KR101894556B1 - 광학 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심도가 깊은 화상을 제공하고 렌즈 모듈의 가용 범위가 넓은 광학 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광학 장치는 화상을 출력하는 디스플레이부; 상기 디스플레이부에서 출력되는 화상을 반사시키며, 크기가 4mm 이하인 적어도 하나의 반사부; 상기 디스플레이부 및 상기 적어도 하나의 반사부가 고정되는 프레임부를 포함하는 것에 기술적 특징이 있다.

Description

광학 장치{OPTICAL DEVICE}

본 발명은 반사, 굴절 또는 회절을 이용하는 광학 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자에게 심도가 깊은 화상을 제공하고 광학 장치를 구성하는 광학 모듈의 가용 범위가 넓은 광학 장치에 관한 것이다.

증강현실(Augmeted Reality)이란 사용자가 눈으로 보는 현실세계에 가상화면(가상세계)을 겹쳐 보여주는 기술로서, 현실세계에 실시간으로 부가정보를 갖는 가상세계를 합쳐 하나의 영상을 보여주기 때문에 초기에는 혼합현실로 불리기도 했다.

이러한 증강현실은 see-through HMD(Head Mounted Display)를 발전시킨 것을 시초로 하여 연구되기 시작하였는데 가상현실(Virtual Reality)과는 다른 의미를 가진다. 가상현실은 사용자가 가상의 환경에 몰입하게 하므로 사용자는 실제의 환경을 볼 수 없는 반면, 증강현실은 사용자가 실제의 환경을 볼 수 있으며, 실제의 환경과 가상의 객체가 혼합된 형태를 띤다. 다시 말해, 가상현실은 현실세계를 대체하여 사용자에게 보여주지만 증강현실은 현실세계에 가상의 물체를 중첩함으로써 현실세계를 보충하여 사용자에게 보여주는 점에서 차이가 있다.

이와 같은 증강현실을 구현하기 위해 주로 HMD가 이용되는데, 이러한 HMD의 렌즈 모듈(광학계 모듈)은 대부분 그 구조가 복잡하여 제작이 매우 힘든 문제점이 있고, 복잡한 구조에 의해 렌즈 모듈의 크기도 크고 무게도 무거울 수밖에 없는 문제점이 있다.

이러한 종래의 증강현실을 구현하기 위한 장치 중 하나로, '특허문헌 1'에는 고글부 회전 구조를 갖는 헤드마운트 디스플레이 장치가 개시되어 있다. '특허문헌 1'의 고글부 회전 구조를 갖는 헤드마운트 디스플레이 장치는 외부시야를 온전히 확보하면서도 안구의 상하 이동만으로 가상화면의 시청이 가능하도록, 힌지 구조를 갖는 것에 기술적 특징이 있다.

'특허문헌 2'에는 증강현실 구현을 위한 광학시스템장치 및 헤드마운트 디스플레이장치가 개시되어 있는데, '특허문헌 2'의 증강현실 구현을 위한 광학시스템장치 및 헤드마운트 디스플레이장치는 가상영상(가상화면)과 실재영상(외부시야)가 정합될 때 오차를 극소화하기 위해 실재영상 중 일부인 제1 영상을 투과시키고 나머지 일부인 제2 영상의 광경로를 변경시키는 제1 반사부; 상기 제2 영상의 광경로를 재변경시키는 제2 반사부; 상기 제2 영상이 수집되는 영상수집부; 상기 제2 영상을 기초로 상기 가상영상을 생성하고, 상기 가상영상이 디스플레이 패널에서 출사되도록 하는 제어부; 상기디스플레이 패널에서 출사된 가상영상을 확대하기 위한 확대렌즈부; 및 상기 확대렌즈부를 통해 확대된 상기 가상영상이 사용자의 망막에 결상되도록 하는 제3 반사부;를 포함하는 것에 기술적 특징이 있다.

'특허문헌 1' 및 '특허문헌 2'를 포함한 종래의 종래의 증강현실을 구현하기 위한 장치는 위와 같은 구조적인 문제점으로 인해 렌즈 모듈의 개수, 렌즈 모듈의 배치 형태, 디스플레이 모듈(기기)의 배치 형태가 매우 제한적일 수밖에 없는 문제점이 발생한다.

또한 종래의 증강현실을 구현하기 위한 장치는 복잡한 구조를 가짐에도 불구하고 위와 같은 문제점뿐만 아니라 사용자에게 일정하게 선명한 가상화면을 전혀 제공하고 있지 못하는 문제점이 있다.

증강현실은 앞서 살펴본 바와 같이 사용자가 현실세계를 인식할 때 가상화면까지 중첩하여 동시에 인식할 수 있도록 하는 기술인데, 사용자가 현실시계를 인식할 때-바라볼 때- 초점을 멀리 두거나 가까이 두는 등 사용자 자신이 원하는 곳에 초점을 두면-초점거리를 변경하면- 가상화면이 흐리게 보이거나 선명하게 보이거나 할 수 있다. 다시 말해, 가상화면을 제공(반사)하는 렌즈모듈의 초점이 정해져 있기 때문에 사용자가 초점거리를 변경하다 초점이 맞는 경우에만 사용자가 선명한 가상화면을 볼 수 있고, 초점이 맞지 않은 경우에는 흐린-선명하지 못한- 가상화면을 보게 되는 것이다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래기술의 하나로 '특허문헌 3'에 초점조절이 가능한 HMD용 광학계 모듈이 개시되어 있다. 구체적으로 '특허문헌 3'의 초점조절이 가능한 HMD용 광학계 모듈은 디스플레이패널에서 나온 가상화면을 받아 내부 전반사 시킨 후 다음 광학계로 가상화면을 보내주는 화면 전달 렌즈; 화면 전달 렌즈에서 보내준 가상화면을 받아 각도를 조절하여 가상화면을 반사시킴으로 초점을 조절하여 다음 광학계로 보내주는 조절 프리즘; 조절 프리즘에서 보내준 가상화면을 반사시키고 외부로부터 오는 현실화면을 합쳐 착용자의 눈으로 보내주는 결합기를 포함하는 구성이 개시되어 있다.

이러한 '특허문헌 3'의 초점조절이 가능한 HMD용 광학계 모듈은 초점조절이 가능하긴 하나, 여기서 초점조절은 사용자가 초점을 조절하여 자기가 주로 보는 시야에 어느 하나의 초점을 맞추는 것-어느 하나의 초점을 고정하는 것-을 의미하는 것으로 위에서 지적한 사용자가 현실세계를 응시하면서 초점거리를 변경할 때에 선명하지 못한 가상화면을 획득하는 문제점을 전혀 해결하고 있지 못하고 있다.

또한 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래기술의 하나로 '특허문헌 4'에 증강 현실 시스템 및 개선된 초점 제공 방법이 개시되어 있다. 구체적으로 '특허문헌 4'의 증강 현실 시스템 및 개선된 초점 제공 방법은 소프트웨어의 제어 하에서 현재 사용자 초점 영역을 결정하기 위한 프로세서; 프로세서의 제어 하에서 현재 사용자 초점 영역 내에 가변 초점 렌즈의 초점을 맞추기 위한 초점 영역 조정 유닛을 포함하는 구성이 개시되어 있다. '특허문헌 4'에 증강 현실 시스템 및 개선된 초점 제공 방법은 물리적인 방법으로 전혀 위와 같은 문제점을 해결하고 있지 못하고 있고, 현재 사용자의 초점 영역을 결정하기 위해 별도의 프로세서가 필요하며, 이러한 프로세서의 제어를 위해 별도의 소프트웨어가 필요하기 때문에 소프트웨어 및 프로세서의 오작동 및 오류가 발생할 수 있는 문제점이 있을 뿐만 아니라 별도의 프로세서 및 소프트웨어가 설치되기 때문에 제작비용이 비싼 문제점이 있다.

KR 10-1646873 B1 (2016. 08. 02.) KR 10-1524933 B1 (2015. 05. 26.) KR 10-2015-0116142 A (2015. 10. 15.) KR 10-2013-0126623 A (2013. 11. 20.)

본 발명은 상술한 문제점 및 필요성을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 디스플레이부에서 출력되는 화상을 반사시키는 반사부가 소형화되어 반사 부의 개수 및 배치의 가용범위가 확대되고, 디스플레이부의 개수 및 배치의 가용범위가 확대되며, 이와 동시에 사용자에게 심도(Depth of Field)가 깊은 화상-영상 또는 이미지-을 제공할 수 있는 광학 장치를 제공하는 것에 목적이 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.

본 발명에 따른 광학 장치는 화상을 출력하는 디스플레이부; 상기 디스플레이부에서 출력되는 화상을 반사시키며, 크기가 4mm 이하인 적어도 하나의 반사부; 상기 디스플레이부 및 상기 적어도 하나의 반사부가 고정되는 프레임부를 포함하는 것에 기술적 특징이 있다.

또한 상기 적어도 하나의 반사부가 설치되는 보조 광학부를 더 포함하고, 상기 보조 광학부가 상기 프레임부에 고정될 수 있다.

또한 상기 보조 광학부는 가시광선이 투과되도록 하는 투명 광학 소자로 이루어지고, 상기 적어도 하나의 반사부가 상기 보조 광학부 외부 또는 내부에 설치될 수 있다.

또한 상기 디스플레이부가 상기 프레임부에 고정되되, 상기 보조 광학부의 측면 쪽에 설치될 수 있다.

또한 상기 적어도 하나의 반사부가 상기 보조 광학부의 내부에 매립되어 설치될 수 있다.

또한 상기 보조 광학부는 가시광선이 투과되지 않도록 하는 불투명 광학 소자로 이루어지고, 상기 적어도 하나의 반사부가 상기 보조 광학부 외부 또는 내부에 설치될 수 있다.

또한 상기 디스플레이부에서 출력된 화상을 굴절시키는 굴절 광학 소자, 상기 디스플레이부에서 출력된 화상을 반사시키는 반사 광학 소자, 상기 디스플레이부에서 출력된 화상을 회절시키는 회절 광학 소자 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 디스플레이부에서 출력된 화상이 상기 보조 광학부의 측면에서 굴절되도록, 상기 보조 광학부의 측면이 곡면으로 형성될 수 있다.

또한 상기 적어도 하나의 반사부가 금속으로 형성될 수 있다.

또한 상기 적어도 하나의 반사부가 광학 소자(Optical Element)로 형성될 수 있다.

또한 상기 적어도 하나의 반사부는 모서리가 없는 형태로 형성될 수 있다.

또한 상기 적어도 하나의 반사부는 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다.

또한 상기 적어도 하나의 반사부의 표면이 곡면으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 광학 장치는 위와 같은 구성에 의해 반사부가 소형화되어 반사부의 개수 및 배치의 가용범위가 확대되고, 디스플레이부의 개수 및 배치의 가용범위가 확대될 수 있다. 즉, 본 발명은 반사부 및 디스플레이부의 설치 개수 및 설치 위치에 대한 자유도가 매우 높아진다.

또한 본 발명에 따른 광학 장치는 위와 같은 구성에 의해 전체적인 광학 장치의 구성이 매우 단순해 진다. 또한 광학 장치의 무게가 가벼지고 부피가 작아지며 제작비용이 절감되는 효과가 발생한다.

또한 본 발명에 따른 광학 장치는 사용자에게 심도가 깊은 화상을 제공할 수 있다. 따라서 사용자는 현실세계를 바라볼 때 초점거리를 조절하더라도 초점거리에 상관없이 항상 선명한 화상을 획득할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 광학 장치는 위와 같은 구성에 의해 사용자가 자신의 시력에 관계없이 선명한 화상을 획득할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광학 장치의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 광학 장치의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 3 및 4는 본 발명에 따른 광학 장치의 효과를 설명하기 위한 도면
도 5 내지 9는 본 발명에 따른 광학 장치의 또 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 10는 핀홀 렌즈를 통해 영상을 보는 경우 선명한 영상을 볼 수 있는 원리를 설명하기 위한 도면
도 11은 본 발명에 따른 광학 장치의 핀홀 효과를 설명하기 위한 도면
도 12 내지 도 14은 본 발명에 따른 광학 장치를 사용하여 획득한 이미지 및 종래의 광학 장치를 사용하여 획득한 이미지를 비교한 도면

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

한편, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 발명에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광학 장치의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1 참조하면, 본 발명에 따른 광학 장치는 화상을 출력하는 디스플레이부(100); 디스플레이부(100)에서 출력되는 화상을 반사시키며, 크기가 4mm 이하인 적어도 하나의 반사부(200); 디스플레이부(200); 및 적어도 하나의 반사부(200)가 고정되는 프레임부(300)를 포함하여 구성되고, 필요에 따라 적어도 하나의 반사부(200)가 설치되는 보조 광학부(400)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 1은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 디스플레이부(100) 및 반사부(200)는 실제의 크기에 따른 비율과는 다소 다르게 표현되어 있다. 예를 들어 반사부(200)는 그 크기가 4mm 이하로 형성되기 때문에 육안으로 식별할 때는 그 크기가 매우 작다. 또한 반사부(200)는 필요에 따라 육안으로 식별하기 힘들 정도로 작게 형성될 수도 있다. 이처럼 본 발명에서 도면은 발명의 이해를 돕기 위해 반사부(200)의 크기를 다소 과장하여 표현했다.

디스플레이부(100)는 화상을 출력하는 구성요소로, 다양한 종류의 화상-모든 시각적 요소를 포함하는 것으로 이미지와 영상을 모두 포함하는 개념-을 출력할 수 있으면 될 뿐 디스플레이부(100)의 크기나 종류 모양에 한정이 있는 것은 아니다. 오히려 본 발명에서는 이어서 살펴볼 반사부(200)의 특징에 의해 디스플레이부(100)의 크기나 설치되는 위치(배치)를 매우 자유롭게 설정할 수 있다.

반사부(200)는 디스플레이부(100)로부터 출력되는 화상을 반사시키는데, 반사된 화상이 사용자의 눈에 도달할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한 반사부(200)는 그 크기가 4mm 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 반사부(200)의 크기는 사람의 동공의 크기보다 작게 형성시키기 위한 것으로 사람의 동공의 크기는 일반적으로 2 내지 6mm 인 것으로 알려져 있다. 사람의 동공의 크기가 다를 수 있으므로 그 평균인 4mm 이하인 것이 바람직하다.

또한 반사부(200)는 그 크기가 2mm 이하로 형성될 수 있는데, 사람의 동공의 크기는 일반적으로 2 내지 6mm 인 것으로 알려져 있기 때문에, 반사부(200)의 크기를 2mm 이하로 형성시킨 다면 언제든지 사람의 동공보다 작게 형성될 수 있다.

또한 반사부(200)의 반사율은 100%가 되도록 구성되는 것이 바람직한데, 이를 위해 반사부(200)가 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)으로 반사부(200)가 구성될 수 있고, 이외 에도 다양한 종류의 금속, 합금 또는 합성수지 등이 이용될 수도 있다.

또한 반사부(200)는 다양한 소재의 광학 소자(Optical Element)로 형성될 수 있는데, 예를 들어 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element)로 반사부(200)가 형성되어 회절 격자 반사가 가능하도록 구성될 수 있다. 이때 사용자가 얻게 되는 화상은 홀로그래픽 형태를 갖게 된다. 또한 홀로그래픽 광학 소자 이외에 다른 종류의 소자가 사용되어 회절 격자 반사가 가능하도록 구성될 수도 있다.

도 2는 본 발명에 따른 광학 장치의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로, 본 발명에 따른 광학 장치는 위와 같은 특징의 반사부(200)가 적어도 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 도 2는 보조 광학부(400)에 반사부(100)가 설치된 상태가 나타나 있는데, 도 2(a)에 보조 광학부(400)의 상측에서 바라본 상태가 나타나 있고, 도 2(b)에 보조 광학부(400)의 정면에서 바라본 상태가 나타나 있다.

즉, 본 발명에서는 반사부(200)가 하나로 구성될 수 있고 필요에 따라 두 개 이상으로 구성될 수 있다. 반사부(200)가 두 개 이상으로 구성 되는 경우 각각의 반사부(200)가 디스플레이부(100)로부터 각각의 화상{이때 디스플레이부(100)가 두 개 이상으로 구성될 수도 있다.}을 반사시켜 사용자가 다양한 화상을 획득하도록 할 수 있다. 또한 여러 개의 반사부(200)가 군집을 이루도록 구성될 수 있고, 필요에 따라 이러한 군집을 여러 개로 구성될 수도 있다.

이와 같은 반사부(200)는 보조 광학부(400)의 내부 또는 외부에 설치될 수 있는데, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 반사부(200)가 보조 광학부(400)의 내부에 매립(함몰)되어 설치될 수 있고, 이와 달리 반사부(200)가 보조 광학부(400)의 전면 또는 후면에 부착될 수 있다.

프레임부(300)는 적어도 하나의 반사부(200)를 고정시키는 구성요소로서, 프레임부(300)가 반사부(200)와 직접적으로 연결되어 반사부(200)를 고정시킬 수 있고, 보조 광학부(400)를 더 포함하는 경우 프레임부(300)가 보조 광학부(400)를 고정하고, 보조 광학부(400)에 반사부(200)가 설치되는 형태로 프레임부(300)가 반사부(200)를 간접적으로 고정할 수도 있다.

이때 프레임부(300)는 사용자가 착용할 수 있는 안경형태 또는 다양한 헤드마운트 형태를 가질 수 있고, 이외에도 다양한 형태를 가질 수 있다.

보조 광학부(400)는 적어도 하나의 반사부(200)가 설치되는 구성요소로, 보조 광학부(400)가 프레임부(300)에 고정될 수 있다. 이러한 보조 광학부(400)는 가시광선이 투과되도록 투명 광학 소자로 이루어질 수 있고, 가시광선이 투과되지 않도록 하는 불투명 광학 소자로 이루어질 수도 있다.

보조 광학부(400)가 투명 광학 소자로 이루어지면, 본 발명에 따른 광학 장치를 증강현실용 광학 장치로 사용할 수 있다. 증강현실이란 앞서 살펴본 바와 같이 사용자가 눈으로 보는 현실세계에 가상화면을 겹쳐 보여주는 기술인데, 본 발명에 따른 반사 렌즈 모듈을 이용한 광학 장치의 사용자는 투명한 보조 광학부(400)를 통해 현실세계를 인식함과 동시에 반사부(200)에서 반사되는 화상(가상화면)을 인식할 수 있다(see-through).

이와 달리 보조 광학부(400)가 불투명 광학 소자로 이루어지거나, 보조 광학부(400)가 사용자의 외부 시야를 감소시키거나 차단시키는 광학 소자로 이루어지면, 본 발명에 따른 광학 장치를 가상현실(Virtual Reality)용 광학 장치로 사용할 수 있다(see-closed). 물론 이 경우에는 보조 광학부(400)에 별도의 디스플레이부(300)가 설치되어 별도의 화상을 출력할 수도 있다.

이처럼 본 발명에 따른 보조 광학부(400)는 사용자가 현실세계를 잘 볼 수 있도록 할 때에는 가시광선의 투과율이 100%인 것이 바람직하나, 사용자의 눈(안구)의 상태 또는 사용하고자 하는 용도에 따라 가시광선의 투과율을 선택하여 보조 광학부(400)를 구성할 수 있다.

또한 보조 광학부(400)는 자외선(UV)의 차단이 필요한 경우 자외선은 차단하면서도 가시광선은 투과시킬 수 있도록 구성될 수 있고, 사용자의 눈이 나빠 시력 교정이 필요한 경우 시력 교정 렌즈가 사용될 수도 있다.

이러한 보조 광학부(400)는 대표적으로 유리가 사용되어 형성될 수 있는데, 유리 이외에 다양한 종류의 플라스틱으로도 형성될 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 광학 장치의 효과를 설명하기 위한 도면으로, 도 3에는 보조 광학부(400)의 위에서 디스플레이부(100)를 출발한 화상의 경로를 도시한 것이 나타나 있고, 도 4에는 보조 광학부(400)의 정면에서 디스플레이부(100)를 출발한 화상의 경로를 도시한 것이 나타나 있다. 도 3 및 도 4에서는 발명의 이해를 돕기 위해 반사부(200)의 표현을 생략했다.

위와 같은 반사부(200)의 특징 의해 본 발명에 따른 광학 장치는 반사부(200)의 설치 각도가 매우 자유로워지는데, 도 3 및 도 4에서 다양한 화상의 경로를 확인할 수 있다.

이로 인해 본 발명에 따른 광학 장치는 디스플레이부(100)의 설치 위치가 매우 자유로워질 수 있다. 우선 도 1을 참조하면, 보조 광학부(400)의 측면에서도 디스플레이부(100)를 통해 반사부(200)로 빛(화상)을 쏘아주더라도 반사부(200)가 화상을 사용자의 눈으로 반사시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다. 이때 보조 광학부(400)의 '측면'은 상하좌우의 모든 측면을 의미하는 것으로 도면 상에서 좌우 측면을 의미하는 것은 아니다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 광학 장치의 또 다른 실시예에 따른 간략한 구성을 나타낸 도면으로, 도 5 및 도 6을 참조하면 프레임부(300)의 다양한 위치에 디스플레이부(100)가 설치될 수 있는 것을 확인할 수 있다.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 광학 장치의 또 다른 실시예에 따른 간략한 구성을 나타낸 도면으로, 본 발명에 따른 광학 장치는 디스플레이부(100)에서 출력된 화상을 굴절시키는 굴절 광학 소자(500), 디스플레이부(100)에서 출력된 화상을 반사시키는 반사 광학 소자(600), 디스플레이부(100)에서 출력된 화상을 회절시키는 회절 광학 소자(미도시) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이 굴절 광학 소자(500)가 디스플레이부(100)와 반사부(200) 사이에 개재될 수 있고, 도 8에 도시된 바와 같이 디스플레이부(100)에서 출력된 화상이 반사 광학 소자(600)가 먼저 반사된 다음, 반사된 화상이 반사부(200)에서 다시 반사될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 광학 장치는 보조 광학부(400)의 측면이 곡면으로 형성될 수 있는데, 도 9에 도시된 바와 같이 보조 광학부(400)의 측면으로 디스플레이부(500)에서 출력된 화상이 굴절될 수 있다.

이처럼 본 발명에 따른 광학 장치는 반사부(200)가 소형화됨으로써 디스플레이부(100)의 개수 및 배치의 가용범위가 확대되고, 반사부(200)의 개수 및 배치의 가용범위가 확대될 수 있는데, 이는 디스플레이부(100) 및 반사부(200)의 설치 개수 및 설치 위치에 대한 자유도가 매우 높아지는 것으로 볼 수 있다.

앞서 살펴본 바와 같이 증강현실은 그 기술적 특징-현실세계와 가상화면을 중첩시켜 사용자가 인식하도록 하기 위한 기술적 특징- 때문에 사용자에게 항상 선명한 화상을 인식되도록 하기 위해 사용자가 현실세계를 응시하면서 초점거리를 변경하는 것에 따라 화상의 초점거리 역시 변경시켜줄 필요성이 있다.

이러한 초점거리의 문제들은 심도가 깊은 화상을 제공함으로써 해결이 가능해진다. 심도란 어느 한 화상-사용자가 육안으로 획득하는 화상-에서 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위를 일컫는다. 따라서 심도가 낮은 경우에는 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위가 좁고, 심도가 깊은 경우에는 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위가 넓다.

그러므로 심도가 깊은 화상을 사용자에게 제공하면, 사용자가 현실세계를 응시하면서 초점거리를 변경하더라도 제공된 화상의 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위 안에서는 선명한 화상을 획득할 수 있다. 다시 말해, 심도가 깊어지면 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위가 넓기 때문에-상기 범위 안에서는 초점거리를 변경하더라도 초점이 맞는 것으로 인식되기 때문에- 사용자가 어느 정도 초점거리를 변경하더라도 선명한 화상을 획득할 수 있게 된다.

이때 만일 심도가 무한대로 깊어진다면, 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위가 무한대에 가까워지기 때문에 사용자가 자유롭게 초점거리를 조절하더라도 언제든지 선명한 가상화면을 획득할 수 있게 된다.

위와 같은 반사부(200)에 반사된 화상의 크기는 동공의 크기보다 작기 때문에 수정체의 모양이나 두께에 관계없이 망막에 상이 정확하게 맺힐 수 있다. 따라서 사용자는 자신의 시력에 관계없이 언제나 선명한 화상-반사부(200)에 반사된 화상-을 획득할 수 있다.

이러한 특징의 반사부(200)를 다른 측면에서 살펴보면, 본 발명에 따른 반사부(200)는 핀홀 효과를 일으키는 요소로 작용하기도 한다. 도 10은 핀홀 렌즈를 통해 영상을 보는 경우 선명한 영상을 볼 수 있는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 10(a)는 근시인 사람이 맨눈으로 물체를 볼 때 흐릿하게 보이는 이유를 도시하고 있는데, 근시인 경우 수정체가 두꺼워 초점이 망막의 앞에 맺히므로 물체의 상이 망막의 한 점에 맺히지 않고 퍼져서 맺히기 때문에 물체가 흐리게 보인다. 도 10(a)로 설명하면, 물체에서 출발한 빛(A)이 망막에 A1, A2, A3로 퍼져서 맺히는 것이다.

도 10(b)는 근시인 사람이 핀홀 렌즈를 착용하였을 때 물체가 보다 선명하게 보이는 이유를 도시하고 있는데, 물체에서 출발한 빛이 핀홀을 통과하면서 제한되어 망막의 비교적 좁은 영역에 맺히기 때문에 나안일 때보다 물체가 선명하게 보인다. 도 10(b)로 설명하면, 물체에서 출발한 빛(A)이 망막에 비교적 좁게(A′) 맺히는 것이다. 이러한 현상만 고려하면 디스플레이부(100)에서 출력되는 가상화면을 핀홀을 통과시켜 눈에 도달하게 하는 것으로 종래의 문제를 해결할 수 있겠으나, 핀홀의 경우 다른 문제가 발생한다. 여기서 다른 문제란 회절 현상인데, 회절에 의해 핀홀을 통과한 빛이 퍼지기 때문에 선명한 상을 만드는데 제한이 있다. 그리고 핀홀 효과에 의해 상이 선명해지는 정도는 핀홀이 작을수록 커지는데 회절도 핀홀이 작을수록 커지기 때문에 핀홀을 이용하는 것은 한계가 있을 수밖에 없다.

본 발명에서 사람의 크기가 작은-크기가 4mm 이하의- 반사부(200)를 핀홀과 같이 빛의 폭은 제한하면서도 회절 현상을 발생시키지 않도록 하기 위함이다. 도 11은 본 발명에 따른 가상현실 구현용 렌즈 모듈을 이용한 광학 장치를 통해 가상화면의 상이 망막에 맺히는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 11의 경우에는 현실세계의 물체에서 출발한 빛(A)이 망막에 A'로 맺히고, 디스플레이부(100)에서 출발한 빛(B)이 반사부(200)에 반사된 다음 망막에 B'으로 맺히는 것이 도시되어 있다. 이러한 도 11의 경우에는 A'과 B'가 망막의 한 점에 맺히기 때문에 눈의 초점을 따로 맞출 필요 없이 현실세계의 영상과 가상 영상이 또렷하게 보이게 된다.

이때 물체에서 출발한 빛(A)은 사용자가 초점거리를 조절함에 따라 망막에 상이 맺히는 위치가 달라질 수 있다. 이는 사용자가 초점거리를 조절함에 따라 수정체의 두께가 달라지기 때문이다. 그러나 디스플레이부(100)에서 출발한 빛(B)은 사용자가 초점거리를 조절하여 수정체의 두께가 달라지더라도 항상 일정하게 B'맺히게 되므로 사용자는 언제나 선명한 가상화면을 획득할 수 있게 된다.

이처럼 본 발명에 따른 반사부(200)는 그 크기가 4mm 이하로 형성됨으로써 사용자가 사용자는 언제나 선명한 가상화면을 획득할 수 있게 되는데, 이는 사용자에게 제공되는 가상화면의 심도가 매우 깊은 것을 의미한다.

도 12 내지 도 14는 본 발명에 따른 광학 장치를 사용하여 획득한 이미지 및 종래의 광학 장치를 사용하여 획득한 이미지를 비교한 도면이다. 도 12 내지 도 14의 왼쪽이 본 발명에 따른 광학 장치를 사용하여 획득한 이미지이고 오른쪽이 종래의 반사 렌즈 모듈을 사용한 광학 장치를 이용하여 획득한 이미지이다. 도 12 내지 14의 네모 칸 안에는 디스플레이부(100)에서 출력된 가상화면이 표시되어 있다.

도 12는 초점이 먼 곳에 위치한 경우이고, 도 13은 초점이 중간에 위치한 경우이며, 도 14는 초점이 가까운 곳에 위치한 경우이다. 도 12 내지 14를 살펴보면 왼쪽과 오른쪽 모두 초점이 먼 곳, 중간, 가까운 곳으로 변할수록 현실세계의 이미지는 초점이 일치하는 부분만 선명하게 보이고, 초점이 일치하지 않는 부분에서는 흐리게 보이는 것을 확인할 수 있다.

이때 오른쪽 종래의 광학 장치를 사용하여 획득한 이미지 중 네모 칸 안의 가상화면은 초점이 먼 곳일 때에만 선명하고 초점이 가까운 곳으로 이동할수록 네모 칸 안의 가상화면이 점점 흐려지는 것을 확인할 수 있다. 이와 달리 왼쪽의 본 발명에 따른 광학 장치를 사용하여 획득한 이미지 중 중 네모 칸 안의 가상화면은 먼 곳, 중간, 가까운 곳 어디에 위치하는 경우라도 선명한 것을 확인할 수 있다.

이처럼 본 발명에 따른 광학 장치는 사용자에게 심도가 깊은 가상화면을 제공할 수 있고, 이로 인해 사용자는 현실세계를 바라볼 때 초점거리를 조절하더라도 초점거리에 상관없이 항상 선명한 가상화면을 획득할 수 있다.

본 발명에 따른 반사부(200)는 크기가 2mm 이하이면 위와 같은 결과를 얻을 수 있지만, 더욱 효과적이기 위해서는 반사부(200)의 크기가 50 내지 700㎛ 인 것이 바람직하다.

또한 반사부(200)는 그 형태가 원형으로 형성되는 것이 바람직한데, 이때 완전한 원형 이외에도 필요에 따라 타원형으로 형성될 수도 있다. 이처럼 반사부(200)는 원형 또는 타원형으로 형성되는 것이 바람직한데, 필요에 따라 그 모양을 변형한 형태로 적용할 수 있다. 예를 들어 원통 형태의 모양을 사선으로 절단하였을 때 타원형태를 가질 수 있는데, 이처럼 수학적으로 정의되는 타원과 완전히 일치되지 않는 타원형태의 모양을 가질 수도 있다.

즉, 본 발명에서의 반사부(200)는 모서리를 가지지 않는 형태라면 다양한 형태를 가질 수 있는데, 앞서 살펴본 핀홀효과를 달성하면서 회절현상을 방지할 수 있는 목적을 달성할 수 있는 형태는 무엇이든 가능하다. 예를 들어 어떠한 모서리(Edge)가 존재하지 않는 형태라면 핀홀효과를 달성하면서 회절현상을 방지할 수 있다.

또한 반사부(200)는 그 표면이 곡면으로 형성될 수 있는데, 곡면이 오목한 형태를 가질 수 있고, 필요에 따라 볼록한 형태의 곡면을 가질 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 광학 장치는 경질의 소재로 형성되는 베이스부(미도시)에 반사부(200)가 적층되는 형태로 구성될 수 있다.

베이스부는 반사부(200)를 적층하기 위해 어느 정도의 경도를 갖는 소재이면 충분하다. 유리를 대표적인 예로 들 수 있으나, 유리 이외에도 다양한 종류의 합성수지가 사용될 수 있다. 반사부(200)는 디스플레이부(100)로부터 출력되는 가상화면을 반사하기 위해 반사율이 우수한 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)이 사용될 수 있고, 이외 에도 다양한 종류의 금속, 합금 또는 합성수지 등이 사용될 수도 있다. 또한 반사부(200)는 필요에 따라 그 표면이 곡면으로 형성될 수 있다.

이상 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 디스플레이부 200: 반사부
300: 프레임부 400: 보조 광학부
500: 굴절 광학 소자 600: 반사 광학 소자

Claims (13)

1. 화상을 출력하는 디스플레이부;
   상기 디스플레이부에서 출력되는 화상을 반사시키되 심도를 생성하여 사용자의 눈에 반사된 화상이 도달되도록 하고, 직경이 2mm 이하인 원형으로 이루어져 핀홀 효과를 생성하는 복수개의 반사부;
   상기 복수개의 반사부가 설치되는 보조 광학부;
   상기 디스플레이부, 복수개의 반사부 및 보조 광학부가 고정되는 프레임부; 및
   상기 디스플레이부와 복수개의 반사부 사이에 개재되는 구성으로서, 상기 디스플레이부에서 출력된 화상을 굴절시키는 굴절 광학 소자, 상기 디스플레이부에서 출력된 화상을 반사시키는 반사 광학 소자, 상기 디스플레이부에서 출력된 화상을 회절시키는 회절 광학 소자 중 어느 하나를 더 포함하고,
   상기 복수개의 반사부 각각은, 상기 디스플레이부로부터 각각의 화상을 반사시켜 사용자의 눈에 반사된 화상이 도달되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 보조 광학부는
   가시광선이 투과되도록 하는 투명 광학 소자로 이루어지고,
   상기 복수개의 반사부가 상기 보조 광학부 외부 또는 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 디스플레이부가 상기 프레임부에 고정되되, 상기 보조 광학부의 측면 쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 반사부가 상기 보조 광학부의 내부에 매립되어 설치되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 보조 광학부는
   사용자의 외부 시야를 감소시키거나 차단시키는 광학 소자로 이루어지고,
   상기 복수개의 반사부가 상기 보조 광학부 외부 또는 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 디스플레이부에서 출력된 화상이 상기 보조 광학부의 측면에서 굴절되도록, 상기 보조 광학부의 측면이 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 반사부가 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 반사부가 광학 소자로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
    
11. 삭제
12. 삭제
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 반사부의 표면이 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
    

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