KR20220156689A - 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템 - Google Patents

헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템 Download PDF

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KR20220156689A
KR20220156689A KR1020210063962A KR20210063962A KR20220156689A KR 20220156689 A KR20220156689 A KR 20220156689A KR 1020210063962 A KR1020210063962 A KR 1020210063962A KR 20210063962 A KR20210063962 A KR 20210063962A KR 20220156689 A KR20220156689 A KR 20220156689A
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lens group
optical system
image light
mounted display
head
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최순철
김진호
오진택
윤진상
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주식회사 세코닉스
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Abstract

본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 관한 것으로, 영상광을 출력하는 디스플레이소자와, 상기 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 집광 및 발산하는 제1렌즈군 및 제2렌즈군과, 상기 제2렌즈군을 통과한 영상광이 제공되는 광분리소자와, 상기 광분리소자에서 제공된 영상광을 상기 광분리소자 측으로 반사시키는 오목경을 포함하여, 상기 오목경에서 반사된 영상광은 상기 광분리소자를 투과하여 사용자의 동공측으로 제공되고, 상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군 사이에 배치되어 상기 영상광의 경로를 상기 제2렌즈군 측으로 변경하는 제1평면경과, 상기 제2렌즈군 및 상기 광분리소자 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 광분리소자 측으로 변경하는 제2평면경을 포함하며, 상기 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 디스플레이소자로부터 제공된 영상광이 지나는 경로에 두개의 평면경을 배치하여 광경로를 변경함으로써 소형 광학 시스템을 제공하고, 오목경과 사용자의 동공 사이에 광분리소자를 배치하여 광효율을 개선시켜, 고해상도, 고성능화를 도모한 소형 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템을 제공하게 된다.

Description

헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템{Optical System for Head Mounted Display}
본 발명은 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 확대하여 대화면을 사용자의 양안에 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 헤드 마운티드(Head Mounted) 디스플레이는 사용자가 헬멧식이나 안경식으로 착용한 상태에서 제공된 영상을 대화면으로 감상할 수 있도록 하는 것으로서, 그 내부에 소정의 광학 시스템이 구비되어 눈 앞에 근접한 상태에서 대형의 화상을 즐길 수 있도록 하는 것이다.
특히 헤드 마운티드 디스플레이는 사용자의 양안을 차단한 상태에서 실제로 제공된 화면보다 상당히 넓은 화면으로의 감상이 가능하여, 몰입도, 현장감 및 체감도가 높아 Virtual Reality(VR), Augumented Reality(AR)에 주로 활용되고 있다.
이러한 헤드 마운티드 디스플레이는 오목거울 등을 사용하여 오목거울의 초점거리 안에 물체를 위치시켜 오목렌즈 뒤쪽으로 확대된 정립 허상이 맺히도록 하여, 이 허상을 사용자가 인식하는 것에 의해 대화면을 감상할 수 있도록 하는 것이다.
도 1(US5943171) 및 도 2(US5483307)는 종래 기술에 따른 헤드 마운티드 광학계에 관한 것이다.
도 1의 종래 기술에 의하면 오목경의 굴절능(power)을 키우는데 한계가 있기 때문에 마이크로 디스플레이(Micro Display)를 작게 하는 것이 불가능하다. 즉, 마이크로 디스플레이의 대각 크기는 12mm 이상이어야 하는데, 마이크로 디스플레이의 가격은 면적이 커지면 상승하므로 가격면에서 불리하다.
또한 도 2의 종래 기술에 의하면 투사렌즈(14)가 영상을 스크린(16)에 결상을 시키기 때문에 스크린에서의 광손실이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 강한 조명(13)이 요구된다. 또한 마이크로 디스플레이의 영상을 투사렌즈로 스크린에 결상시켜야 하므로 고해상도의 투사렌즈가 필요하며 가격면에서 불리하다.
본 발명은 제1렌즈군 및 제2렌즈군, 오목경 그리고 광학 소자를 적절히 배치하고, 그 굴절능 및 형태 등을 설계하여 고해상도, 고효율의 소형 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 있어서, 영상광을 출력하는 디스플레이소자와, 상기 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 집광 및 발산하는 제1렌즈군 및 제2렌즈군과, 상기 제2렌즈군을 통과한 영상광이 제공되는 광분리소자와, 상기 광분리소자에서 제공된 영상광을 상기 광분리소자 측으로 반사시키는 오목경을 포함하여, 상기 오목경에서 반사된 영상광은 상기 광분리소자를 투과하여 사용자의 동공측으로 제공되고, 상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군 사이에 배치되어 상기 영상광의 경로를 상기 제2렌즈군 측으로 변경하는 제1평면경과, 상기 제2렌즈군 및 상기 광분리소자 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 광분리소자 측으로 변경하는 제2평면경을 포함하며, 상기 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템을 기술적 요지로 한다.
또한 본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 있어서, 조명수단에서 조명되어 영상광을 출력하는 반사형 액정 디스플레이소자와, 상기 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 집광 및 발산하고, 각각 양의 굴절능을 가지면서, 1매 또는 2매로 구성된 제1렌즈군 및 제2렌즈군과, 상기 제2렌즈군을 통과한 영상광이 제공되는 편광분리소자와, 상기 편광분리소자에서 제공된 영상광을 상기 편광분리소자 측으로 반사시키는 오목경을 포함하여, 상기 오목경에서 반사된 영상광은 상기 편광분리소자를 투과하여 사용자의 동공측으로 제공되고, 상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 제2렌즈군 측으로 변경하는 제1평면경과, 상기 제2렌즈군 및 상기 편광분리소자 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 편광분리소자 측으로 변경하는 제2평면경과, 상기 제2렌즈군 및 제2평면경 사이에 배치된 반파장 위상지연판(Half Wavelength Plate, HWP)과, 상기 오목경 및 편광분리소자 사이에 배치된 1/4파장 위상지연판(Quarter Wavelength Plate, QWP)을 포함하며, 상기 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템을 기술적 요지로 한다.
또한 본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 있어서, 자발광 디스플레이소자와, 상기 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 집광 및 발산하고, 양의 굴절능을 가지면서, 1매 또는 2매로 각 구성된 제1렌즈군 및 제2렌즈군과, 상기 제2렌즈군을 통과한 영상광이 제공되는 편광분리소자와, 상기 편광분리소자에서 제공된 영상광을 상기 편광분리소자 측으로 반사시키는 오목경을 포함하여, 상기 오목경에서 반사된 영상광은 상기 편광분리소자를 투과하여 사용자의 동공측으로 제공되고, 상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 제2렌즈군 측으로 변경하는 제1평면경과 상기 제2렌즈군 및 상기 편광분리소자 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 편광분리소자 측으로 변경하는 제2평면경과, 상기 오목경 및 편광분리소자 사이에 배치된 1/4파장 위상지연판(Quarter Wavelength Plate, QWP)을 포함하며, 상기 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템을 기술적 요지로 한다.
본 발명은 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 확대하여 대화면을 사용자의 양안에 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 관한 것으로서, 제1렌즈군 및 제2렌즈군 그리고 오목경이 합쳐져 접안렌즈(Eyepiece) 역할을 하여 디스플레이소자로부터 제공된 영상이 고화질로 먼 거리의 가상의 대형 영상으로 제공되는 효과가 있다.
특히 본 발명은 디스플레이소자로부터 제공된 영상광이 지나는 경로에 두개의 평면경을 배치하여 광경로를 변경함으로써 소형 광학 시스템을 제공하고, 오목경과 사용자의 동공 사이에 광분리소자를 배치하여 광효율을 개선시켜, 고해상도, 고성능화를 도모한 소형 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템을 제공하게 된다.
또한 본 발명은 광학 시스템을 구성하는 제1렌즈군, 제2렌즈군, 평면경 및 오목경의 굴절능 또는 곡률반경 등을 설계하여 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 고해상도로 확대할 수 있으므로 디스플레이소자의 크기가 크지 않아도 고해상도의 대형 영상의 제공이 가능하게 된다.
또한 본 발명은 광학 시스템을 구성하는 각 구성이 최적의 위치에 배치되어 상호 간섭이 최소화되어 설계 공차가 유리하며, 대형 영상 구현을 위해 각 렌즈군의 굴절능을 크게 설계하는 것이 가능하여 디스플레이소자의 크기를 상대적으로 줄일 수 있어 가격 경쟁력이 뛰어나다.
또한 본 발명은 제1렌즈군 및 제2렌즈군의 굴절능 및 오목경의 곡률반경을 설정하여 소형 광학 시스템의 설계에 유리하도록 하며, 사용자의 동공에 초점이 위치하도록 하면서 고해상도의 대형 영상의 제공이 가능하다.
또한 본 발명은 필요에 따라 적절한 위치에 광분리소자[하프미러(Half Mirror, HM) 또는 편광분리소자(Polarizing Beam Splitter, PBS)], 반파장 위상지연판(Half Wavelength Plate, HWP) 또는 1/4파장 위상지연판(Quarter Wavelength Plate, QWP)과 같은 광학 소자를 배치하여 고해상도, 고효율의 영상을 제공하도록 한다.
도 1 및 도 2 - 종래 기술에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 대한 모식도.
도 3 내지 도 5 - 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 대한 제1 내지 제3실시예를 나타낸 도.
도 6 내지 도 13 - 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템의 접안렌즈 광학계에 대한 제1 내지 제4 실시예 및 각각에 대한 수차도를 나타낸 도.
본 발명은 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 확대하여 대화면을 사용자의 양안에 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 관한 것으로서, 제1렌즈군 및 제2렌즈군 그리고 오목경이 합쳐져 접안렌즈(Eyepiece) 역할을 하여 디스플레이소자로부터 제공된 영상이 고화질로 먼 거리의 가상의 대형 영상으로 제공되는 것이다.
특히 본 발명은 디스플레이소자로부터 제공된 영상광이 지나는 경로에 두개의 평면경을 배치하여 광경로를 변경함으로써 소형 광학 시스템을 제공하고, 오목경과 사용자의 동공 사이에 광분리소자를 배치하여 광효율을 개선시켜, 고해상도, 고성능화를 도모한 소형 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템을 제공하게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 대한 제1 내지 제3실시예를 나타낸 것이고, 도 6 내지 도 13은 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템의 접안렌즈 광학계에 대한 제1 내지 제4 실시예 및 각각에 대한 수차도를 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템은 영상광을 출력하는 디스플레이소자와, 상기 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 집광 및 발산하는 제1렌즈군 및 제2렌즈군과, 상기 제2렌즈군을 통과한 영상광이 제공되는 광분리소자와, 상기 광분리소자에서 제공된 영상광을 상기 광분리소자 측으로 반사시키는 오목경을 포함하여, 상기 오목경에서 반사된 영상광은 상기 광분리소자를 투과하여 사용자의 동공측으로 제공되고, 상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군 사이에 배치되어 상기 영상광의 경로를 상기 제2렌즈군 측으로 변경하는 제1평면경과, 상기 제2렌즈군 및 상기 광분리소자 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 광분리소자 측으로 변경하는 제2평면경을 포함하며, 상기 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 디스플레이소자는 영상광을 출력하는 것으로서 다양한 디스플레이소자가 사용될 수 있으며, 소형의 고해상도 디스플레이소자를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일실시예에 따르면 디스플레이소자는 액정 디스플레이소자 또는 자발광 디스플레이소자가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 액정 디스플레이소자는 조명수단에 의해 조명되어 영상광이 출력되는 것으로서, 상기 조명수단은 광원부, 상기 광원부에서 제공된 조명광이 입사되는 조명광학계, 상기 조명광학계를 통과한 조명광이 입사되는 조명광분리소자를 포함하며, 상기 조명광분리소자에서 반사된 조명광은 상기 디스플레이소자를 조명하게 된다.
도 3 및 도 4는 액정 디스플레이소자를 사용한 경우를 도시한 것으로서, 상기 조명수단이 액정 디스플레이소자 일측에 형성되어 액정 디스플레이소자를 조명하여 영상광이 출광되도록 한다.
여기에서 상기 조명수단에 사용되는 광원부는 소형의 고휘도 광원으로 LED를 사용하는 것이 바람직하며, 적색발광소자(RLED), 녹색발광소자(GLED) 및 청색발광소자(BLED)를 발광하여 생성된 조명광을 상기 조명광학계에 제공하게 된다.
상기 조명광학계는 복수매의 렌즈로 형성되며, 상기 광원부에서 발광된 광원을 확산시키고 이를 디스플레이소자에 조명하게 된다. 이때 조명광학계와 디스플레이소자 사이에 조명광분리소자가 형성되어 상기 디스플레이소자 측으로 조명광이 조명되도록 한다.
여기에서 상기 조명광분리소자는 조명광을 편광시켜 디스플레이소자로 제공하는 편광분리소자(Polarizing Beam Splitter, PBS)로 형성될 수 있으며, 상기 조명광분리소자는 상기 광원부에서 제공된 조명광의 진행방향을 90도로 변경하여 디스플레이소자에 조명하게 되며, 이에 영상광은 조명광분리소자를 투과하여 제1렌즈군으로 제공되게 된다.
도 5는 자발광 디스플레이소자를 적용한 경우를 도시한 것으로서, 별도의 조명수단없이 자체발광하여 제1렌즈군으로 영상광이 제공되게 된다. 이러한 자발광 디스플레이소자는 발광다이오드, 유기발광소자 등 다양한 소재가 사용될 수 있다.
이와 같이 디스플레이소자로부터 제공된 영상광은 제1렌즈군 및 제2렌즈군으로 제공되어, 집광 및 발산하게 된다.
상기 조명광분리소자 또는 디스플레이소자로부터 이격되게 제1렌즈군이 배치되며, 전체 시스템의 크기를 줄이기 위해 상기 제2렌즈군은 상기 제1렌즈군에 대해 90도 방향측에 배치된다. 이에 광경로를 변경시키기 위해 상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군 사이에 제1평면경이 배치된다.
상기 제1렌즈군을 통과한 영상광은 상기 제1평면경에서 반사되어 상기 제2렌즈군으로 제공되게 되며, 상기 제1평면경은 상기 제1렌즈군을 통과한 영상광이 90도로 광경로가 변경되도록 광의 진행방향에 대해 45도로 기울어져 형성된다. 이러한 배치가 가능하도록 상기 제1렌즈군 및 제2렌즈군은 대략 90도로 배치되어 소정 간격 이격되게 형성된다.
상기 제1평면경에서 반사된 영상광은 제2렌즈군으로 제공되어 후술할 오목경으로 제공되어 가상의 확대된 영상광이 생성되도록 한다.
여기에서 상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군은 각각 양의 굴절능을 가지면서, 1매 또는 2매로 형성될 수 있으며, 오목 또는 볼록 렌즈의 조합, 메니스커스 형태의 렌즈의 조합으로 구현될 수 있다.
특히 상기 제1렌즈군의 굴절능(P1), 상기 제2렌즈군의 굴절능(P2)은 P1 > 0.05, P2 > 0.025를 만족하도록 하여, 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 고해상도로 확대할 수 있으므로 디스플레이소자의 크기가 크지 않아도 고해상도의 대형 영상을 제공할 수 있게 된다.
즉, 본 발명은 대형 영상 구현을 위해 각 렌즈군의 굴절능을 크게 설계하는 것이 가능하여 디스플레이소자의 크기를 상대적으로 줄일 수 있어 가격 경쟁력이 뛰어나다.
또한, 상기 제1렌즈군 및 제2렌즈군은 모두 플라스틱 재료로 형성되며, 비구면 렌즈로 형성되어 구면수차 및 색수차를 보정할 수 있도록 하고, 각 렌즈들은 길이를 줄이는데 유리한 굴절율을 갖는 재료로 형성되며, 색수차 보정에 유리하도록 아베수가 적절히 배분된 재료를 사용한다.
이러한 상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군의 매수, 렌즈 간 거리, 형상 및 굴절능 등을 조절하여 색수차 등의 발생을 최소화하면서 디스플레이소자로부터 제공된 영상광이 집광 및 발산되도록 하고, 소형의 광학 시스템이 제공되도록 한다.
이와 같이 디스플레이소자로부터 제공된 영상광은 상기 제1렌즈군, 상기 제1평면경 및 상기 제2렌즈군을 통과하여 확대되고, 색수차 등은 최소화되어 고해상도의 영상광을 제공하게 된다.
그리고 상기 제2렌즈군을 통과한 영상광은 상기 제2평면경에 의해 광경로가 변경되어 광분리소자로 제공되게 된다. 상기 제2평면경은 상기 제1평면경과 거의 대칭적으로 형성되며, 그 사이에 제2렌즈군이 위치되도록 한다. 즉 제2렌즈군을 통과한 영상광은 제2평면경에서 반사되어 90도로 광경로가 변경되어 광분리소자로 제공되게 된다. 이러한 배치는 고해상도, 고배율의 영상광을 제공하면서 소형 광학 시스템을 구현하기 위한 것이다.
상기 광분리소자는 제2렌즈군에서 제공된 영상광을 반사시켜 오목경 측으로 영상광을 제공하고, 오목경 측에서 반사된 영상광은 다시 광분리소자에 도달하여 투과되어 사용자의 동공측으로 제공되게 되면서 사용자는 오목경 뒤쪽의 확대된 정립 허상을 인식하게 된다.
본 발명에 따른 상기 광분리소자는 반투과성의 하프미러(Half Mirror, HM) 또는 편광분리소자(Polarizing Beam Splitter, PBS)로 형성될 수 있다.
상기 광분리소자가 하프미러로 형성된 경우 상기 제2렌즈군에서 제공된 영상광은 반사되어 오목경 측으로 제공되고, 오목경 측에서 반사된 영상광은 하프미러를 투과하여 사용자의 동공으로 제공되게 된다.
또한 상기 광분리소자가 편광분리소자인 경우엔 제2렌즈군에서 제공된 영상광은 편광되어 오목경 측으로 제공되며, 오목경 측에서 반사된 영상광은 편광분리소자를 투과하여 사용자의 동공으로 제공되게 되는 것으로, 잡광이 제거되면서 빛번짐 등을 줄여 고효율의 영상광을 제공받게 된다.
또한 본 발명에 따른 오목경은, 곡률반경의 절대값(|Rc|)이 |Rc| < 45mm를 만족하도록 하여, 소형 광학 시스템의 설계에 유리하도록 하며, 사용자의 동공에 초점이 위치하도록 하면서 고해상도의 대형 영상의 제공이 가능하다.
즉, 본 발명은 광분리소자 및 오목경의 위치, 오목경의 곡률반경 등을 조절하여 영상광이 동공에서 초점이 맞춰져 결상되도록 하여 고해상도의 영상광이 인지되도록 한다.
또한, 오목경과 사용자의 동공 사이에 광분리소자를 배치하여 광효율을 개선시켜, 고해상도, 고성능화를 도모한 소형 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템을 제공하게 된다.
한편 본 발명에 따른 오목경은 반사율을 조절하여 부분 투사형(See Through)으로 형성될 수 있다.
즉, 내부에서 입사되는 광을 반사함과 동시에 외부로부터 입사된 일부의 광을 투과할 수 있도록 하여, 현실의 외부 환경에 따른 실상과 디스플레이소자로부터 제공된 가상 현실의 영상을 사용자가 함께 인지할 수 있어, 가상현실(Virtual Reality, VR)뿐만 아니라 증강현실(Augumented Reality, AR)을 구현할 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 제1렌즈군 및 제2렌즈군 그리고 오목경이 합쳐져 접안렌즈(Eyepiece) 역할을 하여 디스플레이소자로부터 제공된 영상이 고화질로 먼 거리의 가상의 대형 영상으로 제공되게 하는 것이다.
또한 본 발명은 제1렌즈군 및 제2렌즈군의 굴절능 및 오목경의 곡률반경을 설정하여 소형 광학 시스템의 설계에 유리하도록 하며, 사용자의 동공에 초점이 위치하도록 하면서 고해상도의 대형 영상의 제공이 가능하다.
또한 본 발명은 광학 시스템을 구성하는 제1렌즈군, 제2렌즈군, 평면경 및 오목경의 굴절능 또는 곡률반경 등을 설계하여 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 고해상도로 확대할 수 있으므로 디스플레이소자의 크기가 크지 않아도 고해상도의 대형 영상의 제공이 가능하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 이하로 형성되어도 Full HD 급의 고해상도의 영상의 구현이 가능한 특징이 있다.
또한 본 발명은 상기 제2렌즈군 및 제2평면경 사이에 반파장 위상지연판(Half Wavelength Plate, HWP)이 더 배치되거나, 상기 오목경 및 광분리소자 사이에는 1/4파장 위상지연판(Quarter Wavelength Plate, QWP)이 더 배치될 수 있다.
상기 반파장 위상지연판 및 1/4파장 위상지연판은 광학 시스템에 따라 선택적으로 배치될 수 있으며, 이러한 반파장 위상지연판 및 1/4파장 위상지연판에 의해 고효율의 영상광을 제공할 수 있도록 한다.
이와 같이 본 발명은 광학 시스템을 구성하는 각 구성이 최적의 위치에 배치되어 상호 간섭이 최소화되어 설계 공차가 유리하며, 대형 영상 구현을 위해 각 렌즈군의 굴절능을 크게 설계하는 것이 가능하여 디스플레이소자의 크기를 상대적으로 줄일 수 있어 가격 경쟁력이 뛰어나다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 설명하고자 한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 대한 제1 내지 제3실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예를 나타낸 것으로서, 반사형 액정 디스플레이소자로부터 영상광이 제공되는 것으로서, 상기 액정 디스플레이소자 측면에 조명수단(LED 광원부, 조명광학계 및 조명광분리소자(제1PBS)가 배치되어, 상기 액정 디스플레이소자에 조명광이 조명된다.
그리고 상기 액정 디스플레이소자로부터 제공된 영상광은 상기 조명광분리소자를 투과하여 제1렌즈군으로 제공되어 제1평면경, 제2렌즈군, 반파장 위상지연판, 제2평면경, 편광분리소자(제2PBS) 그리고 1/4파장 위상지연판에서 반사되어 오목경으로 입사된다.
상기 오목경에 입사된 영상광은 다시 상기 1/4파장 위상지연판, 편광분리소자를 투과하여 사용자의 동공에 맞춰진 초점에 의해 사용자의 동공에서 결상되게 된다. 사용자는 오목경 뒤쪽의 가상의 영역에서 확대된 정립 허상의 영상광을 인지하게 된다.
여기에서, 상기 제1렌즈군과 제2렌즈군 사이에 배치된 제1평면경에 의해 광경로가 90도로 꺾이게 되고, 제2렌즈군과 편광분리소자 사이에 제2평면경에 의해 광경로가 90도로 꺾이게 되어, 소형 광학 시스템의 구현이 가능하도록 한다.
상기 제1렌즈군은 2매로 형성되며, 상기 제2렌즈군은 1매로 형성된 것을 도시하였으며, 상기 제1렌즈군 및 제2렌즈군에 대한 구체적인 실시예는 후술하고자 한다.
또한 반파장 위상지연판은 편광 방향을 90도 회전시키는 역할을 하며, 상기 조명광분리소자(제1PBS) 이후부터 상기 편광분리소자(제2PBS) 이전, 바람직하게는 상기 제2렌즈군 및 제2평면경 사이에 배치되며, 광축과 수직으로 배치된다.
또한 상기 1/4파장 위상지연판은 선평광된 광원을 좌원평광으로 변환하고, 이는 오목경에 의해 반사되어 우원편광으로 변환되며, 다시 1/4파장 위상지연판을 통과하면서 90도 방향이 회전된 선편광으로 바뀌게 된다. 이런 편광 방향의 전환으로 광효율을 향상시키게 된다.
여기에서, 오목경은 반사율을 조절하여 부분 투사형으로 형성되어 가상현실의 구현뿐만 아니라 증강현실의 구현도 가능하도록 하며, 이에 따라 본 발명에 따른 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 이하로 형성되어도 Full HD급의 영상의 구현이 가능하여 생산 단가를 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예를 나타낸 것으로서, 반사형 액정 디스플레이소자로부터 영상광이 제공되는 것으로서, 상기 액정 디스플레이소자 측면에 조명수단(LED 광원부, 조명광학계 및 조명광분리소자(제1PBS)가 배치되어, 상기 액정 디스플레이소자에 조명광이 조명된다.
그리고 상기 액정 디스플레이소자로부터 제공된 영상광은 상기 조명광분리소자를 투과하여 제1렌즈군으로 제공되어 제1평면경, 제2렌즈군, 제2평면경, 편광분리소자(제2PBS) 그리고 오목경으로 입사된다.
상기 오목경에 입사된 영상광은 다시 상기 편광분리소자를 투과하여 사용자의 동공에 맞춰진 초점에 의해 사용자의 동공에서 결상되게 된다. 사용자는 오목경 뒤쪽의 가상의 영역에서 확대된 정립 허상의 영상광을 인지하게 된다.
여기에서, 상기 제1렌즈군과 제2렌즈군 사이에 배치된 제1평면경에 의해 광경로가 90도로 꺾이게 되고, 제2렌즈군과 편광분리소자 사이에 제2평면경에 의해 광경로가 90도로 꺾이게 되어, 소형 광학 시스템의 구현이 가능하도록 한다.
상기 제1렌즈군은 2매로 형성되며, 상기 제2렌즈군은 1매로 형성된 것을 도시하였으며, 상기 제1렌즈군 및 제2렌즈군에 대한 구체적인 실시예는 후술하고자 한다.
여기에서, 오목경은 반사율을 조절하여 부분 투사형으로 형성되어 가상현실의 구현뿐만 아니라 증강현실의 구현도 가능하도록 하며, 이에 따라 본 발명에 따른 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 이하로 형성되어도 Full HD급의 영상의 구현이 가능하여 생산 단가를 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3실시예를 나타낸 것으로서, 자발광 디스플레이소자로부터 영상광이 제공되는 것이다.
그리고 상기 자발광 디스플레이소자로부터 제공된 영상광은 제1렌즈군으로 제공되어 제1평면경, 제2렌즈군, 반파장 위상지연판, 제2평면경, 편광분리소자(PBS) 그리고 1/4파장 위상지연판에서 반사되어 오목경으로 입사된다.
상기 오목경에 입사된 영상광은 다시 상기 1/4파장 위상지연판, 편광분리소자를 투과하여 사용자의 동공에 맞춰진 초점에 의해 사용자의 동공에서 결상되게 된다. 사용자는 오목경 뒤쪽의 가상의 영역에서 확대된 정립 허상의 영상광을 인지하게 된다.
여기에서, 상기 제1렌즈군과 제2렌즈군 사이에 배치된 제1평면경에 의해 광경로가 90도로 꺾이게 되고, 제2렌즈군과 편광분리소자 사이에 배치된 제2평면경에 의해 광경로가 90도로 꺾이게 되어, 소형 광학 시스템의 구현이 가능하도록 한다.
상기 제1렌즈군은 2매로 형성되며, 상기 제2렌즈군은 1매로 형성된 것을 도시하였으며, 상기 제1렌즈군 및 제2렌즈군에 대한 구체적인 실시예는 후술하고자 한다.
또한 반파장 위상지연판은 편광 방향을 90도 회전시키는 역할을 하며, 상기 편광분리소자(PBS) 이전, 바람직하게는 상기 제2렌즈군 및 제2평면경 사이에 배치되며, 광축과 수직으로 배치된다.
또한 상기 1/4파장 위상지연판은 선평광된 광원을 좌원평광으로 변환하고, 이는 오목경에 의해 반사되어 우원편광으로 변환되며, 다시 1/4파장 위상지연판을 통과하면서 90도 방향이 회전된 선편광으로 바뀌게 된다. 이런 편광 방향의 전환으로 광효율을 향상시키게 된다.
여기에서, 오목경은 반사율을 조절하여 부분 투사형으로 형성되어 가상현실의 구현뿐만 아니라 증강현실의 구현도 가능하도록 하며, 이에 따라 본 발명에 따른 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 이하로 형성되어도 Full HD급의 영상의 구현이 가능하여 생산 단가를 줄일 수 있다.
편의상 도 3 내지 도 5에서의 상기 제1실시예 내지 제3실시예는 상기 제2평면경에서 영상광을 지면과 평행하게 꺾어주지만, 실제 구성에서는 지면에 수직한 방향으로 꺾어주어 구현되고, 동공에 앞쪽에 배치된 편광분리소자 및 오목경에 의해 영상광이 반사 및 투과되어 사용자의 동공 측으로 제공되게 된다.
도 6 내지 도 13은 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템의 접안렌즈 광학계에 대한 제1 내지 제4 실시예 및 각각에 대한 수차도를 나타낸 도이다.
본 발명에서 접안렌즈 광학계는 디스플레이소자, 제1렌즈군, 제2렌즈군, 편광분리소자(PBS) 및 오목경으로 나타내며, 광학설계 관점에서 상측에서 물체측으로 순서대로 배열된 제1렌즈군, 제2렌즈군, 편광분리소자 및 오목경으로 나타내었다.
여기에서 상측은 영상광을 생성하는 디스플레이소자 방향을 나타내고, 물체측은 영상광이 표시되는 스크린 즉, 동공 방향이라고 할 수 있다. 이러한 관점에서 제1렌즈군 및 제2렌즈군을 이루는 렌즈의 상측면과 물체측면을 정의할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템의 접안렌즈 광학계에 대한 제1실시예를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이 상측(디스플레이소자 방향)으로부터 물체측(동공 방향)으로, 제1렌즈군은 2매(제1렌즈, 제2렌즈), 제2렌즈군은 1매(제3렌즈)로 배치된다.
다음 표 1은 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제1실시예에 따른 렌즈 및 광학소자에 대한 수치 데이터를 나타낸 것이다.
면 RDY(곡률반경) THI(두께) Nd(굴절률) Vd(아베수)
object INFINITY 2000
동공(eye pupil) INFINITY 9
INFINITY 17
오목경 -34.587 -11 reflection
PBS(45도 경사) INFINITY 26.66 reflection
제3렌즈의 물체측면 -125.461 3.04 1.535 56.0
제3렌즈의 상측면 -10.517 12.00
제2렌즈의 물체측면 7.559 1.46 1.650 21.5
제2렌즈의 상측면 3.481 1.36
제1렌즈의 물체측면 4.205 5.73 1.535 56.0
제1렌즈의 상측면 -15.016 10.20
cover glass INFINITY 0.97 1.520 64.0
INFINITY 0.01
image INFINITY 0
도 6에 도시된 바와 같이 디스플레이소자(상측)로부터 동공(물체측)으로, 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2), 제3렌즈(L3)가 배치되며, 광축방향을 X, 광축에 직교하는 방향을 Y축으로 설정할 때, 비구면식은 다음 수학식 1과 같다.
<수학식 1>
Figure pat00001
상기 수학식 1로부터 위의 각 렌즈들의 데이타를 갖는 비구면계수는 다음 표 2와 같다.
k A B C D E F G H J
오목경 0.4217 0.000005 6.82E-09 -6.62E-11 2.87E-14 0 0 0 0 0
제3렌즈의 물체측면 0.0000 0.000047 -5E-06 1.29E-07 1.79E-08 -1.09E-09 1.89E-11 8.95E-14 -5.71E-15 4.28E-17
제3렌즈의 상측면 -0.6529 0.0002 -0.00001 0.000001 -8.70E-09 -3.03E-10 9.77E-12 1.93E-14 -3.04E-15 2.50E-17
제2렌즈의 물체측면 -21.0000 0.000106 0.000007 -0.000001 1.40E-08 1.97E-10 -1.13E-11 -3.66E-13 1.75E-14 -1.67E-16
제2렌즈의 상측면 -5.4594 -9.8E-05 0.000001 -2.95E-08 -1.74E-09 1.27E-10 -4.18E-12 -1.05E-13 4.91E-15 -4.23E-17
제1렌즈의 물체측면 -3.6964 0.000191 0.000004 -0.000001 1.29E-08 5.48E-11 -3.28E-12 -3.03E-14 5.76E-16 2.59E-18
제1렌즈의 상측면 0.5729 -0.00013 0.000017 -0.000001 1.14E-08 2.47E-10 -3.86E-12 -1.74E-13 3.96E-15 -2.08E-17
본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제1실시예에 따르면, image(디스플레이소자)의 유효대각크기는 10.0mm이고, 제2렌즈군의 굴절능은 0.047, 오목경의 곡률반경의 절대값(|Rc|)은 |Rc| < 45mm를 만족하며, 제1렌즈군의 굴절능은 0.077이다.
도 7은 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제1실시예에 따른 수차도를 나타낸 것이다.
도 7의 첫 번째 데이타는 구면수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 초점(mm)을, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 각 그래프는 입사되는 광선의 파장을 나타내는 것이다. 도시된 바와 같이, 그래프들이 중심수직축선에 근접할수록 그리고 서로 근접할수록 구면수차의 보정성이 좋은 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제1실시예의 구면수차는 0.025mm(초점) 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 7의 두 번째 데이타는 비점수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 초점(mm)을, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 그래프 S는 렌즈와 수평방향으로 입사하는 광선인 새지털(sagittal)을 나타내고, 그래프 T는 렌즈와 직각방향으로 입사하는 광선인 탄젼셜(tangential)을 나타낸다. 여기에서 그래프 S와 T가 가까울수록 그리고 중심수직축에 근접할수록 비점수차의 보정성이 좋은 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제1실시예의 비점수차는 0.025mm(초점) 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 7의 세 번째 데이타는 왜곡수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 왜곡도(%)를, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 일반적으로 수차곡선이 -2~2% 범위 내에 들면 양호한 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제1실시예의 왜곡수차로 optical distortion(광학적 왜곡)은 2% 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 8은 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템의 접안렌즈 광학계에 대한 제2실시예를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이 상측(디스플레이소자 방향)으로부터 물체측(동공 방향)으로, 제1렌즈군은 2매(제1렌즈, 제2렌즈), 제2렌즈군은 2매(제3렌즈, 제4렌즈)로 배치된다.
다음 표 3은 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제2실시예에 따른 렌즈 및 광학소자에 대한 수치 데이터를 나타낸 것이다.
surface(면번호) RDY(곡률반경) THI(두께) Nd(굴절률) Vd(아베수)
object INFINITY 2000
동공(eye pupil) INFINITY 9
INFINITY 17
오목경 -34.426 -11.00 reflection
PBS(45도경사) INFINITY 26.70 reflection
제렌즈의 물체측면 991.542 1.50 1.632 23.5
제렌즈의 상측면 20.404 0.20
제렌즈의 물체측면 17.877 4.56 1.535 56.0
제렌즈의 상측면 -10.648 12.18
제렌즈의 물체측면 8.840 0.97 1.650 21.5
제렌즈의 상측면 4.131 1.18
제렌즈의 물체측면 4.702 5.00 1.535 56.0
제렌즈의 상측면 -16.676 10.20
cover glass INFINITY 0.97 1.520 64.0
INFINITY 0.01
image INFINITY 0
도 8에 도시된 바와 같이 디스플레이소자(상측)로부터 동공(물체측)으로, 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2), 제3렌즈(L3) 및 제4렌즈(L4)가 배치되며, 광축방향을 X, 광축에 직교하는 방향을 Y축으로 설정할 때, 비구면식은 상기 수학식 1과 같다.
상기 수학식 1로부터 위의 각 렌즈들의 데이타를 갖는 비구면계수는 다음 표 4와 같다.
k A B C D E F G H J
오목경 0.5142 4.00E-06 8.08E-09 -4.26E-11 5.96E-15 0 0 0 0 0
제4렌즈의 물체측면 0.0000 -1.7E-05 -1.45E-07 2.90E-09 2.56E-11 0 0 0 0 0
제4렌즈의 상측면 0.0000 -2.00E-06 4.12E-08 -3.68E-09 -1.48E-10 0 0 0 0 0
제3렌즈의 물체측면 0.0000 0.000043 -5.00E-06 1.16E-07 1.78E-08 -1.09E-09 1.90E-11 8.96E-14 -5.71E-15 4.29E-17
제3렌즈의 상측면 -0.6448 0.000204 -0.00001 1.00E-06 -8.71E-09 -3.03E-10 9.77E-12 1.96E-14 -3.03E-15 2.50E-17
제2렌즈의 물체측면 -21.0000 0.000068 0.000007 -1.00E-06 1.41E-08 1.95E-10 -1.14E-11 -3.69E-13 1.76E-14 -1.67E-16
제2렌즈의 상측면 -5.0665 -0.00013 1.51E-07 -4.70E-08 -1.82E-09 1.30E-10 -4.06E-12 -1.04E-13 4.90E-15 -4.32E-17
제1렌즈의 물체측면 -3.5152 0.000207 0.000003 -1.00E-06 1.29E-08 5.74E-11 -3.23E-12 -2.97E-14 5.81E-16 2.67E-18
제1렌즈의 상측면 -0.5913 -8.7E-05 0.000017 -1.00E-06 1.12E-08 2.50E-10 -3.75E-12 -1.72E-13 3.97E-15 -2.15E-17
본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제2실시예에 따르면, image(디스플레이소자)의 유효대각크기는 10.4mm이고, 제2렌즈군의 굴절능은 0.05, 오목경의 곡률반경의 절대값(|Rc|)은 |Rc| < 34.426mm를 만족하며, 제1렌즈군의 굴절능은 0.07이다.
도 9는 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제2실시예에 따른 수차도를 나타낸 것이다.
도 9의 첫 번째 데이타는 구면수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 초점(mm)을, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 각 그래프는 입사되는 광선의 파장을 나타내는 것이다. 도시된 바와 같이, 그래프들이 중심수직축선에 근접할수록 그리고 서로 근접할수록 구면수차의 보정성이 좋은 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제2실시예의 구면수차는 0.025mm(초점) 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 9의 두 번째 데이타는 비점수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 초점(mm)을, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 그래프 S는 렌즈와 수평방향으로 입사하는 광선인 새지털(sagittal)을 나타내고, 그래프 T는 렌즈와 직각방향으로 입사하는 광선인 탄젼셜(tangential)을 나타낸다. 여기에서 그래프 S와 T가 가까울수록 그리고 중심수직축에 근접할수록 비점수차의 보정성이 좋은 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제2실시예의 비점수차는 0.025mm(초점) 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 9의 세 번째 데이타는 왜곡수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 왜곡도(%)를, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 일반적으로 수차곡선이 -2~2% 범위 내에 들면 양호한 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제2실시예의 왜곡수차로 optical distortion(광학적 왜곡)은 2% 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 10은 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템의 접안렌즈 광학계에 대한 제3실시예를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이 상측(디스플레이소자 방향)으로부터 물체측(동공 방향)으로, 제1렌즈군은 1매(제1렌즈), 제2렌즈군은 2매(제2렌즈, 제3렌즈)로 배치된다.
다음 표 5는 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제3실시예에 따른 렌즈 및 광학소자에 대한 수치 데이터를 나타낸 것이다.
surface(면번호) RDY(곡률반경) THI(두께) Nd(굴절률) Vd(아베수)
object INFINITY 2000
동공(eye pupil) INFINITY 9
INFINITY 17
오목경 -33.690 -11 reflection
PBS(45도경사) INFINITY 26.70 reflection
제3렌즈의 물체측면 401.120 1.00 1.535 56.0
제3렌즈의 상측면 14.226 0.20
제3렌즈의 물체측면 14.815 5.50 1.650 21.5
제2렌즈의 상측면 -10.028 13.51
제1렌즈의 물체측면 16.832 5.00 1.535 56.0
제1렌즈의 상측면 -14.717 11.00
cover glass INFINITY 0.97 1.520 64.0
INFINITY 0.01
image INFINITY 0
도 10에 도시된 바와 같이 디스플레이소자(상측)로부터 동공(물체측)으로, 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2) 및 제3렌즈(L3)가 배치되며, 광축방향을 X, 광축에 직교하는 방향을 Y축으로 설정할 때, 비구면식은 상기 수학식 1과 같다.
상기 수학식 1로부터 위의 각 렌즈들의 데이타를 갖는 비구면계수는 다음 표 6과 같다.
k A B C D E F G H J
오목경 0.683105 0.000003 -3.89E-09 7.28E-11 -1.39E-13 0 0 0 0 0
제4렌즈의 물체측면 0 -0.00017 -2E-06 -4.08E-08 7.24E-10 0 0 0 0 0
제3렌즈의 상측면 0 0.00002 -4.25E-07 -2.76E-08 -1.29E-09 0 0 0 0 0
제2렌즈의 물체측면 0 0.000077 -5E-06 8.95E-08 1.75E-08 -1.09E-09 1.88E-11 8.81E-14 -5.60E-15 4.07E-17
제2렌즈의 상측면 -0.15974 0.000123 -1.2E-05 0.000001 -8.15E-09 -2.99E-10 9.74E-12 1.82E-14 -3.04E-15 2.50E-17
제1렌즈의 물체측면 -15.3345 0.0003 0.000008 -0.000001 1.21E-08 5.03E-11 -2.88E-12 -1.87E-14 6.75E-16 -1.71E-18
제1렌즈의 상측면 -4.23305 -0.00011 0.000018 -0.000001 1.14E-08 2.47E-10 -3.76E-12 -1.70E-13 3.90E-15 -2.02E-17
본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제3실시예에 따르면, image(디스플레이소자)의 유효대각크기는 10.0mm이고, 제2렌즈군의 굴절능은 0.49, 오목경의 곡률반경의 절대값(|Rc|)은 |Rc| < 33.69mm를 만족하며, 제1렌즈군의 굴절능은 0.064이다.
도 11은 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제3실시예에 따른 수차도를 나타낸 것이다.
도 11의 첫 번째 데이타는 구면수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 초점(mm)을, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 각 그래프는 입사되는 광선의 파장을 나타내는 것이다. 도시된 바와 같이, 그래프들이 중심수직축선에 근접할수록 그리고 서로 근접할수록 구면수차의 보정성이 좋은 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제3실시예의 구면수차는 0.025mm(초점) 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 11의 두 번째 데이타는 비점수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 초점(mm)을, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 그래프 S는 렌즈와 수평방향으로 입사하는 광선인 새지털(sagittal)을 나타내고, 그래프 T는 렌즈와 직각방향으로 입사하는 광선인 탄젼셜(tangential)을 나타낸다. 여기에서 그래프 S와 T가 가까울수록 그리고 중심수직축에 근접할수록 비점수차의 보정성이 좋은 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제3실시예의 비점수차는 0.025mm(초점) 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 11의 세 번째 데이타는 왜곡수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 왜곡도(%)를, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 일반적으로 수차곡선이 -2~2% 범위 내에 들면 양호한 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제3실시예의 왜곡수차로 optical distortion(광학적 왜곡)은 2% 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 12는 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템의 접안렌즈 광학계에 대한 제4실시예를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이 상측(디스플레이소자 방향)으로부터 물체측(동공 방향)으로, 제1렌즈군은 1매(제1렌즈), 제2렌즈군은 1매(제2렌즈)로 배치된다.
다음 표 7은 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제4실시예에 따른 렌즈 및 광학소자에 대한 수치 데이터를 나타낸 것이다.
surface(면번호) RDY(곡률반경) THI(두께) Nd(굴절률) Vd(아베수)
object INFINITY 2000
동공(eye pupil) INFINITY 9
INFINITY 17
오목경 -34.699 -11 reflection
PBS(45도경사) INFINITY 26.64 reflection
제2렌즈의 물체측면 -335.309 3.60 1.535 56.0
제2렌즈의 상측면 -11.897 15.08
제1렌즈의 물체측면 11.053 3.73 1.535 56.0
제1렌즈의 상측면 -16.615 10.98
cover glass INFINITY 0.97 1.520 64.0
INFINITY 0.01
image INFINITY 0
도 12에 도시된 바와 같이 디스플레이소자(상측)로부터 동공(물체측)으로, 제1렌즈(L1) 및 제2렌즈(L2)가 배치되며, 광축방향을 X, 광축에 직교하는 방향을 Y축으로 설정할 때, 비구면식은 상기 수학식 1과 같다.
상기 수학식 1로부터 위의 각 렌즈들의 데이타를 갖는 비구면계수는 다음 표 4와 같다.
k A B C D E F G H J
오목경 0.6560 0.000003 2.09E-08 -5.87E-11 3.97E-14 0 0 0 0 0
제2렌즈의 물체측면 0.0000 -1.2E-05 -0.00001 2.01E-07 1.74E-08 -1.11E-09 1.92E-11 9.13E-14 -5.82E-15 4.49E-17
제2렌즈의 상측면 0.0970 0.00016 -1.2E-05 0.000001 -7.27E-09 -3.08E-10 9.46E-12 2.14E-14 -3.04E-15 2.61E-17
제1렌즈의 물체측면 -6.5203 0.000252 0.000006 -0.000001 1.21E-08 4.29E-11 -3.35E-12 -2.91E-14 6.79E-16 -3.35E-18
제1렌즈의 상측면 3.5677 -5.7E-05 0.000018 -0.000001 1.18E-08 2.38E-10 -4.52E-12 -1.99E-13 4.04E-15 -1.08E-17
본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제4실시예에 따르면, image(디스플레이소자)의 유효대각크기는 9.4mm이고, 제2렌즈군의 굴절능은 0.043, 오목경의 곡률반경의 절대값(|Rc|)은 |Rc| < 34.699mm를 만족하며, 제1렌즈군의 굴절능은 0.077이다.
도 13은 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제4실시예에 따른 수차도를 나타낸 것이다.
도 13의 첫 번째 데이타는 구면수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 초점(mm)을, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 각 그래프는 입사되는 광선의 파장을 나타내는 것이다. 도시된 바와 같이, 그래프들이 중심수직축선에 근접할수록 그리고 서로 근접할수록 구면수차의 보정성이 좋은 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제4실시예의 구면수차는 0.025mm(초점) 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 13의 두 번째 데이타는 비점수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 초점(mm)을, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 그래프 S는 렌즈와 수평방향으로 입사하는 광선인 새지털(sagittal)을 나타내고, 그래프 T는 렌즈와 직각방향으로 입사하는 광선인 탄젼셜(tangential)을 나타낸다. 여기에서 그래프 S와 T가 가까울수록 그리고 중심수직축에 근접할수록 비점수차의 보정성이 좋은 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제4실시예의 비점수차는 0.025mm(초점) 이하로 양호한 것으로 판단된다.
도 13의 세 번째 데이타는 왜곡수차를 나타낸 것으로서, 가로축은 왜곡도(%)를, 세로축은 상고(mm)를 나타내며, 일반적으로 수차곡선이 -2~2% 범위 내에 들면 양호한 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 접안렌즈 광학계에 대한 제4실시예의 왜곡수차로 optical distortion(광학적 왜곡)은 2% 이하로 양호한 것으로 판단된다.
10 : 디스플레이소자 100 : 제1렌즈군
200 : 제2렌즈군 300 : 광분리소자
400 : 오목경 500 : 제1평면경
600 : 제2평면경 700 : 조명수단
710 : 광원부 720 : 조명광학계
730 : 조명광분리소자 800 : 반파장 위상지연판
900 : 1/4파장 위상지연판
L1 : 제1렌즈 L2 : 제2렌즈
L3 : 제3렌즈 L4 : 제4렌즈

Claims (24)

  1. 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 있어서,
    영상광을 출력하는 디스플레이소자;
    상기 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 집광 및 발산하는 제1렌즈군 및 제2렌즈군;
    상기 제2렌즈군을 통과한 영상광이 제공되는 광분리소자;
    상기 광분리소자에서 제공된 영상광을 상기 광분리소자 측으로 반사시키는 오목경;을 포함하여, 상기 오목경에서 반사된 영상광은 상기 광분리소자를 투과하여 사용자의 동공측으로 제공되고,
    상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군 사이에 배치되어 상기 영상광의 경로를 상기 제2렌즈군 측으로 변경하는 제1평면경;
    상기 제2렌즈군 및 상기 광분리소자 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 광분리소자 측으로 변경하는 제2평면경;을 포함하며,
    상기 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 디스플레이소자는,
    반사형 액정 디스플레이소자인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 반사형 액정 디스플레이소자는,
    조명수단에 의해 조명되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 조명수단은,
    광원부;
    상기 광원부에서 제공된 조명광이 입사되는 조명광학계;
    상기 조명광학계를 통과한 조명광이 입사되는 조명광분리소자;를 포함하며,
    상기 조명광분리소자에서 반사된 조명광은 상기 디스플레이소자를 조명하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 광원부는,
    적색발광소자(RLED), 녹색발광소자(GLED) 및 청색발광소자(BLED)를 발광하여 생성된 조명광을 상기 조명광학계에 제공하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제1렌즈군은 양의 굴절능을 가지며, 1매 또는 2매로 구성된 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제2렌즈군은 양의 굴절능을 가지며, 1매 또는 2매로 구성된 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 광분리소자는,
    하프미러(Half Mirror, HM) 또는 편광분리소자(Polarizing Beam Splitter, PBS)인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 오목경은,
    곡률반경의 절대값(|Rc|)이 |Rc| < 45mm를 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 제1렌즈군의 굴절능(P1), 상기 제2렌즈군의 굴절능(P2)은 P1 > 0.05, P2 > 0.025를 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제1렌즈군 및 제2렌즈군은 모두 플라스틱 재료로 형성되며, 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 제2렌즈군 및 제2평면경 사이에 반파장 위상지연판(Half Wavelength Plate, HWP)이 더 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 오목경 및 광분리소자 사이에는 1/4파장 위상지연판(Quarter Wavelength Plate, QWP)이 더 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  14. 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 있어서,
    조명수단에서 조명되어 영상광을 출력하는 반사형 액정 디스플레이소자;
    상기 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 집광 및 발산하고, 각각 양의 굴절능을 가지면서, 1매 또는 2매로 구성된 제1렌즈군 및 제2렌즈군;
    상기 제2렌즈군을 통과한 영상광이 제공되는 편광분리소자;
    상기 편광분리소자에서 제공된 영상광을 상기 편광분리소자 측으로 반사시키는 오목경;을 포함하여, 상기 오목경에서 반사된 영상광은 상기 편광분리소자를 투과하여 사용자의 동공측으로 제공되고,
    상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 제2렌즈군 측으로 변경하는 제1평면경;
    상기 제2렌즈군 및 상기 편광분리소자 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 편광분리소자 측으로 변경하는 제2평면경;
    상기 제2렌즈군 및 제2평면경 사이에 배치된 반파장 위상지연판(Half Wavelength Plate, HWP);
    상기 오목경 및 편광분리소자 사이에 배치된 1/4파장 위상지연판(Quarter Wavelength Plate, QWP);을 포함하며,
    상기 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 조명수단은,
    LED 광원부;
    상기 LED 광원부에서 제공된 조명광이 입사되는 조명광학계;
    상기 조명광학계에서 통과한 조명광이 입사되는 조명광분리소자;를 포함하며,
    상기 조명광분리소자에서 반사된 조명광은 디스플레이소자를 조명하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 오목경은,
    곡률반경의 절대값(|Rc|)이 |Rc| < 45mm를 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 제1렌즈군의 굴절능(P1), 상기 제2렌즈군의 굴절능(P2)은 P1 > 0.05, P2 > 0.025를 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  18. 제 14항에 있어서, 상기 제1렌즈군 및 제2렌즈군은 모두 플라스틱 재료로 형성되며, 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  19. 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템에 있어서,
    자발광 디스플레이소자;
    상기 디스플레이소자로부터 제공된 영상광을 집광 및 발산하고, 양의 굴절능을 가지면서, 1매 또는 2매로 각 구성된 제1렌즈군 및 제2렌즈군;
    상기 제2렌즈군을 통과한 영상광이 제공되는 편광분리소자;
    상기 편광분리소자에서 제공된 영상광을 상기 편광분리소자 측으로 반사시키는 오목경;을 포함하여, 상기 오목경에서 반사된 영상광은 상기 편광분리소자를 투과하여 사용자의 동공측으로 제공되고,
    상기 제1렌즈군 및 상기 제2렌즈군 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 제2렌즈군 측으로 변경하는 제1평면경;
    상기 제2렌즈군 및 상기 편광분리소자 사이에 배치되어 영상광의 경로를 상기 편광분리소자 측으로 변경하는 제2평면경;
    상기 오목경 및 편광분리소자 사이에 배치된 1/4파장 위상지연판(Quarter Wavelength Plate, QWP);을 포함하며,
    상기 디스플레이소자의 유효대각크기는 12mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 제2렌즈군 및 제2평면경 사이에 배치된 반파장 위상지연판(Half Wavelength Plate, HWP)이 더 배치된 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 오목경은,
    곡률반경의 절대값(|Rc|)이 |Rc| < 45mm를 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  22. 제 19항에 있어서, 상기 제1렌즈군의 굴절능(P1), 상기 제2렌즈군의 굴절능(P2)은 P1 > 0.05, P2 > 0.025를 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  23. 제 19항에 있어서, 상기 제1렌즈군 및 제2렌즈군은 모두 플라스틱 재료로 형성되며, 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
  24. 제 1항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오목경은,
    부분 투사형으로 형성된 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 시스템.
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