KR20180020695A - 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법 및 이를 이용한 장치 - Google Patents

헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법 및 이를 이용한 장치 Download PDF

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Abstract

헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법 및 이를 이용한 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 시야 확장 방법은 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display) 장치를 착용한 사용자의 눈에 허상(virtual image)을 투영하는 방법에 있어서, 곡면 디스플레이(Curved Display)와 곡면 광학렌즈(Curved optical lens)를 이용하여 영상을 재생하는 단계; 및 상기 곡면 디스플레이보다 상기 사용자의 눈에 가까운 곳에 위치한 상기 곡면 광학렌즈를 이용하여, 상기 사용자의 눈으로부터 상기 곡면 디스플레이보다 먼 곳에 상기 영상에 상응하는 허상을 확대하여 투영하는 단계를 포함한다.

Description

헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법 및 이를 이용한 장치 {METHOD FOR ENHANCEMENT OF FELD OF VIEW IN HEAD MOUNTED DISPLAY AND APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 기술에 관한 것으로, 특히 사용자가 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 통해 VR(Virtual Reality) 영상을 시청할 때, 동공을 통해 바라볼 수 있는 시야를 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
가상현실(virtual reality) 서비스를 제공할 때 사용되고 있는 개인형 단말인 헤드 마운티드 디스플레이 장치(Head Mounted Display; HMD)는 사용자가 디스플레이를 통해 느끼는 몰입감과 현장감을 극대화하기 위해 진화하고 있다.
일반적으로 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 영상을 재생하는 디스플레이와 디스플레이에서 재생되는 영상의 허상을 만들어서 사용자의 눈에 투영시켜주는 광학렌즈로 구성되어 있다. 이와 같은 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 몰입감이나 현장감을 극대화하기 위해서는 사용자의 동공이 화면을 볼 수 있는 시야를 크게 하여야 하는데, 이를 위해서는 영상을 재생하는 디스플레이의 크기를 증가시키고 광학렌즈의 직경 혹은 굴절률을 크게 하여 영상배율을 증가시켜야 한다. 그러나, 영상배율을 증가시키기 위해 광학렌즈의 두께를 증가시키는 것과 같이 광학렌즈를 변경하기에는 수차 특성 저하로 인해 한계가 존재한다.
또한, 광학렌즈의 변경에 한계가 존재함에 따라 마이크로 렌즈 어레이(Microlens array)를 광학렌즈로 활용하는 형태의 헤드 마운티드 디스플레이 장치도 존재하지만, 직접 영상을 위해 마이크로 렌즈 어레이에 의해 생성된 개별 허상들이 중첩될 경우 허상의 크기가 감소하여 몰입감이 떨어질 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈 어레이를 광학렌즈로 이용할 경우에는 영상확대 배율이 싱글 렌즈에 비해 작다는 단점이 존재한다.
한국 등록 특허 제10-1615828호, 2016년 4월 20일 등록(명칭: 마스크 패널을 이용한 집적영상 디스플레이 시스템에서의 시야각 증가방법)
본 발명의 목적은 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서 평판 디스플레이와 광학렌즈를 개선하여 시청자의 시야를 확장하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 헤드 마운티드 디스플레이 장치가 시청자에게 제공하는 몰입감과 현장감을 극대화시키는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용하는 시청자에게 왜곡이 작은 허상을 제공함으로써 시청 피로가 작은 가상현실 서비스를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법은, 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display) 장치를 착용한 사용자의 눈에 허상(virtual image)을 투영하는 방법에 있어서, 곡면 디스플레이(Curved Display)와 곡면 광학렌즈(Curved optical lens)를 이용하여 영상을 재생하는 단계; 및 상기 곡면 디스플레이보다 상기 사용자의 눈에 가까운 곳에 위치한 곡면 광학렌즈를 이용하여, 상기 사용자의 눈으로부터 상기 곡면 디스플레이보다 먼 곳에 상기 영상에 상응하는 허상을 확대하여 투영하는 단계를 포함한다.
이 때, 곡면 광학렌즈는 곡면 마이크로 렌즈 어레이(Curved microlens array)로 구성되어 집적영상(Integral Imaging) 기반의 영상을 재생할 수 있다.
이 때, 투영하는 단계는 상기 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 포지티브 매니스커스 렌즈(positive meniscus lens)와 마이크로 렌즈(microlens)의 각각의 배율을 조합하여 상기 허상을 확대할 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 광학특성을 고려하여 상기 포지티브 매니스커스 렌즈와 상기 마이크로 렌즈를 결합한 형태에 상응하는 복수개의 렌즈들을 곡면으로 배치하여 구성되되, 상기 마이크로 렌즈의 볼록면(convex)이 상기 사용자의 눈 쪽으로 향할 수 있다.
이 때, 상기 곡면 디스플레이와 상기 광학렌즈는 모두 상기 사용자의 눈 쪽으로 오목한 면이 향하도록 배치될 수 있다.
이 때, 상기 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율은 상기 포지티브 매니스커스 렌즈부터 상기 포지티브 매니스커스 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 상기 포지티브 매니스커스 렌즈로부터 상기 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응하고, 상기 마이크로 렌즈의 배율은 상기 마이크로 렌즈부터 상기 마이크로 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 상기 마이크로 렌즈로부터 상기 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응할 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 상기 곡면으로 배치된 복수개의 렌즈들을 통해 서로 중첩되어 투영왜곡이 발생하는 것을 최소화시킨 복수개의 허상들을 생성하고, 상기 복수개의 허상들을 각각 투영하여 상기 영상에 상응하는 허상을 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치는, 사용자에게 허상(virtual image)으로 제공될 영상을 출력하는 곡면 디스플레이; 및 상기 곡면 디스플레이보다 사용자의 눈에 가까운 곳에 위치하고, 상기 사용자의 눈으로부터 상기 곡면 디스플레이보다 먼 곳에 상기 영상에 상응하는 허상을 확대하여 투영하는 곡면 광학렌즈를 포함한다.
이 때, 곡면 광학렌즈는 곡면 마이크로 렌즈 어레이(Curved microlens array)로 구성되어 집적영상(integral imaging) 기반의 영상을 투영할 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 상기 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 포지티브 매니스커스 렌즈(positive meniscus lens)와 마이크로 렌즈(microlens)의 각각의 배율을 조합하여 상기 허상을 확대할 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 광학특성을 고려하여 상기 포지티브 매니스커스 렌즈와 상기 마이크로 렌즈를 결합한 형태에 상응하는 복수개의 렌즈들을 곡면으로 배치하여 구성되되, 상기 마이크로 렌즈의 볼록면(convex)이 상기 사용자의 눈 쪽으로 향할 수 있다.
이 때, 상기 곡면 디스플레이와 상기 곡면 광학렌즈는 모두 상기 사용자의 눈 쪽으로 오목한 면이 향하도록 배치될 수 있다.
이 때, 상기 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율은 상기 포지티브 매니스커스 렌즈부터 상기 포지티브 매니스커스 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 상기 포지티브 매니스커스 렌즈로부터 상기 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응하고, 상기 마이크로 렌즈의 배율은 상기 마이크로 렌즈부터 상기 마이크로 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 상기 마이크로 렌즈로부터 상기 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응할 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 상기 곡면으로 배치된 복수개의 렌즈들을 통해 서로 중첩되어 투영왜곡이 발생하는 것을 최소화시킨 복수개의 허상들을 생성하고, 상기 복수개의 허상들을 각각 투영하여 상기 영상에 상응하는 허상을 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서 평판 디스플레이와 광학렌즈를 개선하여 시청자의 시야를 확장할 수 있다.
또한, 본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이 장치가 시청자에게 제공하는 몰입감과 현장감을 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용하는 시청자에게 왜곡이 작은 허상을 제공함으로써 시청 피로가 작은 가상현실 서비스를 제공할 수 있다.
도 1은 싱글 렌즈를 광학렌즈로 이용한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 마이크로 렌즈 어레이로 구성된 광학렌즈를 이용한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 마이크로 렌즈의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 내지 도 7은 도 4에 도시된 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 렌즈의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 시청자가 착용한 일 예를 나타낸 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 싱글 렌즈를 광학렌즈로 이용한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 싱글 렌즈를 광학렌즈로 이용한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 기본적으로 평판형 디스플레이(flat panel display)(110)와 광학렌즈(optical lens)(120)로 구성되어 있다.
이 때, 평판형 디스플레이(110)는 영상(111)을 재생하고, 광학렌즈(120)는 평판형 디스플레이(110)에서 재생되는 영상(111)으로부터 허상(121)을 만들어서 사용자의 눈에 투영할 수 있다. 이 때, 광학렌즈(120)는 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 시청자의 눈에 투영되는 허상(121)이 평판형 디스플레이(110)보다 뒤쪽에 있는 것처럼 보여지게 할 수 있고, 확대하는 역할을 할 수 있다.
도 1를 확인하면, 광학렌즈(120)의 초점거리(Focal distance) fSL은 평판형 디스플레이(110)와 광학렌즈(120)간의 간격 dL보다 길게 구현된 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 구현함으로써 광학렌즈(120)가 가상 모드(virtual mode)로 동작하여 영상(111)을 확대하여 생성한 허상(121)을 평판형 디스플레이(110)의 뒤편에 생성하게 할 수 있다.
이 때, 광학렌즈(120)에 의해 영상(111)이 확대되는 비율인 배율 M은 일반적으로 [수학식 1]과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00001
이 때, dV는 광학렌즈(120)와 허상(121) 사이의 거리에 상응하고, '-'는 투영되는 상이 허상(virtual image)임을 의미할 수 있다.
따라서, 도 1에 도시된 평판형 디스플레이(110)에 재생된 영상(111)의 크기가 Ws인 경우에는, 배율 M에 의해 허상(121)의 크기가 W0로 확대된 것을 확인할 수 있다.
이 때, 도 1과 같은 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서 몰입감과 현장감을 극대화하기 위해서는 시청자의 동공이 화면을 볼 수 있는 시야각(100)을 증가시켜야 할 수 있다.
이 때, 평판형 디스플레이(110)의 크기를 증가시키고, 광학렌즈(120)의 직경 혹은 굴절률을 크게 변경하면 영상배율 M이 증가하여 시야각(100)을 증가시킬 수 있다. 그러나, 광학렌즈의 두께를 증가시키거나 굴절률을 변경하기에는 광학 수차 특성 저하로 인해 그 한계가 존재할 수 있다.
이 때, 광학 수차는 광학렌즈의 이상적인 상에서 벗어난 상들을 의미하는 것으로, 광학 수차 특성이 저하되면 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 사용자에게 높은 화질의 영상을 제공하기 어려울 수 있다.
도 2는 마이크로 렌즈 어레이로 구성된 광학렌즈를 이용한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 마이크로 렌즈 어레이(220)로 구성된 광학렌즈를 이용한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 동일한 직경의 마이크로 렌즈(230)를 여러 개 배치한 마이크로 렌즈 어레이(220)를 이용함으로써 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 시청자의 시야각(200)을 확대시킬 수 있다.
이 때, 도 2에 도시된 마이크로 렌즈 어레이(220)에는 3개의 마이크로 렌즈(230)만이 도시되어 있지만, 시야각(200)을 더 확대시키기 위해서 마이크로 렌즈(230)의 개수를 증가시켜 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 구현할 수도 있다.
따라서, 도 2에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 광학렌즈의 두께를 변경하지 않고도 시야각(200)을 확대시킬 수 있어, 광학 수차 특성 저하 측면에서는 유리한 점이 존재할 수 있다.
또한, 평판형 디스플레이(210)에 집적 영상 기술(integral imaging)을 적용하면 입체영상의 재현이 가능하고, 초점조절에 의해 시각피로의 문제도 감소시킬 수 있다.
이 때, 도 2에서 사용되는 마이크로 렌즈(230)는 도 3에 도시된 것과 같이 일반적으로 Plano - Convex 방식으로 구현될 수 있다.
이 때, Plano는 도 3에 도시된 평면(310)에 해당하고, Convex는 도 3에 도시된 볼록면(320)에 해당할 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈(230)의 한쪽면은 평면(310)이고 다른 한쪽은 볼록면(320)으로 구성되어 빛을 굴절시킬 수 있다.
그러나, 도 2에 도시된 마이크로 렌즈 어레이(220)에서의 영상배율은 개별의 마이크로 렌즈(230)의 배율(Mm)에 의해 결정되지만, 직접 영상 기술 기반의 영상을 위해서는 여러 개의 마이크로 렌즈(230)에 의해 생성된 허상들이 중첩되어 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 사용자의 눈으로 투영되는 영상이 다소 작아질 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈 어레이(220)를 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학렌즈로 이용할 경우에는 마이크로 렌즈 어레이(220)의 영상확대 배율이 도 1에 도시된 것과 같이 싱글렌즈를 사용하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 영상확대 배율보다 작아진다는 단점이 존재할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 도 1이나 도 2에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치와 상이하게 곡면 디스플레이(410)와 곡면 광학렌즈(420)를 사용하여 시야각(400)을 확대시킨 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 도 4에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 이용하여 시야가 확대된 가상현실 서비스를 제공하는 과정을 설명하도록 한다.
먼저, 곡면 디스플레이(410)를 통해 사용자에게 허상(virtual image)으로 제공될 영상(411)을 출력, 즉 디스플레이한다.
이 때, 영상은 직접영상(integral imaging) 기반의 영상에 상응할 수 있다.
이 때, 도 4에 도시된 것과 같이 영상(411)은 곡면 형태의 디스플레이를 통해서 재생되기 때문에 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 시청자의 동공을 중심으로 보여지는 면의 크기가 커질 수 있어서 시야가 확대될 수 있다.
이 때, 집적영상(integral imaging)은 무안경식 3차원 디스플레이 기술의 단점을 극복하려는 취지에서 시작된 것으로, 수평 시차뿐만 아니라 수직 시차도 제공하고, 일정한 시야각 내에서는 연속적인 시점을 가지는 3차원 영상을 표시할 수 있다.
또한, 곡면 광학렌즈(420)는 곡면 디스플레이(410)보다 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 사용자의 눈에 가까운 곳에 위치하고, 사용자의 눈으로부터 곡면 디스플레이(410)보다 먼 곳에 영상(411)에 상응하는 허상(421)을 확대하여 투영한다.
즉, 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 사용자의 눈을 기준으로, 곡면 광학렌즈(420), 곡면 디스플레이(410), 허상(421)의 순서로 위치할 수 있다.
이 때, 도 4에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치도 도 1에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치와 마찬가지로 곡면 광학렌즈(420)의 초점거리가 곡면 디스플레이(410)와 곡면 광학렌즈(420) 간의 간격보다 길게 구현됨으로써 곡면 광학렌즈(420)에 의해 생성되는 허상(421)이 곡면 디스플레이(410)의 뒤편에 투영될 수 있다.
이 때, 곡면 광학렌즈(420)는 곡면 마이크로 렌즈 어레이로 구성될 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 포지티브 매니스커스 렌즈(positive meniscus lens)와 마이크로 렌즈(microlens)의 각각의 배율을 조합하여 허상(421)을 확대할 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치와 같이 마이크로 렌즈만 사용하는 경우 마이크로 렌즈에 상응하는 배율만으로 허상을 확대하였으나, 도 4에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서는 마이크로 렌즈에 상응하는 배율에 포지티브 매니스커스 렌즈에 의한 배율을 증가시켜 허상(421)을 확대할 수 있다. 포지티브 매니스커스 렌즈와 마이크로 렌즈 각각의 배율에 대한 설명은 도 5 내지 7에서 상세히 설명하도록 한다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 광학특성을 고려하여 포지티브 매니스커스 렌즈와 마이크로 렌즈를 결합한 형태에 상응하는 복수개의 렌즈들을 곡면으로 배치하여 구성되되, 마이크로 렌즈의 볼록면(convex)이 사용자의 눈 쪽으로 향할 수 있다.
예를 들어, 복수개의 렌즈들은 곡면 디스플레이(410)를 향하는 측면이 포지티브 매니스커스 렌즈이고 나머지 다른 측면이 마이크로 렌즈에 상응할 수 있다. 또는, 경우에 따라, 복수개의 렌즈들은 곡면 디스플레이(410)를 향하는 측면이 마이크로 렌즈이고 나머지 다른 측면이 포지티브 매니스커스 렌즈에 상응할 수도 있다.
이 때, 곡면 디스플레이(410)와 곡면 광학렌즈(420)는 모두 사용자의 눈 쪽으로 오목한 면이 향하도록 배치될 수 있다.
이 때, 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율은 포지티브 매니스커스 렌즈부터 포지티브 매니스커스 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 포지티브 매니스커스 렌즈로부터 곡면 디스플레이(410)까지의 거리로 나눈 값에 상응할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈의 배율은 마이크로 렌즈부터 마이크로 렌즈에 의해 형성되는 허상(421)까지의 거리를 마이크로 렌즈로부터 곡면 디스플레이(410)까지의 거리로 나눈 값에 상응할 수 있다.
이와 같이 도 4에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율과 마이크로 렌즈의 배율의 조합에 의해 허상(421)을 확대함으로써 도 1이나 도 2에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치들 보다 영상 배율 측면에서 유리할 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 곡면으로 배치된 복수개의 렌즈들을 통해 서로 중첩되어 투영왜곡이 발생하는 것을 최소화시킨 복수개의 허상들을 생성하고, 복수개의 허상들을 각각 투영하여 영상에 상응하는 허상을 생성할 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서는 곡면이 아닌 평판형 디스플레이에서 재생되는 영상을 기반으로 확대된 허상을 생성하였기 때문에, 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 여러 마이크로 렌즈에 의해 확대되어 투영된 허상들간에 중첩되는 부분이 발생하여 전체적인 영상의 허상이 감소하고, 동공으로부터 복수개의 마이크로렌즈까지의 거리가 각각 차이가 있어 투영 왜곡이 발생되는 문제가 있었다. 그러나, 도 4에 도시된 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서는 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율을 추가로 사용하여 허상의 감소를 보상하고, 동공으로부터 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 복수개의 렌즈들까지의 거리가 균일하여 투영 왜곡을 최소화 할 수 있다.
따라서, 투영왜곡이 최소화되고 시야가 확대된 영상을 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 시청자에게 제공하여 몰입감과 현장감을 보다 생생하게 제공할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 렌즈의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 곡면 광학렌즈의 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 렌즈들은 각각 포지티브 매니스커스 렌즈(510)와 마이크로 렌즈(520)가 결합한 형태에 상응할 수 있다. 이와 같이 두 렌즈를 결합하여 사용함에 따라 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 헤드 마운티드 디스플레이 장치들 보다 영상배율을 크게 할 수 있다.
이 때, 도 6에 도시된 포지티브 매니스커스 렌즈(510)에 의한 배율을 Mrl이라고 한다면 Mrl은 [수학식 2]와 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00002
이 때, dv1은 포지티브 매니스커스 렌즈(510)로부터 허상까지의 거리에 상응하고, dL은 곡면 디스플레이와 포지티브 매니스커스 렌즈(510) 사이의 간격에 상응할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 마이크로 렌즈(520)에 의한 배율을 Mml이라고 한다면 Mml은 [수학식 3]과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00003
이 때, dv2는 마이크로 렌즈(520)로부터 허상까지의 거리에 상응하고, dL은 곡면 디스플레이와 마이크로 렌즈(520) 사이의 간격에 상응할 수 있다.
따라서, 도 5에 도시된 곡면 광학렌즈의 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 렌즈의 배율은 Mrl과 Mml의 조합에 의해 결정될 수 있으며, 도 2에서 마이크로 렌즈 어레이를 광학렌즈로 사용할 때보다 Mrl만큼 배율이 증가할 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 렌즈는 포지티브 매니스커스 렌즈(510)와 마이크로 렌즈(520)의 광학특성을 고려하여 위치가 서로 바뀔 수도 있다. 이 때, 마이크로 렌즈(520)의 곡면 부분이 곡면 디스플레이 쪽으로 향할 수 있다.
또한, 헤드 마운티드 디스플레이 장치 제작의 용이성을 위해서 마이크로 렌즈(520) 없이, 포지티브 매니스커스 렌즈(510)로만 곡면 광학렌즈를 구성하는 것도 가능할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법은 헤드 마운티드 디스플레이 장치(Head Mounted Display)를 착용한 사용자의 눈에 허상(virtual image)을 투영하는 방법에 있어서, 곡면 디스플레이(Curved Display)와 곡면 광학렌즈를 이용하여 영상을 재생한다(S810).
이 때, 영상은 곡면 형태의 디스플레이를 통해서 재생되기 때문에 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 시청자의 동공을 중심으로 보여지는 면의 크기가 커질 수 있어서 시야가 확대될 수 있다.
이 때, 곡면 광학렌즈는 곡면 마이크로 렌즈 어레이(Curved microlens array)로 구성되고, 집적영상(integral imaging) 기반의 영상을 재생할 수 있다.
이 때, 집적영상은 무안경식 3차원 디스플레이 기술의 단점을 극복하려는 취지에서 시작된 것으로, 수평 시차뿐만 아니라 수직 시차도 제공하고, 일정한 시야각 내에서는 연속적인 시점을 가지는 3차원 영상을 표시할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법은 곡면 디스플레이보다 사용자의 눈에 가까운 곳에 위치한 곡면 광학렌즈를 이용하여, 사용자의 눈으로부터 곡면 디스플레이보다 먼 곳에 영상에 상응하는 허상을 확대하여 투영한다(S820).
즉, 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 사용자의 눈을 기준으로, 곡면 광학렌즈, 곡면 디스플레이, 허상의 순서로 위치할 수 있다.
이 때, 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치도 도 1에 도시된 종래의 헤드 마운티드 디스플레이 장치와 마찬가지로 곡면 광학렌즈의 초점거리가 곡면 디스플레이와 곡면 광학렌즈 간의 간격보다 길게 구현됨으로써 곡면 광학렌즈에 의해 생성되는 허상이 곡면 디스플레이의 뒤편에 투영될 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 포지티브 매니스커스 렌즈(positive meniscus lens)와 마이크로 렌즈(microlens)의 각각의 배율을 조합하여 허상을 확대할 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치와 같이 마이크로 렌즈만 사용하는 경우 마이크로 렌즈에 상응하는 배율만으로 허상을 확대하였으나, 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서는 마이크로 렌즈에 상응하는 배율에 포지티브 매니스커스 렌즈에 의한 배율을 증가시켜 허상을 확대할 수 있다. 포지티브 매니스커스 렌즈와 마이크로 렌즈 각각의 배율에 대한 설명은 도 5 내지 7에서 상세히 설명하도록 한다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 광학특성을 고려하여 포지티브 매니스커스 렌즈와 마이크로 렌즈를 결합한 형태에 상응하는 복수개의 렌즈들을 곡면으로 배치하여 구성되되, 마이크로 렌즈의 볼록면(convex)이 사용자의 눈 쪽으로 향할 수 있다.
예를 들어, 복수개의 렌즈들은 곡면 디스플레이를 향하는 측면이 포지티브 매니스커스 렌즈이고 나머지 다른 측면이 마이크로 렌즈에 상응할 수 있다. 또는, 경우에 따라, 복수개의 렌즈들은 곡면 디스플레이를 향하는 측면이 마이크로 렌즈이고 나머지 다른 측면이 포지티브 매니스커스 렌즈에 상응할 수도 있다.
이 때, 곡면 디스플레이와 곡면 광학렌즈는 모두 사용자의 눈 쪽으로 오목한 면이 향하도록 배치될 수 있다.
이 때, 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율은 포지티브 매니스커스 렌즈부터 포지티브 매니스커스 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 포지티브 매니스커스 렌즈로부터 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응할 수 있다.
이 때, 마이크로 렌즈의 배율은 마이크로 렌즈부터 마이크로 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 마이크로 렌즈로부터 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율과 마이크로 렌즈의 배율의 조합에 의해 허상을 확대함으로써 도 1이나 도 2에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치들 보다 영상 배율 측면에서 유리할 수 있다.
이 때, 곡면 마이크로 렌즈 어레이는 곡면으로 배치된 복수개의 렌즈들을 통해 서로 중첩되어 투영왜곡이 발생하는 것을 최소화시킨 복수개의 허상들을 생성하고, 복수개의 허상들을 각각 투영하여 영상에 상응하는 허상을 생성할 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서는 곡면이 아닌 평판형 디스플레이에서 재생되는 영상을 기반으로 확대된 허상을 생성하였기 때문에, 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 여러 마이크로 렌즈에 의해 확대되어 투영된 허상들간에 중첩되는 부분이 발생하여 전체적인 영상의 허상이 감소하고, 동공으로부터 복수개의 마이크로렌즈까지의 거리가 각각 차이가 있어 투영 왜곡이 발생되는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서는 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율을 추가로 사용하여 허상의 감소를 보상하고, 동공으로부터 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 복수개의 렌즈들까지의 거리가 균일하여 투영 왜곡을 최소화할 수 있다.
따라서, 투영왜곡이 최소화되고 시야가 확대된 영상을 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용한 시청자에게 제공하여 몰입감과 현장감을 보다 생생하게 제공할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법을 이용함으로써 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서 평판 디스플레이와 광학렌즈를 개선하여 시청자의 시야를 확장할 수 있다.
또한, 헤드 마운티드 디스플레이 장치가 시청자에게 제공하는 몰입감과 현장감을 극대화시킬 수 있다.
또한, 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 착용하는 시청자에게 왜곡이 작은 허상을 제공함으로써 시청 피로가 작은 가상현실 서비스를 제공할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 시청자가 착용한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 도 9에 도시된 것과 같이 시청자가 얼굴에 착용하여 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 내부에서 투영되는 영상을 볼 수 있는 형태에 상응할 수 있다.
이 때, 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 도 9에 도시된 형태에 한정되지 않으며, 본 발명에 상응하는 구성을 통해 사용자가 가상현실 서비스에 상응하는 입체 영상을 볼 수 있다면 다양한 형태로 제작될 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법 및 이를 이용한 장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100, 200, 400: 시야각 110, 210: 평판형 디스플레이
111, 211, 411: 영상 120: 광학렌즈
121, 221, 421: 허상 220: 마이크로 렌즈 어레이
230, 520: 마이크로 렌즈 310: 평면(Plano)
320: 볼록면(convex) 410: 곡면 디스플레이
420: 곡면 광학렌즈 430: 곡면 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈
510: 포지티브 매니스커스 렌즈 910: 헤드 마운티드 디스플레이 장치

Claims (14)

  1. 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display) 장치를 착용한 사용자의 눈에 허상(virtual image)을 투영하는 방법에 있어서,
    곡면 디스플레이(Curved Display)와 곡면 광학렌즈(Curved optical lens)를 이용하여 영상을 재생하는 단계; 및
    상기 곡면 디스플레이보다 상기 사용자의 눈에 가까운 곳에 위치한 상기 곡면 광학렌즈를 이용하여, 상기 사용자의 눈으로부터 상기 곡면 디스플레이보다 먼 곳에 상기 영상에 상응하는 허상을 확대하여 투영하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 곡면 광학렌즈는
    곡면 마이크로 렌즈 어레이(Curved microlens array)로 구성되어 집적영상(Integral Imaging) 기반의 영상을 재생하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 투영하는 단계는
    상기 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 포지티브 매니스커스 렌즈(positive meniscus lens)와 마이크로 렌즈(microlens)의 각각의 배율을 조합하여 상기 허상을 확대하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 곡면 마이크로 렌즈 어레이는
    광학특성을 고려하여 상기 포지티브 매니스커스 렌즈와 상기 마이크로 렌즈를 결합한 형태에 상응하는 복수개의 렌즈들을 곡면으로 배치하여 구성되되, 상기 마이크로 렌즈의 볼록면(convex)이 상기 사용자의 눈 쪽으로 향하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 곡면 디스플레이와 상기 곡면 광학렌즈는 모두 상기 사용자의 눈 쪽으로 오목한 면이 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율은 상기 포지티브 매니스커스 렌즈부터 상기 포지티브 매니스커스 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 상기 포지티브 매니스커스 렌즈로부터 상기 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응하고, 상기 마이크로 렌즈의 배율은 상기 마이크로 렌즈부터 상기 마이크로 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 상기 마이크로 렌즈로부터 상기 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 곡면 마이크로 렌즈 어레이는
    상기 곡면으로 배치된 복수개의 렌즈들을 통해 서로 중첩되어 투영왜곡이 발생하는 것을 최소화시킨 복수개의 허상들을 생성하고, 상기 복수개의 허상들을 각각 투영하여 상기 영상에 상응하는 허상을 생성하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 시야 확장 방법.
  8. 사용자에게 허상(virtual image)으로 제공될 영상을 출력하는 곡면 디스플레이; 및
    상기 곡면 디스플레이보다 사용자의 눈에 가까운 곳에 위치하고, 상기 사용자의 눈으로부터 상기 곡면 디스플레이보다 먼 곳에 상기 영상에 상응하는 허상을 확대하여 투영하는 곡면 광학렌즈
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 곡면 광학렌즈는
    곡면 마이크로 렌즈 어레이(Curved microlens array)로 구성되어 집적영상(integral imaging) 기반의 영상을 투영하는 것을 특징으로 하는 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 곡면 마이크로 렌즈 어레이는
    상기 곡면 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 포지티브 매니스커스 렌즈(positive meniscus lens)와 마이크로 렌즈(microlens)의 각각의 배율을 조합하여 상기 허상을 확대하는 것을 특징으로 하는 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 곡면 마이크로 렌즈 어레이는
    광학특성을 고려하여 상기 포지티브 매니스커스 렌즈와 상기 마이크로 렌즈를 결합한 형태에 상응하는 복수개의 렌즈들을 곡면으로 배치하여 구성되되, 상기 마이크로 렌즈의 볼록면(convex)이 상기 사용자의 눈 쪽으로 향하는 것을 특징으로 하는 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 곡면 디스플레이와 상기 곡면 광학렌즈는 모두 상기 사용자의 눈 쪽으로 오목한 면이 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 포지티브 매니스커스 렌즈의 배율은 상기 포지티브 매니스커스 렌즈부터 상기 포지티브 매니스커스 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 상기 포지티브 매니스커스 렌즈로부터 상기 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응하고, 상기 마이크로 렌즈의 배율은 상기 마이크로 렌즈부터 상기 마이크로 렌즈에 의해 형성되는 허상까지의 거리를 상기 마이크로 렌즈로부터 상기 곡면 디스플레이까지의 거리로 나눈 값에 상응하는 것을 특징으로 하는 시야가 확장된 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
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