KR20240013024A - 반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치 - Google Patents

반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치 Download PDF

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KR20240013024A
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삼성전자주식회사
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Abstract

반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치가 개시된다. 개시된 반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치는 영상의 광이 출사되는 디스플레이 유닛; 및 사용자 안구측으로부터 디스플레이 유닛의 상면측을 향해 광축의 방향을 따라 순차적으로 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하며, 제1 렌즈의 상면과 마주보는 제2 면은 제2 렌즈로부터 오는 광의 적어도 일부를 반사시키고, 제2 렌즈의 상면과 마주보는 제4 면은 제1 렌즈로부터 반사되어 오는 광의 적어도 일부를 재반사시키도록 구성되며, 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 순차적으로 양, 양, 음 및 양의 굴절력을 가지며, 제1 렌즈는 제2 렌즈와의 거리가 0.1mm 내지 1.1mm 범위내에서 광축 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 제1 렌즈의 이동 범위내에서의 굴절력의 변경은 -7D 내지 +1D의 범위내에 있다.

Description

반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치{Catadioptric lens system and video see-through apparatus employing the same}
본 개시는 반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치에 관한 것이다.
비디오 시스루(Video see-through, VST) 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 비디오 시스루 방식은 카메라가 부착된 헤드마운트 디스플레이(Head Mounted Display, HMD)를 착용하여 가상현실(virtual reality, VR)이나 증강현실(augmented reality, AR)을 즐기는 방식이다.
비디오 시스루 장치는 경량 및 소형화될 것을 요구받고 있으며, 비디오 시스루 장치에 채용되는 광학계는 넓은 화각과 고품질의 이미지를 전달할 것을 요구받고 있다. 이러한 광학계는 사용자의 동공측으로부터 디스플레이 면측까지 광축 방향을 따라 배치되는 하나 혹은 복수의 렌즈 요소로 이루어진 렌즈계를 가지고 있다. 렌즈계는 고정된 시점에서 최대 화각에 대한 최대 성능을 내도록 설계되어 왔으며, 예를 들어 팬케이크(Pancake) 렌즈라고도 불리우는 반사굴절 렌즈계를 채용하여, 얇은 두께의 비디오 시스루 장치용 광학계를 구현하도록 한다.
해결하고자 하는 과제는 시력 조절이 가능한 반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치를 제공하는데 있다.
해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 측면에 따르는 반사굴절 렌즈계는 비디오 시스루 장치에 사용되는 반사굴절 렌즈계로서, 사용자 안구측으로부터 상면측을 향해 광축의 방향을 따라 순차적으로 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하며, 제1 렌즈의 상면과 마주보는 제2 면은 제2 렌즈로부터 오는 광의 적어도 일부를 반사시키고, 제2 렌즈의 상면과 마주보는 제4 면은 제1 렌즈으로부터 반사되어 오는 광의 적어도 일부를 재반사시키도록 구성되며, 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 순차적으로 양, 양, 음 및 양의 굴절력을 가지며, 제1 렌즈는 제2 렌즈와의 거리가 0.1mm 내지 1.1mm 범위내에서 광축 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 제1 렌즈의 이동 범위내에서의 굴절력의 변경은 -7D 내지 +1D의 범위내에 있다.
일 실시예에서, 제1 렌즈는 제2 렌즈와의 거리가 0.15mm 내지 1.03mm 범위내에서 광축 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다.
일 실시예에서, 광학 렌즈는 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서, 0.5 필드의 MTF가 fs/4에서 0.6 이상이며, 제1 렌즈의 이동 범위 내에서의 0.5 필드의 MTF는 0.6의 70% 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 광학 렌즈는 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서, 0.8 필드의 MTF가 fs/4 에서 0.4 이상이며, 배율이 조정되는 범위 내에서의 0.8 필드의 MTF는 0.4의 70% 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 반사굴절 렌즈계의 아이릴리프는 11mm ~ 14mm의 범위 내에 있을 수 있다.
일 실시예에서, 반사굴절 렌즈계는 화각이 85° ~ 95°의 범위 내에 있을 수 있다.
일 실시예에서, 반사굴절 렌즈계는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 마련되는 반사 편광자; 반사 편광자와 제2 렌즈 사이에 마련되는 1/4파장판; 및 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이에 마련되는 하프미러;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 반사 편광자와 1/4파장판은 제1 렌즈의 상면측 렌즈면에 필름 형태로 부착될 수 있다.
일 실시예에서, 반사굴절 렌즈계는 제4 렌즈와 상면 사이에 배치되는 제2의 1/4파장판을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2의 1/4파장판은 디스플레이 패널의 상면에 필름 형태로 부착될 수 있다.
일 실시예에서, 제2의 1/4파장판은 평면 기판에 부착되어 디스플레이 패널과 별개로 마련될 수도 있다.
일 실시예에서, 반사굴절 렌즈계는 제4 렌즈와 상면 사이에 배치되는 제2 선형 편광자와 제2 1/4파장판을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 플라스틱 렌즈일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 렌즈의 상면측 렌즈면은 평면일 수 있다.
다른 측면에 따르는 비디오 시스루 장치는 영상의 광이 출사되는 디스플레이 패널; 및 반사굴절 렌즈계를 포함하며, 반사굴절 렌즈계는, 사용자 안구측으로부터 상면측을 향해 광축의 방향을 따라 순차적으로 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하며, 제1 렌즈의 상면과 마주보는 제2 면은 제2 렌즈로부터 오는 광의 적어도 일부를 반사시키고, 제2 렌즈의 상면과 마주보는 제4 면은 제1 렌즈으로부터 반사되어 오는 광의 적어도 일부를 재반사시키도록 구성되며, 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 순차적으로 양, 양, 음 및 양의 굴절력을 가지며, 제1 렌즈는 상기 제2 렌즈와의 거리가 0.1mm 내지 1.1mm 범위내에서 광축 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 제1 렌즈의 이동 범위내에서의 굴절력의 변경은 -7D 내지 +1D의 범위내에 있다.
개시된 반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치는 시력 조절 기능을 제공할 수 있다.
개시된 반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치는 사용 편의성이 향상된 아이릴리프를 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 비디오 시스루 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 반사굴절 렌즈계가 제1 굴절력을 가지는 경우를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 반사굴절 렌즈계가 제2 굴절력을 가지는 경우를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 반사굴절 렌즈계가 굴절력을 변경하는 동안의 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리 변화량을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 디스플레이 패널을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 디스플레이 패널을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 디스플레이 패널을 개략적으로 도시한다.
도 8은 굴절력 -7D에서 적색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 9는 굴절력 -5D에서 적색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 10은 굴절력 -3D에서 적색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 11은 굴절력 -1D에서 적색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 12는 굴절력 +1D에서 적색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 13은 굴절력 -7D에서 녹색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 14는 굴절력 -5D에서 녹색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 15는 굴절력 -3D에서 녹색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 16은 굴절력 -1D에서 녹색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 17은 굴절력 +1D에서 녹색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 18은 굴절력 -7D에서 청색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 19는 굴절력 -5D에서 청색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 20은 굴절력 -3D에서 청색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 21은 굴절력 -1D에서 청색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 22는 굴절력 +1D에서 청색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계의 MFT 챠트이다.
도 23은 굴절력 -7D에서 반사굴절 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 24는 굴절력 -5D에서 반사굴절 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 25는 굴절력 -3D에서 반사굴절 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 26은 굴절력 -1D에서 반사굴절 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 27은 굴절력 +1D에서 반사굴절 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 개시의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서의 실시예들에서 사용되는 용어는 본 개시의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 개시를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 비디오 시스루 장치를 개략적으로 도시하며, 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 반사굴절 렌즈계(100)가 제1 굴절력을 가지는 경우를 개략적으로 도시하며, 도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 반사굴절 렌즈계(100)가 제2 굴절력을 가지는 경우를 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 전자 장치는 반사굴절 렌즈계(100)와 디스플레이 패널(190)을 포함한다. 전자 장치는 예를 들어 헤드 마운드 디스플레이(Head Moubted Display, HMD)와 같이 사용자가 착용한 상태에서 디스플레이 패널(190)에서 표시되는 이미지를 볼 수 있도록 구성된 비디오 시스루 장치일 수 있다. 반사굴절 렌즈계(100)는 디스플레이 패널(190)에서 생성된 이미지를 사용자의 동공으로 향하게 하는 것으로, 사용자가 전자 장치를 착용하게 되면, 반사굴절 렌즈계(100)는 사용자의 동공에 인접하여 위치하게 된다. 반사굴절 렌즈계(100)가 사용자의 동공에 인접하여 위치하게 된다는 점에서 전자 장치는 근안 디스플레이 장치(near-eye display apparatus)로 이해될 수 있다. 또한, 사용자가 전자 장치를 머리에 착용할 수 있다는 점에서, 전자 장치는 웨어러블 디바이스로 이해될 수도 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, 전자 장치는 별도의 카메라를 구비하여 현실 장면(real scene)을 촬영하고 현실 장면을 디스플레이 패널(190)를 통해 사용자에게 제공하도록 구성될 수도 있다. 이러한 전자 장치는 가상현실을 제공하는 가상현실 디바이스, 증강현실을 제공하는 증강현실 디바이스일 수 잇다. 도면에는 하나의 안구(E)에 대한 반사굴절 렌즈계(100) 및 디스플레이 패널(190)를 도시하고 있으나, 사용자의 좌안 및 우안 각각에 대해 반사굴절 렌즈계(100) 및 디스플레이 패널(190)가 마련될 수 있다.
반사굴절 렌즈계(100)는 제1 내지 제4 렌즈(110, 120, 130, 140)을 포함한다. 제1 내지 제4 렌즈(110, 120, 130, 140)는 물체측(즉, 사용자의 눈)으로부터 상면(191)측으로 순차적으로 배치된다. 제1 렌즈(110)의 전단에는 사용자의 눈(E)이 예정되어 있다.
제1 내지 제4 렌즈(110, 120, 130, 140)는 순차적으로 양(+), 양(+), 음(-), 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다.
제1 내지 제4 렌즈(110, 120, 130, 140)는 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 제1 내지 제4 렌즈(110, 120, 130, 140)는 각각 적어도 한 면이 비구면인 비구면 렌즈일 수 있다.
제1 렌즈(110)의 사용자의 눈(E)과 마주하는 제1 면(S2)은 정점이 물체측으로 볼록하고 적어도 하나의 변곡점을 갖는 비구면일 수 있다. 제1 렌즈(110)의 디스플레이 패널(190)에 마주하는 제2 면(S3)은 평면일 수 있다.
제1 렌즈(110)의 제2 면(S3)에는 원편광판(150)와 반사 편광자(155)가 마련될 수 있다. 반사 편광자(155)은 제1 렌즈(110)의 제2 면(S3)에 필름 형태로 부착되고, 원편광판(150)가 반사 편광자(155)에 필름 형태로 부착될 수 있다. 도 2 및 도 3에서는 편의상 원편광판(150)와 반사 편광자(155)가 도시되지 않았다.
반사 편광자(155)는 예를 들어 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 반사 편광자(155)는 제1 선편광의 광은 반사하고 제1 선편광에 직교하는 제2 선편광의 광은 투과시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광축(OA)의 방향을 z축 방향으로 할 때, 제1 선편광은 x축으로 편광되고 제2 선편광은 y축으로 편광된 것을 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
원편광판(150)는 선편광의 광을 좌원편광 또는 우원편광의 광으로 변환시키는 소자이다. 예를 들어, 원편광판(150)는 제1 선편광의 광을 제1 원편광(예를 들어 좌원편광)으로 편광 변환시키고, 제2 선편광의 광을 제1 원편광에 직교하는 제2 원편광(예를 들어 우원편광)으로 편광 변환시키는 광학 소자일 수 있다.
제2 렌즈(120)의 제3 면(S4)은 물체측으로 정점에서 볼록하고 적어도 하나의 변곡점을 갖는 비구면일 수 있다. 제2 렌즈(120)의 제4 면(S5)은 상면측으로 볼록한 비구면일 수 있다.
제2 렌즈(120)의 제4 면(S5)에는 하프미러(160)가 필름 형태로 부착될 수 있다. 하프미러(160)는 입사되는 광의 일부(예를 들어 50%의 광)를 투과시키고, 입사되는 광의 다른 일부(예를 들어 50%의 광)를 반사키는 광학소자이다. 도 2 및 도 3에서는 편의상 하프미러(160)가 도시되지 않았다.
제3 렌즈(130)의 제5 면(S6)은 물체측으로 정점에서 오목하고 적어도 하나의 변곡점을 갖는 비구면일 수 있다. 제3 렌즈(130)의 제6 면(S6)은 상면측으로 정점에서 볼록하고 적어도 하나의 변곡점을 갖는 비구면일 수 있다.
제4 렌즈(140)의 제7 면(S7)은 물체측으로 정점에서 볼록한 비구면일 수 있다. 제4 렌즈(140)의 제8 면(S8)은 상면측으로 정점에서 볼록한 비구면일 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시되듯이 제1 렌즈(110)는 광축 방향을 따라 이동가능하게 설치된다. 일 예로, 제1 렌즈(110)를 지지하는 가동홀더(180)는 제어부(미도시)의 제어신호에 의해 제어되어 제1 렌즈(110)를 광축(OA) 방향을 따라 이동시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예로, 가동홀더(180)는 수동적으로 조작되어 제1 렌즈(110)를 광축(OA) 방향을 따라 이동시킬 수도 있다. 제1 렌즈(110)의 광축(OA) 방향의 이동은 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 사이의 거리(d)는 0.1mm 내지 1.1mm, 바람직하게는 0.15mm 내지 1.03mm의 범위내에서 이루어질 수 있다.
반사굴절 렌즈계(100)는 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 사이의 거리(d)가 제1 거리에 있을 때에 제1 굴절력을 갖고, 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 사이의 거리(d)가 제2 거리에 있을 때에 제2 굴절력을 갖고, 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 사이의 거리(d)가 제1 거리와 제2 거리 사이에 있을 때에 제1 굴절력과 제2 굴절력의 사이 값을 갖도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 반사굴절 렌즈계(100)가 굴절력을 변경하는 동안의 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 사이의 거리(d)의 변화량을 보여주는 그래프이다. 도 4에서 가로축은 반사굴절 렌즈계(100)의 굴절력(단위: 디옵터(diopter), D)을 나타내며, 세로축은 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 사이의 거리(d)(단위: mm)를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 일 실시예에서 거리 d가 0.15mm일 때에 제1 굴절력은 -7D이고, 거리 d가 1.03mm일 때에 제2 굴절력은 +1D이고, 거리 d가 0.15mm ~ 1.03mm 사이에 있을 때, 반사굴절 렌즈계(100)의 굴절력은 -7D ~ +1D의 범위내에 있을 수 있다.
상기와 같이 제1 렌즈(110)의 광축(OA) 방향의 위치를 조절하여 반사굴절 렌즈계(100)의 배율을 조정하며, 이에 따라 사용자의 시력을 교정할 수 있게 되어, 저시력자일지라도 별도의 도수클립을 사용하지 않고 비디오 시스루 장치를 사용할 수 있게끔 한다.
아이릴리프(eye relief)(ER)는 제1 렌즈(110)의 광축(OA) 방향의 이동에 따라 변경된다. 달리 표현하면, 제1 렌즈(110)의 광축(OA) 방향의 이동에 따라 ER이 변경되므로, 반사굴절 렌즈계(100)의 굴절력에 따라 ER은 변경될 수 있다. 여기서, ER은 사용자의 눈과 접안렌즈(즉, 제1 렌즈(110)) 사이의 거리를 의미한다.
일 실시예에서 본 실시예의 반사굴절 렌즈계(100)는 사용자의 시력을 교정하기 위하여 제1 렌즈(110)의 위치를 조정하더라도, ER를 11mm ~ 14mm의 범위 내에 있도록 할 수 있다.
일 실시예에서 ER은 12mm ~ 13mm의 범위 내에 있도록 할 수 있다.
일 실시예에서 ER은 12.12mm ~ 13.0mm의 범위 내에 있도록 할 수 있다.
일 실시예에서 반사굴절 렌즈계(100)의 굴절력이 -7D일 때, ER은 13.0mm이고, 반사굴절 렌즈계(100)의 굴절력이 +1D일 때, ER은 12.12mm일 수 있다. 종래의 도수클립을 이용한 시력 교정의 경우, 도수클립이 수용될 공간이 확보되어야 하기에 ER을 늘려야 하였으나, 본 실시예의 반사굴절 렌즈계(100)는 제1 렌즈(110)의 위치 조정을 통해 시력 교정을 하므로, ER을 크게 할 필요가 없다. 또한, 본 실시예의 반사굴절 렌즈계(100)는 -7D ~ +1D의 시력 교정을 제공하면서도 ER 변화를 최소화시킬 수 있다.
본 실시예의 반사굴절 렌즈계(100)는 배율이 조정되더라도 균일한 성능을 유지할 수 있도록, 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서 다음과 같은 MFT(Modulation Transfer Fucntion)를 만족하도록 설계될 수 있다. 여기서, 설계 대표 파장은 적색 파장(656.0nm). 녹색 파장(587.0nm) 및 청색 파장(486.0nm) 중 적어도 어느 한 파장일 수 있다. 설계 대표 시력은 -7D, -5D, -3D, -1D, 및 +1D 중 적어도 어느 하나의 굴절력일 수 있다.
일 실시예에서 반사굴절 렌즈계(100)는 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서 0.5 필드의 MTF가 fs/4 에서 0.6 이상이며, 배율이 조정되는 범위 내에서의 0.5 필드의 MTF는 0.6의 70% 이상이 되도록 설계될 수 있다. 여기서 fs는 이론적인 분해능의 한계 주파수인 나이퀴스트 주파수(Nyquist frequency)를 의미한다.
일 실시예에서 반사굴절 렌즈계(100)는 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서 0.7 필드의 MTF가 fs/4 에서 0.5 이상이며, 배율이 조정되는 범위 내에서의 0.7 필드의 MTF는 0.5의 70% 이상이 되도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서 반사굴절 렌즈계(100)는 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서 0.8 필드의 MTF가 fs/4 에서 0.4 이상이며, 배율이 조정되는 범위 내에서의 0.8 필드의 MTF는 0.4의 70% 이상이 되도록 설계될 수 있다.
일 실시예의 반사굴절 렌즈계(100)는 OT < 2*ER을 만족하도록 설계될 수 있다. 여기서, f는 반사굴절 렌즈계(100)의 초점거리를 의미한다. 여기서, OT(Overall thickness)은 반사굴절 렌즈계(100) 전체의 두께로서, 제1 렌즈(110)의 제1 면(S2)의 정점에서 제4 렌즈(140의 제6 면(S9)의 정점까지의 거리를 나타낸다.
일 실시예의 반사굴절 렌즈계(100)는 70° ~ 100°(deg) 이상의 화각(Field of View, FOV)을 제공하도록 설계될 수 있다.
일 실시예의 반사굴절 렌즈계(100)는 85° ~ 95°의 화각을 제공하도록 설계될 수 있다.
일 실시예의 반사굴절 렌즈계(100)는 89° ~ 90.3°의 화각을 제공하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 반사굴절 렌즈계(100)는 사용성이 높을 것으로 예상되는 굴절력 -1D에서 최대 해상도를 이용할 수 있도록 90°의 화각을 제공하고, 굴절력 +1D에서 90.3°의 화각을 제공하고, 굴절력 -7D에서 89°의 화각을 제공하도록 설계될 수 있다. 이러한 경우, 시력 교정을 위해 굴절력을 변경하더라도, 화각 변화 및 해상도 변화를 최소화시킬 수 있게 된다.
일 실시예의 반사굴절 렌즈계(100)는 f < 2*ER을 만족하도록 설계될 수 있다. 여기서, f는 반사굴절 렌즈계(100)의 초점거리를 의미한다.
디스플레이 패널(190)은 제1 원편광(예를 들어 좌원편광 또는 우원편광)의 광으로 영상을 표시하는 평판 패널일 수 있다.
다음으로 반사굴절 렌즈계(100)에서의 광 경로에 대해 설명하기로 한다.
디스플레이 패널(190)에서 표시되는 영상의 광은 제4 렌즈(140) 및 제3 렌즈(130)를 순차적으로 경유하여 제2 렌즈(120)의 제4 면(S5)에 도달한다. 제2 렌즈(120)의 제4 면(S5)에 위치한 하프미러(160)에서 일부의 광은 반사되고, 일부의 광의 투과된다. 하프미러(160)에서 투과된 광은 제1 원편광을 유지한 상태로 제2 렌즈(120)를 거쳐 제1 렌즈(110)의 제2 면(S3)에 도달한다. 제1 원편광의 광은 제1 렌즈(110)의 제2 면(S3)에 위치한 1/4파장판(150)에 의해 제1 선편광의 광으로 변환되고, 반사 편광자(155)에서 반사된다. 반사 편광자(155)는 선편광의 편광방향을 변경하지 않으므로, 반사 편광자(155)에서 반사된 광은 제1 선편광을 유지한다. 제1 선편광의 광은 1/4파장판(150)을 다시 통과하면서 제1 원편광으로 다시 변환된다. 제1 원편광으로 다시 변환된 광은 제2 렌즈(120)를 거쳐 하프미러(160)에서 부분적으로 재반사된다. 하프미러(160)에서 반사는 제1 원편광의 광을 제1 원편광에 직교하는 제2 원편광의 광으로 변경한다. 하프미러(160)에서 재반사된 제2 원편광의 광은 다시 제2 렌즈(120)를 거쳐 1/4파장판(150)에 의해 제1 선편광에 직교하는 제2 선편광의 광으로 변환된다. 제2 선편광의 광은 반사 편광자(155)을 투과하여 사용자의 눈(E)으로 향하게 된다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 디스플레이 패널(290)을 개략적으로 도시한다. 도 5를 참조하면, 일 실시예에서 디스플레이 패널(290)은 LCD(Liquid Crystal Display) 패널일 수 있다. 디스플레이 패널(290)의 전면에는 제2의 1/4파장판(275)이 필름 형태로 부착되어 있을 수 있다. LCD 패널 자체는 선편광 광으로 영상을 표시하므로, 디스플레이 패널(290)에서의 방출되는 선편광의 광은 제2의 1/4파장판(175)에 의해 원편광의 광으로 변환된다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 디스플레이 패널(290)을 개략적으로 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제2의 1/4파장판(270)는 평면 기판에 부착되어 디스플레이 패널(290)과 별개로 마련될 수도 있다. 제2의 1/4파장판(270)은 디스플레이 패널(290)의 전면에 접하거나 또는 이격되어 배치될 수도 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 디스플레이 패널(390)을 개략적으로 도시한다. 도 7을 참조하면, 일 실시예에서 디스플레이 패널(390)은 OLED(Organic Light Emitting Diode) 패널, 마이크로 LED(micro Light Emitting Diode, μLED) 패널일 수 있다. OLED 패널이나 μLED은 무편광의 광으로 영상을 표시할 수 있으므로, 디스플레이 패널(390)의 전면에는 선편광자(371)와 제2의 1/4파장판(370)이 필름 형태로 부착되어 있을 수 있다. 선편광자(371)와 제2의 1/4파장판(370)은 평면 기판에 부착된 형태로 디스플레이 패널(390)의 전면에 이격되어 배치될 수도 있다. 디스플레이 패널(390)에서의 방출되는 광은 선편광자(371)에 의해 선편광의 광으로 변환되고, 이후 제2의 1/4파장판(370)에 의해 원편광의 광으로 변환된다.
다음으로, 수치 실시예를 참조하여 반사굴절 렌즈계(100)를 설명하도록 한다.
수치 실시예에서 Y는 곡률 반경을, 두께는 렌즈의 두께 또는 렌즈와 렌즈 사이의 간격을 나타낸다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 반사굴절 렌즈계(100)에 사용되는 비구면의 정의를 나타내면 다음과 같다.
비구면 형상은 광축 방향을 z축으로 할 때, 광축 방향에 대해 원통형 극 좌표계에서 포브스(Forbes) Q-con 다항식을 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
< 비구면 방정식 >
여기서, a0은 (디스플레이 면으로부터 측정된) 광축을 따른 꼭지점 위치이고, k는 코닉 상수(conic constant)이고, δ=1/Y이고, Y는 정점(apex)의 반지름이고, g2 i+4는 포브스(Forbes) Q-con 다항식 Qi con의 계수이다(Forbes, Shape specification for axially symmetric optical surfaces, Optics Express, Vol. 15, Issue 8, pp. 5218-5226 (2007)).
반사굴절 렌즈계(100)의 화각은 90°이며, 상면(S10)의 길이는 9.25mm를 기준으로 한다.
표 1 및 표 2에서 부호 S2, S3, …, S9는 도 2 및 도 3에 도시된 렌즈 면을 나타낸다. S1은 스톱(Stop)을 의미하며, 사용자의 동공에 대응될 수 있다. S10은 디스플레이 패널(190)의 상면을 나타낸다.
표 1 및 표 2에서 부호 S1, S2, S3, S4, S5, S6, …, S9에 속하는 열의 수치 데이터는 상면측에서 물체측으로 진행하는 광에 대한 것이며, 부호 S4-2, S5-2에 속하는 열의 수치 데이터는 렌즈 면에서 반사되어 되돌아온 광에 대한 것이다. S4-3에 속하는 열의 수치 데이터는 2번 반사된 광에 대한 것으로 S4 열의 수치 데이터와 실질적으로 같음을 볼 수 있다. Y는 곡률 반경을, T는 렌즈의 두께 또는 렌즈와 렌즈 사이의 공기 간격을 나타내며, 길이는 모두 mm 단위이다.
면 면 유형 Y T 재질 굴절 모드
물체 Sphere Infinity -142.8571 Refract
S1 Sphere Infinity 13.0000 Refract
S2 Qcon Asphere 194.7172 1.9604 'EP900025' Refract
S3 Sphere Infinity 0.1500 Refract
S4 Qcon Asphere 133.0892 5.0432 'APEL5014' Refract
S5 Qcon Asphere -48.9477 -5.0432 'APEL5014' Reflect
S4-2 Qcon Asphere 133.0892 -0.1500 Refract
S3-2 Sphere Infinity 0.1500 Reflect
S4-3 Qcon Asphere 133.0892 5.0432 'APEL5014' Refract
S5-2 Qcon Asphere -48.9477 0.1500 Refract
S6 Qcon Asphere -56.1009 3.2731 'APEL5014' Refract
S7 Qcon Asphere 24.6043 0.1500 Refract
S8 Qcon Asphere 25.3506 3.5273 'EP900025' Refract
S9 Qcon Asphere -263.7871 0.5389 Refract
S10 Sphere Infinity -0.0297 　
매개변수 S2 S4 S5 S6 S7 S8 S9
Y 반경 194.7172 133.0892 -48.9477 -56.1009 24.6043 25.3506 -263.7871
정규 반경 15.7464 17.2303 18.3653 14.9473 13.9669 12.6920 9.9401
4차 Qcon 계수 -0.1034 -1.0204 0.0549 7.7669 17.9614 -1.3531 0.1618
6차 Qcon 계수 -0.1124 -0.2239 -0.1256 3.0902 8.7554 0.1153 0.1147
8차 Qcon 계수 0.0109 0.0369 0.0214 1.5614 -5.2765 0.1577 0.0695
10차 Qcon 계수 -0.0117 0.0712 0.0381 0.8672 -8.6356 1.0137 0.0213
12차 Qcon 계수 0.0014 0.0074 0.0050 0.1982 -6.7673 1.4357 0.0128
14차 Qcon 계수 0.0017 -0.0118 -0.0052 0.1145 -1.9015 1.7700 -0.0535
16차 Qcon 계수 0.0021 -0.0115 -0.0054 -0.0291 0.1683 1.2264 -0.0292
18차 Qcon 계수 -0.0013 0.0104 0.0038 -0.0053 0.6796 0.7896 0.0442
20차 Qcon 계수 0.0001 -0.0024 -0.0011 -0.0484 0.0089 0.1952 -0.0180
다음으로 MTF 챠트를 참조하여, 전술한 수치 실시예에 따른 반사굴절 렌즈계(100)의 성능을 설명하기로 한다.
도 8은 -7D에서 적색 파장(656.0nm)에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 9는 -5D에서 적색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 10은 -3D에서 적색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 11은 -1D에서 적색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 12는 +1D에서 적색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이다.
도 13은 -7D에서 녹색 파장(587.0nm)에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 14는 -5D에서 녹색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 15는 -3D에서 녹색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 16은 -1D에서 녹색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 17은 +1D에서 녹색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이다.
도 18은 -7D에서 청색 파장(486.0nm)에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 19는 -5D에서 청색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 20은 -3D에서 청색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 21은 -1D에서 청색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이며, 도 22는 +1D에서 청색 파장에 대한 반사굴절 렌즈계(100)의 MFT 챠트이다.
도 8 내지 도 22에서 가로축은 공간주파수를 나타내며, 세로축은 20lp/mm에서의 초점관통(Through Focus) MFT를 나타낸다. 도 8 내지 도 22에서 실선으로 표시된 곡선들은 렌즈 중심에서의 동심원 방향으로 퍼지는 선 형태에 대한 MTF를 의미하며, 점선으로 표시된 곡선들은 렌즈 중심에서 바퀴 살 모양으로 퍼지는 선 형태에 대한 본 MTF를 의미한다. 도 8 내지 도 22에서 서로 다른 곡선들은 서로 다른 필드(field)에서의 MTF를 의미한다.
도 11 내지 도 25를 참조하면, 상술한 수치 실시예에 따른 반사굴절 렌즈계(100)는 굴절력이 -7D에서 +1D로 변경되는 동안, 설계 대표 파장(적색 파장(656.0nm). 녹색 파장(587.0nm) 및 청색 파장(486.0nm)) 및 설계 대표 시력(-7D, -5D, -3D, -1D, +1D)에서 타겟 해상도 35lp/mm의 MTF 값이 0.5 이상을 실질적으로 유지함을 볼 수 있다.
한편, 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서, 0.5 필드의 MTF가 fs/4에서 0.6 이상이며, 배율이 조정되는 범위 내에서의 0.5 필드의 MTF는 0.6의 70% 이상이 됨을 볼 수 있다.
설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서, 0.7 필드의 MTF가 fs/4 에서 0.5 이상이며, 배율이 조정되는 범위 내에서의 0.7 필드의 MTF는 0.5의 70% 이상이 됨을 볼 수 있다.
설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서, 0.8 필드의 MTF가 fs/4 에서 0.4 이상이며, 배율이 조정되는 범위 내에서의 0.8 필드의 MTF는 0.4의 70% 이상이 됨을 볼 수 있다.
도 23은 굴절력 -7D에서 반사굴절 렌즈계(100)의 종방향 구면수차(longitudinal spherical aberation), 비점수차(astigmatic field curves) 및 왜곡(distortion)을 보여주는 수차도이며, 도 24는 굴절력 -5D에서 반사굴절 렌즈계(100)의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡을 보여주는 수차도이며, 도 25는 굴절력 -3D에서 반사굴절 렌즈계(100)의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡을 보여주는 수차도이며, 도 26은 굴절력 -1D에서 반사굴절 렌즈계(100)의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡을 보여주는 수차도이며, 도 27은 굴절력 +1D에서 반사굴절 렌즈계(100)의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
전술한 본 발명인 반사굴절 렌즈계 및 이를 채용한 비디오 시스루 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 반사굴절 렌즈계
110, 120, 130, 140: 렌즈
150, 270, 370: 1/4파장판
155: 반사 편광자
160: 하프미러
190, 290, 390: 디스플레이 패널
171: 상면
180: 가동홀더
371: 선편광자

Claims (17)

  1. 비디오 시스루 장치에 사용되는 반사굴절 렌즈계로서,
    사용자 안구측으로부터 상면측을 향해 광축의 방향을 따라 순차적으로 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하며,
    상기 제1 렌즈의 상기 상면과 마주보는 제2 면은 상기 제2 렌즈로부터 오는 광의 적어도 일부를 반사시키고, 상기 제2 렌즈의 상기 상면과 마주보는 제4 면은 상기 제1 렌즈으로부터 반사되어 오는 광의 적어도 일부를 재반사시키도록 구성되며,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 순차적으로 양, 양, 음 및 양의 굴절력을 가지며,
    상기 제1 렌즈는 상기 제2 렌즈와의 거리가 0.1mm 내지 1.1mm 범위내에서 광축 방향으로 이동 가능하게 설치되며,
    상기 제1 렌즈의 이동 범위내에서의 굴절력의 변경은 -7D 내지 +1D의 범위내에 있는, 반사굴절 렌즈계.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 제2 렌즈와의 거리가 0.15mm 내지 1.03mm 범위내에서 광축 방향으로 이동 가능하게 설치되는, 반사굴절 렌즈계.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 렌즈는 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서, 0.5 필드의 MTF가 fs/4에서 0.6 이상이며,
    상기 제1 렌즈의 이동 범위 내에서의 0.5 필드의 MTF는 0.6의 70% 이상인, 반사굴절 렌즈계.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 렌즈는 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서, 0.7 필드의 MTF가 fs/4 에서 0.5 이상이며,
    배율이 조정되는 범위 내에서의 0.7 필드의 MTF는 0.5의 70% 이상인, 반사굴절 렌즈계.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 렌즈는 설계 대표 파장과 설계 대표 시력에서, 0.8 필드의 MTF가 fs/4 에서 0.4 이상이며,
    배율이 조정되는 범위 내에서의 0.8 필드의 MTF는 0.4의 70% 이상인, 반사굴절 렌즈계.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 반사굴절 렌즈계의 아이릴리프는 11mm ~ 14mm의 범위 내에 있는, 반사굴절 렌즈계.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 반사굴절 렌즈계는 화각이 85° ~ 95°의 범위 내에 있는, 반사굴절 렌즈계.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이에 마련되는 반사 편광자;
    상기 반사 편광자와 상기 제2 렌즈 사이에 마련되는 1/4파장판; 및
    상기 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이에 마련되는 하프미러;를 더 포함하는, 반사굴절 렌즈계.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 반사 편광자와 상기 1/4파장판은 상기 제1 렌즈의 상면측 렌즈면에 필름 형태로 부착된, 반사굴절 렌즈계.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제4 렌즈와 상면 사이에 배치되는 제2의 1/4파장판을 더 포함하는, 반사굴절 렌즈계.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제2의 1/4파장판은 디스플레이 패널의 상면에 필름 형태로 부착된, 반사굴절 렌즈계.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제2의 1/4파장판은 평면 기판에 부착되어 디스플레이 패널과 별개로 마련된, 반사굴절 렌즈계.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 제4 렌즈와 상면 사이에 배치되는 제2 선형 편광자와 제2 1/4파장판을 더 포함하는, 반사굴절 렌즈계.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 플라스틱 렌즈인, 반사굴절 렌즈계.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 비구면 렌즈인, 반사굴절 렌즈계.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 상면측 렌즈면은 평면인, 반사굴절 렌즈계.
  17. 영상의 광이 출사되는 디스플레이 패널; 및
    제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항의 반사 굴절 렌즈계;를 포함하는, 비디오 시스루 장치.
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