KR101588402B1

KR101588402B1 - 스마트안경용 광학시스템

Info

Publication number: KR101588402B1
Application number: KR1020140115990A
Authority: KR
Inventors: 김민석
Original assignee: 주식회사 라온텍
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-01-25

Abstract

본 발명은 착용자의 얼굴에서 일측에 영상을 출력하는 소형투영기를 위치시키고, 착용자의 얼굴에서 타측에 사용자의 눈으로 투영기의 영상을 반사하기 위한 광학필름을 위치시켜서, 소형투영기에서 출력되는 영상이 광학필름에 투사되게 하여 영상의 투사거리가 증대되게 함으로써 착용자에게 대면적의 가상화면을 제공할 수 있는 스마트안경용 광학시스템에 관한 것이다.
본 발명의 특징은, 사용자의 후두부에 착용되어서 사용자 안면의 양측으로 양단이 돌출되는 착용대(10)와, 착용대(10)의 양단에 서로 마주되게 구비되어서 영상을 출력하는 소형투영기(20)와, 소형투영기(20)들에 각각 구비되어 맞은편의 소형투영기(20)에 대응되는 상태에서 후면으로 조사되는 소형투영기(20)의 영상은 투과시키고 전면으로 조사되는 소형투영기(20)의 영상은 반사시켜서 사용자의 눈으로 제공하는 반투과부재(30)를 포함한다.

Description

스마트안경용 광학시스템{OPTICAL SYSTEM FOR SMART EYEGLASS}

본 발명은 영상이 사용자 얼굴의 일측에서 사용자 얼굴의 타측으로 투사되게 한 후에 사용자의 눈으로 반사되게 함으로써, 영상의 투사거리를 최대로 증대시킬 수 있어서 사용자에게 대면적의 가상화면을 제공할 수 있는 스마트안경용 광학시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 헤드 마운트 디스플레이(HMD)란 안경처럼 머리에 착용하여 멀티미디어 컨텐츠를 제공받아서 안구에 근접한 형태에서 가상의 영상을 디스플레이하는 디지털 디바이스를 말한다. 디지털 디바이스의 경량화 및 소형화 추세에 따라, 다양한 웨어러블 컴퓨터(Wearable Computer)가 개발되고 있으며, 상기 HMD 또한 웨어러블 컴퓨터의 출력장치로써 널리 사용되고 있다.

이와 같은, HMD는 단순한 디스플레이 기능을 넘어 증강 현실 기술, N 스크린 기술 등과 조합 되어 유저에게 다양한 편의를 제공할 수 있고, 다양한 외부 디지털 디바이스와 연계하여 사용 가능하며, 외부 디지털 디바이스와 통신을 수행하여 해당 외부 디지털 디바이스의 컨텐츠를 출력할 수 있을 뿐만 아니라, 외부 디지털 디바이스를 위한 유저 입력을 수신하거나 해당 외부 디지털 디바이스와 연동한 작업의 수행도 가능하다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, HMD는 사용자의 안면에 거치되는 안경테와 같은 프레임과 프레임에 구비되면서 반투과막에 영상을 투영하는 소형투영기로 구성된다. 즉, 사용자가 프레임을 안경처럼 얼굴에 착용하면 프레임에 일체적으로 구비된 소형투영기에서 투영된 영상이 반투과막에 표시되고 사람은 반투과막에서 반사된 영상을 볼 수 있다. 반투과막은 안구에 너무 근접해 있기 때문에 초점을 맞추기 어려워 사람이 볼 때 일정 거리만큼 떨어져 있는 것처럼 느끼는 가상의 영상(Vitual Image)을 만들 수 있도록 투영기가 제작된다.

그러나, 기존의 제품들은 투영기와 반투과막이 사람의 좌측 또는 우측에 같이 구비되어 있는 구조이므로 투영기와 반투과막이 근접된 상태로 구성된다. 이 때문에 영상의 투사거리가 매우 짧아지게 되고 투영기에서 투영되는 영상이 층분히 확대되지 못하여 대형화면을 제공하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 특허청에 공개특허공보 특2002-0088216호(2002.11.27.)가 개시되어 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 영상이 사용자 얼굴의 일측에서 사용자 얼굴의 타측으로 투사되게 한 후에 사용자의 눈으로 반사되게 함으로써, 영상의 투사거리를 최대로 증대시킬 수 있어서 사용자에게 대면적의 가상화면을 제공할 수 있는 스마트안경용 광학시스템를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 스마트안경용 광학시스템은, 사용자의 후두부에 착용되어서 사용자 안면의 양측으로 양단이 돌출되는 착용대(10)와, 착용대(10)의 양단에 서로 마주되게 구비되어서 영상을 출력하는 소형투영기(20)와, 소형투영기(20)들에 각각 구비되어 맞은편의 소형투영기(20)에 대응되는 상태에서 후면으로 조사되는 소형투영기(20)의 영상은 투과시키고 전면으로 조사되는 소형투영기(20)의 영상은 반사시켜서 사용자의 눈으로 제공하는 반투과부재(30)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, , 반투과부재(30)는 평판형태의 광학필름으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 소형투영기(20)는 수평편광이나 수직편광의 영상을 출력하도록 구성되고, 반투과부재(30)는 수평편광 빛은 투과하고 수직편광 빛은 반사하거나 수직편광 빛은 투과하고 수평편광 빛은 반사하도록, PBS (Polarizing Beam Splitter)의 특성을 지닌 광학필름으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 소형투영기(20)는 상부와 하부에 회전힌지(21)가 설치되고, 반투과부재(30)는 일단의 상단과 하단에 회전단(31)이 형성되어 소형투영기(20)의 회전힌지(21)에 회전가능하게 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자의 후두부에 착용되어서 사용자 안면의 양측으로 양단이 돌출되는 착용대(10)와, 착용대(10)의 일단에 구비되어서 영상을 출력하는 소형투영기(20)와, 소형투영기(20)와 대응되도록 착용대(10)의 타단에 구비되어서 소형투영기(20)에서 출력되는 편광영상을 반사시켜서 사용자의 눈으로 제공하는 반투과부재(40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 반투과부재(40)는 소형투영기(20)에서 출력되는 편광영상을 반사시키고 외부의 빛은 투과시키시며 평면판이나 오목면판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 착용대(10)는 원호형태의 샤프트로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 착용대(10)는 원호형태로 휘어진 복수의 착용샤프트(11)와, 착용샤프트(11)들 각각의 일단이 회전가능하게 고정되는 제1힌지(12)와, 착용샤프트(11)의 타단에 설치되어 소형투영기부(20)나 반투과부재(30)가 회전가능하게 고정되는 제2힌지(13)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 영상이 사용자 얼굴의 일측에서 사용자 얼굴의 타측으로 투사되게 한 후에 사용자의 눈으로 반사되게 함으로써, 영상의 투사거리를 최대로 증대시킬 수 있어서 사용자에게 대면적의 가상화면을 제공할 수 있는 이점이 있다.

또한, 영상이 반사되는 광학필름이 반투명하게 구성되어 사용자가 전방을 주시함과 동시에 반사되는 임의의 영상도 함께 확인할 수 있어서 개방형(see-through type) HMD에 적용될 수 있는 이점이 있다.

또한, 사용자의 후두부에 착용되는 착용대의 양단에 소형투영기와 광학필름이 각각 설치됨에 의해 착용대의 밸런스가 좋아지는 이점이 있고, 착용대가 원호형태로 형성됨에 의해 사용자의 후두부에 밀착력이 증대되면서 착용감이 좋아지는 이점도 있다.

또한, 소형투영기나 광학필름이 착용대에 회전가능하게 구비됨에 의해 투영기나 광학필름이 착용대의 외측으로 펼쳐져서 사용될 수 있고 투영기나 광학필름이 착용대의 내측으로 접혀져서 보관될 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 HMD를 보인 사시도.
도 2는 도 1의 요부를 확대 도시한 확대도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트안경용 광학시스템을 보인 사시도.
도 4는 본 발명의 스마트안경용 광학시스템가 사용자의 얼굴에 착용된 상태를 보인 도면.
도 5는 본 발명의 사용상태를 보인 도면.
도 6은 본 발명의 다른 사용상태를 보인 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 사용상태를 보인 도면.
도 8은 본 발명의 소형투영기들에서 반투과부재들로 각각의 영상이 반대방향으로 조사되는 상태를 보인 사용상태도.
도 9는 본 발명의 반투과부재들에서 반사되는 각각의 영상이 사용자의 눈으로 제공되는 상태를 보인 사용상태도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스마트안경용 광학시스템을 보인 사시도.
도 11은 본 발명의 소형투영기에서 조사되는 영상이 반투과부재에서 반사되는 영상이 사용자의 눈으로 제공되는 상태를 보인 사용상태도.
도 12는 본 발명의 사용상태를 보인 도면.
도 13은 본 발명에 적용되는 반투과부재의 다른 예를 보인 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세히 살펴본다.

도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 스마트안경용 광학시스템은, 착용대(10)와, 소형투영기(20)와, 반투과부재(30)를 포함한다.

착용대(10)는 사용자의 후두부에 착용되기 위한 것으로 원호형태의 샤프트로 구성된다. 이러한, 착용대(10)는 반원형태이면서 탄성을 갖는 샤프트로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 착용대(10)가 탄성력에 의해 착용자의 후두부에 밀착된 상태로 착용될 수 있어서 착용대(10)가 후두부에서 이탈되지 않고 착용된 상태가 견고하게 유지될 수 있다. 그리고, 착용대(10)는 사용자의 후두부에 전체적으로 고르게 지지되므로 소형투영기(20)와 반투과부재(30)와 소형투영기(20)에 전원을 공급하는 배터리나 전자회로부품들의 하중이 후두부에 고르게 전달되어 착용감이 우수하다. 또한, 착용대(10)가 사용자의 후두부에 착용되도록 "U"형태인 헤드셋형태를 이루게 되므로 음향을 청취하기 위한 이어폰이 연결가능하며 안경을 착용한 사용자도 편리하게 사용할 수 있다.

그리고, 착용대(10)는 착용자의 후두부에 전체적으로 고르게 지지되어서 착용도록 원호형태로 휘어진 샤프트로 구성된다. 더욱이, 착용대(10)는 반원형태로 형성되는 경우 착용자의 후두부에 착용된 상태에서 양단이 착용자의 얼굴의 좌우양단에 위치될 수 있다. 이때, 착용대(10)의 양단에 소형투영디스플레이부(20)들이 구비되고 반투과재부(30)들도 같이 구비됨에 의해 전체적인 무게 밸런스가 확보되어 착용감이 우수해지는 이점이 있다.

또한, 착용대(10)는 원호형태로 휘어진 복수의 착용샤프트(11)와, 착용샤프트(11)들 각각의 일단이 회전가능하게 고정되는 제1힌지(12)를 포함한다. 따라서, 제1힌지(12)를 중심으로 착용샤프트(11)들이 회전되어서 서로 겹쳐지는 경우 착용대(10)의 부피를 최소화시킬 수 있어서 휴대 및 보관이 편리하다. 즉, 착용대(10)는 폴더형태로 접혀지거나 펼쳐지므로 전체적인 길이를 반으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 사용상의 편리한 점이 있다.

또한, 착용대(10)는 착용샤프트(11)의 타단에 설치되어 소형투영기(20)나 반투과부재(30)가 회전가능하게 고정되는 제2힌지(13)를 더 포함한다.

이러한, 제2힌지(13)를 통해 소형투영기(20)가 정회전이나 역회전될 수 있어서 소형투영기(20)가 착용대(10)의 내측으로 밀착되거나 소형투영기(20)가 착용대(10)의 외측으로 펼쳐질 수 있다. 즉, 소형투영기(20)가 착용대(10)의 내측으로 위치되면 전체적인 부피가 축소될 수 있어서 휴대 및 보관이 용이하다.

소형투영기(20)는 착용대(10)의 양단에 서로 마주되게 구비되어서 영상을 출력하는 것으로 마이크로디스플레이를 포함할 수 있다. 이러한, 소형투영기(20)는 마이크로디스플레이와 광원 및 렌즈로 구성되어 영상을 투영하는 영상출력부와, 영상출력부로 제공되기 위한 영상이 저장되는 메모리와, 메모리에 저장된 영상을 화면으로 출력시키도록 프로그래밍 가능한 IC칩과 전자부품이 탑재된 회로기판이 내장될 수 있다. 이러한, 소형투영기(20)는 수평편광, 수직편광의 영상을 각각 투영할 수 있도록 편광특성을 가지는 액정마이크로디스플레이와 PBS(Polarizing Beam Splitter), 편광판(Polarizer) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 소형투영기(20)는 복수로 구성되어 착용대(10)의 양단에 서로 마주되게 구비될 수 있다. 이때, 소형투영기(20)는 서로 마주된 상태로 착용자의 얼굴 양옆에서 서로를 향해 영상을 출력할 수 있다. 즉, 출력되는 영상들은 착용자의 눈으로 조사되지 않고 눈앞으로 지나게 된다.

또한, 소형투영기(20)는 상부와 하부에 회전힌지(21)가 설치될 수 있다. 이러한, 회전힌지(21)에는 반투과부재(30)가 회전가능하게 설치될 수 있다.

반투과부재(30)는 소형투영기(20)들에 각각 구비되어 맞은편의 소형투영기(20)에 대응되는 상태에서 후면으로 조사되는 소형투영기(20)의 영상은 투과시키고 전면으로 조사되는 소형투영기(20)의 영상은 반사시켜서 사용자의 눈으로 제공하는 것으로 소형투영기부(20)에서 투영되는 빛의 편광특성에 따라 선별적으로 반사와 투과가 이루어지는 판형태의 광학필름으로 구성될 수 있다. 이러한, 평면광학필름은 bulk타입의 광학부품보다 가볍고 제작이 수월하다.

그리고, 반투과부재(30)는 일단의 상단과 하단에 회전단(31)이 형성될 수 있다. 이러한, 회전단(31)이 전술한 소형투영기(20)의 회전힌지(21)에 회전가능하게 고정됨으로 반투과부재(30)가 회전힌지(21)를 통해 회전될 수 있어서 착용대(10)의 내측에 밀착되는 경우 반투과부재(30)가 착용대(10)의 내측에 위치되어서 전체적인 부피가 최소화되므로 휴대 및 보관이 용이하다. 물론, 반투과부재(30)가 착용대(10)의 외측으로 펼쳐져서 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예를 더욱 상세히 설명한다.

소형투영기부(20)는 착용대(10)의 일단에 구비되는 좌측 소형투영기부(20A)와 착용대(10)의 타단에 구비되는 우측 소형투영기부(20B)로 구성될 수 있다.

좌측 소형투영기부(20A)는 수평편광의 영상이 투영되도록 구성되고, 우측 소형투영기부(20B)는 수직편광의 영상이 투영되도록 구성된다.

반투과부재(30)는 우측 소형투영기부(20B)에 구비되는 좌안용 반투과부재(30A)와 좌측 소형투영기부(20A)에 구비되는 우안용 반투과부재(30B)로 구성될 수 있다.

좌안용 반투과부재(30A)는 수평편광 빛은 투과하고 수직편광 빛은 반사하도록 구성되고, 우안용 반투과부재(30B)는 수직편광 빛은 투과하고 수평편광 빛은 반사되도록 구성된다.

따라서, 좌측 소형투영기부(20A)에서 투영되는 수평편광의 영상이 좌안용 반투과부재(30A)를 투과하면서 우안용 반투과부재(30B)에서 반사되어 사용자의 우안으로 제공될 수 있다.

이와 동시에, 우측 소형투영기부(20B)에서 투영되는 수직편광의 영상이 우안용 반투과부재(30B)를 투과하면서 좌안용 반투과부재(30A)에서 반사되어 사용자의 좌안으로 제공될 수 있다.

여기서, 전술한 바와 달리 좌측 소형투영기부(20A)는 수직편광의 영상이 투영되도록 구성되고, 우측 소형투영기부(20B)는 수평편광의 영상이 투영되도록 구성되고, 좌안용 반투과부재(30A)는 수직편광 빛은 투과하고 수평편광 빛은 반사하도록 구성되고, 우안용 반투과부재(30B)는 수평편광 빛은 투과하고 수직편광 빛은 반사되도록 구성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 의하면 소형투영기(20)의 영상이 사용자 얼굴의 일측에서부터 사용자 얼굴의 앞을 지나 사용자 얼굴의 타측에 위치된 반투과부재(30)에 투영되므로 사용자 얼굴의 넓이만큼 영상의 투사거리가 증대될 수 있어서, 증대된 투사거리에 의해 사용자에게 대화면이 제공될 수 있다.

도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 스마트안경용 광학시스템은, 착용대(10)와, 소형투영기(20)와, 반투과부재(40)를 포함한다.

착용대(10)는 전술한 바와 같이 "U"형태로 형성되면서 양단에 제2힌지(13)들이 구비된다. 즉, 제2힌지(13)들에 소형투영기(20)와 반투과부재(40)가 각각 설치될 수 있어서, 제2힌지(13)들을 중심으로 소형투영기(20)와 반투과부재(40)가 각각 회전될 수 있다.

소형투영기(20)는 편광특성을 포함하지 않는 영상이 출력이 출력되도록 구성될 수 있다.

반투과부재(40)는 소형투영기(20)에서 출력되는 편광영상을 반사시키고 외부의 빛은 투과시키시며 평면판이나 오목면판으로 구성될 수 있다. 여기서, 반투과부재(40)는 편광영상은 반사시키고 야외의 빛은 투과되는 광학필름으로 구성될 수 있다. 따라서, 반투과부재(40)에서 소형투영기(20)의 편광영상이 반사되어서 사용자의 눈으로 제공됨과 동시에, 외부의 빛도 반투과부재(40)를 투과하여서 사용자의 눈으로 제공될 수 있다. 즉, 사용자는 소형투영기(20)의 편광영상과 야외의 주변환경을 동시에 확인할 수 있다.

특히, 오목면판으로 구성되는 반투과부재(40)에 의해 가상영상이 확대될 수 있어서 사용자에게 대형화면을 제공할 수 있다. 즉, 오목면경은 사용자에게 평면판보다 확대된 영상을 제공할 수 있다.

따라서, 소형투영기(20)에서 조사되는 영상이 반사재부(40)에서 반사되므로 착용자의 한쪽 안구에 반사되는 영상이 제공될 수 있다. 즉, 착용자의 한쪽 안구는 영상을 확인하는 상태로 다른 쪽 안구는 주위환경을 주시할 수 있다.

물론, 소형투영기(20)와 반사재부(40)가 제2힌지(13)들을 통해 착용대(10)의 내측으로 접혀질 수 있어서 전체적인 부피가 최소화되므로 보관 및 휴대가 용이하다.

따라서, 본 발명은 소형투영기(20)에서 조사되는 영상이 반사재부(40)를 통해 반사되어서 사용자의 안구에 제공되므로 영상의 투사거리가 증대됨에 의해 반사되는 영상이 확대된 가상의 대화면을 착용자의 안구에 제공할 수 있으므로, ＨＭＤ에 적용되어서 널리 사용될 수 있는 매우 유용한 발명이라 할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 착용대
11 : 착용샤프트
12 : 제1힌지
13 : 제2힌지
20 : 소형투영기
20A : 좌측 소형투영기부
20B : 우측 소형투영기부
21 : 회전힌지
30 : 반투과부재
30A : 좌안용 반투과부재
30B : 우안용 반투과부재
31 : 회전단
40 : 반투과부재

Claims

사용자의 후두부에 착용되어서 사용자 안면의 양측으로 양단이 돌출되는 착용대(10)와,
착용대(10)의 양단에 서로 마주되게 구비되어서 영상을 출력하는 소형투영기(20)와,
소형투영기(20)들에 각각 구비된 상태로 눈앞에 위치되어 맞은편의 소형투영기(20)에 대응되는 상태에서 후면으로 조사되는 소형투영기(20)의 영상은 투과시키고 전면으로 조사되는 소형투영기(20)의 영상은 반사시켜서 사용자의 눈으로 제공하는 반투과부재(30)를 포함하며,
착용대(10)는 "U"형태로 휘어지는 샤프트로 구성되고,
소형투영기(20)는 수평편광이나 수직편광의 영상을 출력하도록 구성되고, 상부와 하부에 회전힌지(21)가 설치되며,
반투과부재(30)는 수평편광 빛은 투과하고 수직편광 빛은 반사하거나 수직편광 빛은 투과하고 수평편광 빛은 반사하도록, PBS (Polarizing Beam Splitter)의 특성을 지닌 평판형태의 광학필름으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트안경용 광학시스템.
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청구항 1에 있어서,
소형투영기(20)는 상부와 하부에 회전힌지(21)가 설치되고,
반투과부재(30)는 일단의 상단과 하단에 회전단(31)이 형성되어 소형투영기(20)의 회전힌지(21)에 회전가능하게 고정되는 것을 특징으로 하는 스마트안경용 광학시스템.
사용자의 후두부에 착용되어서 사용자 안면의 양측으로 양단이 돌출되는 착용대(10)와,
착용대(10)의 일단에 구비되어서 영상을 출력하는 소형투영기(20)와,
소형투영기(20)와 대응되도록 착용대(10)의 타단에 구비되어서 소형투영기(20)에서 출력되는 편광영상을 반사시켜서 사용자의 눈으로 제공하는 반투과부재(40)를 포함하며,
착용대(10)는
원호형태로 휘어진 복수의 착용샤프트(11)와,
착용샤프트(11)들 각각의 일단이 회전가능하게 고정되는 제1힌지(12)와,
착용샤프트(11)의 타단에 설치되어 소형투영기부(20)나 반투과부재(30)가 회 전가능하게 고정되는 제2힌지(13)를 포함하고,
반투과부재(40)는 소형투영기(20)에서 출력되는 편광영상을 반사시키고 외부의 빛은 투과시키시며 평면판이나 오목면판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트안경용 광학시스템.
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