KR100341149B1 - 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템에 관한 것이다. 본 발명의 광학시스템은 화상을 표시하는 반사형 액정 스크린과; 반사형 액정 스크린의 일측에 상기 반사형 액정 스크린과 같은 방향을 향하도록 배치되는 광원과; 광원의 광선을 분산시키는 조명프리즘과; 조명프리즘으로부터 출사되는 광선을 집광시키는 프리즘시트와; 프리즘시트로부터 출사되는 광선을 편광시키는 편광자와; 편광자로부터 출사되는 광선을 분리하여 반사형 액정 스크린에 반사시키는 편광 분할기와; 편광 분할기의 전방에 배치되어 액정 스크린의 화상을 확대시키는 접안렌즈와; 접안렌즈의 전방에 배치되는 보호경으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하면, 광효율이 높고 장치의 소형화가 가능하며 선명하고 또렷한 화상을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

Description

헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템{Optical System for Head Mount Display}

본 발명은 두 눈에 근접하는 액정 스크린을 통하여 입체영상을 볼 수 있도록 구성된 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것으로, 특히, 화상의 해상도를 높여주며 눈의 이동에 따른 왜곡현상을 최소화시킬 수 있는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이 헤드 마운트 디스플레이(Head Mount Display)는 내장된 액정 스크린과 얼굴의 움직임을 검출하는 각종 센서들을 통하여 착용자로 하여금 가상의 공간내에 있는 듯한 느낌을 줄 수 있도록 구성되는 장치이다.

이러한 헤드 마운트 디스플레이는 오락용 게임을 할 때, 현실감 있는 가상 공간을 제공할 뿐만 아니라 작업자의 선택에 따라 다양한 가상 환경을 임의로 설정 할 수 있도록 구성하여 건축 및 인테리어 등과 같은 여러 산업 분야에서 다양한 실시예를 사전에 적용해 볼 수 있도록 구성하였다. 특히, 최근에는 인체의 움직임을 감지할 수 있는 보디 슈트(body suit) 등과 같이 다양한 인터페이스와 헤드 마운트 디스플레이를 조합시킴으로써, 현실감과 생동감이 더욱 향상된 가상 현실 시스템(VR system)이 개발되어 사용되고 있다.

한편, 이와 같은 헤드 마운트 디스플레이는 액정 스크린과 조명장치 및 렌즈 등으로 이루어진 광학 시스템이 제공된다. 이 광학 시스템은 액정 스크린에 화상을 나타나도록 하는 것으로, 구성요소의 배치구조에 따라 다양하게 구성될 수 있다.그 일례로서 도 1과 도 2에는 일반적으로 사용되는 광학 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 이를 살펴보면, 먼저 도 1의 광학 시스템은 화상을 나타내는 액정 스크린(1)의 후방으로 액정 스크린(1)의 광원이 되는 조명장치(2)가 배치되며, 액정 스크린(1)의 전방으로는 접안렌즈(3)가 배치되는 구성을 갖는다.

그리고 도 2의 광학 시스템은 하방을 향하도록 액정 스크린(1)을 수평으로 배치하고, 액정 스크린(1)의 수직하방에는 편광 분할기(Polarized Beam Splitter:4)를 대략 45°각도로 배치하며, 편광 분할기(4)의 후방으로는 액정 스크린(1)의 화상을 확대하여 반사시키는 오목반사거울(5)이 배치된 구성을 갖는다. 조명장치(2)는 도 1과 마찬가지로 액정 스크린(1)의 후방에 배치된다. 여기서, 상기 도 1과 도 2에서의 액정 스크린(1)은 투과형 액정으로서, 후방에 배치되는 조명장치(2)를 광원으로 하여 화상을 나타내도록 구성된다.

그러나 이와 같은 구성을 갖는 종래의 광학 시스템은 그 구성이 간단하여 장치를 슬림화, 소형화 할 수 있다는 장점은 가지고 있으나, 상술한 바와 같이 고가인 투과형 액정 스크린(1)을 사용해야 하므로 제작비용이 상승되는 단점이 있었다. 또한, 상기 투과형 액정 스크린(1) 후면의 전반에 걸쳐 광원을 제공해야 하므로 광효율이 떨어지는 단점도 있었던 것이다. 특히, 도 2의 광학 시스템은 편광 분할기(4)를 사용하여 화상의 선명도를 높인다는 것에 있어서는 도 1의 광학 시스템보다 뛰어난 효과를 발휘하지만 오목반사거울(5)에 관람자 자신의 눈 형상이 비추어져 보인다는 문제점이 있었다.

도 3에는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 다른 예가 도시되어 있다. 이에 따르면, 다른예의 광학 시스템은 액정 스크린(6)을 수직으로 배치하고, 액정 스크린(6)의 전방으로는 접안렌즈(7)를 배치하며, 액정스크린(6)과 접안렌즈(7)사이에는 상기 액정 스크린(6)을 향하여 대략 45도 각도로 하향하는 편광 분할기(8)가 배치되는 구성을 갖는다. 여기서, 액정 스크린(6)은 반사형 액정으로서, 전방 상부에 배치되는 조명장치(9)의 빛을 편광 분할기(8)를 통하여 전달받아 화상을 나타내도록 구성된다.

한편, 도 3의 광학 시스템은 가격이 저렴하고 고화소를 갖는 반사형 액정을 사용함으로써 제작비용이 감소되며 광효율이 좋아진다는 장점이 있었다. 그러나 조명장치(9)와 편광 분할기(8)의 설치공간을 확보해야하는 등 상대적으로 장치의 크기가 도 1과 도 2의 광학 시스템에 비해 커지는 단점이 있었다. 특히, 도 3의 광학 시스템의 접안렌즈는 2m의 거리에서 40인치의 화면을 보는 것과 같은 효과를 나타내기 위하여 두껍게 구성되기 때문에, 상대적으로 접안렌즈와 동공의 거리인 출사동거리(eye relief)가 짧아지고, 눈의 동공에 놓인 출사동경의 크기가 작아져 눈을 조금만 움직여도 주변부의 화상이 보이지 않는 단점이 있었던 것이다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 눈의 이동에 따른 왜곡현상을 최소화시키고, 화상의 해상도를 높여주어 착용자에게 최상의 화상을 제공할 수 있는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,

도 2와 도 3은 종래의 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 다른예를 개략적으로 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성 및 그 배치를 개략적으로 나타내는 도면,

도 5는 본 발명의 광학 시스템이 헤드 마운트 디스플레이에 설치됨을 보여주는 헤드 마운트 디스플레이의 측단면도이다.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 액정 스크린 20: 조명부

22: 발광 다이오드 23: 조명프리즘

24: 반사시트 25: 프리즘시트

26: 편광자 30: 편광 분할기

40: 접안렌즈 42: 볼록렌즈

44: 오목렌즈 50: 보호경

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 헤드 마운트 디스플레이에 있어서, 화상을 표시하는 반사형 액정 스크린과; 상기 반사형 액정 스크린의 일측에 상기 반사형 액정 스크린과 같은 방향을 향하도록 배치되는 광원과; 상기 광원의 광선을 분산시키는 조명프리즘과; 상기 조명프리즘으로부터 출사되는 광선을 집광시키는 프리즘시트와; 상기 프리즘시트로부터 출사되는 광선을 편광시키는 편광자와; 상기 편광자로부터 출사되는 광선을 분리하여 상기 반사형 액정 스크린에 반사시키는 편광 분할기와; 상기 편광 분할기의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 접안렌즈와; 상기 접안렌즈의 전방에 배치되는 보호경으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성 및 그 배치를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 광학 시스템이 헤드 마운트 디스플레이에 설치됨을 보여주는 헤드 마운트 디스플레이의 측단면도이다. 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템은 화상을 나타내는 액정 스크린(10)이 수직하게 배치된다. 이 액정 스크린(10)은 반사형 액정으로서, 전방에서 조사되는 조명을 광원으로하여 화상을 나타낸다.

그리고 액정 스크린(10)의 상부에는 상기 액정 스크린(10)에 광원을 제공하는 조명부(20)가 배치된다. 이 조명부(20)는 크게 발광 다이오드(22)와 조명프리즘(23) 및 다수개의 시트들로 구성된다. 상세하게 살펴보면, 액정 스크린(10)의 수직 상방에는 상기 액정 스크린(10)에 광원을 제공하는 발광 다이오드(22)가 액정 스크린(10)과 나란하도록 배치되며, 발광 다이오드(22)의 전방으로는 발광 다이오드(22)의 광선을 분산시키면서 굴절시키는 조명프리즘(23)이 설치된다. 이 조명프리즘(23)은 발광 다이오드(22)에서 조사되는 광선을 분산시키는 역할을 한다.

또한, 조명프리즘(23)의 상면에는 상기 조명프리즘(23)에 의해 굴절되지 않고 투과하는 광선을 재(再)반사시키는 반사시트(24)가 배치되며, 조명프리즘(23)의 하부에는 이 조명프리즘(23)에 의해 굴절된 광선을 집광시키는 프리즘시트(25)와, 프리즘시트(25)을 통하여 재출사된 광선을 편광시키는 편광자(26)가 차례로 배치된다. 여기서, 프리즘시트(25)는 반사시트(24)에서 확산되어 나오는 빛을 대략, 70°각도로 집광시켜서 상기 액정 스크린에 조사하는 역할을 하며, 상기 편광자(26)는 후술하는 편광 분할기(30)의 편광 성능이 다소 떨어져 화상의 명암대비를 저하시키므로 편광 분할기(30)에 앞서 설치되어 광선의 명암대비를 조절하는, 상기 편광 분할기(30)의 보조적인 역할을 수행한다.

한편, 액정 스크린(10)의 전방에는 상기 액정 스크린(10)으로 대략 45°각도로 하향하는 편광 분할기(30)가 배치된다. 이 편광 분할기(30)는 편광자(26)를 통하여 출사되는 직선편광속을 분리하여 액정 스크린(10)으로 반사시킨다. 그리고 편광 분할기(30)의 전방으로는 액정 스크린(10)의 화상을 확대시키는 접안렌즈(40)가 설치된다.

접안렌즈(40)는 도 4에서 보는 바와 같이 색에 따라 각각 다른 지점에 상이 맺히는 색수차가 발생하지 않도록 볼록렌즈(42)와 오목렌즈(44)를 접합시킨 이중렌즈이다. 그리고 이중렌즈중 마지막렌즈는 비구면으로하여 화상의 해상력을 높여주면서 중심으로부터 멀어질수록 화상이 일그러지는 왜곡수차를 보정하도록 하였다. 특히, 고차비구면 계수를 사용하지 않고 원추상수만 사용하여 눈의 이동에 따른 왜곡수차를 최소화 하였다. 참고로, 비구면은 하나 이상의 면에 비구면을 형성한 것으로, 적은 면수로 필요한 수차보정 상태를 달성하기 위하여 사용된다. 이러한 접안렌즈(40)는 오목렌즈(44)가 착용자의 눈에, 볼록렌즈(42)가 액정 스크린(10)을 향하도록 배치되어 액정 스크린(10) 방향의 초점을 길게하는 역초점(retro-focus)형태를 취함으로써 편광 분할기(30)의 설치공간을 충분히 확보하도록 구성된다.

이와 같은 구성을 갖는 접안렌즈(40)는 상기 액정 스크린(10)을 대략 2m의 거리에서 44inch의 화상을 보는 것은 같이 효과를 나타낸다. 특히, 이중접합렌즈인 접안렌즈(40)는 출사동거리(eye relief)를 길어지게 하고, 출사동경의 크기를 커지게하여 착용자가 눈을 움직여도 주변부의 화상이 정확히 보이도록 한다. 또한, 이중접합렌즈인 상기 접안렌즈(40)는 상기 렌즈를 비스듬히 통과하는 비축광선으로 인하여 화상의 가장자리의 밝기가 중심부에 비해 떨어지는 구경식(口經食: vignetting)이 거의 없도록 한다.

그리고 접안렌즈(40)의 전방으로는 보호경(50)를 배치하며, 이 보호경(50)은 접안렌즈(40)의 상부에서 반사되는 광선, 즉 상부의 조명부(20)로부터 새어나온 발광다이오드(22)의 광선이 착용자의 눈에 직접 비춰지는 것을 차단하여 눈부심 현상을 방지하는 역할을 한다. 특히, 보호경(50)은 액정 스크린(10)으로부터 방사되는 눈에 유해한 자외선과 강한 가시광선의 조절하며, 난반사를 바로잡아줌으로써 착용자로 하여금 부드럽고 선명한 화면을 볼 수 있으며, 눈의 피로를 덜어줄 수 있게 하는 역할을 한다. 이러한 보호경(50)은 편광필름과, 자외선 차단필름, PMMA 필름 등이 코팅되어 있음은 물론이다.

한편, 이와 같은 구성에 의해 상기 액정 스크린(10)에 신호가 가해진 상태에서 발광 다이오드(22)에서 광선이 발생되면, 이 광선은 조명프리즘(23)을 통하여 직각으로 굴절되면서 분산되어 편광 분할기(30)로 조사된다. 이때, 조명프리즘(23)을 투과하여 직진되는 광선은 반사시트(24)에 의해 반사되어 편광 분할기(30)로 조사되며, 조명프리즘(23)에 의해 직각으로 굴절된 광선은 프리즘시트(25)와 편광자(26)를 통하여 집광되면서 그 밝기가 조절된다. 그리고 프리즘시트(25)와 편광자(26)를 통과한 광선은 다시 편광 분할기(30)를 통과하면서 분리되어 액정 스크린(10)에 반사되는 것이다.

그리고 이와 같은 광선을 광원으로하여 액정 스크린(10)은 화상을 나타내며 헤드 마운트 디스플레이 착용자는 접안렌즈(40)를 통하여 상기 액정 스크린(10)의 화상을 관람할 수 있는 것이다. 이때, 액정 스크린(10)의 화상은 접안렌즈(40)에 의해 대략 2m의 거리에서 44inch의 화상을 보는 것은 같이 크게 확대된다. 특히, 이중접합렌즈인 접안렌즈(40)에 의해 출사동거리가 길어지고 출사동경이 커져 착용자가 보다 안정된 상태에서 액정 스크린(10)의 화상을 관람할 수 있도록 한다. 또한, 화상의 해상도가 높아지고 왜곡수차가 보정되는 등, 헤드 마운트 디스플레이 착용자는 보다 선명하고 또렷해진 화상을 볼 수 있는 것이다.

한편, 도 5에서는 이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 광학 시스템이 헤드 마운트 디스플레이에 설치되는 것을 나타내고 있다. 이를 간략하게 살펴보면, 헤드 마운트 디스플레이의 하우징(60)에는 한쌍의 경통(62)이 설치된다(도 5에서는 어느 한쪽의 경통만을 절취하여 도시하였다.). 그리고 경통(62)에는 상술한 광학 시스템이 설치된다.

즉, 경통(62)은 전방이 트인 제 1설치공간(64)과, 제 1설치공간(64)의 상부에 제 1설치공간(64)과 트이도록 형성되는 제 2설치공간(65)을 갖는다. 제 1설치공간(64)의 후방에는 화상을 나타내는 액정 스크린(10)이 설치되며, 트인 전방에는 액정 스크린(10)의 화상을 확대시키는 접안렌즈(40)가 설치됨을 알 수 있다. 그리고 액정 스크린(10)과 접안렌즈(40)사이에는 편광 분할기(30)가 액정 스크린(10)으로 하향하도록 대략 45°각도를 이루며 설치된다.

한편, 경통(62)의 제 2설치공간(65)에는 조명부(20)가 설치됨을 알 수 있다. 즉, 제 2설치공간(65)의 후방에는 액정 스크린(10)의 광원이 되는 발광 다이오드(22)가 상기 액정 스크린(10)과 나란하도록 설치되며, 발광 다이오드(22)의 전방으로는 발광 다이오드(22)의 광선을 직각으로 굴절시키는 조명프리즘(23)이 설치된다. 조명프리즘(23)의 상면에는 반사시트(24)가 배치되며, 조명프리즘(23)의 밑면으로는 프리즘시트(25)와, 편광자(26)가 차례로 설치된다. 한편, 접안렌즈(40) 전방의 하우징(60)에는 보호경(50)이 설치되며, 경통(62)의 후면에는 상기 액정 스크린(10)과 발광 다이오드(22)를 제어하는 인쇄회로기판(P)이 설치됨을 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 광학 시스템은 헤드 마운트 디스플레이의 하우징(60)에 배치되어 착용자에게 최상의 화상을 제공한다. 특히, 도면에서 볼 수 있듯이 조명부(20)가 액정 스크린(10)과 나란하게 배치되고, 그 높이가 낮게 구성되기 때문에 헤드 마운트 디스플레이의 전체적인 높이가 줄어듬을 알 수 있다. 이는 조명프리즘(23)과 반사시트(24) 및 프리즘시트(25)와, 프리즘시트(25) 등을 이용하여 발광 다이오드(22)의 광선을 최대한 활용함으로써 실현가능한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템은 조명프리즘과 반사시트와 프리즘시트 및 편광자 등을 이용하여 발광 다이오드의 광선을 최대한 활용함으로써 광효율을 높여주는 효과를 갖는다.

또한, 액정 스크린과 나란하게 배치된 발광 다이오드와, 프리즘을 이용하여 액정 스크린에 조명함으로써 조명부의 높이와 시스템 전체적인 높이가 줄어들어 장치의 소형화가 가능하다.

또한, 비구면을 갖는 이중접합렌즈를 이용함으로써 화상의 해상도가 높아지고, 왜곡수차가 보정되어 착용자에게 보다 선명하고 또렷한 화상을 제공하는 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 헤드 마운트 디스플레이에 있어서,

   화상을 표시하는 반사형 액정 스크린과;

   상기 반사형 액정 스크린의 일측에 상기 반사형 액정 스크린과 같은 방향을 향하도록 배치되는 광원과;

   상기 광원의 광선을 분산시키는 조명프리즘과;

   상기 조명프리즘으로부터 출사되는 광선을 집광시키는 프리즘시트와;

   상기 프리즘시트로부터 출사되는 광선을 편광시키는 편광자와;

   상기 편광자로부터 출사되는 광선을 분리하여 상기 반사형 액정 스크린에 반사시키는 편광 분할기와;

   상기 편광 분할기의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 접안렌즈와;

   상기 접안렌즈의 전방에 배치되는 보호경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 접안렌즈는 색수차가 발생되지 않도록 오목렌즈와 볼록렌즈의 접합으로 이루어지며, 오목렌즈는 왜곡수차를 보정하도록 비구면을 형성한 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.
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