KR20220047138A - 헤드 마운트 디스플레이 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 과제는, 일상 생활 중 어떤 경우에도 높은 시인성을 확보할 수 있는 헤드 마운트 디스플레이를 제공하는 것이다.
외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이(1)로서, 안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판(3)과, 상기 도광판(3)의 측방에 배치되며 영상을 상기 도광판(3)을 향해서 투영하는 영상 장치(5)와, 상기 도광판(3)에 병렬로 설치되어 상기 도광판(3)의 전부 또는 일부를 덮으며, 자외광에 의해 차광 상태가 되는 차광층(7)을 구비하고, 상기 차광층(7)은, 나프토피란 골격 또는 [2. 2]파라 시클로팬 골격을 갖는, 포토크로믹 재료에 의해 구성된다.
외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이(1)로서, 안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판(3)과, 상기 도광판(3)의 측방에 배치되며 영상을 상기 도광판(3)을 향해서 투영하는 영상 장치(5)와, 상기 도광판(3)에 병렬로 설치되어 상기 도광판(3)의 전부 또는 일부를 덮으며, 자외광에 의해 차광 상태가 되는 차광층(7)을 구비하고, 상기 차광층(7)은, 나프토피란 골격 또는 [2. 2]파라 시클로팬 골격을 갖는, 포토크로믹 재료에 의해 구성된다.
Description
본 발명은 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것이다.
최근 웨어러블 디바이스 분야에 있어서의 표시 장치로서 헤드 마운트 디스플레이의 수요가 높아지고 있다. 특히 외광을 투과시키는 타입에 있어서는, 외부 경치를 육안과 다르지 않게 인식하고, 필요에 따라서 안구에 영상과 정보를 투영함으로써 일상 생활에 융화되는 정보 기기로서의 이용이 다양하게 연구되고 있다.
일상 생활에서 이용되는 헤드 마운트 디스플레이는, 외광의 영향하에서도 높은 시인성을 확보할 것이 요구되고 있다. 특허문헌 1에는, 화상의 휘도 불균일을 저감시키기 위해서 광로차에 의해 빛의 강도를 변경하는 표시 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 1의 표시 장치에서는, 투영하는 화상의 휘도 불균일을 저감하여 시인성을 높이지만, 외광 강도에 대한 시인성에 대해서 한층 더 고찰할 필요가 있다. 즉 투과시키는 타입의 헤드 마운트 디스플레이에서는, 외광하에서도, 특히 태양이 떠있는 상태에서도 높은 시인성을 확보할 것이 요구되고 있다. 또한 헤드 마운트 디스플레이는 입력 수단으로서의 응용도 고려되고 있다. 더욱이 표시, 입력 디바이스로서의 기능을 충족시키는 데다가 소형 경량이 되는 헤드 마운트 디스플레이가 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 일상 생활 중 어떤 경우에도 높은 시인성을 확보할 수 있는 헤드 마운트 디스플레이를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이하의 수단을 채용한다.
즉 본 발명의 헤드 마운트 디스플레이는, 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서, 안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과, 상기 도광판의 측방에 배치되며 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치와, 상기 도광판에 병렬로 설치되어 상기 도광판의 전부 또는 일부를 덮으며, 자외광에 의해 차광 상태가 되는 차광층을 구비하고, 상기 차광층은, 나프토피란 골격 또는 [2. 2]파라 시클로팬 골격을 갖는, 포토크로믹 재료에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 따르면 포토크로믹 재료에 의한 차광층을 구비하고 있으므로 외광하에서도 높은 시인성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 영상 장치와 상기 도광판 사이에 배치되는 제 1 빔 스플리터와, 이미지 센서를 구비하고, 상기 제 1 빔 스플리터를 개재하고 일방에 상기 영상 장치를 배치하며 타방에 상기 이미지 센서를 배치하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면 제 1 빔 스플리터를 개재하여 일방에 영상 장치를 배치하고 타방에 이미지 센서를 배치하므로, 이미지 센서에 의한 입력 기구를, 장치 규모를 확대하지 않고 실장할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 도광판의 안구 측에 설치되고 상기 도광판으로부터 투영되는 영상의 허상 거리를 보정하는 제 1 보정 렌즈와, 상기 도광판을 개재하고 상기 제 1 보정 렌즈의 반대 측에 설치되며, 상기 제 1 보정 렌즈에 의한 외부 상의 뒤틀림을 보정하는 제 2 보정 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면 허상 거리를 보정하는 제 1 보정 렌즈와 외부 상의 뒤틀림을 보정하는 제 2 보정 렌즈를 구비하므로, 외부 상을 일그러뜨리지 않고 시인성이 좋은 영상을 안구에 투영할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 영상 장치로부터의 영상을 수직 편광(종편광)과 수평 편광(횡편광)으로 분리하는 제 2 빔 스플리터와, 상기 수평 편광을 수직 편광으로 또는 상기 수직 편광을 수평 편광으로 변환하는 1/2 파장판을 구비하고, 상기 제 2 빔 스플리터에서 분리된 수직 편광 영상과 상기 1/2 파장판에서 수평 편광으로부터 변환된 수직 편광 영상을 도광판에 도입하거나 또는 상기 제 2 빔 스플리터에서 분리된 수평 편광 영상과 상기 1/2 파장판에서 수직 편광으로부터 변환된 수평 편광 영상을 도광판에 도입하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면 제 2 빔 스플리터에서 분리된 수직 편광 영상과 1/2 파장판에서 수평 편광으로부터 변환된 수직 편광 영상을 도광판에 도입하거나 또는 제 2 빔 스플리터에서 분리된 수평 편광 영상과 상기 1/2 파장판에서 수직 편광으로부터 변환된 수평 편광 영상을 도광판에 도입하므로, 수직과 수평 편광에 따른 양측 영상의 빛 강도를 이용할 수 있어, 명료한 화상을 안구에 투영할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서 상기 도광판은, 안구 측에 위치하고 굴절율이 일정한 정상층과, 상기 정상층에 접합되고 굴절율이 연속적으로 변조되는 변조층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면 도광판이, 정상층과, 정상층에 접합되는 변조층으로 구성되어 있기 때문에 도광판에 대한 입사 각도에 의존하는 안구에 도달하는 빛의 반사 횟수 차이를 감소할 수 있으므로 휘도 불균일을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 제 2 보정 렌즈의 측면에 자외광 광원을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면 제 2 보정 렌즈의 측면에 자외광 광원을 구비하므로, 제 2 보정 렌즈를 이용해서 포토크로믹 재료에 자외광을 조사하고, 차광층의 투과율을 임의의 타이밍으로 제어할 수 있다.
본 발명의 헤드 마운트 디스플레이는, 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서, 안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과, 상기 도광판의 측방에 배치되며 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치와, 상기 영상 장치와 상기 도광판 사이에 배치되는 제 1 빔 스플리터와, 이미지 센서를 구비하고, 상기 제 1 빔 스플리터를 개재하고 일방에 상기 영상 장치를 배치하며 타방에 상기 이미지 센서를 배치하는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 따르면 제 1 빔 스플리터를 개재하여 일방에 영상 장치를 배치하고 타방에 이미지 센서를 배치하므로, 이미지 센서에 의한 입력 기구를, 장치 규모를 확대하지 않고 실장할 수 있다.
본 발명의 헤드 마운트 디스플레이는, 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서, 안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과, 상기 도광판의 측방에 배치되며 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치를 구비하고, 상기 도광판 내의 영상을 안구를 향해서 반사하는 부분 투과 거울은, 빛의 특정 파장 영역만 반사하며, 상기 파장 영역이 다른 복수 종류의 부분 투과 거울 집합체의 반복으로 이루어지는 열로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 의하면 부분 투과 거울이, 빛의 특정 파장 영역만 반사하고, 상기 파장 영역이 다른 복수 종류의 부분 투과 거울 집합체의 반복으로 이루어지는 열로 구성되기 때문에 안구를 향해서 투영되는 광량을 유지하면서 투과율을 향상할 수 있으므로 외부 시인성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 헤드 마운트 디스플레이는, 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서, 안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과, 상기 도광판의 측방에 배치되며 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치를 구비하고, 상기 도광판은 1 내지 복수의 도광부로 구성되며, 상기 도광부는 연속적인 굴절률 분포를 가지는 광학 소자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 의하면 소형 도광부 제조가 용이하여, 소형 경량의 헤드 마운트 디스플레이를 실현할 수 있다.
본 발명의 헤드 마운트 디스플레이는, 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서, 안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과, 상기 도광판의 측방에 배치되며 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치를 구비하고, 상기 도광판은 복수의 도광부로 구성되며, 상기 도광부는 복수의 각도로부터 안구에 영상을 투영하는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 의하면 복수의 도광부가 복수의 각도로부터 안구에 영상을 투영하므로 안구에서 인식하는 투영 화상의 사이즈를 확대할 수 있다.
본 발명에 의하면 일상 생활 중 어떤 경우에도 높은 시인성을 확보할 수 있는 헤드 마운트 디스플레이를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 확대 평단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 평단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 확대 평단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
도 7은 종래예에 있어서의 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이 도광판의 평단면도이다.
도 9는 종래예에 있어서의 헤드 마운트 디스플레이 도광판의 평단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 확대 평단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 측면도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이 도광부의 확대 사시단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이 도광부의 확대 사시단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시형태의 변형례에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 평단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 확대 평단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
도 7은 종래예에 있어서의 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이 도광판의 평단면도이다.
도 9는 종래예에 있어서의 헤드 마운트 디스플레이 도광판의 평단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 확대 평단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 측면도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이 도광부의 확대 사시단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이 도광부의 확대 사시단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시형태의 변형례에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
<제 1 실시형태>
도 1에 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 확대 평단면도를 도시한다. 도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 평단면도이다. 도 1은 도 2의 영역 A의 확대도이다. 도 1에 도시된 것과 같이 본 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이(1)는, 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이(1)로서, 안구(G)를 향해서 영상을 투영하는 도광판(3)과, 상기 도광판(3)의 측방에 배치되며 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치(5)와, 상기 도광판에 병렬로 설치되어 상기 도광판의 전부 또는 일부를 덮으며 자외광에 의해 차광 상태가 되는 차광층(7)을 구비하고, 상기 차광층(7)은, 나프토피란 골격 또는 [2. 2]파라 시클로팬 골격을 갖는 포토크로믹 재료에 의해 구성된다.
도광판(3)의 단부는 입광부(3p)가 되고, 영상 장치(5)와 입광부(3p) 사이에는 프리즘부(4p)가 설치되며, 후술할 이미지 센서, 영상 장치(5), 입광부(3p), 프리즘부(4p)는 안구(G)에 영상을 투사하는 광학부(4)를 구성하고 있다. 도광판(3) 내에는, 도광판(3) 내에 투사된 영상을 안구를 향해서 반사하는 투과 거울(3a) 열이 설치되어 있다. 여기서 투과 거울(3a)이란 일정 비율의 빛을 반사하고, 나머지 빛을 투과시키는 하프 미러를 말한다.
헤드 마운트 디스플레이(1)는, 더욱이 상기 도광판(3)의 안구(G) 측에 설치되고 상기 도광판(3)으로부터 투영되는 영상의 허상 거리를 보정하는 제 1 보정 렌즈(9)와, 상기 도광판(3)을 개재하고 상기 제 1 보정 렌즈(9)의 반대 측에 설치되며, 상기 제 1 보정 렌즈(9)에 의한 외부 상의 뒤틀림을 보정하는 제 2 보정 렌즈(11)를 구비하고 있다. 제 2 보정 렌즈(11)의 측면에는 자외광 광원(13)을 구비하고 있다.
도 4는 광학부(4)와 안구(G)를 마주하는 도광판(3)의 확대 평단면도를 도시하고 있다. 도 1에서는 생략되어 있지만, 도 4에 도시된 것과 같이 광학부(4)는 영상 장치(5) 이외에 이미지 센서(17), 프리즘부(4p) 내에 제 1 빔 스플리터(15), 입광부(3p) 내에 제 2 빔 스플리터(19), 1/2 파장판(21)을 구비하고 있다. 또한 도광판(3)과 안구(G) 사이에는 1/4 파장판(23)이 설치되어 있다.
다음으로 도 1을 참조하여 헤드 마운트 디스플레이(1)의 동작에 대하여 설명한다. 영상 장치(5)로부터 프리즘부(4p)에 투사된 영상은, 여러 가지 광학 처리되어 입광부(3p)에 입광하고 도광판(3)의 투과 거울(3a) 열에 투사된다. 투과 거울(3a) 열은 투사된 영상을 안구(G)를 향해서 반사한다. 이 때 투과 거울(3a)은 열로서 복수 설치되어 있으므로, 안구(G)가 도 1에 도시된 지면 상하의 아이 박스(b) 범위에 고정되어 있는 한 동일 영상을 감지할 수 있다.
도광판(3)을 포함한 안구(G) 앞에 있는 재료는 투명한 것으로 형성되어 있으므로 안구(G)는 헤드 마운트 디스플레이(1)를 장착한 상태에서 외광을 감지할 수 있다. 차광층(7)은 외광 또는 자외광 광원(13)으로부터 제 2 보정 렌즈(11)를 거쳐서 조사되는 자외광에 의해 착색되어 차광 상태가 된다.
제 1 보정 렌즈(9)는, 영상 장치(5)로부터 투사되고 투과 거울(3a)에서 반사되어 안구(G)에 투영되는 허상의 거리를 보정하여, 안구(G)에 감지되는 영상을 보기 쉬운 거리로 한다. 이 때 제 1 보정 렌즈(9)로만 구성되면 외부로부터의 상이 뒤틀리므로 그 뒤틀림을 제 2 보정 렌즈(11)에 의해 보정하고 있다. 도 3은 이 뒤틀림 보정에 대하여 설명하기 위한 제 1 보정 렌즈(9)와 제 2 보정 렌즈(11)의 확대 평단면도이다. 외광(k)은 영역 r1을 거쳐 제 1 보정 렌즈(9)와 제 2 보정 렌즈(11)의 영역 r2에 입광하고, 영역 r2를 투과한 외광(k)은 영역 r3를 거쳐 안구 위치(h)에 도달한다. 도 3에 도시된 것과 같이 영역 r2에서는 외광(k)의 경로에 변형이 생겼지만, 제 1 보정 렌즈(9)와 제 2 보정 렌즈(11)에 의한 상의 조정에 의해, 영역 r1과 영역 r3에서는 상이 연속성을 가지고 안구 위치(h)까지 도달하고 있는 것을 알 수 있다.
다음으로 도 4를 참조하여 영상 장치(5)로부터 투사되는 영상이 안구(G)에 도달하기까지의 경로와, 안구(G)로부터의 상이 이미지 센서(17)에 도달하기까지의 경로에 대하여 설명한다. 영상 장치(5)로부터 투사된 빛은 제 1 빔 스플리터(15)에서 반사된다. 도 4에서 부호 s로 도시된 기호는 지면에 대해서 수직인 직선 편광을 나타내고, 본 명세서에서는 수직 편광으로 표현하는 경우가 있다. 또한 부호 p로 나타낸 기호는 전술한 수직 편광에 수직인 직선 편광을 나타내며, 수평 편광으로 표현하는 경우가 있다. 영상 장치(5)로부터 투사되는 빛은 수직 편광(s)과 수평 편광(p)을 포함하고 있다.
영상 장치(5)로부터 투사되어 제 1 빔 스플리터(15)에 도달한 빛은 반사되어 프리즘부(4p)와 공기의 경계면(d1)을 향하고, 경계면(d1)에서 더욱 반사되어 입광부(3p)를 향한다. 입광부(3p)는 제 2 빔 스플리터(19)를 구비하고 있다. 제 2 빔 스플리터(19)는 편광 빔 스플리터로, 입광된 빛은 제 2 빔 스플리터(19)에 의해 수직 편광(s) 빛이 경계(d3)를 향해서 반사되고, 수평 편광(p) 빛은 제 2 빔 스플리터(19)를 투과하여 경계(d2)를 향한다. 경계(d3)를 향한 수직 편광(s) 빛은 경계(d3)에서 더욱 반사되어 안구(G) 근방의 도광판(3) 내에 도입된다. 제 2 빔 스플리터를 투과하여 경계(d2)를 향한 수평 편광(p) 빛은 경계(d2)에서 반사되어 1/2 파장판(21)을 투과함으로써 수평 편광(p)이 수직 편광(s)으로 변환되고 안구(G) 근방의 도광판(3) 내에 도입된다.
도광판(3) 내에 도입된 빛은, 도광판(3)과 공기의 경계(d4, d5)에서 반사되면서 안구(G)를 마주하는 투과 거울(3a)에 도달한다. 투과 거울(3a)에서 반사된 빛은 안구(G)를 향해서 1/4 파장판(23)을 투과함으로써 수직 편광(s)이 우회전 원편광(CR)으로 변환되어 안구(G)에 도달하고, 안구(G)는 영상 장치(5)로부터의 허상을 감지한다.
다음으로 안구(G)의 상이 이미지 센서(17)에 도달하는 경로에 대하여 설명한다. 전술한 영상 장치(5)로부터의 빛에 비춰진 안구(G)로부터 정반사되는 빛은 우회전 원편광(CR)이므로, 이 빛은 안구(G)에서 좌회전 원편광(CL)으로 반사된다. 이 좌회전 원편광(CL) 빛은, 1/4 파장판을 투과함으로써 수평 편광(p)으로 변환된다. 수평 편광(p)된 안구(G)로부터의 빛은, 제 2 빔 스플리터(19)를 거쳐서 이미지 센서(17)에 도달할 수 없다. 한편 확산 반사광에 의한 안구(G)의 상은, 상술한 영상 장치(5)로부터 안구(G)에 도달하는 경로와는 반대 경로를 진행하여 제 1 빔 스플리터(15)에 도달한다. 제 1 빔 스플리터(15)에 도달한 빛은, 제 1 빔 스플리터(15)를 투과하여 이미지 센서(17)에 도달한다. 이와 같은 경로를 거쳐서 이미지 센서(17)가 안구 화상을 검지한다. 이미지 센서(17)에서 검지된 안구 화상은, 이 화상을 바탕으로 여러 가지 해석이 이루어지고, 안구의 눈동자의 위치나 움직임이 검지되어, 예를 들면 그 위치나 움직임의 패턴을 검출함으로써 대응되는 눈동자 입력이 수행된다. 또한 여기에서는 계면에서의 반사와 투과에 수반되는 위상 변화에 따른 편광 상태 변화를 설명하지 않았지만, 영상 장치(5)의 특정 영역 화소만 사용하는 등의 방법에 의해 전술한대로 구성이 가능하다.
또한 영상 장치(5)로부터의 빛에 비춰진 안구(G)로부터 정반사되는 빛을 눈동자 입력에 이용할 수도 있다. 도 14는, 본 실시형태의 변형례에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 요부 평단면도이다. 이 경우에는, 예를 들면 제 2 빔 스플리터(19)에 대해서 면대칭이 되도록 제 2 이미지 센서(17')와 제 2 프리즘부(4p')를 배치한다. 이와 같이 소자를 추가함으로써 제 2 빔 스플리터(19)를 거쳐 이미지 센서(17)에 도달할 수 없었던 빛을 이미지 센서(17')로 검지할 수 있다.
이상으로 서술한 것과 같이 본 실시형태에서는 차광층(7)을 구비하고 있으므로 외광으로부터의 자외광 또는 영상 장치(5)의 영상 투영을 바탕으로 제어되는 자외광 광원(13)으로부터의 자외광에 의해 차광 상태가 된다. 따라서 안구(G)에 투영되는 영상을 외광 상태에 상관없이, 즉 밝은 태양 하에서도 명료하게 감지할 수 있다. 차광층(7)은 나프토피란 골격 또는 [2. 2]파라 시클로팬 골격을 가지는 재료로 형성되므로, 자외광 조사에 의한 착색 응답과 착색 상태로부터 자외광 조사가 멈춘 상태로 투명화되는 응답 속도가 빠르다. 그렇기 때문에 안구(G)에 영상을 투영할 때 재빨리 차광해서 보기 쉬운 상태로 할 수 있다. 또한 차광이 필요 없어졌을 때 재빨리 투명화된다. 따라서 대면하는 인물과의 아이 컨택에 의한 비언어 커뮤니케이션 방해나 외부 상 시인의 어려움 등에 대한 영향을 최소로 할 수 있다.
헤드 마운트 디스플레이(1)는 제 1 보정 렌즈(9)를 구비하고 있으므로 안구(G)에 투영되는 허상의 거리를 보기 쉬운 위치로 조정할 수 있고, 또한 제 1 보정 렌즈(9)에 의한 외부로부터의 상의 뒤틀림을 제 2 보정 렌즈(11)에 의해 보정하므로 허상의 거리를 보기 쉽게 보정한 데다가 외부 시인성에 영향을 미치는 일이 없다.
본 실시형태에 있어서 영상 장치(5)로부터의 수직 편광(s)과 수평 편광(p) 빛 중 수직 편광(s) 빛은 그대로 안구(G)로 보내진다. 수평 편광(p) 빛은 수직 편광(s)으로 변환되어 안구(G)로 보내진다. 즉 영상 장치(5)로부터의 빛을 모두 이용하여 영상이 보내진다. 따라서 안구(G)에 충분히 밝은 영상을 투영할 수 있다. 또한 제 1 빔 스플리터(15)를 개재하여 일방에 영상 장치(5)를 배치하고 타방에 이미지 센서(17)를 배치하므로, 안구(G)에 영상을 보내는 경로와는 반대 경로를 이용해서 안구(G)의 화상을 이미지 센서(17)에 보낼 수 있다. 안구(G)에 대한 조명도 안구(G)에 보내는 영상의 빛을 이용한다. 따라서 헤드 마운트 디스플레이(1)의 외관을 해치는 일 없이 장치를 소형화할 수 있다.
<제 2 실시형태>
도 5에 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 광학부(40)를 도시한다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 점은 도 5에 도시된 광학부(40)이며, 기타 부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 구성에 의해, 제 1 실시형태와 동일한 작용 효과가 얻어진다.
도 5에 도시된 것과 같이 본 실시형태에서는, 이미지 센서(17)가 제 1 빔 스플리터(15a)의 가장 가까운 곳에 배치되어 있다. 여기서 제 1 빔 스플리터(15a)는, 이미지 센서(17)와 프리즘부(40p)의 경계에 코팅에 의해 형성되는 편광 빔 스플리터이다. 또한 도광판(30)의 입광부(30p) 내에는, 제 1 실시형태와 달리 제 2 빔 스플리터와 1/2 파장판을 구비하지 않는다. 입광부(30p)와 프리즘부(40p) 사이에는 1/4 파장판(23)이 설치되어 있다. 영상 장치(5)의 가장 가까운 곳에는 편광판(24)이 설치되어 있다.
영상 장치(5)로부터 투사된 빛은, 편광판(24)에 의해 수직 편광(s) 빛만 프리즘부(40p)에 입광된다. 입광된 빛은 제 1 빔 스플리터(15a)를 향하고, 제 1 빔 스플리터(15a)에서 반사된다. 제 1 빔 스플리터(15a)에서 반사된 빛은 프리즘부(40p)와 공기의 경계(d6)를 향하고, 경계(d6)에서 입광부(30p)를 향해서 반사된다. 프리즘부(40p)와 입광부(30p) 사이에는 1/4 파장판(23)이 설치되어 있으므로, 경계(d6)로부터 입광부(30p)를 향한 빛은 1/4 파장판(23)에서 수직 편광(s)의 빛이 우회전 원편광(CR)으로 변환되어 도광판(30) 내에 투사된다.
제 1 실시형태와 거의 동일한 경로를 거쳐 안구(G)에 도달한 빛은, 안구(G)로부터 반사되어 좌회전 원편광(CL) 빛으로서 입광부(30p)에 되돌아온다. 되돌아온 좌회전 원편광(CL) 빛은 1/4 파장판(23)에 의해 수평 편광(p)으로 변환되고, 영상 장치(5)로부터 입광부(30p)로 투사된 빛의 경로와는 반대 경로를 진행하여, 제 1 빔 스플리터(15a)를 투과하고 이미지 센서(17)에 도달한다.
이처럼 광학부(40)를 소규모로 구성할 수 있는 이유는, 이미지 센서(17)에서 감지하는 안구(G)의 화상 해석을 위해서는 그다지 고해상도의 상이 필요하지 않기 때문이며, 이에 따라 본 실시형태에서는 부품 점수 및 부품 사이즈를 축소할 수 있다. 따라서 소형이고 경량인 헤드 마운트 디스플레이를 실현할 수 있다.
<제 3 실시형태>
도 6은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 도광판(31)의 확대 평단면도를 도시하고 있다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 것은, 제 1 실시형태에 있어서 도광판(31) 내의 투과 거울(3a)이 부분 투과 거울(3r, 3g, 3b)로 치환되어 있는 점이다. 기타 부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 구성에 의해, 제 1 실시형태와 동일한 작용 효과가 얻어진다.
도 6에 도시된 것과 같이 본 실시형태에 있어서의 도광판(31) 내에는, 도광판(31) 내의 영상을 안구를 향해서 반사하는 부분 투과 거울(3r, 3g, 3b)이 설치되어 있다. 이 부분 투과 거울(3r, 3g, 3b)은 빛의 특정 파장 영역만을 반사하고, 이 파장 영역이 다른 복수 종류의 부분 투과 거울(3r, 3g, 3b) 집합체의 반복으로 이루어지는 열로 구성되어 있다.
비교를 위해서 도 7에 제 1 실시형태에 따른 도광판(3)의 확대 평단면도를 도시한다. 도 6, 도 7에 도시된 것과 같이 제 1 실시형태에서는 도광판(3) 내부가 1종류의 투과 거울(3a)로 이루어지는 열로 구성되어 있지만, 본 실시형태에서는 3종류의 부분 투과 거울(3r, 3g, 3b)로 구성되어 있다. 부분 투과 거울(3r, 3g, 3b)에서 반사되는 빛은 순서대로 RGB(적녹청)에 대응하며, 그 이외의 빛은 투과하도록 되어 있다. 예를 들면 부분 투과 거울(3r)은, 적색광 성분 중 일정 비율의 빛을 반사하고 나머지 빛을 투과시킨다. 또한 적색 이외의 빛의 성분(녹, 청)에 대해서는 투과시킨다. 다른 부분 투과 거울(3g, 3b)에 대해서도 대응하는 빛의 성분마다 동일하게 동작한다.
본 실시형태에서는, 부분 투과 거울(3r, 3g, 3b)이 빛의 특정 파장 영역만 반사한다. 또한 도광판(31) 내의 부분 투과 거울(3r, 3g, 3b) 열은, 파장 영역이 다른 복수 종류의 부분 투과 거울(3r, 3g, 3b) 집합체의 반복으로 이루어지는 열로 구성되므로, 안구를 향해서 투영되는 광량을 유지하면서 투과율을 향상시킬 수 있다. 따라서 외부의 시인성을 향상시킬 수 있다.
<제 4 실시형태>
도 8은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 도광판(50)의 확대 평단면도를 도시하고 있다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 점은 도광판(50) 내부 구성이며, 기타 부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 구성에 의해 제 1 실시형태와 동일한 작용 효과가 얻어진다.
도 8에 도시된 것과 같이 본 실시형태에 있어서의 도광판(50)은, 안구(G) 측에 위치하고 굴절률이 일정한 정상층(25)과, 이 정상층에 접합되며 굴절률이 연속적으로 변조되는 변조층(27)으로 구성되어 있다.
비교를 위해서 도 9에 제 1 실시형태에 따른 도광판(3)의 확대 평단면도를 도시한다. 도 9에 도시된 것과 같이 5종류의 입사각이 다른 u1 ~ u5의 빛은, 도광판(3) 내를 공기와 도광판(3)의 경계에서 전반사를 반복하며 전달되어 간다. 그러나 입사각 차이에 의해 이동 거리에 대한 반사 횟수가 다른 것을 알 수 있다. 즉 입사각이 작은 빛(u1)에 비교해서 입사각이 큰 빛(u5)은, 동일한 거리를 진행하는 경우 경계에서의 반사 횟수가 다른 것을 알 수 있다. 이는 입사 각도마다 빛의 휘도 불균일이 발생하는 원인이 될 우려가 있다.
한편 본 실시형태에서는, 도 8에 도시된 것과 같이 도광판(50)이 정상층(25)과 변조층(27)으로 구성되어 있다. 도 8에 도시된 그래프(T)는, 도광판(50)의 깊이 방향(z)의 굴절률(n) 변화를 나타낸 것이다. 굴절률(n)은, 정상층(25) 영역 내에서는 일정한 값을 나타내고, 변조층(27) 영역부터는 서서히 감소하도록 형성되어 있다. 도광판(50)에 이러한 굴절률 변화를 부여함으로써 작은 입사각으로 도광판(50)에 입광된 빛(t1)은 변조층(27)의 얕은 영역으로부터 돌아온다. 큰 입사각으로 도광판(50)에 입광된 빛(t2)은 변조층(27)의 깊은 영역으로부터 돌아온다. 결과적으로 도 8에 도시된 것과 같이 도광판(50)을 전파할 때의 반사 횟수를, 입사각에 그다지 의존하지 않고, 각각의 입사각에서 가까운 횟수로 맞추는 것이 가능해진다.
즉 본 실시형태에서는, 도광판(50)이 정상층(25)과 정상층(25)에 접합되는 변조층(27)으로 구성되어 있으므로, 도광판(50)에 대한 입사 각도에 의존하는, 안구에 도달할 때까지의 빛의 반사 횟수 차이를 감소시킬 수 있다. 따라서 입사각에 의존하는 휘도 불균일을 억제하여 명료한 화상을 안구(G)에 투영할 수 있다.
<제 5 실시형태>
도 10은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 헤드 마운트 디스플레이(100)의 확대 평단면도를 도시하고 있다. 도 11은 도 10의 측면도이다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 점은 도광판(50)의 구성이며, 기타 부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 구성에 의해 제 1 실시형태와 동일한 작용 효과가 얻어진다.
도 10에 도시된 것과 같이 본 실시형태에 있어서의 도광판(300)은 복수의 도광부(51, 52, 53)로 구성되고, 이 도광부(51, 52, 53)는 복수의 각도로부터 안구(G)에 영상을 투영하도록 되어 있다. 또한 각각의 도광부(51, 52, 53)는 연속적인 굴절률 분포를 가지는 광학 소자로 형성되어 있다.
본 실시형태에서는, 도 10에 도시된 것과 같이 각 도광부(51, 52, 53)의 거울부(51a, 52a, 53a)의 안구(G)에 대한 반사 각도가 다르므로, 복수의 도광부(51, 52, 53)가 복수의 각도로부터 안구(G)에 영상을 투영할 수 있다. 안구(G)에 투사되는 각도가 다른 영상은, 안구(G)의 망막 상의 다른 부분에 투영된다. 따라서 안구(G)에서 인식하는 투영 화상의 사이즈를 확대할 수 있다.
또한 각 도광부(51, 52, 53)는 굴절 광학 소자로 형성되어 있으므로, 회절 광학 소자로 형성된 경우보다 노이즈가 적다. 또한 가공이 용이하므로 소형 경량의 도광판을 실현할 수 있다. 따라서 소형 경량인 동시에 시야각이 큰 도광판 및 헤드 마운트 디스플레이를 실현할 수 있다.
본 실시형태에서는 도 10에 도시된 것과 같이 복수의 각도는 수평 방향(y)에 대해서 실장되었지만 여기에 한정되지 않고 x 방향(도 11 지면의 상하 방향)에 대해서 도광부를 적층하고 수직 방향의 복수의 각도로부터 안구(G)에 영상을 투영해도 된다. 물론 x, y 양 방향의 복수의 각도로부터의 투영을 채용해도 된다.
<제 5 실시형태의 변형례>
도 13은 본 변형례의 도광부(54, 55, 56)의 확대 사시 단면도를 도시하고 있다. 도 12는 제 5 실시형태의 도광부(51, 52, 53)의 확대 사시 단면도를 도시하고 있다. 도 13에 도시된 것과 같이 본 변형례에서는, 원형인 단면 형상 대신 직사각형상의 단면 형상을 가지는 도광부(54, 55, 56)를 채용한다. 이로써 본 변형례에서는 영상을 감지할 수 있는 안구(G)의 수직 방향의 위치(아이 박스의 수직 방향의 범위)를 확대하는 소자를, 도광부와 영상 장치 사이에 도입하는 것이 필요한 한편 외부로부터의 상의 뒤틀림을 저감할 수 있다
이상으로 명세서 기재에 관하여 특허청구범위는 본원 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 실시 형태에 대한 다수의 변형 형태를 포괄하는 것이다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시형태는 예시를 위해 제공된 것이며, 본원 발명의 범위를 한정하는 것으로 생각해서는 안 된다.
또한 본 발명에 있어서 영상 장치로서 액정, OLED(유기 LED 내지 유기 EL) 등을 채용할 수 있다.
1, 100: 헤드 마운트 디스플레이
3, 30, 31, 50, 300: 도광판
3r, 3g, 3b: 부분 투과 거울
5: 영상 장치
7: 차광층
9: 제 1 보정 렌즈
11: 제 2 보정 렌즈
13: 자외광 광원
15, 15a: 제 1 빔 스플리터
17, 17': 이미지 센서
19: 제 2 빔 스플리터
21: 1/2 파장판
25: 정상층
27: 변조층
51, 52, 53, 54, 55, 56: 도광부
3, 30, 31, 50, 300: 도광판
3r, 3g, 3b: 부분 투과 거울
5: 영상 장치
7: 차광층
9: 제 1 보정 렌즈
11: 제 2 보정 렌즈
13: 자외광 광원
15, 15a: 제 1 빔 스플리터
17, 17': 이미지 센서
19: 제 2 빔 스플리터
21: 1/2 파장판
25: 정상층
27: 변조층
51, 52, 53, 54, 55, 56: 도광부
Claims (10)
- 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서,
안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과,
상기 도광판의 측방에 배치되며, 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치와,
상기 도광판에 병렬로 설치되어, 상기 도광판의 전부 또는 일부를 덮으며 자외광에 의해 차광 상태가 되는 차광층을 구비하고,
상기 차광층은 나프토피란 골격 또는 [2. 2]파라 시클로팬 골격을 가지는, 포토크로믹 재료에 의해 구성되는 헤드 마운트 디스플레이.
- 제 1 항에 있어서,
상기 영상 장치와 상기 도광판 사이에 배치되는 제 1 빔 스플리터와,
이미지 센서를 구비하고,
상기 제 1 빔 스플리터를 개재하고 일방에 상기 영상 장치를 배치하며, 타방에 상기 이미지 센서를 배치하는 헤드 마운트 디스플레이.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 도광판의 안구 측에 설치되고, 상기 도광판으로부터 투영되는 영상의 허상 거리를 보정하는 제 1 보정 렌즈와,
상기 도광판을 개재하고 상기 제 1 보정 렌즈의 반대측에 설치되며, 상기 제 1 보정 렌즈에 의한 외부 상의 뒤틀림을 보정하는 제 2 보정 렌즈를 구비하는 헤드 마운트 디스플레이.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 영상 장치로부터의 영상을 수직 편광과 수평 편광으로 분리하는 제 2 빔 스플리터와,
상기 수평 편광을 수직 편광으로 또는 상기 수직 편광을 수평 편광으로 변환하는 1/2 파장판을 구비하고,
상기 제 2 빔 스플리터에서 분리된 수직 편광 영상과 상기 1/2 파장판에서 수평 편광으로부터 변환된 수직 편광 영상을 도광판에 도입하거나 또는 상기 제 2 빔 스플리터에서 분리된 수평 편광 영상과 상기 1/2 파장판에서 수직 편광으로부터 변환된 수평 편광 영상을 도광판에 도입하는 헤드 마운트 디스플레이.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 도광판은, 안구 측에 위치하는, 굴절률이 일정한 정상층과, 상기 정상층에 접합되는, 굴절률이 연속적으로 변조되는 변조층으로 구성되는 헤드 마운트 디스플레이.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 보정 렌즈의 측면에 자외광 광원을 구비하는 헤드 마운트 디스플레이.
- 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서,
안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과,
상기 도광판의 측방에 배치되며, 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치와,
상기 영상 장치와 상기 도광판 사이에 배치되는 제 1 빔 스플리터와,
이미지 센서를 구비하고,
상기 제 1 빔 스플리터를 개재하고 일방에 상기 영상 장치를 배치하며, 타방에 상기 이미지 센서를 배치하는 헤드 마운트 디스플레이.
- 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서,
안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과,
상기 도광판의 측방에 배치되며, 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치를 구비하고,
상기 도광판 내의 영상을 안구를 향해서 반사하는 부분 투과 거울은, 빛의 특정 파장 영역만을 반사하고, 상기 파장 영역이 다른 복수 종류의 부분 투과 거울 집합체의 반복으로 이루어지는 열로 구성되는 헤드 마운트 디스플레이.
- 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서,
안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과,
상기 도광판의 측방에 배치되며, 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치를 구비하고,
상기 도광판은 1 내지 복수의 도광부로 구성되고, 상기 도광부는 연속적인 굴절률 분포를 가지는 광학 소자로 이루어지는 헤드 마운트 디스플레이.
- 외부로부터의 빛을 투과시키는 영역으로부터 안구를 향해서 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이로서,
안구를 향해서 영상을 투영하는 도광판과,
상기 도광판의 측방에 배치되며, 영상을 상기 도광판을 향해서 투영하는 영상 장치를 구비하고,
상기 도광판은 복수의 도광부로 구성되고, 상기 도광부는 복수의 각도로부터 안구에 영상을 투영하는 헤드 마운트 디스플레이.
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