JP5842298B2 - 透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム - Google Patents

Description

本発明は、透過型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＥＡＤ ＭＯＵＮＴＥＤ ＤＩＳＰＬＡＹ、ＨＭＤ）光学システムに関する。より詳しくは、外部活動中でも情報獲得を容易にすることができ、大きさと重さを顕著に減らすことができながらも大画面視聴が可能で、製造費用を節減して製品価格を顕著に下げることができる透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムに関する。

一般的に、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）装置は、目と非常に近接した位置で発生する映像光を、精密な光学装置を利用して、遠くに仮想の大型画面が構成されるように焦点を形成することにより、使用者が拡大された虚像を見ることができるようにする画像表示装置であり、周囲の環境は見ることができずディスプレイ素子で発散した映像光のみを見ることができる閉鎖型ＨＭＤ（Ｓｅｅ−ｃｌｏｓｅ ＨＭＤ）方式と、ウィンドウを介して周囲環境を見ることができながらディスプレイ素子で発散する映像光も見ることができる透過型ＨＭＤ（Ｓｅｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ ＨＭＤ）方式に分けられる。図１は、従来技術による透過型ＨＭＤの光学システムの例を示している。

まず、図１に示された透過型ＨＭＤは、韓国特許登録番号第１０−０９２８２２６号で掲示されており、映像光を発散するディスプレイ素子１０と、前記マイクロディスプレイパネルから出る光のうち特定の偏光のみを反射させる偏光分離器１１と、前記偏光分離器で反射した線偏光を円偏光に変換させたり入射した円偏光を線偏光に変化させる位相遅延板１２と、前記位相遅延板１２を通過した円偏光した光を拡大して再び前記位相遅延板１２に送る半透過凹反射鏡１３と、周辺光を開閉できるように前記半透過凹反射鏡の外側面に付着した光開閉スィッチパネル１４を含むＨＭＤ装置の光学システムからなる。

上記のような構成によって前記ディスプレイ素子１０で生成された映像光は、前記ディスプレイ素子１０に４５度傾いて配置された前記偏光分離器１１によって９０度方向に、全体の映像光のうちＰ波あるいはＳ波の性質の５０％ビームのみが透過又は反射して前記位相遅延板１２に到達し、前記位相遅延板１２で線偏光した映像光が円偏光に変わって前記半透過凹反射鏡１３に到達した後に反射し、回転方向が反対の円偏光状態になって前記位相遅延板１２と前記偏光分離器１１を再び通過して使用者の目に到達することにより、前記半透過凹反射鏡１３で拡大された映像を使用者は視聴することができるようになる。

しかし前述の従来の技術は、ディスプレイ素子１０から生成された映像光が前記偏光分離器１１と前記半透過凹反射鏡１３を通過し、各々５０％の光量を損失して最初の光量の２５％のみが両眼に伝達され、７５％は反射過程で失うことになるため、元映像光の自然色を具現することが大変になり、これにより使用者の眼球に適正な明るさの画像を提供するためには、失われる光量の大きさを勘案して高輝度の光源を別途に使用しなければならない問題点がある。

また、前記半透過凹反射鏡１３で拡大された映像が両眼に到達するまでの空間に前記偏光分離器１１が対角に位置しているため、通常のヘッドマウントディスプレイの目的である視野角（ＦＯＶ）又はアイボックス（Ｅｙｅ Ｂｏｘ）を大きくするのに構造的な問題点を有しており、これらを拡大するためには器具全体の大きさと重さが増えるほかなく、使用者が着用した場合、顔全体への圧迫要因となって疲労感を感じやすくなる問題点がある。

したがって、上記のような従来の問題点を解決するための本発明の目的は、ディスプレイ素子で発散する映像光の損失を最小化することにより、映像光と外部映像光を同時に鮮明に視聴できるようにして、歩行中でも電子メール及び情報収集等の活動をすることができて、より効率的な業務推進ができる透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、重さと大きさを顕著に減らすことができながらも、仮想画面の大きさを極大化して大画面視聴が可能な透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを提供することにある。

また、本発明のまた他の目的は、ウェッジプリズム使用による拡大方式を適用してレンズ加工を最少化することにより、製造費用を節減することができる透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、ディスプレイ素子、前記ディスプレイ素子から発散する映像光を平行にするコリメーションレンズ、前記コリメーションレンズを通過して平行に整列した映像光が入射して水平方向に映像を拡大できるように第１拡大手段を備える第１ウェッジプリズム、前記第１ウェッジプリズムを通過して水平方向に拡大した映像光が入射して垂直方向に映像を拡大できるように第２拡大手段を備える第２ウェッジプリズム、及び前記第２ウェッジプリズムで反射して垂直方向に拡大した映像光と、前記第２ウェッジプリズムを透過して使用者に提供される外部映像が歪曲しないように前記第２ウェッジプリズムと逆の形状を有する第３ウェッジプリズム、を含むことを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第１ウェッジプリズムに備えられる水平方向映像を拡大する第１拡大手段は、内部に格子構造を形成して反射角の方向を望む方向に変えることができるホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であることを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第１ウェッジプリズムに備えられる水平方向映像を拡大する前記第１拡大手段は、反射面が反射角の方向を望む方向に変えることができるように傾斜角を有する鋸歯構造の回折光学素子（ＤＯＥ）であることを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第２ウェッジプリズムの垂直方向映像を拡大する前記第２拡大手段は、内部に格子構造を形成して反射角の方向を望む方向に変えることができるホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であることを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第２ウェッジプリズムの垂直方向映像を拡大する前記第２拡大手段は、反射面が反射角の方向を望む方向に変えることができるように傾斜角を有する鋸歯構造の回折光学素子（ＤＯＥ）であることを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第３ウェッジプリズムは、前記第２ウェッジプリズムの傾斜面が回折光学素子（ＤＯＥ）の場合、第２ウェッジプリズムと逆の鋸歯形状を有する傾斜面を保有して使用者が外部映像を歪曲なしに見ることができるように補償された光学系を提供することを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、視野角（ＦＯＶ）を拡大するために前記第１ウェッジプリズムと前記第２ウェッジプリズムの間に凸レンズをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、前記第１ウェッジプリズムと前記第２ウェッジプリズムの傾斜角を同一にして、映像光の水平拡大と垂直拡大の比率を同一にすることにより映像歪曲を最小化することを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第１拡大手段は、前記反射面が１００％反射コーティング面であることを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第２拡大手段は、前記反射面が５０％ハーフ・ミラーコーティング面であることを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第１拡大手段は、反射型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であることを特徴とする。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第２拡大手段は、反射型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であることを特徴とする。

上述したように、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、ディスプレイ素子で発散する映像光の損失を最小化することにより、映像光と外部映像光を同時に鮮明に視聴できるようにして、歩行中でも電子メール及び情報収集等の活動をすることができて、より効率的な業務推進ができる効果がある。

本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは重さと大きさを顕著に減らすことができながらも、仮想画面の大きさを極大化して大画面視聴が可能であるという長所がある。

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、ウェッジプリズム使用による拡大方式を適用してレンズ加工を最少化することにより、製造費用を節減することができる長所を追加で有する。

従来の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを概略的に示した断面図である。 本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを簡略に示した斜視図である。 本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムでの光の経路を３次元で図式した概路図である。 一般的なプリズム内での光の経路を示した断面図である。 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像水平拡大手段の一実施例を示した断面図である。 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像水平拡大手段の一つである反射型ホログラフィック光学素子の作動原理を紹介した概念図である。 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像水平拡大手段の他の一実施例である回折光学素子（ＤＯＥ）を示した断面図である。 一般的なプリズム内での光の経路を説明するための断面図である。 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像垂直拡大手段の一実施例を示した断面図である。 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像垂直拡大手段の他の一実施例を示した断面図である。 本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイの光学システムの光経路で反射板を追加した構造の一実施例を示した図面である。 本発明による第１ウェッジプリズムと第２ウェッジプリズムの間の光経路に拡大レンズを追加した構造の他の一実施例を示した図面である。

以下、本発明の好ましい実施例の詳細な説明が添付された図面を参照して説明する。図面のうち、同一の構成は可能な限りどこでも同一の符号を示していることに留意しなければならない。下記の説明で具体的な特定事項が示されているが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものである。また、本発明を説明するにおいて、関連した公知技術あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にし得ると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。

まず、図２は本発明によるウェッジプリズムを使用した透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの構成及び配置についての実施例を概略的に示した図面で、図３は映像光の移動経路を３次元的に表示した概路図である。

本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、図２と３に示されたように、ディスプレイ素子２０と、コリメーションレンズ２１と、第１ウェッジプリズム２２と、第２ウェッジプリズム２３及び第３ウェッジプリズム２４を含んでなる。

前記のような構成により、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、ディスプレイ素子２０で発散する映像光が前記ディスプレイ素子２０と平行に光軸が一致するように位置したコリメーションレンズ２１を介して平行光に変わった後、第１ウェッジプリズム２２内部に入射して水平方向に平行に進行し、第１ウェッジプリズム２２の傾斜面２２１に設置された水平方向拡大手段によって水平方向に映像の大きさが拡大された後、垂直下方に反射して前記第１ウェッジプリズム２２から出射される。また第１ウェッジプリズム２２の垂直下方に反射した映像光は、第１ウェッジプリズム２２の下方に位置した前記第２ウェッジプリズム２３に入射し、第２ウェッジプリズム２３の傾斜面２３１に位置した垂直方向拡大手段によって垂直方向に映像の大きさが拡大された後、垂直前方に反射して、第２ウェッジプリズム２３から出射されることにより、使用者は最初のディスプレイ素子の大きさより水平及び垂直方向に大きく拡大された映像を視聴することができるようになる。

この際、水平方向への映像拡大と垂直方向への映像拡大の比率を同一にして映像の歪曲を最小化するためには、前記第１ウェッジプリズム２２と前記第２ウェッジプリズム２３の傾斜角を同一にしなければならない。

また、前記第２ウェッジプリズム２３の後面に配置された前記第３ウェッジプリズム２４は、前記第２ウェッジプリズム２３の垂直方向拡大手段がホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）である場合は傾斜面を平面にし、前記第２ウェッジプリズム２３の垂直方向拡大手段が回折光学素子（ＤＯＥ）である場合は前記第２ウェッジプリズム２３の回折光学素子と逆の鋸歯形状を保有して、使用者が外部映像を歪曲なしに見ることができるように補償された光学系を提供する。

図４ａは、前記第１ウェッジプリズム２２の傾斜面に水平方向拡大手段を保有していない場合の一般的な映像光の進路を図式化した図面であり、図４ａによれば、傾斜面の入射角θと反射角θ′は同一でなければならないため、入射映像光の幅ｄと反射映像光の幅ｄ′は同一であるため拡大効果がない。

図４ｂは、前記第１ウェッジプリズム２２の傾斜面２２１に水平方向拡大手段としてホログラフィック光学素子２２３を保有している場合の映像光の進路を図式化した図面であり、図４ｂによれば、水平方向で傾斜面に入射した映像光は、前記ホログラフィック光学素子２２３の内部に、イメージ信号の波長に応じて回折する角度が決定されるようにあらかじめ入力されたパターン模様が含まれていて、すでに入力された垂直下方に映像光を反射させる。

前記ホログラフィック光学素子２２３に回折角度をあらかじめ入力するためには、図４ｃに示されたように、前記ホログラフィック光学素子の反対方向にレーザー入射ビーム（Ｏｂｊｅｃｔ Ｂｅａｍ）が水平に入射して、また他のレーザービーム（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｅａｍ）は傾斜角を有して照射されれば、前記ホログラフィック光学素子の内部に回折角度があらかじめ入力されたパターン模様で刻まれる。このように入力を終えた後、入力に使用されたレーザービーム（Ｏｂｊｅｃｔ Ｂｅａｍ）と同一の波長帯域の映像光を、入力時に使用したレーザービーム（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｅａｍ）と同一の角度で照射すれば、あらかじめ入力されたパターン模様によって、映像光は、前記レーザー入射ビーム（Ｏｂｊｅｃｔ Ｂｅａｍ）の反対方向に映像光を反射し、この時の映像光の光幅ｄは、ｄ′に拡大されて反射する。このような理論及び試験は、学術的に検証されて多くの分野で応用されている。

また、前記ホログラフィック光学素子は、色の３原色であるＲ、Ｇ、Ｂについて、各々のレーザーを利用してパターン模様を入力することができるため、色彩（Ｃｏｌｏｒ）具現のためには、同一のホログラフィック光学素子にＲＧＢレーザーを同時に照射することによりパターン模様を入力するか、ＲＧＢ各々のパターン模様が入力されたホログラフィック光学素子を作った後に積層方式で傾斜面に付着することもできる。一般的に、前記ホログラフィック光学素子にはフォトポリマーが使用される。

図４ｄは、前記第１ウェッジプリズムで２２の傾斜面２２１に水平方向拡大手段として回折光学素子２２５を保有している場合の映像光の進路を図式化した図面であり、図４ｄによれば、水平方向で傾斜面に入射した映像光ｄは、前記回折光学素子２２５の表面に突出した鋸歯模様の反射面によって垂直下方に映像光ｄ′となって拡大した状態で反射する。この時、各鋸歯構造の間隔は可視光線の波長より大きくなければならないため、少なくとも１０μｍでなければならず、人の目の瞳の大きさを勘案すれば２００μｍ以下である。最も理想的な鋸歯の間隔は、回折格子線を人間の目で認識が可能な限界が５０μｍであることを勘案すれば１０〜５０μｍの間であり、深さは回折格子の間隔と傾斜面の角度、そして回折格子面の角度の関数によって決定する。前記回折光学素子２２５の外部面は、前記第２ウェッジプリズム２３内部で反射する映像光が全て反射できるように１００％反射ミラーコーティング処理する。

図５ａは、前記第２ウェッジプリズム２３の傾斜面２３１に垂直方向拡大手段を保有していない場合の一般的な映像光の進路を図式化した図面であり、図５ａによれば、傾斜面の入射角θと反射角θ’は同一でなければならないため、入射映像光の幅ｄと反射映像光の幅ｄ′は同一で拡大効果がない。

図５ｂは、前記第２ウェッジプリズム２３の傾斜面２３１に垂直方向拡大手段としてホログラフィック光学素子２３３を保有している場合映像光の進路を図式化した図面であり、図５ｂによれば、図４ｂで提示されたと同じ同一の原理によって、垂直方向で傾斜面に入射した映像光は、前記ホログラフィック光学素子２３３内部に、イメージ信号の波長に応じて回折する角度が決定されるようにあらかじめ入力されたパターン模様が含まれていて、すでに入力された水平前方に映像光を反射させる。

図５ｃは、前記第２ウェッジプリズム２３の傾斜面２３１に水平方向拡大手段として回折光学素子２３５を保有している場合の映像光の進路を図式化した図面であり、図５ｃによれば、図４ｄで提示されたと同じ同一の原理によって、垂直方向で傾斜面に入射した映像光ｄは、前記回折光学素子２３５の表面に突出した鋸歯模様の反射面によって水平前方に映像光ｄ′となって拡大した状態で反射する。前記回折光学素子２３５の外部面は、前記第２ウェッジプリズム２３内部で反射する映像光と外部から透過する映像光がどちらも同時に見えるようにハーフ・ミラーコーティング処理する。

図６は、図２に提示された本発明の透過型ヘッドマウントディスプレイシステムのうち、前記コリメーションレンズ２１と前記第１ウェッジプリズム２２の間に４５度の反射板２１１を追加することにより、前記ディスプレイ素子２０と前記コリメーションレンズ２１１を眼鏡フレーム内に入れることができる構造で配列が可能なようにした一実施例を示したものである。

前記のような構成により、前記ディスプレイ素子２０で発散する映像光は、前記ディスプレイ素子と平行に光軸が一致するように位置した前記コリメーションレンズ２１を介して平行光に変わった後、前記４５度の反射板で９０度回転して前記第１ウェッジプリズム２２内部に入射し、図２によって前述したように、水平及び垂直方向の拡大手段によって使用者に拡大された映像が提供される。

図７は、図２に提示された本発明の透過型ヘッドマウントディスプレイシステムのうち、前記第１ウェッジプリズム２２と前記第２ウェッジプリズム２３の間に水平方向と垂直方向の映像を追加で拡大することができる手段であるパワーを有するレンズ２５を追加することにより、視野角（ＦＯＶ）をさらに大きくできるようにする一実施例を示したものである。

上記のような構成からなる本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、第１ウェッジプリズム２２で提供する水平方向拡大手段と、第２ウェッジプリズム２３で提供する垂直方向拡大手段を利用して映像を拡大することができるため、像の拡大のためのレンズ使用を最小化することができるだけでなく、薄い厚さにもかかわらず大画面を視聴することができるように映像を拡大することができる。またハーフミラーのように光の損失を強制する手段の使用を最大限抑制することにより、原画像とほとんど同等な水準の非常に明るくて鮮明な画像を提供することができる。

一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施例に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱しない限度内で様々な変形が可能であることは勿論である。それゆえ、本発明の範囲は、説明された実施例に限って定められてはならず、特許請求の範囲だけでなくこの特許請求の範囲と均等なもの等によって定められるべきものである。

２０：ディスプレイ素子
２１：コリメーションレンズ
２２：第１ウェッジプリズム
２２１： 第１ウェッジプリズムの傾斜面
２３：第２ウェッジプリズム
２３１： 第２ウェッジプリズムの傾斜面
２４：第３ウェッジプリズム

Claims (12)

1. ディスプレイ素子、
   前記ディスプレイ素子から発散する映像光を平行にするコリメーションレンズ、
   前記コリメーションレンズを通過して平行に整列した映像光が入射して水平方向に映像を拡大できるように第１拡大手段を備える第１ウェッジプリズム、
   前記第１ウェッジプリズムを通過して水平方向に拡大した映像光が入射して垂直方向に映像を拡大できるように第２拡大手段を備える第２ウェッジプリズム、及び
   前記第２ウェッジプリズムと逆の形状を有し、第２のウェッジプリズムの後面に配置される第３ウェッジプリズム
   を含み、
   使用者が外部映像を歪曲なしに見ることができるように補償された光学系を提供することを特徴とする
   透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
2. 前記第１ウェッジプリズムに備えられる水平方向映像を拡大する第１拡大手段は、
   内部に格子構造を形成して反射角の方向を望む方向に変えることができるホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であることを特徴とする、請求項１に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
3. 前記第１ウェッジプリズムに備えられる水平方向映像を拡大する前記第１拡大手段は、
   反射面が反射角の方向を望む方向に変えることができるように傾斜角を有する鋸歯構造の回折光学素子（ＤＯＥ）であることを特徴とする、請求項１に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
4. 前記第２ウェッジプリズムの垂直方向映像を拡大する前記第２拡大手段は、
   内部に格子構造を形成して反射角の方向を望む方向に変えることができるホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であることを特徴とする、請求項１に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
5. 前記第２ウェッジプリズムの垂直方向映像を拡大する前記第２拡大手段は、
   反射面が反射角の方向を望む方向に変えることができるように傾斜角を有する鋸歯構造の回折光学素子（ＤＯＥ）であることを特徴とする、請求項１に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
6. 前記第３ウェッジプリズムは、
   前記第２ウェッジプリズムの傾斜面が回折光学素子（ＤＯＥ）の場合、第２ウェッジプリズムと逆の鋸歯形状を有する傾斜面を保有することを特徴とする、請求項１に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
7. 視野角（ＦＯＶ）を拡大するために前記第１ウェッジプリズムと前記第２ウェッジプリズムの間に凸レンズをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
8. 前記第１ウェッジプリズムと前記第２ウェッジプリズムの傾斜角を同一にして、
   映像光の水平拡大と垂直拡大の比率を同一にすることにより映像歪曲を最小化することを特徴とする、請求項１に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
9. 前記第１拡大手段は、
   前記反射面が１００％反射コーティング面であることを特徴とする、請求項３に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
10. 前記第２拡大手段は、
    前記反射面が５０％ハーフ・ミラーコーティング面であることを特徴とする、請求項５に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
11. 前記第１拡大手段は、
    反射型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であることを特徴とする、請求項２に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
12. 前記第２拡大手段は、
    反射型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であることを特徴とする、請求項４に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。