CN114830013A - 利用全反射的增强现实用光学装置 - Google Patents

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CN114830013A CN202180007135.9A CN202180007135A CN114830013A CN 114830013 A CN114830013 A CN 114830013A CN 202180007135 A CN202180007135 A CN 202180007135A CN 114830013 A CN114830013 A CN 114830013A
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河政勋
郑真镐
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Abstract

本发明涉及一种利用全反射的增强现实用光学装置，提供一种利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，其包括光学单元，所述光学单元用于向用户的眼睛的瞳孔穿透作为从实物射出的图像光的实物图像光的至少一部分；在所述光学单元的内部形成有全反射空间，所述全反射空间用于向用户的眼睛的瞳孔传递从图像出射部射出的增强现实图像光；在所述全反射空间填充有具有小于光学单元的折射率的折射率的介质，穿过所述光学单元的内部并传递至全反射空间的增强现实图像光在所述全反射空间被全反射并向用户的眼睛的瞳孔传递。

Description

利用全反射的增强现实用光学装置
技术领域
本发明涉及一种增强现实用光学装置，更详细而言，涉及一种可以在增强现实用光学装置的内部利用全反射来传递增强现实图像光，并且使泄漏到外部的光最小化，而且难以从外部识别出光学结构，从而能够减少异质感的增强现实用光学装置。
背景技术
众所周知，增强现实(AR，Augmented Reality)是指，将由计算机等所提供的虚拟的影像或图像叠加在现实世界的实际影像并提供的技术。
为了实现这种增强现实，需要一种光学系统，所述光学系统可以将通过如计算机的设备来生成的虚拟的影像或图像叠加在现实世界的影像并提供。众所周知，作为这种光学系统，有着使用如棱镜等的光学单元的技术，所述光学单元利用头戴式显示器(HMD，HeadMounted Display)或眼镜型装置来反射或折射虚拟影像。
然而，对于利用这种现有的光学系统的装置而言，其结构复杂且重量和体积相当大，因此具有用户不方便佩戴，并且制造工艺也复杂，从而制造成本高的问题。
另外，现有的装置具有在用户凝视现实世界时变更焦距的情况下，虚拟影像不聚焦的局限性。为了解决这种问题，提出了利用如能够调节针对虚拟影像的焦距的棱镜的结构，或者对可以根据用户的针对实际世界的焦距的变更而调节针对虚拟影像的焦距的可变焦点透镜进行电气控制等的技术。
然而，这些技术也存在如下问题：为了调节针对虚拟影像的焦距，用户需要进行另外的操作，或者需要用于控制焦距的另外的装置、处理器等硬件和软件。
为了解决如上所述的现有技术中的问题，如下述的现有技术文献所记载，本申请人开发了一种装置，所述装置利用比人的平均瞳孔小的反射部来将虚拟影像经由瞳孔投影到视网膜，从而能够实现增强现实。
图1是示出如现有技术文献所公开的增强现实用光学装置100的图。
图1的增强现实用光学装置100包括光学单元10、反射部20、图像出射部30和框架部40。
光学单元10是用于使作为从实物射出的图像光的实物图像光的至少一部分透射的单元，例如可以是眼镜镜片，反射部20嵌入于其内部。另外，光学单元10还执行用于使被反射部20反射的增强现实图像光穿透以传递至瞳孔的功能。
框架部40是用于固定并支撑图像出射部30和光学单元10的单元，例如可以是眼镜框架。
图像出射部30是用于射出对应于增强现实图像的图像光、即增强现实图像光的单元，例如，可以包括：小型显示装置，其在屏幕上显示增强现实图像并发射增强现实图像光；和准直器(collimator)，其将从显示装置发射的图像光准直为平行光。
反射部20通过向用户的瞳孔反射与从图像出射部30射出的增强现实图像相对应的图像光来提供增强现实图像。
图1的反射部20形成为小于人的瞳孔尺寸的尺寸，即形成为8mm以下。如上所述，若反射部20形成为小于瞳孔尺寸，则可以使经由反射部20入射到瞳孔的光的景深几乎接近于无穷大，即景深非常深。
这里，景深(Depth of Field)是指，被识别为焦点对准的范围，并且景深越深，针对增强现实图像的焦距也越深，因此，即使用户凝视实际世界的同时更改针对实际世界的焦距，也与此无关地，增强现实图像的焦点被识别为始终对准。这可以看作是一种针孔效应(pinhole effect)。
因此，与用户凝视实际世界中所存在的实物的同时变更焦距的情况无关地，都可以始终为增强现实图像提供清晰的虚拟影像。
另一方面，增强现实中所使用的光学系统需要通过使外部观察者无法识别出向佩戴增强现实用光学装置的用户提供的增强现实图像来保护用户的信息，就使用通常利用的全反射的组合器(combiner)而言，由于增强现实图像照射在全反射面，因此，在保护用户的信息的方面上，具有需要在装置的前面设置额外的涂层或半透明材质的遮蔽板等的局限性。
相比之下，在图1所说明的使用反射部20的增强现实用光学装置100中，由于反射部20的尺寸非常小，所以当外部观察者观察增强现实用光学装置100时，将反射部20仅识别为非常小的点，因此与利用全反射的组合器相比，在保护用户信息的方面上具有非常优异的优点。因此，在这种增强现实用光学装置100需要一种利用全反射来使外部观察者无法很好地识别出反射部20，并且能够使泄漏到外部的光最小化的技术。
[现有技术文献]
韩国授权专利公报第10-1660519号(2016.09.29公告)
发明内容
要解决的技术问题
本发明用于解决如上所述的问题，其目的在于，提供一种增强现实用光学装置，可以通过在增强现实用光学装置的内部利用全反射来传递增强现实图像光，并且使泄漏到外部的光最小化，而且难以从外部识别光学结构，从而能够减少异质感。
用于解决问题的手段
为了解决如上所述的问题，本发明提供一种利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，其包括光学单元，所述光学单元用于向用户的眼睛的瞳孔透射作为从实物射出的图像光的实物图像光的至少一部分，在所述光学单元的内部形成有全反射空间，所述全反射空间用于向用户的眼睛的瞳孔传递从图像出射部射出的增强现实图像光，在所述全反射空间填充有具有小于光学单元的折射率的折射率的介质，穿过所述光学单元的内部并传递至全反射空间的增强现实图像光在所述全反射空间被全反射并向用户的眼睛的瞳孔传递。
这里，所述全反射空间可以基于图像出射部和瞳孔的位置以入射到全反射空间和光学单元的边界面的增强现实图像光的入射角θi满足θi≥sin-1(n2/n1)的方式形成在光学单元的内部空间，其中，n1为光学单元的折射率，n2为填充于全反射空间的介质的折射率。
另外，所述全反射空间的内部可以形成为真空。
另外，填充于所述全反射空间的内部的介质可以是具有小于所述光学单元的折射率的折射率的气体、液体或固体。
另外，填充于所述全反射空间的介质可以由相变材料填充，所述相变材料根据温度或压力条件而变为晶相和非晶相，以产生折射率的差异。
另外，所述全反射空间可以形成为棱镜形状。
另外，所述全反射空间可以在除了全反射增强现实图像光的全反射面以外的其他面中的至少一个面形成有用于使光漫反射的漫反射面。
另外，所述全反射空间和光学单元的边界面中的至少一个面可以形成为凹面和凸面。
另外，所述全反射空间可以形成为菲涅尔透镜形状。
另外，所述全反射空间可以是衍射光学元件或全息光学元件。
另外，在所述全反射空间的除了用于使增强现实图像光全反射的全反射面以外的其他表面中的至少任意一个表面可以涂覆有用于遮蔽光的遮蔽材料。
另外，所述全反射空间可以具有4mm以下的尺寸。
另外，所述全反射空间可以形成有多个。
发明效果
根据本发明，可以提供一种增强现实用光学装置，可以通过在增强现实用光学装置的内部利用全反射来传递增强现实图像光，并且使泄漏到外部的光最小化，而且难以从外部识别出光学结构，从而能够减少异质感。
附图说明
图1是示出如现有技术文献所公开的增强现实用光学装置100的图。
图2是示出本发明的利用全反射的增强现实用光学装置200的图。
图3是用于说明全反射的原理的图。
图4是用于说明基于图3所说明的全反射原理的本发明的全反射空间20的配置结构的图。
图5是用于说明全反射空间20的多种形式的图。
图6是用于说明形成为菲涅尔透镜形状的全反射空间24的图。
图7是示例性示出从外部观察全反射空间20时的状态的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施例进行详细说明。
图2是示出本发明的利用全反射的增强现实用光学装置200(以下，简称为“增强现实用光学装置200”)的图。
参照图2，增强现实用光学装置200的特征在于，包括光学单元10，并且在光学单元10的内部形成有全反射空间20。
光学单元10是，用于使从实物射出的图像光、即实物图像光的至少一部分透射至用户的眼睛的瞳孔50的单元。
这里，用于透射至瞳孔50的实物图像光的至少一部分是指，实物图像光的透光率并不必须为100％。
光学单元10可以包括相向配置的第一面11和第二面12。第一面11是实物图像光入射的面，如后所述，第二面12是在全反射空间20被全反射了的增强现实图像光和穿过了光学单元10的第一面11的实物图像光向用户的眼睛的瞳孔50射出的面。
在图2的实施例中，光学单元10的第一面11和第二面12形成为彼此平行，但这仅是示例，也可以形成为彼此不平行。
在图2的实施例中，示出了从图像出射部30射出的增强现实图像光直接从全反射空间20传递，但这仅是示例，从图像出射部30射出的增强现实图像光也可以被光学单元10的第一面11和第二面12中的至少一者全反射至少一次以上，之后传递至全反射空间20也是理所当然的。
另一方面，图像出射部30是用于将作为对应于增强现实图像的图像光的增强现实图像光射出的单元，例如可以是小型液晶显示屏(LCD)、有机发光二极管(OLED)或包括照明的硅基液晶(LCOS)等显示装置，还可包括诸如射出准直了的光的准直器等折射单元、反射单元、衍射单元等。
由于这种图像出射部30本身不是本发明的直接目的，并且是现有技术中已知的技术，因此这里将省略其详细说明。
另一方面，增强现实图像是指，从图像出射部30射出并通过增强现实用光学装置200传递至用户的瞳孔50的虚拟图像，例如，可以是图像形式的静止影像或视频。
这种增强现实图像从图像出射部30射出并通过增强现实用光学装置200传递至用户的瞳孔50，从而作为虚拟图像提供给用户，与此同时，用户通过光学单元10接收从实际世界中存在的实物射出的实物图像光，因此能够接收增强现实服务。
全反射空间20是用于向用户的眼睛的瞳孔50传递从图像出射部30射出的增强现实图像光的单元，光学单元10的内部以中空的空间形式形成。
当将增强现实用光学装置200位于用户的瞳孔50的正前方时，考虑到图像出射部10的位置和瞳孔50的位置，全反射空间20形成在光学单元10的内部的适当的位置，以能够将入射到全反射空间20的增强现实图像光传递至用户的瞳孔50。
即，全反射空间20以通过对从图像出射部30射出并穿过光学单元10的内部而入射到全反射空间20的增强现实图像光进行全反射来传递至瞳孔50的方式，形成在光学单元10的内部，。
另外，其特征在于，全反射空间20由具有小于光学单元10的折射率(index ofrefraction)的折射率的值的介质填充，以便可以使入射的增强现实图像光全反射。
图3是用于说明全反射的原理的图。
众所周知，当光从折射率较大的介质传播到折射率较小的介质时，在介质之间的边界面上一部分光被透射，而一部分光被反射，如果增加入射角，则在达到特定角度以上时可能会发生在边界面上全部被反射的现象。这称为全反射(total internal reflection)，此时的入射角称为临界角。
在图3中，介质1的折射率设为n1，介质2的折射率设为n2。另外，假设介质1的折射率n1具有大于介质2的折射率n2的值。
参照图3，可以看出：就从介质1传播到介质2的光线A、B而言，一部分在边界面上被反射且一部分透射，但就光线C而言，完全没有透射到介质2的光线。此时的入射角为临界角θc。由于光线D的入射角大于临界角，因此可以看出都在边界面上被反射并向介质1侧传播。
临界角θc可以通过以下等式算出。
就光线C而言，由于n1·sinθc＝n2·sin90°，并且sin90°＝1，因此，sinθc＝n2/n1，θc＝sin-1(n2/n1)。
因此，为了发生全反射，入射角应为临界角(θc＝sin-1(n2/n1))以上。
图4是用于说明基于图3所说明的全反射原理的本发明的全反射空间20的配置结构的图。
参照图4，当光学单元10的折射率设为n1，并且将填充在全反射空间20中的介质的折射率设为n2(n1>n2)时，为了将从图像出射部30射出并经过光学单元10的内部而传播的增强现实图像光在全反射空间20和光学单元10的边界面上被全反射，入射在全反射空间20和光学单元10的边界面上的增强现实图像光的入射角θi应具有临界角θc以上的值。
如上所述，由于θc＝sin-1(n2/n1)，因此基于图像出射部30的位置和瞳孔50的位置，全反射空间20在光学单元10的内部空间形成应满足θi≥sin-1(n2/n1)。
另外，为了使从图像出射部30射出并经由光学单元10内部而传播的增强现实图像光在全反射空间20和光学单元10的边界面上全反射，填充于全反射空间20的介质的折射率n2应小于光学单元10的折射率n1(n1>n2)，因此将具有小于光学单元10的折射率n1的折射率的介质填充在全反射空间20中。
例如，当光学单元10由玻璃或塑料材料形成时，折射率n1为1.5左右，填充在全反射空间20中的介质的折射率n2应具有比这小的值。
另一方面，由于真空情况下的折射率为1，可以将全反射空间20的内部形成为真空。在这种情况下，可以看出填充于全反射空间20的介质为真空。
另外，由于空气具有大约1.0003的折射率，因此可以用空气填充全反射空间20。另外，由于除了空气以外的气体通常具有接近于1的折射率，可以将具有小于光学单元10的折射率n1的折射率的其他气体作为填充于全反射空间20的内部的介质。
另外，由于水具有约为1.33的折射率，因此可以用水填充光学单元10的内部。或者，可以将具有小于光学单元10的折射率n1的折射率的其他液体用作填充于全反射空间20的内部的介质。
另外，可以将具有小于光学单元10的折射率n1的折射率的其他固体用作填充于光学单元10的内部的介质。
除此之外，可以将具有小于光学单元10的折射率n1的折射率的多种其他低折射介质用作填充于光学单元10的内部的介质。
另一方面，可以用相变材料填充全反射空间20的内部。
相变材料具有如下特性，在向全息存储器、光存储装置等中使用的材料施加能量后使其结晶化的过程中，折射率随着温度或压力等条件而发生变化。
光存储装置中所使用的代表性材料包括以GeSbTe(GST)为代表的Sb2Se3、Ge2Sb2Te5和TeOx(0＜x＜2)等，用激光将这些材料加热到高温后，若快速冷却，则变为非晶相，若缓慢冷却，则变为晶相，此时，产生晶相和非晶相的折射率之差。
全息存储器等中所使用的代表性材料包括丙烯酸酯类共聚物等，并且通过暴露于激光来改变其折射率。
在本发明中，将这种相变材料作为介质填充在用于形成全反射空间20的位置上，利用基于相变材料的条件的折射率的变化并且通过相变材料和光学单元10之间的折射率差，来能够使增强现实图像光在全反射空间20全反射。
填充于这种全反射空间20的介质优选由透明材料或半透明材料形成。
图5是用于说明全反射空间20的多种形式的图。
参照图5，示出了全反射空间20具有三种形式21、22、23的情形。
当从侧面观察光学单元10时，第一种形式的全反射空间21形成为薄板形式。
当从侧面观察光学单元10时，第二种形式的全反射空间22形成为三角形形式，整体观察时形成为棱镜(prism)的形状。这种棱镜形态的全反射空间22在从外部观察者的角度观察时实物图像光通过棱镜形状的全反射空间22以更大的角度折射或反射，因此传递至外部观察者的可能性变小，从而具有外部观察者难以识别出全反射空间22的优点。
当从侧面观察光学单元10时，第三种形式的全反射空间23虽然形成为薄板形式，但其特征在于，在除了增强现实图像光入射并被全反射的全反射面以外的其他面中的至少任意一个面上，形成有用于使光漫反射的漫反射面231。
在图5中，在全反射空间23的外表面231形成有多个锯齿形状的突起部，由此用作漫反射面。根据这种构件，由于全反射空间23的外表面231用作针对实物图像光的漫反射面，因此具有外部观察者难以识别出全反射空间22的优点。
另一方面，虽然未示出，全反射空间20和光学单元10的边界面中的至少任意一个的面形成为凹面或凸面，由此整体上可以形成为透镜形态。此时，任意一个的面为平面，并且其他面中的至少任意一个的面形成为凹面或凸面。这样，当全反射空间23形成为透镜形态时，因透镜的发散或会聚效应，具有难以从外部识别出全反射空间20的优点。
另外，全反射空间20可以形成为菲涅尔透镜形状。
图6是用于说明形成为菲涅尔透镜形状的全反射空间24的图。
众所周知，菲涅尔透镜(Fresnel Lens)是一种由蚀刻在塑料的连续的同心槽构成的光学部件，其具有薄而轻的特点，通过将现有光学透镜的曲面替换为具有相同曲率的同心槽，由此实现即使以较薄的厚度也具有与较厚的透镜相同的特性的效果。
利用这种菲涅尔透镜的原理，若将全反射空间24的全反射面的相反面形成为具有曲率的表面，则通过全反射面获得全反射的效果的同时，具有曲率的表面起到菲涅尔透镜的作用，因此具有从外部不好观察到全反射空间24的效果。另外，由于菲涅尔透镜的厚度较薄，因此提供从外部更不好观察到全反射空间24的优点。
图7是示例性示出从外部观察全反射空间20时的状态的图。
图7的(a)部分是示出从外部观察图5的第一种形式的全反射空间21的情况，图7的(b)部分是示出从外部观察图5的第二种形式的全反射空间22的情况，图7的(c)部分是示出从外部观察图5的第三种形式的全反射空间23的情况。
参照图7，可以确认到，与第一种形式的全反射空间21相比，第二种形式的全反射空间22从外部更难以辨认；与第二种形式的全反射空间22相比，第三种形式的全反射空间23更难以辨认，因此从外部几乎无法识别。
尽管未示出，图6的菲涅尔透镜形态的全反射空间24与图7的(c)部分类似地示出。
另一方面，除了这种形式以外，根据本发明的全反射空间20还可以由衍射光学元件(DOE)或全息光学元件(HOE)形成。
另外，在全反射空间20的用于使增强现实图像光全反射的全反射面以外的其他面中的至少一个面，可以涂覆用于遮蔽光的遮蔽材料。
另一方面，如之前在本发明的背景技术中所说明那样，全反射空间20形成为小于人的瞳孔尺寸的尺寸，即形成为8mm以下，更优选为4mm以下，以通过加深景深来能够获得针孔效应(pinhole effect)。
全反射空间20形成为小于人的一般的瞳孔尺寸，从而可以使针对经由全反射空间20而入射到瞳孔50的光的景深(Depth of Field)几乎接近于无穷大，因此能够获得针孔效应(pinhole effect)，所述针孔效应是，即使用户凝视实际世界并变更针对实际世界的焦距，也始终识别为增强现实图像的焦点是对准的。
这里，全反射空间20的尺寸是指，全反射空间20的边缘边界上的任意两个点之间的最大长度。
另外，全反射空间20的尺寸可以是，当将全反射空间20投影在垂直于瞳孔50和全反射空间20之间的直线的同时包括瞳孔50的中心的任意一个平面时，全反射空间20的正投影的边缘边界上的任意两个点之间的最大长度。
另一方面，在所述实施例中，仅仅示出了一个全反射空间20，但也可以形成有多个是理所当然的。
此时，多个全反射空间20的尺寸不必全部相同，一部分可以彼此不同。
另外，多个全反射空间20优选彼此隔开相同的间隔配置，但至少一部分的全反射空间20的间隔可以配置成与其他全反射空间20的间隔不同。
另外，多个全反射空间20中的至少一部分相对于光学单元10的倾斜角可以形成为与其他全反射空间31～35不同。
以上，参照本发明的优选实施例对本发明的结构进行了说明，但本发明不限于上述实施例，可以在本发明的范围内进行各种修改和变更。

Claims (13)

1.一种利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述增强现实用光学装置包括光学单元，所述光学单元用于向用户的眼睛的瞳孔透射作为从实物射出的图像光的实物图像光的至少一部分，
在所述光学单元的内部形成有全反射空间，所述全反射空间用于向用户的眼睛的瞳孔传递从图像出射部射出的增强现实图像光；
在所述全反射空间填充有具有小于光学单元的折射率的折射率的介质，
穿过所述光学单元的内部并传递至全反射空间的增强现实图像光，在所述全反射空间被全反射并向用户的眼睛的瞳孔传递。
2.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述全反射空间基于图像出射部和瞳孔的位置以入射到全反射空间和光学单元的边界面的增强现实图像光的入射角θi满足θi≥sin-1(n2/n1)的方式形成于光学单元的内部空间，
其中，n1为光学单元的折射率，n2为填充于全反射空间的介质的折射率。
3.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述全反射空间的内部形成为真空。
4.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
填充于所述全反射空间的内部的介质是具有小于所述光学单元的折射率的折射率的气体、液体或固体。
5.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
填充于所述全反射空间的介质由相变材料填充，所述相变材料根据温度或压力条件变为晶相和非晶相而发生折射率的差异。
6.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述全反射空间形成为棱镜形状。
7.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
在所述全反射空间的除了用于使增强现实图像光全反射的全反射面以外的其他面中的至少一个面，形成有用于使光漫反射的漫反射面。
8.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述全反射空间和光学单元的边界面中的至少任意一个形成为凹面和凸面。
9.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述全反射空间形成为菲涅尔透镜的形状。
10.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述全反射空间是衍射光学元件或全息光学元件。
11.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
在所述全反射空间的除了用于使增强现实图像光全反射的全反射面以外的其他面中的至少一个面，涂覆有用于遮蔽光的遮蔽材料。
12.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述全反射空间具有4mm以下的尺寸。
13.根据权利要求1所述的利用全反射的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述全反射空间形成有多个。
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