KR20030088218A - 착용형 컬러 디스플레이 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 착용형 컬러 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, R G B 이미지를 표시하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템은, R G B 이미지 신호를 입력 받아 각각의 색 성분에 대해 각각의 소정 각도로 굴절시키는 회절격자; 회절격자로부터 굴절된 R G B 이미지 신호의 각 색 성분 신호를 전파하는 도파로; 및 도파로로부터 전파된 R G B 이미지 신호의 각 색 성분 신호들이 실질적으로 동일한 초점에 모일 수 있도록 출력시키는 확대렌즈를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 단순한 구성 요소를 이용해 사용자가 간편하게 착용 가능한 이미지 시스템을 구현할 수 있고, 그를 통해 컬러 이미지를 볼 수 있다.

Description

착용형 컬러 디스플레이 시스템{Wearable color-display system}
본 발명은 착용형 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컬러 신호에 대해 디스플레이하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
군사용, 의료용 또는 개인적인 디스플레이 용도로 사용되는 광학적 디스플레이 시스템(일반적으로 헤드 마운티드 시스템(HMD; Head(helmet) Mounted System)이라고 알려진)은, 사용자가 안경이나 고글, 또는 헬멧 형태로 된 착용기를 통해 영상신호를 볼 수 있도록 만들어진 것이다. 이러한 퍼스널 디스플레이 시스템을 통해 사용자는 이동하면서 영상정보를 전달 받을 수 있게 되었다.
도 1은 HMD 외관의 일례를 보인다. 여기서 HMD는 일반적인 안경 렌즈(100)와, 안경의 중심에 영상 구동부(110)가 부착된 형태로 되어 있다. 외관만을 고려했을 때 이와 같은 형태는 영상 구동부(110)의 부피가 매우 크고 무거우며 미려하지 못하다는 것을 알 수 있다. 영상 구동부(110)의 부피와 무게는 그것을 구성하는 다수의 광학적 소자들로 인한 것이다.
도 2는 일반적인 HMD의 구성도로서, HMD는 영상 구동부(200), 디스플레이 패널(210) 및 광학계(220)를 포함한다. 영상 구동부(200)는 퍼스널 컴퓨터나 비디오(미도시)등 외부 소스로부터 들어온 영상 신호를 저장하고 입력된 영상신호가 LCD 패널등의 디스플레이 패널(210)에서 디스플레이되도록 신호 처리한다. 광학계(220)는 디스플레이 패널(210)에 디스플레이된 영상 신호를 확대 광학계를 통해 사용자의 눈에 적절한 크기의 허상으로 보여지게 한다. HMD의 구성 요소로는, 그 외관에 따라 착용을 위한 기구를 더 포함하거나 외부로부터 영상 신호 등을 전달 받기 위한 케이블등이 더 추가될 수 있다.
도 3은 도 2의 일반적인 HMD 구성 중 광학계(220)의 일반적인 구성을 도시한 것이다. 종래의 광학계는 콜리메이팅(collimating) 렌즈(300), X 프리즘(310), 포커싱(focusing) 렌즈(320), 반사경(fold mirror)(330) 및 접안렌즈(또는 확대경) (340)로 이루어진다. 콜리메이팅 렌즈(300)는 디스플레이 패널 등의 한 점으로부터 나오는 빛(영상신호)을 평행광으로 만들어 전파시킨다. X 프리즘(310)은 콜리메이팅 렌즈(300)로부터 입사된 빛의 각도를 좌우로 나누어 전파시킨다. 포커싱 렌즈(320)는 좌우 방향에 하나씩 놓여져 각각 X 프리즘(310)을 통과한 평행광을 포커싱시킨다. 반사경(330)은 포커싱 렌즈(320)로부터 포커싱된 빛의 방향이 사람의 눈을 향해 진행하도록 방향을 바꾼다. 접안렌즈(또는 확대경)(340)는 결국 디스플레이 패널로부터 나와 상술한 광학적 소자들을 통과한 작은 영상신호를 확대하여 사람의 눈에 보여지도록 하는 기능을 가진다. 이때 접안렌즈(340)를 통과하는 영상신호가 컬러 신호라면 접안렌즈(340)에는 색수차를 제거하는 렌즈가 사용되어져야 한다.
HMD라 일컬어지는 일반적인 착용형 디스플레이 시스템에 있어서, 광학계로서 구성되는 부분은 상술한 바와 같이 콜리메이팅 렌즈, X 프리즘, 포커싱 렌즈, 반사경 및 접안렌즈등의 광학적 소자들을 다수개 사용하므로 정밀함을 요하는 소자들의 성격에 비추어 그 구현에 어려움이 따르고 따라서 제작에 노력과 시간이 많이 필요하다. 또한 렌즈와 소자들 각각의 기능이 정밀하게 설계되었다 하더라도 함께 정렬시키는데 추가적인 어려움이 발생한다. 또 다른 종래의 광학계의 단점은, 다수의 광학 소자들로 인해 광학계의 부피가 커지고 무게가 무거워져 HMD로서 사람이 착용하기에 불편함이 따르고 제작 비용이 비싸다는데 있다.
마지막으로, 종래에는 컬러 표현이 가능한 착용형 디스플레이 시스템이 구현된 적이 없었으나, 다양한 컨텐츠를 표시하기 위해 컬러 표현이 가능한 착용형 디스플레이 시스템에 대한 수요가 늘어나리라는 전망에 따라 착용형 컬러 디스플레이 시스템에 대한 필요성이 대두된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 단순한 구성 요소를 이용해 컬러 이미지를 표현할 수 있는 착용형 컬러 디스플레이 시스템을 제공하는데 있다.
도 1은 HMD 외관의 일례를 보인다.
도 2는 일반적인 HMD의 구성도이다.
도 3은 도 2의 일반적인 HMD 구성 중 광학계의 구성도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 착용형 컬러 디스플레이 시스템의 개략적 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 멀티플렉싱형 회절 격자와는 다른 구현 형태인 적층형 회절 격자를 도시한 것이다.
도 6은 도 4의 조명부 중에서, 발광 다이오드와 필터의 배치와 관련한 도면이다.
도 7은 도 4의 조명부의 다른 실시예들을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 착용형 컬러 디스플레이 시스템의 다른 실시예이다.
상기 과제를 해결하기 위한, R G B 이미지를 표시하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템은, 상기 R G B 이미지 신호를 입력 받아 각각의 색 성분에 대해 각각의 소정 각도로 굴절시키는 회절격자; 상기 회절격자로부터 굴절된 R G B 이미지 신호의 각 색 성분 신호를 전파하는 도파로; 상기 도파로로부터 전파된 R G B 이미지 신호의 각 색 성분 신호들이 실질적으로 동일한 초점에 모일 수 있도록 출력시키는 확대렌즈를 포함함을 특징으로 한다.
상기 회절격자는, 하나의 격자안에서 상기 R G B 각각의 색 성분 신호가 소정 각도로 굴절되도록 된 멀티플렉싱 형태임이 바람직하다.
상기 회절격자는, 상기 R G B 색 성분 신호 중 한 신호만을 소정 각도로 굴절시킨 서로 다른 층을 적층한 적층형임이 바람직하다.
상기 확대렌즈는 하나의 소자안에서 상기 R G B 각각의 색 성분 신호를 모두 같은 초점안에 모이도록 출력하는 멀티플렉싱 형태임이 바람직하다.
상기 확대렌즈는, 상기 R G B 색 성분 신호 중 한 신호만을 소정 각도로 굴절시켜 출력하는 서로 다른 층들을 적층해 출력하는 적층형이고, 각 층으로부터 굴절된 각 R G B 성분 신호는 실질적으로 동일한 초점에 모이도록 됨이 바람직하다.
상기 착용형 컬러 디스플레이 시스템은, R G B 광을 발생하는 조명부; 및 디스플레이할 이미지를 생성하고 상기 조명부로부터 R G B 광을 지원받아 컬러 이미지 신호를 출력하는 디스플레이 패널을 포함하는 컬러 이미지 발생부를 더포함함이 바람직하다.
상기 조명부는 상기 R G B 각각에 대한 광원으로서 동작하는 발광다이오드(LED); 상기 각각의 R G B 광 성분 각각의 파장 범위를 첨예화시키는 필터; 및 상기 필터를 통과한 R G B 광들을 평행하게 진행시키는 콜리메이팅 렌즈를 포함함이 바람직하다.
상기 조명부는 상기 디스플레이 패널이 LCD(Liquid Crystal Diode) 패널일 때, LCD 패널의 백 라이트를 제공하는 백색 광 다이오드; 및 상기 백색 광 다이오드로부터 나오는 R G B 각각의 광 성분의 파장 범위를 첨예화하도록 필터링하는 필터를 포함하고, 상기 필터는 상기 LCD 패널이 가진 픽셀 개수에 상응하는 개수임이 바람직하다.
상기 조명부는 상기 디스플레이 패널이 LCD 패널일 때, 광섬유를 통해 R G B 광을 제공함이 바람직하다.
상기 조명부는 빔 크기가 작은 R G B광이 입사시, 빔 확대기(Beam expander)를 통해 빔 크기를 키운 R G B 광을 출력함이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 착용형 컬러 디스플레이 시스템의 개략적 실시예를 도시한 것이다.
착용형 컬러 디스플레이 시스템은, 조명부(400)와 확대 광학계(410)로 구성된다.
조명부(400)는 배경 조명으로서 R G B 삼색의 성분을 조합한 컬러 조명을 제공한다. 도 4에서 조명부(400)는 R G B 세 가지의 광 파장을 가지는 발광 다이오드(LED;Light Emitting Diode)(401), R G B 각각의 발광 다이오드에서 발산하는 광 파장의 비교적 넓은 대역폭을 매우 좁은 파장 폭을 가지도록 첨예화시키는 간섭(interference) 필터(402) 및 필터를 통과한 광을 평행하게 출력시키는 콜리메이팅(collimating) 렌즈(403)를 포함한다.
확대 광학계(410)는 경박단소한 구성 요소를 이용해 착용 가능하도록 구현 가능한 장치를 통해, 컬러 이미지 신호가 사용자에게 보여지도록 한다. 확대 광학계(410)는 디스플레이 패널(411), 회절 격자(412), 도파로(413) 및 확대 렌즈(414)를 포함한다.
디스플레이 패널(411)은 이미지를 발생하는 장치로서 조명부(400)로부터 컬러 조명을 받아 R G B 각 성분으로 조합된 컬러 이미지 신호를 출력하게 된다. 디스플레이 패널(411)은 확대 광학계(410)의 필수 구성 요소일 필요는 없다.
회절 격자(412)는 디스플레이 패널(411)을 통해 입력된 컬러 이미지 신호를 소정의 각도로 굴절시킨다. 컬러 이미지 신호는 R G B 각각의 색 성분이 조합된 신호이므로, 회절 격자(412)는 R G B 각 색 신호 성분에 대해, 각각의 파장에 따라소정 굴절 각 theta(lambda)을 가지도록 구현된다. 그 각도는 R G B 각각의 색 신호가 도파로 내에서 전반사되고 동시에 각각이 동일한 이동 거리를 가지도록 계산된다. 도 4에 도시된 회절 격자는, 하나의 격자 소자안에 R G B 각각의 광 파장에 대해 고유하게 작용하는 각각의 패턴 무늬를 새김함으로써, 한 격자를 통해 세 파장의 신호가 소정 각도로 회절되는 멀티플렉싱 형태이다.
도파로(413)는 회절격자(412)를 통해 입사된 이미지 신호를 도파로 내부를 통해 소정 방향으로 전파시키는 신호 전달 매체로서 기능한다.
확대 렌즈(414)는 도파로(413)면에 부착되어, 도파로(413)를 통해 전파된 컬러 이미지 신호를 출력시킨다. 확대 렌즈(414)는 회절 격자(412)와 켤레 관계를 이룬다. 즉, 회절 격자(412)가 소정 입사각으로 입사된 신호를 소정 굴절각으로 회절 시킬 대, 확대 렌즈(414)는 상기 회절 격자(412)에서의 소정 굴절각으로 전파된 신호를 받아, 상기 회절 격자(412)에서의 소정 입사각으로 굴절시켜 출력시킨다. 확대 렌즈(414)는 R G B 각각의 신호 성분이 출력시 동일한 초점 거리에서 상을 맺을 수 있도록 한다. 여기서 디스플레이 패널(411)은 선택가능한 것으로서, 확대 광학계(410) 안에 반드시 포함될 필요는 없다. 디스플레이 패널 없이 외부로부터 다른 매체를 통해 발생된 이미지가 확대 광학계(410)로 입력될 수 있기 때문이다.
도 5는 도 4의 멀티플렉싱형 회절 격자와는 다른 구현 형태인 적층형 회절 격자를 도시한 것이다. 적층형 회절 격자는 R G B 각각의 신호 성분에 대해, 한 층 당 한 파장의 신호 성분만을 소정 각도로 굴절시키고 다른 파장의 신호는 그대로 통과시키는 층들을 적층한 형태이다.
도 5의 확대 렌즈 역시 적층형으로 구현된 것을 도시하고 있다. 적층형 확대 렌즈는 R G B 각각의 신호 성분에 대해, 한 층 당 한 파장의 신호 성분만을 소정 각도로 출력시키고 다른 파장의 신호는 그대로 통과시키는 층들을 적층하여 구현한다. 각각의 층들을 통과한 R G B 이미지 신호는 동일한 초점에 모여지도록 된다.
도 6은 도 4의 조명부(400) 중에서, 발광 다이오드(401)와 필터(402)의 배치와 관련한 도면이다.
도 6 (a)는 R G B 삼색 광의 배치 예이다.
도 6 (b)는 LED(401)와 필터(402)의 배치 예이다. 필터(402)는 R G B 각각의 광을 발생하는 LED 각각에 대해 개별적으로 대응시킨다. R G B 각각의 LED는 수십 nm의 파장폭을 갖는 광선을 발생한다. 이러한 넓은 파장 폭은, 특정 파장에 따라 굴절하도록 제작된 회절 격자에 맞춰지도록 좁혀져야 할 필요가 있다. 따라서 R G B 각 LED에 인접한 위치에 실질적으로 R 광선의 중심 파장, G 광선의 중심 파장, B 광선의 중심 파장의 광선만을 통과시키도록 한 간섭(interference) 필터(402)를 배치한다.
도 6 (c)는 R G B 각 광선을 발생하는 LED의 스펙트럼 대역을 도시한 것이다.
도 6 (d)는 필터(402)의 스펙트럼 예를 도시한 것이다.
도 7은 도 4의 조명부의 다른 실시예들을 도시한 것이다.
도 7 (a)는 디스플레이 패널(411)이 LCD인 경우의 백 라이트 조명부를 도시한 것이다. 백 라이트 조명부는 백색 광을 발생하는 백색 광 다이오드(LED)(701), 백색 광 다이오드(701)로부터 나오는 R G B 각각의 광 성분의 파장 범위를 첨예화하도록 필터링하는 필터(702)를 포함한다. 필터(702)는 LCD 패널이 가진 픽셀 각각에 대해 대응한다.
도 7 (b)는 디스플레이 패널(411)이 LCD인 경우의 다른 조명부를 도시한 것이다. 여기서 조명부는 광섬유(711)를 통해 R G B 광(712, 713, 714)을 제공한다. 광섬유를 통해 전해지는 R G B 광은 각각 실질적인 단파장 신호이므로 필터를 따로 필요로 하지 않는다.
도 7 (c)는 디스플레이 패널(411)이 LCD인 경우의 또 다른 조명부의 실시예이다. 이 조명부는 광섬유(724)를 통해 전해지기 때문에 빔 크기가 작은 R G B 광(721, 722, 723)을 빔 확대기(Beam Expander)(725) 통해 확대시켜 디스플레이 패널(411)로 제공한다.
도 8은 본 발명의 착용형 컬러 디스플레이 시스템의 다른 실시예이다.
도 8의 시스템은, 전원부(800), 조명부(810), 반사경(820), 확대 광학계(830)를 포함한다.
전원부(800)는 조명부(810)에 전원을 공급한다.
조명부(810)는 LED, 레이저, LD 등과 같은 조명광 발생 수단을 포함해 R G B 컬러 조명광을 발생한다.
반사경(820)은 시스템을 사용자가 안경처럼 착용할 수 있도록 조명의 방향을조정할 수 있도록 한다.
확대 광학계(830)는 조명광에 의해 컬러화된 이미지가 사용자에게 보여지도록 한 것으로, 경박단소한 외관을 가져 사용자가 안경처럼 착용 가능하도록 만들어진다. 확대 광학계(830)는 디스플레이 패널(831), 회절 격자(832), 도파로(833) 및 확대 렌즈(834)를 포함한다.
디스플레이 패널(831)은 이미지를 발생하는 장치로서 조명부(810)로부터 컬러 조명을 받아 R G B 각 성분으로 조합된 컬러 이미지 신호를 출력하게 된다.
회절 격자(832)는 디스플레이 패널(831)을 통해 입력된 컬러 이미지 신호를 소정의 각도로 굴절시킨다. 컬러 이미지 신호는 R G B 각각의 색 성분이 조합된 신호이므로, 회절 격자(832)는 R G B 각 색 신호 성분에 대해, 소정 각도 theta(lambda)로 굴절되도록 구현된다. 그 각도는 R G B 각각의 색 신호가 도파로 내에서 전반사되고 동시에 각각이 동일한 이동 거리를 가지도록 계산된다. 회절 격자(832)는, 하나의 격자 소자안에 R G B 각각의 광 파장에 대해 고유하게 작용하는 각각의 패턴 무늬를 새김함으로써 한 격자를 통해 세 파장의 신호가 소정 각도로 회절되는 멀티플렉싱 형태이거나, R G B 각각의 신호 성분에 대해 한 층 당 한 파장의 신호 성분만을 소정 각도로 굴절시키고 다른 파장의 신호는 그대로 통과시키는 층들을 적층한 적층형으로 구현된다.
도파로(833)는 회절격자(832)를 통해 입사된 이미지 신호를 도파로 내부를 통해 소정 방향으로 전파시키는 신호 전달 매체로서 기능한다.
확대 렌즈(834)는 도파로(833)면에 부착되어, 도파로(833)를 통해 전파된 컬러 이미지 신호를 출력시킨다. 확대 렌즈(834)는 회절 격자(832)와 켤레 관계를 이룬다. 즉, 회절 격자(832)가 소정 입사각으로 입사된 신호를 소정 굴절각으로 회절 시킬 대, 확대 렌즈(834)는 상기 회절 격자(832)에서의 소정 굴절각으로 전파된 신호를 받아, 상기 회절 격자(832)에서의 소정 입사각으로 굴절시켜 출력시킨다. 확대 렌즈(834)는 R G B 각각의 신호 성분이 출력시 동일한 초점 거리에서 상을 맺을 수 있도록 한다. 확대 렌즈(834) 역시 멀티플렉싱형과 적층형 가운데 한 형태로 구현될 수 있다.
상술한 모든 실시예들은 설명을 용이하게 하기 위해 모노큘라 형태로서만 도시되어 기술되었으나, 유사한 기능과 원리에 따라 바이노큘라 형태의 시스템에도 역시 적용 가능하다.
본 발명에 의해, 단순한 구성 요소를 이용해 사용자가 간편하게 착용 가능한 이미지 시스템을 구현할 수 있고, 그를 통해 컬러 이미지를 볼 수 있다.

Claims (10)

  1. R G B 이미지를 표시하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템에 있어서,
    상기 R G B 이미지 신호를 입력 받아 각각의 색 성분에 대해 소정 각도로 굴절시키는 회절격자;
    상기 회절격자로부터 굴절된 R G B 이미지 신호의 각 색 성분 신호를 전파하는 도파로; 및
    상기 도파로로부터 전파된 R G B 이미지 신호의 각 색 성분 신호들이 실질적으로 동일한 초점에 모일 수 있도록 출력시키는 확대렌즈를 포함함을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회절격자는,
    하나의 격자안에서 상기 R G B 각각의 색 성분 신호가 소정 각도로 굴절되도록 된 멀티플렉싱 형태임을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 회절격자는,
    상기 R G B 색 성분 신호 중 한 신호만을 소정 각도로 굴절시킨 서로 다른 층을 적층한 적층형임을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 확대렌즈는
    하나의 소자안에서 상기 R G B 각각의 색 성분 신호를 모두 같은 초점안에 모이도록 출력하는 멀티플렉싱 형태임을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 확대렌즈는,
    상기 R G B 색 성분 신호 중 한 신호만을 소정 각도로 굴절시켜 출력하는 서로 다른 층들을 적층해 출력하는 적층형이고, 각 층으로부터 굴절된 각 R G B 성분신호는 실질적으로 동일한 초점에 모이도록 됨을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    R G B 광을 발생하는 조명부; 및
    디스플레이할 이미지를 생성하고 상기 조명부로부터 R G B 광을 지원받아 컬러 이미지 신호를 출력하는 디스플레이 패널을 포함하는 컬러 이미지 발생부를 더포함함을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 조명부는
    상기 R G B 각각에 대한 광원으로서 동작하는 발광다이오드(LED);
    상기 각각의 R G B 광 성분 각각의 파장 범위를 첨예화시키는 필터; 및
    상기 필터를 통과한 R G B 광들을 평행하게 진행시키는 콜리메이팅 렌즈를 포함함을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 조명부는 상기 디스플레이 패널이 LCD(Liquid Crystal Diode) 패널일 때,
    LCD 패널의 백 라이트를 제공하는 백색 광 다이오드; 및
    상기 백색 광 다이오드로부터 나오는 R G B 각각의 광 성분의 파장 범위를 첨예화하도록 필터링하는 필터를 포함하고,
    상기 필터는 상기 LCD 패널이 가진 픽셀 개수에 상응하는 개수임을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 조명부는 상기 디스플레이 패널이 LCD 패널일 때,
    광섬유를 통해 R G B 광을 제공함을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 상기 조명부는
    빔 크기가 작은 R G B광이 입사시, 빔 확대기(Beam expander)를 통해 빔 크기를 키운 R G B 광을 출력함을 특징으로 하는 착용형 컬러 디스플레이 시스템.
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