KR101901985B1 - 증강 현실을 제공하는 장치 - Google Patents

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이병호
홍종영
이승재
이병효
장창원
정진수
김종현
유동헌
이창건
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서울대학교산학협력단
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Abstract

가상 영상을 포함하는 제 1 광을 투사하는 프로젝터; 프로젝터로부터 입사되는 제 1 광을 분산(diffuse)시키고, 외부 현실로부터 입사되는 제 2 광을 투과시키는 투명 스크린(transparent screen); 및 제 1 광의 제 1 편광 상태에 따라, 제 1 광을 외부 현실의 공간 상에 포커싱하고, 제 2 광의 제 2 편광 상태에 따라, 제 2 광을 투과시켜, 외부 현실에 상기 가상 영상을 중첩하여 표시하는 광학 소자를 포함하는, 증강 현실을 제공하는 장치를 제공한다.

Description

증강 현실을 제공하는 장치{Apparatus for providing an augmented reality}
본 개시는 증강 현실을 제공하는 장치에 관한 것이다.
최근, 영화, 게임, 광고, 의료영상, 교육, 군사 등 여러 분야에서, 보다 사실적이고 효과적으로 영상을 표현할 수 있는 3차원 영상 디스플레이 장치가 크게 요구되고 있다. 이에 따라 3차원 영상을 표시하기 위한 다양한 기술이 제안되고 있으며, 다양한 3차원 영상 디스플레이 장치가 이미 상용화되어 있다. 증강 현실(augmented reality, AR) 기술은 현실의 환경에 가상 사물이나 정보를 합성하여, 가상 사물이나 정보가 현실의 환경에 존재하는 사물처럼 보이도록 하는 기술이다. 증강 현실 기술은 군대, 항공, 의학, 비디오 게임, 엔터테인먼트, 스포츠 등을 포함하는 다양한 애플리케이션에서 사용될 수 있다.
한편, 증강 현실 기술에 대한 관심이 높아짐에 따라, 증강 현실을 구현하는 다양한 기술들에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
본 실시예들에 따르면, 증강 현실을 제공하는 장치를 제공한다.
제 1 측면에 따른, 증강 현실을 제공하는 장치는, 가상 영상을 포함하는 제 1 광을 투사하는 프로젝터; 프로젝터로부터 입사되는 제 1 광을 분산(diffuse)시키고, 외부 현실로부터 입사되는 제 2 광을 투과시키는 투명 스크린(transparent screen); 및 제 1 광의 제 1 편광 상태에 따라, 제 1 광을 외부 현실의 공간 상에 포커싱하고, 제 2 광의 제 2 편광 상태에 따라, 제 2 광을 투과시켜, 외부 현실에 상기 가상 영상을 중첩하여 표시하는 광학 소자를 포함할 수 있다.
또한, 광학 소자는, 비등방성 결정 렌즈(anisotropic crystal lens)를 둘러싼 등방성 물질(isotropic material)로 구성되는 굴절률 정합 비등방성 결정 렌즈(Index-matched Anisotropic Crystal Lens)일 수 있다.
또한, 비등방성 결정 렌즈는 음(negative)의 비등방성 결정 렌즈이고, 등방성 물질의 굴절률은 비등방성 결정 렌즈의 이상광 굴절률(extraordinary refractive index)에 맞춰질 수 있다.
또한, 비등방성 결정 렌즈는 양(positive)의 비등방성 결정 렌즈이고, 등방성 물질의 굴절률은 비등방성 결정 렌즈의 정상광 굴절률(ordinary refractive index)에 맞춰질 수 있다.
또한, 광학 소자가 제 1 광에 대해서 볼록 렌즈로써 기능하는 경우, 광학 소자의 초점 거리는 등방성 물질 및 비등방성 결정 렌즈의 굴절률 차이에 반비례할 수 있다.
또한, 광학 소자는, 입사되는 광의 편광 상태에 따라, 유리 또는 렌즈로써 기능할 수 있는 다기능성 광학 소자일 수 있다.
또한, 광학 소자는, 제 1 편광 상태에 따라 제 1 광에 대해서는 볼록 렌즈로써 기능하고, 제 2 편광 상태에 따라 제 2 광에 대해서는 투명 유리로써 기능할 수 있다.
또한, 투명 스크린은, 디퓨저(diffuser)의 광학적 특성을 갖는 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element)일 수 있다.
또한, 홀로그래픽 광학 소자는, 참조빔과, 디퓨저를 통해 변조된 신호빔의 간섭 무늬가 기록된 홀로그램 기록 매체일 수 있다.
또한, 간섭 무늬는, 참조빔과 변조된 신호빔이 홀로그램 기록 매체의 서로 반대 면을 통하여 교차되어 발생할 수 있다.
또한, 프로젝터는, 참조빔과 브래그 매칭 조건(Bragg’s matching condition)을 만족하는 제 1 광을 투사할 수 있다.
또한, 프로젝터는, 간섭 무늬 기록시 참조빔의 조사 각도에 대응되게, 제 1 광을 투사할 수 있다.
또한, 장치는, 제 1 광의 편광 상태를 제 1 편광 상태로 조절하는 제 1 편광자; 및 제 2 광의 편광 상태를 제 2 편광 상태로 조절하는 제 2 편광자를 더 포함할 수 있다.
또한, 제 1 편광자는, 제 1 광을 x축 방향의 편광 상태로 편광시키고, 제 2 편광자는, 제 2 광을 z축 방향의 편광 상태로 편광시킬 수 있다.
또한, 장치는, 근안 디스플레이(near-eye display) 또는 HMD(Head mount display)로 구현될 수 있다.
본 개시에 따른 증강 현실을 제공하는 장치는, 광학적 투명 증강 현실(optical see-through augmented reality)을 구현 할 수 있으며, 간소화된 크기의 장치를 제공하면서도, 상대적으로 넓은 FOV(Field Of View)를 제공할 수 있다.
본 발명은, 다음의 자세한 설명과 그에 수반되는 도면들의 결합으로 쉽게 이해될 수 있으며, 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미한다.
도 1은 증강 현실(Augmented Reality)을 제공하는 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 증강 현실을 제공하는 장치를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따라, 참조빔과 디퓨저를 통해 변조된 신호빔의 간섭 무늬가 홀로그램 기록 매체에 기록되는 과정을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 유리 또는 렌즈로써 기능할 수 있는 광학 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 사용자가 장치(200)를 통해 외부 현실을 바라보는 실시예를 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따라, 사용자가 장치(200)를 통해 가상 영상을 바라보는 실시예를 나타낸다.
도 7은 장치(200)가 가상 영상을 표시하는 구체적인 스펙을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
도 1은 증강 현실(Augmented Reality)을 제공하는 장치를 설명하기 위한 도면이다.
증강 현실을 제공하는 장치(100)(이하, 장치(100)라고 한다.)는, 프로젝터(110), 투명 스크린(transparent screen)(120), 및 광학 소자(130)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 장치(100)는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
장치(100)는, 일 실시예에 따라, 광학적 투명 증강 현실을 구현하는 휴대용 기기, 헤드 업 디스플레이(head up display) 기기, 근안 디스플레이(near-eye display), HMD(Head mount display), 3차원 디스플레이 기기, 영상 스크린 등에 이용될 수 있다.
프로젝터(110)는 가상 영상을 포함하는 제 1 광을 투사할 수 있다. 프로젝터(110)는 가상 영상을 포함하는 제 1 광을 투명 스크린(120)을 향해 투사할 수 있다.
투명 스크린(120)는 프로젝터(110)로부터 투사되는 제 1 광을 분산시킬 수 있다. 구체적으로, 투명 스크린(120)은, 특정 각도로 입사되는 제 1 광에 대해서는 디퓨터(diffuser)로써 기능할 수 있는 바, 제 1 광을 분산시킬 수 있다. 또한, 투명 스크린(120)은 외부 현실로부터 입사되는 제 2 광을 투과시킬 수 있다. 일 실시예에 따라, 투명 스크린(120)은 디퓨저의 광학적 특성을 갖는 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element)일 수 있다.
광학 소자(130)는 입사되는 광의 편광 상태에 따라 서로 다른 성질의 광학 소자로써 기능할 수 있다. 일 실시예에 따라, 광학 소자(130)는 입사되는 광의 편광 상태가 extraordinary-polarized 또는 z축 방향의 편광인 경우, 렌즈로써 기능할 수 있고, 입사되는 광의 편광 상태가 ordinary-polarized 또는 x축 방향의 편광인 경우, 유리로써 기능할 수 있다. 일 실시에에 따라, 광학 소자(130)는 굴절률 정합 비등방성 결정 렌즈(Index-matched Anisotropic Crystal Lens)가 될 수 있다. 예를 들어, 광학 소자(130)는 등방성 물질(isotropic material)로 감싸진 비등방성 결정 렌즈(anisotropic crystal lens)가 될 수 있다.
광학 소자(130)는 투명 스크린(120)에 의해 분산되는 제 1 광의 편광 상태에 따라, 분산되는 제 1 광을 외부 현실의 공간 상에 포커싱할 수 있고, 투명 스크린(120)을 투과한 제 2 광의 편광 상태에 따라, 제 2 광을 투과시킬 수 있다. 구체적으로, 광학 소자(130)는 분산되는 제 1 광의 편광 상태가 x축 방향의 편광이므로, 렌즈로써 기능하여, 분산되는 제 1 광을 외부 현실의 공간 상에 포커싱할 수 있고, 투명 스크린(120)을 투과한 제 2 광의 편광 상태가 z축 방향의 편광이므로, 유리로써 기능하여, 제 2 광을 투과시킬 수 있다.
따라서, 광학 소자(130)는 가상 영상의 제 1 광을 외부 현실의 공간 상에 포커싱하고, 외부 현실의 제 2 광을 투과시켜, 외부 현실에 가상 영상을 중첩하여 표시할 수 있다. 즉, 장치(100)는 외부 현실에 가상 영상이 중첩된 증강 현실을 제공할 수 있다. 따라서, 사용자는, 장치(100)에 의해 제공되는 증강 현실을 경험할 수 있다.
도 2는 증강 현실을 제공하는 장치를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
증강 현실을 제공하는 장치(200)(이하, 장치(200)라고 한다.)는, 프로젝터(210), 홀로그래픽 광학 소자(220), 광학 소자(230), 제 1 편광자(240), 및 제 2 편광자(250)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 장치(200)는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 2에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
장치(200)는, 일 실시예에 따라, 광학적 투명 증강 현실을 구현하는 휴대용 기기, 헤드 업 디스플레이(head up display) 기기, 근안 디스플레이(near-eye display), HMD(Head mount display), 3차원 디스플레이 기기, 영상 스크린 등에 이용될 수 있다.
프로젝터(210)는 가상 영상(205)을 포함하는 제 1 광을 홀로그래픽 광학 소자(220)를 향해 투사할 수 있다.
제 1 편광자(240)는 제 1 광의 투사 경로 상에 위치할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제 1 편광자(240)는 제 1 광을 x축 방향의 편광 상태로 편광 시킬 수 있다.
홀로그래픽 광학 소자(220)는, 디퓨저의 광학적 특성을 갖는 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element)일 수 있다. 구체적으로, 홀로그래픽 광학 소자(220)는 참조빔(reference wave)과 디퓨저를 통해 변조된 신호빔(signal wave)의 간섭 무늬가 홀로그램 기록 매체에 기록된 광학 소자일 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따라, 참조빔과 디퓨저를 통해 변조된 신호빔의 간섭 무늬가 홀로그램 기록 매체에 기록되는 과정을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 참조빔은 평행 광(collimated light)으로써 홀로그램 기록 매체(330)에 조사된다. 또한, 신호빔은, 디퓨저(320)를 통과하여 디퓨저(320)의 광학적 특성을 갖는 빔으로 변조되어, 홀로그램 기록 매체(330)에 조사된다. 참조빔과 변조된 신호빔은 서로 만나 간섭 무늬를 형성하고, 형성된 간섭 무늬는 홀로그램 기록 매체(330)에 기록된다. 간섭 무늬가 기록된 홀로그램 기록 매체(330)는 홀로그래픽 광학 소자를 의미할 수 있다.
홀로그램 기록 매체(330)는, 할로겐화 은(silver halide), 광 굴절 고분자(photorefractive polymer), 포토폴리머(photopolymer) 등이 될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 프로젝터(210)는, 홀로그래픽 광학 소자(220)의 간섭 무늬 기록 단계에서 사용되었던 참조빔이 평행 광(collimated light)이기 때문에, 브래그 매칭 조건(Bragg's matching condition)을 만족시키기 위해, 평행 광을 홀로그래픽 광학 소자(220)로 투사할 수 있다. 브래그 매칭이란, 특정한 사잇각을 갖는 참조빔과 신호빔으로 기록된 홀로그램이, 기록시의 참조빔과 복원시의 빔 사이의 각에 강하게 의존하여 복원된다는 걸 의미한다. 즉, 예를 들어, 프로젝터(210)는, 홀로그래픽 광학 소자(220)의 기록 단계에서 참조빔이 θ의 각도로 입사되었기 때문에, 평행 광을 홀로그래픽 광학 소자(230)로 θ의 각도로 투사할 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 광학 소자(220)는, 특정 각도로 입사되는 제 1 광에 대해서는 디퓨터(diffuser)로써 기능할 수 있는 바, 제 1 광을 분산시킬 수 있다. 또한, 홀로그래픽 광학 소자(220)는 외부 현실(215)로부터 입사되는 제 2 광에 대해서는 그대로 투과시킬 수 있다.
제 2 편광자(250)는 제 2 광의 입사 경로 상에 위치할 수 있다. 제 2 편광자(150)는 제 2 광을 z축 방향의 편광 상태로 편광시킬 수 있다.
광학 소자(230)는 입사되는 광의 편광 상태에 따라, 유리 또는 렌즈로써 기능할 수 있는 다기능성 광학 소자가 될 수 있다. 광학 소자(230)는 굴절률 정합 비등방성 결정 렌즈(Index-matched Anisotropic Crystal Lens)가 될 수 있다. 예를 들어, 광학 소자(230)는 등방성 물질로 감싸진 비등방성 결정 렌즈가 될 수 있다.
도 4는 유리 또는 렌즈로써 기능할 수 있는 광학 소자를 설명하기 위한 도면이다.
광학 소자(410)는 비등방성 결정 렌즈(414)를 둘러싼 등방성 물질(412)로 구성될 수 있다. 이 때, 등방성 물질(412)의 굴절률은 비등방성 결정 렌즈(414)의 두가지 굴절률 중 낮은 값의 굴절률에 맞춰질 수 있다. 구체적으로, 비등방성 결정 렌즈(414)가 양의 비등방성 결정 렌즈(positive anisotropic crystal lens)인 경우, 등방성 물질(412)의 굴절률은 비등방성 결정 렌즈(414)의 정상광 굴절률(ordinary refractive index)에 맞춰질 수 있으며, 비등방성 결정 렌즈(414)가 음의 비등방성 결정 렌즈(negative anisotropic crystal lens)인 경우, 등방성 물질(412)의 굴절률은 비등방성 결정 렌즈(414)의 이상광 굴절률(extraordinary refractive index)에 맞춰질 수 있다.
도 4(a)는 광학 소자(410)가 유리로써 기능하는 실시예를 나타낸다. 광학 소자(410)로 입사되는 광이 평행한 광선인 경우, 광선이 z축 방향의 편광되었다면(extraordinary-polarized), 등방성 물질(412)과 비등방성 결정 렌즈(414)의 굴절률이 동일하기 때문에, 광학 소자(410)는 광선에 대해 유리로써 기능할 수 있다. 즉, 광선은 광학 소자(410)를 굴절 없이 그대로 통과할 수 있다.
도 4(b)는 광학 소자(410)가 볼록 렌즈로써 기능하는 실시예를 나타낸다. 광학 소자(410)로 입사되는 광이 평행한 광선인 경우, 광선이 x축 방향의 편광되었다면(ordinary-polarized), 등방성 물질(412)과 비등방성 결정 렌즈(414)의 굴절률이 다르기 때문에, 광학 소자(410)는 광선에 대해 볼록 렌즈로써 기능할 수 있다. 즉, 광선은 광학 소자(410)에 의해 포커싱될 수 있다.
도 4(a) 및 (b)의 실시예는, 등방성 결정 렌즈가 음의 비등방성 결정 렌즈라고 가정하고 설명한 실시예지만, 이에 제한되지 않는다. 즉, 등방성 결정 렌즈가 양의 비등방성 결정 렌즈인 경우, 광선이 z축 방향의 편광되었다면, 광학 소자(410)는 렌즈로써 기능할 수 있고, 광선이 x축 방향의 편광되었다면, 광학 소자(410)는 유리로써 기능할 수 있다. 이하에서는, 비등방성 결정 렌즈가 음의 비등방성 결정 렌즈라고 가정하고 설명한다.
또한, 도 4에서 광학 소자(410)가 렌즈로서 기능하는 경우, 광학 소자(410)의 초점 거리
Figure 112017066850513-pat00001
는 하기 수학식 1을 통해 결정될 수 있다.
Figure 112017066850513-pat00002
상기 수학식 1에서,
Figure 112017066850513-pat00003
는 비등방성 결정 렌즈(414)의 굴절률을 나타내고,
Figure 112017066850513-pat00004
는 등방성 물질(412)의 굴절률을 나타내고,
Figure 112017066850513-pat00005
는 비등방성 결정 렌즈(414)의 두께를 나타내고,
Figure 112017066850513-pat00006
및
Figure 112017066850513-pat00007
각각은 비등방성 결정 렌즈(414)의 곡률 반지름(radii of curvature)을 나타낸다. 또한, 수학식 1을 참조하면, 등방성 물질과 비등방성 결정 렌즈의 굴절률 차이가 클수록 광학 소자(410)의 초점거리는 줄어듦을 확인할 수 있다.
다시 도 2 를 참조하면, 광학 소자(230)는 홀로그래픽 광학 소자(220)를 투과한 제 2 광의 편광 상태에 따라, 제 2 광에 대해서는 유리로써 기능할 수 있다. 구체적으로, 제 2 광의 편광 상태가 z축 편광이므로, 유리로써 기능하여, 제 2 광을 투과시킬 수 있다. 따라서, 사용자(10)는 홀로그래픽 광학 소자(220) 및 광학 소자(230)를 그대로 투과하는 제 2 광을 통해, 외부 현실(215)을 볼 수 있다.
도 5는 사용자가 장치(200)를 통해 외부 현실을 바라보는 실시예를 나타낸다.
외부 현실의 객체(510)에 대한 광은 제 2 편광자(250)에 의해 z축 방향의 편광 상태로 편광될 수 있다. 또한, 객체(510)에 대한 광은 홀로그래픽 광학 소자(220)를 그대로 투과할 수 있다.
이어서, 객체(510)에 대한 광이 z축 방향의 편광 상태이므로, 광학 소자(230)는 유리로써 기능하여, 객체(510)에 대한 광은 광학 소자(230)를 그대로 투과하여 사용자(10)에게 제공될 수 있다. 따라서, 사용자(10)는 장치(200)로 입사되는 외부 현실의 객체(510)를 바라볼 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 광학 소자(230)는 홀로그래픽 광학 소자(220)에 의해 분산되는 제 1 광의 편광 상태에 따라, 제 1 광에 대해서는 렌즈로써 기능할 수 있다. 구체적으로, 제 1 광의 편광 상태가 x축 편광이므로, 렌즈로써 기능하여, 제 1 광을 외부 현실(215)의 공간 상에 포커싱할 수 있다. 따라서, 사용자(10)는 포커싱되는 제 1 광을 통해, 가상 영상(205)을 볼 수 있다.
또한, 광학 소자(230)는 가상 영상의 제 1 광을 외부 현실(215)의 공간 상에 포커싱하고, 외부 현실(215)의 제 2 광을 투과시켜, 외부 현실(225)에 가상 영상(205)이 중첩하여 표시된 증강 현실(225)을 제공할 수 있다. 따라서, 사용자(10)는, 장치(200)를 통해, 외부 현실(215)에 가상 영상(205)이 중첩된 증강 현실(225)을 경험할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따라, 사용자가 장치(200)를 통해 가상 영상을 바라보는 실시예를 나타낸다.
프로젝터(210)로부터 투사되는 가상 영상에 대한 광은 제 1 편광자(240)에 의해 x축 방향의 편광 상태로 편광될 수 있다. 또한, x축 방향으로 편광된 가상 영상에 대한 광은 홀로그래픽 광학 소자(220)에 의해 분산될 수 있다.
이어서, 분산된 가상 영상에 대한 광이 x축 방향의 편광 상태이므로, 광학 소자(230)는 렌즈로써 기능하여, 가상 영상에 대한 광이 외부 현실의 공간 상에 포커싱될 수 있다. 따라서, 사용자(10)는, 포커싱된 가상 영상에 대한 광을 통해, 외부 현실 상에 띄워진 가상 영상을 볼 수 있다.
도 7은 장치(200)가 가상 영상을 표시하는 구체적인 스펙을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서 개시되어 있듯이, 홀로그래픽 광학 소자(220)에 의해 분산된 가상 영상에 대한 광은 광학 소자(230)에 의해 포커싱될 수 있다. 이 때, 사용자(10)가 가상 영상을 볼 수 있는 시야인 FOV(Field Of View)는 하기 수학식 2 내지 4를 통해 결정될 수 있다.
Figure 112017066850513-pat00008
Figure 112017066850513-pat00009
Figure 112017066850513-pat00010
수학식 2 내지 4에서,
Figure 112017066850513-pat00011
은 홀로그래픽 광학 소자(220)의 어퍼처 크기(aperture size)를 나타내고,
Figure 112017066850513-pat00012
은 사용자(10)의 눈동자 거리(eye relief)를 나타내고,
Figure 112017066850513-pat00013
은 사용자(10)의 아이-박스(eyebox)를 나타내고,
Figure 112017066850513-pat00014
는 의도하고자 하는 광학 소자(230)와 가상 영상 간의 거리를 나타내고,
Figure 112017066850513-pat00015
는 가상 영상의 영역의 크기를 나타낸다.
또한, 광학 소자(230)와 홀로그래픽 광학 소자(220) 간의 거리
Figure 112017066850513-pat00016
및 홀로그래픽 광학 소자의 크기
Figure 112017066850513-pat00017
는 하기 수학식 5 및 6을 통해 결정될 수 있다.
Figure 112017066850513-pat00018
Figure 112017066850513-pat00019
수학식 5 및 6에서,
Figure 112017066850513-pat00020
는 광학 소자(230)의 초점 거리를 나타낸다.
상기 수학식 2 내지 6을 통해, 장치(200)의 크기를 간소화시킬 수 있는 동시에, 장치(200)는 상대적으로 넓은 FOV를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 실시 예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
본 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (16)

  1. 증강 현실(augmented reality)을 제공하는 장치에 있어서,
    가상 영상을 포함하는 제 1 광을 투사하는 프로젝터;
    상기 프로젝터로부터 입사되는 제 1 광을 분산시키고, 외부 현실로부터 입사되는 제 2 광을 투과시키는 투명 스크린(transparent screen); 및
    상기 제 1 광의 제 1 편광 상태에 따라, 상기 제 1 광을 상기 외부 현실의 공간 상에 포커싱하고, 상기 제 2 광의 제 2 편광 상태에 따라, 상기 제 2 광을 투과시켜, 상기 외부 현실에 상기 가상 영상을 중첩하여 표시하는 광학 소자를 포함하고,
    상기 광학 소자는,
    비등방성 결정 렌즈(anisotropic crystal lens)를 둘러싼 등방성 물질(isotropic material)로 구성되는 굴절률 정합 비등방성 결정 렌즈(Index-matched Anisotropic Crystal Lens)이고,
    상기 투명 스크린은,
    참조빔과, 디퓨저(diffuser)를 통해 변조된 신호빔의 간섭 무늬가 기록된 홀로그램 기록 매체이고,
    상기 프로젝터는,
    상기 간섭 무늬 기록 시 상기 참조빔의 조사 각도에 대응되게, 상기 제 1 광을 투사하고,
    상기 투명 스크린은,
    상기 제 1 광에 대해 상기 디퓨저로써 기능하여, 상기 제 1 광을 분산시키고,
    상기 광학 소자는,
    상기 분산되는 제 1 광을 상기 외부 현실의 공간 상에 포커싱하는, 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비등방성 결정 렌즈는 음(negative)의 비등방성 결정 렌즈이고, 상기 등방성 물질의 굴절률은 상기 비등방성 결정 렌즈의 이상광 굴절률(extraordinary refractive index)에 맞춰지는, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비등방성 결정 렌즈는 양(positive)의 비등방성 결정 렌즈이고, 상기 등방성 물질의 굴절률은 상기 비등방성 결정 렌즈의 정상광 굴절률(ordinary refractive index)에 맞춰지는, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자가 상기 제 1 광에 대해서 볼록 렌즈로써 기능하는 경우, 상기 광학 소자의 초점 거리는 상기 등방성 물질 및 상기 비등방성 결정 렌즈의 굴절률 차이에 반비례하는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광학 소자의 초점 거리 f 는 하기 수학식에 의해 결정되고,
    Figure 112017066850513-pat00021

    Figure 112017066850513-pat00022
    는 상기 비등방성 결정 렌즈의 굴절률을 나타내고,
    Figure 112017066850513-pat00023
    는 상기등방성 물질의 굴절률을 나타내고,
    Figure 112017066850513-pat00024
    는 상기 비등방성 결정 렌즈의 두께를 나타내고,
    Figure 112017066850513-pat00025
    및
    Figure 112017066850513-pat00026
    각각은 상기 비등방성 결정 렌즈의 곡률 반지름(radii of curvature)을 나타내는, 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는,
    입사되는 광의 편광 상태에 따라, 유리 또는 렌즈로써 기능할 수 있는 다기능성 광학 소자인, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는,
    제 1 편광 상태에 따라 상기 제 1 광에 대해서는 볼록 렌즈로써 기능하고, 제 2 편광 상태에 따라 상기 제 2 광에 대해서는 투명 유리로써 기능하는, 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭 무늬는, 상기 참조빔과 상기 변조된 신호빔이 상기 홀로그램 기록 매체의 서로 반대 면을 통하여 교차되어 발생하는, 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로젝터는,
    상기 참조빔과 브래그 매칭 조건(Bragg’s matching condition)을 만족하는 제 1 광을 투사하는, 장치.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광의 편광 상태를 제 1 편광 상태로 조절하는 제 1 편광자; 및
    상기 제 2 광의 편광 상태를 제 2 편광 상태로 조절하는 제 2 편광자를 더 포함하는, 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 편광자는,
    상기 제 1 광을 x축 방향의 편광 상태로 편광시키고,
    상기 제 2 편광자는,
    상기 제 2 광을 z축 방향의 편광 상태로 편광시키는, 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는, 근안 디스플레이(near-eye display) 또는 HMD(Head mount display)로 구현되는, 장치.
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