WO2022050519A1 - Optical system of head mounted display and head mounted display with same - Google Patents

Optical system of head mounted display and head mounted display with same Download PDF

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WO2022050519A1
WO2022050519A1 PCT/KR2021/001093 KR2021001093W WO2022050519A1 WO 2022050519 A1 WO2022050519 A1 WO 2022050519A1 KR 2021001093 W KR2021001093 W KR 2021001093W WO 2022050519 A1 WO2022050519 A1 WO 2022050519A1
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WO
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image light
waveguide
incident
angle
optical system
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/001093
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Inventor
박재완
한동호
최장호
유선영
이상준
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주식회사 맥스트
주식회사 파노비젼
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Publication date
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • G02B27/017Head mounted
    • G02B27/0172Head mounted characterised by optical features
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • G02B27/017Head mounted
    • G02B2027/0178Eyeglass type

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to head mounted displays.
  • a head mounted display is a device that displays an image while worn on a user's head. Recently, a technology for providing content of virtual reality or augmented reality using a head mounted display is increasing.
  • the disclosed embodiment is to provide an optical system of a head mounted display capable of obtaining a wider viewing angle while reducing the thickness of the optical system, and a head mounted display having the same.
  • the disclosed embodiment is to provide an optical system for a head mounted display having an inverse active exit pupil expansion function and a head mounted display having the same.
  • An optical system of a head mounted display includes: a display panel for generating image light; a reflective polarizing plate that reflects one of the polarization components of the image light; a convex curved mirror for enlarging the image light reflected from the reflective polarizing plate and reflecting it toward the reflective polarizing plate; a phase shift film disposed between the reflective polarizing plate and the convex curved mirror and configured to change a polarization direction of the image light; an incident lens for collimating the image light reflected from the convex curved mirror and transmitted through the reflective polarizing plate; and a waveguide on which the light collimated by the incident lens is incident, and a waveguide for emitting the incident image light toward the user's eye, wherein the waveguide includes: a first surface on which the light collimated by the incident lens is incident; a second surface provided parallel to the first surface and emitting the image light totally reflected from the first surface toward the user's eye; and a plurality of inclined portions
  • the image light is provided to be inclined at a predetermined angle from the first surface so that the image light is totally reflected from the first surface, and the inclination angle ⁇ i of the entrance surface of the waveguide and the inclination angle ⁇ r of the inclined portion are the relationship according to the following equation have,
  • the incident angle ⁇ 0 of the image light collimated by the incident lens and the inclination angle ⁇ i of the entrance face have a relationship according to the following equation,
  • n 1 refractive index of the waveguide
  • the incident angle ⁇ 0 is an angle at which the image light collimated by the incident lens is inclined with respect to an axis perpendicular to the entrance surface of the waveguide
  • the inclination angle ⁇ i is the angle at which the entrance surface of the waveguide is the second 1 is an inclined angle with respect to the surface
  • the inclined portion may be partially reflectively coated to partially reflect the image light totally reflected from the first surface to change the direction of the image light toward the eye side of the user.
  • the inclined portion may be provided with a length smaller than a width of the waveguide, one end connected to the second surface, and the other end spaced apart from the first surface.
  • the image light collimated by the incident lens may be primarily focused before reaching the inclined portion, and may be provided to be secondary focused in front of the user's eyes by the inclined portion after being totally reflected on the first surface.
  • a plurality of the inclined portions are produced by injection molding individually, a plurality of pieces are arranged in a line so as to be in contact with each other, and then partially reflective coated on one surface, and the plurality of portions are rotated at a predetermined angle to have an inclination with respect to the second surface. It may be provided by being bonded to the second surface of the waveguide.
  • the inclined portion may be made of a material having the same refractive index as that of the waveguide.
  • the phase shift film is configured to displace the polarization direction of the image light reflected from the reflective polarizing plate by ⁇ /4 ( ⁇ : wavelength of the image light), and displace the polarization direction of the image light reflected from the convex curved mirror by ⁇ /4 catalog may be prepared.
  • the field of view (FoV) according to the image light is set by the incident angle ⁇ 0 determined by the above equations, and the relationship between the incident angle ⁇ 0 and the viewing angle of the image light is in the following equation can be expressed by
  • An optical system of a head mounted display has a first surface and a second surface parallel to each other, and image light collimated by the optical system is incident on the first surface, and the incident image light a waveguide for emitting the light to the user's eye side through the second surface; and a plurality of inclined portions provided on the second surface of the waveguide to be spaced apart from each other and parallel to each other and provided to be inclined at a predetermined angle from the second surface, wherein the entrance surface of the waveguide includes image light collimated through the optical system.
  • the incident angle ⁇ 0 of the image light collimated by the incident lens and the inclination angle ⁇ i of the entrance face have a relationship according to the following equation,
  • n 1 refractive index of the waveguide
  • the incident angle ⁇ 0 is an angle at which the image light collimated by the optical system is inclined with respect to an axis perpendicular to the entrance surface of the waveguide
  • the inclination angle ⁇ i is the angle at which the entrance surface of the waveguide is the first It is an angle inclined with respect to the surface, and by the relationship according to the above equation, the collimated image light is totally reflected from the first surface, is incident on the inclined portion, is reflected from the inclined portion, and can be emitted toward the user's eye. there is.
  • the primary focused image light by causing the primary focused image light to be secondary focused in front of the user's eyes through a plurality of inclinations in the waveguide, the area in which the user can check the entire image can be expanded and the viewing angle can be expanded. be able to That is, since a wide viewing angle can be realized by re-activating the already-focused image light through a plurality of inclinations in the waveguide, users having various eye intervals or eye positions can comfortably view the virtual image.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a head mounted display according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing an optical system of a head mounted display having an inverse eye-box extensible function according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view for explaining a state of inversely activating a previously focused image light in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view illustrating a state in which an exit pupil is expanded in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between an entrance angle of a waveguide and an inclination angle of an inclined portion in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between an inclination angle of an entrance surface of a waveguide and an incident angle of image light in an optical system of a head mounted display according to an exemplary embodiment
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a method of forming an inclined portion in a waveguide in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure
  • the terms "transmission”, “communication”, “transmission”, “reception” and other similar meanings of a signal or information are not only directly transmitted from one component to another component, but also a signal or information This includes passing through other components.
  • to “transmit” or “transmit” a signal or information to a component indicates the final destination of the signal or information and does not imply a direct destination. The same is true for “reception” of signals or information.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a head mounted display according to an embodiment of the present invention.
  • a head mounted display 100 is provided to be worn on a user's head, and refers to a device for displaying and providing content to a user through a display screen.
  • the head mounted display 100 may display various contents such as 3D contents, augmented reality contents, virtual reality contents, and images on a screen using an image display means.
  • the image display means is for visually displaying various types of content, and may include, for example, an LCD panel, an OLED panel, an LCoS panel, a PDP, a transparent display, and the like.
  • the head mounted display 100 may be implemented as various types of devices (eg, including smart glasses) configured to be worn on a user's head.
  • the head mounted display 100 may be provided in a see-through form.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an optical system of a head mounted display having an inverse eye-box extensible function according to an embodiment of the present invention.
  • the optical system 102 of the head mounted display 100 includes a display panel 111 , a reflective polarizer 113 , a phase shift film 115 , a convex mirror 117 , and an incident lens 119 . ), a waveguide 121 , and an inclined portion 123 .
  • the display panel 111 may generate image light of content to be displayed on the head mounted display 100 .
  • the display panel 111 may have various forms such as an LCD panel, an OLED panel, an LCoS panel, and a PDP.
  • the reflective polarizing plate 113 may be positioned in front of the display panel 111 .
  • the reflective polarizer 113 may reflect one of the polarization components of the image light generated by the display panel 111 toward the convex mirror 117 . That is, the reflective polarizing plate 113 may reflect either the P-wave or the S-wave of the image light generated by the display panel 111 toward the convex mirror 117 .
  • the reflective polarizing plate 113 is formed in front of the display panel 111 with the display panel 111 to reflect one of the P-wave and the S-wave among the image light generated by the display panel 111 toward the convex mirror 117 . In contrast, it may be provided to be inclined.
  • the phase shift film 115 may be provided between the reflective polarizing plate 113 and the convex curved mirror 117 .
  • the phase shift film 115 may be provided on one surface of the convex curved mirror 117 , but is not limited thereto.
  • the phase shift film 115 may change the polarization direction of the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 .
  • the phase shift film 115 may shift the polarization direction of the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 by ⁇ /4 ( ⁇ is the wavelength of the image light). That is, the phase shift film 115 may be a ⁇ /4 phase shift film.
  • the phase shift film 115 may shift the polarization direction of the image light internally reflected from the convex curved mirror 117 by ⁇ /4 ( ⁇ is the wavelength of the image light).
  • the convex curved mirror 117 may be positioned in a traveling direction of the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 .
  • the convex curved mirror 117 may be positioned on the reflective polarizing plate 113 .
  • the convex curved mirror 117 may enlarge and internally reflect the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 .
  • the other surface (ie, the surface opposite to the surface on which the phase shift film 115 is formed) 117a of the convex curved mirror 117 may be coated with a reflective coating to internally reflect image light.
  • the polarization direction of the image light magnified and internally reflected by the convex mirror 117 is changed again while passing through the phase shift film 115 .
  • the phase shift film 115 is a ⁇ /4 phase shift film
  • the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 has a polarization direction shifted by ⁇ /4 by the phase shift film 115, and a convex curved mirror ( 117)
  • the polarization direction is displaced by ⁇ /4 again through the phase shift film 115 after being enlarged and internally reflected, and the total displacement in the polarization direction is made by ⁇ /2, resulting in a reflective polarizing plate 113 will pass through That is, since the image light is shifted in the polarization direction by a total of ⁇ /2 by the phase shift film 115 , it passes through the reflective polarizing plate 113 without being reflected from the reflective polarizing plate 113 .
  • the incident lens 119 may be positioned between the reflective polarizing plate 113 and the waveguide 121 .
  • the incident lens 119 may be located under the reflective polarizing plate 113 .
  • the incident lens 119 may be provided at a position opposite to the convex curved mirror 117 with respect to the reflective polarizing plate 113 .
  • the incident lens 119 may collimate the image light passing through the reflective polarizing plate 113 to be incident on the waveguide 121 .
  • the waveguide 121 may be positioned in front of the user's eyes.
  • the waveguide 121 may be provided to have a predetermined length in a vertical direction from a lower portion of the incident lens 119 .
  • the waveguide 121 may include a first surface 121a and a second surface 121b that are parallel to each other.
  • the first surface 121a may be a surface on which the image light collimated by the incident lens 119 is incident.
  • the first surface 121a may be disposed at a specific angle with the incident surface to totally reflect the image light collimated by the incident lens 119 .
  • the second surface 121b may be a surface through which image light is emitted toward the user's eyes.
  • the second surface 121b may emit the image light totally reflected from the first surface 121a toward the user's eyes.
  • the second surface 121b may be a surface facing the user's eyes.
  • the first surface 121a may be a surface opposite to the second surface 121b of the waveguide 121 .
  • the entrance of the waveguide 121 may be provided with a cross-sectional area wider than that of the main body (a portion where the inclined portion 123 is formed) of the waveguide 121 .
  • the entrance surface of the waveguide 121 ie, the incident surface on which the image light collimated by the incident lens 119 is incident
  • the entrance surface of the waveguide 121 may be inclined at a predetermined angle.
  • both the maximum and minimum angles of the image light collimated by the incident lens 119 cannot pass through the waveguide 121 and are totally reflected on the first surface 121a of the waveguide 121, but , may be provided at an angle to minimize the number of total reflection. A detailed description thereof will be described later with reference to FIG. 5 .
  • the inclined portion 123 may be provided in the waveguide 121 .
  • a plurality of inclined portions 123 may be provided to be spaced apart from each other in the waveguide 121 .
  • the interval between the inclined portions 123 may be within 2 mm. In this case, it is possible to provide a continuous image while reducing loss of image light.
  • the inclined portion 123 may be provided on the surface (ie, the second surface 121b) from which the image light is emitted within the waveguide 121 .
  • the inclined portion 123 may be provided to be inclined at a predetermined angle from the second surface 121b to the second surface 121b.
  • the inclined portion 123 may be provided with a length smaller than the width of the waveguide 121 .
  • the inclined portion 123 having one end connected to the second surface 121b may be provided with the other end spaced apart from the first surface 121a.
  • the inclined portion 123 may partially reflect the image light totally reflected from the first surface 121a to change the direction of the image light to the user's eye direction.
  • the inclined portion 123 may be provided with a partially reflective coating. As the inclined portion 123 is partially reflectively coated, the user can also see the image light reflected from the inclined portion 123 while viewing the external background on the other side of the waveguide 121 .
  • the image light whose direction is changed by the inclination part 123 is emitted toward the user's eyes through the second surface 121b.
  • the inclination part 123 may be provided so that the collimated image light passes through a focusing point and is reversely focused again to be transmitted to the user's eyes. A detailed description thereof will be described with reference to FIG. 3 .
  • FIG. 3 is a view for explaining a state in which a previously focused image light is reversely activated in the optical system of the head mounted display according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 (a) is a view showing a state in which the image light passing through the focusing point is reflected from a general reflective surface and transmitted to the user,
  • Figure 3 (b) is through a partially reflected inclined portion according to the disclosed embodiment
  • It is a diagram illustrating a state in which the focusing point is reversely activated.
  • the image light collimated by the optical system 50 intersects the maximum inclined light L1 on one side and the maximum inclined light L2 on the other side of the image light at the focusing point F. will proceed in the form.
  • the two maximum inclined lights L1 and L2 reflected from the general reflective surface 60 toward the user are not focused and continue to diverge.
  • the light forming the image does not reach the user's pupil, so the entire screen cannot be viewed, and the entire image can be viewed only by moving the eye to the focusing point (F). have no choice but to have
  • the exit pupil becomes narrower, so there is a limit in expanding the field of view that determines the size of the virtual image.
  • the image light collimated by the optical system 50 has two maximum inclined lights L1 and L2 at the primary focusing point F1 as in FIG. 3 (a). They intersect and diverge from each other.
  • the one-side maximum inclined light L1 is first reflected by the first inclined portion 71 , and the second maximum inclined light L2 is reflected from the second inclined portion 72 after passing a certain distance and has already been emitted.
  • a secondary focusing point F2 that activates inversely is generated. That is, by creating the secondary focusing point F2 between the first and second inclined portions 71 and 72 and the user's eye, the entire image can be checked even at a distance from the optical system 50 , It is possible to easily construct an optical system with an extension of the exit pupil and a wide viewing angle.
  • the two maximum oblique lights L1 and L2 that are emitted after passing through the primary focusing point F1 may be secondarily focused again through the plurality of inclination units 71 and 72 .
  • the two maximum oblique lights L1 and L2 intersect at the secondary focusing point F2 formed in front of the user's eyes, the entire image can be checked from the user's eyes and a wide viewing angle can be configured.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which an exit pupil is expanded in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure.
  • a bundle of image rays collimated by the incident lens 119 is incident into the waveguide 121 to form a primary exit pupil region E1 (ie, primary focusing region).
  • the primary exit pupil region E1 may be formed before reaching the inclined portion 123 .
  • the image beam group is totally reflected from the first surface 121a and then reflected from the inclined portions 123 formed on the second surface 121b provided in parallel with the first surface 121a, respectively, in front of the user's eyes.
  • the secondary exit pupil region E2 ie, secondary focusing region
  • the bundle of image beams passing through the primary exit pupil region E1 forms the secondary exit pupil region E2 in front of the user's eyes through the plurality of inclined portions 123 partially reflectively coated, so that the optical system (including the display panel 111, the reflective polarizer 113, the phase shift film 115, the convex mirror 117, and the incident lens 119) to increase the area in which the entire image can be checked even at a long distance and, accordingly, it is possible to easily configure a wide viewing angle.
  • the optical system including the display panel 111, the reflective polarizer 113, the phase shift film 115, the convex mirror 117, and the incident lens 119
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between an entrance angle of a waveguide and an inclination angle of an inclined portion in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure
  • the entrance surface 121c of the waveguide 121 may be inclined at a predetermined angle ⁇ i with the first surface 121a. That is, the entrance surface 121c of the waveguide 121 on which the image ray group of the bundle collimated through the optical system is incident is constant so that all the image ray groups of the incident bundle are totally reflected on the first surface 121a of the waveguide 121 .
  • the angle ⁇ i may be inclined.
  • the inclination angle ⁇ i of the entrance surface 121c of the waveguide 121 and the inclination angle of the inclined portion 123 ( ⁇ r ) may have a relationship as in Equation 1 below.
  • the inclination angle ⁇ i of the entrance surface 121c of the waveguide 121 capable of limiting the number of total reflections within the waveguide 121 to 1 to 2 and the It becomes possible to set the inclination angle ⁇ r .
  • the inclination angle ⁇ i of the entrance surface 121c of the waveguide 121 capable of limiting the number of total reflections within the waveguide 121 to 1 to 2 and the It becomes possible to set the inclination angle ⁇ r .
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between an inclination angle of an entrance surface of a waveguide and an incident angle of image light in an optical system of a head mounted display according to an exemplary embodiment.
  • the field of view (FoV) that determines the size of the virtual screen according to the image light is the angle ( ⁇ ) at which the image light collimated by the optical system is incident on the entrance surface 121c of the waveguide 121 . 0 ) and has the same relationship as Equation 2 below.
  • the incident angle ⁇ 0 of the image light may mean an angle inclined with respect to an axis perpendicular to the entrance surface 121c.
  • the image light incident on the entrance surface 121c of the waveguide 121 is refracted by the refractive index of the waveguide 121 inside the waveguide 121 .
  • the incident angle ⁇ 0 of the image light and the refraction angle ⁇ 1 refracted by the refractive index of the waveguide 121 have the same relationship as in Equation 3.
  • n 1 represents the refractive index of the waveguide 121 .
  • the angle ⁇ 2 of the totally reflected image light must be greater than the total internal reflection critical angle ⁇ c of the waveguide 121 as shown in Equation 5 below.
  • Equation 5 can be expressed again as Equation 6 below.
  • Equation 6 can be expressed as a relationship between the incident angle ⁇ 0 of the image light and the inclination angle ⁇ i of the entrance surface 121c of the waveguide 121 as in Equation 7 .
  • Equation 7 it is possible to set a maximum viewing angle that determines the size of a virtual image that is totally reflected in the waveguide 121 and transmitted to the user through the inclination unit 123 .
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a method of forming an inclined portion in a waveguide in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure
  • a plurality of inclined portions 123 to be provided in the waveguide 121 may be respectively formed by injection molding ( FIG. 7A ).
  • a plurality of inclined portions 123 are provided in the form of a plate to be provided in parallel with each other in the waveguide 121 , and the shape may be provided in any one of a parallelogram, a triangle, a rectangle, and a trapezoid.
  • the inclined portion 123 may be formed by injection molding with a material having the same refractive index as that of the waveguide 121 .
  • partial reflection coating may be performed on one surface of the plurality of inclined portions 123 ( FIG. 7B ).
  • the plurality of inclined portions 123 may be rotated at the same angle to have an inclination, and the partially reflective coated surfaces may be arranged to be parallel to each other (FIG. 7(c)).
  • the plurality of inclined portions 123 inclined at a predetermined angle may be bonded to the second surface 121b of the waveguide 121 (FIG. 7(d)).
  • the same image light as the image light partially reflected through each inclined part 123 partially passes through the corresponding inclined part 123 and is partially reflected again at the next inclined part 123 , so that an additional exit pupil expansion function is performed.

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Abstract

Disclosed are an optical system of a head mounted display and a head mounted display with same. The optical system, according to one disclosed embodiment, comprises: a display panel for generating image light; a reflective polarizing plate for reflecting one polarized component among polarized components of the image light; a convex curved mirror for enlarging the image light reflected from the reflective polarizing plate, and reflecting same toward the reflective polarizing plate; a phase shift film disposed between the reflective polarizing plate and the convex curved mirror so as to change the direction of polarization of the image light; an incident lens for collimating the image light which has been reflected from the convex curved mirror and transmitted through the reflective polarizing plate; and a waveguide having the light, collimated by the incident lens, incident thereon, and emitting the incident image light toward an eye of a user.

Description

헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템 및 이를 구비하는 헤드 마운트 디스플레이Optical system of head mounted display and head mounted display having same
본 발명의 실시예는 헤드 마운트 디스플레이와 관련된다.Embodiments of the present invention relate to head mounted displays.
헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display)는 사용자의 머리에 착용한 상태에서 영상을 디스플레이 하는 장치이다. 최근, 헤드 마운트 디스플레이를 사용하여 가상 현실 또는 증강 현실의 콘텐츠를 제공하는 기술이 증가하고 있다.A head mounted display is a device that displays an image while worn on a user's head. Recently, a technology for providing content of virtual reality or augmented reality using a head mounted display is increasing.
개시되는 실시예는 광학계의 두께를 줄이면서 보다 넓은 광 시야각을 얻을 수 있는 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템 및 이를 구비하는 헤드 마운트 디스플레이를 제공하기 위한 것이다. The disclosed embodiment is to provide an optical system of a head mounted display capable of obtaining a wider viewing angle while reducing the thickness of the optical system, and a head mounted display having the same.
개시되는 실시예는 역활성 출사동 확장 기능을 갖는 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템 및 이를 구비하는 헤드 마운트 디스플레이를 제공하기 위한 것이다. The disclosed embodiment is to provide an optical system for a head mounted display having an inverse active exit pupil expansion function and a head mounted display having the same.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood
개시되는 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템은, 이미지 광을 생성하는 디스플레이 패널; 상기 이미지 광의 편광 성분 중 하나를 반사시키는 반사형 편광판; 상기 반사형 편광판으로부터 반사되는 이미지 광을 확대하여 상기 반사형 편광판 측으로 반사시키는 볼록 곡면경; 상기 반사형 편광판과 상기 볼록 곡면경 사이에 배치되고, 상기 이미지 광의 편광 방향을 변경시키는 위상 변위 필름; 상기 볼록 곡면경에서 반사되고 상기 반사형 편광판을 투과한 이미지 광을 시준하는 입사 렌즈; 및 상기 입사 렌즈에 의해 시준된 광이 입사되고, 상기 입사된 이미지 광을 사용자의 눈 측으로 출사시키는 도파로를 포함하며, 상기 도파로는, 상기 입사 렌즈에 의해 시준된 광이 입사되는 제1 표면; 상기 제1 표면과 평행하게 마련되고, 상기 제1 표면에서 전반사된 이미지 광을 상기 사용자의 눈 측으로 출사하는 제2 표면; 및 상기 도파로 내에서 상기 제2 표면에 복수 개가 상호 이격되고 상호 평행하게 마련되며, 상기 제2 표면과 일정 각도 경사지게 마련되는 경사부를 포함하고, 상기 도파로의 입구면은, 상기 입사 렌즈를 통해 시준된 이미지 광이 상기 제1 표면에서 전반사 되도록 상기 제1 표면과 일정 각도 경사지게 마련되며, 상기 도파로의 입구면의 경사 각도(θ i)와 상기 경사부의 경사 각도(θ r)는 하기 수학식에 따른 관계를 가지고,An optical system of a head mounted display according to an embodiment disclosed herein includes: a display panel for generating image light; a reflective polarizing plate that reflects one of the polarization components of the image light; a convex curved mirror for enlarging the image light reflected from the reflective polarizing plate and reflecting it toward the reflective polarizing plate; a phase shift film disposed between the reflective polarizing plate and the convex curved mirror and configured to change a polarization direction of the image light; an incident lens for collimating the image light reflected from the convex curved mirror and transmitted through the reflective polarizing plate; and a waveguide on which the light collimated by the incident lens is incident, and a waveguide for emitting the incident image light toward the user's eye, wherein the waveguide includes: a first surface on which the light collimated by the incident lens is incident; a second surface provided parallel to the first surface and emitting the image light totally reflected from the first surface toward the user's eye; and a plurality of inclined portions provided on the second surface in the waveguide to be spaced apart from each other and parallel to each other, and inclined at a predetermined angle to the second surface, wherein the entrance surface of the waveguide is collimated through the incident lens. The image light is provided to be inclined at a predetermined angle from the first surface so that the image light is totally reflected from the first surface, and the inclination angle θ i of the entrance surface of the waveguide and the inclination angle θ r of the inclined portion are the relationship according to the following equation have,
(수학식)(Equation)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000001
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상기 입사 렌즈에 의해 시준된 이미지 광의 입사각(θ 0)과 상기 입구면의 경사 각도(θ i)는 하기 수학식에 따른 관계를 가지며,The incident angle θ 0 of the image light collimated by the incident lens and the inclination angle θ i of the entrance face have a relationship according to the following equation,
(수학식)(Equation)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000002
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n 1 : 도파로의 굴절률n 1 : refractive index of the waveguide
상기 입사각(θ 0)은, 상기 입사 렌즈에 의해 시준된 이미지 광이 상기 도파로의 입구면과 수직한 축을 기준으로 기울어진 각도이고, 상기 경사 각도(θ i)는 상기 도파로의 입구면이 상기 제1 표면에 대해 경사진 각도이며, 상기 수학식에 따른 관계에 의해 상기 시준된 이미지 광은 상기 제1 표면에서 전반사하여 상기 경사부로 입사되며, 상기 경사부에서 반사되어 상기 사용자의 눈 측으로 출사된다.The incident angle θ 0 is an angle at which the image light collimated by the incident lens is inclined with respect to an axis perpendicular to the entrance surface of the waveguide, and the inclination angle θ i is the angle at which the entrance surface of the waveguide is the second 1 is an inclined angle with respect to the surface, and the image light collimated by the relationship according to the above equation is totally reflected from the first surface, is incident on the inclined portion, and is reflected from the inclined portion and is emitted toward the user's eye.
상기 경사부는, 상기 제1 표면에서 전반사 된 이미지 광을 부분 반사하여 상기 이미지 광의 방향을 상기 사용자의 눈 측 방향으로 변경시키도록 부분 반사 코팅될 수 있다.The inclined portion may be partially reflectively coated to partially reflect the image light totally reflected from the first surface to change the direction of the image light toward the eye side of the user.
상기 경사부는, 상기 도파로의 폭 보다 작은 길이로 마련되고, 일단이 상기 제2 표면에 연결되며, 타단이 상기 제1 표면과 이격되어 마련될 수 있다.The inclined portion may be provided with a length smaller than a width of the waveguide, one end connected to the second surface, and the other end spaced apart from the first surface.
상기 입사 렌즈에 의해 시준된 이미지 광은 상기 경사부에 도달하기 전 1차 포커싱되고, 상기 제1 표면에서 전반사 된 후 상기 경사부에 의해 상기 사용자의 눈 전방에서 2차 포커싱 되도록 마련될 수 있다.The image light collimated by the incident lens may be primarily focused before reaching the inclined portion, and may be provided to be secondary focused in front of the user's eyes by the inclined portion after being totally reflected on the first surface.
상기 경사부는, 복수 개가 개별적으로 사출 성형되어 생성되고, 복수 개가 상호 접하도록 일렬로 배열된 후 일면에 부분 반사 코팅되며, 복수 개가 상기 제2 표면에 대해 경사를 가지도록 일정 각도로 회전된 후 상기 도파로의 제2 표면에 접합되어 마련될 수 있다.A plurality of the inclined portions are produced by injection molding individually, a plurality of pieces are arranged in a line so as to be in contact with each other, and then partially reflective coated on one surface, and the plurality of portions are rotated at a predetermined angle to have an inclination with respect to the second surface. It may be provided by being bonded to the second surface of the waveguide.
상기 경사부는, 상기 도파로와 동일한 굴절률을 가지는 재질로 마련될 수 있다.The inclined portion may be made of a material having the same refractive index as that of the waveguide.
상기 위상 변위 필름은, 상기 반사형 편광판에서 반사되는 이미지 광의 편광 방향을 λ/4(λ : 이미지 광의 파장)만큼 변위시키고, 상기 볼록 곡면경에서 반사된 이미지 광의 편광 방향을 λ/4만큼 변위시키도록 마련될 수 있다.The phase shift film is configured to displace the polarization direction of the image light reflected from the reflective polarizing plate by λ/4 (λ: wavelength of the image light), and displace the polarization direction of the image light reflected from the convex curved mirror by λ/4 catalog may be prepared.
상기 수학식들에 의해 정해지는 입사각(θ 0)에 의해 상기 이미지 광에 따른 시야각(Field of View : FoV)이 설정되며, 상기 입사각(θ 0)과 상기 이미지 광의 시야각 간의 관계는 하기 수학식에 의해 표현될 수 있다.The field of view (FoV) according to the image light is set by the incident angle θ 0 determined by the above equations, and the relationship between the incident angle θ 0 and the viewing angle of the image light is in the following equation can be expressed by
(수학식)(Equation)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000003
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000003
개시되는 다른 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템은, 상호 평행한 제1 표면 및 제2 표면을 구비하고, 광학계에 의해 시준된 이미지 광이 상기 제1 표면으로 입사되며, 입사된 상기 이미지 광을 상기 제2 표면을 통해 사용자의 눈 측으로 출사시키는 도파로; 및 상기 도파로의 제2 표면에 복수 개가 상호 이격되고 상호 평행하게 마련되며, 상기 제2 표면과 일정 각도 경사지게 마련되는 경사부를 포함하고, 상기 도파로의 입구면은, 상기 광학계를 통해 시준된 이미지 광이 상기 제1 표면에서 전반사 되도록 상기 제1 표면과 일정 각도 경사지게 마련되며, 상기 도파로의 입구면의 경사 각도(θ i)와 상기 경사부의 경사 각도(θ r)는 하기 수학식에 따른 관계를 가지고,An optical system of a head mounted display according to another disclosed embodiment has a first surface and a second surface parallel to each other, and image light collimated by the optical system is incident on the first surface, and the incident image light a waveguide for emitting the light to the user's eye side through the second surface; and a plurality of inclined portions provided on the second surface of the waveguide to be spaced apart from each other and parallel to each other and provided to be inclined at a predetermined angle from the second surface, wherein the entrance surface of the waveguide includes image light collimated through the optical system. It is provided to be inclined at a certain angle from the first surface so as to be totally reflected from the first surface, and the inclination angle θ i of the entrance surface of the waveguide and the inclination angle θ r of the inclination portion have a relationship according to the following equation,
(수학식)(Equation)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000004
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000004
상기 입사 렌즈에 의해 시준된 이미지 광의 입사각(θ 0)과 상기 입구면의 경사 각도(θ i)는 하기 수학식에 따른 관계를 가지며,The incident angle θ 0 of the image light collimated by the incident lens and the inclination angle θ i of the entrance face have a relationship according to the following equation,
(수학식)(Equation)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000005
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000005
n 1 : 도파로의 굴절률n 1 : refractive index of the waveguide
상기 입사각(θ 0)은, 상기 광학계에 의해 시준된 이미지 광이 상기 도파로의 입구면과 수직한 축을 기준으로 기울어진 각도이고, 상기 경사 각도(θ i)는 상기 도파로의 입구면이 상기 제1 표면에 대해 경사진 각도이며, 상기 수학식에 따른 관계에 의해, 상기 시준된 이미지 광은 상기 제1 표면에서 전반사하여 상기 경사부로 입사되며, 상기 경사부에서 반사되어 상기 사용자의 눈 측으로 출사될 수 있다.The incident angle θ 0 is an angle at which the image light collimated by the optical system is inclined with respect to an axis perpendicular to the entrance surface of the waveguide, and the inclination angle θ i is the angle at which the entrance surface of the waveguide is the first It is an angle inclined with respect to the surface, and by the relationship according to the above equation, the collimated image light is totally reflected from the first surface, is incident on the inclined portion, is reflected from the inclined portion, and can be emitted toward the user's eye. there is.
개시되는 실시예에 의하면, 1차 포커싱 된 이미지 광을 도파로 내의 복수 개의 경사부를 통해 사용자의 눈 전방에서 2차 포커싱 되도록 함으로써, 사용자가 전체 이미지를 확인할 수 있는 영역을 확장시킬 수 있고 시야각을 확장시킬 수 있게 된다. 즉, 이미 포커싱 된 이미지 광을 도파로 내의 복수 개의 경사부를 통해 역으로 다시 활성화시킴으로써, 광 시야각을 구현할 수 있기 때문에 다양한 눈 간격 또는 눈 위치를 가지는 사용자들이 편하게 가상 이미지를 볼 수 있게 된다.According to the disclosed embodiment, by causing the primary focused image light to be secondary focused in front of the user's eyes through a plurality of inclinations in the waveguide, the area in which the user can check the entire image can be expanded and the viewing angle can be expanded. be able to That is, since a wide viewing angle can be realized by re-activating the already-focused image light through a plurality of inclinations in the waveguide, users having various eye intervals or eye positions can comfortably view the virtual image.
또한, 도파로의 입구면의 경사 각도 및 경사부의 경사 각도 간의 관계를 입사 렌즈에 의해 시준된 이미지 광이 도파로의 제1 표면에서 모두 전반사 되도록 하고, 전반사 횟수가 최소화 되도록 설정함으로써, 광학 수차의 증가를 최소화 할 수 있게 된다. In addition, by setting the relationship between the inclination angle of the entrance surface of the waveguide and the inclination angle of the inclined portion so that the image light collimated by the incident lens is totally reflected on the first surface of the waveguide and the number of total reflections is minimized, the increase in optical aberration is reduced can be minimized.
또한, 디스플레이 패널에서 발생시킨 이미지 광을 볼록 곡면경을 통해 확대시킴으로써, 광학계의 두께를 최소화 할 수 있게 된다.In addition, by expanding the image light generated by the display panel through the convex mirror, it is possible to minimize the thickness of the optical system.
또한, 도파로 내의 경사부를 부분 반사 코팅함으로써, 사용자가 헤드 마운트 디스플레이를 착용하는 경우 가상 이미지를 보면서도 외부 배경 이미지도 함께 볼 수 있게 되며, 그로 인해 증강 현실 효과를 최대화 할 수 있게 된다.In addition, by partially reflective coating on the inclined portion in the waveguide, when the user wears the head mounted display, the user can view the external background image while viewing the virtual image, thereby maximizing the augmented reality effect.
또한, 도파로 내의 경사부를 각각 개별 사출 성형한 후, 도파로 내에 접합시킴으로써, 사출 양산이 가능하게 되고 제품의 단가를 낮출 수 있게 된다.In addition, by individually injection molding the inclined portions in the waveguide and then bonding them into the waveguide, injection mass production is possible and the unit cost of the product can be lowered.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이를 개략적으로 나타낸 도면1 is a view schematically showing a head mounted display according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역활성 출사동 확장 기능(Inversive Eye-box Extensible Function)을 갖는 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템을 나타낸 도면2 is a view showing an optical system of a head mounted display having an inverse eye-box extensible function according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 기 포커싱된 이미지 광을 역으로 활성화시키는 상태를 설명하기 위한 도면3 is a view for explaining a state of inversely activating a previously focused image light in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present invention;
도 4는 개시되는 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 출사동을 확장하는 상태를 나타낸 도면4 is a view illustrating a state in which an exit pupil is expanded in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure;
도 5는 개시되는 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 도파로의 입구면 각도와 경사부의 경사각 간의 관계를 나타낸 도면5 is a diagram illustrating a relationship between an entrance angle of a waveguide and an inclination angle of an inclined portion in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure;
도 6은 개시되는 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 도파로의 입구면의 경사 각도와 이미지 광의 입사각의 관계를 나타낸 도면6 is a diagram illustrating a relationship between an inclination angle of an entrance surface of a waveguide and an incident angle of image light in an optical system of a head mounted display according to an exemplary embodiment;
도 7은 개시되는 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 도파로에 경사부를 형성하는 방법을 나타낸 도면7 is a diagram illustrating a method of forming an inclined portion in a waveguide in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure;
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following detailed description is provided to provide a comprehensive understanding of the methods, devices, and/or systems described herein. However, this is merely an example, and the present invention is not limited thereto.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. And, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification. The terminology used in the detailed description is for the purpose of describing embodiments of the present invention only, and should in no way be limiting. Unless explicitly used otherwise, expressions in the singular include the meaning of the plural. In this description, expressions such as “comprising” or “comprising” are intended to indicate certain features, numbers, steps, acts, elements, some or a combination thereof, one or more other than those described. It should not be construed to exclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, acts, elements, or any part or combination thereof.
이하의 설명에 있어서, 신호 또는 정보의 "전송", "통신", "송신", "수신" 기타 이와 유사한 의미의 용어는 일 구성요소에서 다른 구성요소로 신호 또는 정보가 직접 전달되는 것뿐만이 아니라 다른 구성요소를 거쳐 전달되는 것도 포함한다. 특히 신호 또는 정보를 일 구성요소로 "전송" 또는 "송신"한다는 것은 그 신호 또는 정보의 최종 목적지를 지시하는 것이고 직접적인 목적지를 의미하는 것이 아니다. 이는 신호 또는 정보의 "수신"에 있어서도 동일하다. 또한 본 명세서에 있어서, 2 이상의 데이터 또는 정보가 "관련"된다는 것은 하나의 데이터(또는 정보)를 획득하면, 그에 기초하여 다른 데이터(또는 정보)의 적어도 일부를 획득할 수 있음을 의미한다. In the following description, the terms "transmission", "communication", "transmission", "reception" and other similar meanings of a signal or information are not only directly transmitted from one component to another component, but also a signal or information This includes passing through other components. In particular, to “transmit” or “transmit” a signal or information to a component indicates the final destination of the signal or information and does not imply a direct destination. The same is true for "reception" of signals or information. In addition, in this specification, when two or more data or information are "related", it means that when one data (or information) is acquired, at least a part of other data (or information) can be acquired based thereon.
한편, 상측, 하측, 일측, 타측 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면들의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성 요소는 다양한 배향으로 위치 설정될 수 있으므로, 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.Meanwhile, directional terms such as upper side, lower side, one side, the other side, etc. are used in connection with the orientation of the disclosed drawings. Since components of embodiments of the present invention may be positioned in various orientations, the directional terminology is used for purposes of illustration and not limitation.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.Also, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이를 개략적으로 나타낸 도면이다. 1 is a view schematically showing a head mounted display according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display)(100)는 사용자의 두부에 착용되도록 마련되고, 디스플레이 화면을 통해 사용자에게 콘텐츠를 표시하여 제공하기 위한 장치를 의미한다. 헤드 마운트 디스플레이(100)는 화상 표시 수단을 이용하여 화면 상에 3차원 콘텐츠, 증강 현실 콘텐츠, 가상 현실 콘텐츠, 및 영상 등과 같은 다양한 콘텐츠를 표시할 수 있다. 여기서, 화상 표시 수단은 다양한 형태의 콘텐츠를 시각적으로 표시하기 위한 것으로, 예를 들어 LCD 패널, OLED 패널, LCoS 패널, PDP, 투명 디스플레이 등을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , a head mounted display 100 is provided to be worn on a user's head, and refers to a device for displaying and providing content to a user through a display screen. The head mounted display 100 may display various contents such as 3D contents, augmented reality contents, virtual reality contents, and images on a screen using an image display means. Here, the image display means is for visually displaying various types of content, and may include, for example, an LCD panel, an OLED panel, an LCoS panel, a PDP, a transparent display, and the like.
헤드 마운트 디스플레이(100)는 사용자의 두부에 착용할 수 있도록 구성된 다양한 형태의 장치(예를 들어, 스마트 글래스(Smart Glass) 등을 포함)로 구현될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 헤드 마운트 디스플레이(100)는 씨스루(See-Through) 형태로 마련될 수 있다. The head mounted display 100 may be implemented as various types of devices (eg, including smart glasses) configured to be worn on a user's head. In an exemplary embodiment, the head mounted display 100 may be provided in a see-through form.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역활성 출사동 확장 기능(Inversive Eye-box Extensible Function)을 갖는 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템을 나타낸 도면이다. 2 is a diagram illustrating an optical system of a head mounted display having an inverse eye-box extensible function according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 헤드 마운트 디스플레이(100)의 광학 시스템(102)은 디스플레이 패널(111), 반사형 편광판(113), 위상 변위 필름(115), 볼록 곡면경(117), 입사 렌즈(119), 도파로(121), 및 경사부(123)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2 , the optical system 102 of the head mounted display 100 includes a display panel 111 , a reflective polarizer 113 , a phase shift film 115 , a convex mirror 117 , and an incident lens 119 . ), a waveguide 121 , and an inclined portion 123 .
디스플레이 패널(111)은 헤드 마운트 디스플레이(100)에서 표시하고자 하는 콘텐츠의 이미지 광을 생성할 수 있다. 디스플레이 패널(111)은 LCD 패널, OLED 패널, LCoS 패널, PDP 등 다양한 형태가 사용될 수 있다. The display panel 111 may generate image light of content to be displayed on the head mounted display 100 . The display panel 111 may have various forms such as an LCD panel, an OLED panel, an LCoS panel, and a PDP.
반사형 편광판(113)은 디스플레이 패널(111)의 전방에 위치할 수 있다. 반사형 편광판(113)은 디스플레이 패널(111)에서 생성되는 이미지 광의 편광 성분 중 하나를 볼록 곡면경(117) 측으로 반사시킬 수 있다. 즉, 반사형 편광판(113)은 디스플레이 패널(111)에서 생성되는 이미지 광의 P파 또는 S파 중 하나를 볼록 곡면경(117) 측으로 반사시킬 수 있다. 반사형 편광판(113)은 디스플레이 패널(111)에서 생성되는 이미지 광 중 P파 또는 S파 중 하나를 볼록 곡면경(117) 측으로 반사시키도록 디스플레이 패널(111)의 전방에서 디스플레이 패널(111)과 대비하여 경사지게 마련될 수 있다. The reflective polarizing plate 113 may be positioned in front of the display panel 111 . The reflective polarizer 113 may reflect one of the polarization components of the image light generated by the display panel 111 toward the convex mirror 117 . That is, the reflective polarizing plate 113 may reflect either the P-wave or the S-wave of the image light generated by the display panel 111 toward the convex mirror 117 . The reflective polarizing plate 113 is formed in front of the display panel 111 with the display panel 111 to reflect one of the P-wave and the S-wave among the image light generated by the display panel 111 toward the convex mirror 117 . In contrast, it may be provided to be inclined.
위상 변위 필름(115)은 반사형 편광판(113)과 볼록 곡면경(117) 사이에 마련될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 위상 변위 필름(115)은 볼록 곡면경(117)의 일면에 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 위상 변위 필름(115)은 반사형 편광판(113)에서 반사되는 이미지 광의 편광 방향을 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 위상 변위 필름(115)은 반사형 편광판(113)에서 반사되는 이미지 광의 편광 방향을 λ/4(λ는 이미지 광의 파장)만큼 변위 시킬 수 있다. 즉, 위상 변위 필름(115)은 λ/4 위상 변위 필름일 수 있다. 또한, 위상 변위 필름(115)은 볼록 곡면경(117)에서 내부 반사된 이미지 광의 편광 방향을 λ/4(λ는 이미지 광의 파장)만큼 변위 시킬 수 있다. The phase shift film 115 may be provided between the reflective polarizing plate 113 and the convex curved mirror 117 . In an exemplary embodiment, the phase shift film 115 may be provided on one surface of the convex curved mirror 117 , but is not limited thereto. The phase shift film 115 may change the polarization direction of the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 . For example, the phase shift film 115 may shift the polarization direction of the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 by λ/4 (λ is the wavelength of the image light). That is, the phase shift film 115 may be a λ/4 phase shift film. In addition, the phase shift film 115 may shift the polarization direction of the image light internally reflected from the convex curved mirror 117 by λ/4 (λ is the wavelength of the image light).
볼록 곡면경(117)은 반사형 편광판(113)에서 반사되는 이미지 광의 진행 방향에 위치할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 볼록 곡면경(117)은 반사형 편광판(113)의 상부에 위치할 수 있다. 볼록 곡면경(117)은 반사형 편광판(113)에서 반사되는 이미지 광을 확대 및 내부 반사시킬 수 있다. 볼록 곡면경(117)의 타면(즉, 위상 변위 필름(115)이 형성된 일면과 반대되는 면)(117a)은 이미지 광을 내부 반사시키기 위해 반사 코팅이 되어 있을 수 있다. The convex curved mirror 117 may be positioned in a traveling direction of the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 . In an exemplary embodiment, the convex curved mirror 117 may be positioned on the reflective polarizing plate 113 . The convex curved mirror 117 may enlarge and internally reflect the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 . The other surface (ie, the surface opposite to the surface on which the phase shift film 115 is formed) 117a of the convex curved mirror 117 may be coated with a reflective coating to internally reflect image light.
볼록 곡면경(117)에서 확대 및 내부 반사된 이미지 광은 위상 변위 필름(115)을 통과하면서 편광 방향이 다시 변경되게 된다. 위상 변위 필름(115)이 λ/4 위상 변위 필름인 경우, 반사형 편광판(113)에서 반사된 이미지 광은 위상 변위 필름(115)에 의해 편광 방향이 λ/4만큼 변위 되고, 볼록 곡면경(117)에서 확대 및 내부 반사되어 위상 변위 필름(115)을 통해 다시 편광 방향이 λ/4만큼 변위 되는 바, 총 λ/2만큼 편광 방향의 변위가 이루어지게 되고, 그로 인해 반사형 편광판(113)을 통과하게 된다. 즉, 이미지 광은 위상 변위 필름(115)에 의해 총 λ/2만큼 편광 방향의 변위가 이루어지게 되는 바, 반사형 편광판(113)에서 반사되지 않고 반사형 편광판(113)을 그대로 통과하게 된다. The polarization direction of the image light magnified and internally reflected by the convex mirror 117 is changed again while passing through the phase shift film 115 . When the phase shift film 115 is a λ/4 phase shift film, the image light reflected from the reflective polarizing plate 113 has a polarization direction shifted by λ/4 by the phase shift film 115, and a convex curved mirror ( 117), the polarization direction is displaced by λ/4 again through the phase shift film 115 after being enlarged and internally reflected, and the total displacement in the polarization direction is made by λ/2, resulting in a reflective polarizing plate 113 will pass through That is, since the image light is shifted in the polarization direction by a total of λ/2 by the phase shift film 115 , it passes through the reflective polarizing plate 113 without being reflected from the reflective polarizing plate 113 .
입사 렌즈(119)는 반사형 편광판(113)과 도파로(121) 사이에 위치할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 입사 렌즈(119)는 반사형 편광판(113)의 하부에 위치할 수 있다. 입사 렌즈(119)는 반사형 편광판(113)을 기준으로 볼록 곡면경(117)과 반대되는 위치에 마련될 수 있다. 입사 렌즈(119)는 반사형 편광판(113)을 통과하는 이미지 광을 시준(視準)(Collimation)하여 도파로(121)로 입사시킬 수 있다. The incident lens 119 may be positioned between the reflective polarizing plate 113 and the waveguide 121 . In an exemplary embodiment, the incident lens 119 may be located under the reflective polarizing plate 113 . The incident lens 119 may be provided at a position opposite to the convex curved mirror 117 with respect to the reflective polarizing plate 113 . The incident lens 119 may collimate the image light passing through the reflective polarizing plate 113 to be incident on the waveguide 121 .
도파로(121)는 사용자의 눈의 전방에 위치할 수 있다. 도파로(121)는 입사 렌즈(119)의 하부에서 수직 방향으로 소정 길이를 가지고 마련될 수 있다. 도파로(121)는 서로 평행한 제1 표면(121a) 및 제2 표면(121b)을 포함할 수 있다. The waveguide 121 may be positioned in front of the user's eyes. The waveguide 121 may be provided to have a predetermined length in a vertical direction from a lower portion of the incident lens 119 . The waveguide 121 may include a first surface 121a and a second surface 121b that are parallel to each other.
제1 표면(121a)은 입사 렌즈(119)에서 시준된 이미지 광이 입사되는 면일 수 있다. 제1 표면(121a)은 입사 렌즈(119)에서 시준된 이미지 광을 전반사하도록 입사면과 특정 각을 이루어 배치될 수 있다. 제2 표면(121b)은 이미지 광이 사용자의 눈 측으로 출사되는 면일 수 있다. 제2 표면(121b)은 제1 표면(121a)에서 전반사 된 이미지 광을 사용자의 눈 측으로 출사시킬 수 있다. 제2 표면(121b)은 사용자의 눈과 대향하는 면일 수 있다. 제1 표면(121a)은 도파로(121)에서 제2 표면(121b)과 반대되는 면일 수 있다. The first surface 121a may be a surface on which the image light collimated by the incident lens 119 is incident. The first surface 121a may be disposed at a specific angle with the incident surface to totally reflect the image light collimated by the incident lens 119 . The second surface 121b may be a surface through which image light is emitted toward the user's eyes. The second surface 121b may emit the image light totally reflected from the first surface 121a toward the user's eyes. The second surface 121b may be a surface facing the user's eyes. The first surface 121a may be a surface opposite to the second surface 121b of the waveguide 121 .
도파로(121)의 입구는 도파로(121)의 본체(경사부(123)가 형성되는 부분) 보다 단면적이 넓게 확장되어 마련될 수 있다. 또한, 도파로(121)의 입구면(즉, 입사 렌즈(119)에 의해 시준된 이미지 광이 입사되는 입사면)은 일정 각도로 경사지게 마련될 수 있다. 도파로(121)의 입구면은 입사 렌즈(119)에 의해 시준된 이미지 광의 최대각과 최소각이 모두 도파로(121)를 투과하여 빠져나가지 못하고 도파로(121)의 제1 표면(121a)에서 모두 전반사 하되, 전반사 횟수를 최소화 할 수 있는 각도로 마련될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.The entrance of the waveguide 121 may be provided with a cross-sectional area wider than that of the main body (a portion where the inclined portion 123 is formed) of the waveguide 121 . Also, the entrance surface of the waveguide 121 (ie, the incident surface on which the image light collimated by the incident lens 119 is incident) may be inclined at a predetermined angle. In the entrance surface of the waveguide 121, both the maximum and minimum angles of the image light collimated by the incident lens 119 cannot pass through the waveguide 121 and are totally reflected on the first surface 121a of the waveguide 121, but , may be provided at an angle to minimize the number of total reflection. A detailed description thereof will be described later with reference to FIG. 5 .
경사부(123)는 도파로(121) 내에 마련될 수 있다. 경사부(123)는 도파로(121) 내에 복수 개가 상호 이격되어 마련될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 경사부(123) 간의 간격은 2 mm 이내일 수 있다. 이 경우, 이미지 광의 손실을 줄이면서 연속적인 영상을 제공할 수 있게 된다.The inclined portion 123 may be provided in the waveguide 121 . A plurality of inclined portions 123 may be provided to be spaced apart from each other in the waveguide 121 . In an exemplary embodiment, the interval between the inclined portions 123 may be within 2 mm. In this case, it is possible to provide a continuous image while reducing loss of image light.
경사부(123)는 도파로(121) 내에서 이미지 광이 출사되는 면(즉, 제2 표면(121b))에 마련될 수 있다. 경사부(123)는 제2 표면(121b)에서 제2 표면(121b)과 소정 각도 경사지게 마련될 수 있다. 경사부(123)는 도파로(121)의 폭 보다 작은 길이로 마련될 수 있다. 일단이 제2 표면(121b)에 연결되는 경사부(123)는 타단이 제1 표면(121a)과 이격되어 마련될 수 있다. The inclined portion 123 may be provided on the surface (ie, the second surface 121b) from which the image light is emitted within the waveguide 121 . The inclined portion 123 may be provided to be inclined at a predetermined angle from the second surface 121b to the second surface 121b. The inclined portion 123 may be provided with a length smaller than the width of the waveguide 121 . The inclined portion 123 having one end connected to the second surface 121b may be provided with the other end spaced apart from the first surface 121a.
경사부(123)는 제1 표면(121a)에서 전반사 된 이미지 광을 부분 반사하여 이미지 광의 방향을 사용자의 눈 방향으로 변경시킬 수 있다. 경사부(123)는 부분 반사 코팅되어 마련될 수 있다. 경사부(123)가 부분 반사 코팅됨으로써, 사용자가 도파로(121) 건너 편의 외부 배경도 보면서 경사부(123)에서 반사되는 이미지 광도 함께 볼 수 있게 된다.The inclined portion 123 may partially reflect the image light totally reflected from the first surface 121a to change the direction of the image light to the user's eye direction. The inclined portion 123 may be provided with a partially reflective coating. As the inclined portion 123 is partially reflectively coated, the user can also see the image light reflected from the inclined portion 123 while viewing the external background on the other side of the waveguide 121 .
경사부(123)에 의해 방향이 변경된 이미지 광은 제2 표면(121b)을 통해 사용자의 눈 측으로 출사되게 된다. 경사부(123)는 시준된 이미지 광이 포커싱 포인트를 지나 역으로 다시 포커싱 되도록 하여 사용자의 눈으로 전달되도록 마련될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. The image light whose direction is changed by the inclination part 123 is emitted toward the user's eyes through the second surface 121b. The inclination part 123 may be provided so that the collimated image light passes through a focusing point and is reversely focused again to be transmitted to the user's eyes. A detailed description thereof will be described with reference to FIG. 3 .
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 기 포커싱된 이미지 광을 역으로 활성화시키는 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (a)는 포커싱 포인트를 통과한 이미지 광이 일반적인 반사면에서 반사되어 사용자에게 전달되는 상태를 나타낸 도면이고, 도 3의 (b)는 개시되는 실시예에 따른 부분 반사되는 경사부를 통해 포커싱 포인트가 역으로 활성화되는 상태를 나타낸 도면이다. 3 is a view for explaining a state in which a previously focused image light is reversely activated in the optical system of the head mounted display according to an embodiment of the present invention. Figure 3 (a) is a view showing a state in which the image light passing through the focusing point is reflected from a general reflective surface and transmitted to the user, Figure 3 (b) is through a partially reflected inclined portion according to the disclosed embodiment It is a diagram illustrating a state in which the focusing point is reversely activated.
도 3의 (a)를 참조하면, 광학 시스템(50)에서 시준된 이미지 광은 포커싱 포인트(F)에서 이미지 광의 일측 최대 경사광(L1)과 타측 최대 경사광(L2)이 교차하여 서로 발산하는 형태로 진행하게 된다. 그리고, 일반적인 반사면(60)에서 사용자 측으로 반사되는 두 개의 최대 경사광(L1, L2)은 포커싱 되지 못하고 계속하여 발산한다. Referring to FIG. 3 (a), the image light collimated by the optical system 50 intersects the maximum inclined light L1 on one side and the maximum inclined light L2 on the other side of the image light at the focusing point F. will proceed in the form. In addition, the two maximum inclined lights L1 and L2 reflected from the general reflective surface 60 toward the user are not focused and continue to diverge.
이에 따라, 사용자의 동공에 이미지를 형성하는 광이 도달하지 못하여 전체 화면을 볼 수 없게 되고, 포커싱 포인트(F)까지 눈을 이동하여야만 전체 이미지를 볼 수 있으므로 매우 협소한 출사동(Exit Pupil)을 가질 수 밖에 없게 된다. 그리고, 눈의 위치가 광학 시스템(50)에서 멀어지면 멀어질수록 출사동은 좁아지게 되는 바, 가상 이미지의 크기를 결정하는 시야각(Field of View)을 확장하는데도 한계가 있다. Accordingly, the light forming the image does not reach the user's pupil, so the entire screen cannot be viewed, and the entire image can be viewed only by moving the eye to the focusing point (F). have no choice but to have In addition, as the position of the eye is further away from the optical system 50 , the exit pupil becomes narrower, so there is a limit in expanding the field of view that determines the size of the virtual image.
반면, 도 3의 (b)를 참조하면, 광학 시스템(50)에서 시준된 이미지 광은 도 3의 (a)와 마찬가지로 1차 포커싱 포인트(F1)에서 두 개의 최대 경사광(L1, L2)이 교차하여 서로 발산하는 형태로 진행하게 된다.On the other hand, referring to (b) of FIG. 3 , the image light collimated by the optical system 50 has two maximum inclined lights L1 and L2 at the primary focusing point F1 as in FIG. 3 (a). They intersect and diverge from each other.
그러나, 일측 최대 경사광(L1)이 제1 경사부(71)에서 먼저 반사되고, 일정 거리를 지난 후 타측 최대 경사광(L2)이 제2 경사부(72)에서 반사되어 이미 발산된 이미지 광을 역으로 활성화시키는 2차 포커싱 포인트(F2)를 생성하게 된다. 즉, 제1 경사부(71) 및 제2 경사부(72)와 사용자의 눈 사이에 2차 포커싱 포인트(F2)를 생성함으로써, 광학 시스템(50)으로부터 먼 거리에서도 전체 이미지의 확인이 가능하여 출사동의 확장 및 광 시야각의 광학계를 용이하게 구성할 수 있게 된다.However, the one-side maximum inclined light L1 is first reflected by the first inclined portion 71 , and the second maximum inclined light L2 is reflected from the second inclined portion 72 after passing a certain distance and has already been emitted. A secondary focusing point F2 that activates inversely is generated. That is, by creating the secondary focusing point F2 between the first and second inclined portions 71 and 72 and the user's eye, the entire image can be checked even at a distance from the optical system 50 , It is possible to easily construct an optical system with an extension of the exit pupil and a wide viewing angle.
즉, 1차 포커싱 포인트(F1)를 지나서 서로 발산되고 있는 2개의 최대 경사광(L1, L2)을 복수 개의 경사부(71, 72)를 통해 다시 2차 포커싱 되도록 할 수 있다. 이때, 2개의 최대 경사광(L1, L2)은 사용자의 눈 앞에서 형성되는 2차 포커싱 포인트(F2)에서 교차하여 진행하기 때문에, 사용자의 눈에서 전체 이미지의 확인이 가능하며 광 시야각을 구성할 수 있게 된다.That is, the two maximum oblique lights L1 and L2 that are emitted after passing through the primary focusing point F1 may be secondarily focused again through the plurality of inclination units 71 and 72 . At this time, since the two maximum oblique lights L1 and L2 intersect at the secondary focusing point F2 formed in front of the user's eyes, the entire image can be checked from the user's eyes and a wide viewing angle can be configured. there will be
한편, 개시되는 실시예에서는 단일 광선뿐만 아니라 다발의 이미지 광선 군에 대하여도 출사동(Exit Pupil)을 확장할 수 있게 된다. 도 4는 개시되는 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 출사동을 확장하는 상태를 나타낸 도면이다. Meanwhile, in the disclosed embodiment, it is possible to expand the exit pupil not only for a single beam but also for a group of image beams in a bundle. 4 is a diagram illustrating a state in which an exit pupil is expanded in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure.
도 4를 참조하면, 입사 렌즈(119)에 의해 시준된 다발의 이미지 광선 군은 도파로(121) 내에 입사하여 1차 출사동 영역(E1)(즉, 1차 포커싱 영역)을 형성하게 된다. 이때, 1차 출사동 영역(E1)은 경사부(123)에 도달하기 전에 형성될 수 있다. 그리고, 이미지 광선 군은 제1 표면(121a)에서 전반사 된 후 제1 표면(121a)과 평행하게 마련되는 제2 표면(121b)에 형성되는 경사부(123)에서 각각 반사되어 사용자의 눈 전방에서 다시 2차 출사동 영역(E2)(즉, 2차 포커싱 영역)을 형성하게 된다. Referring to FIG. 4 , a bundle of image rays collimated by the incident lens 119 is incident into the waveguide 121 to form a primary exit pupil region E1 (ie, primary focusing region). In this case, the primary exit pupil region E1 may be formed before reaching the inclined portion 123 . In addition, the image beam group is totally reflected from the first surface 121a and then reflected from the inclined portions 123 formed on the second surface 121b provided in parallel with the first surface 121a, respectively, in front of the user's eyes. Again, the secondary exit pupil region E2 (ie, secondary focusing region) is formed.
이와 같이, 1차 출사동 영역(E1)을 통과한 다발의 이미지 광선 군이 부분 반사 코팅된 다수의 경사부(123)를 통해 사용자의 눈 앞에서 2차 출사동 영역(E2)을 형성함으로써, 광학계(디스플레이 패널(111), 반사형 편광판(113), 위상 변위 필름(115), 볼록 곡면경(117), 및 입사 렌즈(119)를 포함)에서 먼 거리에서도 전체 이미지를 확인할 수 있는 영역을 늘릴 수 있고, 그에 따라 광 시야각을 용이하게 구성할 수 있게 된다.In this way, the bundle of image beams passing through the primary exit pupil region E1 forms the secondary exit pupil region E2 in front of the user's eyes through the plurality of inclined portions 123 partially reflectively coated, so that the optical system (including the display panel 111, the reflective polarizer 113, the phase shift film 115, the convex mirror 117, and the incident lens 119) to increase the area in which the entire image can be checked even at a long distance and, accordingly, it is possible to easily configure a wide viewing angle.
도 5는 개시되는 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 도파로의 입구면 각도와 경사부의 경사각 간의 관계를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a relationship between an entrance angle of a waveguide and an inclination angle of an inclined portion in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure;
도 5를 참조하면, 도파로(121)의 입구면(121c)은 제1 표면(121a)과 일정 각도(θ i) 경사지게 마련될 수 있다. 즉, 광학계를 통해 시준된 다발의 이미지 광선 군이 입사되는 도파로(121)의 입구면(121c)은 입사된 다발의 이미지 광선 군이 도파로(121)의 제1 표면(121a)에서 모두 전반사 되도록 일정 각도(θ i) 경사지게 마련될 수 있다.Referring to FIG. 5 , the entrance surface 121c of the waveguide 121 may be inclined at a predetermined angle θ i with the first surface 121a. That is, the entrance surface 121c of the waveguide 121 on which the image ray group of the bundle collimated through the optical system is incident is constant so that all the image ray groups of the incident bundle are totally reflected on the first surface 121a of the waveguide 121 . The angle θ i may be inclined.
여기서, 다발의 이미지 광선 군의 광축(LX)이 사용자의 눈 방향으로 평행하게 출사하기 위해서는 도파로(121)의 입구면(121c)의 경사 각도(θ i)와 경사부(123)의 경사 각도(θ r) 간에 다음 수학식 1과 같은 관계를 가질 수 있다. Here, in order for the optical axis LX of the bundled image beam group to be emitted in parallel to the user's eye direction, the inclination angle θ i of the entrance surface 121c of the waveguide 121 and the inclination angle of the inclined portion 123 ( θ r ) may have a relationship as in Equation 1 below.
(수학식 1)(Equation 1)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000006
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000006
수학식 1의 관계를 이용하면, 도파로(121) 내에서 전반사 횟수를 1 ~ 2회로 제한할 수 있는 도파로(121)의 입구면(121c)의 경사 각도(θ i)와 경사부(123)의 경사 각도(θ r)를 설정할 수 있게 된다. 이와 같이, 도파로(121) 내에서 전반사 횟수를 최소화 함으로써, 전반사 횟수가 많아짐으로써 발생하는 광학 수차의 증가를 최소화 할 수 있게 된다.Using the relationship of Equation 1, the inclination angle θ i of the entrance surface 121c of the waveguide 121 capable of limiting the number of total reflections within the waveguide 121 to 1 to 2 and the It becomes possible to set the inclination angle θ r . As described above, by minimizing the number of total reflections in the waveguide 121 , it is possible to minimize an increase in optical aberration caused by an increase in the number of total reflections.
도 6은 개시되는 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 도파로의 입구면의 경사 각도와 이미지 광의 입사각의 관계를 나타낸 도면이다. 6 is a diagram illustrating a relationship between an inclination angle of an entrance surface of a waveguide and an incident angle of image light in an optical system of a head mounted display according to an exemplary embodiment.
도 6을 참조하면, 이미지 광에 따른 가상 화면의 크기를 결정하는 시야각(Field of View : FoV)은 광학계에 의해 시준된 이미지 광이 도파로(121)의 입구면(121c)에 입사되는 각도(θ 0)와 다음의 수학식 2와 같은 관계에 있다. 여기서, 이미지 광의 입사각(θ 0)은 입구면(121c)에 수직한 축을 기준으로 기울어진 각도를 의미할 수 있다. Referring to FIG. 6 , the field of view (FoV) that determines the size of the virtual screen according to the image light is the angle (θ) at which the image light collimated by the optical system is incident on the entrance surface 121c of the waveguide 121 . 0 ) and has the same relationship as Equation 2 below. Here, the incident angle θ 0 of the image light may mean an angle inclined with respect to an axis perpendicular to the entrance surface 121c.
(수학식 2)(Equation 2)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000007
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그리고, 도파로(121)의 입구면(121c)으로 입사한 이미지 광은 도파로(121)의 내부에서 도파로(121)의 굴절률에 의해 굴절되게 된다. 여기서, 이미지 광의 입사각(θ 0)과 도파로(121)의 굴절률에 의해 굴절된 굴절각(θ 1)은 수학식 3과 같은 관계에 있게 된다. In addition, the image light incident on the entrance surface 121c of the waveguide 121 is refracted by the refractive index of the waveguide 121 inside the waveguide 121 . Here, the incident angle θ 0 of the image light and the refraction angle θ 1 refracted by the refractive index of the waveguide 121 have the same relationship as in Equation 3.
(수학식 3)(Equation 3)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000008
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여기서, n 1은 도파로(121)의 굴절률을 나타낸다.Here, n 1 represents the refractive index of the waveguide 121 .
또한, 도파로(121)의 제1 표면(121a)에서 전반사 되는 이미지 광의 각도(θ 2)는 도파로(121)의 입구면(121c)의 경사 각도(θ i)와 다음의 수학식 4의 관계를 가지게 된다.In addition, the angle θ 2 of the image light totally reflected from the first surface 121a of the waveguide 121 is the inclination angle θ i of the entrance surface 121c of the waveguide 121 and the relation of Equation 4 below will have
(수학식 4)(Equation 4)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000009
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000009
여기서, 전반사 되는 이미지 광의 각도(θ 2)는 다음의 수학식 5와 같이 도파로(121)의 내부 전반사 임계각(θ c)보다 커야 한다. Here, the angle θ 2 of the totally reflected image light must be greater than the total internal reflection critical angle θ c of the waveguide 121 as shown in Equation 5 below.
(수학식 5)(Equation 5)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000010
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000010
여기서,
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000011
이므로 수학식 5는 다음의 수학식 6으로 다시 표현할 수 있다.
here,
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000011
Therefore, Equation 5 can be expressed again as Equation 6 below.
(수학식 6)(Equation 6)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000012
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000012
그리고, 수학식 6을 수학식 7과 같이 이미지 광의 입사각(θ 0)과 도파로(121)의 입구면(121c)의 경사 각도(θ i) 간의 관계로 나타낼 수 있다. In addition, Equation 6 can be expressed as a relationship between the incident angle θ 0 of the image light and the inclination angle θ i of the entrance surface 121c of the waveguide 121 as in Equation 7 .
(수학식 7)(Equation 7)
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000013
Figure PCTKR2021001093-appb-img-000013
수학식 7의 관계를 이용하면, 도파로(121) 내에서 전반사 되고 경사부(123)를 통해 사용자 측으로 전달되는 가상 이미지의 크기를 결정하는 최대 시야각을 설정할 수 있게 된다. 개시되는 실시예에서는 상기 수학식의 관계에 따라 이미지 광이 도파로의 입구면에 동축으로 입사(즉, 동축 광학계를 구성)되고 도파로의 표면에서 전반사되는 횟수를 최소화 할 수 있게 된다.Using the relationship of Equation 7, it is possible to set a maximum viewing angle that determines the size of a virtual image that is totally reflected in the waveguide 121 and transmitted to the user through the inclination unit 123 . In the disclosed embodiment, it is possible to minimize the number of times that image light is coaxially incident on the entrance surface of the waveguide (that is, constituting a coaxial optical system) and is totally reflected from the surface of the waveguide according to the relationship of the above equation.
도 7은 개시되는 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템에서 도파로에 경사부를 형성하는 방법을 나타낸 도면이다. 7 is a diagram illustrating a method of forming an inclined portion in a waveguide in an optical system of a head mounted display according to an embodiment of the present disclosure;
도 7을 참조하면, 도파로(121) 내에 마련될 복수 개의 경사부(123)를 각각 사출 성형하여 생성할 수 있다(도 7의 (a)). 여기서, 경사부(123)는 도파로(121) 내에 복수 개가 상호 평행하게 마련되기 위하여 플레이트 형태로 마련되고, 그 형상은 평행 사변형, 삼각형, 직사각형, 및 사다리꼴 중 어느 하나로 마련될 수 있다. Referring to FIG. 7 , a plurality of inclined portions 123 to be provided in the waveguide 121 may be respectively formed by injection molding ( FIG. 7A ). Here, a plurality of inclined portions 123 are provided in the form of a plate to be provided in parallel with each other in the waveguide 121 , and the shape may be provided in any one of a parallelogram, a triangle, a rectangle, and a trapezoid.
또한, 경사부(123)는 굴절률 변경에 의해 가상 이미지가 왜곡되거나 변형되는 것을 방지하기 위해, 도파로(121)와 동일한 굴절률을 가지는 재질로 사출 성형하여 생성될 수 있다. Also, in order to prevent the virtual image from being distorted or deformed by the change of the refractive index, the inclined portion 123 may be formed by injection molding with a material having the same refractive index as that of the waveguide 121 .
다음으로, 복수 개의 경사부(123)를 상호 접하도록 일렬로 배열한 후, 복수 개의 경사부(123)의 일면에 부분 반사 코팅을 수행할 수 있다(도 7의 (b)).Next, after arranging the plurality of inclined portions 123 in a line so as to be in contact with each other, partial reflection coating may be performed on one surface of the plurality of inclined portions 123 ( FIG. 7B ).
다음으로, 복수 개의 경사부(123)를 동일한 각도로 회전시켜 경사를 가지도록 하고 부분 반사 코팅된 면이 상호 평행하도록 배열할 수 있다(도 7의 (c)).Next, the plurality of inclined portions 123 may be rotated at the same angle to have an inclination, and the partially reflective coated surfaces may be arranged to be parallel to each other (FIG. 7(c)).
다음으로, 일정 각도로 경사진 복수 개의 경사부(123)를 도파로(121)의 제2 표면(121b)에 접합시킬 수 있다(도 7의 (d)). 이 경우, 각 경사부(123)를 통해 부분 반사된 이미지 광과 동일한 이미지 광이 해당 경사부(123)를 부분 투과하여 다음 경사부(123)에서 다시 부분 반사가 이루어지므로, 추가적인 출사동 확장 기능을 가지게 된다.Next, the plurality of inclined portions 123 inclined at a predetermined angle may be bonded to the second surface 121b of the waveguide 121 (FIG. 7(d)). In this case, the same image light as the image light partially reflected through each inclined part 123 partially passes through the corresponding inclined part 123 and is partially reflected again at the next inclined part 123 , so that an additional exit pupil expansion function is performed. will have
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although representative embodiments of the present invention have been described in detail above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications are possible within the limits without departing from the scope of the present invention with respect to the above-described embodiments. . Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.

Claims (10)

  1. 이미지 광을 생성하는 디스플레이 패널;a display panel that generates image light;
    상기 이미지 광의 편광 성분 중 하나를 반사시키는 반사형 편광판;a reflective polarizing plate that reflects one of the polarization components of the image light;
    상기 반사형 편광판으로부터 반사되는 이미지 광을 확대하여 상기 반사형 편광판 측으로 반사시키는 볼록 곡면경;a convex curved mirror for magnifying the image light reflected from the reflective polarizing plate and reflecting it toward the reflective polarizing plate;
    상기 반사형 편광판과 상기 볼록 곡면경 사이에 배치되고, 상기 이미지 광의 편광 방향을 변경시키는 위상 변위 필름;a phase shift film disposed between the reflective polarizing plate and the convex curved mirror to change a polarization direction of the image light;
    상기 볼록 곡면경에서 반사되고 상기 반사형 편광판을 투과한 이미지 광을 시준하는 입사 렌즈; 및an incident lens for collimating the image light reflected from the convex curved mirror and transmitted through the reflective polarizing plate; and
    상기 입사 렌즈에 의해 시준된 광이 입사되고, 상기 입사된 이미지 광을 사용자의 눈 측으로 출사시키는 도파로를 포함하며, and a waveguide through which the light collimated by the incident lens is incident and the incident image light is emitted toward the user's eye,
    상기 도파로는, The waveguide,
    상기 입사 렌즈에 의해 시준된 광이 입사되는 제1 표면;a first surface onto which light collimated by the incident lens is incident;
    상기 제1 표면과 평행하게 마련되고, 상기 제1 표면에서 전반사된 이미지 광을 상기 사용자의 눈 측으로 출사하는 제2 표면; 및a second surface provided parallel to the first surface and emitting image light totally reflected from the first surface toward the user's eye; and
    상기 도파로 내에서 상기 제2 표면에 복수 개가 상호 이격되고 상호 평행하게 마련되며, 상기 제2 표면과 일정 각도 경사지게 마련되는 경사부를 포함하고,A plurality of inclination portions provided on the second surface in the waveguide are spaced apart from each other and provided in parallel to each other and inclined at a predetermined angle from the second surface;
    상기 도파로의 입구면은, 상기 입사 렌즈를 통해 시준된 이미지 광이 상기 제1 표면에서 전반사 되도록 상기 제1 표면과 일정 각도 경사지게 마련되며, The entrance surface of the waveguide is provided to be inclined at a predetermined angle from the first surface so that the image light collimated through the incident lens is totally reflected on the first surface,
    상기 도파로의 입구면의 경사 각도(θ i)와 상기 경사부의 경사 각도(θ r)는 하기 수학식에 따른 관계를 가지고,The inclination angle (θ i ) of the entrance surface of the waveguide and the inclination angle (θ r ) of the inclination portion have a relationship according to the following equation,
    (수학식)(Equation)
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000014
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000014
    상기 입사 렌즈에 의해 시준된 이미지 광의 입사각(θ 0)과 상기 입구면의 경사 각도(θ i)는 하기 수학식에 따른 관계를 가지며,The incident angle θ 0 of the image light collimated by the incident lens and the inclination angle θ i of the entrance face have a relationship according to the following equation,
    (수학식)(Equation)
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000015
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000015
    n 1 : 도파로의 굴절률n 1 : refractive index of the waveguide
    상기 입사각(θ 0)은, 상기 입사 렌즈에 의해 시준된 이미지 광이 상기 도파로의 입구면과 수직한 축을 기준으로 기울어진 각도이고, The incident angle θ 0 is an angle at which the image light collimated by the incident lens is inclined with respect to an axis perpendicular to the entrance surface of the waveguide,
    상기 경사 각도(θ i)는 상기 도파로의 입구면이 상기 제1 표면에 대해 경사진 각도이며, The inclination angle (θ i ) is an angle at which the entrance surface of the waveguide is inclined with respect to the first surface,
    상기 수학식에 따른 관계에 의해 상기 시준된 이미지 광은 상기 제1 표면에서 전반사하여 상기 경사부로 입사되며, 상기 경사부에서 반사되어 상기 사용자의 눈 측으로 출사되는, 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템.The image light collimated by the relationship according to the equation is totally reflected from the first surface, is incident on the inclined portion, is reflected from the inclined portion, and is output to the user's eye side.
  2. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 경사부는, The inclined portion,
    상기 제1 표면에서 전반사 된 이미지 광을 부분 반사하여 상기 이미지 광의 방향을 상기 사용자의 눈 측 방향으로 변경시키도록 부분 반사 코팅된, 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템.and partially reflective coating to change the direction of the image light toward the eye of the user by partially reflecting the image light totally reflected from the first surface.
  3. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 경사부는, The inclined portion,
    상기 도파로의 폭 보다 작은 길이로 마련되고, 일단이 상기 제2 표면에 연결되며, 타단이 상기 제1 표면과 이격되어 마련되는, 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템.The optical system of the head mounted display, which is provided with a length smaller than the width of the waveguide, one end connected to the second surface, and the other end provided to be spaced apart from the first surface.
  4. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 입사 렌즈에 의해 시준된 이미지 광은 상기 경사부에 도달하기 전 1차 포커싱되고, 상기 제1 표면에서 전반사 된 후 상기 경사부에 의해 상기 사용자의 눈 전방에서 2차 포커싱 되도록 마련되는, 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템.The image light collimated by the incident lens is primarily focused before reaching the slope, and after being totally reflected on the first surface, is provided to be secondary focused in front of the user's eye by the slope. The optical system of the display.
  5. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 경사부는, The inclined portion,
    복수 개가 개별적으로 사출 성형되어 생성되고, 복수 개가 상호 접하도록 일렬로 배열된 후 일면에 부분 반사 코팅되며, 복수 개가 상기 제2 표면에 대해 경사를 가지도록 일정 각도로 회전된 후 상기 도파로의 제2 표면에 접합되어 마련되는, 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템.A plurality of pieces are individually injection molded and produced, a plurality of pieces are arranged in a line so as to be in contact with each other, and then partially reflective coated on one surface, and the plurality of pieces are rotated at an angle to have an inclination with respect to the second surface, and then the second of the waveguide An optical system of a head mounted display, which is provided by bonding to a surface.
  6. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 경사부는, The inclined portion,
    상기 도파로와 동일한 굴절률을 가지는 재질로 마련되는, 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템.The optical system of the head mounted display, which is provided with a material having the same refractive index as that of the waveguide.
  7. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 위상 변위 필름은, The phase shift film,
    상기 반사형 편광판에서 반사되는 이미지 광의 편광 방향을 λ/4(λ : 이미지 광의 파장)만큼 변위시키고, 상기 볼록 곡면경에서 반사된 이미지 광의 편광 방향을 λ/4만큼 변위시키도록 마련되는, 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템.Displaces the polarization direction of image light reflected from the reflective polarizer by λ/4 (λ: wavelength of image light), and is provided to shift the polarization direction of image light reflected from the convex curved mirror by λ/4 The optical system of the display.
  8. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 수학식들에 의해 정해지는 입사각(θ 0)에 의해 상기 이미지 광에 따른 시야각(Field of View : FoV)이 설정되며, 상기 입사각(θ 0)과 상기 이미지 광의 시야각 간의 관계는 하기 수학식에 의해 표현되는, 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템.The field of view (FoV) according to the image light is set by the incident angle θ 0 determined by the above equations, and the relationship between the incident angle θ 0 and the viewing angle of the image light is in the following equation Represented by the optical system of the head mounted display.
    (수학식)(Equation)
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000016
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000016
  9. 상호 평행한 제1 표면 및 제2 표면을 구비하고, 광학계에 의해 시준된 이미지 광이 상기 제1 표면으로 입사되며, 입사된 상기 이미지 광을 상기 제2 표면을 통해 사용자의 눈 측으로 출사시키는 도파로; 및 a waveguide having first and second surfaces parallel to each other, the image light collimated by an optical system is incident on the first surface, and the incident image light is emitted to the user's eye side through the second surface; and
    상기 도파로의 제2 표면에 복수 개가 상호 이격되고 상호 평행하게 마련되며, 상기 제2 표면과 일정 각도 경사지게 마련되는 경사부를 포함하고,A plurality of inclination portions are provided on the second surface of the waveguide to be spaced apart from each other and parallel to each other, and inclined at a predetermined angle from the second surface;
    상기 도파로의 입구면은, 상기 광학계를 통해 시준된 이미지 광이 상기 제1 표면에서 전반사 되도록 상기 제1 표면과 일정 각도 경사지게 마련되며, The entrance surface of the waveguide is provided to be inclined at a predetermined angle from the first surface so that the image light collimated through the optical system is totally reflected from the first surface,
    상기 도파로의 입구면의 경사 각도(θ i)와 상기 경사부의 경사 각도(θ r)는 하기 수학식에 따른 관계를 가지고,The inclination angle (θ i ) of the entrance surface of the waveguide and the inclination angle (θ r ) of the inclination portion have a relationship according to the following equation,
    (수학식)(Equation)
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000017
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000017
    상기 입사 렌즈에 의해 시준된 이미지 광의 입사각(θ 0)과 상기 입구면의 경사 각도(θ i)는 하기 수학식에 따른 관계를 가지며,The incident angle θ 0 of the image light collimated by the incident lens and the inclination angle θ i of the entrance face have a relationship according to the following equation,
    (수학식)(Equation)
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000018
    Figure PCTKR2021001093-appb-img-000018
    n 1 : 도파로의 굴절률n 1 : refractive index of the waveguide
    상기 입사각(θ 0)은, 상기 광학계에 의해 시준된 이미지 광이 상기 도파로의 입구면과 수직한 축을 기준으로 기울어진 각도이고, The incident angle θ 0 is an angle at which the image light collimated by the optical system is inclined with respect to an axis perpendicular to the entrance surface of the waveguide,
    상기 경사 각도(θ i)는 상기 도파로의 입구면이 상기 제1 표면에 대해 경사진 각도이며, The inclination angle (θ i ) is an angle at which the entrance surface of the waveguide is inclined with respect to the first surface,
    상기 수학식에 따른 관계에 의해, 상기 시준된 이미지 광은 상기 제1 표면에서 전반사하여 상기 경사부로 입사되며, 상기 경사부에서 반사되어 상기 사용자의 눈 측으로 출사되는, 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템.According to the relationship according to the above equation, the collimated image light is totally reflected from the first surface, is incident on the inclined portion, is reflected from the inclined portion, and is output to the user's eye side.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 기재된 광학 시스템을 구비하는 헤드 마운트 디스플레이.A head mounted display comprising the optical system according to any one of claims 1 to 9.
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