KR20210096824A - Head Mounted Display - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 투과형(See-Through) 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것이다.The present invention relates to a see-through head mounted display.
헤드 마운트 디스플레이는 머리에 착용 가능한 장치로서, 단순한 디스플레이 기능을 넘어 증강 현실 기술 등과 조합되어 사용자에게 다양한 편의를 제공해 준다.A head mounted display is a device that can be worn on the head, and it provides various conveniences to users by combining it with augmented reality technology beyond a simple display function.
또한, 헤드 마운트 디스플레이는 영상과 외부배경을 동시에 볼 수 있는 투과형과, 외부는 차단되어 영상만 볼 수 있는 차폐형으로 나뉘어 진다.In addition, the head mounted display is divided into a transmissive type that allows viewing of an image and an external background at the same time, and a shielded type that allows only the image to be viewed by blocking the outside.
도 1a는 특허 문헌 US 9,207,443 B2을 보인 것으로, Surface 2가 Half Mirror로 구성되어 있다. 이는 영상장치(Microdisplay)의 빛의 절반을 관찰자에게 보내주지만, 나머지 절반은 Surface 2를 투과하게 된다. 이러한 빛이 고스트 이미지가 되거나 콘트라스트를 저하시키는 노이즈광의 원인이 된다. Figure 1a shows the patent document US 9,207,443 B2, Surface 2 is composed of a Half Mirror. This sends half of the light of the microdisplay to the observer, but the other half passes through the Surface 2. Such light becomes a ghost image or causes noise light that lowers the contrast.
도 1b는 고스트 이미지 및 미광(Stray Light) 예를 보인 것인데, 밝은 태양이 다른 위치에서도 보이는 고스트 이미지가 있고, 고스트 이미지 주변에도 뿌연 미광이 있는 것을 볼 수가 있다. 상기와 같은 노이즈광은 본래의 영상을 해치므로 이를 제거 할 필요가 있다.FIG. 1B shows an example of a ghost image and stray light. It can be seen that there is a ghost image in which the bright sun is visible from other positions, and there is also a faint stray light around the ghost image. Since the noise light as described above harms the original image, it is necessary to remove it.
광학 프리즘과 영상장치로 구성되고, 광학 프리즘 상부에 위치하여 영상을 제공하는 영상장치가 있고, 영상장치 하부이면서 관찰자 전방에 위치하여 영상장치로부터 전달받은 영상을 확대하여 관찰자에게 전달하고, 관찰자의 정면 시점 방향으로 일정한 두께를 가져 외부 시야를 왜곡없이 확보 할 수 있는 광학 프리즘인 것을 특징으로 한다. There is an imaging device that is composed of an optical prism and an imaging device and is located above the optical prism to provide an image. It is characterized in that it is an optical prism that has a certain thickness in the viewing direction and can secure an external view without distortion.
또한, 상기 광학 프리즘은 영상장치로부터 전달받은 빛을 굴절시켜 제2면으로 전달하는 제1면; In addition, the optical prism may include: a first surface that refracts light received from the imaging device and transmits it to a second surface;
제1면의 아래에 있고, 제3면을 기준으로 관찰자 방향에 위치하여 제1면으로부터 전달받은 빛은 전반사시키고, 제3면으로부터 전달받은 빛은 굴절시키는 제2면; a second surface under the first surface and positioned in the observer's direction with respect to the third surface to totally reflect the light transmitted from the first surface and refract the light transmitted from the third surface;
제2면과 제4면 사이에 위치하여 제2면으로부터 전달받은 빛을 다시 제2면으로 반사 시키는 제3면; a third surface positioned between the second surface and the fourth surface to reflect the light transmitted from the second surface back to the second surface;
제3면을 기준으로 관찰자 반대 방향에 위치하여, 제2면과의 사이 간격이 일정하도록 곡률이 형성되는 제4면;a fourth surface positioned in a direction opposite to the observer with respect to the third surface and having a curvature formed so that the interval between the second surface and the second surface is constant;
제4면과 연결되어 있어 광학 프리즘의 하측에 위치한 바닥면;a bottom surface connected to the fourth surface and located below the optical prism;
제2면 하측 끝단과 바닥면을 연결하는 제5면;a fifth surface connecting the lower end of the second surface and the bottom surface;
으로 구성된다. is composed of
또한, 상기 제3면은 S편광은 반사시키고 P편광은 투과 시키는 것을 특징으로 한다. In addition, the third surface is characterized in that the S-polarized light is reflected and the P-polarized light is transmitted.
또한, 상기 영상장치는 S편광된 빛을 출사시키는 것을 특징으로 한다. In addition, the imaging device is characterized in that it emits S-polarized light.
또한, 헤드 마운트 디스플레이를 관찰자의 정면에 영상의 중심이 보이도록 배치 했을 때, 관찰자의 정면에서의 상기 광학 프리즘의 두께를d, 제5면의 세로 길이를 h1, 제3면의 하단 끝점을 지나면서 관찰자의 정면 시점과 평행한 선이 제4면과 점을 P라고 할 때, 점P와 바닥면의 끝점간의 세로 길이를 h2라고 하면, 다음 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다. In addition, when the head mounted display is placed so that the center of the image is visible in front of the viewer, the thickness of the optical prism in the front of the viewer is d, the vertical length of the fifth surface is h1, When the line parallel to the observer's front view point is the fourth surface and point P, and the vertical length between point P and the end point of the floor surface is h2, the following condition is satisfied.
h2/d > 0.4h2/d > 0.4
h1 > h2 이면, (h1-h2)/d > 0.35If h1 > h2, then (h1-h2)/d > 0.35
h2 > h1 이면, (h2-h1)/d > 0.8If h2 > h1, then (h2-h1)/d > 0.8
또한, 상기 제3면은 다음의 방정식에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다. In addition, the third surface is characterized in that it is expressed by the following equation.
여기서 z는 sag값을 나타내고, 는 각 항의 계수를 나타낸다.where z represents the sag value, is the coefficient of each term.
본 발명은 편광 반사를 이용하고, 바닥면이 기울어진 광학 프리즘을 이용하여 노이즈광을 제거하여 고휘도 영상의 제공이 가능하다. According to the present invention, it is possible to provide a high-brightness image by using polarized reflection and removing noise light by using an optical prism with an inclined bottom surface.
도 1a는 종래 헤드 마운트 디스플레이의 예를 보인 도면이다.
도 1b는 노이즈광의 예시를 보인 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 편광에 의한 광 경로를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 프리즘의 구성 조건을 설명하기 위한 도면을 보인 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 노이즈광의 경로를 보인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 노이즈광이 제거되는 경로를 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 구성 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 노이즈광의 경로를 보인 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 노이즈광이 제거되는 경로를 보인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 노이즈광의 경로를 보인 도면이다. 1A is a view showing an example of a conventional head mounted display.
1B shows an example of noise light.
2 is a view showing a light path by polarization of the head mounted display according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a configuration condition of an optical prism according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a path of noise light according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a path through which noise light is removed according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining the configuration conditions of the head mounted display according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a path of noise light according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a path through which noise light is removed according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a path of noise light according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이(10)의 일 실시 예를 설명한다. Hereinafter, an embodiment of the head mounted
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user or operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.
본 발명은 헤드 마운트 디스플레이(10)에 관한 것으로, The present invention relates to a head mounted display (10),
도 2에 도시된 바와 같이 관찰자(500)의 전방에 광학 프리즘(200)이 있고, 광학 프리즘(200) 상방에 영상장치(100)가 구비되어 있다. 광 경로를 살펴보면, 영상장치(100)에서 S편광으로 선편광된 영상광(300)을 출사 시킨다. 영상장치(100)가 선편광되지 않은 빛을 발산할 경우에는, 영상장치(100)와 광학 프리즘(200) 사이에 선편광판을 구비할 수도 있다. 여기서 S편광은 수평면과 평행하면서 광 경로엔 수직하고, P편광은 S편광과 광 경로에 동시에 수직한 것을 말한다. As shown in FIG. 2 , the
영상장치(100)로부터 출발한 영상광(300)은 영상장치(100) 아래에 있는 제1면(210)에 굴절 후 제1면(210)의 하부의 관찰자(500) 정면 시점 가까운 곳에 위치하는 제2면(220)에서 전반사되어 제3면(230)에 도달한다. 제3면(230)은 편광반사 코팅이 되어 있어, S편광은 반사 시키고 P편광은 투과 시킨다. 제3면(230)에 도달한 영상광(300)은 S편광을 가지므로, 다시 제1면(210)으로 반사 시키고, 제1면(210)에서 굴절되어 관찰자(500)에게 전달 된다. The
또한, 제3면(230)은 상기 다음의 방정식에 의해 표현되도록 구성된다.In addition, the
여기서 z는 sag값을 나타내고, 는 각 항의 계수를 나타내는데, 이는 제3면(230)의 중심을 직교 좌표계에 놓고 보았을 때, 비구면 형상이면서 x방향으로는 대칭이고, y 방향으로는 대칭이 아님을 의미 한다. 영상장치(100)에서 출발한 영상은 제1면(210) 내지 제3면(230)을 거치면서 관찰자(500)에게 전달되는데, 제3면(230)이 상기와 같이 구성되어야만 제1면(210), 제3면(230)의 굴절에 의한 색수차를 최소화 할 수 있고, 관찰자(500)와 영상장치(100)가 직각으로 배치되지 않음으로 인해서 발생하는 영상의 찌그러짐을 최소화 할 수 있다. where z represents the sag value, represents the coefficient of each term, which means that when the center of the
한편, 고스트 이미지, 미광 같은 노이즈 광은 도 4 및 도 7과 같이 제3면(230)을 투과한 빛이 제4면(240)과 바닥면(250)에서 전반사 혹은 프레넬 반사되어 발생하게 된다. On the other hand, noise light such as ghost image and stray light is generated by total reflection or Fresnel reflection of light passing through the
여기서 고스트 이미지는 이미지가 이중으로 보이게 만드는 빛을 말하고, 미광은 영상의 콘트라스트를 저하시키는 빛을 말한다. Here, the ghost image refers to the light that makes the image appear double, and the stray light refers to the light that lowers the contrast of the image.
본 발명은 이와 같이 S편광된 영상광(300)이 제3면(230)을 투과하지 못하므로, 노이즈광이 발생 하지 않아야 하지만 현실에서는 다음과 같은 이유에서 제3면(230)을 투과하는 영상광(300)이 존재하게 된다In the present invention, since the S-polarized
1. 영상장치(100)가 100%의 편광률을 가지지 않는다. 1. The
2. 영상광(300)이 제1면(210)에서 굴절하고, 제2면(220)에서 반사 할 때 편광의 방향이 소폭 돌아간다. 2. When the
3. 제3면(230) 편광반사코팅이 S편광에 대한 편광반사율이 100%가 되지 않는다. 3. The
그러므로, 일부의 빛이 제3면(230)을 투과하게 되고 노이즈광을 만들어 낸다.Therefore, some light passes through the
이러한 노이즈광을 제거 하기 위해 광학 프리즘(200)이 도 3, 도 6을 참고하여 하기와 같이 구성된다. 광학 프리즘(200)을 관찰자(500)의 정면에 영상의 중심이 보이도록 배치 했을 때, 관찰자의 정면 시점에서의 광학 프리즘(200)의 두께를 d, 제5면(260)의 세로 길이를 h1, 제3면(230)의 하단 끝점을 지나면서 관찰자(500)의 정면 시점과 평행한 선이 제4면(240)과 점을 P라고 할 때, 제4면(240)과 연결된 바닥면(250)의 끝점과 점 P와의 세로 길이를 h2라고 하면, 다음 조건을 만족해야 한다. In order to remove such noise light, the
① h1/d > 0.35 ① h1/d > 0.35
② h1 > h2 이면, (h1-h2)/d > 0.3 ② If h1 > h2, (h1-h2)/d > 0.3
③ h2 > h1 이면, (h2-h1)/d > 0.7 ③ If h2 > h1, (h2-h1)/d > 0.7
상기 조건은 영상장치(100)로부터 출발한 빛이 제3면(230) 투과하여 만들어낸 노이즈광이 관찰자(500)를 향하지 않도록 해준다. The above condition prevents the noise light generated by the light from the
도 4와 같이 h1>h2인 경우를 살펴 보면, ①,② 번 식을 만족 하지 못할 경우에, 영상장치(100)로부터 출발한 빛의 일부가 제3면(230)을 투과 후 제4면(240)에서 전반사되어 바닥면(250)으로 전달되고, 바닥면(250)에서 다시 전반사 혹은 프레넬 반사 되어 제5면(260)을 굴절하여 관찰자(500)에게 보이게 된다. 하지만, 도 5와 같이 상기 조건을 만족하게 되면, 제5면(260)을 투과한 빛이 관찰자(500)의 시선 아래를 향하기 때문에, 관찰자(500)에게 보이지 않게 된다. Looking at the case of h1>h2 as shown in FIG. 4 , when the
또한, 도 6과 같이 h2 > h1인 경우를 살펴보면, ①, ③을 만족하지 못할 경우, 영상장치(100)로부터 출발한 빛의 일부가 제3면(230)을 투과 후 바닥면(250)에서 전반사 혹은 프레넬 반사 후 제4면(240)에서 전반사 혹은 프레넬 반사되어, 제5면(260)을 통해 관찰자(500)에게 도달하게 된다. 하지만, 도 7과 같이 상기 조건을 만족하게 되면, 제4면(240)에서 반사된 빛은 관찰자(500)의 시선 아래를 향하게 되어 관찰자(500)에게 보이지 않게 된다. Also, looking at the case where h2 > h1 as shown in FIG. 6 , if ① and ③ are not satisfied, a part of the light emitted from the
또한, 식 ①,②,③을 만족하지 않으면, 도 9에서처럼 영상장치(100)를 출발한 빛이 바닥면(250)에서 반사되어 다시 영상장치(100)로 되돌아가는 빛도 발생하게 된다. 영상장치(100)에 되돌아간 빛은 영상장치(100)에 의해 다시 반사, 혹은 산란되어 원래의 영상광(300)과 섞이게 된다. 이는 콘트라스트를 저하하는 원인이 된다. In addition, if the
또한, 바닥면(250)은 직선뿐만이 아니라, 곡면으로 구성될 수도 있다. 이는 제2면(220), 제4면(240)의 곡면의 곡률 및 틸트 정도에 따라 적절히 조절 할 수 있다. Also, the
한편, 외부광(400)은 자연 편광을 가지기 때문에, 제4면(240)에서 굴절된 외부광(400)은 제3면(230)에서 P편광된 빛만 투과하여 제1면(210)을 통해 관찰자(500)에게 전달되므로, 영상광(300)과 외부광(400)을 동시에 볼 수 있다. On the other hand, since the
상기 설명한 바와 같이 본 발명은 영상과 외부를 동시에 볼 수 있는 투과형이면서도, 선편광된 빛을 발산하는 영상장치(100)와, 선편광된 빛을 반사시키는 제3면(230)을 이용하여 대부분의 노이즈광을 제거하고, 제거되지 못한 나머지 노이즈광은 관찰자(500)에게 보이지 않는 방향으로 광학 프리즘(200) 외부로 방출하여 고스트 이미지가 없고, 높은 콘트라스트를 달성 할 수가 있게 된다. As described above, the present invention uses an
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. The invention is illustrated in the drawings Although it has been described with reference to the example, this is only exemplary, and those of ordinary skill in the art to which It will be appreciated that examples are possible.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the claims.
10: 헤드 마운트 디스플레이
100: 영상 장치
200: 광학 프리즘
210: 제1면
220: 제2면
230: 제3면
240: 제4면
250: 바닥면
260: 제5면
300: 영상광
400: 외부광
500: 관찰자
● : S편광
↕: P편광10: Head mounted display
100: video device
200: optical prism
210: first side
220: second side
230: 3rd page
240: the fourth side
250: bottom
260: 5th page
300: image light
400: external light
500: observer
● : S polarization
↕: P polarization
Claims (6)
상기 광학 프리즘은 영상장치로부터 전달받은 빛을 굴절시켜 제2면으로 전달하는 제1면;
제1면의 아래에 있으면서 제3면을 기준으로 관찰자 방향에 위치하여 제1면으로부터 전달받은 빛은 전반사시키고, 제3면으로부터 전달받은 빛은 굴절시키는 제2면;
제2면과 제4면 사이에 위치하여 제2면으로부터 전달받은 빛을 다시 제2면으로 반사 시키는 제3면;
제3면을 기준으로 관찰자 반대 방향에 위치하여, 제2면과의 사이 간격이 일정하도록 곡률이 형성되는 제4면;
제4면과 연결되어 있어 광학 프리즘의 하측에 위치한 바닥면;
제2면 하단과 바닥면을 연결하는 제5면;
으로 구성되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이.The method of claim 1,
The optical prism may include: a first surface that refracts light received from the imaging device and transmits it to a second surface;
a second surface positioned under the first surface and positioned in the observer's direction with respect to the third surface to totally reflect the light transmitted from the first surface and refract the light transmitted from the third surface;
a third surface positioned between the second surface and the fourth surface to reflect the light transmitted from the second surface back to the second surface;
a fourth surface positioned in a direction opposite to the observer with respect to the third surface and having a curvature formed so that the interval between the second surface and the second surface is constant;
a bottom surface connected to the fourth surface and located below the optical prism;
a fifth surface connecting the second surface lower end and the bottom surface;
Head mounted display, characterized in that consisting of.
헤드 마운트 디스플레이를 관찰자의 정면에 영상의 중심이 보이도록 배치 했을 때, 관찰자의 정면에서의 상기 광학 프리즘의 두께를 d, 제5면의 세로 길이를 h1, 제3면의 하단 끝점을 지나면서 관찰자의 정면 시점과 평행한 선이 제4면과 점을 P라고 할 때, 점P와 바닥면의 끝점간의 세로 길이를 h2라고 하면, 다음 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이.
h2/d > 0.35
h1 > h2 이면, (h1-h2)/d > 0.30
h2 > h1 이면, (h2-h1)/d > 0.7The method of claim 1,
When the head mounted display is placed so that the center of the image is visible in front of the observer, the thickness of the optical prism in the front of the observer is d, the vertical length of the fifth side is h1, and the observer passes through the lower end point of the third side. When the line parallel to the front view of the fourth surface and the point P are the vertical length between the point P and the end point of the bottom surface is h2, the head mounted display, characterized in that it satisfies the following conditions.
h2/d > 0.35
If h1 > h2, then (h1-h2)/d > 0.30
If h2 > h1, then (h2-h1)/d > 0.7
상기 제3면은 다음의 방정식에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이.
여기서 z는 sag값을 나타내고, 는 각 항의 계수를 나타낸다.The method of claim 1
The third surface is a head mounted display, characterized in that expressed by the following equation.
where z represents the sag value, is the coefficient of each term.
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2020
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