KR101999425B1 - 허상 투영 디스플레이용 광학장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 허상 투영 디스플레이용 광학장치는 영상소자에서 제공되는 이미지를 사용자의 전방 시야에 허상으로 투영하기 위해 영상소자와 안구 사이에 반사모듈을 포함하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 있어서, 상기 반사모듈의 중앙영역에 배치되어 반사모듈의 전방으로부터 안구를 향해 입사되는 입사광을 투과하는 투과부; 및 상기 반사모듈의 중앙영역을 둘러싸는 주변영역에 배치되어 반사모듈의 측면으로 제공되는 이미지를 안구를 향해 반사시키는 것과 동시에 반사모듈의 전면으로 제공되는 입사광을 안구를 향해 투과하는 반사부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

허상 투영 디스플레이용 광학장치{OPTICAL DEVICE FOR VIRTUAL IMAGE PROJECTION DISPLAY}

본 발명은 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자의 전방 시야의 정중앙에 이미지가 투영되지 않는 투명한 공간을 배치함으로써, 사용자의 전방 시야의 중앙부분이 이미지에 의해 가려지지 않도록 할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 관한 것이다.

스크린에 영상을 투사해서 보는 프로젝션(projection) 광학계는 영상을 투사하는 동안에는 투사된 영상을 스크린을 통해서 봐야하기 때문에 보는 사람의 활동 범위가 제한되는 단점이 있다.

이를 극복한 것이 허공에 허상을 투영하고 그 허상을 관찰자 눈의 망막에 결상할 수 있는 허상 투영 광학계이다. 이러한 허상 투영 광학계는 여러 사람이 같이 볼 수 없는 단점이 있으나, 개개인이 머리에 장착하여 영상을 보면서 공간을 이동할 수 있기 때문에 관찰자의 활동 범위에 제한이 없는 장점이 있다.

허상 투영 광학계는 구글 글래스(Google Glass)와 같은 시스루(see-through) 타입의 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display;HMD) 형태로 다양하게 개발되고 있다. 이러한 반사형 허상 투영광학계는 관찰자의 전방 환경에 대한 정보를 직접보면서 허상 투영광학계에 의한 정보도 같이 보고자 할 때 사용하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 영상을 제공하는 영상소자(11)와, 영상소자(11)에서 제공되는 영상을 확대하여 허상을 만드는 오목반사경(12)과, 상기 오목반사경(12)에서 확대된 영상을 사용자의 눈을 향해 반사시키는 반사면(13)으로 구성된다.

하지만, 이러한 종래의 구성에 따르면, 영상을 확대하고 허상을 만드는 오목반사경이 실버코팅 또는 알루미늄 코팅으로 구성하여 광선의 반사량을 높이도록 구성되어있으나, 사용자의 양쪽 눈 사이에 불투명한 반사경이 배치되어 시각적인 불편함을 유발하는 문제가 있다.

또한, 허상의 초점거리는 영상소자와 반사면 사이의 거리에 의해 결정되며, 허상의 초점거리는 일반적으로 대략 4~5m 전방의 위치에 결상되도록 설정되므로, 사용자는 전방 시야와 함께 대략 4~5m 전방에 결상되는 허상을 동시에 관찰할 수 있게 된다. 하지만, 종래의 허상 투영광학계는 영상소자와 반사면 사이의 거리가 고정되어 있으므로 허상의 초점거리를 조절하는 것이 불가능하다.

즉, 사용자가 1~2m 이내의 근거리에 위치한 목표물을 관찰하는 경우, 영상소자에서 제공되는 이미지가 결상되는 허상의 위치와 사용자 전방에 위치한 목표물의 위치에 대한 사용자의 주시점(注視点, object of regard, point of fixation)들의 위치가 일치하지 않기 때문에, 허상과 목표물을 번갈아 보기 위해서는 눈이 조절(accommodation)을 해야 하며, 반복적인 눈의 조절작용은 눈의 조절피로(accommodative fatigue) 또는 안정피로(asthenopia)를 유발하는 문제점이 있다.

특허문헌 1. 대한민국 등록특허 제10-1577919호 (2014.03.25.공개)

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자의 전방 시야의 정중앙에 이미지가 투영되지 않는 투명한 공간을 배치함으로써, 사용자의 전방 시야의 중앙부분이 이미지에 의해 가려지지 않도록 할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치를 제공함에 있다.

또한, 사용자가 주시하는 목표물과 사용자의 거리에 따라 사용자의 전방 시야에 투영되는 허상의 초점 거리를 조절함으로써, 눈의 조절피로 또는 안정피로를 방지할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치를 제공함에 있다.

또한, 반사부 전체를 투명하게 구성함으로써, 사용자의 전방 시야에 노출되는 반사부에 따른 이질감을 최소화할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치를 제공함에 있다.

또한, 밝은 외부환경에서도 밝고 선명한 이미지를 제공할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 영상소자에서 제공되는 이미지를 사용자의 전방 시야에 허상으로 투영하기 위해 영상소자와 안구 사이에 반사모듈을 포함하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 있어서, 상기 반사모듈의 중앙영역에 배치되어 반사모듈의 전방으로부터 안구를 향해 입사되는 입사광을 투과하는 투과부; 및 상기 반사모듈의 중앙영역을 둘러싸는 주변영역에 배치되어 반사모듈의 측면으로 제공되는 이미지를 안구를 향해 반사시키는 것과 동시에 반사모듈의 전면으로 제공되는 입사광을 안구를 향해 투과하는 반사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 반사모듈은, 경사면이 서로 접합되는 한 쌍의 투명 프리즘으로 이루어지고, 상기 투과부와 반사부는 상기 경사면에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사부는 두 개 이상으로 분할되고, 상기 투과부가 배치된 중심영역을 둘러싸는 주변영역에 각각 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 영상소자는 상기 두 개 이상으로 분할된 반사부에 대응하는 위치에 각각 서로 다른 이미지를 표시하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사부는 두 개 이상으로 분할되고, 분할된 반사부는 상기 투과부를 중심으로 상하 또는 좌우로 이격 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 사용자가 주시하는 목표물과 사용자 사이의 거리를 측정하는 거리측정센서;및, 상기 거리측정센서에서 측정된 거리에 따라 사용자의 전방 시야에 투영되는 허상의 초점 거리를 조절할 수 있도록 상기 영상소자의 위치를 광축 방향으로 조절하는 위치조절부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 사용자의 전방 시야의 정중앙에 이미지가 투영되지 않는 투명한 공간을 배치함으로써, 사용자의 전방 시야의 중앙부분이 이미지에 의해 가려지지 않도록 할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치가 제공된다.

또한, 사용자가 주시하는 목표물과 사용자의 거리에 따라 사용자의 전방 시야에 투영되는 허상의 초점 거리를 조절함으로써, 눈의 조절피로 또는 안정피로를 방지할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치가 제공된다.

또한, 반사부 전체를 투명하게 구성함으로써, 사용자의 전방 시야에 노출되는 반사부에 따른 이질감을 최소화할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치가 제공된다.

또한, 밝은 외부환경에서도 밝고 선명한 이미지를 제공할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치가 제공된다.

도 1은 종래 반사형 허상 투영광학계의 개략 구성도,
도 2는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 사용상태를 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 사시도,
도 4는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 분해사시도,
도 5는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 평단면도이고,
도 6은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 따른 투과부와 반사부의 다양한 실시형태를 나타낸 도면이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부도면 중, 도 2는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 사용상태를 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 분해사시도이다.

도 2 내지 도 4에서 도시하는 바와 같은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치는, OLED, LCD, LCOS와 같이 화소의 활성화로 이미지를 표시할 수 있는 영상소자(110)에서 제공되는 이미지를 사용자의 전방 시야에 허상으로 투영하기 위해 영상소자(110)와 안구(E) 사이에 반사모듈(130)을 포함하는 것으로서, 사용자의 머리에 장착할 수 있는 안경이나 고글과 같은 형태의 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display;HMD) 기구에 설치될 수 있다.

상기 반사모듈(130)은 사용자의 안구(E) 전방에서 경사방향으로 배치되는 경사면을 포함하는 직육면체의 투명블록으로 이루어진다. 일례로, 상기 반사모듈(130)은 PMMA(PolyMethyl MethAcrylate) 또는 광학유리 재질로 이루어질 수 있으며, 일면이 경사면으로 이루어진 한 쌍의 투명 프리즘이 서로 접합된 직육면체의 투명블록으로 이루어질 수 있다.

상기 경사면의 중앙영역에는 경사면의 전방으로부터 안구(E)를 향해 입사되는 입사광을 투과하는 투과부(131)가 형성되고, 상기 경사면의 중앙영역을 둘러싸는 주변영역에는 경사면의 일측에서 제공되는 영상소자(110)의 이미지를 안구(E)를 향해 반사시키는 것과 동시에 경사면의 전방으로부터 안구(E)를 향해 입사되는 입사광을 투과하는 반사부(132)가 형성되며, 상기 투과부(131)와 반사부(132)는 동일 평면에 배치된다. 이러한 반사부(132)는 상기 경사면 중 반사부(132)가 형성될 영역에 부분반사 코팅층을 형성하여 투과 및 반사가 가능하도록 구성할 수 있다. 일례로, 상기 부분반사 코팅층의 가시광선 영역에서의 반사율을 20%로 설정하면, 외부환경으로부터 안구를 향해 입사되는 입사광의 80%를 투과시킬 수 있고, 상기 영상소자로부터 제공되는 이미지 광선의 20%를 안구 방향으로 반사시킬 수 있다.

상기 영상소자(110)와 반사모듈(130) 사이에는 영상소자(110)에서 제공되는 이미지를 확대하기 위한 투사렌즈(120)가 추가로 구비될 수 있다.

한편, 실시예에 따르면, 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치는 사용자가 주시하는 목표물과 사용자 사이의 거리를 측정하는 거리측정부(140)와, 상기 거리측정부(140)에서 측정된 거리에 따라 사용자의 전방 시야에 투영되는 허상의 초점 거리를 조절할 수 있도록 상기 영상소자(110)의 위치를 광축 방향으로 조절하는 위치조절부(150)를 더 포함할 수 있다.

상기 거리측정부(140)는 초음파센서 또는 PD(photo diode),LD(leser diode),LED 등으로 구성된 광학센서가 적용될 수 있으며, 상기 위치조절부(150)는 압전 액추에이터, 솔레노이드 액추에이터, 스테핑모터 등이 적용될 수 있다.

상기 투사렌즈(120)와 거리측정부(140) 및 위치조절부(150)는 반사모듈(130)의 일측면에 고정되는 별도의 하우징(160)에 지지될 수 있으며, 상기 영상소자(110)는 위치조절부(150)에 지지된 상태에서, 위치조절부(150)의 구동에 따라 투사렌즈(120)와의 사이 간격이 조절되도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 위치조절부(150)의 구동량은 투사렌즈(120)의 초점거리와 거리측정부(140)의 측정값에 따라 결정되며, 가우스 결상식(Gaussian Imaginery Equation)을 이용해 영상소자(110)의 이동거리를 산출할 수 있다.

지금부터는 상술한 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

첨부도면 중, 도 5는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 평단면도이고, 도 6은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 따른 투과부(131)와 반사부(132)의 다양한 실시형태를 나타낸 도면이다.

도 5에서 도시하는 바와 같이, 반사모듈(130)의 경사면은 사용자의 안구(E) 전방에 경사배치되고, 경사면의 중앙영역에 형성된 투과부(131)는 경사면의 전방으로부터 안구(E)를 향해 입사되는 입사광을 그대로 투과하고, 상기 경사면의 중앙영역을 둘러싸는 주변영역에 배치된 반사부(132)는 경사면의 전방으로부터 안구(E)를 향해 입사되는 입사광을 그대로 투과하는 것과 동시에, 경사면의 일측으로부터 제공되는 영상소자(110)의 이미지를 안구(E)를 향해 반사시킨다.

상기와 같은 구조에 따르면, 사용자는 전방 시야의 중앙으로는 전방의 목표물을 주시할 수 있고, 중앙에서 벗어난 위치에 투영되는 허상을 통해 다양한 정보를 습득할 수 있다.

특히, 상기 반사부(132)는 분할되고, 분할된 반사부(132)는 투과부(131)가 배치된 중심영역을 둘러싸는 주변영역에 각각 배치되면서 투과부(131)의 양측으로 이격 배치되므로, 전방시야에 투영되는 허상이 사용자에게 관찰되는 전방 시야의 중앙 양측으로 분리되도록 할 수 있다.

즉, 사용자의 전방 시야의 중앙에는 이미지가 투영되지 않는 투명한 공간이 형성되므로, 빠른 속도로 변화하는 외부환경에서도 전방 시야의 목표물을 정확하게 주시하는 동시에, 중앙으로부터 벗어난 주변 시야에 투영되는 이미지를 통해 다양한 정보를 선택적으로 습득할 수 있게 된다.

한편, 상기 반사부(132)는 도 6의 (a)와 같이 투과부(131)의 좌우로 각각 분리 배치되거나, (b)와 같이 투과부(131)의 상하로 각각 분리 배치되거나, (c)와 같이 투과부(131)를 중심으로 하여 경사면의 각 모서리에 배치되거나, (d)와 같이 투과부(131)를 둘러싸는 형태로 배치되는 등, 두 개 이상으로 분할된 반사부(132)가 상기 투과부(131)가 배치된 중심영역을 둘러싸는 주변영역에 다양한 형태로 배치될 수 있으며, 분할된 반사부와 투과부는 동일한 평면상에 배치되는 것이다.

즉, 경사면의 중심영역에 투과부(131)로 배치하고 경사면의 주변영역에 반사부(132)를 배치하면 사용자의 전방 시야 중앙에는 이미지가 투영되지 않으므로, 전방 시야의 중앙 목표물을 집중하여 주시하는 상태에서 급작스럽게 이미지가 시야의 중앙에 투영되는 것에 의해 집중력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 이미지를 제공하는 영상소자(110)가 위치조절부(150)에 의해 광축방향으로 이동함에 따라, 사용자의 전방 시야에 투영되는 허상의 초점거리가 조절될 수 있다.

즉, 허상의 초점거리가 무한대로 설정된 상태에서는 사용자가 원거리의 전방 시야를 주시하는 것과 동시에 전방 시야에 투영되는 허상을 관찰하는 과정에서 눈이 조절(accommodation)작용이 요구되지 않는다.

하지만, 독서 등을 위해 근거리의 목표물을 주시하는 경우에는, 허상과 목표물을 번갈아 보기 위해서 눈이 조절(accommodation)작용을 해야 하고, 반복적인 눈의 조절작용은 눈의 조절피로(accommodative fatigue) 또는 안정피로(asthenopia)를 유발하게 된다.

이때, 본 실시예에 따르면, 사용자가 독서 등을 위해 근거리의 목표물을 주시하였을 때, 거리측정부(140)가 사용자가 주시하는 목표물과 사용자 사이의 거리를 측정하고, 거리측정부(140)에서 측정된 거리 값에 따라 위치조절부(150)가 구동하면서 영상소자(110)를 광축방향으로 이동시켜 허상의 초점거리를 조절할 수 있으므로, 사용자가 주시하는 목표물의 거리에 따라 허상의 초점거리가 자동으로 조절되도록 할 수 있으므로, 허상과 목표물을 번갈아 보더라도 종래와 같이 눈의 조절피로 또는 안정피로를 유발하지 않게 된다.

특히, 최근에는 학습용 AR(Augmented Reality: 증강현실) 기술이 활발하게 개발되고 있으므로, 본 실시예를 학습용 AR 기기에 적용하여 학습효과를 증대시킬 수 있다.

구체적으로, 학생들이 문서를 읽거나 참고서를 이용해 학습하는 과정에서, 학습관련 정보를 포함하는 허상의 초점거리가 거리측정부(140)에서 측정된 목표물과의 거리에 따라 설정되어 투영되도록 할 수 있으므로 목표물과 허상을 반복적으로 번갈아 보더라도 눈의 피로가 증가하지 않으며, 전방 시야에 투영되는 허상이 시야의 중앙을 가리지 않기 때문에 학습 집중도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 사용자의 안구(E) 전방에 배치되는 반사모듈(130)의 중앙영역에는 투과부(131)가 배치되므로, 전방 시야의 밝기가 낮아지지 않는다.

즉, 종래의 HMD형 시스루 타입의 허상 투영광학계는, 안구(E)의 전방에 배치되는 반사부(132)의 전방에서 안구(E)를 향해 입사되는 입사광이 반사부(132)를 투과하는 과정에서 밝기가 저하된다. 따라서, 이러한 종래의 HMD형 시스루 타입의 허상 투영광학계를 양쪽 눈에 적용하는 경우 전방 인지능력이 저하되므로 한쪽 눈에만 적용하도록 구성되고 있다.

하지만, 본 실시예에 따르면, 반사모듈(130)의 중앙영역에 투과부(131)가 배치되어 반사모듈(130)의 전방에서 입사되는 입사광을 100% 투과하도록 구성되므로, 양쪽 눈에 모두에 적용하더라도 전방 시야의 밝기가 저하되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 본 실시예는 양쪽 눈에 모두 배치하는 것이 가능하며, 이러한 경우에는 양쪽 눈에 각각 마련되는 영상소자(110)에서 3차원 이미지를 제공함으로써, 사용자의 전방 시야에 입체감이 있는 허상을 투영하는 것도 가능할 것이다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110:영상소자, 120:투사렌즈, 130:반사모듈,
131:투과부, 132:반사부, 140:거리측정센서,
150:위치조절부, 160:하우징, E:안구

Claims (7)

1. 영상소자에서 제공되는 이미지를 사용자의 전방 시야에 허상으로 투영하기 위해 영상소자와 안구 사이에 반사모듈을 포함하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 있어서,
   상기 반사모듈은, 경사면이 서로 접합되는 한 쌍의 투명 프리즘으로 이루어지고,
   상기 반사모듈은,
   사용자가 전방 시야의 중앙으로 전방의 목표물을 주시할 수 있도록 상기 경사면의 중앙영역에 배치되어 상기 반사모듈의 전방으로부터 안구를 향해 입사되는 입사광을 투과하는 투과부; 및
   상기 영상소자에서 제공되는 이미지가 사용자의 전방 시야 중앙으로부터 벗어난 주변 시야에 표시되도록 상기 경사면의 중앙영역을 둘러싸는 주변영역에 배치되어 상기 영상소자로부터 반사모듈을 향해 제공되는 이미지의 광선을 안구를 향해 반사시키는 동시에 상기 반사모듈의 전방으로부터 안구를 향해 입사되는 입사광을 투과하는 부분반사 코팅층으로 구성된 반사부;를 포함하며,
   상기 반사부는 두 개 이상으로 분할되고,
   상기 투과부와 상기 반사부는 동일 평면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 영상소자는 두 개 이상으로 분할된 반사부에 대응하는 위치에 각각 서로 다른 이미지를 표시하는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치.
6. 제 1항에 있어서,
   두 개 이상으로 분할된 반사부는 상기 투과부를 중심으로 상하 또는 좌우로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치.
7. 제 1항, 제 5항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   사용자가 주시하는 목표물과 사용자 사이의 거리를 측정하는 거리측정센서;및,
   상기 거리측정센서에서 측정된 거리에 따라 사용자의 전방 시야에 투영되는 허상의 초점 거리를 조절할 수 있도록 상기 영상소자의 위치를 광축 방향으로 조절하는 위치조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치.

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