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KR102667889B1 - Image display device using partial reflector array and wedge reflective prism - Google Patents

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KR102667889B1
KR102667889B1 KR1020230124125A KR20230124125A KR102667889B1 KR 102667889 B1 KR102667889 B1 KR 102667889B1 KR 1020230124125 A KR1020230124125 A KR 1020230124125A KR 20230124125 A KR20230124125 A KR 20230124125A KR 102667889 B1 KR102667889 B1 KR 102667889B1
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KR
South Korea
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image light
wedge prism
display device
incident
angle
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KR1020230124125A
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Korean (ko)
Inventor
유선영
최장호
이상준
Original Assignee
주식회사 파노비젼
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Publication date
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Abstract

The object of the present invention is to provide an image display device using a split reflection array and a wedge prism capable of minimizing the size and thickness of an incident portion. An image display device includes: a display element (30) that generates image light (37); a polarizing plate (301) that faces the display element (30) in parallel and determines a polarization component of S-pol or P-pol; and a waveguide (31) that is provided on one side of the polarizing plate (301), and through which the image light (37) transmitted through the polarizing plate (301) is incident, expands an emission aperture of the incident image light (37) in a first direction, and emits the image light toward a user (15). According to the present invention, the volume of an incident optical system, which has been a limitation in reducing the volume of an image display device having a waveguide structure, can be drastically reduced.

Description

분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스{Image display device using partial reflector array and wedge reflective prism}Image display device using partial reflector array and wedge reflective prism}

본 발명은 투과형 이미지 디스플레이 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 영상광과 외부 이미지광을 높은 효율로 사용자의 눈에 투사할 수 있으면서도 크기와 두께를 최소화하고, 영상의 비대칭 왜곡을 제거할 수 있는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. The present invention relates to a transmissive image display device, and more specifically, to a segmentation device that can project image light and external image light to the user's eyes with high efficiency while minimizing size and thickness and eliminating asymmetric distortion of the image. This relates to an image display device using a reflective array and wedge prism.

일반적으로, 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display, HMD)는 사용자의 머리에 착용한 상태에서 영상을 디스플레이 하는 장치이다. 최근, 헤드 마운트 디스플레이를 사용하여 가상 현실 또는 증강 현실의 콘텐츠를 제공하는 기술이 증가하고 있다.In general, a head mounted display (HMD) is a device that displays images while worn on the user's head. Recently, technology for providing virtual reality or augmented reality content using head-mounted displays is increasing.

이러한 헤드 마운트 디스플레이에는 회절 도파관을 이용한 투과형 HMD 광학 시스템이 적용된다. 도 6은 종래의 출사동(Eye Box) 확장 회절 광학계의 개념도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 회절 도광판(10)은 광가이드부(11)와, 광가이드부(11)의 일면 또는 타면 측에 마련되며 복수의 선형 미세격자 패턴을 갖는 복수의 회절 광학소자(12, 13, 14)를 구비할 수 있다. 회절 도광판(10)은 광원출력모듈(5)을 통해 출력된 광이 입력되어 광가이드부(11) 상에 안내되도록 하는 입력 회절 광학소자(12)와, 광가이드부(11)를 통해 입력 회절 광학소자(12)와 광학적으로 커플링되며 입력 회절 광학소자(12)로부터 수광된 광을 회절에 의해 제1방향(도 1에서의 x축 방향)으로의 1차원적인 확장이 이루어질 수 있도록 하는 중간 회절 광학소자(13) 및 광가이드부(11)를 통해 중간 회절 광학소자(13)와 광학적으로 커플링되며 중간 회절 광학소자(13)로부터 수광된 광을 회절에 의해 제2방향(도 1에서의 y축 방향)으로의 1차원적인 확장이 이루어진 채 광가이드부(11)로부터 출력되어 사용자(15)의 동공으로 향할 수 있도록 하는 출력 회절 광학소자(14)를 구비하고 있다. A transmissive HMD optical system using a diffractive waveguide is applied to this head-mounted display. Figure 6 is a conceptual diagram of a conventional eye box expansion diffraction optical system. As shown in FIG. 6, the diffractive light guide plate 10 is provided on one side or the other side of the light guide portion 11 and the light guide portion 11 and includes a plurality of diffractive optical elements ( 12, 13, 14) can be provided. The diffraction light guide plate 10 includes an input diffraction optical element 12 that allows the light output through the light source output module 5 to be input and guided onto the light guide unit 11, and an input diffraction optical element 12 that allows the light output through the light source output module 5 to be input and guided onto the light guide unit 11. An intermediate device that is optically coupled to the optical element 12 and allows one-dimensional expansion of the light received from the input diffractive optical element 12 in the first direction (x-axis direction in FIG. 1) by diffraction. It is optically coupled to the intermediate diffractive optical element 13 through the diffractive optical element 13 and the light guide unit 11, and directs the light received from the intermediate diffractive optical element 13 in a second direction (in FIG. 1) by diffraction. It is provided with an output diffraction optical element 14 that allows output from the light guide unit 11 to be directed to the pupil of the user 15 with one-dimensional expansion in the y-axis direction).

이러한 종래의 회절광학계는 광원출력모듈(5)을 통해 출력된 광이 사용자(15)의 동공으로 도달하기 위한 주된 광경로는, 입력 회절 광학소자(12) - 중간 회절 광학소자(13) - 출력 회절 광학소자(14) - 사용자(15)의 동공 순이다. 최초의 입력 회절 광학소자(12)의 면적 대비 최종 출력 회절 광학소자(14)에서 출력되는 출력광의 면적이 수평(x축방향) 및 수직(y축 방향) 모두 훨씬 크기 때문에 수평 및 수직 출사동(eye-box) 확장이 이루어져 사용자는 보다 편하게 출력되는 영상광을 시청할 수 있는 특징을 가진다. 여기서 출사동이란 최대의 시야각으로 동일한 영상광을 볼 수 있는 가장 넓은 면적 크기를 말하며, 출사동의 크기가 클수록 사용자(15)의 동공을 위치시킬 수 있는 범위가 커져 사용자는 사용 편의성을 높일 수 있다.In this conventional diffractive optical system, the main optical path for the light output through the light source output module 5 to reach the pupil of the user 15 is: input diffractive optical element 12 - intermediate diffractive optical element 13 - output The diffractive optical element 14 is followed by the pupil of the user 15. Compared to the area of the first input diffractive optical element 12, the area of the output light output from the final output diffractive optical element 14 is much larger both horizontally (x-axis direction) and vertically (y-axis direction), so the horizontal and vertical exit pupil ( eye-box) has been expanded so that users can view the output video light more comfortably. Here, the exit pupil refers to the largest area size where the same image light can be seen at the maximum viewing angle. The larger the exit pupil, the larger the range in which the user's 15 pupil can be positioned, allowing the user to increase convenience of use.

그러나, 이와 같은 종래의 출사동 확장 회절광학계는 입력 회절 광학소자(12), 중간 회절 광학소자(13) 및 출력 회절 광학소자(14)가 광가이드부(11) 상에서 서로 분리되어 배치되며 영상광의 입력에서 출력까지 많은 내부전반사와 회절이 이루어지므로 광가이드(11) 표면과 각 회절 광학소자(12, 13, 14)가 매우 정밀하게 가공되어야만 했다. 만약 그렇지 않으면 영상에 이중상이 생기거나 선명하지 않은 상을 출력할 가능성이 매우 높아 양산성이 매우 떨어지는 단점이 있다. However, in such a conventional exit pupil expansion diffractive optical system, the input diffractive optical element 12, the intermediate diffractive optical element 13, and the output diffractive optical element 14 are arranged separately from each other on the light guide unit 11, and the image light Since a lot of total internal reflection and diffraction occur from input to output, the surface of the light guide 11 and each diffractive optical element 12, 13, and 14 had to be processed very precisely. Otherwise, there is a high possibility of double images occurring in the image or outputting unclear images, which has the disadvantage of greatly reducing mass production.

또한, 회절의 물리적 특성상 원하는 각도의 회절 광량이 기하광학을 통한 반사광량 보다 매우 적을 뿐 아니라, 총 3회의 회절반응을 통해 이미지 광이 출력되므로 광효율이 매우 떨어졌다. 이로 인해, 매우 강한 입사광을 사용해야 하는 단점을 추가로 가진다. 또한 회절이 여러 방향으로 이루어지므로 사용자(15)의 동공 방향뿐만 아니라 반대 방향으로도 출력광이 생기므로 외부에서 사용자가 보고 있는 화면을 동시에 볼 수 있어 보안에 문제가 생길 수도 있었다.In addition, due to the physical characteristics of diffraction, not only was the amount of diffracted light at the desired angle much smaller than the amount of reflected light through geometric optics, but the image light was output through a total of three diffraction reactions, so light efficiency was very low. Because of this, it has the additional disadvantage of having to use very strong incident light. In addition, since diffraction occurs in multiple directions, output light is generated not only in the direction of the user's pupil but also in the opposite direction, so the screen that the user is viewing can be viewed from the outside at the same time, which could cause a security problem.

1. 미국 특허 공개 제 20160231568 호,1. U.S. Patent Publication No. 20160231568, 2. 대한민국 특허 등록 제 10-2201723호,2. Republic of Korea Patent Registration No. 10-2201723, 3. 대한민국 특허 등록 제 10-977232호.3. Republic of Korea Patent Registration No. 10-977232.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은, 입사부의 크기와 두께를 최소화할 수 있는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다. Therefore, the present invention was made to solve the above problems, and the first object of the present invention is to provide an image display device using a split reflection array and wedge prism that can minimize the size and thickness of the incident part. .

본 발명의 제 2 목적은, 영상의 비대칭 왜곡을 제거할 수 있는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다. A second object of the present invention is to provide an image display device using a split reflection array and a wedge prism that can eliminate asymmetric distortion of images.

본 발명의 제 3 목적은, 다양한 눈 간격이나 눈 위치를 가진 사용자들이 손실없이 영상정보를 얻을 수 있도록 출사동 확장 기능을 가진 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다.The third object of the present invention is to provide an image display device using a segmented reflection array with an exit pupil expansion function and a wedge prism so that users with various eye spacings or eye positions can obtain image information without loss.

또한, 본 발명의 제 4 목적은, 톱니형 부분반사 어레이 구조를 내장하여 도파로 내 영상광 추출 수단의 구조를 단순화하여 플라스틱 사출 양산이 가능하도록 하고, 톱니구조 전체에 균일한 기능성 코팅을 적용하여 반사 어레이를 제조함으로써 제품의 단가를 낮춰 가격경쟁력을 갖춘 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다.In addition, the fourth object of the present invention is to simplify the structure of the image light extraction means in the waveguide by incorporating a sawtooth partial reflection array structure to enable plastic injection mass production, and to achieve reflection by applying a uniform functional coating to the entire sawtooth structure. By manufacturing arrays, the unit price of the product is lowered and a cost-competitive split reflection array and image display device using a wedge prism are provided.

본 발명의 제 5 목적은, 편광판 및 톱니 구조 상에 각도 편향성을 가지는 편광 코팅을 적용함으로써 사용자의 동공으로 향하는 영상광의 추출 효율을 높일 뿐 아니라, 동공 반대방향으로 출력되는 광경로를 차단함으로써 외부에서 사용자가 시청하는 동일한 영상을 볼 수 없도록 하여 보안이 강화된 광학시스템을 제공하는 것이다. The fifth object of the present invention is to not only increase the extraction efficiency of image light heading toward the user's pupil by applying a polarizing coating with angular bias on the polarizer and sawtooth structure, but also block the optical path output in the direction opposite to the pupil, thereby blocking the light path from the outside. It provides an optical system with enhanced security by preventing users from viewing the same video they are watching.

다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly apparent to those skilled in the art from the description below. It will be understandable.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 실시예로서, 증강현실 글라스의 광학 시스템에 있어서, 영상광(37)을 생성하는 디스플레이 소자(30); 디스플레이 소자(30)와 평행하게 대면하고 S-pol 또는 P-pol의 편광성분을 결정하는 편광판(301); 및 편광판(301)의 일측에 구비되고, 편광판(301)을 투과한 영상광(37)이 입사되고, 입사된 영상광(37)의 출사동을 제1 방향으로 확장하여 사용자(15) 측으로 출사시키는 도파로(31);를 포함하고, 도파로(31)는, 영상광(37)이 입사되어 전반사되고, 상호 평행한 제 1 표면(312)과 제 2 표면(313); 도파로(31)의 일단에서 제 1 표면(312)과 소정의 입사각(θi)을 형성하는 입사면(311); 도파로(31)의 타단에서 제 1 표면(312)과 끝면 경사각(θL)을 형성하는 끝면(314); 끝면(314)의 일측면에 부착되는 위상변위필름(321); 위상변위필름(321)의 일측면에 부착되는 곡면경(32); 제 1 표면(312)과 소정의 웨지각(θ2)으로 경사지게 설치되는 웨지프리즘(315); 웨지프리즘(315)의 일측면에 부착되는 편광반사코팅(316); 제 2 표면(313) 상에 구비되고, 웨지프리즘(315)으로부터 반사된 영상광(37)이 투과하는 투과면(324a)과 투과된 영상광(37)이 반사하는 반사면(324b)이 상호 교호적으로 구비되어 톱니 구조를 이루는 분할반사 어레이(317); 및 톱니 구조 상에 성막되고, 투과면(324a) 또는 반사면(324b)에 입사하는 입사각에 따라 상이한 반사율을 나타내도록 각도 편향성을 갖는 편광코팅층(325);을 포함하는 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스가 제공된다. In order to achieve the above technical problem, as a first embodiment of the present invention, an optical system for augmented reality glasses includes a display element 30 that generates image light 37; A polarizer 301 faces the display element 30 in parallel and determines the polarization component of S-pol or P-pol; and is provided on one side of the polarizer 301, the image light 37 passing through the polarizer 301 is incident, and the exit pupil of the incident image light 37 is expanded in the first direction to be emitted toward the user 15. It includes a waveguide 31, wherein the image light 37 is incident and totally reflected, and includes a first surface 312 and a second surface 313 that are parallel to each other; An incident surface 311 forming a predetermined incident angle θi with the first surface 312 at one end of the waveguide 31; An end surface 314 forming an end inclination angle θ L with the first surface 312 at the other end of the waveguide 31; A phase shift film 321 attached to one side of the end surface 314; A curved mirror (32) attached to one side of the phase shift film (321); A wedge prism 315 installed inclined at a predetermined wedge angle (θ 2 ) with the first surface 312; Polarization reflective coating 316 attached to one side of the wedge prism 315; It is provided on the second surface 313, and the transmission surface 324a through which the image light 37 reflected from the wedge prism 315 transmits and the reflection surface 324b through which the transmitted image light 37 reflects are mutually Split reflection arrays 317 are provided alternately to form a sawtooth structure; and a polarizing coating layer 325 formed on the sawtooth structure and having angular deflection to exhibit different reflectance depending on the angle of incidence on the transmission surface 324a or the reflection surface 324b. An image display device using a wedge prism is provided.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 제 2 실시예로서, 증강현실 글라스의 광학 시스템에 있어서, 영상광(37)을 생성하는 디스플레이 소자(30); 디스플레이 소자(30)과 평행하게 대면하고 S-pol 또는 P-pol의 편광성분을 결정하는 편광판(301); 및 편광판(301)의 일측에 구비되고, 편광판(301)을 투과한 영상광(37)이 입사되고, 입사된 영상광(37)의 출사동을 제1 방향으로 확장하여 사용자(15) 측으로 출사시키는 도파로(31);를 포함하고, 도파로(31)는, 영상광(37)이 입사되어 전반사되고, 상호 평행한 제 1 표면(312)과 제 2 표면(313); 도파로(31)의 일단에서 제 1 표면(312)과 소정의 입사각(θi)을 형성하는 입사면(311); 도파로(31)의 타단에서 제 1 표면(312)과 끝면 경사각(θL)을 형성하는 끝면(314); 끝면(314)의 일측면에 부착되는 위상변위필름(321); 위상변위필름(321)의 일측면에 부착되는 평볼록렌즈(35); 제 1 표면(312)과 소정의 웨지각(θ2)으로 경사지게 설치되는 웨지프리즘(315); 웨지프리즘(315)의 일측면에 부착되는 편광반사코팅(316); 제 2 표면(313) 상에 구비되고, 웨지프리즘(315)으로부터 반사된 영상광(37)이 투과하는 투과면(324a)과 투과된 영상광(37)이 반사하는 반사면(324b)이 상호 교호적으로 구비되어 톱니 구조를 이루는 분할반사 어레이(317); 및 톱니 구조 상에 성막되고, 투과면(324a) 또는 반사면(324b)에 입사하는 입사각에 따라 상이한 반사율을 나타내도록 각도 편향성을 갖는 편광코팅층(325);을 포함하는 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스가 제공된다. In order to achieve the object of the present invention as described above, as a second embodiment, an optical system for augmented reality glasses includes a display element 30 that generates image light 37; A polarizer 301 faces the display element 30 in parallel and determines the polarization component of S-pol or P-pol; and is provided on one side of the polarizing plate 301, the image light 37 passing through the polarizing plate 301 is incident, and the exit pupil of the incident image light 37 is expanded in the first direction to be emitted toward the user 15. It includes a waveguide 31, wherein the image light 37 is incident and totally reflected, and includes a first surface 312 and a second surface 313 that are parallel to each other; An incident surface 311 forming a predetermined incident angle θ i with the first surface 312 at one end of the waveguide 31; An end surface 314 forming an end inclination angle θ L with the first surface 312 at the other end of the waveguide 31; A phase shift film 321 attached to one side of the end surface 314; A flat convex lens (35) attached to one side of the phase shift film (321); A wedge prism 315 installed inclined at a predetermined wedge angle (θ 2 ) with the first surface 312; Polarization reflective coating 316 attached to one side of the wedge prism 315; It is provided on the second surface 313, and the transmission surface 324a through which the image light 37 reflected from the wedge prism 315 transmits and the reflection surface 324b through which the transmitted image light 37 reflects are mutually Split reflection arrays 317 are provided alternately to form a sawtooth structure; and a polarizing coating layer 325 formed on the sawtooth structure and having angular deflection to exhibit different reflectance depending on the angle of incidence on the transmission surface 324a or the reflection surface 324b. An image display device using a wedge prism is provided.

또한, 끝면(314)과 곡면경(32)은 전반사된 영상광(37)이 도파로(31) 내에서 제 1 초점(F1)을 형성하도록 하는 곡률을 갖는다. Additionally, the end surface 314 and the curved mirror 32 have a curvature that allows the totally reflected image light 37 to form a first focus F1 within the waveguide 31.

또한, 끝면(314)은 평면이고, 평볼록렌즈(35)는 영상광(37)이 반사되도록 거울면을 갖는다. Additionally, the end surface 314 is flat, and the plano-convex lens 35 has a mirror surface so that the image light 37 is reflected.

또한, 곡면경(32)은 영상광(37)이 반사되도록 거울면을 갖는다.Additionally, the curved mirror 32 has a mirror surface so that the image light 37 is reflected.

또한, 위상변위필름(321)은 λ/4 위상변위필름(321)이다.Additionally, the phase shift film 321 is a λ/4 phase shift film 321.

또한, 편광반사코팅(316)과 편광코팅층(325)은 동일한 편광성분을 반사시킨다.Additionally, the polarization reflection coating 316 and the polarization coating layer 325 reflect the same polarization component.

또한, 입사각(θi)과 경사각(θL)은 동일하다. Additionally, the angle of incidence (θ i ) and the angle of inclination (θ L ) are the same.

또한, 영상광(37)이 제 1 표면(312)에서 전반사되기 위해, 영상광(37)의 최소 입사각(θ0)은 다음의 수식을 만족하고, In addition, in order for the image light 37 to be totally reflected in the first surface 312, the minimum angle of incidence (θ 0 ) of the image light 37 satisfies the following equation,

Figure 112023103196560-pat00001
Figure 112023103196560-pat00001

여기서, n은 도파로(31)의 굴절률, θc는 전반사를 위한 임계각이다.Here, n is the refractive index of the waveguide 31, and θ c is the critical angle for total reflection.

또한, 영상광(37)의 중심광이 사용자(15)의 눈을 향해 수직으로 출사되기 위하여 다음의 수식을 만족하고, In addition, in order for the center light of the image light 37 to be emitted vertically toward the eyes of the user 15, the following equation is satisfied,

Figure 112023103196560-pat00002
Figure 112023103196560-pat00002

여기서, θ1은 분할반사 어레이(317)의 반사각이고, θ2는 웨지프리즘(315)의 웨지각 이다. Here, θ 1 is the reflection angle of the split reflection array 317, and θ 2 is the wedge angle of the wedge prism 315.

또한, 편광코팅층(325)은 영상광(37)을 반사시킴과 동시에 외부 이미지(50)를 투과시킬 수 있는 부분반사 코팅층이다. In addition, the polarizing coating layer 325 is a partially reflective coating layer that can reflect the image light 37 and transmit the external image 50 at the same time.

또한, 본 발명의 이미지 디스플레이 디바이스는 영상광(37)의 중심광이 사용자(15)의 눈을 향해 수직으로 출사될 수 있도록 동축 광학구조를 가질 수 있다. Additionally, the image display device of the present invention may have a coaxial optical structure so that the central light of the image light 37 can be emitted vertically toward the eyes of the user 15.

본 발명의 일실시예에 따르면, 도파로 구조의 이미지 디스플레이 장치의 부피를 감소시키는데 제약이 되고 있는 입사부 광학계의 부피를 획기적으로 감소시킬 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the volume of the optical system at the entrance, which is a limitation in reducing the volume of the image display device with a waveguide structure, can be dramatically reduced.

그리고, 영상광을 확대하는데 가장 유리한 구조인 곡면경을 주 이미지 확대수단으로 보유하고 있으며, 이를 도파로 내에 출사동(F1)과 근접한 위치에 설치함으로써, 광학계의 두께와 부피를 최소화하면서도 넓은 광시야각을 얻을 수 있다. In addition, it has a curved mirror, which is the most advantageous structure for magnifying image light, as the main image magnification means, and by installing it in a position close to the exit pupil (F1) in the waveguide, it minimizes the thickness and volume of the optical system while providing a wide viewing angle. You can get it.

또한, 디스플레이(30)로부터 출사된 영상광의 중심광은 도파로 입사면(311)을 통해 수직으로 입사되며, 끝면(314)을 통해 수직으로 출사되고, 곡면경(32)에 의해 반사되어 다시 도파로(31)내로 수직으로 입사되며, 웨지프리즘(315)의 일면에서 반사된다. 그리고 분할반사 어레이의 반사면(324b)에서 반사하여 도파로의 제 2평면(313)을 통해 수직으로 출사하여 사용자의 눈을 향해 수직으로 입사된다. 따라서, 비축에 의한 영상 왜곡을 제거하면서 영상광의 왜곡을 최소화 할 수 있다. 따라서 디스플레이를 Top-Down 뿐만 아니라 횡방향으로 배치하여 안경과 같은 형태를 구현하기에 유리하다. In addition, the center light of the image light emitted from the display 30 is incident vertically through the waveguide incident surface 311, is emitted vertically through the end surface 314, and is reflected by the curved mirror 32 to return to the waveguide ( 31) is incident vertically into the inside, and is reflected from one side of the wedge prism 315. Then, it is reflected from the reflective surface 324b of the split reflection array and is emitted vertically through the second plane 313 of the waveguide to be incident vertically toward the user's eyes. Therefore, it is possible to minimize distortion of image light while eliminating image distortion caused by off-axis. Therefore, it is advantageous to implement a shape like glasses by arranging the display not only top-down but also horizontally.

또한, 도파로 내의 곡면경과 함께 분할반사 어레이를 설치함으로써, 포커싱된영상광을 다시 확산시킨 후 분할반사 어레이에 의해 나누어 반사하여 출사시킬 수 있다. 이로 인해, 보다 확장된 출사동(eye box)을 제공할 수 있다. 따라서 다양한 눈 간격 또는 눈 위치를 가진 사용자들이 편하게 화면 정보를 얻을 수 있다. Additionally, by installing a split reflection array along with a curved mirror in the waveguide, the focused image light can be diffused again and then divided and reflected by the split reflection array to be emitted. Because of this, a more expanded eye box can be provided. Therefore, users with various eye spacing or eye positions can easily obtain screen information.

또한, 도파로에는 편광판 또는 편광코팅을 이용하여 편광빔을 유도하고, 분할반사 어레이에서는 입사각이 작은 각에서는 영상광을 투과시키고, 입사각이 30도 이상 큰 각에서는 높은 반사율을 가지는 편광 코팅을 도포함으로서 영상광 효율과 외부 시야 확보 시 투과 효율을 높일 수 있다. In addition, a polarizing plate or polarizing coating is used in the waveguide to guide the polarized beam, and in the split reflection array, image light is transmitted at small angles of incidence, and a polarizing coating with high reflectivity is applied at angles with a large incident angle of 30 degrees or more to produce image light. Light efficiency and transmission efficiency can be improved when securing external visibility.

또한, 분할반사 어레이는 톱니 구조로 형성되어 있어 사출성형을 통해 일체로 제작되며, 톱니 구조 전체에 균일한 편광코팅을 도포하여 제작할 수 있다. 이로 인해, 제작 공정과 코팅 공정을 단순화하여 제품의 단가를 낮출 수 있다.In addition, the split reflection array is formed in a sawtooth structure, so it is manufactured as a single piece through injection molding, and can be manufactured by applying a uniform polarizing coating to the entire sawtooth structure. As a result, the manufacturing process and coating process can be simplified to lower the unit cost of the product.

그리고, 외부 이미지(50)와 디스플레이 소자(30)로부터의 영상광(37)을 동시에 볼 수 있는 증강 현실 시스템을 구현할 수 있다. In addition, an augmented reality system that can simultaneously view the external image 50 and the image light 37 from the display element 30 can be implemented.

다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned above will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스의 구성도,
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스의 구성도,
도 3은 본 발명의 입사면(311) 부분의 확대도
도 4는 본 발명에 따른 기능성 편광코팅층(325)의 광학적 특성을 나타내는 그래프,
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 분할반사 어레이(317)의 부분 확대도,
도 6은 종래의 출사동 확장 회절광학계의 개념도이다.
The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the invention described later. Therefore, the present invention includes the matters described in such drawings. It should not be interpreted as limited to only .
1 is a configuration diagram of an image display device using a split reflection array and a wedge prism according to a first embodiment of the present invention;
Figure 2 is a configuration diagram of an image display device using a split reflection array and a wedge prism according to a second embodiment of the present invention;
Figure 3 is an enlarged view of the entrance surface 311 of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the optical characteristics of the functional polarizing coating layer 325 according to the present invention.
Figure 5 is a partial enlarged view of the split reflection array 317 shown in Figures 1 and 2;
Figure 6 is a conceptual diagram of a conventional exit pupil expansion diffraction optical system.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, since the description of the present invention is only an example for structural or functional explanation, the scope of the present invention should not be construed as limited by the examples described in the text. In other words, since the embodiment can be modified in various ways and can have various forms, the scope of rights of the present invention should be understood to include equivalents that can realize the technical idea. In addition, the purpose or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment must include all or only such effects, so the scope of the present invention should not be understood as limited thereby.

본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.The meaning of terms described in the present invention should be understood as follows.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.Terms such as “first” and “second” are used to distinguish one component from another component, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component. When a component is referred to as being “connected” to another component, it should be understood that it may be directly connected to the other component, but that other components may also exist in between. On the other hand, when a component is said to be “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between. Meanwhile, other expressions that describe the relationship between components, such as “between” and “immediately between” or “neighboring to” and “directly neighboring to”, should be interpreted similarly.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions should be understood to include plural expressions, unless the context clearly indicates otherwise, and terms such as “comprise” or “have” refer to the specified features, numbers, steps, operations, components, parts, or them. It is intended to specify the existence of a combination, and should be understood as not excluding in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein, unless otherwise defined, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as consistent with the meaning they have in the context of the related technology, and cannot be interpreted as having an ideal or excessively formal meaning unless clearly defined in the present invention.

제 1 실시예의 구성Configuration of the first embodiment

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 입사면(311) 부분의 확대도이며, 도 5는 도 1에 도시된 분할반사 어레이(317)의 부분 확대도이다. 도 1, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 대략 디스플레이 패널부(30)와 도파로(31)로 구성된다. Hereinafter, the configuration of the preferred embodiment will be described in detail with reference to the attached drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of an image display device using a split reflection array and a wedge prism according to a first embodiment of the present invention, FIG. 3 is an enlarged view of a portion of the incident surface 311 of the present invention, and FIG. 5 is a diagram of FIG. 1 This is a partial enlarged view of the split reflection array 317 shown in . As shown in FIGS. 1, 3, and 5, the present invention roughly consists of a display panel unit 30 and a waveguide 31.

디스플레이 패널부(30)는 LCD패널, OLED패널, OLEDos패널, LCOS패널과 같은 미세 픽셀 구조를 갖는 마이크로디스플레이가 되며, 영상광(37)을 출력한다. The display panel unit 30 is a microdisplay with a fine pixel structure such as an LCD panel, OLED panel, OLEDos panel, or LCOS panel, and outputs image light 37.

편광판(301)은 디스플레이 패널부(30)와 평행하게 구비되며 S-pol 또는 P-pol의 편광성분을 선택적으로 통과시킨다. 본 실시예에서 편광판(301)은 P-pol의 편광성분을 선택하도록 하였다. 편광판(301)은 반사식 편광필름, 흡수식 편광필름, 무편광빔 혹은 일부 편광된 빔을 선평광된 빔으로 변환하여 투과시키거나 반사시킬 수 있는 편광코팅, 위상변위 소자를 이용해 편광성분의 방향을 전환할 수 있는 수단 중 적어도 하나가 될 수 있다. The polarizer 301 is provided in parallel with the display panel unit 30 and selectively passes the polarization component of S-pol or P-pol. In this embodiment, the polarizer 301 selects the polarization component of P-pol. The polarizer 301 is a reflective polarizing film, an absorptive polarizing film, a polarizing coating that can convert an unpolarized beam or a partially polarized beam into a linearly polarized beam and transmit or reflect it, and a phase shift element to change the direction of the polarization component. It can be at least one of the means of conversion.

도파로(31)는 편광판(301)으로부터 영상광(37)이 입사되고, 입사된 영상광(37)의 출사동을 수평방향으로 확장하여 사용자(15) 측으로 출사시키는 역할을 한다. 도파로(31)는 서로 평행한 제 1, 2 표면(312, 313)을 가지며, 일단에는 테이퍼 형태로 확대된 입사면(311)이 일체로 형성되어 있다. 입사면(311)은 제 1 표면(312)으로 부터 소정의 입사각(θi)(예 : 50° ~ 80°)을 형성하며, 디스플레이 패널부(30)와 평행하게 위치한다. The waveguide 31 receives image light 37 from the polarizer 301 and expands the exit pupil of the incident image light 37 in the horizontal direction to emit it toward the user 15. The waveguide 31 has first and second surfaces 312 and 313 that are parallel to each other, and an incident surface 311 enlarged in a tapered shape is integrally formed at one end. The incident surface 311 forms a predetermined incident angle θi (eg, 50° to 80°) from the first surface 312 and is located parallel to the display panel unit 30.

도 3에 도시된 바와 같이, 영상광(37)이 제 1 표면(312)에서 전반사되기 위해, 영상광(37)의 최소 입사각(θ0)은 다음의 수식을 만족하고, As shown in FIG. 3, in order for the image light 37 to be totally reflected at the first surface 312, the minimum angle of incidence (θ 0 ) of the image light 37 satisfies the following equation,

Figure 112023103196560-pat00003
Figure 112023103196560-pat00003

여기서, n은 도파로(31)의 굴절률, θc는 전반사를 위한 임계각이다.Here, n is the refractive index of the waveguide 31, and θ c is the critical angle for total reflection.

이를 통해, 도파로 입사면(311)에 대한 영상광(37)의 최소 입사각(θ0)은 제 1표면(312)에서 전반사할 수 있는 각도 범위를 갖는다. Through this, the minimum incident angle (θ 0 ) of the image light 37 with respect to the waveguide incident surface 311 has an angle range within which total reflection can occur on the first surface 312 .

도 1에 도시된 바와 같이, 도파로(31)의 타단에는 제 1 표면(312)으로부터 끝면경사각(θL)을 형성하는 도파로 끝면(314)이 형성된다. 끝면경사각(θL)은 일실시예로 50° ~ 80° 범위가 될 수 있고, 입사면(311)의 입사각(θi)과 끝면의 경사각(θL)은 동일하다. 끝면(314)의 외측면에는 λ/4 위상변위필름(321)이 부착되고, λ/4 위상변위필름(321)의 외측면에는 곡면경(32)이 부착된다. 그리고, 곡면경(32)은 영상광(37)이 반사되도록 거울면을 갖는다. 또한, 끝면(314)과 곡면경(32)은 전반사된 영상광(37)이 도파로(31) 내에서 제 1 초점(F1)을 형성하도록 하는 곡률을 갖는다. As shown in FIG. 1, a waveguide end surface 314 forming an end inclination angle θ L from the first surface 312 is formed at the other end of the waveguide 31. In one embodiment, the end surface inclination angle (θ L ) may range from 50° to 80°, and the incident angle (θ i ) of the incident surface 311 and the end surface inclination angle (θ L ) are the same. A λ/4 phase shift film 321 is attached to the outer surface of the end surface 314, and a curved mirror 32 is attached to the outer surface of the λ/4 phase shift film 321. And, the curved mirror 32 has a mirror surface so that the image light 37 is reflected. Additionally, the end surface 314 and the curved mirror 32 have a curvature that allows the totally reflected image light 37 to form a first focus F1 within the waveguide 31.

즉, 곡면경(32)은 도파로(31)의 끝면(314)에 일체화하여 배치함으로써 영상광(37)을 확대시킬 수 있는 수단을 사용자의 동공과 가까이 둘 수 있고, 이로 인해, 넓은 시야각을 형성하기에 유리한 구조를 제공함과 동시에 입사부의 크기와 부피를 최소화 할 수 있다.That is, the curved mirror 32 is integrated and disposed on the end surface 314 of the waveguide 31, so that a means for magnifying the image light 37 can be placed close to the user's pupil, thereby forming a wide viewing angle. It is possible to provide an advantageous structure and at the same time minimize the size and volume of the incident area.

웨지(wedge)프리즘(315)의 일단은 제 1 표면(312)과 끝면(314)이 만나는 지점에 소정의 웨지각(θ2)(예 : 1°~ 20°)으로 경사지게 설치된다. 웨지프리즘(315) 중 분할반사 어레이(317)를 향하는 일측면에는 편광반사코팅(316)이 부착된다. 웨지프리즘 일측면(315)은 곡면경(32)으로부터 반사된 영상광이 모두 분할반사 어레이(317)를 향해 모두 반사할 수 있을 정도의 면적을 갖는다. One end of the wedge prism 315 is installed inclined at a predetermined wedge angle θ 2 (eg, 1° to 20°) at a point where the first surface 312 and the end surface 314 meet. A polarizing reflection coating 316 is attached to one side of the wedge prism 315 facing the split reflection array 317. One side of the wedge prism 315 has an area large enough to reflect all of the image light reflected from the curved mirror 32 toward the split reflection array 317.

분할반사 어레이(317)는 웨지프리즘 일측면(315)과 제 2 표면(313) 사이에 형성되며, 도파로(31)의 측면방향으로는 톱니 형상으로 형성되며, 사용자(15)가 바라보는 정면 방향에서는 수직이면서 상호 평행한 선으로 표현된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 톱니구조의 분할반사 어레이(317)는 영상광(37)이 투과하는 투과면(324a)과 영상광(37)이 반사하는 반사면(324b)들의 어레이로 구성되어 있으며, 투과면(324a)들과 반사면(324b)들은 각각 서로 평행하게 설치되어 있다.The split reflection array 317 is formed between one side of the wedge prism 315 and the second surface 313, and is formed in a sawtooth shape in the lateral direction of the waveguide 31, in the front direction as seen by the user 15. In , they are expressed as vertical and mutually parallel lines. As shown in FIG. 5, the split reflection array 317 of the sawtooth structure is composed of an array of a transmission surface 324a through which the image light 37 transmits and a reflection surface 324b through which the image light 37 is reflected. And the transmitting surfaces 324a and reflecting surfaces 324b are installed parallel to each other.

분할반사 어레이(317)는 암형 톱니와 수형 톱니의 결합으로 구현된다. 도파로(31)와 분할반사 어레이(317)는 플라스틱 사출 성형을 통해 각각 제작할 수 있다. 분할반사 어레이(317)는 별도의 분리된 부품이며, 암형 톱니에 형상 맞춤될 수 있는 수형 톱니를 갖는다. The split reflection array 317 is implemented by combining female and male teeth. The waveguide 31 and the split reflection array 317 can each be manufactured through plastic injection molding. The split reflection array 317 is a separate component and has male teeth that can be shape-fitted to female teeth.

암형 톱니와 수형 톱니 사이에는 영상광(37)의 입사각 또는 영상광(37)의 편광성분에 따라 투과 또는 반사의 정도가 달라지는 편광코팅층(325)이 더 구비된다. 편광코팅층(325)은 암형 톱니 상에 성막될 수 있고, 선택적으로 수형 톱니 상에 성막될 수도 있다. 편광 코팅층(325)은 영상광(37)이 작은 각으로 입사되는 면에서는 투과하며 영상광이 큰 각으로 입사되는 면에서는 반사하는 각도편향성을 갖는다. A polarization coating layer 325 whose degree of transmission or reflection varies depending on the incident angle of the image light 37 or the polarization component of the image light 37 is further provided between the female gear and the male gear. The polarizing coating layer 325 may be deposited on female teeth, or alternatively, may be deposited on male teeth. The polarization coating layer 325 has an angular deflection property that transmits the image light 37 on the surface at a small angle and reflects the image light 37 on the surface at a large angle.

도파로(31)의 조립시, 분할반사 어레이(317)를 투명한 광학적 접착제로 접착하여 완성한다. 광학적 접착제는 공지의 접착제를 사용할 수 있다. 그리고, 도파로(31), 분할반사 어레이(317) 및 광학적 접착제는 동일한 굴절율을 가진 광학재료를 사용한다. When assembling the waveguide 31, the split reflection array 317 is completed by bonding it with a transparent optical adhesive. As the optical adhesive, a known adhesive can be used. Additionally, the waveguide 31, the split reflection array 317, and the optical adhesive use optical materials with the same refractive index.

그리고, 웨지프리즘(315) 일측면의 편광반사코팅(316)과 편광코팅층(325)은 동일한 편광성분을 반사시키도록 구성되며, 편광코팅층(325)은 영상광(37)은 반사시키고. 동시에 외부 이미지(50)는 투과시킬 수 있는 부분반사(Partial Reflection) 코팅층이 될 수 있다. In addition, the polarization reflection coating 316 and the polarization coating layer 325 on one side of the wedge prism 315 are configured to reflect the same polarization component, and the polarization coating layer 325 reflects the image light 37. At the same time, the external image 50 can be a partially reflective coating layer that can transmit.

그리고, 영상광(37)의 중심광이 사용자(15)의 눈을 향해 수직으로 출사되기 위하여 다음의 수식을 만족하고, In order for the center light of the image light 37 to be emitted vertically toward the eyes of the user 15, the following equation is satisfied,

Figure 112023103196560-pat00004
Figure 112023103196560-pat00004

여기서, θ1은 분할반사 어레이(317)의 반사각이며, θ2는 웨지프리즘 일측면(315)이 도파로(31)의 제 1표면(312)과 이루는 각인 웨지각이다. Here, θ 1 is the reflection angle of the split reflection array 317, and θ 2 is the wedge angle formed by one side 315 of the wedge prism with the first surface 312 of the waveguide 31.

제 1 실시예의 동작Operation of the first embodiment

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본원발명의 제 1 실시예의 동작에 대해 상세히 설명하도록 한다. 먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 디스플레이 패널부(30)에서 영상광(37)이 출력된다. 영상광(37)은 편광판(301)을 통과하면서 P파 또는 S파의 성분을 가지게 되며, 본 실시예에서는 P파의 편광성분을 갖도록 구성하였다. Hereinafter, the operation of the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. First, as shown in FIG. 1, image light 37 is output from the display panel unit 30. The image light 37 has a P-wave or S-wave component as it passes through the polarizer 301, and in this embodiment, it is configured to have a P-wave polarization component.

도파로(31)로 입사된 영상광(37)은 제 1 표면(312)에서 전반사한 후, 웨지프리즘(315)의 일측면과 편광반사코팅(316)을 투과하여 끝면(314)에 도달한다. 이를 위해, 편광반사코팅(316)은 P파를 투과시키는 코팅으로 구성한다. The image light 37 incident on the waveguide 31 is totally reflected by the first surface 312 and then passes through one side of the wedge prism 315 and the polarization reflection coating 316 to reach the end surface 314. For this purpose, the polarization reflection coating 316 is composed of a coating that transmits P waves.

투과된 P파의 영상광(37)은 λ/4 위상 변위필름(321)을 통과하여 원편광 성분으로 변환된 후 곡면경(32)의 거울코팅에 의해 반사된다. 반사된 영상광(37)은 다시 λ/4 위상변위필름(321)을 통과하면서 다시 한번 λ/4 만큼 위상변위가 이루어진다. 따라서, 최초 반사된 영상광(37)에서 최종적으로 λ/2 만큼의 위상변위가 이루어져 S파 성분으로 변환된다. S파 성분의 영상광(37)은 편광반사코팅(316)에 의해 반사되어 분할반사 어레이(317)로 전송된다.The transmitted P-wave image light 37 passes through the λ/4 phase shift film 321, is converted into a circularly polarized light component, and is then reflected by the mirror coating of the curved mirror 32. The reflected image light 37 passes through the λ/4 phase shift film 321 and is once again phase-shifted by λ/4. Accordingly, the initially reflected image light 37 undergoes a final phase shift of λ/2 and is converted into an S-wave component. The image light 37 of the S-wave component is reflected by the polarization reflection coating 316 and transmitted to the split reflection array 317.

즉, 영상광(37)은 분할반사 어레이(317)에 도달하기 전에 1차 출사동(제 1 초점, F1) 영역을 형성한 후 다시 발산하는 영상광(37)이 서로 평행하게 설치된 여러 개의 분할반사 어레이(317)에 의해 분할 반사되어 사용자(15)의 안구 전방에서 2차 출사동(제 2 초점, F2)을 형성한다.In other words, the image light 37 forms the primary exit pupil (first focus, F1) area before reaching the split reflection array 317, and then radiates again. The image light 37 is divided into several segments installed parallel to each other. It is divided and reflected by the reflection array 317 to form a secondary exit pupil (second focus, F2) in front of the eyeball of the user 15.

이때, 분할반사 어레이(317)는 톱니구조의 일체화된 구조로 설치하며, 톱니구조면에는 S파 성분의 경우 입사각이 작을때는 투과시키며, 입사각이 40도 이상 클때에는 높은 반사율로 반사 시키는 편광코팅을 수행하여 영상광을 높은 효율로 반사시킬 수 있다. 또한, 편광 코팅은, 반대의 편광성분인 P파의 성분은 높은 효율로 투과시킬 수 있는 특징을 가지도록 함으로써 외부 이미지(50) 역시 높은 효율로 사용자(15)의 눈까지 도달하도록 할 수 있다. 즉, 분할반사 어레이(317)에는 웨지프리즘(315)의 일측면에 도포된 편광코팅(316)과 편광 성분이 동일한 광을 반사시키는 편광코팅층(325)을 설치하여 사용자의 눈으로 반사되는 광효율을 극대화할 수 있다. At this time, the split reflection array 317 is installed in an integrated sawtooth structure, and the sawtooth structure surface is coated with a polarizing coating that transmits the S-wave component when the angle of incidence is small and reflects it with a high reflectivity when the angle of incidence is greater than 40 degrees. By performing this, image light can be reflected with high efficiency. In addition, the polarization coating has the characteristic of being able to transmit the P wave component, which is the opposite polarization component, with high efficiency, thereby allowing the external image 50 to also reach the eyes of the user 15 with high efficiency. That is, the split reflection array 317 is provided with a polarizing coating layer 325 that reflects light with the same polarization component as the polarizing coating 316 applied to one side of the wedge prism 315, thereby increasing the light efficiency reflected to the user's eyes. can be maximized.

도 4는 본 발명에 따른 기능성 편광코팅층(325)의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 톱니구조에 도포된 편광코팅층(325)은 S파의 경우 입사각이 작은 각에서는 대부분 투과되며 입사각이 40도 이상 큰 각에서는 매우 높은 반사율을 가진다. 따라서, S파의 영상광을 유도시킬 경우 입사각이 작은 투과면에서는 영상광이 대부분 투과하고, 입사각이 큰 반사면에서는 높은반사율로 반사하여 사용자의 눈에 도달하게 된다. 이때 P파의 경우 0°부터 80°까지 대부분의 입사각에서 반사율이 50% 이하로 매우 낮으므로, P파로 입사되는 대부분의 이미지를 투과시킬 수 있다.Figure 4 is a graph showing the optical characteristics of the functional polarizing coating layer 325 according to the present invention. As shown in Figures 4 and 5, the polarizing coating layer 325 applied to the sawtooth structure is mostly transmitted at small angles of incidence for S waves and has a very high reflectivity at angles where the angle of incidence is greater than 40 degrees. Therefore, when S-wave image light is induced, most of the image light is transmitted through a transmission surface with a small angle of incidence, and is reflected with a high reflectivity on a reflective surface with a large angle of incidence, reaching the user's eyes. At this time, in the case of P waves, the reflectance is very low at less than 50% at most angles of incidence from 0° to 80°, so most images incident as P waves can be transmitted.

제 2 실시예Second Embodiment

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 디스플레이 패널부(30), 편광판(301), 입사면(311) 제 1, 2 표면(312, 313), 웨지프리즘(315), 분할반사 어레이(317)의 구성은 전술한 제 1 실시예와 동일하다. Figure 2 is a configuration diagram of an image display device using a split reflection array and a wedge prism according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the configuration of the display panel unit 30, the polarizer 301, the first and second surfaces 312 and 313 of the incident surface 311, the wedge prism 315, and the split reflection array 317. is the same as the first embodiment described above.

도파로(31)의 타단에는 제 1 표면(312)으로부터 끝면경사각(θL)을 형성하는 도파로 끝면(314)이 형성된다. 끝면(314)은 평면을 형성한다. 끝면경사각(θL)은 50° ~ 80° 범위가 될 수 있고, 입사면(311)의 입사각(θi)과 끝면의 경사각(θL)은 동일하다. 끝면(314)의 외측면에는 λ/4 위상변위필름(321)이 부착되고, λ/4 위상변위필름(321)의 외측면에는 평볼록렌즈(35)가 부착된다. 평볼록렌즈(35)의 일면은 평면이며, λ/4 위상변위필름(321)에 부착되고, 타면은 볼록렌즈의 곡면(355)을 형성한다. 그리고, 볼록렌즈의 곡면(355)에는 영상광(37)이 반사되도록 거울면을 갖는다. 또한, 평볼록렌즈(35)는 전반사된 영상광(37)이 도파로(31) 내에서 제 1 초점(F1)을 형성하도록 하는 곡률을 갖는다. At the other end of the waveguide 31, a waveguide end surface 314 forming an end inclination angle θ L is formed from the first surface 312. The end surface 314 forms a plane. The end surface inclination angle (θ L ) may range from 50° to 80°, and the incident angle (θ i ) of the incident surface 311 and the end surface inclination angle (θ L ) are the same. A λ/4 phase shift film 321 is attached to the outer surface of the end surface 314, and a plano-convex lens 35 is attached to the outer surface of the λ/4 phase shift film 321. One side of the flat convex lens 35 is flat and is attached to the λ/4 phase shift film 321, and the other side forms the curved surface 355 of the convex lens. And, the curved surface 355 of the convex lens has a mirror surface so that the image light 37 is reflected. Additionally, the plano-convex lens 35 has a curvature that allows the totally reflected image light 37 to form a first focus F1 within the waveguide 31.

즉, 평볼록렌즈(35)는 도파로(31)의 끝면(314)에 일체화하여 배치함으로써 영상광(37)을 확대시킬 수 있는 수단을 사용자의 동공과 가까이 둘 수 있고, 이로 인해, 넓은 시야각을 형성하기에 유리한 구조를 제공함과 동시에 입사부의 크기와 부피를 최소화 할 수 있다.That is, the plano-convex lens 35 is integrated and disposed on the end surface 314 of the waveguide 31, so that a means for magnifying the image light 37 can be placed close to the user's pupil, thereby providing a wide viewing angle. It provides a structure that is advantageous for forming and at the same time minimizes the size and volume of the incident area.

이러한 제 2 실시예의 동작과 광 경로는 제 1 실시예의 동작 및 광 경로와 각각 동일한다. The operation and optical path of this second embodiment are the same as those of the first embodiment, respectively.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.A detailed description of preferred embodiments of the invention disclosed above is provided to enable any person skilled in the art to make or practice the invention. Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope of the present invention. For example, a person skilled in the art may use each configuration described in the above-described embodiments by combining them with each other. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential features of the present invention. Accordingly, the above detailed description should not be construed as restrictive in all respects and should be considered illustrative. The scope of the present invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention. The present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. In addition, claims that do not have an explicit reference relationship in the patent claims can be combined to form an embodiment or included as a new claim through amendment after filing.

5 : 광원출력모듈,
10 : 도광판,
11 : 광가이드부,
12 : 입력회절광학소자,
13 : 중간회절광학소자,
14 : 출력회절광학소자,
15 : 사용자,
30 : 디스플레이 패널,
31 : 도파로,
32 : 곡면경,
35 : 평볼록렌즈,
37 : 영상광,
50 : 외부 이미지,
301 : 편광판,
311 : 입사면,
312 : 제 1 표면
313 : 제 2 표면,
314 : 도파로 끝면,
315 : 웨지프리즘,
316 : 편광반사코팅,
317 : 분할반사 어레이,
321 : λ/4 위상변위필름,
324a : 투과면,
324b : 반사면,
325 : 편광코팅층,
355 : 곡면,
F1 : 제 1 초점,
F2 : 제 2 초점,
θi : 입사각,
θ1 : 반사각,
θ2 : 웨지각,
θL : 끝면 경사각,
θo : 최소입사각,
θc : 전반사 임계각,
θsr : 반사면 경사각,
θst : 투과면 경사각.
5: Light source output module,
10: light guide plate,
11: Light guide part,
12: Input diffraction optical element,
13: intermediate diffraction optical element,
14: Output diffraction optical element,
15: user,
30: display panel,
31: waveguide,
32: curved mirror,
35: plano-convex lens,
37: video light,
50: external image,
301: polarizer,
311: entrance surface,
312: first surface
313: second surface,
314: waveguide end face,
315: wedge prism,
316: Polarizing reflective coating,
317: Split reflection array,
321: λ/4 phase shift film,
324a: transparent surface,
324b: reflective surface,
325: Polarizing coating layer,
355: curved surface,
F1: first focus,
F2: second focus,
θ i : angle of incidence,
θ 1 : reflection angle,
θ 2 : wedge angle,
θ L : End surface inclination angle,
θ o : minimum angle of incidence,
θ c : critical angle of total reflection,
θ sr : Reflection surface inclination angle,
θ st : Transmission surface inclination angle.

Claims (12)

이미지 디스플레이 디바이스에 있어서,
영상광(37)을 생성하는 디스플레이 소자(30);
상기 디스플레이 소자(30)와 평행하게 대면하고 S-pol 또는 P-pol의 편광성분을 결정하는 편광판(301); 및
상기 편광판(301)의 일측에 구비되고, 상기 편광판(301)을 투과한 상기 영상광(37)이 입사되고, 입사된 상기 영상광(37)의 출사동을 제1 방향으로 확장하여 사용자(15) 측으로 출사시키는 도파로(31);를 포함하고,
상기 도파로(31)는,
상기 영상광(37)이 입사되어 전반사되고, 상호 평행한 제 1 표면(312)과 제 2 표면(313);
상기 도파로(31)의 일단에서 상기 제 1 표면(312)과 소정의 입사각(θi)을 형성하는 입사면(311);
상기 도파로(31)의 타단에서 상기 제 1 표면(312)과 끝면 경사각(θL)을 형성하는 끝면(314);
상기 끝면(314)의 일측면에 부착되는 위상변위필름(321);
상기 위상변위필름(321)의 일측면에 부착되는 곡면경(32);
상기 제 1 표면(312)과 소정의 웨지각(θ2)으로 경사지게 설치되는 웨지프리즘(315);
상기 웨지프리즘(315)의 일측면에 부착되는 편광반사코팅(316);
상기 웨지프리즘(315)의 일측면과 상기 제 2 표면(313) 상에 구비되고, 상기 웨지프리즘(315)으로부터 반사된 영상광(37)이 투과하는 투과면(324a)과 투과된 상기 영상광(37)이 반사하는 반사면(324b)이 상호 교호적으로 구비되어 톱니 구조를 이루는 분할반사 어레이(317); 및
상기 톱니 구조 상에 성막되고, 상기 투과면(324a) 또는 상기 반사면(324b)에 입사하는 입사각에 따라 상이한 반사율을 나타내도록 각도 편향성을 갖는 편광코팅층(325);을 포함하고,
상기 입사각(θi)과 상기 경사각(θL)은 동일한 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
In the image display device,
A display element 30 that generates image light 37;
A polarizer 301 faces the display element 30 in parallel and determines a polarization component of S-pol or P-pol; and
It is provided on one side of the polarizing plate 301, and the image light 37 that passes through the polarizing plate 301 is incident, and the exit pupil of the incident image light 37 is expanded in the first direction to user 15. ) and a waveguide 31 that emits to the side,
The waveguide 31 is,
The image light 37 is incident and totally reflected, and the first surface 312 and the second surface 313 are parallel to each other;
an incident surface 311 forming a predetermined incident angle θ i with the first surface 312 at one end of the waveguide 31;
an end surface 314 forming an end inclination angle θ L with the first surface 312 at the other end of the waveguide 31;
A phase shift film 321 attached to one side of the end surface 314;
A curved mirror 32 attached to one side of the phase shift film 321;
a wedge prism 315 installed inclined at a predetermined wedge angle (θ 2 ) with the first surface 312;
Polarization reflective coating 316 attached to one side of the wedge prism 315;
A transmission surface 324a provided on one side of the wedge prism 315 and the second surface 313, through which the image light 37 reflected from the wedge prism 315 passes, and the transmitted image light A split reflection array (317) in which reflective surfaces (324b) reflecting (37) are alternately provided to form a sawtooth structure; and
A polarizing coating layer 325 formed on the sawtooth structure and having angular deflection to exhibit different reflectance depending on the angle of incidence on the transmission surface 324a or the reflection surface 324b,
An image display device using a split reflection array and a wedge prism, wherein the incident angle (θ i ) and the inclination angle (θ L ) are the same.
이미지 디스플레이 디바이스에 있어서,
영상광(37)을 생성하는 디스플레이 소자(30);
상기 디스플레이 소자(30)과 평행하게 대면하고 S-pol 또는 P-pol의 편광성분을 결정하는 편광판(301); 및
상기 편광판(301)의 일측에 구비되고, 상기 편광판(301)을 투과한 상기 영상광(37)이 입사되고, 입사된 상기 영상광(37)의 출사동을 제1 방향으로 확장하여 사용자(15) 측으로 출사시키는 도파로(31);를 포함하고,
상기 도파로(31)는,
상기 영상광(37)이 입사되어 전반사되고, 상호 평행한 제 1 표면(312)과 제 2 표면(313);
상기 도파로(31)의 일단에서 상기 제 1 표면(312)과 소정의 입사각(θi)을 형성하는 입사면(311);
상기 도파로(31)의 타단에서 상기 제 1 표면(312)과 끝면 경사각(θL)을 형성하는 끝면(314);
상기 끝면(314)의 일측면에 부착되는 위상변위필름(321);
상기 위상변위필름(321)의 일측면에 부착되는 평볼록렌즈(35);
상기 제 1 표면(312)과 소정의 웨지각(θ2)으로 경사지게 설치되는 웨지프리즘(315);
상기 웨지프리즘(315)의 일측면에 부착되는 편광반사코팅(316);
상기 제 2 표면(313) 상에 구비되고, 상기 웨지프리즘(315)으로부터 반사된 영상광(37)이 투과하는 투과면(324a)과 투과된 상기 영상광(37)이 반사하는 반사면(324b)이 상호 교호적으로 구비되어 톱니 구조를 이루는 분할반사 어레이(317); 및
상기 톱니 구조 상에 성막되고, 상기 투과면(324a) 또는 상기 반사면(324b)에 입사하는 입사각에 따라 상이한 반사율을 나타내도록 각도 편향성을 갖는 편광코팅층(325);을 포함하고,
상기 입사각(θi)과 상기 경사각(θL)은 동일한 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
In the image display device,
A display element 30 that generates image light 37;
A polarizer 301 faces the display element 30 in parallel and determines a polarization component of S-pol or P-pol; and
It is provided on one side of the polarizing plate 301, and the image light 37 that passes through the polarizing plate 301 is incident, and the exit pupil of the incident image light 37 is expanded in the first direction to user 15. ) and a waveguide 31 that emits to the side,
The waveguide 31 is,
The image light 37 is incident and totally reflected, and the first surface 312 and the second surface 313 are parallel to each other;
an incident surface 311 forming a predetermined incident angle θi with the first surface 312 at one end of the waveguide 31;
an end surface 314 forming an end inclination angle θ L with the first surface 312 at the other end of the waveguide 31;
A phase shift film 321 attached to one side of the end surface 314;
A flat convex lens 35 attached to one side of the phase shift film 321;
a wedge prism 315 installed inclined at a predetermined wedge angle (θ 2 ) with the first surface 312;
Polarization reflective coating 316 attached to one side of the wedge prism 315;
Provided on the second surface 313, a transmission surface 324a through which the image light 37 reflected from the wedge prism 315 transmits and a reflection surface 324b through which the transmitted image light 37 reflects ) are provided alternately to form a sawtooth structure (317); and
A polarizing coating layer 325 formed on the sawtooth structure and having angular deflection to exhibit different reflectance depending on the angle of incidence on the transmission surface 324a or the reflection surface 324b,
An image display device using a split reflection array and a wedge prism, wherein the incident angle (θ i ) and the inclination angle (θ L ) are the same.
제 1 항에 있어서,
상기 끝면(314)과 상기 곡면경(32)은 전반사된 상기 영상광(37)이 상기 도파로(31) 내에서 제 1 초점(F1)을 형성하도록 하는 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
According to claim 1,
The end surface 314 and the curved mirror 32 have a split reflection array characterized in that the total reflected image light 37 has a curvature to form a first focus F1 within the waveguide 31. Image display device using wedge prism.
제 2 항에 있어서,
상기 끝면(314)은 평면이고,
상기 평볼록렌즈(35)는 상기 영상광(37)이 반사되도록 거울면을 갖는 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
According to claim 2,
The end surface 314 is flat,
An image display device using a split reflection array and a wedge prism, wherein the plano-convex lens (35) has a mirror surface to reflect the image light (37).
제 1 항에 있어서,
상기 곡면경(32)은 상기 영상광(37)이 반사되도록 거울면을 갖는 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
According to claim 1,
An image display device using a segmented reflection array and a wedge prism, wherein the curved mirror (32) has a mirror surface to reflect the image light (37).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 위상변위필름(321)은 λ/4 위상변위필름(321)인 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
The method of claim 1 or 2,
An image display device using a split reflection array and a wedge prism, wherein the phase shift film 321 is a λ/4 phase shift film 321.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 편광반사코팅(316)과 상기 편광코팅층(325)은 동일한 편광성분을 반사시키는 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
The method of claim 1 or 2,
An image display device using a split reflection array and a wedge prism, wherein the polarization reflection coating 316 and the polarization coating layer 325 reflect the same polarization component.
삭제delete 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 영상광(37)이 상기 제 1 표면(312)에서 전반사되기 위해, 상기 영상광(37)의 최소 입사각(θ0)은 다음의 수식을 만족하고,
Figure 112023103196560-pat00005

여기서, n은 상기 도파로(31)의 굴절률, θc는 전반사를 위한 임계각인 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
The method of claim 1 or 2,
In order for the image light 37 to be totally reflected in the first surface 312, the minimum angle of incidence (θ 0 ) of the image light 37 satisfies the following equation,
Figure 112023103196560-pat00005

Here, n is the refractive index of the waveguide 31, and θ c is the critical angle for total reflection. An image display device using a split reflection array and a wedge prism.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 영상광(37)의 중심광이 상기 사용자(15)의 눈을 향해 수직으로 출사되기 위하여 다음의 수식을 만족하고,
Figure 112023103196560-pat00006

여기서, θ1은 상기 분할반사 어레이(317)의 반사각이며 θ2는 상기 웨지프리즘(315)의 웨지각인 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
The method of claim 1 or 2,
In order for the center light of the image light 37 to be emitted vertically toward the eyes of the user 15, the following equation is satisfied,
Figure 112023103196560-pat00006

Here, θ 1 is the reflection angle of the split reflection array 317 and θ 2 is the wedge angle of the wedge prism 315. An image display device using a split reflection array and a wedge prism.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 편광코팅층(325)은 상기 영상광(37)을 반사시킴과 동시에 외부 이미지(50)를 투과시킬 수 있는 부분반사 코팅층인 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.
The method of claim 1 or 2,
An image display device using a split reflection array and a wedge prism, wherein the polarization coating layer 325 is a partially reflective coating layer capable of reflecting the image light 37 and transmitting an external image 50 at the same time.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 이미지 디스플레이 디바이스는 상기 영상광(37)의 중심광이 상기 사용자(15)의 눈을 향해 수직으로 출사될 수 있도록 동축 광학구조를 가지는 것을 특징으로 하는 분할반사 어레이와 웨지프리즘을 이용한 이미지 디스플레이 디바이스.3. Splitting according to claim 1 or 2, wherein the image display device has a coaxial optical structure so that the central light of the image light (37) is emitted vertically toward the eyes of the user (15). Image display device using a reflection array and wedge prism.
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