KR19990085197A - Optical system for head mounted display - Google Patents

Abstract

디스플레이소자에서 생성된 화상을 광원에서 조사된 광에 의해 확대하여 결상시킴에 의해 영상을 제공할 수 있도록 된 두부장착용 디스플레이에 채용된 HMD용 광학계가 개시되어 있다.Disclosed is an optical system for HMD employed in a head mounted display, which is capable of providing an image by enlarging and imaging an image generated by a display element by light irradiated from a light source.

이 HMD용 광학계는, 고굴절 고분산 재질로 되어 강한 음의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈와, 저굴절 저분산 재질로 되어 양의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈를 구비하여, 디스플레이소자에서 생성된 화상을 집속시키는 결상렌즈유니트와; 양의 파우어를 가지며, 결상렌즈유니트와 더불어 입사된 화상을 1차결상면에 결상시키는 필드렌즈와; 입사광을 투과 또는 반사시켜 그 진행경로를 바꾸어주는 반투과미러와; 반투과미러에서 분기되어 입사된 광이 맺히며, 이 광을 사용자의 눈쪽으로 반사시켜 사용자의 눈의 동공으로 향하게 하는 반사경;을 포함하는 것을 특징으로 한다.The HMD optical system includes at least one lens made of a highly refractive high dispersion material and having a strong negative powder, and at least one lens made of a low refractive low dispersion material and having a positive powder, thereby producing an image generated by the display element. An imaging lens unit for focusing the light; A field lens having a positive power and for forming an incident image together with an imaging lens unit on a primary imaging surface; A transflective mirror which transmits or reflects incident light and changes its path of travel; The light is branched from the transflective mirror to form an incident light, and reflects the light toward the user's eyes to reflect toward the pupil of the user's eyes; characterized in that it comprises a.

Description

두부 장착용 디스플레이용 광학계Optical system for head mounted display

본 발명은 두부장착용 디스플레이용 광학계에 관한 것으로서, 상세하게는 대략 0.7 인치 이하의 소형 디스플레이소자에 의해 제공된 화상을 각배율이 대략 10배 이상이 되도록 고배율로 확대하여 시청할 수 있도록 된 두부장착용 디스플레이용 광학계에 관한 것이다.The present invention relates to an optical system for head mounted display, and more particularly, to an optical system for head mounted display in which an image provided by a small display element of about 0.7 inches or less can be enlarged and viewed at a high magnification such that an angular magnification is approximately 10 times or more. It is about.

일반적으로, 두부(頭部)장착용 디스플레이(Head Mounted Display 이하, HMD 라 칭함)는 액정표시소자(LCD) 등의 디스플레이소자를 이용하여 화상을 생성하고, 이 생성된 화상을 미러를 이용하여 대화면으로 확대하여 화상을 보는 장치로, 시청시 두부에 장착한 채로 사용한다.In general, a head mounted display (hereinafter referred to as an HMD) generates an image using a display element such as a liquid crystal display (LCD), and uses the mirror to generate a large screen. This is a device that enlarges the image and uses it while it is attached to the head during viewing.

도 1은 종래 HMD의 광학적 배치를 보인 개략적인 도면이다. 도시된 바와 같이, 종래의 HMD는 백라이트 광원(11)과, 이 백라이트 광원(11)에서 조사된 광을 선택적으로 투과시켜 화상을 생성하는 화상생성수단(15)과, 구면반사경(19)과, 상기 화상생성수단(15)을 투과한 광은 구면반사경(19) 쪽으로 반사시키고 구면반사경(19)에서 반사된 광은 시청자의 눈쪽으로 투과시키는 하프미러(17)를 포함하여 구성된다. 이와 같이, 구성된 HMD는 두부에 장착될 수 있도록 된 구조의 하우징(20)에 감싸여 설치되며, 구면반사경(19)에서 반사되어 하프미러(17)를 투과한 광은 윈도우(22)를 통해 사용자의 눈으로 향한다.1 is a schematic diagram showing an optical arrangement of a conventional HMD. As shown, the conventional HMD includes a backlight light source 11, image generating means 15 for selectively transmitting the light irradiated from the backlight light source 11 to generate an image, a spherical reflector 19, The light transmitted through the image generating means 15 is reflected toward the spherical reflector 19, and the light reflected by the spherical reflector 19 includes a half mirror 17 for transmitting the light toward the viewer's eyes. As such, the configured HMD is wrapped and installed in the housing 20 of the structure that can be mounted on the head, and the light reflected from the spherical reflector 19 and transmitted through the half mirror 17 passes through the window 22. Heads to your eyes.

상기 백라이트 광원(11)은 형광등 등의 발광체인 램프(12)와, 이 램프(12)의 일면에 설치되어 램프(12)에서 조사된 광이 일방향으로 진행하도록 설치된 미러(13)로 구성된다. 상기 화상생성수단(15)은 이차원 배열 구조의 화소들로 구성되며 각 화소단위로 독립적으로 구동되는 투과형 액정표시소자(16)와, 이 액정표시소자(16)의 전,후에 설치된 한쌍의 폴라라이저(17a)(17b)로 구성된다. 이와 같이 구성된 종래의 HMD는 좌안용과 우안용으로 각각 이용되도록 도 1에 도시된 바와 같은 구성의 광학계를 한쌍 구비한다.The backlight light source 11 is composed of a lamp 12 which is a light emitting body such as a fluorescent lamp, and a mirror 13 installed on one surface of the lamp 12 so that light irradiated from the lamp 12 travels in one direction. The image generating means 15 is composed of pixels of a two-dimensional array structure, and is a transmissive liquid crystal display device 16 driven independently for each pixel unit, and a pair of polarizers installed before and after the liquid crystal display device 16. It consists of (17a) (17b). The conventional HMD configured as described above has a pair of optical systems having the configuration as shown in FIG. 1 to be used for the left eye and the right eye, respectively.

이 HMD의 배율은 상기 구면반사경(19)의 곡률반경에 의해 결정된다. 여기서, 구면반사경(19)의 초점거리(f')와 명시거리(=250mm)로 표현되는 수학식 1로 정의 되며, 이 각배율이 HMD의 확대성능을 나타내는 기준이 된다.The magnification of this HMD is determined by the radius of curvature of the spherical reflector 19. Here, it is defined by Equation 1 represented by the focal length f 'and the specified distance (= 250mm) of the spherical reflector 19, the angular magnification is a criterion indicating the magnification performance of the HMD.

상기한 바와 같이, 구성된 종래의 HMD로는 각배율 10배 이상을 달성하기가 곤란하다. 즉, 상기 구면반사경의 초점에 상기 화상생성수단이 위치되는 구조을 가진다. 따라서, 각배율을 크게하기 위해서는 구면반사경의 곡률반경을 작게 해야 하므로, 초점거리가 구면반사경의 초점거리를 짧아져 상기 액정표시소자가 상기 하프미러쪽으로 가깝게 배치되어야 한다. 그러나, 액정표시소자가 하프미러 쪽으로 가깝게 배치되는 경우, 광로를 차단하는 등의 한계가 있기 때문에 10배 이상의 고배율로 확대하는 것이 어렵다. 또한, 2매의 액정표시소자를 이용함으로써, 고가라는 단점이 있다.As described above, it is difficult to achieve a magnification of 10 times or more with the conventional HMD configured. That is, the image generating means is positioned at the focal point of the spherical reflector. Therefore, in order to increase the angular magnification, the radius of curvature of the spherical reflector must be reduced. Therefore, the focal length of the spherical reflector must be shortened so that the liquid crystal display device can be disposed closer to the half mirror. However, when the liquid crystal display device is disposed close to the half mirror side, it is difficult to expand at a high magnification of 10 times or more because of limitations such as blocking the optical path. In addition, the use of two liquid crystal display elements has the disadvantage of being expensive.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 본 출원인은 대한민국 특허출원 제98-15530호(출원일:1998년 4월 30일, 발명의 명칭: 두부장착용 디스플레이장치)를 통하여 도 2에 도시된 바와 같은 구조의 HMD를 제안한 바 있다.In view of the foregoing, the present applicant has a HMD having the structure as shown in FIG. 2 through Korean Patent Application No. 98-15530 (filed date: April 30, 1998, title of the invention: a head mounted display device). Has been proposed.

도 2를 참조하면, 본 출원인에 의해 제안된 HMD는 광원(30)과, 이 광원(30)에서 조사된 광으로부터 화상을 생성하는 디스플레이소자(40)와, 상기 디스플레이소자(40)에서 조사된 화상을 일차로 결상시키는 결상렌즈유니트(51)와, 입사된 화상을 투과 및 반사시켜 분기시키는 제1 내지 제3광분기수단(61)(63)(65)과, 입사된 화상의 진행경로를 변환하는 제1 및 제2광경로변환수단(70)(80)과, 상기 디스플레이소자(40)에서 생성되고 상기 제1 및 제2광경로변환수단(70)(80)과 제2 및 제3광분기수단(63)(65)에 의해 그 진행경로가 두 방향으로 변화된 화상 각각이 맺히며 이 맺힌 화상을 사용자의 양눈 즉, 좌안(EL)과 우안(ER) 각각으로 반사시키는 제1 및 제2반사경(91)(95)을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 2, the HMD proposed by the present applicant includes a light source 30, a display device 40 for generating an image from light emitted from the light source 30, and an irradiation of the display device 40. Converts an imaging lens unit 51 for forming an image first, first to third optical splitter means 61, 63, 65 for transmitting and reflecting an incident image and for branching the incident image; First and second optical path changing means (70) and (80), which are generated by the display element (40) and the first and second optical path converting means (70) and (80) and the second and third light fractions. The first and second reflecting mirrors reflect the images of the two eyes, that is, the left eye EL and the right eye ER, respectively. And (91) and (95).

여기서, 수학식 1에 의해 계산된 각배율을 크게 하고 상기 제1광분기수단(61)의 설치공간을 확보하기 위하여 상기 결상렌즈유니트(51)에 의해 결상된 결상면이 상기 제1 및 제2반사경(91)(95)에 근접되게 위치되도록, 상기 제1광분기수단(61)과 상기 제1거울(71) 사이 및, 상기 제1광분기수단(61)과 상기 제3거울(81) 사이 각각의 광로 상에 필드렌즈(53)(54)를 더 구비한다.In this case, in order to increase the angular magnification calculated by Equation 1 and to secure an installation space of the first optical splitter means 61, the imaging surfaces formed by the imaging lens unit 51 are the first and second reflecting mirrors. And positioned between (91) and (95) between the first optical branch means (61) and the first mirror (71), and between the first optical branch means (61) and the third mirror (81). Field lenses 53 and 54 are further provided on the optical path.

상기 결상렌즈유니트(51)는 상기 디스플레이소자(40)와 상기 제1광분기수단(61) 사이의 광로 상에 배치되어 입사된 화상을 상기 제1 및 제2반사경(91)(95) 이전의 광경로 상에 1차로 결상시킨다. 상기한 바와 같이 구성된 HMD에 있어서, 디스플레이소자(40)에서 생성된 화상을 고배율로 확대시키기 위한 HMD용 광학계는 제1 및 제2반사경(91)(95), 결상렌즈유니트(51) 및, 필드렌즈(53)(54)를 포함한다.The imaging lens unit 51 is disposed on an optical path between the display element 40 and the first optical splitter means 61 to view an incident image before the first and second reflecting mirrors 91 and 95. The first image is formed on the furnace. In the HMD configured as described above, the HMD optical system for enlarging the image generated by the display element 40 at high magnification includes the first and second reflectors 91 and 95, the imaging lens unit 51, and the field. And lenses 53 and 54.

하지만, 개시된 HMD는 광학요소 및, 이 광학요소들 사이의 광학적 배치에 그 특징이 있는 것으로, 상기한 광학계의 광학적 구성 및 수차특성을 감안한 설계를 고려하지 않았다.However, the disclosed HMD is characterized by an optical element and an optical arrangement between the optical elements, and does not consider a design in consideration of the optical configuration and aberration characteristics of the optical system described above.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 안출된 것으로서, 일 매의 소형 디스플레이소자를 이용하여 대화면을 구현할 수 있도록 된 구조의 두부 장착용 디스플레이용 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described points, and an object thereof is to provide an optical system for head mounting display having a structure such that a large screen can be realized using a single small display element.

도 1은 종래 HMD의 광학적 배치를 보인 개략적인 도면.1 is a schematic diagram showing an optical arrangement of a conventional HMD.

도 2는 본 출원인에 의해 제안된 HMD의 광학적 배치를 보인 개략적인 사시도.2 is a schematic perspective view showing an optical arrangement of the HMD proposed by the applicant.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 HMD용 광학계의 광학적 배치를 보인 도면.Figure 3 is a view showing the optical arrangement of the optical system for HMD according to an embodiment of the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

100...결상면 101...출사동 103...윈도우100 ... Image 101 ... Exodus 103 ... Windows

105...반사경 107...반투과미러 109...1차결상면105 ... Reflective mirror 107 ... Translucent mirror 109 ... 1st imaging plane

111...조리개 113...필드렌즈 120...결상렌즈유니트111 Aperture 113 Field lens 120 Imaging lens unit

121...양볼록렌즈 123...양오목렌즈 125...비구면렌즈121 ... biconvex lens 123 ... biconcave lens 125 ... aspheric lens

127...평볼록렌즈 131...편광빔스프리터127 ... convex lens 131 ... polarization beam splitter

133...상면133.Top

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 디스플레이소자에서 생성된 화상을 광원에서 조사된 광에 의해 확대하여 결상시킴에 의해 영상을 제공할 수 있도록 된 두부장착용 디스플레이에 채용된 HMD용 광학계에 있어서, 고굴절 고분산 재질로 되어 강한 음의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈와, 저굴절 저분산 재질로 되어 양의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈를 구비하여, 디스플레이소자에서 생성된 화상을 집속시키는 결상렌즈유니트와; 양의 파우어를 가지며, 상기 결상렌즈유니트와 더불어 입사된 화상을 1차결상면에 결상시키는 필드렌즈와; 입사광을 투과 또는 반사시켜 그 진행경로를 바꾸어주는 반투과미러와; 상기 반투과미러에서 분기되어 입사된 광이 맺히며, 이 광을 사용자의 눈쪽으로 반사시켜 사용자의 눈의 동공으로 향하게 하는 반사경;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the optical system for HMD employed in the head-mounted display that can provide an image by magnifying and forming an image generated by the display element by the light irradiated from the light source, An imaging lens unit comprising at least one lens of a high refractive index high dispersion material having a strong negative powder and at least one lens of a low refractive index low dispersion material having a positive powder and concentrating an image generated by a display element. Wow; A field lens having a positive power and for forming an image incident on the primary imaging surface together with the imaging lens unit; A transflective mirror which transmits or reflects incident light and changes its path of travel; And a reflecting light branched from the transflective mirror to form incident light, and reflecting the light toward the user's eye to direct the light toward the pupil of the user's eye.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 HMD를 상세히 설명한다.Hereinafter, an HMD according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 HMD용 광학계는 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 구성된 HMD에 채용된다. 이를 위하여, 본 발명의 HMD용 광학계 도 3에 도시된 바와 같이, 상면(133) 위치에 놓인 디스플레이소자(미도시)에서 조사된 화상을 일차로 결상시키는 결상렌즈유니트(120)와, 이 결상렌즈유니트(120)와 더불어 입사된 화상을 1차결상면(109)에 결상시키는 필드렌즈(113)와, 입사광을 투과 또는 반사시켜 그 진행경로를 바꾸어주는 반투과미러(107)와, 반투과미러(107)에서 분기되어 입사된 화상이 맺히며 이 화상을 사용자의 눈쪽으로 반사시켜 사용자의 눈의 위치인 제2결상면(101)에 결상시키는 반사경(105)을 포함하여 구성된다.The optical system for HMD according to the present invention is employed in the constructed HMD, as described with reference to FIG. To this end, as shown in FIG. 3 of the HMD optical system of the present invention, an imaging lens unit 120 for first imaging an image irradiated from a display element (not shown) placed at an image surface 133 position, and the imaging lens. A field lens 113 for forming an incident image together with the unit 120 on the primary imaging surface 109, a semi-transmissive mirror 107 for transmitting or reflecting incident light to change its path, and a semi-transmissive mirror An image incident and branched at 107 is formed, and includes a reflector 105 for reflecting the image toward the user's eye and forming an image on the second imaging surface 101 which is the position of the user's eye.

실질적으로 사용자의 좌안과 우안을 고려하여, 상기한 필드렌즈(113), 반투과미러(107) 및 반사경(105)은 한 쌍씩 구비되어야 한다. 하지만, 도 2의 제1광분기수단(61)에 의해 분기되어 제1필드렌즈(51), 제1반투과미러(도 2의 제2광분기수단(63)에 해당함) 및 제1반사경(91)을 경유하여 사용자의 좌안(EL)에 결상되는 광의 광로 길이와, 제1광분기수단(61)에 의해 분기되어 제2필드렌즈(53), 제2반투과미러(도 2의 제3광분기수단(65)에 해당함) 및 제2반사경(91)을 경유하여 사용자의 우안(ER)에 결상되는 광의 광로 길이가 같고, 두 광로 상에 배치된 광학요소들의 광학적 배치가 동일하므로, 설명의 편의를 위하여 도 3은 필드렌즈, 반투과미러 및 반사경 각각을 한 매씩 나타내었다.In consideration of the user's left and right eyes, the field lens 113, the transflective mirror 107 and the reflector 105 should be provided in pairs. However, the first field lens 51, the first semi-transmissive mirror (corresponding to the second optical branch means 63 of FIG. 2) and the first reflecting mirror 91 are branched by the first optical branch means 61 of FIG. The optical path length of the light formed in the user's left eye EL via the first optical branch means 61 is branched by the first optical branch means 61, and the second field lens 53 and the second semi-transmissive mirror (the third optical branch means of FIG. 65) and the optical path length of the light formed in the user's right eye ER via the second reflector 91 are the same, and the optical arrangement of the optical elements disposed on the two optical paths is the same. 3 shows one field lens, one semi-transparent mirror, and one reflector.

상기한 바와 같이 구성된 HMD용 광학계는 디스플레이소자에서 제공된 작은 영상을 확대하여 보는 일종의 확대렌즈로서, 그 설계는 눈의 위치를 출사동(101)으로하고, 디스플레이소자의 위치를 상면(133)으로 하여 설계한다. 상기한 광학계의 설계 관점에서 본원발명의 HMD용 광학계의 구성 및 광학적 배치를 설명한다.The HMD optical system configured as described above is a kind of magnifying lens for enlarging a small image provided by the display element, and the design of the HMD is based on the exit pupil 101 and the position of the display element as the upper surface 133. Design. The configuration and optical arrangement of the optical system for HMD of the present invention from the design point of view of the optical system will be described.

물상면(100)은 상기 출사동에 위치된 사용자의 눈을 통해 반사경(105)을 볼 때, 반사경(105)의 이면에 있는 것 처럼 보이는 허상이 맺히는 면으로, 이 면에 맺히는 허상의 크기가 사용자가 인지하는 화상의 크기가 된다.The water image surface 100 is a surface in which a virtual image that looks as if it is on the back surface of the reflector 105 is formed when the reflector 105 is viewed through the eyes of the user located in the exit pupil. It is the size of the image perceived by the user.

상기 출사동에서 출발한 광은 윈도우 및 상기 반투과미러을 투과하여 상기 반사경(105)으로 진행한다. 여기서, 상기 출사동(101)과 윈도우(103) 사이의 거리(d₂) 즉, 아이릴리프(eye relief)는 사용자가 안경을 착용한 상태로 HMD를 장착할 수 있도록 충분한 거리의 확보가 필요로 한다. 이를 위하여 상기 아이릴리프를 대략 20mm이상 확보하였다.The light from the exit pupil passes through the window and the transflective mirror and proceeds to the reflector 105. Here, the distance d ₂ between the exit pupil 101 and the window 103, i.e., eye relief, requires a sufficient distance to allow the user to mount the HMD while wearing glasses. do. For this purpose, the i-relief was secured by approximately 20 mm or more.

상기 반사경(105)은 비구면 오목반사경으로 구성되어 왜곡수차가 0.6% 이하되도록 하였으며, 광로 길이를 길게하기 위하여 그 곡률반경을 대략 65mm 이상으로 크게 하였다. 상기 반사경(105)에서 반사되고, 반투과미러(107)에서 반사된 광은 상기 반투과미러(107)에 근접한 위치의 1차결상면(109)에 맺힌다. 상기한 바와 같이, 상기 반투과미러(107)에 근접되게 1차결상면(109)이 맺히도록 하고, 상기한 필드렌즈(113) 및 결상렌즈유니트(120)를 이용하여 상면(133)이 다른 곳에 위치되도록 함으로써, 상면(133)에 놓인 디스플레이소자가 1차결상면(109)에 위치되는 동일한 광학적 성능을 얻음과 아울러, 고배율 구현할 수 있다.The reflector 105 was composed of an aspherical concave reflector so that the distortion aberration was 0.6% or less, and the radius of curvature was increased to about 65 mm or more in order to lengthen the optical path length. The light reflected by the reflector 105 and reflected by the transflective mirror 107 is formed on the primary imaging surface 109 at a position proximate to the transflective mirror 107. As described above, the primary imaging surface 109 is formed close to the transflective mirror 107, and the image surface 133 is different using the field lens 113 and the imaging lens unit 120. By being positioned at this position, the display element placed on the upper surface 133 can achieve the same optical performance as that positioned at the primary imaging surface 109 and can realize high magnification.

상기 1차결상면(109)을 지나 발산되는 광은 필드렌즈(113) 및 결상렌즈유니트(120)를 거쳐 반사형 화상생성수단을 이루는 편광빔스프리터(131)에서 반사된 후, 상면(133)에 결상된다. 여기서, 투과형 화상생성수단을 채용한 경우는 상기한 편광빔스프리터가 배제된다.The light emitted through the primary imaging surface 109 is reflected by the polarization beam splitter 131 forming the reflective image generating means through the field lens 113 and the imaging lens unit 120, and then the image surface 133. Is imaged on. In this case, the above-mentioned polarization beam splitter is excluded when the transmission image generating means is employed.

여기서, 상기 필드렌즈(113) 및 결상렌즈유니트(120)는 도 2에 개시된 제1광분기수단(61) 및 광로를 변환하는 복수의 거울들이 설치될 수 있는 공간이 확보되도록 설계되어야 하고, 1차결상면(109)의 광을 상기 상면(133)에 재결상시켜야 한다.Here, the field lens 113 and the imaging lens unit 120 should be designed to secure a space in which the first optical splitter means 61 shown in FIG. 2 and a plurality of mirrors for converting the optical paths can be installed. The light of the imaging surface 109 must be re-imaged to the upper surface 133.

이를 위하여 상기 필드렌즈(113)는 양의 파우어를 가지며, 구면수차를 보정할 수 있도록 그 양면이 비구면으로 설계된다.To this end, the field lens 113 has a positive power, and both surfaces thereof are designed aspherical so as to correct spherical aberration.

상기 결상렌즈유니트(120)는 한 쌍으로 구비되어 입사광을 집속시킴과 아울러 색수차를 보정할 수 있도록 된 양볼록렌즈(121), 양오목렌즈(123), 수차를 보정할 수 있도록 된 일매의 비구면렌즈(125) 및, 일매의 평볼록렌즈(127)를 포함한다.The imaging lens unit 120 is provided as a pair to focus the incident light and to correct chromatic aberration biconvex lens 121, biconvex lens 123, aspherical surface to correct aberrations The lens 125 and a flat convex lens 127 are included.

상기 양볼록렌즈(121)는 예컨대, 굴절률 n₁₁= 1.620 이고, 아베수 ν₁₁= 60.3 인 크라운(crown)계열의 저굴절 저분산렌즈로 양의 파우어를 가지고, 상기 양오목렌즈(123)는 예컨대, 굴절률 n₁₂= 1.805 이고, 아베수 ν₁₂= 25.4 인 플린트(flint)계열의 고굴절 고분산렌즈로 강한 음의 파우어를 가진다. 따라서, 상기 양볼록렌즈(121) 및 양오목렌즈(123)를 투과한 광은 상기 양볼록렌즈(121)에 의해 입사광을 집속시키고, 양오목렌즈(123)의 강한 분산력으로 그 색수차가 보정된다. 상기 비구면렌즈(125)는 입사광에 포함된 구면수차등의 수차를 보정할 수 있도록 그 양면이 비구면으로 되어 있다. 상기 반사경(105), 필드렌즈(113) 및 결상렌즈유니트(120)의 비구면렌즈(125)의 비구면 계수는 상기 출사동(101)에서 출발한 광스폿의 직경이 대략 11mm 정도인 경우에도 상기 1차결상면(109) 및 상면(133)에 상이 정상적으로 결상되도록 결정된다.The biconvex lens 121 has, for example, a refractive index n ₁₁ = 1.620, a low refractive index low dispersion lens of a crown series having an Abbe number ν ₁₁ = 60.3, and has a positive powder, and the biconvex lens 123 is For example, a flint series of high refractive index lens with refractive index n ₁₂ = 1.805 and Abbe's number ν ₁₂ = 25.4 has a strong negative power. Therefore, the light transmitted through the biconvex lens 121 and the biconcave lens 123 focuses incident light by the biconvex lens 121, and its chromatic aberration is corrected by the strong dispersion force of the biconcave lens 123. . Both surfaces of the aspherical lens 125 are aspherical so as to correct aberration such as spherical aberration included in incident light. Aspherical coefficients of the aspherical lens 125 of the reflector 105, the field lens 113 and the imaging lens unit 120 is 1 even if the diameter of the light spot starting from the exit pupil 101 is about 11mm It is determined that the image is normally formed on the image forming surface 109 and the top surface 133.

여기서, 상기 1차결상면(109)과 상기 필드렌즈(113) 사이의 광로 상에는 잡광을 차단하기 위한 조리개(111)가 설치된 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the diaphragm 111 is formed on the optical path between the primary imaging surface 109 and the field lens 113 to block the light.

상기한 바와 같이, 구성된 본 발명에 따른 광학계는 레트로포커스렌즈(retro-focus lens)이다. 이 레트로포커스렌즈는 상기 결상렌즈유니트(120), 필드렌즈(113) 및 반사경(105)에 의한 유효초점거리가 그 뒤초점거리 보다 작은 렌즈이다. 예컨대, 후술하는 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같은 설계 데이터를 갖는 경우, 유효초점거리가 대략 15.2mm이고, 뒷초점거리가 대략 21mm인 레트로포커스렌즈가 된다. 상기한 바와 같이 뒷초점거리를 설계함으로써, 반사형 디스플레이소자를 채용한 경우, 편광빔스프리터(또는 반투과미러)(131)의 설치 공간을 확보할 수 있다.As described above, the optical system according to the present invention configured is a retro-focus lens. This retro focus lens is a lens whose effective focal length by the imaging lens unit 120, field lens 113 and reflecting mirror 105 is smaller than its rear focal length. For example, in the case of having design data as shown in Tables 1 and 2 described later, it is a retro focus lens having an effective focal length of approximately 15.2 mm and a rear focal length of approximately 21 mm. By designing the rear focal length as described above, when the reflective display element is employed, the installation space of the polarizing beam splitter (or semi-transmissive mirror) 131 can be secured.

상기한 바와 같이 구비된 본 발명의 실시예에 따른 HMD용 광학계의 설계 및 광학적 배치 데이터의 일 예를 표 1 및 표 2에 나타내었다.Table 1 and Table 2 show examples of the design and optical arrangement data of the optical system for HMD according to the embodiment of the present invention provided as described above.

상기한 비구면렌즈들은 수학식 2로 표현되는 비구면 방정식 및 상기 표 2에 나타낸 비구면 계수에 따라 그 비구면의 곡률이 결정된다.The aspherical surface of the aspherical lens is determined according to the aspherical equation represented by Equation 2 and the aspherical surface coefficient shown in Table 2 above.

여기서, Z는 각 렌즈군의 광축으로부터 높이 h만큼 떨어진 위치에서의 렌즈 정점으로부터의 간격(sag)을 나타낸 값이고, c는 광축에서 렌즈의 곡률(곡률반경의 역수)이고, k는 코닉상수이고, 상수 A, B, C 및 D 각각은 각 렌즈의 비구면 계수를 나타낸다. 실질적으로 상기 코닉상수는 각 렌즈 별로 서로 다르지만, 상기 표 1 및 표 2에서는 렌즈의 정확한 설계를 위하여 코닉상수로 0.000 값을 설정한 경우를 나타낸 것이다.Where Z is a value representing the sag from the lens vertex at a position h apart from the optical axis of each lens group, c is the curvature (inverse of the radius of curvature) of the lens at the optical axis, and k is a conic constant , Constants A, B, C and D each represent the aspherical coefficient of each lens. Substantially, the conic constant is different for each lens, but Table 1 and Table 2 show a case in which a value of 0.000 is set as the conic constant for accurate design of the lens.

비구면 계수Aspheric modulus AA BB CC DD 비구면1Aspheric surface 1 0.514838×10^-6 0.514838 × 10 ^-6 -0.102077×10^-8 -0.102077 × 10 ^-8 0.288661×10^-11 0.288661 × 10 ^-11 -0.251014×10^-14 -0.251014 × 10 ^-14 비구면2Aspheric surface 2 0.154914×10^-6 0.154914 × 10 ^-6 -0.100080×10^-6 -0.100080 × 10 ^-6 0.158783×10^-8 0.158783 × 10 ^-8 -0.923718×10^-11 -0.923718 × 10 ^-11 비구면3Aspheric surface 3 0.802451×10^-5 0.802451 × 10 ^-5 -0.937513×10^-7 -0.937513 × 10 ^-7 0.141815×10^-8 0.141815 × 10 ^-8 -0.871581×10^-11 -0.871581 × 10 ^-11 비구면4Aspheric surface 4 0.803628×10^-5 0.803628 × 10 ^-5 -0.638752×10^-7 -0.638752 × 10 ^-7 -0.171436×10^-9 -0.171436 × 10 ^-9 -0.624831×10^-11 -0.624831 × 10 ^-11 비구면5Aspheric surface 5 0.225326×10^-4 0.225326 × 10 ^-4 -0.245371×10^-7 -0.245371 × 10 ^-7 -0.649459×10^-9 -0.649459 × 10 ^-9 -0.491943×10^-11 -0.491943 × 10 ^-11

상기한 바와 같이, 구성된 본 발명에 따른 HMD용 광학계는 아래의 효과가 있다.As described above, the optical system for HMD according to the present invention configured has the following effects.

첫째, 반사경을 비구면으로 하여 왜곡수차를 대략 0.6% 이내로 함으로써, 화면의 찌그러져 보이는 현상을 줄였다.First, the distortion of the screen is reduced by reducing the distortion aberration to about 0.6% by using the reflector as an aspherical surface.

둘째, 광스폿의 직경 11mm 내의 전면적에 대해 성능이 확보됨으로써, 사용자의 동공 직경이 대략 2mm인 밝은 곳과, 동공 직경이 대략 8mm인 어두운 곳 모두에서 화면의 콘트라스트 특성을 유지할 수 있고, 눈동자의 미소 움직임에 의한 화질 노화를 방지할 수 있다.Second, performance is secured over the entire area within 11 mm in diameter of the light spot, so that the contrast characteristics of the screen can be maintained both in bright places where the user's pupil diameter is about 2 mm and in dark places where the pupil diameter is about 8 mm, and the pupil's smile Image quality aging due to movement can be prevented.

셋째, 아이릴리프를 대략 20mm 이상 확보함으로써, 안경을 착용한 채로 시청할 수 있다.Third, by securing the i-Relief approximately 20 mm or more, it is possible to watch while wearing glasses.

넷째, 전체광학계를 레트로포커스렌즈로 하여 뒷초점거리를 확보함으로써, 디스플레이소자로 FLCD등의 반사형 디스플레이소자를 용이하게 채용할 수 있다.Fourth, since the rear optical distance is secured by using the entire optical system as a retro focus lens, a reflective display device such as FLCD can be easily employed as the display device.

Claims (3)

디스플레이소자에서 생성된 화상을 광원에서 조사된 광에 의해 확대하여 결상시킴에 의해 영상을 제공할 수 있도록 된 두부장착용 디스플레이에 채용된 HMD용 광학계에 있어서,In the optical system for HMD employed in the head mounted display that can provide an image by magnifying and forming an image generated by the display element by the light irradiated from the light source, 고굴절 고분산 재질로 되어 강한 음의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈와, 저굴절 저분산 재질로 되어 양의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈를 구비하여, 디스플레이소자에서 생성된 화상을 집속시키는 결상렌즈유니트와;An imaging lens unit comprising at least one lens of a high refractive index high dispersion material having a strong negative powder and at least one lens of a low refractive index low dispersion material having a positive powder and concentrating an image generated by a display element. Wow; 양의 파우어를 가지며, 상기 결상렌즈유니트와 더불어 입사된 화상을 1차결상면에 결상시키는 필드렌즈와;A field lens having a positive power and for forming an image incident on the primary imaging surface together with the imaging lens unit; 입사광을 투과 또는 반사시켜 그 진행경로를 바꾸어주는 반투과미러와;A transflective mirror which transmits or reflects incident light and changes its path of travel; 상기 반투과미러에서 분기되어 입사된 광이 맺히며, 이 광을 사용자의 눈쪽으로 반사시켜 사용자의 눈의 동공으로 향하게 하는 반사경;을 포함하는 것을 특징으로 하는 HMD용 광학계.And a reflecting light branched from the transflective mirror to reflect the light toward the user's eye to direct the light toward the pupil of the user's eye. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 결상렌즈유니트, 필드렌즈 및 반사경에 의한 유효초점거리가 그 뒷초점거리 보다 작은 것을 특징으로 하는 HMD용 광학계.The effective focal length by the imaging lens unit, the field lens and the reflector is smaller than the rear focal length thereof. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 반사경은 입사된 화상을 확대 반사시킬 수 있도록 된 오목반사경으로, 그 반사면이 비구면으로 된 것을 특징으로 하는 HMD용 광학계.The reflecting mirror is a concave reflecting mirror that is capable of expanding and reflecting an incident image, wherein the reflecting surface is an aspheric surface.