KR20160029245A - 헤드 마운트 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 화상을 구현하는 복수 개의 발광 영역들과, 상기 발광 영역들 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역들을 포함하는 디스플레이부; 상기 발광 영역들로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며, 상기 광을 소정의 영역으로 수렴시키는 제1광학소자; 및 상기 디스플레이부에 대하여, 상기 제1광학소자가 배치된 방향의 반대 방향에 배치되며 외부로부터 상기 디스플레이부로 입사되는 광을 발산시키는 제2광학소자;를 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개시한다.

Description

헤드 마운트 디스플레이 장치{Head mounted display apparatus}
본 발명의 실시예들은 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 디스플레이 장치에 의해 구현되는 화상뿐만 아니라 외부 배경까지 인식할 수 있는 시-쓰루(see-through) 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것이다.
일반적으로 헤드 마운트 디스플레이 장치는 안경 또는 헬멧 등의 형태를 갖추어 사용자의 머리에 장착될 수 있는 디스플레이 장치로서, 사용자의 눈 전방에서 이미지를 디스플레이함으로써 사용자가 이미지를 인식할 수 있도록 한다. 이러한 헤드 마운트 디스플레이 장치에 있어서, 사용자가 눈 전방에서 디스플레이되는 이미지뿐만 아니라 헤드 마운트 디스플레이 장치 건너편의 배경까지 인식할 수 있도록 하기 위한 시-쓰루 헤드 마운트 디스플레이 장치에 대한 연구가 이루어지고 있다.
그러나 이러한 종래의 시-쓰루 헤드 마운트 디스플레이 장치의 경우, 최단 초점거리를 확보하기 위해 사용자의 눈과 디스플레이 장치 사이에 배치된 광학 소자에 의해, 외부 이미지가 왜곡되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 최단 초점거리를 확보하면서 외부 이미지가 왜곡되지 않는 시-쓰루 헤드 마운트 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예는, 화상을 구현하는 복수 개의 발광 영역들과, 상기 발광 영역들 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역들을 포함하는 디스플레이부; 상기 디스플레이부로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며, 상기 광을 소정의 영역으로 수렴시키는 제1광학소자; 및 상기 디스플레이부에 대하여, 상기 제1광학소자가 배치된 방향의 반대 방향에 배치되며 외부로부터 상기 디스플레이부로 입사되는 광을 발산시키는 제2광학소자;를 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1광학소자와 상기 제2광학소자의 초점거리의 절대값은 실질적으로 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1광학소자의 초점거리는 20 cm 이상일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1광학소자은 하나의 정렌즈이며, 상기 제2광학소자는 하나의 부렌즈일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1광학소자 및 상기 제2광학소자 중 적어도 하나는 프레넬(Fresnel) 렌즈 또는 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element) 렌즈일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 디스플레이부는 복수 개의 픽셀들을 포함하며, 각각의 픽셀은, 상기 발광 영역에 배치되며 서로 다른 색상의 광을 방출하는 제1발광부, 제2발광부 및 제3발광부와, 상기 투광 영역에 배치되며 상기 제1발광부, 상기 제2발광부 및 상기 제3발광부에 인접하도록 배치된 투과창을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 디스플레이부, 상기 제1광학소자 및 상기 제2광학소자를 수용하며, 사용자의 머리에 장착될 수 있는 형태의 프레임을 더 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 화상을 구현하는 복수 개의 발광 영역들과, 상기 발광 영역들 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역들을 포함하는 디스플레이부; 상기 디스플레이부로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며, 상기 발광 영역들로부터 방출되는 광을 제1방향으로 편광된 광(polarized light)으로 변경시키고, 상기 투광 영역들을 투과한 외부의 광을 상기 제1방향과 수직인 제2방향으로 편광된 광(polarized light)으로 변경시키는 제3광학소자; 및 상기 제3광학소자를 투과한 광의 경로 상에 위치하며, 상기 제1방향으로 편광된 광을 소정의 영역으로 수렴시키며, 상기 제2방향으로 편광된 광은 입사된 방향과 동일한 방향으로 투과시키는 제4광학소자;를 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제3광학소자는, 상기 발광 영역들 및 상기 투광 영역들에 공통되도록 배치된 편광자; 및 상기 편광자를 투과한 광의 경로 상에 위치하며, 상기 발광 영역들에 대응되도록 배치된 제1액정 및 상기 투광 영역들에 대응되도록 배치된 제2액정을 포함하는 액정층;을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제4광학소자는, 입사되는 광의 편광 방향에 따라 굴절률이 달라지는 제1매질; 및 상기 제1매질에 접하며 상기 제1매질의 최대 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 제2매질;을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1매질은 제3액정을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제3광학소자는, 상기 발광 영역들 및 상기 투광 영역들에 공통되도록 배치된 편광자; 및 상기 발광 영역들 및 상기 투광 영역들 중 하나에 대응되도록 배치된 반파장 지연자(λ/2 retarder)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제3광학소자는, 상기 발광 영역들에 대응되도록 배치되며, 상기 발광 영역들로부터 방출되는 광을 상기 제1방향으로 편광된 광으로 변경시키는 제1편광자; 및 상기 투광 영역들에 대응되도록 배치되며, 상기 투광 영역들을 투과한 외부의 광을 상기 제2방향으로 편광된 광으로 변경시키는 제2편광자;를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1편광자 및 상기 제2편광자는 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer)일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 디스플레이부는 복수 개의 픽셀들을 포함하며, 각각의 픽셀은, 상기 발광 영역에 배치되며 서로 다른 색상의 광을 방출하는 제1발광부, 제2발광부 및 제3발광부와, 상기 투광 영역에 배치되며 상기 제1발광부, 상기 제2발광부 및 상기 제3발광부에 인접하도록 배치된 투과창을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 디스플레이부, 상기 제3광학소자 및 상기 제4광학소자를 수용하며, 사용자의 머리에 장착될 수 있는 형태의 프레임을 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 특허청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부 이미지가 왜곡되지 않는 시-쓰루 헤드 마운트 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 3은 도 1의 디스플레이부에 포함된 하나의 픽셀을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치(100)는, 화상을 구현하는 복수개의 발광 영역들(EA)과 발광 영역들(EA) 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역들(TA)을 포함하는 디스플레이부(10), 디스플레이부(10)로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며 광을 소정의 영역으로 수렴시키는 제1광학소자(120) 및 디스플레이부(10)에 대하여 제1광학소자(120)가 배치된 방향의 반대 방향에 배치되며 외부로부터 디스플레이부(10)로 입사되는 광을 발산시키는 제2광학소자(130)를 포함한다.
상기 디스플레이부(10)는, 디스플레이부(10)를 통해 디스플레이부(10)에 의해구현되는 화상뿐만 아니라, 외부 이미지를 볼 수 있는 투명 디스플레이일 수 있으며, 다양한 소자로 구성될 수 있다. 예를 들면, 디스플레이부(10)는 유기발광표시소자 또는 액정표시소자 등으로 구성될 수 있으며, 유기발광표시소자로 구성된 경우 플렉서블한 기판 상에 유기발광소자를 형성함으로써 플렉서블한 디스플레이부(10)를 구현할 수 있다.
제1광학소자(120)는, 디스플레이부(10)로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치한다. 즉, 제1광학소자(120)는 디스플레이부(10)와 안구(40) 사이에 배치되며 디스플레이부(10)의 발광 영역(EA)으로부터 방출된 광(L1)을 안구(40)의 수정체(41)에 수렴시킬 수 있으며, 수정체(41)에 수렴된 광은 수정체(41)를 투과하여 망막(42)에 도달할 수 있다.
헤드 마운트 디스플레이 장치(100)의 디스플레이부(10)는 사용자의 안구(40)의 전방에 위치한다. 하지만 사람의 눈의 최단 초점거리는 통상적으로 약 20cm이기에, 디스플레이부(10)가 사용자의 안구(40)로부터 약 20cm 이상 떨어져 있지 않으면, 디스플레이부(10)에 포함된 발광 영역(EA)에서 구현되는 화상을 사용자가 명확하고 용이하게 인식하는 것이 어렵게 된다.
상기 제1광학소자(120)는 입사되는 광을 수렴시키는 광학소자로, 디스플레이부(10)로부터 사용자의 안구(40)까지의 거리가 20cm 이내가 되더라도, 제1광학소자(120)에 의해 안구(40)의 수정체(41) 등에 발광 영역(EA)으로부터 방출된 광이 수렴되므로, 사용자는 발광 영역(EA)에 의해 구현되는 화상을 명확하고 용이하게 인식할 수 있다.
일 실시예에 따른 제1광학소자(120)의 초점거리는 사람의 눈의 최단 초점거리인 약 20cm 이상일 수 있으며, 하나의 정렌즈로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 제1광학소자(120)는 입사되는 평행광을 수렴시키는 다양한 렌즈들의 조합일 수 있으며, 렌즈의 형상 또한 다양할 수 있다.
상술한 바와 같이, 디스플레이부(10)는 투명 디스플레이일 수 있으며, 외부의광이 투과되는 투광 영역(TA)을 포함할 수 있다. 즉, 헤드 마운트 디스플레이 장치(100)의 화상이 구현되는 방향의 반대쪽에 배치된 외부 배경으로부터의 광(L2)은 헤드 마운트 디스플레이 장치(100)를 통과하여 사용자의 안구(40)에 도달할 수 있다.
이때, 외부 배경으로부터의 광(L2)은 제1광학소자(120)를 통과하게 되며, 제1광학소자(120)에 의해 외부 배경의 이미지가 왜곡될 수 있다. 그러나, 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치(100)는 제2광학소자(130)를 포함하며, 제2광학소자(130)에 의해 외부 배경의 이미지가 왜곡되는 문제를 개선할 수 있다.
제2광학소자(130)는 디스플레이부(10)에 대하여 제1광학소자(120)가 배치된 방향의 반대 방향에 배치되며, 외부 배경으로부터 디스플레이부(10)로 입사되는 광(L2)을 발산시킬 수 있다.
외부 배경으로부터 디스플레이부(10)로 입사되는 광(L2)은, 디스플레이부(10)에 입사하기 전에 제2광학소자(130)를 통과할 수 있다. 외부 배경으로부터의 광(L2)을 평행광으로 가정했을 때, 평행광은 제2광학소자(130)를 통과하면서 발산되고, 발산광은 디스플레이부(10)의 투광 영역(TA)을 통과하여 제1광학소자(120)에 입사될 수 있다.
제1광학소자(120)에 입사된 발산광은, 제1광학소자(120)에 의해 다시 평행광이 되어, 안구(40)에 입사될 수 있다. 즉, 외부 배경으로부터 광(L2)은 제2광학소자(130) 및 제1광학소자(120)를 지나면서, 안구(40)로 입사되는 광의 진행 방향은 제2광학소자(130)를 지나기 전의 광 진행 방향과 동일해진다. 이와 같은 조건을 만족하기 위해, 제1광학소자(120)와 제2광학소자(130)의 초점거리의 절대값은 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 구성에 의해, 사용자는 발광 영역(EA)에 의해 구현되는 화상뿐만 아니라, 외부 배경 이미지까지 명확하고 용이하게 인식할 수 있다.
일 실시예에 따른 제2광학소자(130)는 하나의 부렌즈로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 제2광학소자(130)는 입사되는 평행광을 발산시키는 다양한 렌즈들의 조합일 수 있으며, 렌즈의 형상 또한 다양할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치(200)는, 화상을 구현하는 복수개의 발광 영역들(EA)과 발광 영역들(EA) 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역들(TA)을 포함하는 디스플레이부(10), 디스플레이부(10)로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며 광을 소정의 영역으로 수렴시키는 제1광학소자(220) 및 디스플레이부(10)에 대하여 제1광학소자(220)가 배치된 방향의 반대 방향에 배치되며 외부로부터 디스플레이부(10)로 입사되는 광을 발산시키는 제2광학소자(230)를 포함한다.
상기 제1광학소자(220)는, 디스플레이부(10)로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치한다. 즉, 제1광학소자(220)는 디스플레이부(10)와 안구(40) 사이에 배치되며 디스플레이부(10)의 발광 영역(EA)으로부터 방출된 광(L1)을 안구(40)의 수정체(41)에 수렴시킬 수 있으며, 수정체(41)에 수렴된 광은 수정체(41)를 투과하여 망막(42)에 도달할 수 있다.
제1광학소자(220)는 프레넬(Fresnel) 렌즈 또는 홀로그래픽 광학 소자(HOE; holographic optical element) 렌즈 등과 같은 평면형 렌즈일 수 있으며, 상기 구성에 의해 제1광학소자(220)를 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 장치(200)의 두께를 줄일 수 있다.
도 2에서는, 제1광학소자(220)가 디스플레이부(10)로부터 이격되도록 배치된 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1광학소자(220)는 디스플레이부(10)에 부착되도록 배치될 수도 있다.
상기 제2광학소자(230)는 디스플레이부(10)에 대하여 제1광학소자(220)가 배치된 방향의 반대 방향에 배치되며, 외부 배경으로부터 디스플레이부(10)로 입사되는 광(L2)을 발산시킬 수 있다.
제2광학소자(230)는 제1광학소자(220)와 마찬가지로 프레넬(Fresnel) 렌즈 또는 홀로그래픽 광학 소자(HOE; holographic optical element) 렌즈 등과 같은 평면형 렌즈일 수 있으며, 상기 구성에 의해 제2광학소자(230)를 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 장치(200)의 두께를 줄일 수 있다.
프레넬(Fresnel) 렌즈는 종래의 렌즈를 동심원의 고리 모양 부분들로 나눈 것으로, 프레넬 렌즈는 종래의 렌즈에 비하여 얇은 두께를 가질 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 렌즈는 회절 패턴을 포함하며, 입사되는 광을 회절시켜 통상의 렌즈와 같이 광을 수렴시키거나 발산시키는 기능을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치(200)는 제1광학소자(220) 및 제2광학소자(230)를 프레넬 렌즈 또는 홀로그래픽 광학 소자 렌즈와 같은 평면형 렌즈로 구성함으로써, 헤드 마운트 디스플레이 장치(200)의 두께 및 무게를 줄일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 제1광학소자(220) 및 제2광학소자(230) 중 하나만 평면형 렌즈로 구성될 수 있다. 또한, 제1광학소자(220) 및 제2광학소자(230)는 프레넬 렌즈 또는 홀로그래픽 광학 소자 렌즈 이외에, 광을 수렴 또는 발산할 수 있다면 어떤 회절 광학 소자로도 구성될 수도 있다.
도 3은 도 1의 디스플레이부에 포함된 하나의 픽셀을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 도 1의 디스플레이부(10, 도 1)는 복수 개의 픽셀(P)들을 포함하며, 각각의 픽셀(P)은 발광 영역(EA)에 배치되는 제1발광부(SP1), 제2발광부(SP2) 및 제3발광부(SP3)와, 투광 영역(TA)에 배치되며 제1발광부(SP1), 제2발광부(SP2) 및 제3발광부(SP3)에 인접하도록 배치된 투과창(TW)을 포함할 수 있다.
제1발광부(SP1), 제2발광부(SP2) 및 제3발광부(SP3)는 각각 서로 다른 색상의 광을 방출할 수 있으며, 상기 색상들의 조합에 의해 백색광을 구현할 수 있다. 예를 들면, 제1발광부(SP1), 제2발광부(SP2) 및 제3발광부(SP3)는 각각 적색광, 녹색광 및 청색광을 방출할 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
제1발광부(SP1), 제2발광부(SP2) 및 제3발광부(SP3)에서 방출되는 광(L1)은 제1광학소자(도 1, 120)에 의해 굴절되어 사용자의 안구(40, 도 1)에 수렴될 수 있다.
투과창(TW)은 투명한 절연층 및/또는 투명한 전극 등만이 배치되어, 외부로부터 입사되는 광을 투과시킬 수 있는 영역으로, 디스플레이부(10, 도 1)의 다른 영역들보다 높은 투과도를 가질 수 있으며, 투과창(TW)은 제1발광부(SP1), 제2발광부(SP2) 및 제3발광부(SP3)에 전원 또는 전기적 신호 등을 인가하기 위한 배선(CL)들에 의해 구획될 수 있으며, 상기 배선(CL)들은 스캔선, 데이터선 및 전원선 등을 포함할 수 있다.
외부로부터 입사된 광(L2)은, 상술한 바와 같이 제2광학소자(130, 도 1), 디스플레이부(10, 도 1)의 투광 영역(TA) 및 제1광학소자(120, 도 1)을 순차적으로 투과한 후, 안구(40, 도 1)에 입사될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치(300)는, 화상을 구현하는 복수 개의 발광 영역(EA)들과, 발광 영역(EA)들 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역(TA)들을 포함하는 디스플레이부(10), 디스플레이부(10)로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며 발광 영역(EA)들로부터 방출되는 광(L1)을 제1방향의 편광(polarized light)으로 변경시키고, 투광 영역(TA)들을 투과한 외부 배경으로부터의 광(L2)을 제1방향과 수직인 제2방향의 편광으로 변경시키는 제3광학소자(350), 및 제3광학소자(350)를 투과한 광의 경로 상에 위치하며 제1방향의 편광을 소정의 영역으로 수렴시키며, 제2방향의 편광은 입사된 방향과 동일한 방향으로 투과시키는 제4광학소자(60)를 포함한다.
상기 디스플레이부(10)는, 디스플레이부(10)를 통해 디스플레이부(10)에 의해구현되는 화상뿐만 아니라, 외부 이미지를 볼 수 있는 투명 디스플레이일 수 있으며, 다양한 소자로 구성될 수 있다. 예를 들면, 디스플레이부(10)는 유기발광표시소자 또는 액정표시소자 등으로 구성될 수 있다.
발광 영역(EA)들로부터 방출되는 광(L1)과 투광 영역(TA)들을 투과한 외부 배경으로부터의 광(L2)은, 각각 제3광학소자(350)를 투과하며 제3광학소자(350)에 의해 서로 수직한 방향의 편광이 될 수 있다.
일 실시예에 따른 제3광학소자(350)는, 발광 영역(EA)들 및 투광 영역(TA)들에 공통되도록 배치된 편광자(351)와, 편광자(351)를 투과한 광의 경로 상에 위치하며, 발광 영역(EA)들에 대응되도록 배치된 제1액정(352a) 및 투광 영역(TA)들에 대응되도록 배치된 제2액정(352b)을 포함하는 액정층(352)를 포함할 수 있다.
발광 영역(EA)들 및 투과 영역(TA)들로부터 편광자(351)에 입사된 광은 편광자(351)에 의해 특정 방향으로 편광된 광으로 바뀔 수 있다. 발광 영역(EA)들로부터 방출된 광(L1)은 편광자(351)를 투과한 후 제1액정(352a)에 입사되며 제1액정(352a)에 의해 제1방향으로 편광된 광으로 바뀔 수 있으며, 투광 영역(TA)들을 투과한 외부 배경으로부터의 광(L2)은 편광자(351)를 투과한 후 제2액정(352b)에 입사되며 제2액정(352b)에 의해 제2방향으로 편광된 광으로 바뀔 수 있다.
일 실시예에 따르면, 편광자(351)를 투과한 광은 제2방향으로 편광된 광일 수 있다. 제2액정(352b)은 제2방향과 동일한 방향 또는 수직한 방향으로 정렬되어 있을 수 있으며, 편광자(351)를 투과한 제2방향으로 편광된 광은 제2액정(352b)에 의해 편광 방향이 변경되지 않고 제2액정(352b)을 투과할 수 있다. 반면, 제1액정(352a)은 제2방향과 동일한 방향 또는 수직한 방향이 아닌 임의의 방향 또는 나선형으로 정렬되어 있을 수 있으며, 편광자(351)를 투과한 제2방향으로 편광된 광은 제1액정(352a)에 의해 편광 방향이 변경될 수 있다. 제1액정(352a)의 정렬 방향 및 두께 등를 조절함으로써 제1액정(352a)을 투과한 광이 제2방향과 수직인 제1방향으로 편광된 광이 되도록 할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 편광자(351)를 투과한 광은 제2방향이 아닌 제1방향으로 편광된 광일 수 있으며, 제1액정(352a)에 의해서는 편광 방향이 변경되지 않고 제2액정(352b)에 의해 편광 방향이 약 90도 변경될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제4광학소자(60)는 입사되는 광의 편광 방향에 따라 굴절률이 달라지는 제1매질(61) 및 제1매질(61)에 접하며 제1매질(61)의 최대 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 제2매질(62)을 포함할 수 있다.
제1매질(61)고 제2매질(62)의 경계면은, 안구(40) 방향으로 볼록한 형상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 경계면은 프레넬(Fresnel) 렌즈의 일면과 동일한 형상을 가질 수 있지만, 이에 제한되진 않는다.
상기 제1매질(61)은 제3액정(61a)을 포함할 수 있다. 제3액정(61a)은, 제3액정(61a)의 굴절률은 제3액정(61a)의 정렬 방향 및 입사되는 광의 편광 방향에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 제3액정(61a)은 제1방향으로 편광된 광에 대하여 약 1.7의 굴절률을 가지며, 제2방향으로 편광된 광에 대하여 약 1.5의 굴절률을 가질 수 있다. 제2매질(62)은 유리 또는 플라스틱 등으록 구성될 수 있으며, 약 1.5의 굴절률을 가질 수 있다.
따라서, 제1방향으로 편광된 광은, 제1매질(61)과 제2매질(62)의 경계면에서 굴절될 수 있다. 즉, 발광 영역(EA)들에서 방출된 광은, 제1매질(61)과 제2매질(62)의 경계면에서 굴절되어, 안구(40)의 수정체(41) 등에 수렴될 수 있다.
반면, 제2방향으로 편광된 광은, 제1매질(61)과 제2매질(62)의 경계면에서 굴절되지 않고, 입사된 방향과 동일한 방향으로 제4광학소자(60)를 투과한 후 안구(40)에 입사될 수 있다.
상기 구성에 의해, 사용자는 발광 영역(EA)에 의해 구현되는 화상뿐만 아니라, 외부 배경 이미지까지 왜곡없이 명확하고 용이하게 인식할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치(400)는, 화상을 구현하는 복수 개의 발광 영역(EA)들과, 발광 영역(EA)들 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역(TA)들을 포함하는 디스플레이부(10), 디스플레이부(10)로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며 발광 영역(EA)들로부터 방출되는 광(L1)을 제1방향의 편광(polarized light)으로 변경시키고, 투광 영역(TA)들을 투과한 외부 배경으로부터의 광(L2)을 제1방향과 수직인 제2방향의 편광으로 변경시키는 제3광학소자(450), 및 제3광학소자(450)를 투과한 광의 경로 상에 위치하며 제1방향의 편광을 소정의 영역으로 수렴시키며, 제2방향의 편광은 입사된 방향과 동일한 방향으로 투과시키는 제4광학소자(60)를 포함한다.
상기 제3광학소자(450)은 발광 영역(EA)들에 대응되도록 배치되며 발광 영역들로부터 방출되는 광(L1)을 제1방향으로 편광된 광으로 변경시키는 제1편광자(450a) 및 투광 영역(TA)들에 대응되도록 배치되며 투광 영역(TA)들을 투과한 외부의 광(L1)을 제2방향으로 편광된 광으로 변경시키는 제2편광자(450b)를 포함할 수 있다.
상기 제1편광자(450a) 및 제2편광자(450b)는 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer)일 수 있으며, 제1편광자(450a) 및 제2편광자(450b)는 디스플레이부(10) 상에 교번하여 배치될 수 있다. 와이어 그리드 편광자는 미세한 금속 와이어들이 평행하게 배치된 어레이일 수 있으며, 일반 편광자들에 비하여 패터닝이 용이할 수 있다.
도 5에 도시된 디스플레이부(10) 및 제4광학소자(60)는 도 4의 헤드 마운트 디스플레이 장치(300)와 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치(500)는, 화상을 구현하는 복수 개의 발광 영역(EA)들과, 발광 영역(EA)들 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역(TA)들을 포함하는 디스플레이부(10), 디스플레이부(10)로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며 발광 영역(EA)들로부터 방출되는 광(L1)을 제1방향의 편광(polarized light)으로 변경시키고, 투광 영역(TA)들을 투과한 외부 배경으로부터의 광(L2)을 제1방향과 수직인 제2방향의 편광으로 변경시키는 제3광학소자(550), 및 제3광학소자(550)를 투과한 광의 경로 상에 위치하며 제1방향의 편광을 소정의 영역으로 수렴시키며, 제2방향의 편광은 입사된 방향과 동일한 방향으로 투과시키는 제4광학소자(60)를 포함한다.
상기 제3광학소자(550)은 발광 영역(EA)들 및 투광 영역(TA)들에 공통되도록 배치된 편광자(551)과, 발광 영역(EA)들 및 투광 영역(TA)들 중 하나에 대응되도록 배치된 반파장 지연자(λ/2 retarder, 552)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 반파장 지연자(552)는 발광 영역(EA)들에 대응되는 영역에 배치될 수 있다. 발광 영역(EA)들 및 투과 영역(TA)들로부터 편광자(551)에 입사된 광은 편광자(551)에 의해 제2방향으로 편광된 광으로 바뀔 수 있다. 발광 영역(EA)들로부터 방출된 광(L1)은 편광자(551)를 투과한 후 반파장 지연자(552)에 입사되며, 반파장 지연자(552)에 의해 제2방향과 수직인 제1방향으로 편광된 광으로 바뀔 수 있다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 반파장 지연자(552)는 투광 영역(TA)에 대응되는 영역에 배치될 수 있다. 발광 영역(EA)들 및 투과 영역(TA)들로부터 편광자(551)에 입사된 광은 편광자(551)에 의해 제1방향으로 편광된 광으로 바뀔 수 있다. 투광 영역(TA)들을 통해 투과된 외부 배경으로부터의 광(L2)은 편광자(551)를 투과한 후 반파장 지연자(552)에 입사되며, 반파장 지연자(552)에 의해 제1방향과 수직인 제2방향으로 편광된 광으로 바뀔 수 있다.
도 6에 도시된 디스플레이부(10) 및 제4광학소자(60)는 도 4의 헤드 마운트 디스플레이 장치(300)와 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 7을 참조하면, 헤드 마운트 디스플레이 장치(1)는, 상술한 실시예들과 같은 디스플레이부(10), 제1광학소자(120, 220) 및 제2광학소자(130, 230)을 포함하거나, 디스플레이부(10), 제3광학소자(350, 450, 550) 및 제4광학소자(60)를 수용하며 머리에 장착될 수 있는 형태의 프레임(70)을 포함할 수 있다.
상술한 실시예들에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치(1, 100, 200, 300, 400, 500)는, 디스플레이부(10)에 의해 구현되는 화상뿐 아니라, 디스플레이부(10)를 투과하는 배경 이미지를 명확하고 용이하게 시인할 수 있는 시-쓰루 헤드 마운트 디스플레이 장치를 구현할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
EA: 발광 영역 TA: 투광 영역
L1: 발광 영역으로부터 방출된 광 L2: 외부 배경으로부터의 광
1, 100, 200, 300, 400, 500: 헤드 마운트 디스플레이 장치
10: 디스플레이부 40: 안구
60: 제4광학소자 61: 제1매질
62: 제2매질 70: 프레임
120, 220: 제1광학소자 130, 230: 제2광학소자
350, 450, 550: 제3광학소자 351, 551: 편광자
352: 액정층 450a: 제1편광자
450b: 제2편광자 552: 반파장 지연자

Claims (16)

  1. 화상을 구현하는 복수 개의 발광 영역들과, 상기 발광 영역들 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역들을 포함하는 디스플레이부;
    상기 디스플레이부로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며, 상기 광을 소정의 영역으로 수렴시키는 제1광학소자; 및
    상기 디스플레이부에 대하여, 상기 제1광학소자가 배치된 방향의 반대 방향에 배치되며 외부로부터 상기 디스플레이부로 입사되는 광을 발산시키는 제2광학소자;를 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1광학소자와 상기 제2광학소자의 초점거리의 절대값은 실질적으로 동일한, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1광학소자의 초점거리는 20 cm 이상인, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1광학소자은 하나의 정렌즈이며, 상기 제2광학소자는 하나의 부렌즈인, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1광학소자 및 상기 제2광학소자 중 적어도 하나는 프레넬(Fresnel) 렌즈 또는 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element) 렌즈인, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 복수 개의 픽셀들을 포함하며,
    각각의 픽셀은, 상기 발광 영역에 배치되며 서로 다른 색상의 광을 방출하는 제1발광부, 제2발광부 및 제3발광부와, 상기 투광 영역에 배치되며 상기 제1발광부, 상기 제2발광부 및 상기 제3발광부에 인접하도록 배치된 투과창을 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이부, 상기 제1광학소자 및 상기 제2광학소자를 수용하며, 사용자의 머리에 장착될 수 있는 형태의 프레임을 더 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  8. 화상을 구현하는 복수 개의 발광 영역들과, 상기 발광 영역들 사이에 배치되며 외부의 광이 투과되는 복수 개의 투광 영역들을 포함하는 디스플레이부;
    상기 디스플레이부로부터 방출되는 광의 경로 상에 위치하며, 상기 발광 영역들로부터 방출되는 광을 제1방향으로 편광된 광(polarized light)으로 변경시키고, 상기 투광 영역들을 투과한 외부의 광을 상기 제1방향과 수직인 제2방향으로 편광된 광(polarized light)으로 변경시키는 제3광학소자; 및
    상기 제3광학소자를 투과한 광의 경로 상에 위치하며, 상기 제1방향으로 편광된 광을 소정의 영역으로 수렴시키며, 상기 제2방향으로 편광된 광은 입사된 방향과 동일한 방향으로 투과시키는 제4광학소자;를 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3광학소자는,
    상기 발광 영역들 및 상기 투광 영역들에 공통되도록 배치된 편광자; 및
    상기 편광자를 투과한 광의 경로 상에 위치하며, 상기 발광 영역들에 대응되도록 배치된 제1액정 및 상기 투광 영역들에 대응되도록 배치된 제2액정을 포함하는 액정층;을 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제4광학소자는,
    입사되는 광의 편광 방향에 따라 굴절률이 달라지는 제1매질; 및
    상기 제1매질에 접하며 상기 제1매질의 최대 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 제2매질;을 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1매질은 제3액정을 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제3광학소자는,
    상기 발광 영역들 및 상기 투광 영역들에 공통되도록 배치된 편광자; 및
    상기 발광 영역들 및 상기 투광 영역들 중 하나에 대응되도록 배치된 반파장 지연자(λ/2 retarder)를 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제3광학소자는,
    상기 발광 영역들에 대응되도록 배치되며, 상기 발광 영역들로부터 방출되는 광을 상기 제1방향으로 편광된 광으로 변경시키는 제1편광자; 및
    상기 투광 영역들에 대응되도록 배치되며, 상기 투광 영역들을 투과한 외부의 광을 상기 제2방향으로 편광된 광으로 변경시키는 제2편광자;를 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1편광자 및 상기 제2편광자는 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer)인, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 복수 개의 픽셀들을 포함하며,
    각각의 픽셀은, 상기 발광 영역에 배치되며 서로 다른 색상의 광을 방출하는 제1발광부, 제2발광부 및 제3발광부와, 상기 투광 영역에 배치되며 상기 제1발광부, 상기 제2발광부 및 상기 제3발광부에 인접하도록 배치된 투과창을 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 디스플레이부, 상기 제3광학소자 및 상기 제4광학소자를 수용하며, 사용자의 머리에 장착될 수 있는 형태의 프레임을 더 포함하는, 헤드 마운트 디스플레이 장치.
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