[논문]헤드마운트 디스플레이 응용을 위한 고효율 협시야각 LCD 최적화 연구

위성희; 강민진; 황의선; 백기현; 김진환; 박현욱; 정병호

doi:10.3807/kjop.2022.33.2.067

헤드마운트 디스플레이 응용을 위한 고효율 협시야각 LCD 최적화 연구
Optimization of a Highly Efficient Narrow-viewing-angle LCD for Head-mounted-display Applications 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.33 no.2, 2022년, pp.67 - 73

위성희 (고려대학교 디스플레이반도체물리학부) , 강민진 (고려대학교 응용물리학과) , 황의선 (고려대학교 응용물리학과) , 백기현 (고려대학교 응용물리학과) , 김진환 ((주)LMS) , 박현욱 ((주)LMS) , 정병호 (고려대학교 디스플레이반도체물리학부)

초록
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가상현실(virtual reality) 구현을 위한 헤드마운트 디스플레이는 사용자의 눈과 가까이 위치하고, 화면의 위치가 고정되어 있기 때문에 좁은 시야각이 소비전력 측면에서 유리하다. 본 논문에서는 광시야각에 최적화된 일반적인 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD)에서 헤드마운트 디스플레이에 적합한 협시야각 구현을 위한 back light unit (BLU) 구조를 연구하였으며 도광판의 산란 패턴과 역프리즘 구조를 최적화함으로써 시야각을 제어할 수 있는 구조와 각 인자들 간의 상관관계를 시뮬레이션으로 분석하였다. 그 결과 도광판의 산란 패턴의 형태에 대응되는 이중각 역프리즘 구조를 선정하였고, 이는 기존의 일반적인 LCD 대비 휘도 14% 증가, 상하 시야각은 16% 감소, 최대 70%의 광효율의 결과를 얻었다. 이 구조는 기존의 불필요한 광손실을 제거한 고효율 LCD로서의 활용이 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In a head-mounted display (HMD) for virtual-reality applications, a narrow viewing angle is preferred to the usual, wide viewing angle because the HMD is positioned close in front of the user's eyes, and the display position is fixed. In this paper, we propose a new back-light unit (BLU) for implementing a narrow viewing angle, which is suitable for a HMD. By optimizing the scattering patterns in the light-guide-plate and inverse-prism structures, the viewing angle and correlations between structural parameters in the BLU components are analyzed with ray-tracing simulations. As a result, a double-angle inverse-prism structure incorporating the scattering patterns of a light-guide plate is chosen, which results in a 14% increase in center luminance, a 16% decrease in the vertical viewing angle, and a light efficiency of up to 70%, compared to a conventional BLU. Thus, the new BLU system is expected to be applied in a high-efficiency liquid crystal display.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Illustration of head-mounted display, representing narrow viewing angle.
그림 Fig. 2. Components of a backlight system: (a) a light guide plate, (b) a typical BLU, (c) a backlight unit (BLU) with an inverted prism sheet, and (d)-(f) correspond to the measured light distributions in polar coordinates. Te coordinates (x, y, z) and polar angles (q, ϕ) are defned for clarity.
그림 Fig. 3. (a) Geometric model of a backlight unit (BLU), where 4 light emitting diodes (LEDs) were attached to the light guide plate (LGP) side. (b) Illuminance image on the LGP. (c) Schematic of a part of the LGP, where bump patterns are distributed at the bottom side. The shape of a bump is defined as a width (D) and a height (h), where D/h = 2-14 were varied to change the scattering features.
그림 Fig. 4. (a)-(d) Simulation results of light angular distribution in polar coordinates for various values of D/h = 2-14. (e) Luminance curves with respect to the D/h values are compared along the cross section, denoted as the white dashed line in (a). The dotted curve is a measured luminance in Fig. 2(d).
그림 Fig. 5. (a) Geometrical relations of a ray propagating into an inverted prism sheet. (b) Paths of a set of rays for optimum values of β = 35° and γ = 33°.
그림 Fig. 6. (a)-(d) Simulation results of light angular distribution of backlight unit (BLU), composed of an inverted prism and an LGP with various values of D/h = 2–14 in Figs. 4(a)-4(d). (e) Luminance curves with respect to the D/h values are compared along the cross section, denoted as the white dashed line in (a).
그림 Fig. 7. (a) Geometrical relations of a ray propagating into a two-angle inverted prism sheet. (b) Paths of a set of rays at γ' = 29° for optimum values of β = 35° and γ = 33°.
그림 Fig. 8. Simulation results of light angular distribution of backlight unit (BLU), composed of a two-angle inverted prism and a light guide plate (LGP) with D/h = 10. In the two-angle inverted prism, the two values of β = 35° and γ = 33° were fixed and γ' was changed to (a) 33°, (b) 30°, (c) 29°, and (d) 27°. (e) Luminance curves along the cross section, denoted as the white dashed line in (a).
표 Table 1. Simulation results of luminance, total luminous fluxes, and efficiency of luminous flux within solid angles of 30° and 40° for various of D/h. The input luminance flux was set to 1

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