KR101732880B1 - 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스플레이로부터 발산되는 영상광을 착용자의 눈에 확대하여 결상하는 헤드마운트 디스플레이(Head Mounted Display, HMD) 용 광학계에 관한 것으로, 상기 디스플레이로부터 발산되는 영상광이 입사되는 입사프리즘과, 상기 입사프리즘으로부터 입사된 영상광을 착용자의 눈으로 출사하는 출사프리즘 및 상기 입사프리즘과 상기 출사프리즘 사이에 위치하는 부분반사판을 적어도 구비하며, 상기 입사프리즘에 입사된 영상광이 상기 부분반사판에서 반사되면 이를 반사시키는 미러; 및 상기 미러에서 반사된 영상광을 확대하는 곡면경;을 더 구비하여, 상기 곡면경에서 확대된 영상광이 상기 부분반사판에 반사된 후 상기 출사프리즘에서 전반사되어 착용자의 눈으로 출사됨으로써, 외부시야를 확보하면서 정보를 획득하기에 용이하고, 획득한 정보가 광학장치의 정면으로 노출되지 않으며, 부피와 무게를 현저히 줄이면서도 대화면의 정보획득이 가능한 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계를 제공한다.

Description

도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계{Optical system for waveguide type head mounted display}

본 발명은 헤드마운트 디스플레이용 광학계에 관한 것으로, 외부시야를 확보하면서 정보를 획득하기에 용이하고, 획득한 정보가 광학장치의 정면으로 노출되지 않으며, 부피와 무게를 현저히 줄이면서도 대화면의 정보획득이 가능한 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계에 관한 것이다.

헤드마운트 디스플레이(Head mounted display, HMD)는 눈과 매우 근접한 위치에 있는 영상원으로부터 발생하는 영상을 눈 앞의 지근거리에 가상의 대화면이 구성될 수 있도록 고안된 영상 표시장치이다.

HMD는 안경처럼 머리에 착용하여 멀티미디어 컨텐츠를 제공받을 수 있는 웨어러블 디지털 장치의 일종으로, HMD는 외부 시야가 차단된 상태에서 영상만을 확보할 수 있는 폐쇄형(See-closed type)과 투명한 광학장치를 이용해 외부 시야를 확보하면서도 영상을 획득할 수 있는 투과형(See-through type)으로 나눌 수 있다.

최근 외부 활동 중에도 정보를 획득하기 위한 수단으로 투과형 HMD에 대한 선호도가 높아지고 있으며, 디지털 장치의 경량화 소형화 추세에 따라 HMD 또한 소형화, 경량화를 위한 개발이 요구되고 있다.

그러나 투과형 HMD는 외부시야를 획득하면서 정보 또한 동시에 획득할 수 있도록 고안되었기 때문에, 광학장치를 차폐시키지 않은 투명한 광학장치가 외부로 노출되어 있어 착용자가 디스플레이로부터 획득하는 정보가 외부에도 노출되는 문제가 있어 이에 대한 해결 방안이 요구된다.

도 1은 종래기술에 따른 HMD의 원리를 설명하기 위한 도면으로서, US 8,094,377 B2 (2012.01.10. 등록)에 개시된 HMD의 광학계 배치를 간략화한 것으로, 도 1을 참조하여 종래기술에 따른 HMD의 문제점을 설명한다. 도 1의 종래기술에 따른 HMD는 프리즘 방식으로서, 곡면경(4)과 두 개의 45° 프리즘(2, 3)으로 구성된다. 도 1에서 실선으로 나타낸 광로도와 같이, 도 1의 HMD는 디스플레이(1)로부터 출사된 영상을 곡면경(4)의 미러코팅면(5)에서 반사시킨 후 입사프리즘(2)과 출사프리즘(3) 사이의 부분반사면(6)에서 45° 반사시켜 착용자의 눈(7)으로 입사토록 함으로써 눈(7)에 확대된 영상을 제공한다.

전술한 종래기술의 문제점으로 지적한 바와 같이, 도 1의 HMD는 45°의 부분반사면(6)을 이용하기 때문에 대화각의 영상을 구현하기 위해서 화각(Field of View, FOV)이 커지면서 광학장치의 두께가 두꺼워진다. 이에 따라 종래기술에 따른 HMD는 무게와 부피가 증가하는 문제점이 있으며, 도 1에서 점선으로 나타낸 광로도와 같이, 45° 프리즘 구조로 인해 디스플레이(1)에서 출사된 영상의 일부는 부분반사면(6)에서 바로 반사되어 입사프리즘(2)의 일면(8)을 통해 출사되므로 눈(7) 위치의 반대쪽으로 확대되지 않은 디스플레이의 반사 영상이 노출되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인에 의하여 출원 및 등록된 대한민국 등록특허공보 제10-1517299호(2015.04.27. 등록)에는 광가이드 플레이트의 두께를 최소화하면서 시야각과 출사동을 크게 할 수 있어 무게와 부피를 현저히 줄일 수 있으면서도 가상화면 크기를 극대화하여 대화면 시청이 가능한 광가이드 플레이트를 이용한 안경형 디스플레이 장치가 개시되어 있다.

그러나 상기 등록특허는 입사광학계와 광가이드플레이트를 분리하여 별도로 결합되도록 구성되어 있기 때문에, 디스플레이소자(20)에서 입사되는 빔을 웨이브가이드에 입사시키기 위해 별도의 프리즘이 필요하고, 입사광학계에서 파워를 제공하는 곡면경(21)이 또한 이 프리즘에 위치하므로, 입사광학계의 부피가 크고 구조가 복잡할 뿐만 아니라 이에 따라 광경로가 복잡하게 이루어지기 때문에 실제 제품으로 구현하는데 문제점이 있다.

US 8,094,377 B2 (2012.01.10. 등록) KR 10-1517299 B1 (2015.05.04. 공고) KR 10-0839574 B1 (2008.06.19. 공고) JP P2003-520984 A (2003.07.08. 공표)

따라서 상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 부분반사면이 45° 이하로 이루어져 있으며 1회 이상의 전반사를 통해 영상을 유도할 수 있는 도파로가 포함된 광학장치로 이루어져 있어, 영상을 보다 크게 확대할 수 있으면서도 무게와 부피를 줄일 수 있고, 디스플레이로부터 전송되는 영상이 정면으로 노출되지 않는 구조를 가진 HMD용 광학계를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 입사광학계의 구조를 단순화하고 부피를 최소화하여 실제 구현이 용이한 HMD용 광학계를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 입사광학계에서 곡면경을 도파로의 상부 또는 하부에 위치시킴으로써 도파로 내에서 빔의 이동경로를 최소화한 HMD용 광학계를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 입사광학계에서 곡면경을 도파로와 결합시켜 도파로가 광학모듈 내에 포함되도록 함으로써, 곡면경에서 반사된 영상광이 착용자의 눈에 도달하는 거리를 줄일 수 있어 보다 선명한 영상을 제공할 수 있는 HMD용 광학계를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 영상광의 작동거리를 줄여 영상광의 반사횟수를 줄임으로써 아이박스(Eye Box)을 키워 안정적인 광학성능 향상과 함께 착용자의 눈 간격의 차이에 상관없이 편안하게 영상을 제공할 수 있는 HMD용 광학계를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계는, 디스플레이로부터 발산되는 영상광을 착용자의 눈에 확대하여 결상하는 헤드마운트 디스플레이에 있어서, 상기 디스플레이로부터 발산되는 영상광이 입사되는 입사프리즘과, 상기 입사프리즘으로부터 입사된 영상광을 착용자의 눈으로 출사하는 출사프리즘 및 상기 입사프리즘과 상기 출사프리즘 사이에 위치하는 부분반사판을 적어도 구비하며, 상기 입사프리즘에 입사된 영상광이 상기 부분반사판에서 반사되면 이를 반사시키는 미러; 및 상기 미러에서 반사된 영상광을 확대하는 곡면경;을 더 구비하여, 상기 곡면경에서 확대된 영상광이 상기 부분반사판에 반사된 후 상기 출사프리즘에서 전반사되어 착용자의 눈으로 출사되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계에 있어서, 상기 부분반사판은 편광반사판 또는 편광반사필름으로 이루어지며, 상기 입사프리즘과 상기 미러 사이와, 상기 출사프리즘과 상기 곡면경 사이에 ¼파장편광판을 각각 더 구비함으로써 광량손실을 줄여 보다 선명한 영상을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계는, 상기 출사프리즘의 최종반사면에 결합되어 상기 착용자의 외부 시야 왜곡을 보상하는 보상프리즘;을 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계에 있어서, 상기 출사프리즘의 최종반사면은 부분반사코팅, 부분반사필름, 편광반사코팅, 편광반사필름 및 편광반사판 중 어느 하나를 더 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계는, 디스플레이로부터 발산되는 영상광을 착용자의 눈에 확대하여 결상하는 헤드마운트 디스플레이에 있어서, 상기 디스플레이로부터 발산되는 영상광이 입사되는 입사프리즘과, 상기 입사프리즘으로부터 입사된 영상광을 착용자의 눈으로 출사하는 출사프리즘 및 상기 입사프리즘과 상기 출사프리즘 사이에 위치하며, 편광반사판 또는 편광반사필름으로 이루어진 부분반사판을 적어도 구비하며, 상기 입사프리즘에 입사된 영상광이 입사되면 이를 확대하는 곡면경;을 더 구비하여, 상기 곡면경에서 확대된 영상광이 상기 부분반사판에 반사된 후 상기 출사프리즘에서 전반사되어 착용자의 눈으로 출사되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계는, 상기 부분반사판은 편광반사판 또는 편광반사필름으로 이루어지며, 상기 출사프리즘과 상기 곡면경 사이에 ¼파장편광판을 각각 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계는, 상기 출사프리즘의 최종반사면에 결합되어 상기 착용자의 외부 시야 왜곡을 보상하는 보상프리즘;을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계에 있어서, 상기 출사프리즘의 최종반사면은, 부분반사코팅, 부분반사필름, 편광반사코팅, 편광반사필름 및 편광반사판 중 어느 하나를 더 형성한 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명은 디스플레이로부터 전송되는 영상이 정면으로 노출되지 않으면서도 광학장치의 두께를 최소화 할 수 있어 광학장치의 무게와 부피를 현저히 줄일 수 있으면서도 대화각의 영상을 획득할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 입사광학계의 구조를 단순화하고 부피를 최소화하여 실제 제품의 구현이 용이하고, 이에 따라 제품 제조 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 입사광학계에서 곡면경과 도파로를 결합하여 도파로가 광학모듈 내에 포함되도록 함으로써, 영상광의 작동거리 및 반사횟수가 줄어 영상광의 손실과 수차를 최소화하고, 아이박스(Eye Box)을 키워 안정적인 광학성능 향상과 함께 착용자의 눈 간격의 차이에 상관없이 편안하게 영상을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 디스플레이로부터 유도되는 영상이 외부로 직접 반사되어 노출되지 않는 구조를 제공함으로써, 외부 활동 중의 활용성이 높아 산업, 의료, 교육, 스포츠, 군사분야 등 다양한 분야에 활용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 HMD용 광학계의 원리를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도,
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도,
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도,
도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도,
도 6은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도.

이하에서는 본 발명에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 45° 이하의 부분반사면과 1회 이상의 내부전반사를 하는 프리즘(Prism) 또는 도파로(Waveguide)를 이용함으로써 두께를 줄이고, 정면에서 영상이 보이지 않도록 함으로써 디스플레이되는 정보의 유출을 방지하며, ¼파장편광판 및 편광필름을 이용하여 광량손실 최소화한 HMD를 제공하는데 특징이 있다.

또한, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 입사광학계에서 파워를 제공하는 곡면경을 도파로의 상부 또는 하부에 직접 위치시킴으로써 HMD의 부피를 최소화하고, 도파로 내의 빔의 이동경로를 최소화하고 반사횟수를 줄임으로써 빔의 손실을 줄여 보다 선명한 영상을 제공하는데 특징이 있다.

또한, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 빔의 반사횟수를 줄임에 따라 아이박스(Eye Box)를 키워 안정적인 광학성능이 향상되고, 착용자의 서로 다른 눈 간격에 따른 편차를 더 크게 포용할 수 있는 특징이 있다.

이하, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도로서, 부분반사면이 45° 이하로 이루어진 도파로(waveguide) 방식의 HMD를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 사각의 입사프리즘(21), 곡면반사면(271)을 가지는 곡면경(27), 1회 이상의 전반사를 통해 빔을 유도하는 출사프리즘(25)과 보상프리즘(29)으로 구성된다. 입사프리즘(21)과 출사프리즘(25)은 접촉면에 삽입된 부분반사판(24)과 결합하여 반사면이 45° 이하로 이루어진 도파로를 형성한다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 광량손실을 줄이기 위해 상기편광반사판 또는 편광반사필름으로 구성하고, ¼파장편광판(22, 26) 및 미러(23)를 각각 배치하며, 최종반사면(252)은 편광반사코팅을 하거나 편광반사필름 또는 편광반사판을 부착하여 구성할 수 있다.

디스플레이(20)로부터 출사된 영상은 사각의 입사프리즘(21)의 한 면(211)에서 전반사 한 후 부분반사판(24)에 의해 반사되어 미러(23)에 의해 반대방향으로 반사된 후 곡면경(27)의 곡면반사면(271)에 의해 다시 확대 반사되어 프리즘 사이의 부분반사판(24)에 의해 반사된다. 부분반사판(24)에서 반사된 빔은 출사프리즘(25)의 한 면(251)에서 전반사되고 최종반사면(252)에서 반사된 후 눈(28)으로 입사된다. 이에 따라, 눈(28)에서는 곡면경(27)에 의해 확대된 영상을 볼 수 있으며 외부시야 역시 확보 할 수 있다. 외부시야 확보 시 보상프리즘(29)은 왜곡을 보상한다.

여기서, 상기 부분반사판(24)과 최종반사면(252)은 부분반사코팅이나 부분반사필름으로 형성될 수 있으며, 편광반사코팅 또는 편광반사필름으로도 구성될 수 있다. 이때, 입사프리즘(21)과 미러(23) 사이에 ¼파장편광판(22)을 두고, 출사프리즘(25)과 곡면경(27) 사이에 ¼파장편광판(26)을 두어 편광된 빔만을 유도함으로써 눈으로 전송되는 영상의 광량손실을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 2에 나타낸 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 출사프리즘(25)의 두 면(251, 252)사이의 각이 45° 이하의 각을 가지므로 45° 프리즘에 비해 얇은 두께의 구조로 동일한 화각을 형성할 수 있어 HMD의 두께와 부피를 줄일 수 있으며, 디스플레이(20)로부터 출사된 영상은 프리즘에 의해 도파로 형태로 내부 전반사되어 눈(28)까지 가이드 되는 구조로서, 눈(28)의 반대방향으로 디스플레이 영상이 직접 반사되어 출사되지 않기 때문에 확대되지 않은 디스플레이 영상이 외부로 노출되지 않도록 한다.

또한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 곡면경(27)이 입사프리즘(21)과 출사프리즘(25)이 이루는 도파로 상에 위치함으로써 입사광학계와 도파로가 일체화되어 HMD의 부피를 더욱 줄일 수 있고, 빔의 이동경로가 짧아짐에 따라 반사횟수도 줄어들기 때문에 빔의 손실과 수차를 줄여 보다 선명한 영상을 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 반사횟수가 감소함에 따라 아이박스(Eye Box)가 커져 착용자에 따라 편차가 있는 눈 간격 편차를 더 넓게 수용할 수 있어 더욱 안정적인 광학성능을 제공한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도로서, 제1 실시 예와 마찬가지로 부분반사면이 45° 이하로 이루어진 도파로 방식의 HMD용 광학계를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 삼각의 입사프리즘(31), 곡면반사면(371)을 가지는 곡면경(37), 1회 이상의 전반사를 통해 빔을 유도하는 출사프리즘(35)과 보상프리즘(39)으로 구성된다. 입사프리즘(31)과 출사프리즘(35)은 접촉면에 삽입된 부분반사판(34)과 결합하여 반사면이 45° 이하로 이루어진 도파로를 형성한다.

이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 광량손실을 줄이기 위해 상기편광반사판 혹은 편광반사필름으로 구성하고, ¼편광판(32, 36) 및 미러(33)를 배치하며, 최종반사면(352)에 편광반사코팅을 하거나 편광반사필름 또는 편광반사판을 부착하여 구성할 수 있다.

디스플레이(30)로부터 출사된 영상은 삼각의 입사프리즘(31)의 한 면(311)에서 전반사되고, 미러(33)에 의해 반사된 후 곡면경(37)의 곡면반사면(371)에 의해 다시 반사되어 입사프리즘(31)과 출사프리즘(35) 사이의 부분반사판(34)에 의해 반사된다. 반사된 빔은 출사프리즘(35)의 한 면(351)에서 전반사된 후 최종반사면(352)에서 반사되어 눈(38)으로 입사된다.

이에 따라, 눈(38)에서는 곡면경(37)에 의해 확대된 영상을 볼 수 있으며 외부시야 역시 확보할 수 있고, 외부시야 확보 시 보상프리즘(39)은 왜곡을 보상한다.

여기서, 상기 부분반사판(34)과 최종반사면(352)은 부분반사코팅이나 부분반사필름으로 형성될 수 있으며, 편광반사코팅 또는 편광반사필름으로도 구성될 수 있다. 이때, 입사프리즘(31)과 미러(33) 사이에 ¼파장편광판(32)을 두고, 출사프리즘(35)와 곡면경(37) 사이에 ¼파장편광판(36)을 두어 편광된 빔만을 유도함으로써 눈으로 전송되는 영상의 광량손실을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 3에 나타낸 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 출사프리즘(35)의 두 면(351, 352)사이의 각이 45° 이하의 각을 가지므로 45° 프리즘에 비해 얇은 두께의 구조로 동일한 화각을 형성할 수 있어 HMD의 두께와 부피를 줄일 수 있다.

또한, 디스플레이(30)로부터 출사된 영상은 프리즘에 의해 도파로 형태로 내부 전반사되어 눈(38)까지 가이드되는 구조이므로, 영상이 직접 반사되어 눈의 반대방향으로 출사되지 않기 때문에 외부에서 확대되지 않은 디스플레이 영상을 볼 수 없으며, 도 3의 제2 실시 예는 전술한 도 2의 제1 실시 예와 대비할 때 빔의 반사 횟수를 더 줄일 수 있는 구조를 갖는다.

또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 곡면경(37)이 입사프리즘(31)과 출사프리즘(35)이 이루는 도파로 상에 위치함으로써 입사광학계와 도파로가 일체화되어 HMD의 부피가 최소화되고, 빔의 이동경로를 최소화함에 따라 반사횟수도 줄어들기 때문에 빔의 손실과 수차를 줄여 보다 선명한 영상을 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 반사횟수가 감소함에 따라 아이박스(Eye Box)가 커져 착용자에 따라 편차가 있는 눈 간격 편차를 더 넓게 수용할 수 있어 더욱 안정적인 광학성능을 제공한다.

도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도로서, 전술한 제1, 2 실시 예와 마찬가지로 부분반사면이 45° 이하로 이루어진 도파로 방식의 HMD용 광학계를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 삼각의 입사프리즘(41), 곡면반사면(431)을 가지는 곡면경(43), 2회 이상의 전반사를 통해 빔을 유도하는 도파로로 기능하는 사각 출사프리즘(45) 및 보상프리즘(49)으로 구성된다. 44)

이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 광량손실을 줄이기 위해 상기편광반사판 또는 편광반사필름으로 구성하고, ¼편광판(42, 46), 미러(47)를 배치하며, 최종반사면(453)에 편광반사코팅을 하거나 편광반사필름 또는 편광반사판을 부착하여 구성할 수 있다.

디스플레이(40)로부터 출사된 영상은 삼각의 입사프리즘(41)의 한 면(411)에서 전반사되고 부분반사판(44)에 의해 반사된 후 미러(47)에 의해 반대방향으로 반사되어 곡면경(43)으로 입사된다. 곡면경(43)으로 입사된 영상은 곡면반사면(431)에 의해 다시 반사되어 부분반사판(44)에 의해 도파로를 형성하는 출사프리즘(45) 내부로 반사된다. 반사된 빔은 출사프리즘(45) 내에서 2회 이상 전반사된 후 최종반사면(453)에서 반사되어 눈(48)으로 입사된다.

이에 따라, 눈(48)에서는 곡면경(43)에 의해 확대된 영상을 볼 수 있으며 외부시야 역시 확보할 수 있고, 외부시야 확보 시 보상프리즘(49)은 왜곡을 보상하는 역할을 한다.

여기서, 상기 부분반사판(44)과 최종반사면(453)은 부분반사코팅이나 부분반사필름으로 형성될 수 있으며, 편광반사코팅 또는 편광반사필름으로도 구성될 수 있다. 이때, 입사프리즘(41)과 미러(47) 사이에 ¼파장편광판(46)을 두고, 출사프리즘(45)과 곡면경(43) 사이에 ¼파장편광판(42)을 두어 편광된 빔만을 유도함으로써 눈(48)으로 전송되는 영상의 광량손실을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 4에 나타낸 본 발명의 제3 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 출사프리즘(45)의 두 면(451, 453)사이의 각이 45° 이하의 각을 가지므로 45° 프리즘에 비해 얇은 두께의 구조로 동일한 화각을 형성할 수 있어 HMD의 두께와 부피를 줄일 수 있다.

또한, 디스플레이(40)로부터 출사된 영상은 프리즘에 의해 도파로 형태로 내부 전반사되어 눈(48)까지 가이드되는 구조이므로, 영상이 직접 반사되어 눈의 반대방향으로 출사되지 않기 때문에 외부에서 확대되지 않은 디스플레이 영상을 볼 수 없다.

도 4의 제3 실시 예는 전술한 도 2의 제1 실시 예와 대비할 때, 곡면경(43)의 위치가 눈(48)의 위치와 반대방향에 위치하는 구조로, 안경형의 기구 구성 시 눈과의 거리(eye relief)를 확보하는데 유리하며, 2회 이상의 내부 전반사를 통해 영상을 유도할 수 있는 보다 긴 길이의 도파로를 이용함으로써 입사측과 출사측 사이의 거리를 확보하여 외부시야를 보다 더 확보할 수 있는 구조이다.

또한, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 곡면경(43)이 입사프리즘(41)과 출사프리즘(45)이 이루는 도파로 상에 위치함으로써 입사광학계와 도파로가 일체화되어 HMD의 부피를 더욱 줄일 수 있고, 빔의 이동경로가 짧아짐에 따라 반사횟수도 줄어들기 때문에 빔의 손실과 수차를 줄여 보다 선명한 영상을 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 반사횟수가 감소함에 따라 아이박스(Eye Box)가 커져 착용자에 따라 편차가 있는 눈 간격 편차를 더 넓게 수용할 수 있어 더욱 안정적인 광학성능을 제공한다.

도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도로서, 전술한 제1 내지 3 실시 예와 마찬가지로 부분반사면이 45° 이하로 이루어진 도파로 방식의 HMD용 광학계를 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 삼각의 입사프리즘(51), 곡면반사면(571)을 가지는 곡면경(57), 2회 이상의 전반사를 통해 빔을 유도하는 도파로를 형성하는 출사프리즘(55) 및 보상프리즘(59)으로 구성된다.

이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 광량손실을 줄이기 위해 상기을 편광반사판 또는 편광반사필름으로 구성하고, ¼편광판(52, 56), 미러(53)를 배치하며, 최종반사면(553)에 편광반사코팅을 하거나 편광반사필름 또는 편광반사판을 부착하여 구성할 수 있다.

디스플레이(50)로부터 출사된 영상은 삼각의 입사프리즘(51)의 부분반사판(54)에 의해 반사된 후 미러(53)에 의해 반대방향으로 반사되어 곡면경(57)으로 입사된다. 곡면경(57)으로 입사된 영상은 곡면경(57)의 곡면반사면(571)에 의해 다시 반사되어 부분반사판(54)에 의해 도파로를 형성하는 출사프리즘(55) 내부로 반사된다. 반사된 빔은 출사프리즘(55) 내에서 2회 이상 전반사된 후 최종반사면(553)에서 반사되어 눈(58)으로 입사된다.

이에 따라, 눈(58)에서는 곡면경(57)에 의해 확대된 영상을 볼 수 있으며 외부시야 역시 확보할 수 있고, 외부시야 확보 시 보상프리즘(59)은 왜곡을 보상하는 역할을 한다.

여기서, 상기 부분반사판(54)과 최종반사면(553)은 부분반사코팅이나 부분반사필름으로 형성될 수 있으며, 편광반사코팅 또는 편광반사필름으로 구성될 수도 있다. 이때, 입사프리즘(51)과 미러(53) 사이에 ¼파장편광판(52)을 두고, 출사프리즘(55)과 곡면경(57) 사이에 ¼파장편광판(56)을 두어 편광된 빔만을 유도함으로써 눈(58)으로 전송되는 영상의 광량손실을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 5에 나타낸 본 발명의 제4 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 출사프리즘(55)의 두 면(551, 553)사이의 각이 45° 이하의 각을 가지므로 45° 프리즘에 비해 얇은 두께의 구조로 동일한 화각을 형성할 수 있어 HMD의 두께와 부피를 줄일 수 있다.

또한, 디스플레이(50)로부터 출사된 영상은 프리즘에 의해 도파로 형태로 내부 전반사되어 눈(58)까지 가이드되는 구조이므로, 영상이 직접 반사되어 눈의 반대방향으로 출사되지 않기 때문에 외부에서 확대되지 않은 디스플레이 영상을 볼 수 없다. 도 5의 제4 실시 예는 전술한 도 4의 제3 실시 예와 대비할 때, 빔의 반사 횟수를 줄일 수 있는 구조를 갖는다.

또한, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 곡면경(57)이 입사프리즘(51)과 출사프리즘(55)이 이루는 도파로 상에 위치함으로써 입사광학계와 도파로가 일체화되어 HMD의 부피를 더욱 줄일 수 있고, 빔의 이동경로가 짧아짐에 따라 반사횟수도 줄어들기 때문에 빔의 손실과 수차를 줄여 보다 선명한 영상을 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 반사횟수가 감소함에 따라 아이박스(Eye Box)가 커져 착용자에 따라 편차가 있는 눈 간격 편차를 더 넓게 수용할 수 있어 더욱 안정적인 광학성능을 제공한다.

도 6은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계를 설명하기 위한 단면 광로도로서, 전술한 제1 내지 4 실시 예와 마찬가지로 부분반사면이 45° 이하로 이루어진 도파로 방식의 HMD용 광학계를 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 사각의 입사프리즘(61), 곡면반사면(651)을 가지는 곡면경(65), 2회 이상의 전반사를 통해 빔을 유도하는 도파로를 형성하는 출사프리즘(63) 및 보상프리즘(67)으로 구성된다.

이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 광량손실을 줄이기 위해 상기부분반사판을 편광반사판 또는 편광반사필름으로 구성하고 ¼편광판(64)을 배치하며, 최종반사면(633)에 편광반사코팅을 하거나 편광반사필름 또는 편광반사판을 부착하여 구성할 수 있다.

디스플레이(60)로부터 출사된 영상은 삼각의 입사프리즘(61)의 미러코팅면(611)에서 반사되어 곡면경(65)으로 입사된다. 곡면경(65)으로 입사된 영상은 곡면경(65)의 곡면반사면(651)에 의해 반사되어 부분반사판(62)에 의해 도파로 내부로 반사된다. 반사된 빔은 도파로를 형성하는 출사프리즘(63) 내에서 2회 이상 전반사된 후 최종반사면(633)에서 반사되어 눈(66)으로 입사된다.

이에 따라, 눈(66)에서는 곡면경(65)에 의해 확대된 영상을 볼 수 있으며 외부시야 역시 확보할 수 있고, 외부시야 확보 시 보상프리즘(67)은 왜곡을 보상하는 역할을 한다.

여기서, 상기 부분반사판(62)과 최종반사면(633)은 부분반사코팅이나 부분반사필름으로 형성될 수도 있고, 편광반사코팅 또는 편광반사필름으로 구성될 수도 있으며, 출사프리즘(63)과 곡면경(65) 사이에 ¼파장편광판(64)을 두어 편광된 빔만을 유도함으로써 눈(66)으로 전송되는 영상의 광량손실을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 5에 나타낸 본 발명의 제4 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 출사프리즘(63)의 두 면(631, 633)사이의 각이 45° 이하의 각을 가지므로 45° 프리즘에 비해 얇은 두께의 구조로 동일한 화각을 형성할 수 있어 HMD의 두께와 부피를 줄일 수 있다.

또한, 디스플레이(60)로부터 출사된 영상은 프리즘에 의해 도파로 형태로 내부 전반사되어 눈(66)까지 가이드되는 구조로, 영상이 직접 반사되어 눈의 반대방향으로 출사되지 않기 때문에 외부에서 확대되지 않은 디스플레이 영상을 볼 수 없다. 도 6의 제5 실시 예는 전술한 도 5의 제4 실시 예와 대비할 때, 입사프리즘(61)에서의 반사횟수를 줄일 수 있고, ¼파장편광판(64)을 한번 쓰는 구조로 광량 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 곡면경(65)이 입사프리즘(61)과 출사프리즘(63)이 이루는 도파로 상에 위치함으로써 입사광학계와 도파로가 일체화되어 HMD의 부피가 최소화되고, 빔의 이동경로를 최소화함에 따라 반사횟수도 줄어들기 때문에 빔의 손실과 수차를 줄여 보다 선명한 영상을 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 반사횟수가 감소함에 따라 아이박스(Eye Box)가 커져 착용자에 따라 편차가 있는 눈 간격 편차를 더 넓게 수용할 수 있어 더욱 안정적인 광학성능을 제공한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 부분반사면이 45° 이하로 이루어져 있으며 1회 이상의 전반사를 통해 영상을 유도할 수 있는 도파로가 포함된 광학장치로 이루어져 있어, 영상을 보다 크게 확대할 수 있으면서도 무게와 부피를 줄일 수 있고, 디스플레이로부터 전송되는 영상이 정면으로 노출되지 않는 구조를 가진 HMD를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 곡면경이 입사프리즘과 출사프리즘이 이루는 도파로 상에 위치함으로써 입사광학계와 도파로가 일체화되어 HMD의 부피가 최소화되고, 빔의 이동경로를 최소화함에 따라 반사횟수도 줄어들기 때문에 빔의 손실과 수차를 줄여 보다 선명한 영상을 제공할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 도파로를 이용한 HMD용 광학계는 반사횟수가 감소함에 따라 아이박스(Eye Box)가 커져 착용자에 따라 편차가 있는 눈 간격 편차를 더 넓게 수용할 수 있어 더욱 안정적인 광학성능을 제공한다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (8)

1. 외부 시야를 확보하면서 디스플레이 유닛으로부터 발산되는 영상광을 착용자의 눈에 확대하여 결상하는 투과형 헤드마운트 디스플레이에 있어서,
   상기 디스플레이 유닛으로부터 발산되어 입사되는 영상광을 일면에서 전반사 시키는 입사프리즘;
   상기 입사프리즘의 일면에서 전반사된 영상광을 반사시키는 부분반사판;
   상기 부분반사판을 사이에 두고 상기 입사프리즘과 대면하도록 위치하여 도파로를 형성하고, 상기 부분반사판에서 반사되어 입사되는 영상광을 일면에서 전반사 시키는 출사프리즘;
   상기 입사프리즘의 일면의 외측에 구비되어 상기 입사프리즘의 일면에서 전반사되고 상기 부분반사판에서 반사된 영상광을 반사시키는 미러;
   상기 미러에서 반사된 영상광을 확대하여 상기 부분반사판으로 출사하는 곡면경;
   상기 곡면경에서 확대 반사되고 상기 부분반사판에서 반사되어 상기 출사프리즘 내부로 입사된 후, 상기 출사프리즘의 일면에서 전반사된 영상광을 최종 반사시켜 상기 착용자의 눈으로 출사하는 최종반사면; 및
   상기 최종반사면을 사이에 두고 상기 출사프리즘과 대면하도록 위치하여 상기 착용자의 외부 시야 왜곡을 보상하는 보상프리즘;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 부분반사판은 편광반사판 또는 편광반사필름으로 이루어지며,
   상기 입사프리즘과 상기 미러 사이와, 상기 출사프리즘과 상기 곡면경 사이에 ¼파장편광판을 각각 더 구비한 것을 특징으로 하는 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 출사프리즘의 최종반사면은,
   부분반사코팅, 부분반사필름, 편광반사코팅, 편광반사필름 및 편광반사판 중 어느 하나를 더 형성한 것을 특징으로 하는 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계.
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