의 제2 입광면(S21)은 제1 도파로 소자(110)의 제1 출광면(S12)과 면한다. 제2 광 분할 소자들(X1, X2, X3, X4, X5, X6)은 제2 방향(X)을 따라 배열된다. 일 실시예에서, 영상 빔(ML)은 제2 광 분할 소자들(X1, X2, X3, X4, X5, X6)의 위치에서 트랜스-반사 광학 효과를 갖는다. 일 실시예에서, 각각의 도파로 소자에 포함되는 광 분할 소자의 수량 및 인접한 광 분할 소자들 사이의 갭은 상이한 제품 요건들에 따라 설계될 수 있으며, 본 발명에 의해 제한되지 않는다. 또한, 제1 광 분할 소자들의 수량은 제2 광 분할 소자들의 수와 동일하거나 상이할 수 있고, 인접하는 광 분할 소자 사이의 갭은 동일하거나 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 디스플레이 장치(130)는 조명 시스템으로부터의 조명 빔을 영상 빔(ML)으로 변환하여 영상 빔(ML)을 렌즈 모듈(140)에 제공하는데 사용되는데, 조명 시스템은 이하 상세히 설명된다. 일 실시예에서, 디스플레이 장치(130)는 예를 들어, digital light processing^TM(DLP^TM) 투영 시스템, 액정 디스플레이(LCD) 투영 시스템 또는 실리콘 액정 디스플레이 장치(liquid crystal on silicon, LCoS) 투영 시스템 등 내의 디지털 미소 반사 장치(digital micromirror devices, DMD)를 포함하는데, 이러한 투영 시스템들은 본 발명에 의해 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 렌즈 모듈(140)은 예를 들어 하나 또는 복수의 렌즈이며, 그 수량은 제한되지 않으며 실제 설계 요건에 따라 결정된다. 렌즈 모듈(140)은 제3 방향(Z)을 따라 연장되는 광축(A1)을 갖는다. 영상 빔(ML)은 렌즈 모듈(140)의 제3 방향(Z)을 따라 전송된다. 디스플레이 장치(130)로부터 입사된 영상 빔(ML)은 렌즈 모듈(140)을 통과하여, 제1 입광면(S11)을 통해 제1 도파로 소자(110)로 입사된다. 일 실시예에서, 제1 도파로 소자(110) 내에서의 영상 빔(ML)은 제1 광 분할 소자(Y1)를 통과하여 제1 방향(Y)을 따라 전송되고, 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)의 반사 기능 이후에, 영상 빔(ML)은 제3 방향(Z)의 반대 방향(-Z)을 따라 제1 출광면(S12)을 통해 제1 도파로 소자(110)를 떠난다. 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)은 시 스루 거울이므로, 즉 영상 빔(ML)의 일부는 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)에 의해 반사되고, 영상 빔(ML)의 일부는 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)을 투과한다는 것이 주지되어야 한다. 일 실시예에서, 영상 빔(ML)의 광학 경로에 대해서 중점적으로 설명하였다.

또한, 제1 도파로 소자(110)로부터 입사된 영상 빔(ML)은 제3 방향(Z)의 반대 방향(-Z)을 따라 제2 입광면(S21)을 통해 제2 도파로 소자(120)로 입사되고, 제2 도파로 소자(120)의 반사면(S23)에서 반사된 후 제2 도파로 소자(120)의 제2 광 분할 소자들(X1, X2, X3, X4, X5, X6)로 전송된다. 일 실시예에서, 제2 도파로 소자(120)의 영상 빔(ML)은 제2 방향(X)을 따라 전송되고, 제2 광 분할 소자들(X1, X2, X3, X4, X5, X6)의 반사 기능 후에, 영상 빔(ML)은 제2 출광면(S22)을 통해 제2 도파로 소자(120)를 떠나고 투사 타겟(P)에 투사된다. 따라서, 일 실시예에서, 제2 출광면(S22)이 투사 타겟(P)과 면하고 있지만, 제2 입광면(S21)과 제2 출광면(S22)은 제2 도파로 소자(120)의 동일면이다. 일 실시예에서, 투사 타겟(P)은 예를 들어 사용자의 눈의 하나인, 동공이다. 다른 실시예에서, 투사 타겟(P)은 예를 들어, 전하 결합 소자(CCD) 또는 상보형 금속 산화물 반도체 영상 센서(CMOS 영상 센서)와 같은 영상 빔(ML)을 수신하는데 사용되는, 예를 들어, 영상 감지 장치이다.

일 실시예에서, 영상 빔(ML)은 제3 방향(Z)의 반대 방향(-Z)을 따라 렌즈 모듈(140)로 전송되는데, 그 투과 방향은 광축(A1)의 연장 방향과 실질적으로 동일하다. 일 실시예에서, 투사 타겟(P)은 시축(visual axis)(A2)을 갖는데, 그 연장 방향(제3 방향(Z))이 투사 타겟(P)에 투사된 영상 빔(ML)의 투과 방향과 실질적으로 동일하고, 제1 방향(Y)에 수직이다. 따라서, 도 1에서, 투사 타겟(P)의 시축(A2)을 제1 도파로 소자(110) 내의 YZ 평면(기준 평면)으로 이동시킴으로써, 도 2a에 도시된 바와 같이 제1 도파로 소자(110)에 기준 축(A3)이 표시된다.

즉, 일 실시예에서, 투사 타겟(P)이 제1 방향(Y)에 수직인 시축(A2)을 갖고, 시축(A2)은 제1 도파로 소자(110) 내의 기준면(YZ)상의 기준 축(A3)으로 병진된다. 도 2a에서, 기준 평면(YZ) 상에, 그리고 조명 빔(ML)의 투과 경로 상에서, 조명 빔(ML)에 의해 형성된 제1 조리개(PA1)와 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)의 제1 광 분할 소자(Y1)의 중심 위치 사이의 제1 방향(Y)으로의 거리는 D1 이고, 기준 축(A3)과 제1 광 분할 소자(Y1)의 중심 위치(PC) 사이의 제1 방향(Y)으로의 거리는 D2이다. 일 실시예에서, 거리(D1)는 거리(D2)보다 크거나 같다. 제1 광 분할 소자(Y1)는 영상 빔(ML)의 일부가 제1 도파로 소자(110)에 입사한 후에 영상 빔(ML)을 먼저 반사하는 제1 광 분할 소자들 중 하나이며, 렌즈 모듈(140)에 가장 가깝게 위치하는 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4) 중 하나이다.

일 실시예에서, 렌즈 모듈(140)로부터 나오는 영상 빔(ML)은 제1 도파로 소자(110) 내에서 제1 조리개(PA1)로 수렴한다. 제1 조리개(PA1)는 제1 도파로 소자(110) 내에 위치된다. 일 실시예에서, 제1 조리개(PA)는 영상 빔(ML)이 제1 도파로 소자(110) 내의 최소 빔 직경까지 수렴하는 위치이고, 영상 빔(ML)이 제1 조리개(PA)의 위치를 통과한 후에, 영상 빔(ML)은 발산하기 시작한다. 예를 들어, 렌즈 모듈(140)은 영상 빔(ML)이 제1 도파로 소자(110)에 입사되어 제1 광 분할 소자(Y1)로부터 수렴하기 시작하게 하고, 제1 조리개(PA1)에서 최소 빔 직경에 도달하게 한다. 제1 조리개(PA1)를 통과한 후, 영상 빔(ML)은 발산하기 시작하여 제1 광 분할 소자(Y4)에 입사하고, 제1 출광면(S12)으로 반사된다. 일 실시예에서, 영상 빔(ML)이 제2 출광면(S22)을 통해 제2 도파로 소자(120)를 떠난 후에, 영상 빔(ML)은 제2 도파로 소자(120) 외부의 제2 조리개(PA2)로 투사된다. 제2 조리개(PA2)는 투사 타겟(P)에 위치한다. 예를 들어, 제2 광 분할 소자들(X1, X2, X3, X4, X5, X6)은 제2 도파로 소자(120)에 입사하는 영상 빔(ML)을 반사하여 제2 출광면(S22)을 통해 제2 도파로 소자(120)를 떠날 수 있고, 영상 빔(ML)은 제2 조리개(PA2)의 위치에 투사되어, 영상 빔(ML)이 투사 타겟(P)에 입사될 수 있으며, 여기서 제2 조리개(PA2)의 위치는 투사 타겟(P)의 위치, 즉 사용자의 눈 중 하나가 영상을 볼 수 있는 위치, 즉 제2 조리개(PA2)의 위치와 실질적으로 동일하다.

일 실시예에서, 렌즈 모듈(140)의 시야(FOV)는 투사 타겟(P)에서 수신되는 영상의 FOV에 대응한다. 즉, 일 실시예에서, 투사 타겟(P)에 수신되는 영상 빔(ML)에 의해 형성된 영상의 사선(diagonal) FOV는 렌즈 모듈(140)에 의해 투사되는 영상 빔(ML)의 FOV와 실질적으로 동일하다. 다른 실시예에서, 투사 타겟(P)에서 수신된 영상 빔(ML)에 의해 형성된 영상의 사선 FOV는 렌즈 모듈(140)에 의해 투사된 영상 빔(ML)의 FOV보다 상당히 작다.

영상 빔(ML)에 의해 형성된 영상의 사선 FOV에 기초하여, 제1 방향(Y)의 제1 FOV 및 제2 방향(X)의 제2 FOV를 알 수 있다. 일 실시예에서, 디스플레이 장치(130)가 16:9의 투사 비율(projection ratio)로 영상을 디스플레이하도록 영상 빔(ML)을 투사할 때, 사선 FOV가 약 30도 내지 90도, 예를 들어 40도인 영상 빔(ML)은 렌즈 모듈(140)을 통해 투사되어 제1 도파로 소자(110) 및 제2 도파로 소자(120)를 통과하고, 투사 타겟(P)으로 전송되어, 투사 타겟(P)에서 수신되는 영상 빔(ML)에 의해 형성되는 영상의 사선 FOV는 약 30도 내지 90도, 예를 들어 40도가 되는데, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않는다. 당업자는 16:9의 투사 비율에 따라 제1 방향(Y)의 제1 FOV가 10도이고 제2 방향(X)의 제2 FOV가 약 17도인 것을 계산할 수 있다. 따라서, 본 발명의 HMD 장치를 사용함으로써, 투사 타겟(P)에 수신되는 영상 빔(ML)에 의해 형성된 영상의 사선 FOV는 약 30 내지 90도 또는 90도 이상이다. 또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 렌즈 모듈(140)의 광축(A1)은 제1 방향(Y)에 대해 수직이고 투사 타겟(P)의 시축(A2)에 평행하며, 투사 타겟(P)에 수신되는 영상 빔(ML)에 의해 형성되는 영상의 사선 FOV는 30 내지 50도일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 렌즈 모듈(140)의 광축(A1)은 제1 방향(Y)에 평행하고 투사 타겟(P)의 시축(A2)에 수직하며, 투사 타겟(P)에 수신되는 영상 빔(ML)에 의해 형성되는 영상의 사선 FOV는 50 내지 90도일 수 있다. 사선 FOV는 상이한 제품 요건에 따라 설계될 수 있으며, 본 발명에 의해 제한되지 않는다. HMD 장치(100)는 큰 FOV를 제공할 수 있고 작은 볼륨을 갖는다.

다른 실시예에서, 렌즈 모듈(140)에 의해 투사된 영상 빔(ML)이 영상의 사선 FOV를 형성한 후에, 제1 FOV의 크기(magnitude)는 제1 도파로 소자(110) 내의 제1 광 분할 소자의 수량에 따라 결정되거나, 제1 도파로 소자(110) 내에서 제1 광 분할 소자들의 제1 피스(piece)와 제1 광 분할 소자들의 마지막 피스 사이의 거리에 따라 결정되거나, 제1 도파로 소자(110) 내의 두 개의 인접한 제1 광 분할 소자들 사이의 거리에 따라 결정될 수 있다. 유사하게, 예를 들어 제2 FOV의 크기는 제2 도파로 소자(120) 내의 제2 광 분할 소자의 수량에 따라 결정되거나, 제2 도파로 소자(120) 내에서 제2 광 분할 소자들의 제1 피스와 제2 광 분할 소자들의 마지막 피스 사이의 거리에 따라 결정되거나, 제2 도파로 소자(120) 내의 두 개의 인접한 제2 광 분할 소자들 사이의 거리에 따라 결정될 수 있다. 제1 도파로 소자(110) 및 제2 도파로 소자(120)의 조정을 통해 생성된 제1 FOV의 크기 및 제2 FOV의 크기는 모두 렌즈 모듈(140)에 의해 투사된 영상 빔(ML)에 의해 형성된 영상의 제1 FOV 및 제2 FOV의 크기보다 작거나 같을 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

또한, 디스플레이 장치(130)에 의해 제공되는 영상 투사 비율이 제1 도파로 소자(110)의 제1 광 분할 소자들의 수량 및 제2 도파로 소자(120)의 제2 광 분할 소자들의 수량에 영향을 미칠 수 있다는 것을 고려하면, 예를 들어, 투사율이 16:9인 경우, 제2 도파로 소자(120)의 제2 광 분할 소자의 수량은 제1 도파로 소자(110)의 제1 광 분할 소자의 수량보다 많다. 그러나, 다른 설계 조건에서, 제2 도파로 소자(120)의 제2 광 분할 소자의 수량은 제1 도파로 소자(110)의 제1 광 분할 소자의 수량보다 작을 수 있으며, 이는 본 발명에 의해 제한되지 않는다.

또한, 디스플레이 장치와 렌즈 모듈의 상이한 배치 위치들에 기초하여, 일 실시예에서, 제1 도파로 소자의 제1 입광면은 제1 출광면에 인접하고, 렌즈 모듈의 광축은 제1 방향과 평행하다. 일 실시예에서, 제1 도파로 소자의 제1 입광면은 제1 출광면에 인접하고, 렌즈 모듈의 광축은 제1 방향에 수직이고 제2 방향에 평행할 수 있다.

도 2b는 도 2a의 실시예의 HMD 장치의 광 경로의 측면도이다. 도 2b를 참조하면, 제1 도파로 소자(110)의 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)은 STM이기 때문에, 즉 영상 빔(ML)의 일부는 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)에 의해 반사되고, 영상 빔(ML)의 일부는 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)을 통해 투과한다. 일 실시예에서, 제1 도파로 소자(110) 내의 영상 빔(ML)의 일부는 제1 조리개(PA1)의 위치로 수렴한다. 기초 광학 원리에 기초하여, 제1 광 분할 소자(Y1)를 관통하는 영상 빔(ML)의 일부는 또한 제2 도파로 소자(120)의 조리개(PA1')의 위치로 수렴할 수 있고, 제1 광 분할 소자(Y1)의 중심 위치와 조리개(PA1')의 위치 사이의 거리는 제1 광 분할 소자(Y1)의 중심 위치와 제1 조리개(PA1)의 위치 사이의 거리와 동일하다는 것이 알려져 있다. 유사하게, 제1 광 분할 소자(Y2, Y3)에 의해 반사된 영상 빔(ML)의 일부는 제2 도파로 소자(120) 내의 조리개(PA1" 및 PA1''')의 위치들로 수렴될 수 있으며, 제1 광 분할 소자(Y2)의 중심 위치와 조리개(PA1")의 위치 사이의 거리는 제1 광 분할 소자(Y2)의 중심 위치와 제1 조리개(PA1)의 위치 사이의 거리와 동일하고, 제1 광 분할 소자(Y3)의 중심 위치와 조리개(PA1''')의 위치 사이의 거리는 제1 광 분할 소자(Y3)의 중심 위치와 제1 조리개(PA1)의 위치 사이의 거리와 동일하다.

도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 HMD 장치의 측면도이다. 도 2c의 실시예의 HMD 장치는 도 2a의 실시예의 HMD 장치(100)와 유사하고, 구성 요소들 및 그에 관련된 설명은 HMD 장치(100)의 구성 요소 및 관련 설명을 참조할 수 있으며, 그 상세한 설명은 반복하지 않는다. 이하에서 2개의 HMD 장치(100)의 차이점에 대해서 설명한다. 일 실시예에서, HMD 장치(100)는 제1 도파로 소자(110) 및 제2 도파로 소자(120)를 포함한다. 또한, HMD 장치(100)는 제1 입광면(S11)의 측면에 배치되고, 제1 입광면(S11)에 면하는 반사경(150)을 더 포함한다. 반사경(150)은 렌즈 모듈(140)을 통해 디스플레이 장치(130)에 의해 제공되는 영상 빔(ML)을 반사하는데 사용되어, 영상 빔(ML)은 제1 입광면(S11)으로부터 제1 도파로 소자(110)로 입사한다. 그러면, 제1 도파로 소자(110)에 입사된 영상 빔(ML)은 복수의 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)에서 반사되어 제2 도파로 소자(120)로 전송될 수 있다.

구체적으로, 반사경(150)과 제1 입광면(S11) 사이의 각은, 예를 들면 45도이다. 영상 빔(ML)은 반사경(150)에 의해 반사된 후, 제1 광 분할 소자(Y1)에 입사된다. 또한, 일 실시예에서, 영상 빔(ML)의 제1 조리개(PA1)의 위치는 예를 들어 제1 도파로 소자(110)에 위치된다. 제1 조리개(PA1)의 위치는 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)의 사이에 위치된다. 따라서, 제1 도파로 소자(110)에 전송된 영상 빔(ML)은 제1 조리개(PA1) 위치로 수렴될 수 있다. 일 실시예에서, 영상 빔(ML)이 제1 도파로 소자(110)의 내부로 수렴되는 제1 조리개(PA1)의 위치를 설정함으로써, 영상 빔(ML)이 너무 빨리 XY 평면상에서 발산하여 제1 출광면(S12) 및 제1 입사면(S11)에서 전반사를 일으키는 상황이 방지된다. 즉, 전반사가 일어나기 전에 영상 빔(ML)은 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4)을 통해 제2 도파로 소자(120)로 유도되어, 영상 빔(ML)이 제1 도파로 소자(110)에서 전반사되어 예상치 못한 디스플레이 영상의 문제를 야기하는 것이 방지된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 HMD 장치의 3차원 도면이다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 일 실시예의 HMD 장치(200)는 도 1의 실시예의 HMD 장치(100)와 유사하고, 이의 차이점은 HMD 소자(200)의 디스플레이 장치(230)와 렌즈 모듈(240)이 제1 도파로 소자(210)의 일측 단에 병렬로 배치되고, 렌즈 모듈(240)로부터 입사된 영상 빔(ML)이 제1 도파로 소자(210)의 제1 입광면(S13)으로부터 제1 도파로 소자(210)로 입사되고, 제1 출광면(S12)을 통해 제1 도파로 소자(210)를 떠난다는 것이다. 따라서, 일 실시예에서, 제1 도파로 소자(210)의 제1 입광면(S13)은 제1 출광면(S12)에 인접하고, 렌즈 모듈(240)의 광축(A1)은 제1 방향(Y)과 평행하다. 일 실시예에서, 제1 조리개(PA1)는 제1 도파로 소자(210)에 위치하고, 제2 조리개(PA2)는 투사 타겟(P)에 위치한다. 또한, 제1 도파로 소자(210)에서 제1 조리개(PA1)의 위치는 거리(D1)가 거리(D2)보다 크거나 같은 조건을 따른다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 HMD 장치의 3차원 도면이다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 일 실시예의 HMD 장치(800)는 도 1의 실시예의 HMD 장치(100)와 유사하고, 이들 사이의 차이점은 제1 입광면이 제1 출광면에 인접하다는 것과, 렌즈 모듈의 광축(A1)이 제1 방향(Y)에 수직이고 제2 방향(X)에 평행하다는 것이다.

구체적으로, 일 실시예에서, HMD 장치(800)는 제1 도파로 소자(810), 제2 도파로 소자(820), 제3 도파로 소자(850), 디스플레이 장치(830) 및 렌즈 모듈(840)을 포함한다. 일 실시예에서, 제3 도파로 소자(850) 및 제2 도파로 소자(820)는 동일한 재료로 만들어지며 일체로 형성된 구조이다. 디스플레이 장치(830)는 영상 빔(ML)을 제공하는데 사용된다. 일 실시예에서, 영상 빔(ML)은 제1 입광면(S14)을 통해 제1 도파로 소자(810)로 입사하고, 반사면(S15)에서 반사되어 제1 방향(Y) 쪽으로 전송된다. 이어서, 영상 빔(ML)은 제1 출광면(S12)을 통해 제1 도파로 소자(810)를 떠난다. 따라서, 일 실시예에서, 제1 입광면(S14)은 제1 출광면(S12) 및 반사면(S15)에 인접하고, 렌즈 모듈(840)의 광축(A1)은 제1 방향(Y)에 수직이고 제2 방향(X)과 평행하다. 디스플레이 장치(830) 및 렌즈 모듈(840)의 배치 위치들은 제품 설계 또는 광학 특성에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명에 의해 제한되지 않는다. 또한, 본 실시예의 제3 도파로 소자(850)는 도 5a 내지 5c의 실시예 중 하나의 제3 도파로 소자의 소자 설계를 채택할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 도파로 소자(810)는 복수의 제1 광 분할 소자들(811)을 포함한다. 영상 빔(ML)은 제1 광 분할 소자(811)의 위치에서 트랜스-반사 광학 효과(trans-reflective optical effect)를 가지며, 제3 도파로 소자(850)에 입사한다. 제3 도파로 소자(850)는 도 5a 내지 5c의 실시예에 도시된 반사 구조를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 영상 빔(ML)은 제3 도파로 소자(850)의 반사 구조의 위치에서 반사되어, 제2 도파로 소자(820)로 입사된다. 제2 도파로 소자(820)는 복수의 제2 광 분할 소자들(831)을 포함한다. 영상 빔(ML)은 제2 광 분할 소자(831)의 위치에서 트랜스-반사 광학 효과를 가지며, 제2 도파로 소자(820)를 떠난다. 일 실시예에서, 제2 도파로 소자(820)를 떠나는 영상 빔(ML)은 투사 타겟(P)으로 진입하는데, 투사 타겟(P)은, 예를 들어, 사용자 눈의 위치에 있다. 또한, 제1 광 분할 소자(811) 및 제2 광 분할 소자(831)의 수량은 도 4에 도시된 수량으로 한정되지 않고, 제1 도파로 소자(810) 및 제2 도파로 소자(820)에 구성된 광 분할 소자의 수량은 상이한 제품 요건에 따라 설계될 수 있으며, 본 발명에 의해 제한되지 않는다.

일 실시예에서, 제1 광 분할 소자(811) 및 제2 광 분할 소자(831)는 각각 코팅막을 가지고, 코팅막은 특정 입사각 범위 내로 입사하는 영상 빔(ML)에 대해서만 투과성이기 때문에, 제1 도파로 소자(810) 및 제2 도파로 소자(820) 내에서 전송되는 동안 영상 빔(ML)이 제1 광 분할 소자(811) 및 제2 광 분할 소자(831)에 과도한 큰 입사각으로 입사하면, 영상 빔(ML)의 일부는 제1 광 분할 소자들(811) 및 제2 광 분할 소자들(831)에 의해 반사된다. 예상치 못한 반사 영상 빔(ML)은 제1 도파로 소자(810) 및 제2 도파로 소자(820)에 지속적으로 전송되고, 영상 빔(ML)이 작은 각도로 광 분할 소자들에 연속적으로 입사되는 경우, 영상 빔(ML)은 상술한 예상된 방향과 반대 방향으로 사용자의 눈으로 비스듬하게 유도된다. 이제, 사용자는 원래 기대되는 영상 프레임을 볼 수 있을 뿐 아니라, 거울상의 예기치 않은 영상 프레임을 볼 수도 있다. 따라서 사용자는 HMD 장치를 사용하는 동안 영상 프레임의 고스트 현상(ghost phenomenon)을 느끼기 쉽거나 영상 프레임이 흐리게 보인다.

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 5a를 참조하면, 일 실시예에서, HMD 장치(500)는 제1 도파로 소자(510), 제2 도파로 소자(520) 및 제3 도파로 소자(530)를 포함하는데, 제2 도파로 소자(520)는 복수의 제2 복수의 제2 광 분할 소자들(531)을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 도파로 소자(510)는 제3 도파로 소자(530) 옆에 배치된다. 제1 도파로 소자(510)는 제3 도파로 소자(530)에 부착될 수 있거나, 제1 도파로 소자(510) 및 제3 도파로 소자(530)는 투명한 접착 재료를 통해 접착될 수 있거나, 제1 도파로 소자(510) 및 제3 도파로 소자(530)의 외주에 고정 부재들(532)(예를 들어, 스페이서 또는 접착 재료 또는 패드)이 그 사이에 갭을 형성하도록 배치될 수 있으며, 갭은 작은 에어 갭일 수 있다. 또한, 제1 출광면(ES1)은 제2 입광면(IS2)을 면한다. 제2 입광면(IS2)은 제2 출광면(ES2)에 연결된다. 제3 도파로 소자(530)는 제2 도파로 소자(520)에 부착될 수 있거나, 제3 도파로 소자(530) 및 제2 도파로 소자(520)는 투명 접착 물질을 통해 접착될 수 있다. 따라서, 제3 입광면(IS3)은 제2 출광면(ES2)에 연결된다. 일 실시예에서, 제3 도파로 소자(530)는 반사 구조(521)를 포함한다. 반사 구조(521)는 복수의 광학 미세구조체(microstructures)로 구성될 수 있으며, 광학 미세구조체는 경사 구성으로 주기적으로 배열된 복수의 반사면일 수 있다.

또한, 상술한 에어 갭의 목적은 입사각이 큰 영상 빔(ML)이 제1 도파로 소자(510)에 입사할 때, 영상 빔(ML)의 일부가 제1 도파로 소자(510)를 직접 투과하는 상황이 방지되어, 영상 빔(ML)의 일부가 전반사 방식으로 제1 도파로 소자(510)로 전송되는 것이다. 에어 갭의 또 다른 목적은 영상 빔(ML)의 일부가 반사 구조(521)에 의해 제2 입사면(IS2)을 향해 반사되고, 에어 갭으로 인해서, 영상 빔(ML)의 일부가 제2 입광면(IS2)에서 전반사되고, 영상 빔(ML)의 일부가 제2 도파로 소자(520)로 유도되는 것이다.

일 실시예에서, 영상 빔(ML)은 제1 도파로 소자(510)의 제1 출광면(ES1)을 통해 제3 도파로 소자(530)로 입사되고, 제2 입광면(IS2)을 통해 제3 도파로 소자(530)에 입사된다. 제2 입광면(IS2)에서 나오는 영상 빔(ML)은 반사 구조(521)에 의해 반사되고, 제2 출광면(ES2)을 통해 제3 도파로 소자(530)를 떠난다. 영상 빔(ML)은 제3 입광면(IS3)을 통해 제2 도파로 소자(520)에 입사되고, 제3 출광면(ES3)을 통해 제2 도파로 소자(520)를 떠난다.

일 실시예에서, 제3 도파로 소자(530) 및 제2 도파로 소자(520)의 재료는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제3 도파로 소자(530)의 재료는 플라스틱 재료일 수 있으며, 제1 도파로 소자(510) 및 제2 도파로 소자(520)의 재료는 유리일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 제3 도파로 소자(530)와 제2 도파로 소자(520)는 동일한 재료를 가질 수 있고 일체로 형성된 구조체일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 도파로 소자(510), 제3 도파로 소자(530) 및 제2 도파로 소자(520)의 각각의 재료는 상이한 반사 요건 또는 제품 설계에 따라 결정될 수 있다.

도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 5b를 참조하면, 일 실시예에서, HMD 소자(600)는 제1 도파로 소자(610), 제3 도파로 소자(630) 및 제2 도파로 소자(620)를 포함하고, 제2 도파로 소자(620)는 복수의 제2 복수의 제2 광 분할 소자들(631)을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 도파로 소자(610)는 제2 도파로 소자(620) 옆에 배치된다. 제1 도파로 소자(610)는 제2 도파로 소자(620)에 부착될 수 있거나, 제1 도파로 소자(610) 및 제2 도파로 소자(620)는 투명 접착 재료를 통해 접착될 수 있거나, 제1 도파로 소자(610) 및 제2 도파로 소자(620)의 외주에 메커니즘 부재들(예를 들어, 스페이서 또는 접착 재료)이 그 사이에 갭을 형성하도록 배치될 수 있으며, 갭은 작은 에어 갭일 수 있다. 따라서, 영상 빔(ML)의 전송 경로 상에서, 영상 빔(ML)은 제1 출광면(ES1)을 통해 제2 도파로 소자(620)를 투과하여, 제3 도파로 소자(630)로 전송된다. 또한, 제1 출광면(ES1)은 제2 입광면(IS2)을 면한다. 제2 입광면(IS2)은 제2 출광면(ES2)에 연결된다. 제3 도파로 소자(630)는 제2 도파로 소자(620)에 부착될 수 있거나, 제3 도파로 소자(630) 및 제2 도파로 소자(620)는 투명 접착 재료를 통해 부착될 수 있다. 따라서, 제3 입광면(IS3)은 제2 출광면(ES2)에 연결된다. 제2 입광면(IS2) 및 제3 입광면(IS3)은 제1 출광면(ES1)에 면한다. 일 실시예에서, 제3 도파로 소자(630)는 반사 구조(621)를 포함한다. 반사 구조(621)는 복수의 광학 미세구조체로 구성될 수 있고, 광학 미세구조체는 경사 구성(tilt configuration)으로 주기적으로 배열된 복수의 반사면일 수 있다.

일 실시예에서, 영상 빔(ML)은 제1 도파로 소자(610)의 제1 출광면(ES1)을 통해 제2 도파로 소자(620)로 입사되고, 제2 도파로 소자(620)를 통과한 후 제2 입광면(IS2)을 통해 제3 도파로 소자(630)로 입사된다. 제2 입광면(IS2)에서 나오는 영상 빔(ML)은 반사 구조(621)에 의해 반사되고, 제2 출광면(ES2)을 통해 제3 도파로 소자(630)를 떠난다. 영상 빔(ML)은 제3 입광면(IS3)을 통해 제2 도파로 소자(620)에 입사하고, 제3 출광면(ES3)을 통해 제2 도파로 소자(620)를 떠난다.

일 실시예에서, 제3 도파로 소자(630) 및 제2 도파로 소자(620)의 재료는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제3 도파로 소자(630)의 재료는 플라스틱 재료일 수 있고, 제1 도파로 소자(610) 및 제2 도파로 소자(620)의 재료는 유리일 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 일 실시예에서, 제3 도파로 소자(630) 및 제2 도파로 소자(620)는 동일한 재료를 가질 수 있고 일체로 형성된 구조일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 도파로 소자(610), 제3 도파로 소자(630) 및 제2 도파로 소자(620)의 각각의 재료는 상이한 반사 요건 또는 제품 설계에 따라 결정될 수 있다.

도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 5c를 참조하면, 일 실시예에서, HMD 장치(700)는 제1 도파로 소자(710), 제3 도파로 소자(730) 및 제2 도파로 소자(720)를 포함하고, 제2 도파로 소자(720)는 복수의 제2 광 분할 소자들(731)을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 도파로 소자(710)는 제2 도파로 소자(720) 옆에 배치된다. 제1 도파로 소자(710)는 제2 도파로 소자(720)에 부착될 수 있거나, 제1 도파로 소자(710)와 제2 도파로 소자(720)는 투명 접착 재료를 통해 접착될 수 있거나, 제1 도파로 소자(710) 및 제2 도파로 소자(720)의 외주에 고정 부재들(예를 들어, 도 5a에 도시된 스페이서 또는 접착 물질)이 그 사이에 갭을 형성하도록 배치될 수 있으며, 갭은 작은 에어 갭이 될 수 있다. 따라서, 제1 출광면(ES1)은 제2 도파로 소자(720)를 통해 제2 입사면(IS2)을 면한다. 제2 입광면(IS2)은 제2 출광면(ES2)에 연결된다. 제3 도파로 소자(730)는 제2 도파로 소자(720)의 옆에 비스듬하게 배치되어, 제2 입광면(IS2), 제2 출광면(ES2) 및 제3 입광면(IS3)은 제3 출광면(ES3)에 대해 경사각을 갖는다. 제3 도파로 소자(730)는 제2 도파로 소자(720)에 부착될 수 있거나, 제3 도파로 소자(730) 및 제2 도파로 소자(720)는 투명 접착 재료를 통해 부착될 수 있다. 따라서, 제3 입광면(IS3)은 제2 출광면(ES2)에 연결된다. 일 실시예에서, 제3 도파로 소자(730)는 반사 구조(721) 및 투명층을 포함한다. 제3 도파로 소자(730)는 반사 유닛이고, 반사 구조(721)는 반사경 또는 반사 코팅층일 수 있다.

일 실시예에서, 영상 빔(ML)은 제1 도파로 소자(710)의 제1 출광면(ES1)을 통해 제2 도파로 소자(720)로 입사되고, 제2 도파로 소자(720)를 통과한 후 제2 입광면(IS2)을 통해 제3 도파로 소자(730)에 입사된다. 제2 입광면(IS2)에서 나오는 영상 빔(ML)은 반사 구조(721)에 의해 반사되고, 제2 출광면(ES2)을 통해 제3 도파로 소자(730)를 떠난다. 영상 빔(ML)은 제3 입광면(IS3)을 통해 제2 도파로 소자(720)에 입사하고, 제3 출광면(ES3)을 통해 제2 도파로 소자(720)를 떠난다.

일 실시예에서, 제1 도파로 소자(710), 제3 도파로 소자(730) 및 제2 도파로 소자(720)의 재료는 모두 유리 재료일 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 일 실시예에서, 제3 도파로 소자(730)는 플라스틱 재료로 제조된 반사 유닛 일 수 있다. 또한, 제1 도파로 소자(710), 제3 도파로 소자(730) 및 제2 도파로 소자(720)의 각각의 재료는 상이한 반사 요건 또는 제품 설계에 따라 결정될 수 있다.

도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 1 내지 4 및 도 6a를 참조하면, 일 실시예에서, HMD 장치(900)는 제1 도파로 소자(910), 제3 도파로 소자(930), 제2 도파로 소자(920) 및 반사 소자(950)를 포함한다. 반사 소자(950)는 디스플레이 장치에 의해 제공된 영상 빔(ML)을 수신하는데 사용되며, 반사 소자(950)는 반사층을 구비한 프리즘(미도시)일 수 있으며, 디스플레이 장치에 의해 제공되는 영상 빔(ML)은 X 축 방향을 따라 반사 소자(950)로 입사되며, 반사 소자(950)의 반사층은 영상 빔(ML)을 Y 축 방향을 따라 제1 도파로 소자(910)에 입사하도록 반사한다. 설명의 편의를 위해, 본 실시예의 제3 도파로 소자(930)는 도 5C의 실시예의 제2 도파로 소자의 반사 구조 설계를 적용하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 5a 및 5b에 의한 실시예의 제2 도파로 소자의 반사 구조 설계가 또한 적용될 수 있다.

일 실시예에서, 본 발명의 디스플레이 장치에 의해 제공되는 영상 빔(ML)은 단일 편광 방향만을 가질 수 있다. 예를 들어, 영상 빔(ML)이 반사 소자(950)에 의해 반사되어 제1 도파로 소자(910)로 진입할 때, 편광기(960)가 디스플레이 장치와 제1 도파로 소자(910) 사이, 또는 디스플레이 장치와 반사 소자(950) 사이 또는 반사 소자(950)와 제1 도파로 소자(910) 사이에 적용되어, 디스플레이 장치로부터 제1 도파로 소자(910)에 입사하는 영상 빔(ML)은 P-편광 방향(제3 축선(Z)의 방향)만을 갖는 광이며, 영상 빔(ML)은 제3 도파로 소자(930)의 반사 구조를 통해 제1 도파로 소자(910)로부터 제2 도파로 소자(920)로 입사되고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 기본 편광의 광학적 정의에 기초하여 P-편광 방향을 갖는 광은 S-편광 방향(제2 축 X 방향)으로 변환되는 것이 알려져 있다. 따라서, 제1 도파로 소자(910)에서는, 단일의 편광 방향을 갖는 영상 빔만이 투과되고, 제1 광 분할 소자(911) 및 제2 광 분할 소자(931)의 각각의 코팅막들은 단일 편광 방향을 갖는 영상 빔에 대응하여 설계될 수 있다.

다른 실시예에서, 일 실시예의 HMD 장치(900)는 위상 지연 시트(phase delay sheet)(970)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 편광기(960)는 디스플레이 장치와 제1 도파로 소자(910) 사이 또는 반사 소자(950)와 제1 도파로 소자(910) 사이에 배치되어 반사 소자(950)로부터 제1 도파로 소자(910)에 입사하는 영상 빔은 S-편광 방향의 광만을 가질 수 있다. 또한, 위상 지연 시트(970)는 제1 도파로 소자(910)와 제3 도파로 소자(930) 사이에 배치될 수 있어(그리고, 위상 지연 시트(970)는 제2 도파로 소자(920)와 제1 도파로 소자(910) 사이에 배치될 수 있어) 제1 도파로 소자(910)로부터 제2 도파로 소자(920)에 입사하는 영상빔은 S-편광 방향의 광일 수 있다. 따라서, HMD 장치(900)에서, 편광기(960) 및 위상 지연 시트(970)를 구성함으로써, 제1 도파로 소자(910) 및 제2 도파로 소자(920)에서 예상치 못한 반사광의 전송이 효과적으로 저감된다.

도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 HMD 장치(900A)의 개략도이다. 디스플레이 장치(830)에 의해 제공되는 영상 빔(ML)은 단일 편광 방향만을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 도파로 소자(910)에 직접 입사된 영상 빔(ML)은 P-편광 방향(제3 축(Z)의 방향)을 갖는 광을 가질 수 있고, 영상 빔(ML)은 반사 구조를 통해 제1 도파로 소자(910)로부터 제2 도파로 소자(920)로 입사되고, 기초 광 반사 효과에 기초하여 S-편광 방향(제1 축 Y의 방향)으로 자연적으로 영상 빔(ML)으로 변환된다. 따라서, 단일 편광 방향을 갖는 영상 빔(ML)만이 제1 도파로 소자(910)에서 투과되고, 제1 광 분할 소자(911) 및 제2 광 분할 소자(931) 각각의 코팅막은 단일 편광 방향을 갖는 영상 빔(ML)에 대응하여 설계될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 HMD 장치(900A)에서, 제1 도파로 소자(910) 및 제2 도파로 소자(920)에서의 예상치 않은 반사광의 투과가 효과적으로 저감된다. 일 실시예에서, 제1 조리개(PA1)는 제1 도파로(910) 내에 위치되고, 제2 조리개(PA2)는 투사 타겟(P)에 위치된다. 또한, 제1 도파로 소자(910) 내에서 제1 조리개(PA1)의 위치는 거리(D1)가 거리(D2)보다 크거나 같은 조건을 따른다.

도 7은 도 1의 제2 도파로 소자의 평면도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 영상 빔의 입사각에 대한 확산 코팅막 반사율의 반사율 분포 곡선의 개략도이다. 도 8에서, 영상 빔의 입사각에 대한 확산 코팅막 반사율의 반사율 분포 곡선은 예를 들어, 설명을 위한 예로, 520nm의 파장을 취하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, 도 8의 반사율 분포 곡선은, 단지 예시로서 사용되며 본 발명을 제한하기 위해 사용되지 않는다. 도 7 내지 도 8을 참조하면, 일 실시예에서, 제2 도파로 소자(120)의 제2 광 분할 소자들(X1, X2, X3, X4, X5, X6) 각각은 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 포함하며, 제1 표면 및 제2 표면 중 하나는 확산 코팅막을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 제1 표면은 확산 코팅막을 포함한다. 제2 광 분할 소자(X1)를 예로 들면, 제2 표면(SX12)은 제1 표면(SX11)에 대향하고, 제1 표면(SX11)은 확산 코팅막을 포함한다. 일 실시예에서, 영상 빔(ML)은 각각의 제2 광 분할 소자의 제1 표면으로부터 각각의 제2 광 분할 소자에 입사되고, 각각의 제2 광 분할 소자들로 입사하는 영상 빔(ML)의 입사각은 15도 내지 45도의 범위를 가지므로, 확산 코팅막에 의해 영상 빔(ML)의 일부가 동공(P)으로 반사되고, 여기서 제2 도파로 소자(120)와 제2 출광면(S22)에서 각각의 제2 광 분할 소자들 사이의 끼인 각(included angle)은 30도이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 제2 도파로 소자(120)에서, 영상 빔(ML)의 편광 방향은 제2 편광 방향(예를 들어, S-방향 편광)이다. 일 실시예에서, 확산 코팅막의 반사율은, 예를 들어, 도 8의 반사율 분포 곡선을 따른다. 입사각이 15도 내지 45도인 경우, N 번째 제2 광 분할 소자의 반사율이 (N+1) 번째 제2 광 분할 소자의 반사율보다 작거나 같고, 여기서 N은 1 이상의 정수이다. 도 8에서, 곡선 SR(N+1)은, 예를 들면 (N+1) 번째의 제2 광 분할 소자의 반사율 분포 곡선이고, 곡선 SRN은, 예를 들어, N 번째의 제2 광 분할 소자의 반사율 분포 곡선을 나타낸다. 예를 들어, 첫 번째 제2 분할 소자(X1)의 반사율은 두 번째 제2 분할 소자(X2)의 반사율보다 작거나 같지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 9는 도 7의 일 실시예에 의한 영상 빔에 의해 투사 타겟에 생성된 영상 프레임의 개략도이다. 도 7 및 도 9를 참조하면, 일 실시예에서, 투사 타겟(P)에 형성된 영상 프레임은 각각의 제2 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML)에 의해 생성되는데, 즉, 사람의 눈으로 본 수평 방향(제2 방향 X)의 영상 프레임이다. 따라서, 서로 다른 제2 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML)에 의해 투사 타겟(P)에 생성된 영상 프레임의 일부가 중첩되거나 연결되며, 영상 프레임에 갭이 있으면 인간의 눈으로 보는 영상은 흑색 영역을 갖는다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 투사 타겟(P)에 생성된 영상 프레임의 상이한 블록들은 상이한 제2 광 분할 소자에 의해 반사된 영상 빔(ML)에 의해 제공되고, 영상 중첩 또는 영상 연결이 블록의 일부에서 발생한다. 일 실시예의 확산 코팅막의 설계 방법에 기초하여, 즉, 제2 광 분할 소자들에서 N 번째 제2 광 분할 소자의 반사율이 (N+1) 번째 제2 광 분할 소자의 반사율보다 작거나 같고, 블록의 일부가 중첩되어도, 투사 타겟(P)에서의 영상 프레임은 여전히 균일하게 유지되어 표시 품질이 우수하다.

도 10은 도 1의 제1 도파로 소자의 측면도이다. 도 10을 참조하면, 일 실시예에서, 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2, Y3, Y4) 각각은 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 포함하고, 여기서 제1 표면은 확산 코팅막을 포함한다. 제1 표면 및 제2 표면 중 하나는 확산 코팅막을 포함할 수 있고, 제1 광 분할 소자(Y1)를 예로 들어 설명하면, 제2 표면(SY22)은 제1 표면(SY21)에 대향하고, 제1 표면(SY21)은 확산 코팅막을 포함한다. 일 실시예서 및 도 3을 참조하면, 렌즈 모듈(140)의 광축(A1)은 제1 방향(Y)과 평행하고 투사 타겟(P)의 시축(A2)에 수직하며, 영상 빔(ML)은 제1 광 분할 소자(Y1)의 제1 표면(SY21)에 입사되고, 입사각은 30 내지 60도이며, 각각의 제1 도파로 소자(110)의 제1 분할 소자와 제1 출광면(S12) 사이의 끼인각은 45도이고, 다른 설계의 경우에는 30도가 될 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, M번째 제1 광 분할 소자의 반사율은 (M+1) 번째 제1 광 분할 소자의 반사율보다 작거나 같고, 여기서 M은 1 이상의 정수이다. 예를 들어, 두 번째 제1 광선 분할 소자(Y2)의 반사율은 세 번째 제1 광선 분할 소자(Y3)의 반사율보다 작거나 같아서 영상 빔(ML)의 일부는 확산 코팅막을 통해 제2 도파로 소자(120)로 반사되고 투사 타겟(P)에 형성된 영상 프레임은 여전히 균일하게 유지되고 우수한 표시 품질을 갖는다. 다른 실시예에서, 도 2a를 참조하면, 렌즈 모듈(140)의 광축(A1)은 제1 방향(Y)에 수직이고 투사 타겟(P)의 시축(A2)에 평행하며, 영상 빔(ML)은 제1 광 분할 소자의 제1 표면(SY21)에 입사되고, 1에서 첫 번째 제1 광 분할 소자의 반사율을 뺀 값이 M+1 번째 제1 광 분할 소자의 반사율보다 작거나 같으며, 여기서 M은 1 이상의 정수이다. 예를 들어, 1에서 첫 번째 제1 광 분할 소자(Y1)의 반사율을 뺀 값은 두 번째 제1 광 분할 소자의 반사율보다 작거나 같다. 이러한 방식으로, 영상 빔(ML)의 일부는 확산 코팅막에 의해 제2 도파로 소자(120)로 반사되고, 투사 타겟(P)에 형성된 영상 프레임은 여전히 균일하게 유지되고 우수한 표시 품질을 갖는다.

도 11은 도 10의 실시예의 영상 빔에 의해 투사 타겟에 생성된 영상 프레임의 개략도이다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 일 실시예에서, 투사 타겟(P)에 형성된 영상 프레임은 각각의 제1 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML)에 의해 생성된다. 즉, 사람의 눈으로 보는 수직 방향(제1 방향 Y)의 영상 프레임이다. 따라서, 상이한 제1 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML)에 의해 투사 타겟(P)에 생성된 영상 프레임은 부분적으로 중첩되거나 연결되는데, 즉 상이한 제2 광 분할 소자에 의해 반사된 영상 빔(ML)은 투사 타겟(P) 상에 영상 프레임을 생성하고, 영상 프레임은 부분적으로 오버랩된 영상 빔(ML)에 의해 형성되거나, 또는 상이한 제2 광 분할 소자에 의해 반사된 영상 빔(ML)은 투사 타겟(P) 상에 영상 프레임을 생성하며, 여기서 영상 프레임은 부분적으로 연결된 영상 빔(ML)에 의해 형성된다.

다른 실시예에서, 상이한 제1 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML) 및 상이한 제2 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML)은 투사 타겟(P)에 영상 프레임을 생성하고, 영상 프레임은 부분적으로 오버랩된 영상 빔(ML)에 의해 형성된다. 다른 실시예에서, 상이한 제1 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML) 및 상이한 제2 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML)은 투사 타겟(P)에 영상 프레임을 생성하고, 영상 프레임은 부분적으로 연결된 영상 빔(ML)에 의해 형성된다. 영상 프레임이 그 안에 갭을 가지면, 인간의 눈으로 본 영상은 흑색 영역을 갖는다. 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 투사 타겟(P)에 생성된 영상 프레임의 상이한 블록들은 상이한 제1 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML)에 의해 제공되고, 영상 중첩 또는 영상 연결이 블록의 일부에서 발생하여, 투사 타겟(P)에서 영상 프레임은 여전히 일정하게 유지되고 우수한 표시 품질을 갖는다.

도 12a는 도 9 및 도 11의 실시예의 영상 빔에 의해 투사 타겟에 생성된 영상 프레임들을 중첩하는 개략도이다. 도 9, 도 11 및 도 12a를 참조하면, 각각의 제2 광 분할 소자들에 의해 각각 반사된 영상 빔(ML)은 투사 타겟(P)에 수평 방향(제2 방향(X))의 영상 프레임을 형성하고, 각각의 제1 광 분할 소자에 의해 각각 반사된 영상 빔(ML)은 투사 타겟(P)에 수직 방향(제1 방향(Y))의 영상 프레임을 형성하고, 2개의 영상 프레임이 중첩되어 투사 타겟(P)에 영상 프레임을 형성한다.

도 12b는 상이한 제2 광 분할 소자들에 의해 영상 빔을 투사 타겟으로 반사하는 개략도이다. 도 12를 참조하면, 영상 빔은 제2 광 분할 소자들을 통해 확산 방식으로 제2 도파로 소자로부터 방출되고, 투사 타겟(P)의 위치는 제2 광 분할 소자에 의해 투사된 영상 빔을 수신할 수 있지만, 투사 타겟(P)은 부분 중첩 영상 빔 또는 부분 인접 영상 빔을 수신하여 선명하고 완전한 영상을 얻을 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 제1 광 분할 소자로들로부터 제2 도파로 소자에 입사하는 영상 빔의 개략도이다. 도 13에서, 상이한 제1 광 분할 소자들에 의해 반사된 영상 빔(ML)은 제1 도파로 소자(110)로부터 제2 도파로 소자(120)로 입사될 때 상이한 입사각을 가질 것이다. 따라서, 상이한 제1 광선 분할 소자들에 관하여, 이들의 확산 코팅막들은 개별적으로 설계될 수 있다. 제1 광 분할 소자들의 제1 피스(piece)(제1 광 분할 소자(Y1))에 의해 반사된 영상 빔 일부의 주 광선(chief ray)은 제1 광 분할 소자의 마지막 피스(제1 광 분할 소자(Y4))에 바이어스된다. 제1 광 분할 소자들의 마지막 피스(제1 광 분할 소자(Y4))에 의해 반사된 영상 빔 일부의 주 광선은 제1 광 분할 소자의 제1 피스(제1 광 분할 소자(Y1))에 바이어스된다. 도 13의 영상 빔의 방향은 개략적이며, 영상 빔은 실제로 제2 도파로 소자(120)에 입사한다. 예를 들어, 도 13에서, 영상 빔(ML)의 투과 방향(제1 방향(Y))과 제1 광 분할 소자 사이의 각도는 입사각으로, 예를 들어 45도이고, 제1 광 분할 소자에 입사하는 영상 빔(ML)의 입사각은 45도(기준 각)보다 크거나, 작거나 같을 수 있다. 예를 들어, 제1 광 분할 소자(Y1, Y2)에 입사하는 영상 빔(ML)의 입사각은 45도보다 클 수 있다. 도 14a를 참조하면, 도 14a는 제1 광 분할 소자(Y1)에 입사하는 영상 빔(ML)의 개략도로서, 입사각은 45도 이상이다. 제1 광 분할 소자(Y2)에 입사하는 영상 빔(ML)의 입사각은 유추하여 추론할 수 있다. 따라서, 제1 분할 소자들(Y1, Y2)의 확산 코팅막의 설계와 관련하여, 입사각이 45도 이상인 곳에서, 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2)은 47도 및 50도의 입사각을 갖는 영역에서 15% 및 30%의 반사율을 가져, 제1 광 분할 소자들(Y1, Y2)로부터 제2 도파로 소자(120)로 반사된 영상 빔(ML)은 더 큰 광속(light flux)을 가지며, 영상 빔(ML)을 투사 타겟(P)에 투사하는 효율이 향상된다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 제1 광 분할 소자(Y3, Y4)에 입사하는 영상 빔(ML)의 입사각은 45도보다 작을 수 있다. 도 14b는 제1 광 분할 소자(Y4)에 입사하는 영상 빔(ML)의 입사각이 45도보다 작은 개략도이다. 제1 광 분할 소자(Y3)에 입사하는 영상 빔(ML)의 입사각은 유추하여 추론할 수 있다. 따라서, 제1 광 분할 소자들(Y3, Y4)의 확산 코팅막의 설계와 관련하여, 입사각이 45도보다 작은 곳에서, 제1 광 분할 소자들(Y3, Y4)은 40도 및 43도의 입사각을 갖는 영역에서 40% 및 55%의 반사율을 가져, 제1 광 분할 소자들(Y3, Y4)로부터 제2 도파로 소자(120)로 반사된 영상 빔(ML)은 더 큰 광속을 가지며, 영상 빔(ML)을 투사 타겟(P)에 투사하는 효율이 향상된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서는, 광 분할 소자상의 확산 코팅막의 광학 특성을 조정함으로써, 투사 타겟(P) 상의 영상 프레임은 균일하고, 투사 타겟(P)에 투사된 영상 빔(ML)은 더 큰 광속을 갖는다.

이하, 조명 시스템, 디스플레이 장치 및 도파로 시스템을 포함하는 HMD 장치의 작동 방법을 설명하기 위한 복수의 실시예가 제공된다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 15를 참조하면, 본 실시예의 HMD 장치(300A)는 조명 시스템(350A), 디스플레이 장치(330A), 렌즈 모듈(340) 및 도파로 시스템을 포함한다. 렌즈 모듈(340)은 하나 또는 복수의 렌즈를 포함할 수 있으며, 도파로 시스템은 제1 도파로 소자(310) 및 제2 도파로 소자(320)를 포함한다. 일 실시예에서, 디스플레이 장치(330A)는 예를 들어, 조명 시스템(350A)으로부터 나오는 조명 빔(IL)을 영상 빔(ML)으로 변환하는데 사용되는 디지털 광 처리(digital light processing^TM)(DLP^TM) 투영 시스템을 포함한다. 영상 빔(ML)은 도파로 시스템을 통해 투사 타겟(P)으로 전송된다. 일 실시예에서, 도파로 시스템의 작동 방법에 대한 충분한 지침 및 권고 사항은 도 1 내지 14b의 실시예의 설명으로부터 알 수 있다.

일 실시예에서, 조명 시스템(350A)은 디스플레이 빔(330A)에 조명 빔(IL)을 제공하는데 사용된다. 조명 시스템(350A)은 조명 광원(351), 시준 렌즈 세트(353), 구경 조리개(355), 광 균일화 소자(357) 및 프리즘 모듈(359A)을 포함한다. 조명 광원(351)은 조명 빔(IL)을 제공한다. 조명 빔(IL)은 시준 렌즈 세트(353), 구경 조리개(355), 광 균일화 소자(357) 및 프리즘 모듈(359A)을 통해 디스플레이 장치(330A)로 전송된다. 일 실시예에서, 구경 조리개(355)는 시준 렌즈 세트(353)와 광 균일화 소자(357) 사이에 배치되고, 조명 광원(351)은 예를 들어 발광 다이오드(LED)이나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 광 균일화 소자(357)는, 예를 들면 렌즈 어레이이다. 렌즈 어레이는 플라이-아이 렌즈 어레이(fly-eye lens array)일 수 있고, 시준 렌즈 세트(353)는 하나 또는 복수의 렌즈를 포함한다. 일 실시예에서, 조명 광원(351)으로부터 나오는 조명 빔(IL)은 조명 시스템(350A)에서 제3 조리개(PA3)로 수렴된다. 제3 조리개(PA3)는 구경 조리개(355)에 위치한다. 일 실시예에서, 구경 조리개(355)는 구동 요소(358)(예를 들어, 모터)를 가질 수 있고, 구동 요소는 구경 조리개(355)의 구경 크기를 제어하는데 사용되어 제3 조리개(PA3)의 면적을 제어한다. 따라서, 구경 조리개(355)는 통과하는 조명 빔(IL)의 광속을 조정할 수 있다. 일 실시예에서, 프리즘 모듈(359A)은 프리즘(352)(제1 프리즘)을 포함한다. 광 균일화 소자(357)로부터 나온 조명 빔(IL)은 프리즘(352)을 통해 디스플레이 장치(330A)로 전송된다. 다른 실시예에서, 설계 요건에 따라, 구경 조리개(355)의 구경은 고정된 구경 크기를 가질 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 본 실시예의 HMD 장치(300B)는 도 15의 HMD 장치(300A)와 유사하고, 그 주요 차이점은, 예를 들어, 조명 시스템(350B) 및 디스플레이 장치(330B)의 설계에 있다.

구체적으로, 일 실시예에서, 디스플레이 장치(330A)는 예를 들어, 실리콘 액정(liquid crystal on silicon, LCoS) 투영 시스템을 포함하는데, 이는 조명 시스템(350B)으로부터 나오는 조명 빔(IL)을 영상 빔(ML)으로 변환하는데 사용된다. 영상 빔(ML)은 도파로 시스템을 통해 투사 타겟(P)으로 전송된다. 일 실시예에서, 도파로 시스템의 작동 방법에 대한 충분한 지침 및 권고 사항은 도 1 내지 도 14b의 실시예의 설명으로부터 알 수 있다. 본 실시예에서, 조명 시스템(350B)은 조명 빔(IL)을 디스플레이 장치(330B)에 제공하는데 사용된다. 구경 조리개(355)는 시준 렌즈 세트(353)와 광 균일화 소자(357) 사이에 배치된다. 일 실시예에서, 조명 광원(351)으로부터 나오는 조명 빔(IL)은 조명 시스템(350A)에서 제3 조리개(PA3)로 수렴된다. 조명 광원(351)의 조명 빔(IL)은 극성 변환을 통해서 단일 편광(single polarity)의 조명 빔(IL)으로 변환될 수 있다. 제3 조리개(PA3)는 구경 조리개(355)에 위치한다. 일 실시예에서, 구경 조리개(355)는 구동 요소를 가질 수 있다. 구동 요소는 구경 조리개(355)의 구경을 제어하는데 이용되어 제3 조리개(PA3)의 면적을 제어한다. 따라서, 구경 조리개(355)는 통과하는 조명 빔(IL)의 광속을 조정할 수 있다. 일 실시예에서, 프리즘 모듈(359B)은 편광 빔 분리기(PBS)를 포함한다. 광 균일화 소자(357)로부터 나온 조명 빔(IL)은 PBS를 통해 디스플레이 장치(330A)로 전송되어 렌즈 모듈(340)로 반사된다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 15 및 도 17을 참조하면, 일 실시예의 HMD 장치(300C)는 도 15의 HMD 장치(300A)와 유사하고, 이들 사이의 주된 차이점은 예를 들어, 프리즘 모듈(359C)의 설계에 있다.

구체적으로, 일 실시예에서, 디스플레이 장치(330C)는 예를 들어, 조명 시스템(350C)으로부터 조명 빔(IL)을 영상 빔(ML)으로 변환하는데 사용되는 디지털 광 처리(digital light processing^TM)(DLP^TM) 투영 시스템을 포함한다. 영상 빔(ML)은 도파로 시스템을 통해 투사 타겟(P)으로 전송된다. 일 실시예에서, 도파로 시스템의 작동 방법에 대한 충분한 지침 및 권고 사항은 도 1 내지 14b의 실시예의 설명으로부터 알 수 있다. 일 실시예에서, 프리즘 모듈(359C)은 제1 프리즘(359_1), 제2 프리즘(359_2) 및 제3 프리즘(359_3)을 포함한다. 제1 프리즘(359_1)은 곡면을 갖고, 곡면은 반사층(R)을 갖는다. 곡면은 광 균일화 소자(357)로부터 나오는 조명 빔(IL)을 반사시키는데 사용된다. 일 실시예에서, 두 개의 프리즘 사이에는 작은 에어 갭이 형성된다. 예를 들어, 제1 프리즘(359_1)과 제2 프리즘(359_2) 사이에는 제1 갭이 존재하고, 제2 프리즘(359_2)과 제3 프리즘(359_3) 사이에는 제2 갭이 위치한다. 광 균일화 소자(357)로부터 나온 조명 빔(IL)은 제 프리즘(359_1), 제1 갭, 곡면, 제2 프리즘(359_2), 제2 갭 및 제3 프리즘(359_3)을 통하여 디스플레이 장치(330C)로 전송된다. 일 실시예에서, 제1 프리즘(359_1)은 제2 프리즘(359_2)에 부착될 수 있거나, 제1 프리즘(359_1)과 제2 프리즘(359_2)은 투명 접착제를 통해 접착될 수 있다. 제2 프리즘(359_2)은 제3 프리즘 패턴(359_3)에 부착될 수 있거나, 제2 프리즘 패턴(359_2) 및 제3 프리즘 패턴(359_3)은 투명 접착제를 통해 접착될 수 있다.

도 15 내지 도 17의 실시예에서, 조명 시스템(350A, 350B, 350C)은 제1 F 값을 가지며, 제1 F 값은 제3 조리개(PA3)의 면적 크기에 따라 결정된다. F 값은 F 넘버일 수 있다. 렌즈 모듈(340)은 제2 F 값을 갖는다. HMD 장치들(300A, 300B, 300C)은 제1 F 값이 제2 F 값보다 크거나 같은 조건을 만족하는데, 이는 영상 프레임의 고스트 현상을 완화시킨다. F 값은 1/2 ^* sin(θ)로 정의될 수 있으며, 각 θ는 빛의 입사각에 대한 원추 각(cone angle)이다.

예를 들어, 도 18은 도 17의 실시예의 HMD 장치의 일부 구성 요소의 개략도이다. 설명의 편의상, HMD 장치(300C)의 디스플레이 장치(330C), 제3 프리즘(359_3) 및 렌즈 모듈(340)이 도 18에 도시된다. 일 실시예에서, 조명 빔(IL)은 디스플레이 장치(330C)에 입사되는데, 디스플레이 장치(330C)는 예를 들어, 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)를 포함한다. DMD는 먼저 조명 빔(IL)을 영상 빔(ML)으로 변환하고, 영상 빔(ML)을 제3 프리즘(359_3)으로 반사시킨다. 제3 프리즘(359_3)은 영상 빔(ML)을 렌즈 모듈(340)로 반사시킨다. 일 실시예에서, 디스플레이 장치(330C)에 입사하는 조명 빔(IL)의 원추각은 예를 들어 θ1이고, 조명 시스템(350C)의 제1 F 값은 1/2 ^* sin(θ1)로 정의될 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈 모듈(340)은 디스플레이 장치(330C)로부터 나오는 영상 빔(ML)을 수신하는데, 여기서 원추각은 예를 들어, θ2이다. 렌즈 모듈(340)의 제2 F 값은 1/2 ^* sin(θ2)로 정의될 수 있다.

일 실시예에서, 제조사의 설계에 따라 렌즈 모듈(340)의 제2 F 값을 미리 설정하여, 즉 요구되는 입사각(θ2)을 미리 알아, 구경 조리개(355)의 구경 크기는 제3 조리개(PA3)의 크기를 제어하도록 조정될 수 있으며, 제3 조리개(PA3)의 크기는 디스플레이 장치(330C)에 입사하는 조명 빔(IL)의 원추각(θ1)의 크기에 영향을 미친다. 즉, 렌즈 모듈(340)의 제2 F 값을 결정한 후, 조명 시스템(350C)의 제1 F 값의 크기는 구경 조리개(355)를 통해 제어될 수 있어, HMD 장치(300C)는 제1 F 값이 제2 F 값보다 크거나 같은 조건을 충족시킬 수 있다. 일 실시예에서, 구경 조리개(355)의 구경은 고정된 구경 크기를 가질 수 있고, 렌즈 모듈(340)의 제2 F 값의 설계를 통해, 조명 시스템(350C)의 제1 F 값은 HMD 장치(300C)가 제1 F 값이 제2 F 값보다 크거나 같은 조건을 만족시키도록 설계된다. 도 15 및 16의 실시예에서, 조명 시스템(350A, 350B)은 또한 상술한 방법에 따라 조정될 수 있으며, HMD 장치들(300A, 300B)은 제1 F 값이 제2 F 값보다 크거나 같은 조건을 따른다. 따라서, 사용자가 HMD 장치(300A, 300B)를 사용하는 과정에서 영상 프레임의 고스트 현상이 완화되거나 영상 프레임이 흐려지는 현상이 방지된다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 15 및 19를 참조하면, 본 실시예의 HMD 장치(400A)는 도 15의 HMD 장치(300A)와 유사하고, 그 주요한 차이점은 구경 조리개(455)의 배치 위치가 상이하고 광 균일화 소자(457)가 광 집적 로드(light integration rod)인 점이다.

구체적으로, 일 실시예에서, 프리즘 모듈(459A)은 프리즘 및 2개의 렌즈를 포함하고, 구경 조리개(455)는 2개의 렌즈 사이에 배치되며, 광 균일화 소자(457)는 예를 들어 광 집적 로드이다. 일 실시예에서, 조명 광원(451)으로부터 나오는 조명 빔(IL)은 조명 시스템(450A)의 제3 조리개(PA3)로 수렴된다. 제3 조리개(PA3)는 구경 조리개(455)에 위치한다. 일 실시예에서, 구경 조리개(455)는 구동 요소를 가질 수 있다. 구동 요소는 구경 조리개(455)의 구경 크기를 제어하는데 사용되어, 제3 조리개(PA3)의 크기를 조절하고, 디스플레이 장치(430A)에 입사하는 조명 빔(IL)의 원추각의 크기를 제어한다. 따라서, 렌즈 모듈(440)의 제2 F 값을 결정한 후, 조명 시스템(450A)의 제1 F 값의 크기는 구경 조리개(455)를 통해 제어되어, HMD 장치(400A)는 제1 F 값이 제2 F 값보다 크거나 같은 조건을 충족시킬 수 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 16 및 도 20을 참조하면, 본 실시예의 HMD 장치(400B)는 도 16의 HMD 장치(300B)와 유사하고, 그 주요한 차이점은 구경 조리개(455)의 배치 위치가 상이하고 광 균일화 소자(457)가 광 집적 로드인 점이다.

구체적으로, 일 실시예에서, 프리즘 모듈(459B)은 2개의 프리즘과 2개의 렌즈를 포함하고, 구경 조리개(455)는 프리즘 모듈(459B)의 2개의 렌즈 사이에 배치되며, 광 균일화 소자(457)는 예를 들어 광 집적 로드이다. 일 실시예에서, 조명 광원(451)으로부터 나오는 조명 빔(IL)은 조명 시스템(450A)에서 제3 조리개(PA3)로 수렴된다. 제3 조리개(PA3)는 구경 조리개(455)에 위치한다. 일 실시예에서, 구경 조리개(455)는 구동 요소를 가질 수 있다. 구동 요소는 구경 조리개(455)의 구경 크기를 제어하는데 사용되어, 제3 조리개(PA3)의 크기를 조절하고, 디스플레이 장치(430A)에 입사하는 조명 빔(IL)의 원추각의 크기를 제어한다. 따라서, 렌즈 모듈(440)의 제2 F 값을 결정한 후, 조명 시스템(450A)의 제1 F 값의 크기는 구경 조리개(455)를 통해 제어되어, HMD 장치(400A)는 제1 F 값이 제2 F 값보다 크거나 같은 조건을 충족시킬 수 있다.

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 HMD 장치의 개략도이다. 도 21을 참조하면, 본 실시예의 HMD 장치(400C)는 조명 시스템(450C), 디스플레이 장치(430C), 렌즈 모듈(440) 및 도파로 시스템을 포함한다. 도파로 시스템은 제1 도파로 소자(410) 및 제2 도파로 소자(420)를 포함한다. 일 실시예에서, 디스플레이 장치(430C)는 예를 들어, 조명 시스템(450C)으로부터 나오는 조명 빔(IL)을 영상 빔(ML)으로 변환하는데 사용되는 디지털 광 처리(digital light processing^TM)(DLP^TM) 투영 시스템 또는 LCoS 투영 시스템을 포함한다. 영상 빔(ML)은 도파로 시스템을 통해 투사 타겟(P)으로 전송된다. 일 실시예에서, 도파로 시스템의 작동 방법에 대한 충분한 지침 및 권고 사항은 도 1 내지 14b의 실시예의 설명으로부터 알 수 있다.

일 실시예에서, 조명 시스템(450C)은 디스플레이 장치(430C)에 조명 빔(IL)을 제공하는데 사용된다. 조명 시스템(450C)은 조명 광원(451), 광 균일화 소자(457), 시준 렌즈 세트(453C), 구경 조리개(455) 및 프리즘 모듈(459C)을 포함한다. 조명 광원(451)은 조명 빔(IL)을 제공한다. 조명 빔(IL)은 광 균일화 소자(457), 구경 조리개(455), 시준 렌즈 세트(453C) 및 프리즘 모듈(459C)을 통해 디스플레이 장치(430C)에 전송된다. 일 실시예에서, 시준 렌즈 세트(453C)는 렌즈(453_1, 453_2)를 포함한다. 구경 조리개(455)는 시준 렌즈 세트(453C)의 렌즈(453_1, 453_2) 사이에 배치된다. 광 균일화 소자(457)는, 예를 들어 광 집적 로드이다. 일 실시예에서, 조명 광원(451)으로부터 나오는 조명 빔(IL)은 조명 시스템(450C)의 제3 조리개(PA3)로 수렴된다. 제3 조리개(PA3)는 구경 조리개(455)에 위치한다. 일 실시예에서, 구경 조리개(455)는 구동 요소를 가질 수 있고, 구동 요소는 구경 조리개(455)의 구경 크기를 제어하는데 사용되어 제3 조리개(PA3)의 크기를 제어한다. 따라서, 구경 조리개(455)는 통과하는 조명 빔(IL)의 광속을 조정할 수 있다. 일 실시예에서, 프리즘 모듈(459C)은 제1 프리즘(352_1) 및 제2 프리즘(352_2)을 포함한다. 시준 렌즈 세트(453C)로부터의 조명 빔(IL)은 제1 프리즘(352_1)의 반사를 통해 디스플레이 장치(430C)로 전송되고, 조명 빔(IL)은 영상 빔(ML)으로 변환되어 제2 렌즈(352_2)를 통해 렌즈 모듈(440)로 전달된다.

일 실시예에서, 구경 조리개(455)의 구경 크기는 제3 조리개(PA3)의 크기를 제어하도록 조정될 수 있으며, 제3 조리개(PA3)의 크기는 디스플레이 장치(430C)에 입사하는 조명 빔(IL)의 원추 각(θ1)의 크기에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 렌즈 모듈(440)의 제2 F 값을 결정한 후, 조명 시스템(450C)의 제1 F 값의 크기는 구경 조리개(455)를 통해 제어되어 HMD 장치(400C)는 제1 F 값이 제2 F 값보다 크거나 같은 조건을 충족시킬 수 있다.

요약하면, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 제1 조리개는 도파로 소자 내에 위치하고 제2 조리개는 투사 타겟에 위치하여 HMD 장치는 큰 FOV를 제공할 수 있고, 도파로 시스템의 볼륨이 감소된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 각각의 광 분할 소자들의 확산 코팅막은 상이한 반사율 요건 또는 제품 설계에 따라 결정될 수 있어, 투사 타겟의 영상 프레임은 균일하게 유지되고 우수한 화질을 갖는다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 제3 조리개는 조명 시스템에 위치되고, 구경 조리개는 제3 조리개에 배치된다. HMD 장치는 제3 조리개를 가지고, 조리개를 조절함으로써 제어 시스템의 제1 F 값의 크기를 가져, HMD 장치는 제1 F 값이 제2 F 값보다 크거나 같은 조건을 충족시킬 수 있어 영상 프레임의 고스트 현상을 저감하여 우수한 화질을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 설명되었다. 본 발명을 개시된 정확한 형태 또는 예시적인 실시예에 국한시키거나 제한하려는 것은 아니다. 따라서, 전술한 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 확실히 많은 수정 및 변형이 당업자에게 명백할 것이다. 실시예는 본 발명의 원리와 그것의 최선 방식을 실제 적용하는 것을 가장 잘 설명하기 위하여 선택 및 기술되어, 이에 의해 당업자가 다양한 실시예들에 대하여 및 고려된 특정 사용 또는 구현에 적합한 다양한 변형들을 통해 본 발명을 이해할 수 있게 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구 범위 및 그 등가물에 의해 정의되며, 모든 용어는 달리 지시되지 않는 한 가장 합리적인 뜻으로 의미되는 것으로 의도된다. 그러므로, 용어 "본 발명" 등은 청구 범위를 반드시 특정 실시예로 제한하지는 않고, 본 발명의 특히 바람직한 예시적인 실시예들에 대한 언급은 본 발명에 대한 제한을 의미하지 않으며, 그러한 제한을 암시하지도 않는다. 본 발명은 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위에 의해서만 제한된다. 또한, 이러한 청구항들은 명사 또는 구성 요소에 뒤따르는 "제1의(first)", "제2의(second)"등을 사용하도록 참조될 수 있다. 이러한 용어들은 명칭으로 이해되어야 하며, 특정 번호가 주어지지 않는 한, 이러한 명칭에 의해 수정된 구성 요소들의 개수에 제한을 부여하는 것으로 해석되어서는 안된다. 개시된 요약은 요약을 요구하는 규칙을 준수하기 위하여 제공되는 것으로, 이를 통해 검색자는 본 개시로부터 공개된 모든 특허의 기술적 개시 내용을 신속하게 확인할 수 있다. 이는 청구항의 범위 또는 의미를 해석하거나 제한하는데 사용되지 않는다는 이해하에 제출된다. 설명된 임의의 이점들 및 장점들은 본 발명의 모든 실시예에 적용되지 않을 수도 있다. 후술하는 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 설명된 실시예들에서 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 개시의 구성 요소 및 구성 부재는 그 구성 요소 또는 구성 부재가 후술하는 청구 범위에 명시적으로 인용되는지 여부에 관계없이 공중에 헌납되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims

조명 빔을 제공하도록 구성되고, 구경 조리개를 포함하는 조명 시스템;
상기 조명 빔을 영상 빔으로 변환하는 디스플레이 장치로서, 여기서 상기 영상 빔은 투사 타겟으로 전송되고 투사되는 디스플레이 장치;
영상 빔을 수신하고 투사하도록 구성된 렌즈 모듈; 및
영상 빔을 유도하고, 및 영상 빔을 투사 타겟에 투사하도록 구성되는 도파로 시스템으로서, 여기서 상기 도파로 시스템이 제1 도파로 소자 및 제2 도파로 소자를 포함하고, 영상 빔은 렌즈 모듈, 제1 도파로 소자 및 제2 도파로 소자를 통해 투사 타겟에 투사되고, 영상 빔은 제1 도파로 소자 내의 제1 조리개로 수렴하고, 제1 조리개는 제1 도파로 소자 내에 위치되고, 영상 빔이 제2 도파로 소자를 떠나고, 및 제2 도파로 소자 외부의 제2 조리개로 투사되고, 제2 조리개는 투사 타겟에 위치하고, 여기서 상기 조명 빔은 조명 시스템 내의 제3 조리개로 수렴되고, 및 구경 조리개는 제3 조리개에 위치하는, 도파로 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 조명 빔은 제1 F 값을 가지고, 렌즈 모듈은 제2 F 값을 가지고, 제1 F 값은 제3 조리개의 면적 크기에 따라 결정되며, 제1 F 값이 제2 F 값보다 크거나 같은 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 조명 시스템은 조명 광원, 시준 렌즈 세트, 광 균일화 소자 및 프리즘 모듈을 더 포함하고, 조명 광원은 조명 빔을 제공하고, 및 조명 빔은 시준 렌즈 세트, 구경 조리개, 광 균일화 소자 및 프리즘 모듈을 통해 디스플레이 장치로 전송되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제3항에 있어서, 상기 광 균일화 소자는 플라이-아이 렌즈 어레이(fly-eye lens array)이고, 및 구경 조리개는 시준 렌즈 세트 및 광 균일화 소자 사이에 배치되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제4항에 있어서, 상기 프리즘 모듈은 편광 빔 분리기이고, 및 조명 광원에 의해 제공되는 조명 빔은 극성(polarity)을 갖는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제3항에 있어서, 상기 광 균일화 소자는 광 집적 로드이고, 및 구경 조리개는 프리즘 모듈에 배치되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제3항에 있어서, 상기 프리즘 모듈은 제1 프리즘을 포함하고, 및 광 균일화 소자로부터 나온 조명 빔은 제1 프리즘을 통해 디스플레이 장치로 전송되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제3항에 있어서, 상기 프리즘 모듈은 제1 프리즘, 제2 프리즘 및 제3 프리즘을 포함하고, 및 광 균일화 소자로부터 나온 조명 빔은 제1 프리즘, 제2 프리즘 및 제3 프리즘을 통해 디스플레이 장치로 전송되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제8항에 있어서, 제1 갭은 제1 프리즘과 제2 프리즘 사이에 위치하고, 제2 갭은 제2 프리즘과 제3 프리즘 사이에 위치하고, 및 광 균일화 소자로부터 나온 조명 빔은 제1 갭 및 제2 갭을 통해 디스플레이 장치로 전송되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제8항에 있어서, 상기 제1 프리즘은 광 균일화 소자로부터 나온 조명 빔을 반사시키도록 구성된 곡면을 갖고, 상기 곡면은 반사층을 갖는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 조명 시스템은 조명 광원, 광 균일화 소자, 시준 렌즈 세트 및 프리즘 모듈을 더 포함하고, 조명 광원은 조명 빔을 제공하고, 및 조명 빔은 광 균일화 소자, 시준 렌즈 세트 및 프리즘 모듈을 통해 디스플레이 장치로 전송되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제11항에 있어서, 상기 광 균일화 소자는 광 집적 로드이고, 및 구경 조리개는 시준 렌즈 세트 내에 배치되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제11항에 있어서, 상기 프리즘 모듈은 제1 프리즘 및 제2 프리즘을 포함하고, 및 시준 렌즈 세트로부터 나온 조명 빔은 제1 프리즘 및 제2 프리즘을 통해 디스플레이 장치로 전송되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제11항에 있어서, 갭이 제1 프리즘 및 제2 프리즘 사이에 위치하고, 및 광 균일화 소자로부터 나온 조명 빔은 갭을 통해 디스플레이 장치로 전송되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 도파로 소자는 제1 입광면, 제1 출광면 및 제1 광 분할 소자들을 포함하고, 여기서 디스플레이 장치로부터 나온 영상 빔은 제1 입광면을 통해 제1 도파로 소자로 입사되고, 및 영상 빔은 제1 출광면을 통해 제1 도파로 소자를 떠나고, 및 제2 도파로 소자는 제1 도파로 소자와 연결되며 제2 입광면, 제2 출광면 및 제2 광 분할 소자를 포함하고, 제1 도파로 소자로부터 나온 영상 빔은 제2 입광면을 통해 제2 도파로 소자로 입사되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 구경 조리개는 구동 요소(driving element)를 가지고, 구동 요소는 제3 조리개의 면적을 제어하기 위해서 구경 조리개의 구경 크기를 제어하도록 구성되는 헤드-마운트 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 도파로 소자 및 제2 도파로 소자는 그 사이에 갭을 갖는 헤드-마운트 디스플레이 장치.