KR102248606B1 - 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단; 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되며, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 제2 반사 수단으로 전달하는 제1 반사 수단; 상기 제1 반사 수단으로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달하도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 복수개의 반사부를 포함하는 제2 반사 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 실제 사물 화상광이 입사하는 제1 면과 상기 제2 반사 수단을 통해 전달되는 증강 현실 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공을 향해 출사하는 제2 면을 가지고, 상기 제2 반사 수단은, 상기 제1 반사 수단으로부터의 거리와 관계없이 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 동일한 거리를 갖거나 제1 반사 수단으로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 더 멀도록 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제1 반사부 그룹; 및 상기 제1 반사 수단으로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 더 가깝도록 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제2 반사부 그룹으로 구성되고, 상기 제2 반사부 그룹과 상기 제1 반사 수단의 거리는 상기 제1 반사부 그룹과 상기 제1 반사 수단의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치{COMPACT TYPE OPTICAL DEVICE FOR AUGMENTED REALITY HAVING REFLECTIVE MEANS ARRANGED IN CURVED LINE}

본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크기, 두께, 무게 및 부피를 현저하게 줄일 수 있으며 넓은 시야각을 제공할 수 있는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치에 관한 것이다.

증강 현실(AR, Augmented Reality)이라 함은, 주지된 바와 같이, 현실 세계의 실제 영상에 컴퓨터 등에 의해 제공되는 가상의 영상이나 이미지를 겹쳐서 제공하는 것을 의미한다.

이러한 증강 현실을 구현하기 위해서는, 컴퓨터와 같은 디바이스에 의해 생성되는 가상의 영상이나 이미지를 현실 세계의 영상에 겹쳐서 제공할 수 있도록 하는 광학계를 필요로 한다. 이러한 광학계로서는 HMD(Head Mounted Display)나 안경형의 장치를 이용하여 가상 영상을 반사 또는 굴절시키는 프리즘 등과 같은 광학 수단을 사용하는 기술이 알려져 있다.

그러나, 이러한 종래의 광학계를 이용한 장치들은, 그 구성이 복잡하여 무게와 부피가 상당하므로 사용자가 착용하기에 불편함이 있고 제조 공정 또한 복잡하므로 제조 비용이 높다는 문제가 있다.

또한, 종래의 장치들은, 사용자가 현실 세계를 응시할 때 초점 거리를 변경하는 경우 가상 영상의 초점이 맞지 않게 된다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절할 수 있는 프리즘과 같은 구성을 이용하거나 사용자의 실제 세계에 대한 초점 거리의 변경에 따라 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절할 수 있는 가변형 초점 렌즈를 전기적으로 제어하는 등의 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 기술 또한 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절하기 위하여 사용자가 별도의 조작을 해야 하거나 초점 거리의 제어를 위한 별도의 장치, 프로세서 등과 같은 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다는 점에서 문제가 있다.

이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 사람의 동공보다 작은 크기의 반사부를 이용하여 동공을 통해 가상 영상을 망막에 투영함으로써 증강 현실을 구현할 수 있는 장치를 개발한 바 있다.

도 1은 상기 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.

도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10), 반사부(30), 화상 출사부(40) 및 프레임부(60)를 포함한다.

광학 수단(10)은 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 투과시키는 수단으로써 예컨대 안경 렌즈일 수 있으며, 그 내부에 반사부(30)가 매립되어 있다. 또한, 광학 수단(10)은 반사부(30)로부터 반사된 증강 현실 화상광을 동공으로 전달하도록 투과시키는 기능도 수행한다.

프레임부(60)는 화상 출사부(40)와 광학 수단(10)을 고정 및 지지하는 수단으로서, 예컨대 안경 테와 같은 것일 수 있다.

화상 출사부(40)는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 출사하는 수단으로서 예컨대 증강 현실용 화상을 화면에 표시하여 증강 현실 화상광을 방사하는 소형 디스플레이 장치와 디스플레이 장치로부터 방사되는 화상광을 평행광으로 시준하기 위한 콜리메이터(collimator)를 구비할 수 있다.

반사부(30)는 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 동공을 향해 반사시킴으로써 증강 현실용 화상을 제공한다.

도 1의 반사부(30)는, 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성되어 있는데, 이와 같이 반사부(30)를 동공 크기보다 작게 형성하면, 반사부(30)를 통해 동공으로 입사하는 빛에 대한 심도를 거의 무한대에 가깝게 즉, 심도를 매우 깊게 할 수 있다. 여기서, 심도(Depth of Field)라 함은, 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위를 말하는데, 심도가 깊어지게 되면 증강 현실용 화상에 대한 초점 거리도 깊어진다는 것을 의미하고 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 증강 현실용 화상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 된다. 이는 일종의 핀홀 효과(pin hole effect)라고 볼 수 있다. 따라서, 사용자가 실제 세계에 존재하는 실제 사물을 응시하면서 초점 거리를 변경하는 것과 상관없이 증강 현실용 화상에 대해서는 항상 선명한 가상 영상을 제공할 수 있다.

그러나, 이러한 기술은 화상 출사부(40)에 평행광을 위한 콜리메이터 등과 같은 추가적인 광학 수단이 필요하므로 장치의 크기, 두께 및 부피가 커진다는 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 화상 출사부(40)에 콜리메이터를 사용하지 않고 광학 수단(10) 내부에 오목 거울과 같은 반사부를 매립하여 배치함으로써 콜리메이터의 기능을 수행하도록 하는 방법을 생각할 수 있는데, 이러한 구성에 의하면 화상 출사부(40)의 크기, 두께 및 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 2는 화상 출사부(40)에 콜리메이터가 구비된 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 콜리메이터의 기능을 수행하는 보조 반사부(20)가 내부에 배치된 증강 현실용 광학 장치(100-1)의 측면도를 비교하여 나타낸 것이다.

도 2의 좌측에 도시된 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는 화상 출사부(40)가 디스플레이 장치(41)와 콜리메이터(42)로 구성되어 있으며, 도 2의 우측의 증강 현실용 광학 장치(100-1)는 화상 출사부(40)가 콜리메이터(42) 없이 디스플레이 장치(41)만으로 구성되어 있음을 알 수 있다.

도 2의 우측의 증강 현실용 광학 장치(100-1)는 화상 출사부(40)에 콜리메이터(42)를 사용하지 않는 대신 광학 수단(10) 내부에 콜리메이터의 기능을 수행할 수 있는 오목 거울 형태의 보조 반사부(20)가 배치되어 있으며, 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실 화상광은 보조 반사부(20)에 의해 반사된 후 반사부(30)로 전달되고, 반사부(30)는 전달된 증강 현실 화상광을 동공으로 전달하게 된다.

이와 같이, 도 2의 우측에 나타낸 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100-1)는 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 같은 기능을 수행하면서도, 화상 출사부(40)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용하지 않기 때문에 도 2의 좌측에 나타낸 바와 같은 외장형 콜리메이터를 사용하는 증강 현실용 광학 장치(100)에 비해 크기, 부피, 두께, 무게 등의 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있는 장점이 있다.

그러나, 도 2의 우측에 나타낸 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100-1)는 고스트 이미지를 발생시키는 의도치 않은 실제 사물 화상광도 동공으로 전달할 수 있다는 문제가 있다.

도 3은 증강 현실용 광학 장치(100-1)에서 고스트 이미지의 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 실제 사물로부터의 화상광인 실제 사물 화상광은 광학 수단(10)을 거쳐 동공으로 직접 전달되는 한편, 보조 반사부(20)에 의해 반사되어 동공으로 전달되는 잡광이 존재하며, 잡광에 의해 동공으로 전달된 실제 사물 화상광은 광학 수단(10)을 거쳐 동공으로 직접 전달된 실제 사물 화상광과 다른 위치에 상이 형성되기 때문에 고스트 이미지를 발생시키게 된다.

따라서, 폼 팩터를 줄이기 위하여 보조 반사부(20)를 사용한 도 2와 같은 내장형 콜리메이터를 사용하는 증강 현실용 광학 장치(100-1)에 있어서 발생할 수 있는 고스트 이미지 문제를 해결하는 동시에, 전술한 바와 같이 시야각(FOV, Field of View)을 확장시키고 장치의 크기, 두께, 무게 및 부피를 줄일 수 있으며 증강 현실 화상광에 대한 광 효율을 높일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치가 요망되고 있다.

대한민국 등록특허공보 10-1660519호(2016.09.29 공고)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 크기, 두께, 무게 및 부피를 현저하게 줄일 수 있으며 넓은 시야각을 제공할 수 있는 곡선 배치 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 실제 세계의 화상광이 사용자의 동공쪽으로 유출되는 것을 최소화함으로써 시스루(see-through)성을 보다 극대화하는 동시에 선명한 가상 이미지를 제공할 수 있으며, 증강 현실 화상광을 동공으로 반사시켜 전달하는 복수개의 반사부들을 곡선형으로 배치함으로써 넓은 시야각을 제공하고 증강 현실 화상광이 아이박스로 전달되는 광 효율을 개선할 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단; 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되며, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 제2 반사 수단으로 전달하는 제1 반사 수단; 상기 제1 반사 수단으로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달하도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 복수개의 반사부를 포함하는 제2 반사 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 실제 사물 화상광이 입사하는 제1 면과 상기 제2 반사 수단을 통해 전달되는 증강 현실 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공을 향해 출사하는 제2 면을 가지고, 상기 제2 반사 수단은, 상기 제1 반사 수단으로부터의 거리와 관계없이 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 동일한 거리를 갖거나 제1 반사 수단으로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 더 멀도록 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제1 반사부 그룹; 및 상기 제1 반사 수단으로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 더 가깝도록 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제2 반사부 그룹으로 구성되고, 상기 제2 반사부 그룹과 상기 제1 반사 수단의 거리는 상기 제1 반사부 그룹과 상기 제1 반사 수단의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

여기에서, 상기 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 반사 수단으로 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사되어 제1 반사 수단으로 전달될 수 있다.

또한, 상기 증강 현실 화상광을 반사시키는 제1 반사 수단의 반사면은, 실제 사물 화상광이 입사하는 광학 수단의 제1 면을 향하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 제1 반사 수단의 반사면은 곡면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 반사 수단의 반사면은 광학 수단의 제1 면쪽으로 오목하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 반사 수단의 폭 방향의 길이는 4mm 이하일 수 있다.

또한, 상기 제2 반사 수단을 구성하는 복수개의 반사부들은, 상기 제1 반사 수단으로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 동공을 향해 반사시켜 전달할 수 있도록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 경사각을 가지도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 반사부 각각은, 4mm 이하의 크기로 형성될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 반사부 각각은, 상기 제1 반사 수단으로부터 전달되는 증강 현실 화상광이 다른 반사 수단에 의해 차단되지 않도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는 하프 미러, 굴절 소자 또는 회절 소자 중 적어도 어느 하나로 형성된될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면에 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅될 수 있다.

또한, 상기 제2 반사 수단은, 복수개로 구성되고, 상기 광학 수단을 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 제2 반사 수단은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 배치될 수 있다.

또한, 상기 제2 반사 수단 각각은, 각각의 제2 반사 수단을 구성하는 복수개의 반사부들 각각이, 인접하는 제2 반사 수단을 구성하는 복수개의 반사부 중 어느 하나와 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하도록 나란하게 배치될 수 있다.

또한, 상기 제2 반사 수단 각각은, 복수개의 제2 반사 수단 각각을 구성하는 복수개의 반사부들 중 적어도 일부가, 인접하는 제2 반사 수단을 구성하는 복수개의 반사부들에 대해 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 나란하게 위치하지 않도록 배치될 수 있다.

또한, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 반사부들은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 연장되는 바 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 반사 수단은, x축 방향에서 보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 제2 반사 수단에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광이 광학 수단으로 입사하는 제3 면이 굴절능을 가지도록 곡면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 화상 출사부와 상기 제3 면 사이에 보조 광학 수단이 배치될 수 있다.

또한, 상기 제2 반사 수단은 복수개로 구성되고, 상기 광학 수단을 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 각각의 제2 반사 수단과 광학 수단의 제2 면과의 거리가 모두 동일하지는 않도록 배치되는 제2 반사 수단이 적어도 하나 이상 존재할 수 있다.

본 발명에 의하면, 크기, 두께, 무게 및 부피를 현저하게 줄일 수 있으며 넓은 시야각을 제공할 수 있는 곡선 배치 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 실제 세계의 화상광이 사용자의 동공쪽으로 유출되는 것을 최소화함으로써 시스루(see-through)성을 보다 극대화하는 동시에 선명한 가상 이미지를 제공할 수 있으며, 증강 현실 화상광을 동공으로 반사시켜 전달하는 복수개의 반사부들을 곡선형으로 배치함으로써 넓은 시야각을 제공하고 증강 현실 화상광이 아이박스로 전달되는 광 효율을 개선할 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 상기 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2는 화상 출사부(40)에 콜리메이터가 구비된 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 콜리메이터의 기능을 수행하는 보조 반사부(20)가 내부에 배치된 증강 현실용 광학 장치(100-1)의 측면도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 3은 증강 현실용 광학 장치(100-1)에서 고스트 이미지의 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 광 시야각을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도 및 사시도를 나타낸 것이다.
도 6은 제1 반사 수단(20)이 고스트 이미지를 차단하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 12는 광학 수단(10)의 내면에서의 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 13은 증강 현실용 광학 장치(300)의 사시도이고 도 14는 증강 현실용 광학 장치(300)의 정면도이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(400)의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 15는 증강 현실용 광학 장치(400)의 사시도이고, 도 16은 증강 현실용 광학 장치(400)의 정면도이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 17은 증강 현실용 광학 장치(500)의 사시도이고, 도 18은 증강 현실용 광학 장치(500)의 정면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(600)를 나타낸 것으로서, z축 방향에서 바라본 측면도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(700)를 나타낸 것으로서, z축 방향에서 바라본 측면도이다.
도 21은 증강 현실용 광학 장치(800)를 동공(40)쪽에서 바라 본 정면도이다.
도 22는 증강 현실용 광학 장치(800)를 전술한 바와 같은 z축 방향에서 바라 본 측면도이다.
도 23은 증강 현실용 광학 장치(800)를 전술한 바와 같은 y축 방향에서 바라 본 평면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 광 시야각을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도 및 사시도를 나타낸 것이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예의 광 시야각을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(200, 이하 간단히 "증강 현실용 광학 장치(200)"라 한다)는, 광학 수단(10), 제1 반사 수단(20) 및 제2 반사 수단(30)을 포함한다.

광학 수단(10)은, 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 투과시키는 수단이다.

여기에서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 동공(50)을 향해 투과시킨다는 것은 실제 사물 화상광의 빛 투과율이 반드시 100%일 필요는 없다는 의미이다.

광학 수단(10)은, 서로 대향하도록 배치된 제1 면(11)과 제2 면(12)을 구비한다. 제1 면(11)은 실제 사물 화상광이 입사하는 면이고, 제2 면(12)은 제2 반사 수단(30)에서 반사된 증강 현실용 화상에 상응하는 증강 현실 화상광 및 제1 면(11)을 통과한 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 출사하는 면이다.

도 4 및 도 5의 실시예에서 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)은 서로 평행하도록 배치되어 있으나 이는 예시적인 것이며 서로 평행하지 않도록 배치될 수도 있음은 물론이다.

도 4 및 도 5의 실시예에서는, 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 제1 반사 수단(20)으로 전달되고, 제1 반사 수단(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 제2 반사 수단(30)으로 전달되고, 제2 반사 수단(30)에서 다시 반사되어 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 통해 동공(50)으로 출사하도록 구성되어 있다.

도 4 및 도 5의 실시예에는, 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광이 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 1회 전반사되어 제1 반사 수단(20)으로 전달되는 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 전반사 없이 또는 2회 이상의 전반사를 통해 제1 반사 수단(20)으로 전달될 수도 있다.

여기에서, 제2 반사 수단(30)은 복수개의 반사부(31~35)로 구성되며, 본 명세서에서 제2 반사 수단(30)은 복수개의 반사부(31~35)를 통칭하는 것으로 한다. 제2 반사 수단(30)의 상세 구성에 대해서는 후술한다.

한편, 화상 출사부(40)는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 소형의 LCD와 같은 디스플레이 장치일 수 있다.

이러한 화상 출사부(40) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예에서의 화상 출사부(40)는 앞서 발명의 배경이 되는 기술 부분에서 설명한 바와 같이 콜리메이터와 같은 구성은 포함하지 않는다

한편, 증강 현실용 화상이라 함은, 화상 출사부(40), 광학 수단(10), 제1 반사 수단(20) 및 제2 반사 수단(30)을 통해 사용자의 동공(50)으로 전달되는 가상 화상을 의미하며, 예컨대 이미지 형태의 정지 영상이거나 동영상과 같은 것일 수 있다.

이러한 증강 현실용 화상은 화상 출사부(40), 광학 수단(10), 제1 반사 수단(20) 및 제2 반사 수단(30)에 의해 사용자의 동공(50)으로 전달됨으로써 사용자에게 가상 화상으로서 제공되고, 이와 동시에 사용자는 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사되는 실제 사물 화상광을 광학 수단(10)을 통해 전달받음으로써 증강 현실 서비스를 제공받을 수 있게 된다.

다음으로, 제1 반사 수단(20)에 대해 설명한다.

제1 반사 수단(20)은, 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치되며, 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실 화상광을 제2 반사 수단(30)으로 전달하는 수단이다.

도 4의 실시예에서는, 전술한 바와 같이, 화상 출사부(40)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 증강 현실 화상광을 출사하고, 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사된 증강 현실 화상광은 제1 반사 수단(20)으로 전달된다. 이후, 제1 반사 수단(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 제2 반사 수단(30)으로 전달되고 제2 반사 수단(30)에서 다시 반사되어 동공(50)을 향해 출사된다.

제1 반사 수단(20)은, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제2 반사 수단(30)을 사이에 두고 화상 출사부(40)와 대향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.

또한, 제1 반사 수단(20)은 제2 반사 수단(30)을 향해 증강 현실용 화상광을 반사시킬 수 있도록 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 내부에 매립되어 배치된다. 즉, 제1 반사 수단(20)은 화상 출사부(40)로부터 출사되어 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 입사하는 증강 현실 화상광을 제2 반사 수단(30)으로 반사시켜 전달할 수 있도록, 화상 출사부(40), 제2 반사 수단(30) 및 동공(50)의 상대적인 위치를 고려하여 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 광학 수단(10)의 내부의 적절한 위치에 배치된다.

도 4 및 도 5의 실시예에서는, 제1 반사 수단(20)은, 증강 현실 화상광을 반사시키는 제1 반사 수단(20)의 반사면(21)이 실제 사물 화상광이 입사하는 면, 즉, 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치되어 있는데, 이러한 구성에 의하면 실제 사물로부터 출사되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 실제 사물 화상광(잡광)을 효율적으로 제거할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 제1 반사 수단(20)의 반사면(21)은 곡면으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 반사 수단(20)의 반사면(21)은 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 광학 수단(10)의 제1 면(11) 방향으로 오목하게 형성된 오목 거울일 수 있으며, 이러한 경우 제1 반사 수단(20)이 화상 출사부(40)에서 출사된 증강 현실 화상광을 시준시키는 콜리메이터(collimator)로서의 역할을 수행할 수 있고, 따라서 화상 출사부(40)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용할 필요가 없다.

도 6은 제1 반사 수단(20)이 고스트 이미지를 차단하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 6에서는 설명의 편의를 위해, 제2 반사 수단(30)은 생략하였다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 실제 사물로부터 출사되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 실제 사물 화상광(잡광)은 제1 반사 수단(20)으로 입사하는데, 전술한 바와 같이, 제1 반사 수단(20)은 실제 사물 화상광이 입사하는 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 배치되어 있으므로, 제1 반사 수단(20)의 반사면(21)에서 반사된 실제 사물 화상광(잡광)은 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사하고, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 다시 전반사되어 화상 출사부(40) 방향으로 전달됨을 알 수 있다. 따라서, 실제 사물로부터 출사되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 잡광은 광학 수단(10) 내부에서 소멸되고, 동공(50)쪽으로 유출되지 않음을 알 수 있다.

다만, 이러한 원리는 제1 반사 수단(20)에서 반사된 실제 사물 화상광(잡광)이 광학 수단(10)의 외부로 유출되지 않기 위한 기본적인 원리를 설명한 것으로서, 실제로는 광학 수단(10)의 형태, 굴절률, 눈과 제1 반사 수단(20)의 위치, 동공(50) 크기 및 아이릴리프(eye relief) 등을 고려하여 제1 반사 수단(20)에 반사되어 동공(50)으로 들어오는 잡광을 최소화 시킬 수 있도록 제1 반사 수단(20)의 위치와 방향이 적절히 조절되어야 한다.

한편, 후술하는 바와 같이 제2 반사 수단(30)의 크기는 사람의 일반적인 동공의 크기인 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성되는데, 이러한 점을 고려하여 제1 반사 수단(20)의 폭 방향의 길이는 제2 반사 수단(30)의 크기에 상응하도록 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성한다.

여기에서, 제1 반사 수단(20)의 폭 방향이란, 도 4 및 도 5에서는 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 방향을 의미한다. 도 5를 참조하면, 제1 반사 수단(20)의 폭 방향의 길이는 z축 방향에서 광학 수단(10)을 바라 보았을 때의 제1 반사 수단(20)의 길이이다.

또한, 제1 반사 수단(20)은, 사용자가 동공(50)을 통해 제1 반사 수단(20)을 가급적 거의 인식할 수 없도록 하기 위하여 사용자가 동공(50)을 통해 정면에서 보았을 때의 두께를 매우 얇게 하는 것이 바람직하다

또한, 제1 반사 수단(20)은 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.

또한, 제1 반사 수단(20)은 반사 수단 이외의 기타 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다.

또한, 제1 반사 수단(20)은 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.

또한, 제1 반사 수단(20)의 증강 현실 화상광을 반사시키는 반사면(21)의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.

다음으로, 제2 반사 수단(30)에 대해 설명한다.

제2 반사 수단(30)은, 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치되며, 제1 반사 수단(20)으로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 수단으로서, 복수개의 반사부(31~35)로 형성된다.

복수개의 반사부(31~35)는, 제1 반사 수단(20)으로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 각각 반사시켜 사용자의 동공(50)으로 전달할 수 있도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.

전술한 바와 같이, 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실 화상광은 제1 반사 수단(20)을 통해 제2 반사 수단(30)으로 전달되므로, 제2 반사 수단(30)을 구성하는 복수개의 반사부(31~35)들은 제1 반사 수단(20)과 동공(50)의 위치를 고려하여 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 대해 적절한 경사각을 가지도록 배치된다.

복수개의 반사부(31~35) 각각은, 앞서 발명의 배경이 되는 기술에서 설명한 바와 같이, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성된다.

즉, 복수개의 반사부(31~35) 각각은, 사람의 일반적인 동공 크기보다 작은 크기로 형성되는데, 이에 의해 각 반사부(31~35)를 통해 동공(50)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 심도를 매우 깊게 할 수 있고, 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 증강 현실용 화상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 하는 핀홀 효과(pin hole effect)를 발생시킬 수 있다.

여기에서, 복수개의 반사부(31~35) 각각의 크기라 함은, 각 반사부(31~35)의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.

또한, 복수개의 반사부(31~35) 각각의 크기는, 동공(50)과 반사부(31~35) 사이의 직선에 수직하면서 동공(50)의 중심을 포함하는 평면에 각 반사부(31~35)를 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.

한편, 복수개의 반사부(31~35) 각각은 제1 반사 수단(20)으로부터 전달되는 증강 현실 화상광이 다른 반사부(31~35)들에 의해 차단되지 않도록 배치된다. 이를 위하여, 제2 반사 수단(30) 및 복수개의 반사부(31~35)들을 다음과 같이 구성한다.

즉, 제2 반사 수단(30)을 복수개의 반사부(31,32)로 구성되는 제1 반사부 그룹(30A)과 복수개의 반사부(33~35)로 구성되는 제2 반사부 그룹(30B)으로 구성하되, 제2 반사부 그룹(30B)과 제1 반사 수단(20)의 거리를 제1 반사부 그룹(30A)과 제1 반사 수단(20)의 거리보다 작도록 배치한다.

여기에서, 제1 반사부 그룹(30A)은, 제1 반사 수단(20)으로부터의 거리와 관계없이 광학 수단의 제2 면(12)에 대해 동일한 거리를 갖거나 제1 반사 수단(20)으로부터의 거리가 멀수록 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 대해 더 멀도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치되는 복수개의 반사부(31,32)로 구성된다.

또한, 제2 반사부 그룹(30B)은, 제1 반사 수단(20)으로부터의 거리가 멀수록 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 대해 더 가깝도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치되는 복수개의 반사부(33~35)로 구성된다.

도 5를 참조하면, 광학 수단(10)을 사용자의 동공(50) 정면에 두었을 때, 동공(50)에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부(40)로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단(10)의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하면, z축은 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단(10)의 내면 사이를 지나는 선분이 된다. 이 때, z축 방향에서 광학 수단(10)을 보았을 때, 복수개의 반사부(31~35)들은 도 4에 나타낸 것처럼 전체적으로 완만한 "C"자형으로 배치된 것으로 보이게 된다.

도 4 및 도 5에서는 제1 반사부 그룹(30A)을 구성하는 복수개의 반사부(31,32)가 제1 반사 수단(20)으로부터의 거리가 멀수록 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 대해 더 멀어지게 배치된 형태만을 나타내었으나, 제1 반사부 그룹(30A)을 구성하는 복수개의 반사부(31,32)는 제1 반사 수단(20)으로부터의 거리와 관계없이 광학 수단의 제2 면(12)에 대해 동일한 거리를 가지도록 배치될 수도 있음을 유의해야 한다.

여기에서, 광학 수단(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12) 중 적어도 어느 하나가 곡면으로 형성되거나 동공(50) 중심으로부터 정면 방향으로의 직선에 대한 수직 평면과 평행하지 않고 경사각을 가지도록 형성되는 경우가 있을 수 있으므로, 제1 반사 수단(20)으로부터의 거리가 멀수록 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 더 멀게 배치된다는 것은, 제1 반사 수단(20)으로부터의 거리가 멀수록 동공(50)으로부터 정면 방향으로의 직선에 대한 수직 평면으로서 제2 면(12)과 동공(50) 사이에 존재하는 수직 평면에 더 멀게 배치되는 것을 의미하고, 마찬가지로 제1 반사 수단(20)으로부터의 거리가 멀수록 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 더 가깝게 배치된다는 것은, 제1 반사 수단(20)으로부터의 거리가 멀수록 동공(50)으로부터 정면 방향으로의 직선에 대한 수직 평면으로서 제2 면(12)과 동공(50) 사이에 존재하는 수직 평면에서 더 가깝게 위치하도록 배치된다는 것을 의미한다.

이러한 구성에 의하면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(40)의 어느 한 점에서 출사한 증강 현실 화상광은 콜리메이터의 기능을 수행하는 제1 반사 수단(20)에 의해 반사되어 복수개의 반사부(31~35)로 각각 전달되고, 각각의 반사부(31~35)에서 반사된 평행광들은 동공(50)을 통해 사용자의 망막의 한 점으로 전달되어 상을 형성함을 알 수 있다.

한편, 도 4 및 도 5에서는, 제1 반사부 그룹(30A)을 구성하는 각각 반사부(31,32)들은 인접하는 반사부(31,32)들이 연속적으로 구성된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 예컨대, 인접하지 않는 반사부로 제1 반사부 그룹(30A)을 구성할 수도 있다. 이는 제2 반사부 그룹(30B)의 경우에도 마찬가지이다.

또한, 제1 반사부 그룹(30A) 및 제2 반사부 그룹(30B)은 복수개로 구성할 수도 있음은 물론이다.

또한, 제2 반사 수단(30)을 구성하는 복수개의 반사부(31~35)들 전부가 제1 반사부 그룹(30A) 및 제2 반사부 그룹(30B) 중 어느 하나에 반드시 포함되어야 하는 것은 아니며, 반사 수단(30)을 구성하는 복수개의 반사부(31~35) 중 일부만으로 제1 반사부 그룹(30A) 및 제2 반사부 그룹(30B)을 구성할 수 있음은 물론이다.

한편, 복수개의 반사부(31~35)들의 크기는 전부 동일할 필요는 없으며, 부분적으로 서로 다르게 할 수도 있다.

또한, 복수개의 반사부(31~35)들은 서로 동일한 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하지만, 적어도 일부의 반사부(31~35)들의 간격을 다른 반사부(31~35)들의 간격과 다르게 배치할 수도 있다.

또한, 복수개의 반사부(31~35) 중 적어도 일부는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.

또한, 복수개의 반사부(31~35) 중 적어도 일부는, 반사 수단 이외의 기타 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다.

또한, 복수개의 반사부(31~35) 중 적어도 일부는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 구성될 수 있다.

또한, 복수개의 반사부(31~35) 중 적어도 일부에 대해서, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.

또한, 복수개의 반사부(31~35) 중 적어도 일부의 표면을 곡면으로 형성할 수도 있다. 여기에서, 상기 곡면은 오목면 또는 볼록면일 수 있다.

또한, 복수개의 반사부(31~35) 중 적어도 일부의 광학 수단(10)에 대한 경사각은 다른 반사부(31~35)와 상이하게 형성할 수 있다.

한편, 도 4 내지 도 5의 실시예에서는, 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실 화상광이 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 1회 전반사된 후 제1 반사 수단(20)으로 전달되는 것으로 설명하였으나, 전반사 없이 또는 2회 이상 전반사되는 구성도 가능하다.

도 7 내지 도 12는 광학 수단(10)의 내면에서의 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사가 이루어지지 않는 경우를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 전반사 없이 제1 반사 수단(20)으로 광학 수단(10)의 내부를 통해 직접 전달되고, 제1 반사 수단(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 제2 반사 수단(30) 즉, 복수개의 반사부(31~35)에서 반사되어 동공(50)으로 전달됨을 알 수 있다.

도 8은 광학 수단(10)의 내면에서 2회 전반사가 이루어지는 경우를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사 되어 제1 반사 수단(20)으로 전달되고, 제1 반사 수단(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 다시 광학 수단(10)의 제1 면(11) 쪽으로 출사되어 제1 면(11)에서 다시 전반사된 후 제2 반사 수단(30)으로 전달되고, 여기에서 다시 반사되어 동공(50)으로 전달됨을 알 수 있다. 도 8은 도 5에서 설명한 바와 같은 z축 방향에서 도 7의 광학 수단(10)을 볼 때, 광학 수단(10)을 도 6에서 설명한 바와 같은 x축 상에서 이등분한 후, 이등분선을 제1 면(11)으로 하고, 이를 기준으로 도 7의 제1 반사 수단(20)을 대칭 이동시키는 것과 실질적으로 동일함을 알 수 있다.

도 9는 광학 수단(10)의 내면에서 전반사가 이루어지지 않는 또 다른 경우를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 전반사 없이 제1 반사 수단(20)으로 광학 수단(10)의 내부를 통해 직접 전달되고, 제1 반사 수단(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 제2 반사 수단(30) 즉, 복수개의 반사부(31~35)에서 반사되어 동공(50)으로 전달됨을 알 수 있다. 도 9의 예는 도 7과 유사하지만 화상 출사부(40)의 위치 및 제1 반사 수단(20)의 위치 및 각도에서 차이가 있다.

도 10은 광학 수단(10)의 내면에서 1회 전반사가 이루어지는 또 다른 경우를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 제1 반사 수단(20)으로 전달되고, 제1 반사 수단(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11) 쪽으로 출사되고, 제1 면(11)에서 다시 전반사된 후 제2 반사 수단(30)으로 전달되고, 여기에서 다시 반사되어 동공(50)으로 전달됨을 알 수 있다. 도 10은 도 5에서 설명한 바와 같은 z축 방향에서 도 9의 광학 수단(10)을 볼 때 광학 수단(10)을 x축 상에서 이등분한 후, 이등분선을 제1 면(11)으로 하고, 이를 기준으로 도 9의 제1 반사 수단(20)을 대칭 이동시키는 것과 실질적으로 동일함을 알 수 있다.

도 11은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사가 이루어지지 않는 또 다른 예를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 전반사 없이 제1 반사 수단(20)으로 광학 수단(10)의 내부를 통해 직접 전달되고, 제1 반사 수단(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 제2 반사 수단(30) 즉, 복수개의 반사부(31~35)에서 반사되어 동공(50)으로 전달됨을 알 수 있다. 도 11의 예는 도 7 및 도 9와 유사하지만 화상 출사부(40)의 위치 및 크기와 제1 반사 수단(20)의 위치 및 각도에서 차이가 있다.

도 12는 광학 수단(10)의 내면에서 2회 전반사가 이루어지는 또 다른 경우를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 제1 반사 수단(20)으로 전달되고, 제1 반사 수단(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12) 쪽으로 출사되고, 제2 면(12)에서 다시 전반사된 후 제1 면(11)으로 전달되고, 제1 면(11)에서 다시 전반사되어 제2 반사 수단(30)으로 전달되고, 여기에서 다시 반사되어 동공(50)으로 전달됨을 알 수 있다. 도 12는 도 5에서 설명한 바와 같은 z축 방향에서 도 11의 광학 수단(10)을 볼 때 광학 수단(10)을 x축 상에서 삼등분한 후, 삼등분선중 동공(50)쪽에 가까운 선을 제1 면(11)으로 하고, 삼등분선을 기준으로 도 11의 제1 반사 수단(20)을 2회 대칭 이동시키는 것과 실질적으로 동일함을 알 수 있다.

도 7 내지 도 12는 광학 수단(10)의 내부에서 전반사가 없거나 적어도 1회 이상의 전반사가 이루어지는 구조를 예시적으로 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외의 다른 전반사 횟수를 통해 증강 현실 화상광을 반사 수단(20)으로 전달할 수 있는 기타 다양한 구조가 가능함은 물론이다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 13은 증강 현실용 광학 장치(300)의 사시도이고 도 14는 증강 현실용 광학 장치(300)의 정면도이다.

도 13 및 도 14의 증강 현실용 광학 장치(300)는, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 실시예의 증강 현실용 광학 장치(200)와 기본적인 구성은 동일하되, 복수개의 반사부(31~35)들로 구성되는 제2 반사 수단(301,302,303,304)이 복수개로 형성된 것을 특징으로 한다.

여기에서, 복수개의 제2 반사 수단(301,302,303,304)은, 다음과 같은 배치 구조를 갖는다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이, 광학 수단(10)을 사용자의 동공(50) 정면에 두었을 때, 동공(50)에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부(40)로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단(10)의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하면, z축은 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단(10)의 내면 사이를 지나는 선분이 되는데, 여기에서 복수개의 제2 반사 수단(301,302,303,304)는 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 평행하게 간격을 두고 배치된다.

여기에서, 각각의 제2 반사 수단(301,302,303,304)를 구성하는 복수개의 반사부(31~35)들 각각은, 인접하는 제2 반사 수단(301,302,303,304), 즉, 양 옆의 제2 반사 수단(301,302,303,304)를 구성하는 복수개의 반사부(31~35)들 중 어느 하나와 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하도록 나란하게 배치될 수 있다. 따라서, 복수개의 제2 반사 수단(301,302,303,304)를 z축 방향에서 보았을 때는 도 4와 동일하게 보이게 된다.

도 13 및 도 14의 실시예에 의하면, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 바와 같은 작용 효과를 가지면서 z축 방향의 시야각 및 아이박스(eye box)를 넓힐 수 있는 장점이 있다.

도 15 및 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(400)의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 15는 증강 현실용 광학 장치(400)의 사시도이고, 도 16은 증강 현실용 광학 장치(400)의 정면도이다.

도 15 및 도 16의 실시예의 증강 현실용 광학 장치(400)는, 도 13 및 도 14에서 설명한 실시예의 증강 현실용 광학 장치(300)와 기본적으로 동일하지만, 복수개의 제2 반사 수단(301,302,303,304) 각각을 구성하는 복수개의 반사부(31~35)들 중 적어도 일부는, 인접하는 제2 반사 수단(301,302,303,304)을 구성하는 복수개의 반사부(31~35)들에 대해 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 나란하게 위치하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, z축의 오른쪽 방향으로부터 서로 인접하는 첫번째 제2 반사 수단(301)의 반사부(31~35)들과 두번째 제2 반사 수단(302)의 반사부(31~35)들을 y축 방향의 위쪽(화상 출사부(40)쪽)으로부터 순서대로 비교해 보면, 첫번째 제2 반사 수단(301)의 각각의 반사부(31~35)들은 두번째 제2 반사 수단(302)의 모든 반사부(31~35)들과 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하지 않도록 배치되어 있음을 알 수 있다. 즉, 첫번째 제2 반사 수단(301)의 반사부(31~35)들과 두번째 제2 반사 수단(302)의 반사부(31~35)들은 x축 방향에서 볼 때 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 나란히 정렬되어 있지 않고 서로 엇갈리게 배치되어 있음을 알 수 있다.

도 17 및 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 17은 증강 현실용 광학 장치(500)의 사시도이고, 도 18은 증강 현실용 광학 장치(500)의 정면도이다.

도 17 및 도 18의 증강 현실용 광학 장치(500)는 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 실시예와 동일하되, 복수개의 반사부(31~35) 각각이 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 연장된 바(bar) 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

여기에서, 복수개의 반사부(31~35)들 각각은, 다음과 같은 배치 구조를 갖는다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이, 증강 현실용 광학 장치(500)를 사용자의 동공(50) 정면에 두었을 때, 동공(50)에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부(40)로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단(10)의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하면, z축은 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단(10)의 내면 사이를 지나는 선분이 되며, 여기에서 복수개의 반사부(31~35)들은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 연장되는 바(bar) 형태로 형성된다.

본 실시예의 경우에도, 광학 수단(10)을 z축 방향에서 보았을 때 복수개의 반사부(31~35)들은 도 4에서와 동일하게 보이게 된다.

한편, 도 13 내지 도 18의 실시예에서, 제1 반사 수단(20)은, x축 방향에서 보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 제2 반사 수단(301,302,303,304)에 더 가깝도록 연장되어 형성되며, 전체적으로 완만한 "U"자의 바(bar) 형태로 형성된다.

제1 반사 수단(20)의 z축 방향으로의 전체적인 길이는, 복수개의 제2 반사 수단(301,302,303,304) 전체의 z축 방향의 길이에 상응하도록 연장 형성된다.

이 경우에도, 전술한 바와 같이, 제1 반사 수단(20)의 폭 방향의 길이는 4mm 이하로 형성되고, 증강 현실 화상광을 반사시키는 반사면(21)이 실제 사물 화상광이 입사하는 방향인 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하여 오목한 형태로 형성될 수 있다.

이외에도, 앞서 도 4 내지 도 6에서 설명한 제1 반사 수단(20)의 다른 특징 또한 도 13 내지 도 18의 실시예들에 그대로 적용될 수 있다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(600)를 나타낸 것으로서, z축 방향에서 바라본 측면도이다.

도 19의 실시예는 도 8의 실시예와 동일하되, 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실 화상광이 광학 수단(10)으로 입사하는 제3 면(13)이 굴절능을 가지도록 곡면으로 형성된 것을 특징으로 한다.

이러한 제3 면(13)은 화상 출사부(40)쪽으로 돌출되어 굴곡을 갖는 면으로 형성되어, 화상 출사부(40)로부터 입사하는 증강 현실 화상광에 대한 콜리메이터로서의 기능을 수행할 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 반사 수단(20)은 광학 수단(10)의 내부에 내장된 콜리메이터로서의 기능을 수행하기 때문에, 제3 면(13)을 보조적인 콜리메이터로 사용할 수 있으므로, 콜리메이터로서의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있다.

도 19에서 제3 면(13)은 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이에 형성된 것으로 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제3 면(13)은 화상 출사부(40)로부터 출사한 증강 현실 화상광이 광학 수단(40)으로 입사하는 면을 의미한다는 점을 유의해야 한다.

도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(700)를 나타낸 것으로서, z축 방향에서 바라본 측면도이다.

도 20의 실시예는 도 19의 실시예와 동일하되, 화상 출사부(40)와 제3 면(13) 사이에 보조 광학 수단(60)이 배치된 것을 특징으로 한다.

도 20에서는 보조 광학 수단(60)은 볼록 렌즈로 형성되어 있으나 이는 예시적인 것이며, 기타 다른 다양한 반사 수단, 굴절 수단 또는 회절 수단 중 적어도 하나 이상의 조합을 사용할 수 있다. 이러한 보조 광학 수단(60)을 적절히 활용함으로써, 증강 현실용 광학 장치(700)의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있다.

도 21 내지 도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(800)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 21은 증강 현실용 광학 장치(800)를 동공(40)쪽에서 바라 본 정면도이고, 도 22는 증강 현실용 광학 장치(800)를 전술한 바와 같은 z축 방향에서 바라 본 측면도이고, 도 23은 증강 현실용 광학 장치(800)를 전술한 바와 같은 y축 방향에서 바라 본 평면도이다.

도 21 내지 도 23에 나타낸 증강 현실용 광학 장치(800)는 도 14의 증강 현실용 광학 장치(300)와 동일하게 제2 반사 수단(30)이 복수개(301~305)로 구성되지만, 각각의 제2 반사 수단(301~305)과 광학 수단(10)의 제1 면(12)과의 거리가 모두 동일하지는 않도록 배치되는 제2 반사 수단(301~305)이 적어도 하나 이상 존재한다는 점에서 차이가 있다.

즉, 전술한 바와 같이, 증강 현실용 광학 장치(800)를 사용자의 동공(50) 정면에 두었을 때, 동공(50)에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부(40)로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단(10)의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단(10)의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 각 제2 반사 수단(301~305)과 광학 수단(10)의 제2 면(12)과의 거리가 모두 동일하지는 않도록 배치되는 제2 반사 수단(301~305)이 적어도 하나 이상 존재하도록 제2 반사 수단(301~305)들이 배치되며, 이는 바꾸어 말하면, 도 22에 나타낸 바와 같이, 복수개의 제2 반사 수단(301~305) 중 적어도 일부는 z축 방향에서 보았을 때 겹쳐서 보이지 않도록 배치된다는 것을 의미한다.

도 21 내지 도 23의 실시예에서는, 녹색으로 나타낸 2개의 제2 반사 수단(301,305)과 광학 수단(10)의 제2 면(12)과의 거리, 검은색으로 나타낸 2개의 제2 반사 수단(302,304)과 광학 수단(10)의 제2 면(12)과의 거리, 붉은 색으로 나타낸 1개의 제2 반사 수단(303)과 광학 수단(10)의 제1 면(12)과의 거리는 서로 상이하도록 배치된다. 여기에서, 녹색으로 나타낸 2개의 제2 반사 수단(301,305) 각각과 광학 수단(10)의 제2 면(12)과의 거리는 동일하고, 검은색으로 나타낸 2개의 제2 반사 수단(302,304) 각각과 광학 수단(10)의 제2 면(12)과의 거리는 동일한 것으로 나타내었으나 이는 예시적인 것이며, 모든 제2 반사 수단(301~305)들과 광학 수단(10)의 제2 면(12)과의 거리를 전부 상이하게 배치할 수도 있음은 물론이다.

이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 구성을 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.

100...종래의 증강 현실용 광학 장치
200,300,400,500,600,700,800...곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치
10...광학 수단
11...광학 수단(10)의 제1 면
12...광학 수단(10)의 제2 면
13...광학 수단(10)의 제3 면
20...제1 반사 수단
21...제1 반사 수단(20)의 반사면
30...제2 반사 수단
30A...제1 반사부 그룹
30B...제2 반사부 그룹
31,32,33,34,35...반사부
40...화상 출사부
50...동공
60...보조 광학 수단

Claims (19)

1. 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서,
   실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단;
   상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되며, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 제2 반사 수단으로 전달하는 제1 반사 수단;
   상기 제1 반사 수단으로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달하도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 복수개의 반사부를 포함하는 제2 반사 수단
   을 포함하고,
   상기 광학 수단은, 실제 사물 화상광이 입사하는 제1 면과 상기 제2 반사 수단을 통해 전달되는 증강 현실 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공을 향해 출사하는 제2 면을 가지고,
   상기 제2 반사 수단은,
   상기 제1 반사 수단으로부터의 거리와 관계없이 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 동일한 거리를 갖거나 제1 반사 수단으로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 더 멀도록 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제1 반사부 그룹; 및
   상기 제1 반사 수단으로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 더 가깝도록 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제2 반사부 그룹
   으로 구성되고,
   상기 증강 현실 화상광을 반사시키는 제1 반사 수단의 반사면은, 실제 사물 화상광이 입사하는 광학 수단의 제1 면을 향하도록 배치되고,
   상기 제2 반사부 그룹과 상기 제1 반사 수단의 거리는 상기 제1 반사부 그룹과 상기 제1 반사 수단의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 반사 수단으로 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사되어 제1 반사 수단으로 전달되는 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
   
3. 삭제
4. 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서,
   실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단;
   상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되며, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 제2 반사 수단으로 전달하는 제1 반사 수단;
   상기 제1 반사 수단으로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달하도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 복수개의 반사부를 포함하는 제2 반사 수단
   을 포함하고,
   상기 광학 수단은, 실제 사물 화상광이 입사하는 제1 면과 상기 제2 반사 수단을 통해 전달되는 증강 현실 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공을 향해 출사하는 제2 면을 가지고,
   상기 제2 반사 수단은,
   상기 제1 반사 수단으로부터의 거리와 관계없이 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 동일한 거리를 갖거나 제1 반사 수단으로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 더 멀도록 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제1 반사부 그룹; 및
   상기 제1 반사 수단으로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 더 가깝도록 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제2 반사부 그룹
   으로 구성되고,
   상기 제1 반사 수단의 반사면은 광학 수단의 제1 면쪽으로 오목하게 형성된 곡면으로 형성되고,
   상기 제2 반사부 그룹과 상기 제1 반사 수단의 거리는 상기 제1 반사부 그룹과 상기 제1 반사 수단의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 반사 수단의 폭 방향의 길이는 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 반사 수단을 구성하는 복수개의 반사부들은, 상기 제1 반사 수단으로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 동공을 향해 반사시켜 전달할 수 있도록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 경사각을 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 반사부 각각은, 4mm 이하의 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 반사부 각각은, 상기 제1 반사 수단으로부터 전달되는 증강 현실 화상광이 다른 반사 수단에 의해 차단되지 않도록 배치된 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는 하프 미러, 굴절 소자 또는 회절 소자 중 적어도 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
    
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면에 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅된 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
    
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 반사 수단은, 복수개로 구성되고,
    상기 광학 수단을 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 제2 반사 수단은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 반사 수단 각각은, 각각의 제2 반사 수단을 구성하는 복수개의 반사부들 각각이, 인접하는 제2 반사 수단을 구성하는 복수개의 반사부 중 어느 하나와 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하도록 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
    
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 반사 수단 각각은, 복수개의 제2 반사 수단 각각을 구성하는 복수개의 반사부들 중 적어도 일부가, 인접하는 제2 반사 수단을 구성하는 복수개의 반사부들에 대해 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 나란하게 위치하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
    
15. 청구항 1에 있어서,
    증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 반사부들은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 연장되는 바 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
    
16. 청구항 12 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 반사 수단은, x축 방향에서 보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 제2 반사 수단에 더 가깝도록 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
    
17. 청구항 1에 있어서,
    상기 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광이 광학 수단으로 입사하는 제3 면이 굴절능을 가지도록 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
    
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 화상 출사부와 상기 제3 면 사이에 보조 광학 수단이 배치된 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
    
19. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 반사 수단은 복수개로 구성되고,
    상기 광학 수단을 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 각각의 제2 반사 수단과 광학 수단의 제2 면과의 거리가 모두 동일하지는 않도록 배치되는 제2 반사 수단이 적어도 하나 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 곡선 배치 반사 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.

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