KR101361096B1 - 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템 - Google Patents

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김동균
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Abstract

본 발명은 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에 관한 것으로서, 디스플레이 소자; 상기 디스플레이 소자부터 발산되는 영상광을 평행하게 만들어주는 콜리메이션 렌즈; 상기 콜리메이션 렌즈를 통과하여 평행하게 정렬된 영상광이 입사되어 수평방향으로 영상을 확대할 수 있도록 제 1 확대수단을 구비하는 제 1 웨지프리즘; 상기 제 1 웨지프리즘을 통과하여 수평방향으로 확대된 영상광이 입사하여 수직방향으로 영상을 확대할 수 있도록 제 2 확대수단을 구비하는 제 2 웨지프리즘; 및 상기 제 2 웨지프리즘에서 반사되어 수직방향으로 확대된 영상광과 상기 제 2 웨지프리즘을 투과하여 사용자에게 제공되는 외부 영상이 왜곡되지 않도록 상기 제 2 웨지프리즘과 역의 형상을 가진 제 3 웨지프리즘;을 포함하여, 디스플레이 소자에서 발산되는 영상광의 손실을 최소화함으로써 영상광과 외부 영상광을 동시에 선명하게 시청할 수 있고, 사용자가 보행 중에도 이메일 및 정보 수집 등의 활동을 할 수 있어 보다 효율적인 업무추진을 할 수 있으며, 무게와 부피를 현저히 줄일 수 있으면서도 가상화면 크기를 극대화하여 대화면 시청이 가능할 뿐만 아니라 웨지프리즘 사용에 의한 확대방식을 적용하여 렌즈 가공을 최소화함으로써 제조비용을 절감할 수 있는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 제공한다.

Description

투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템{Optical System For See-through Head Mounted Display}
본 발명은 투과형 헤드마운트 디스플레이(HEAD MOUNTED DISPLAY, HMD) 광학시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 활동 중에도 정보 획득을 용이하게 할 수 있고, 부피와 무게를 현저히 줄일 수 있으면서도 대화면 시청이 가능하며, 제조비용을 절감하여 제품가격을 현저히 낮출 수 있는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에 관한 것이다.
일반적으로 헤드마운트 디스플레이(HMD) 장치는 눈과 매우 근접한 위치에서 발생하는 영상광을 정밀한 광학 장치를 이용하여 먼 거리에 가상의 대형화면이 구성될 수 있도록 초점을 형성함으로써 사용자로 하여금 확대된 허상을 볼 수 있도록 하는 화상 표시 장치로서, 주위 환경은 볼 수 없고 디스플레이 소자에서 발산된 영상광만을 볼 수 있는 폐쇄형 HMD (See-close HMD) 방식과, 윈도우를 통해 주위 환경을 볼 수 있으면서도 디스플레이 소자에서 발산된 영상광 또한 볼 수 있는 투과형 HMD (See-through HMD) 방식으로 나뉜다. 도 1은 종래 기술에 따른 투과형 HMD의 광학시스템의 예를 보여주고 있다.
먼저, 도 1에 도시된 투과형 HMD는 국내 특허등록번호 제10-0928226호로 게시되었으며, 영상광을 발산하는 디스플레이 소자(10)와, 상기 마이크로 디스플레이 패널에서 나오는 광 중 특정 편광만을 반사시키는 편광분리기(11)와, 상기 편광분리기에서 반사된 선편광을 원편광으로 변환시키거나 입사된 원편광을 선편광으로 변화시키는 위상 지연판(12)과, 상기 위상 지연판(12)을 통과한 원편광된 광을 확대하여 다시 상기 위상 지연판(12)으로 보내주는 반투과 오목 반사경(13)과, 주변 광을 개폐할 수 있도록 상기 반투과 오목 반사경의 외측면에 부착된 광 개폐 스위치 패널(14)을 포함하는 HMD 장치의 광학시스템으로 이루어진다.
위와 같은 구성에 의하여, 상기 디스플레이 소자(10)에서 생성된 영상광은 상기 디스플레이 소자(10)에 45도 기울여 배치된 상기 편광분리기(11)에 의해 90도 방향으로 전체 영상광중 P파 혹은 S파 성질의 50% 빔만이 투과 또는 반사되어 상기 위상 지연판(12)에 도달하며, 상기 위상 지연판(12)에서 선편광된 영상광이 원편광으로 바뀌어 상기 반투과 오목반사경(13)에 도달한 후 반사되며 회전 방향이 반대인 원편광 상태가 되어 상기 위상지연판(12)과 상기 편광분리기(11)를 다시 통과하여 사용자의 눈에 도달함으로써 상기 반투과 오목반사경(13)에서 확대된 영상을 사용자는 시청할 수 있게 된다.
그러나 전술한 종래의 기술은 디스플레이 소자(10)로부터 생성된 영상광이 상기 편광분리기(11)와 상기 반투과 오목반사경(13)에 통과하며 각각 50%의 광량이 손실되어 최초 광량의 25%만이 양안으로 전달되며 75%는 반사과정에서 유실되게 되므로 원 영상광의 자연색을 구현하기가 힘들어 지게 되고, 그에 따라 사용자의 안구에 적정한 밝기의 화상을 제공하기 위해서는 유실되는 광량의 크기를 감안하여 고휘도의 광원을 별도로 사용해야 하는 문제점이 있다.
또한, 상기 반투과 오목반사경(13)에서 확대된 영상이 양 안에 도달하기까지의 공간에 상기 편광분리기(11)이 대각으로 위치하고 있으므로, 통상적인 헤드마운트 디스플레이의 목적인 시야각(FOV) 또는 아이 박스(Eye Box)를 크게 하는데 구조적인 문제점을 가지고 있으며, 이들을 확대하기 위해서는 기구 전체의 크기와 무게가 늘어날 수밖에 없어 사용자가 착용하였을 경우 얼굴 전체에 압박 요인이 되어 쉽게 피로감을 느끼게 되는 문제점이 있다.
따라서 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 디스플레이 소자에서 발산되는 영상광의 손실을 최소화함으로써 영상광과 외부 영상광을 동시에 선명하게 시청할 수 있도록 하여 보행 중에도 이메일 및 정보 수집 등의 활동을 할 수 있어 보다 효율적인 업무추진을 할 수 있는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 무게와 부피를 현저히 줄일 수 있으면서도 가상화면 크기를 극대화하여 대화면 시청이 가능한 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 웨지프리즘 사용에 의한 확대방식을 적용하여 렌즈 가공을 최소화함으로써 제조비용을 절감할 수 있는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은, 디스플레이 소자; 상기 디스플레이 소자부터 발산되는 영상광을 평행하게 만들어주는 콜리메이션 렌즈; 상기 콜리메이션 렌즈를 통과하여 평행하게 정렬된 영상광이 입사되어 수평방향으로 영상을 확대할 수 있도록 제 1 확대수단을 구비하는 제 1 웨지프리즘; 상기 제 1 웨지프리즘을 통과하여 수평방향으로 확대된 영상광이 입사하여 수직방향으로 영상을 확대할 수 있도록 제 2 확대수단을 구비하는 제 2 웨지프리즘; 및 상기 제 2 웨지프리즘에서 반사되어 수직방향으로 확대된 영상광과 상기 제 2 웨지프리즘을 투과하여 사용자에게 제공되는 외부 영상이 왜곡되지 않도록 상기 제 2 웨지프리즘과 역의 형상을 가진 제 3 웨지프리즘;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 상기 제 1 웨지프리즘에 구비되는 수평방향 영상을 확대하는 제1 확대수단은, 내부에 격자 구조를 형성하여 반사각의 방향을 원하는 방향으로 바꿀 수 있는 홀로그래픽 광학소자(HOE)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 상기 제 1 웨지프리즘에 구비되는 수평방향 영상을 확대하는 상기 제 1 확대수단은, 반사면이 반사각의 방향을 원하는 방향으로 바꿀 수 있도록 경사각을 가진 톱니 구조의 회절 광학소자(DOE)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 상기 제 2 웨지프리즘의 수직방향 영상을 확대하는 상기 제 2 확대수단은, 내부에 격자 구조를 형성하여 반사각의 방향을 원하는 방향으로 바꿀 수 있는 홀로그래픽 광학소자(HOE)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 상기 제 2 웨지프리즘의 수직방향 영상을 확대하는 상기 제 2 확대수단은, 반사면이 반사각의 방향을 원하는 방향으로 바꿀 수 있도록 경사각을 가진 톱니 구조의 회절 광학소자(DOE)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 상기 제 3 웨지프리즘은, 상기 제 2 웨지프리즘의 경사면이 회절광학소자(DOE)일 경우, 제 2 웨지 프리즘과 역의 톱니 형상을 갖는 경사면을 보유하여 사용자가 외부 영상을 왜곡 없이 볼 수 있도록 보상된 광학계를 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은, 시야각(FOV)을 확대하기 위하여 상기 제 1 웨지프리즘과 상기 제 2 웨지프리즘의 사이에 볼록렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은, 상기 제 1 웨지프리즘과 상기 제 2 웨지프리즘의 경사각을 동일하게 하여, 영상광의 수평확대와 수직확대의 비율을 동일하도록 함으로써 영상왜곡을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 상기 제 1 확대수단은, 상기 반사면이 100% 반사 코팅면인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 상기 제 2 확대수단은, 상기 반사면이 50 % 하프미러 코팅면인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 상기 제 1 확대수단은, 반사형 홀로그래픽 광학소자(HOE)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 상기 제 2 확대수단은, 반사형 홀로그래픽 광학소자(HOE)인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 디스플레이 소자에서 발산되는 영상광의 손실을 최소화함으로써 영상광과 외부 영상광을 동시에 선명하게 시청할 수 있도록 하여, 보행 중에도 이메일 및 정보 수집 등의 활동을 할 수 있어 보다 효율적인 업무추진을 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 무게와 부피를 현저히 줄일 수 있으면서도 가상화면 크기를 극대화하여 대화면 시청이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 웨지프리즘 사용에 의한 확대방식을 적용하여 렌즈 가공을 최소화함으로써 제조비용을 절감할 수 있는 장점을 추가로 가진다.
도 1은 종래의 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 개략적으로 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 간략하게 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에서 빛의 경로를 3차원으로 도식한 개략도,
도 4a는 일반적인 프리즘 내에서의 빛의 경로를 나타낸 단면도,
도 4b는 본 발명에 따른 웨지프리즘의 경사면에 설치된 영상 수평확대 수단의 일 실시예를 도시한 단면도,
도 4c는 본 발명에 따른 웨지프리즘의 경사면에 설치된 영상 수평확대 수단의 하나인 반사형 홀로그래픽 광학소자의 작동 원리를 소개한 개념도,
도 4d는 본 발명에 따른 웨지프리즘의 경사면에 설치된 영상 수평확대 수단의 다른 일실시예인 회절광학소자(DOE)를 도시한 단면도,
도 5a는 일반적인 프리즘 내에서의 빛의 경로를 설명하기 위한 단면도,
도 5b는 본 발명에 따른 웨지프리즘의 경사면에 설치된 영상 수직확대 수단의 일 실시예를 도시한 단면도,
도 5c는 본 발명에 따른 웨지프리즘의 경사면에 설치된 영상 수직확대 수단의 다른 일실시예를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템의 광경로에서 반사판을 추가한 구조의 일실시예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 제 1 웨지프리즘과 제 2 웨지프리즘 사이의 광경로에 확대렌즈를 추가한 구조의 다른 일실시예를 도시한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 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.
먼저, 도 2는 본 발명에 따른 웨지프리즘을 사용한 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 구성 및 배치에 대한 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 영상광의 이동경로를 3차원적으로 표시한 개략도이다.
본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 도 2와 3에 도시된 바와 같이, 디스플레이 소자(20)와, 콜리메이션 렌즈(21)와, 제 1 웨지프리즘(22)과, 제 2 웨지프리즘(23) 및 제 3 웨지프리즘(24)를 포함하여 이루어진다.
상기와 같은 구성에 의하여, 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 디스플레이 소자(20)에서 발산하는 영상광이 상기 디스플레이 소자(20)와 평행하게 광축이 일치되도록 위치한 콜리메이션 렌즈(21)을 통하여 평행광으로 바뀐 뒤, 제 1 웨지프리즘(22) 내부로 입사하여 수평방향으로 평행하게 진행하며, 제 1 웨지프리즘(22) 경사면에 설치된 수평방향 확대수단(221)에 의해 수평방향으로 영상의 크기가 확대된 후 수직 하방으로 반사되어 상기 제 1 웨지프리즘(22)으로부터 출사된다. 또한 제 1 웨지프리즘(22)의 수직 하방으로 반사된 영상광은 제1 웨지프리즘(22)의 하방에 위치한 상기 제 2 웨지프리즘(23)으로 입사되고, 제 2 웨지프리즘(23)의 경사면에 위치한 수직방향 확대수단(231)에 의하여 수직방향으로 영상의 크기가 확대된 후 수직 전방으로 반사되어, 제 2 웨지프리즘(23)으로부터 출사됨으로써 사용자는 최초 디스플레이 소자의 크기보다 수평 및 수직 방향으로 크게 확대된 영상을 시청할 수 있게 된다.
이때, 수평방향으로의 영상 확대와 수직방향으로의 영상 확대의 비율을 동일하게 하여 영상의 왜곡을 최소화하기 위해서는 상기 제 1 웨지프리즘(22)과 상기 제 2 웨지프리즘(23)의 경사각을 동일하게 하여야 한다.
또한, 상기 제 2 웨지프리즘(23) 후면에 배치된 상기 제 3 웨지프리즘(24)은 상기 제 2 웨지프리즘(23)의 수직방향 확대수단(231)이 홀로그래픽 광학소자일 경우 경사면을 평면으로 하며 상기 제 2 웨지프리즘(23)의 수직방향 확대수단(231)이 회절광학소자(DOE)일 경우 상기 제 2 웨지 프리즘(23)의 회절광학소자와 역의 톱니 형상을 보유하여 사용자가 외부 영상을 왜곡 없이 볼 수 있도록 보상된 광학계를 제공한다.
도 4a는 상기 제 1 웨지프리즘(22)에서 경사면에 수평방향 확대수단을 보유하고 있지 못할 경우의 일반적인 영상광의 진로를 도식화한 도면으로서, 도 4a에 의하면 경사면의 입사각θ과 반사각θ'은 동일해야 하므로, 입사 영상광의 폭 d와 반사 영상광의 폭 d'는 동일하므로 확대효과가 없다.
도 4b는 상기 제 1 웨지프리즘에서(22)에서 경사면에 수평방향 확대수단(221)으로서 홀로그래픽 광학소자(HOE)를 보유하고 있을 경우 영상광의 진로를 도식화한 도면으로서, 도 4b에 의하면 수평방향으로 경사면에 입사한 영상광은 상기 홀로그래픽 광학소자(221) 내부에 이미지 신호의 파장에 따라 회절되는 각도가 결정되어지도록 미리 입력된 패턴 무늬가 포함되어 있어 이미 입력된 수직 하방으로 영상광을 반사시킨다.
상기 홀로그래픽 광학소자(221)에 회절각도를 미리 입력하기 위해서는 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 홀로그래픽 광학소자(221)의 반대방향에서 레이저 입사빔(Object Beam)이 수평하게 입사되고, 또 다른 레이저 빔(Reference Beam)은 경사각을 가지고 조사되면, 상기 홀로그래픽 광학소자(221)의 내부에 회절각도가 미리 입력된 패턴 무늬로 새겨진다. 이와 같이 입력을 마친 후, 입력에 사용된 레이저 빔(Object Beam)과 동일한 파장대역의 영상광을, 입력시 사용하였던 레이저 빔(Reference Beam)와 동일한 각도로 조사하면 미리 입력된 패턴 무늬에 의해 영상광은 상기 레이저 입사빔(Object Beam)의 반대 방향으로 영상광을 반사하며, 이때 영상광의 광폭 d는 d'로 확대되어 반사된다. 이러한 이론 및 시험은 학술적으로 검증되어 여러 분야에서 응용되고 있다.
또한, 상기 홀로그래픽 광학소자(221)는 색의 3원색인 R, G, B 에 대하여 각각의 레이저를 이용하여 패턴 무늬를 입력할 수 있으므로 색채(Color) 구현을 위해서는 동일한 홀로그래픽 광학소자에 RGB 레이저를 동시에 조사함으로써 패턴무늬를 입력하거나 RGB 각각의 패턴 무늬가 입력된 홀로그래픽 광학소자를 만든 후 적층 방식으로 경사면에 부착할 수도 있다. 일반적으로 상기 홀로그래픽 광학소자(221)에는 포토폴리머가 사용된다.
도 4d는 상기 제 1 웨지프리즘에서(22)에서 경사면에 수평방향 확대수단(221)으로서 회절광학소자(DOE)를 보유하고 있을 경우 영상광의 진로를 도식화한 도면으로서, 도 4d에 의하면 수평방향으로 경사면에 입사한 영상광 d는 상기 회절광학소자(221) 표면에 돌출된 톱니 모양의 반사면에 의해 수직 하방으로 영상광 d'가 되어 확대된 상태로 반사된다. 이때, 각 톱니 구조의 간격은 가시 광선의 파장보다 커야만 하므로 적어도 10㎛이어야 하며 사람의 눈의 눈동자의 크기를 감안하면 200 ㎛이하이다. 가장 이상적인 톱니의 간격은 회절 격자선을 인간의 눈으로 인식이 가능한 한계가 50 ㎛임을 감안하면 10~50 ㎛ 사이이고, 깊이는 회절격자의 간격과 경사면의 각도, 그리고 회절격자면의 각도의 함수에 의해 결정된다. 상기 수평방향 확대수단(221)인 회절광학 소자(DOE)의 외부면은 상기 제 2 웨지프리즘(23) 내부에서 반사되는 영상광이 모두 반사될 수 있도록 100% 반사 미러 코팅 처리한다.
도 5a는 상기 제 2 웨지프리즘(23)에서 경사면에 수직방향 확대수단을 보유하고 있지 못할 경우 일반적인 영상광의 진로를 도식화한 도면으로서, 도 5a에 의하면 경사면의 입사각θ와 반사각θ’는 동일해야 하므로, 입사 영상광의 폭 d는 반사 영상광의 폭 d'는 동일하여 확대효과가 없다.
도 5b는 상기 제 2 웨지프리즘에서(23)에서 경사면에 수직방향 확대수단(231)으로서 홀로그래픽 광학소자(HOE)를 보유하고 있을 경우 영상광의 진로를 도식화한 도면으로서, 도 5b에 의하면, 도 4b에서 제시된 바와 같이 동일한 원리에 의하여 수직방향으로 경사면에 입사한 영상광은 상기 홀로그래픽 광학소자(231) 내부에 이미지 신호의 파장에 따라 회절되는 각도가 결정되어지도록 미리 입력된 패턴 무늬가 포함되어 있어 이미 입력된 수평 전방으로 영상광을 반사시킨다.
도 5c는 상기 제 2 웨지프리즘에서(23)에서 경사면에 수평방향 확대수단(231)으로서 회절광학소자(DOE)를 보유하고 있을 경우 영상광의 진로를 도식화한 도면으로서, 도 5c에 의하면, 도 4d에서 제시된 바와 같이 동일한 원리에 의하여 수직방향으로 경사면에 입사한 영상광 d는 상기 회절광학소자(231) 표면에 돌출된 톱니 모양의 반사면에 의해 수평 전방으로 영상광 d'가 되어 확대된 상태로 반사된다. 상기 수직방향 확대수단(231)인 회절광학 소자(DOE)의 외부면은 상기 제 2 웨지프리즘(23) 내부에서 반사되는 영상광과 외부로부터 투과되는 영상광이 모두 동시에 보일 수 있도록 하프미러 코팅 처리한다.
도 6은 도 2에 제시된 본 발명의 투과형 헤드마운트 디스플레이 시스템 중 상기 콜리메이션 렌즈(21)와 상기 제 1 웨지프리즘(22) 사이에 45도 반사판(211)을 추가함으로써 상기 디스플레이 소자(20)와 상기 콜리메이션 렌즈(211)를 안경테 안에 넣을 수 있는 구조로 배열이 가능하도록 한 일 실시예를 나타낸 것이다.
상기와 같은 구성에 의하여 상기 디스플레이 소자(20)에서 발산하는 영상광은 상기 디스플레이 소자와 평행하게 광축이 일치되도록 위치한 상기 콜리메이션 렌즈(21)를 통하여 평행광으로 바뀐 뒤 상기 45도 반사판에서 90도 회전하여 상기 제 1 웨지프리즘(22) 내부로 입사하며, 도 2를 통해 전술한 바와 같이 수평 및 수직방향의 확대 수단에 의해 사용자에게 확대된 영상이 제공된다.
도 7은 도 2에 제시된 본 발명의 투과형 헤드마운트 디스플레이 시스템 중 상기 제 1 웨지프리즘(22)과 상기 제 2 웨지프리즘(23) 사이에 수평 방향과 수직 방향의 영상을 추가로 확대할 수 있는 수단인 파워를 가진 렌즈(703)을 추가함으로써 시야각(FOV)를 더욱 크게 할 수 있도록 하는 일실시예를 나타낸 것이다.
위와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 제 1 웨지프리즘(22)에서 제공하는 수평방향 확대수단과 제 2 웨지프리즘(23)에서 제공하는 수직방향 확대 수단을 이용하여 영상을 확대할 수 있으므로 상의 확대를 위한 렌즈 사용을 최소화할 수 있을 뿐 아니라 얇은 두께에도 불구하고 대화면을 시청할 수 있도록 영상을 확대할 수 있다. 또한, 하프미러와 같이 광 손실을 강제하는 수단의 사용을 최대한 억제함으로써 원화상과 거의 동등한 수준의 매우 밝고 선명한 화상을 제공할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 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.
20 : 디스플레이 소자 21 : 콜리메이션 렌즈
22 : 제 1 웨지프리즘 221 : 영상 수평확대 수단
23 : 제 2 웨지프리즘 231 : 영상 수직확대 수단
24 : 제 3 웨지프리즘

Claims (12)

  1. 디스플레이 소자;
    상기 디스플레이 소자부터 발산되는 영상광을 평행하게 만들어주는 콜리메이션 렌즈;
    상기 콜리메이션 렌즈를 통과하여 평행하게 정렬된 영상광이 입사되어 수평방향으로 영상을 확대할 수 있도록 제 1 확대수단을 구비하는 제 1 웨지프리즘;
    상기 제 1 웨지프리즘을 통과하여 수평방향으로 확대된 영상광이 입사하여 수직방향으로 영상을 확대할 수 있도록 제 2 확대수단을 구비하는 제 2 웨지프리즘; 및
    상기 제 2 웨지프리즘에서 반사되어 수직방향으로 확대된 영상광과 상기 제 2 웨지프리즘을 투과하여 사용자에게 제공되는 외부 영상이 왜곡되지 않도록 상기 제 2 웨지프리즘과 역의 형상을 가진 제 3 웨지프리즘;을 포함하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 웨지프리즘에 구비되는 수평방향 영상을 확대하는 제1 확대수단은,
    내부에 격자 구조를 형성하여 반사각의 방향을 원하는 방향으로 바꿀 수 있는 홀로그래픽 광학소자(HOE)인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 웨지프리즘에 구비되는 수평방향 영상을 확대하는 상기 제 1 확대수단은,
    반사면이 반사각의 방향을 원하는 방향으로 바꿀 수 있도록 경사각을 가진 톱니 구조의 회절 광학소자(DOE)인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 웨지프리즘의 수직방향 영상을 확대하는 상기 제 2 확대수단은,
    내부에 격자 구조를 형성하여 반사각의 방향을 원하는 방향으로 바꿀 수 있는 홀로그래픽 광학소자(HOE)인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 웨지프리즘의 수직방향 영상을 확대하는 상기 제 2 확대수단은,
    반사면이 반사각의 방향을 원하는 방향으로 바꿀 수 있도록 경사각을 가진 톱니 구조의 회절 광학소자(DOE)인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 3 웨지프리즘은,
    상기 제 2 웨지프리즘의 경사면이 회절광학소자(DOE)일 경우, 제 2 웨지 프리즘과 역의 톱니 형상을 갖는 경사면을 보유하여 사용자가 외부 영상을 왜곡 없이 볼 수 있도록 보상된 광학계를 제공하는 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    시야각(FOV)을 확대하기 위하여 상기 제 1 웨지프리즘과 상기 제 2 웨지프리즘의 사이에 볼록렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 웨지프리즘과 상기 제 2 웨지프리즘의 경사각을 동일하게 하여, 영상광의 수평확대와 수직확대의 비율을 동일하도록 함으로써 영상왜곡을 최소화하는 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  9. 제 3항에 있어서, 상기 제 1 확대수단은,
    상기 반사면이 100% 반사 코팅면인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 제 2 확대수단은,
    상기 반사면이 50 % 하프미러 코팅면인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  11. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 확대수단은,
    반사형 홀로그래픽 광학소자(HOE)인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
  12. 제 4항에 있어서, 상기 제 2 확대수단은,
    반사형 홀로그래픽 광학소자(HOE)인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드마운트 디스플레이 광학시스템.
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