KR101421199B1

KR101421199B1 - 헤드 마운티드 디스플레이 광학계

Info

Publication number: KR101421199B1
Application number: KR1020130026012A
Authority: KR
Inventors: 최순철; 황보정희
Original assignee: 주식회사 세코닉스
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-07-22
Also published as: US20140268354A1; US9042026B2

Abstract

본 발명은 디스플레이 소자로부터 제공된 영상 광을 확대하여 결상시킴에 의해 대화면을 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계에 있어서, 광축을 따라 물체(object)로부터 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 또는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈의 순서로 배치되어 상면에 확대된 상을 제공하고, 주광선의 각도가 광축에서부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 주광선의 각도 증가에 따라 화각을 개선시켜, 대화면을 제공하면서 현장감 및 몰입도의 증가로 생생한 화면을 감상할 수 있으며, 전체 광학계의 싸이즈의 소형화 구현이 가능하여, 헤드 마운티드 디스플레이의 소형화 및 경량화 적용이 가능한 이점이 있다.

Description

헤드 마운티드 디스플레이 광학계{Lens system for head mounted display}

본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이에 관한 것으로서, 특히 광축을 따라 렌즈가 배열된 광학계를 제공하여 상면에 입사되는 주광선의 각도가 점진적으로 증가하도록 하여 화각을 크게하고, 광학계의 길이를 줄이는 구조를 가지며, 현장감 및 몰입도를 상승시키는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계에 관한 것이다.

일반적으로 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display, HMD)는 사용자가 헤드부에 착용한 상태에서 제공된 영상을 대화면으로 감상할 수 있도록 하는 것으로서, 그 내부에 소정의 광학시스템이 구비되어 눈 앞에 근접한 상태에서 대형의 화상을 즐길 수 있는 장치를 말하는 것이다.

특히, 헤드 마운티드 디스플레이는 사용자의 양안을 차단한 상태에서 구현되며, 그 내부에 광학렌즈 등이 구비되어 실제로 제공된 화면보다 상당히 넓은 화면으로의 감상이 가능하여, 몰입도, 현장감 및 체감도를 더욱 높일 수 있게 된다.

현재까지의 헤드 마운티드 디스플레이는 안경 형태, 헬멧 형태 및 모자 형태 등 다양한 외관으로 제공되어 왔으나, 최근에는 휴대성, 착용감과 더불어, 다양한 소비자들의 요구 및 기술 발전에 따른 대중화 추세를 고려하여 소형, 경량, 심플하면서 세련된 디자인에 대한 연구가 활발한 실정이다.

이러한, 헤드 마운티드 디스플레이의 기본적인 원리는 오목거울 등을 사용하여 오목거울의 초점거리 안에 물체(object)를 위치시켜 오목렌즈 뒤쪽으로 확대된 정립 허상이 맺히도록 하여, 이 허상을 사용자가 인식하는 것에 의해 대화면을 감상할 수 있도록 하는 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 헤드 마운티드 디스플레이에 제공되는 광학계를 개략적으로 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 외부에서 입력되는 화상이 디스플레이되는 액정 표시 소자(LCD)가 일측에 위치하고, 입사된 화상의 광이 하프미러를 통해 반사되어 오목거울로 입사되어 사용자는 오목거울 뒤편으로 확대된 정립 허상을 감상할 수 있게 되는 것이다.

이러한 원리를 이용한 종래기술로서, 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-0304622호, 10-0272375호, 공개특허공보 공개번호 10-2005-0005823호 등이 있다.

먼저, 첫 번째 기술(등록번호 10-0304622호)은, 디스플레이 소자에서 생성된 화상을 광원에서 조사된 광에 의해 확대하여 결상시킴에 의해 영상을 제공할 수 있도록 된 두부 장착용 디스플레이에 채용된 헤드 마운티드 디스플레이용 광학계에 있어서, 고굴절 고분산 재질로 되어 강한 음의 파워를 가지는 적어도 일매의 렌즈와, 저굴절 저분산 재질로 되어 양의 파워를 가지는 적어도 일매의 렌즈를 구비하여, 디스플레이소자에서 생성된 화상을 집속시키는 결상렌즈유니트와, 양의 파워를 가지며, 상기 결상렌즈유니트와 더불어 입사된 화상을 1차결상면에 결상시키는 필터렌즈와, 입사광을 투과 또는 반사시켜 그 진행경로를 바꾸어주는 반투과미러와, 상기 반투과미러에서 분기되어 입사된 광이 맺히며, 이 광을 사용자의 눈쪽으로 반사시켜 사용자의 눈의 동공으로 향하게 하는 반사경을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 두 번째 기술(등록번호 10-0272375호)은, 외부에서 입력되는 화상정보를 조사하는 광화상발생수단, 상기 광화상발생수단에서의 광화상을 반사 및 투과하는 반사투과수단, 상기 반사투과수단에 의하여 반사된 광화상을 정립 허상으로 결상하고, 상기 반사투과수단에 대응하는 위치에 비대칭형으로 설치되는 허상형성수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

마지막으로, 세 번째 기술(공개번호 10-2005-0005823호)은 소정의 디스플레이소자로부터 출력되는 영상광을 소정 배율로 확대시켜 양안에 근접한 위치에서 각각 대화면을 생성해내는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학시스템에 있어서, 소정의 영상광을 출력하기 위한 자체발광형의 단일 발광디스플레이소자, 상기 발광디스플레이소자로부터 출력되는 영상광을 각각 균등 분배하여 반사시켜주는 엑스프리즘, 상기 엑스프리즘의 반사면을 통해 분리 굴절된 각각의 영상광을 소정배율로 확대 및 수렴시켜 전달하는 복수 일조를 이루는 한 쌍의 릴레이렌즈계 및 상기 각 릴레이렌즈계를 통해 확대 및 수렴된 영상광을 착용자의 좌우 양안쪽으로 각각 전환 반사시킬 수 있도록 소정의 반사각으로 좌안 및 우안에 각각 근접 배치된 한 쌍의 반사경을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기의 종래 기술들은 디스플레이 소자에서 생성된 영상을 확대하여 사용자에게 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학계를 포함하는 것으로서, 그 공통적인 구성 요소가 하프미러와 반사경이다.

이는 기본적으로 하프미러가 반사경에 의하여 형성되는 초점에 위치되어야 하며, 구조상 이렇지는 않더라도 여러 가지 결상렌즈유니트나, 릴레이렌즈계를 도입하여 상기 반사경의 초점 또는 초점의 내측에 디스플레이 소자의 영상이 위치되도록 하여야 한다.

즉, 상기 하프미러에 의하여 반사된 광은 반사경 전체 면에서 확대되어 정립 허상이 형성되도록 하며, 이러한 구조는 크기가 25mm 이하의 소형 디스플레이 소자를 사용하는 경우에는 소형화가 가능하지만, 고해상도 소형 디스플레이는 해상도가 높아지면 가격이 높은 단점이 있으며, 저렴하면서 높은 해상도를 가진 디스플레이를 사용하면 헤드 마운티드 디스플레이의 크기를 더 이상 축소시킬 수 없는 한계를 내재하고 있다.

따라서, 이러한 점은 휴대성이나, 소형화를 실현시키는데 제약으로 작용하고 있으며, 경량화 실현에도 문제가 있어, 사용자가 장시간 헤드부에 착용시 피로감을 가중시키게 된다.

또한, 상기 구조의 헤드 마운티드 디스플레이 광학계는 화각이 일반적으로 30~50°정도 밖에 되지 않으므로, 확대 성능이 떨어지게 되어 일정 배율 이상의 대형 화면 제공에 어려움이 있다. 이는 반사경의 곡률반경을 작게 함으로써 해결이 가능하나, 이를 위해서는 하프미러를 반사경에 가깝게 배치하여야 하는데, 이 경우 광로를 차단하게 되어 일정 배율 이상의 대형 화면 제공에는 어려움이 있다.

도 2는 종래의 일반적인 헤드 마운티드 디스플레이에 제공되는 광학계 중 확대경과 같은 원리를 이용한 광학계를 개략적으로 나타낸 것이다. 이 구조는 소형 디스플레이 소자를 사용하지 않고, 30mm 이상의 디스플레이 소자를 이용하여 대화면의 구현이 가능한 구조이다. 그러나, 렌즈의 크기가 디스플레이 소자의 크기보다 크게 되어 시스템의 크기에 매우 커지게 될 뿐만 아니라, 무게가 증가하게 되어 착용이 불편한 단점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광축을 따라 렌즈가 배열된 광학계를 제공하여 상면에 입사되는 주광선의 각도가 점진적으로 증가하도록 하여 화각을 크게하고, 광학계의 크기를 줄여 착용이 편하고, 현장감 및 몰입도를 상승시키는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 디스플레이 소자로부터 제공된 영상 광을 확대하여 결상시킴에 의해 대화면을 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계에 있어서, 광축을 따라 물체(object)로부터 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 또는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈의 순서로 배치되어 상면에 확대된 상을 제공하고, 주광선의 각도가 광축에서부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 주광선은, 상기 상면에 형성된 이미지 사이즈의 20~80% 사이에서 각도가 점진적으로 커지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2렌즈의 뒷면과 상기 제3렌즈의 뒷면은 상면 방향으로 오목한 것이 바람직하다

또한, 상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈의 초점거리의 비가 ｜f₂/f₁｜> 1.5을 만족하고, 상기 제1렌즈와 상기 제3렌즈의 초점거리의 비가 ｜f₃/f₁｜> 2.0 을 만족하는 것(여기서 f₁은 상기 제1렌즈의 초점거리이고, f₂는 상기 제2렌즈의 초점거리이고, f₃은 상기 제3렌즈 초점거리이다)이 바람직하다.

또한, 상기 제4렌즈는 초점거리의 비가 0.5<f₄/f<1.5을 만족하는 것(여기서 f₄는 상기 제4렌즈의 초점거리이고, f는 전체 렌즈의 초점거리이다)이 바람직하다.

또한, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈 그리고 제4렌즈는 는 2가지 이상의 서로 다른 재질로 형성되고, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈는 서로 분리되어 형성되며, 적어도 한면은 비구면인것이 바람직하다.

상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 주광선의 각도 증가에 따라 화각을 개선시키고, 해상도를 상승시켜, 대화면을 제공하면서 현장감 및 몰입도의 증가로 생생한 화면을 감상할 수 있는 효과가 있다.

또한, 일정 화각을 확보하면서도 전체 광학계의 싸이즈의 소형화 구현이 가능하여, 헤드 마운티드 디스플레이의 소형화 및 경량화 적용이 가능하며, 이에 따라 휴대성, 착용감의 개선과 더불어 다양한 소비자들의 요구에 맞춰 심플하면서 세련된 디자인으로 공급할 수 있는 효과가 있다.

도 1 - 종래의 일반적인 헤드 마운티드 디스플레이에 제공되는 광학계를 개략적으로 나타낸 도.
도 2 - 종래의 일반적인 헤드 마운티드 디스플레이에 제공되는 광학계 중 확대경과 같은 원리를 이용한 광학계를 개략적으로 나타낸 도.
도 3 - 본 발명의 제1실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이의 광학계를 나타낸 도.
도 4 - 본 발명의 제2실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이의 광학계를 나타낸 도.
도 5 - 본 발명의 제3실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이의 광학계를 나타낸 도.
도 6 - 본 발명의 제3실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이의 광학계를 나타낸 도.

본 발명은 사용자의 헤드부에 착용하여 디스플레이 소자로부터 제공된 영상 광을 확대하여 결상시킴에 의해 대화면을 사용자의 양안에 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계에 관한 것으로서, 광축을 따라 물체(object)로부터 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈의 순서로 배치되어 확대된 상을 제공하는 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.

본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학계는 디스플레이 소자에서 제공된 작은 영상을 확대하여 보는 확대 렌즈로서, 기본적으로 눈의 위치(동공)를 입사동(入射瞳)으로 하고, 디스플레이 소자의 위치를 상면(Image surface, 像面)으로 하여 설계가 이루어지게 된다.

즉, 입사동에 위치된 사용자의 눈을 통해 렌즈를 볼 때, 렌즈 뒷편의 상면에 허상이 맺히게 되며, 이 상면에 맺히는 허상의 크기가 사용자가 실제로 인식하게 되는 화면의 크기가 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이의 구현을 위해서는 광축을 따라 물체(object)로부터 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈의 순서로 배치되어 확대된 상을 제공하게 되고, 상면에 입사되는 주광선(key light)의 각도가 광축에서부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 증가하는 것이다.

여기에서 주광선이라 함은 조리개를 중심을 지나를 광선을 말하며, 조리개를 작게 해나갈 때 마지막까지 남는 광선으로 광선속을 대표하게 되며, 비점수차나 상면의 휨이나 왜곡 등의 수차는 주광선에 대하여 구하게 되는 것으로, 본 발명에서는 상면에 입사되는 주광선의 각도가 상면의 외곽으로 갈수록 점진적으로 증가하도록 하는 것이다.

이러한 주광선의 각도가 증가하는 것은 헤드 마운티드 디스플레이에서 렌즈가 포함된 광학계 전체의 길이를 축소시킬 수 있으며, 화각을 증가시킬 수 있다는 것이다.

일반적으로 화각이 증가하게 되면 고배율의 확대된 상을 제공받을 수 있으나, 왜곡이 심하게 되며, 해상도가 떨어지고, 시스템의 싸이즈가 증가하게 되는 문제점이 있다.

그러나, 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 광학계를 이용하면 주광선의 각도가 증가함으로써 상면의 외곽쪽까지 주광선이 골고루 도달하게 되면서, 화각이 증가하여 고배율의 화상을 제공할 수 있음에도 불구하고, 왜곡이 심하지 않고, 고해상도이면서 대화면의 화상을 제공받게 되는 것이다.

본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 광학계를 이용하면 화각이 65° 이상이 되며, 이는 주변의 시야를 차단한 상태에서 화각 65° 이상의 확대된 확대된 화상만을 제공받게 되므로, 현장감 및 몰입도의 월등한 증가를 구현할 수 있게 되는 것이다.

특히, 본 발명에서는 주광선 각도의 점진적인 증가가 상기 상면에 형성된 이미지 사이즈의 20~80% 영역에서 특히 주광선의 각도가 점진적으로 증가하도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 0~20% 영역에서는 주광선의 각도가 증가하지 않더라도 왜곡의 정도가 심하지 않으며, 80% 이상의 영역에서는 화면의 주변부이기 때문에 왜곡을 보정하지 않아도 크게 눈에 띄지 않는다.

한편, 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 광학계에 사용되는 렌즈는 총 3개 또는 4개 정도 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 광축을 따라 가상의 물체(object)로부터 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 또는 제4렌즈의 순서로 배치되어 확대된 상을 제공하게 되는 것이다.

여기에서, 상기 제2렌즈와 상기 제3렌즈의 뒷면은 상면 쪽으로 오목한 형상으로 형성되어, 화각 증가에 의해 심해지는 왜곡을 보정할 수 있다.

또한, 상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈의 초점거리의 비가 ｜f₂/f₁｜> 1.5을 만족하고, 상기 제1렌즈와 상기 제3렌즈의 초점거리의 비가 ｜f₃/f₁｜> 2.0 을 만족하도록 한다. 여기에서, f₁은 상기 제1렌즈의 초점거리이고, f₂는 상기 제2렌즈의 초점거리이고, f₃은 상기 제3렌즈 초점거리이다.

또한, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈는 2가지 이상의 서로 다른 재질로 형성되고, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈는 서로 분리되어 형성되며, 적어도 한면은 비구면인 것이 바람직하다.

상기 초점거리의 비와, 제2렌즈와 제3렌즈의 형상과 재질의 조건은 구면수차 및 코마수차, 상면만곡, 왜곡수차, 색수차를 최소화하여 광학계의 성능을 높이고, 광학계 전체의 싸이즈를 줄일 수 있는 조건이다.

상세하게는 상기 제1렌즈는 양의 굴절능을 가지면서, 다른 제2렌즈 및 제3렌즈에 비해 상대적으로 강한 굴절능을 가지고 있으며, 상기 제2렌즈 및 제3렌즈는 상기 제1렌즈에 비해 상대적으로 약한 굴절능을 가지고 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 광학계는 전체적으로 양의 굴절능을 가지면서, 수차를 보정하기 위하여 제1렌즈는 양의 굴절능을 가지면서, 제2렌즈는 약한 굴절능을 가지며, 제3렌즈는 약한 굴절능을 가지도록 하여 주광선의 각도가 점진적으로 커지도록 하여, 고배율의 화상을 제공할 수 있도록 하는 것이다.

또한, 제2렌즈 및 제3렌즈의 약한 굴절능은 제1렌즈의 높은 굴절능에 의한 수차를 경감시키는 기능을 하며, 특히 제2렌즈와 제3렌즈의 뒷면을 상면 방향으로 오목하게 하여 왜곡수차를 더욱 보정하게 된다.

한편, 상기 제4렌즈는 상기 상면 인접한 위치에 형성되며, 초점거리의 비가 0.5<f₄/f<1.5을 만족하는 것으로, 상면에 입사되는 주광선의 각도를 완화시키도록 하는 것이다. 여기에서, f₄는 상기 제4렌즈의 초점거리이고, f는 전체 렌즈의 초점거리이다.

상기 제4렌즈는 약한 양의 굴절능을 가져 주광선의 각도를 완화시키므로써, 주변부 밝기를 개선하여 고배율 확대 화상에서 화상의 중심과 주변부의 밝기 차이를 최소화시키도록 하는 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.

<제1실시예>

도 3은 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 광학계의 제1실시예를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 광축을 따라 물체(object)로부터 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2), 제3렌즈(L3)의 순서로 배치되게 된다. 여기에서 물체라 함은 가상의 물체로써, 사용자가 직접 확대된 화면을 인식할 때 화면으로부터 느끼는 거리감을 말하는 것이다.

다음 표 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 광학계를 구성하는 렌즈들의 수치데이터를 나타낸 것이다.

surface(면번호)	RDY(곡률반경)	THI(두께)	Nd(굴절률)	Vd(아베수)
OBJ	INFINITY	2000
STO	INFINITY	9
2	-144.27048	3.5	1.632	23.6
3	-31.24996	2.392384
4	14.24468	3	1.632	23.6
5	16.04879	0.831839
6	20.93686	4.275777	1.531	55.8
7	21.78236	25.000004
IMG	INFINITY	0

(OBJ : 물체면, STO : 조리개, IMG : 상면(image), Infinity : 평면)

도 3에 도시된 바와 같이 물체(object) 측에 조리개(동공)(STO)가 배치되고, 이로부터 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2), 제3렌즈(L3)가 배치되며, 광축방향을 X, 광축에 직교하는 방향을 Y축으로 설정할 때, 비구면식은 다음과 같다.

비구면은 상기 수학식 1의 비구면식에 의해 얻어지는 곡선을 광축의 주위로 회전시켜 얻어지는 곡면이며, R은 곡률반경, K는 원추상수, A,B,C,D,E,F는 비구면계수이다.

상기 수학식 1로부터 위의 각 렌즈들의 데이타를 갖는 비구면계수는 다음 표 2와 같다.

면번호	A	B	C	D	E	F
S2	-6.40691E-06	2.64868E-08	4.66279E-10	7.18737E-12	0.00000E+00	0.00000E+00
S3	-4.85894E-05	-8.81754E-07	6.87195E-09	-2.44721E-11	-2.44726E-13	2.74525E-15
S4	-9.82686E-05	1.36027E-08	-5.84215E-09	6.17479E-12	2.39545E-14	-3.17719E-16
S5	6.45838E-05	-5.76584E-07	-5.99361E-09	1.87258E-11	6.54811E-14	-2.77144E-16
S6	1.04995E-04	-6.07353E-07	-2.47209E-10	2.49785E-12	8.67923E-15	-2.93118E-17
S7	3.93468E-05	-3.16156E-07	8.51686E-11	1.60968E-12	-2.96318E-15	-6.77612E-20

이러한 렌즈로 구성된 광학계의 화각, 상고, 주광선의 상면(10) 입사각을 다음 표 3에 나타내었다.

화각(도)	상고(mm)	주광선각도(도)
0	0	0
5	3.03859	3.88724
10	6.10866	7.80348
15	9.24101	11.7773
20	12.4673	15.8392
25	15.8304	20.0306
30	19.3727	24.3212
35	22.912	27.9905
40	26.3117	30.5107
43	28.0041	30.7123
45	28.9076	29.7125

상기 표 3에 나타난 바와 같이 주광선의 각도가 점진적으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히, 상면(10)에 형성된 이미지 사이즈 즉 상고 전체 길이 28.9076에 대해 20~80% 사이에서 주광선의 각도가 점진적으로 증가하는 현상이 뚜렷함을 확인할 수 있었고, 화각은 45도(광축의 아래쪽으로도 포함하여 90도) 정도를 나타내었다.

본 실시예에 따라 상기 제1렌즈(L1)와 상기 제2렌즈(L2)의 초점거리 비는 ｜f₂/f₁｜=1.96이고, 상기 제1렌즈(L1)와 상기 제3렌즈(L3)의 초점거리의 비는 ｜f₃/f₁｜=5.9이다. 여기서 제1렌즈(L1)는 강한 굴절능을 가지며 제2렌즈(L2)와 제3렌즈(L3)는 상대적으로 약한 굴절능을 가진다. 또한 제2렌즈(L2)와 제3렌즈(L3)의 뒷면은 상면 방향으로 오목한 형상을 가진다.

이와 같이 주광선 각도의 점진적 증가로 인해 화각이 커지게 되고, 이러한 효과는 광학계 전체 싸이즈가 45mm 정도에서도 설계가 가능하여, 헤드 마운티드 디스플레이의 소형화 및 경량화 구현이 가능하며, 화각의 증가로 인해 현장감 및 몰입도를 상승시키게 된다.

<제2실시예>

도 4는 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 광학계의 제2실시예를 나타낸 것이다.

다음 표 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 광학계를 구성하는 렌즈들의 수치데이터를 나타낸 것이다.

surface(면번호)	RDY(곡률반경)	THI(두께)	Nd(굴절률)	Vd(아베수)
OBJ(물체)	INFINITY	2000
STO	INFINITY	9.510754
2	183.59093	6.432565	1.531	55.8
3	-12.02383	0.3
4	29.18766	2.106685	1.632	23.6
5	16.65432	2.776617
6	27.35556	2.545363	1.492	57.1
7	19.12484	20.279181
IMG(상면)	INFINITY	0

(OBJ : 물체면, STO : 조리개, IMG : 상면(image), Infinity : 평면)

도 4에 도시된 바와 같이 물체(object) 측에 조리개(동공)(STO)가 배치되고, 이로부터 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2), 제3렌즈(L3)가 배치되며, 광축방향을 X, 광축에 직교하는 방향을 Y축으로 설정할 때, 비구면식은 상기 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1로부터 위의 각 렌즈들의 데이타를 갖는 비구면계수는 다음 표 5와 같다.

면번호	A	B	C	D	E	F
S2	-3.03018E-04	2.53061E-06	-1.00115E-08	3.91594E-11	0	0
S3	-1.32803E-04	1.63356E-06	6.59247E-10	-5.53093E-11	-3.83782E-13	6.73726E-15
S4	-8.08733E-05	1.54262E-06	-1.06452E-08	9.01575E-12	1.22878E-13	-3.15588E-16
S5	-2.05824E-05	3.92497E-08	-2.13181E-09	-1.38331E-11	1.43203E-13	-3.15670E-16
S6	9.41971E-05	-5.62625E-07	-5.40031E-10	-2.31812E-11	2.09694E-13	-4.21618E-16
S7	6.21837E-05	-9.16485E-07	5.59325E-10	6.82950E-12	-6.37583E-15	-1.83778E-17

이러한 렌즈로 구성된 광학계의 화각, 상고, 주광선의 상면(10) 입사각을 다음 표 6에 나타내었다.

화각(도)	상고(mm)	주광선각도(도)
5	2.95475	3.67824
10	5.9549	7.4409
15	9.05002	11.3782
20	12.2922	15.5651
25	15.7091	19.9701
30	19.2807	24.3801
35	22.9582	28.4473
40	26.6355	31.9038
43	28.904	33.9063
45	30.398	35.1017

상기 표 6에 나타난 바와 같이 주광선의 각도가 점진적으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히, 상면(10)에 형성된 이미지 사이즈 즉 상고 전체 길이 30.398에 대해 20~80% 사이에서 주광선의 각도가 점진적으로 증가하는 현상이 뚜렷함을 확인할 수 있었고, 화각은 45도(광축의 아래쪽으로도 포함하여 90도) 정도를 나타내었다.

본 실시예에 따라 상기 제1렌즈(L1)와 상기 제2렌즈(L2)의 초점거리 비는 ｜f₂/f₁｜=3.32이고, 상기 제1렌즈(L1)와 상기 제3렌즈(L3)의 초점거리의 비는 ｜f₃/f₁｜=5.56이다. 여기서 제1렌즈(L1)는 강한 굴절능을 가지며 제2렌즈(L2)와 제3렌즈(L3)는 상대적으로 약한 굴절능을 가진다. 또한 제2렌즈(L2)와 제3렌즈(L3)의 뒷면은 상면 방향으로 오목한 형상을 가진다.

<제3실시예>

도 5는 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 광학계의 제3실시예를 나타낸 것이다.

다음 표 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 광학계를 구성하는 렌즈들의 수치데이터를 나타낸 것이다.

surface(면번호)	RDY(곡률반경)	THI(두께)	Nd(굴절률)	Vd(아베수)
OBJ(물체)	INFINITY	2000
STO	INFINITY	9.510754
2	34.41115	9.452353	1.531	55.8
3	-64.07199	1.508083
4	44.00702	2.6	1.632	23.6
5	31.29604	8.126665
6	20.90962	5	1.492	57.1
7	23.63926	23.3129
IMG(상면)	INFINITY	0

(OBJ : 물체면, STO : 조리개, IMG : 상면(image), Infinity : 평면)

도 5에 도시된 바와 같이 물체(object) 측에 조리개(동공)(STO)가 배치되고, 이로부터 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2), 제3렌즈(L3)가 배치되며, 광축방향을 X, 광축에 직교하는 방향을 Y축으로 설정할 때, 비구면식은 상기 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1로부터 위의 각 렌즈들의 데이타를 갖는 비구면계수는 다음 표 8과 같다.

면번호	A	B	C	D	E	F
S2	-3.13642E-05	-1.33683E-07	7.97582E-10	-9.92027E-12	1.03221E-13	-3.86898E-16
S3	-8.94433E-05	2.66229E-08	2.56031E-09	-2.52588E-11	1.10625E-13	-1.92041E-16
S4	5.01271E-05	-2.23900E-07	7.02361E-11	1.63370E-12	-3.48894E-15	2.20689E-18
S5	1.26602E-04	-5.69405E-07	2.04737E-09	-9.67237E-12	2.89339E-14	-3.23144E-17
S6	5.05068E-06	-3.75794E-07	2.18371E-09	-1.04191E-11	2.62325E-14	-2.61637E-17
S7	1.94275E-05	-1.92078E-07	-1.10288E-11	7.45857E-13	-6.26218E-16	-6.21173E-19

이러한 렌즈로 구성된 광학계의 화각, 상고, 주광선의 상면(10) 입사각을 다음 표 9에 나타내었다.

화각(도)	상고(mm)	주광선각도(도)
3.5	2.63103	2.75125
7	5.28367	5.5422
10.5	7.98666	8.42752
14	10.779	11.4814
17.5	13.7037	14.777
21	16.7923	18.331
24.5	20.059	22.0389
28	23.5109	25.5804
31.5	27.0462	28.059
35	30.4609	26.6877

상기 표 9에 나타난 바와 같이 주광선의 각도가 점진적으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히, 상면(10)에 형성된 이미지 사이즈 즉 상고 전체 길이 30.398mm에 대해 20~80% 사이에서 주광선의 각도가 점진적으로 증가하는 현상이 뚜렷함을 확인할 수 있었고, 화각은 45도(광축의 아래쪽으로도 포함하여 90도) 정도를 나타내었다.

본 실시예에 따라 상기 제1렌즈(L1)와 상기 제2렌즈(L2)의 초점거리 비는 ｜f₂/f₁｜=2.70이고, 상기 제1렌즈(L1)와 상기 제3렌즈(L3)의 초점거리의 비는 ｜f₃/f₁｜=2.92이다. 여기서 상기 제1렌즈(L1)는 강한 굴절능을 가지며 제2렌즈(L2)와 제3렌즈(L3)는 상대적으로 약한 굴절능을 가진다. 또한 제2렌즈(L2)와 제3렌즈(L3)의 뒷면은 상면 방향으로 오목한 형상을 가진다.

이와 같이 주광선 각도의 점진적 증가로 인해 화각이 커지게 되고, 이러한 효과는 광학계 전체 싸이즈가 60mm 정도에서도 설계가 가능하여, 헤드 마운티드 디스플레이의 소형화 및 경량화 구현이 가능하며, 화각의 증가로 인해 현장감 및 몰입도를 상승시키게 된다.

<제4실시예>

도 6은 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 광학계의 제4실시예를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 광축을 따라 물체(object)로부터 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2), 제3렌즈(L3) 그리고 제4렌즈(L4)의 순서로 배치되게 된다. 여기에서 물체라 함은 가상의 물체로써, 사용자가 직접 확대된 화면을 인식할 때 화면으로부터 느끼는 거리감을 말하는 것이다.

다음 표 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 광학계를 구성하는 렌즈들의 수치데이터를 나타낸 것이다.

surface(면번호)	RDY(곡률반경)	THI(두께)	Nd(굴절률)	Vd(아베수)
OBJ(물체)	INFINITY	2000
STO	INFINITY	9.510754
2	183.59093	6.432565	1.531	55.8
3	-12.02383	0.3
4	29.18766	2.106685	1.632	23.6
5	16.65432	2.776617
6	27.35556	2.545363	1.492	57.1
7	19.12484	20.279181
8	250	4	1.492	57.1
9	INFINITY	1.28779
IMG(상면)	INFINITY	0

(OBJ : 물체면, STO : 조리개, IMG : 상면(image), Infinity : 평면)

도 6에 도시된 바와 같이 물체(object) 측에 조리개(동공)(STO)가 배치되고, 이로부터 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2), 제3렌즈(L3) 및 제4렌즈(L4)가 배치되며, 광축방향을 X, 광축에 직교하는 방향을 Y축으로 설정할 때, 비구면식은 상기 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1로부터 위의 각 렌즈들의 데이타를 갖는 비구면계수는 다음 표 11과 같다.

면번호	A	B	C	D	E	F
S2	-3.03018E-04	2.53061E-06	-1.00115E-08	3.91594E-11	0	0
S3	-1.32803E-04	1.63356E-06	6.59247E-10	-5.53093E-11	-3.83782E-13	6.73726E-15
S4	-8.08733E-05	1.54262E-06	-1.06452E-08	9.01575E-12	1.22878E-13	-3.15588E-16
S5	-2.05824E-05	3.92497E-08	-2.13181E-09	-1.38331E-11	1.43203E-13	-3.15670E-16
S6	9.41971E-05	-5.62625E-07	-5.40031E-10	-2.31812E-11	2.09694E-13	-4.21618E-16
S7	6.21837E-05	-9.16485E-07	5.59325E-10	6.82950E-12	-6.37583E-15	-1.83778E-17
S8	1.0E-06	0	0	0	0	0

이러한 렌즈로 구성된 광학계의 화각, 상고, 주광선이 제4렌즈(L4) 앞 가상 평면으로의 입사각을 다음 표 12에 나타내었다.

화각(도)	상고(mm)	주광선각도(도)
0	0	0
5	2.9318	3.67824
10	5.90803	7.4409
15	8.97727	11.3782
20	12.1908	15.5651
25	15.5773	19.9701
30	19.1225	24.3801
35	22.7945	28.4473
40	26.5193	31.9038
43	28.8652	33.9063
45	30.4429	35.1017

상기 표 12에 나타난 바와 같이 주광선의 각도가 점진적으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히, 상면(10)에 형성된 이미지 사이즈 즉 상고 전체 길이 30.4429mm에 대해 20~80% 사이에서 주광선의 각도가 점진적으로 증가하는 현상이 뚜렷함을 확인할 수 있었고, 화각은 45도(광축의 아래쪽으로도 포함하여 90도) 정도를 나타내었다.

본 실시예에 따라 상기 제1렌즈(L1)와 상기 제2렌즈(L2)의 초점거리 비는 ｜f₂/f₁｜=3.32이고, 상기 제1렌즈(L1)와 상기 제3렌즈(L3)의 초점거리의 비는 ｜f₃/f₁｜=5.56 이고, 전체 렌즈의 초점거리의 비와 상기 제4렌즈(L4)의 초점거리의 비는 f₄/f=1.1이다. 여기서 상기 제1렌즈(L1)는 강한 굴절능을 가지며 제2렌즈(L2)와 제3렌즈(L3)는 상대적으로 약한 굴절능을 가진다. 또한 제2렌즈(L2)와 제3렌즈(L3)의 뒷면은 상면 방향으로 오목한 형상을 가진다.

또한, 제4렌즈(L4)에 의해 주광선의 각도를 완화시켜 화상면의 중심과 주변부의 밝기 차이를 줄여 전체적으로 해상도를 개선시키게 된다. 또한, 상기 제4렌즈(L4)의 위치는 조리개(동공)(STO)에서의 상면(10)까지의 거리 중에서 80% 지점의 상면(10) 인접 지점에 렌즈 중심이 위치되어, 광학계 전체 싸이즈에 지장을 주지 않으면서, 상면(10) 인접 부위에서의 주광선의 각도를 완화하여 전체 화각의 감소를 최소화시키고 해상도는 더욱 개선시키게 된다.

본 발명의 실시예에 의해 구현된 헤드 마운티드 디스플레이 광학계를 이용하게 되면 주광선의 각도 증가에 따라 화각이 90도 정도까지 구현이 가능하여, 가상 거리 2m 정도에서 150inch 정도의 대화면을 구현할 수 있게 되어, 현장감 및 몰입도의 증가로 생생한 화면을 감상할 수 있게 되는 것이다.

또한, 일정 화각을 확보하면서도 전체 광학계의 싸이즈가 50mm 이하로 구현이 가능하여 헤드 마운티드 디스플레이의 소형화 및 경량화 적용이 가능하며, 이에 따라 휴대성, 착용감의 개선과 더불어 다양한 소비자들의 요구에 맞춰 심플하면서 세련된 디자인으로의 공급이 가능하게 된다.

STO : 조리개(동공) L1 : 제1렌즈
L2 : 제2렌즈 L3 : 제3렌즈
L4 : 제4렌즈 10 : 상면

Claims

디스플레이 소자로부터 제공된 영상 광을 확대하여 대화면을 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계에 있어서,
광축을 따라 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈의 순서로 배치되어 상면에 확대된 상을 제공하고,
상기 상면에 입사되는 주광선의 각도가 광축에서부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 증가하고, 상기 제2렌즈와 상기 제3렌즈의 뒷면은 상면 방향으로 오목한 형상을 갖되,
상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈의 초점거리의 비가 ｜f₂/f₁｜> 1.5을 만족하고, 상기 제1렌즈와 상기 제3렌즈의 초점거리의 비가 ｜f₃/f₁｜> 2.0을 만족하는 것(여기서 f₁은 상기 제1렌즈의 초점거리이고, f₂는 상기 제2렌즈의 초점거리이고, f₃은 상기 제3렌즈 초점거리이다)을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.
제 1항에 있어서, 상기 주광선은,
상기 상면에 형성된 이미지 사이즈의 20~80% 사이에서 각도가 점진적으로 커지는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈는 2개 이상의 서로 다른 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.
제 1항에 있어서, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈는 서로 분리되어 형성되며, 적어도 한면은 비구면인것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.
디스플레이 소자로부터 제공된 영상 광을 확대하여 결상시킴에 의해 대화면을 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계에 있어서,
광축을 따라 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈의 순서로 배치되어 상면에 확대된 상을 제공하고,
상기 제2렌즈와 상기 제3렌즈의 뒷면은 상면 방향으로 오목한 형상을 가지며,
상기 제4렌즈 앞 가상 평면에 입사되는 주광선의 각도가 광축에서부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 증가하도록 형성되어 상기 제4렌즈는 상기 상면에 입사되는 주광선의 각도를 완화시키고,
상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈의 초점거리의 비가 ｜f₂/f₁｜> 1.5을 만족하고, 상기 제1렌즈와 상기 제3렌즈의 초점거리의 비가 ｜f₃/f₁｜> 2.0 을 만족하는 것(여기서 f₁은 상기 제1렌즈의 초점거리이고, f₂는 상기 제2렌즈의 초점거리이고, f₃은 상기 제3렌즈 초점거리이다)을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.
제 6항에 있어서, 상기 주광선은,
상기 상면에 형성된 이미지 사이즈의 20~80% 사이에서 각도가 점진적으로 커지는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.
삭제
제 6항에 있어서, 상기 제4렌즈는 초점거리의 비가 0.5<f₄/f<1.5을 만족하는 것(여기서 f₄는 상기 제4렌즈의 초점거리이고, f는 전체 렌즈의 초점거리이다)을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.
제 6항에 있어서, 상기 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈는 2개 이상의 서로 다른 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.
제 6항에 있어서, 상기 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈는 서로 분리되어 형성되며, 적어도 한면은 비구면인것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.
제 6항에 있어서, 상기 제4렌즈는,
조리개(동공)에서 상면까지의 거리 중에서 80% 이상의 상면 인접 지점에 위치되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 광학계.