KR102489741B1 - 이미징 광학 유닛 및 스마트 안경 - Google Patents

Abstract

가상 이미지를 생성하기 위한 이미징 광학 유닛이 제공된다. 이 이미징 광학 유닛은, 눈 앞에 착용되는 적어도 하나의 안경 렌즈(1), 이것은 눈을 향하는 내부 표면(3), 및 눈으로부터 멀리 향하는 외부 표면(5)을 가지고; 초기 이미지를 디스플레이하기 위한 이미지 생성기(15)를 포함하는 디스플레이 장치(13), 이때 상기 이미지 생성기(15)는 상기 초기 이미지로부터 상기 가상 이미지를 생성하는 이미징 빔 경로의 시작점이고; 상기 안경 렌즈(1)의 상기 내부 표면(3)과 상기 외부 표면(5) 사이 상기 이미징 빔 경로를 커플링하기 위한 커플링 장치(29, 31, 33); 및 상기 눈의 방향으로 상기 안경 렌즈(1)로부터 상기 이미징 빔 경로를 디커플링하기 위한 상기 안경 렌즈(1) 안에 존재하는 디커플링 구조(7, 107, 207)를 포함한다. 상기 커플링 장치(29, 31, 33)는 상기 안경 렌즈(1)의 상기 내부 표면(3)과 상기 외부 표면(5) 사이 상기 이미징 빔 경로를 커플링하여 상기 이미징 빔 경로가 상기 내부 표면(3)과 상기 외부 표면(5) 사이 반사들을 이용해 상기 디커플링 구조(7, 107, 207)로 안내된다. 상기 디커플링 구조(7, 107, 207)는, 분리 선(39)을 따라, 서로에 대해 각(β)에서 연장되는 2 개의 부분 구조들(41, 43)로 구성되고, 또한 상기 눈의 방향으로 서로 다른 방향들로부터 도달하는 빔 경로들(25, 27)을 디커플링하고, 이때 상기 도달하는 빔 경로들(25, 27)의 서로 다른 방향들은 부분 구조들(41, 43) 사이의 각(β)에 의해 결정된다. 빔-스플리팅 구조(21, 23)가 상기 안경 렌즈(1)의 영역과 상기 디스플레이 장치(7, 107, 207) 사이에 존재하고, 여기서 상기 제1 반사가 발생되고, 상기 빔-스플리팅 구조(21, 23)는 상기 이미지 생성기(15)로부터 연장되는 상기 이미징 빔 경로를 2 개의 부분 이미징 빔 경로들로 분리하고, 이것은 상기 디커플링 구조의 상기 부분 구조들(41, 43) 상에서 서로 다른 방향으로부터 도달하는 상기 빔 경로들(25, 27)을 형성한다.

Description

이미징 광학 유닛 및 스마트 안경{IMAGING OPTICAL UNIT AND SMART GLASSES}

본 발명은 가상 이미지를 그리기 위한 이미징 광학 유닛 뿐만 아니라 가상 이미지를 그리기 위한 이미징 광학 유닛을 가지는 스마트 안경에 관한 것이다.

스마트 안경은 머리에 장착되는 디스플레이의 특별한 형태이다. 머리에 장착되는 디스플레이의 공통적인 형태는 눈 앞에 착용되는 스크린들을 이용하여 카메라들로 찍은 이미지들 또는 컴퓨터 생성 이미지들을 사용자에게 보여준다. 이러한 머리에 장착되는 디스플레이들은 대부분 크고 주변 환경을 바로 인지하는 것을 허용하지 않는다. 최근에서야 주변 환경의 즉각적인 인지를 방해하지 않으면서 컴퓨터 생성 이미지 또는 카메라로 찍은 이미지를 사용자에게 보여줄 수 있는 머리에 장착되는 디스플레이들이 개발되고 있다. 이하에서 스마트 안경으로 지칭되는, 이러한 머리에 장착되는 디스플레이들은 일상 생활에서 이 기술의 사용을 허용한다.

스마트 안경은 다른 방식들로 제공될 수 있다. 특히 그 컴팩트함과 미적 수용을 특징으로 하는 스마트 안경 종류는 안경 렌즈 안에서 파장 안내의 원칙에 기초한다. 이미지 생성기에 의해 생성되는 광은 안경 렌즈의 외부에서 시준되고 안경 렌즈의 끝 면을 거쳐 커플링 인되고, 여기서부터 복수의 전 반사(total reflection)를 통해 눈 앞까지 퍼진다. 거기에 위치된 광학적 요소는 연이어 동공 방향으로의 광을 디커플링한다. 안경 렌즈로의 커플링 및 안경 렌즈로부터의 디커플링은 회절, 반사, 또는 굴절 중 하나일 수 있다. 회절 커플링 및 디커플링을 위해, 거의 동일한 선 수를 가진 회절 격자들이 커플링 및 디커플링 요소들로서 사용되고, 이때, 개별적인 격자들의 큰 분산 효과들은 서로 보상된다. 회절 격자들에 기초한 디커플링 요소들은, 예를 들어 US 2006/0126181 A1 및 US 2010/0220295 A1에 기술되어 있다. 반사 또는 굴절 커플링 및 디커플링 요소들을 가지는 스마트 안경들을 위한 예들은 US 2012/0002294 A1에 기술되어 있다.

스마트 안경들은, 여기서 이미징 빔이 커플링 요소로부터 디커플링 요소로 많은 (전체) 반사들이 안내되는데, 커플링 및 디커플링 요소로서 회절, 반사, 또는 굴절 요소들이 사용되는지에 상관없이, 공통으로 소위 "족문 중첩(footprint overlap)" 문제를 가진다. 이 문제는, 시야(FOV, field of view)의 크기 뿐만 아니라 아이 박스(eye box)의 위치에서 스마트 안경들의 사출 동공(exit pupil)의 크기를 제한하여, 그 결과 상대적으로 큰 안경 두께를 필요로 하는데, 이하에서 도 1 및 도 2를 이용해 보다 상세하게 설명될 것이다.

아이 박스는 이미징 빔 경로 내의 광 튜브의 3차원 영역인데, 이때 동공은 이미지의 비네팅(vignetting) 없이 움직일 수 있다. 스마트 안경에 있어서, 스마트 안경에 대한 눈의 거리는 일정하기 때문에, 아이 박스는 눈의 회전 이동만 고려하는 2차원 아이 박스로 축소될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 아이 박스는 눈의 입사 동공(entrance pupil)의 위치에서 스마트 안경의 사출 동공에 기본적으로 대응한다. 일반적으로, 입사 동공은 눈의 동공에 의해 구성된다. 스마트 안경이 시스템이긴 하지만, 이때 이미징 빔 경로는 이미지 생성기로부터 스마트 안경의 사출 동공까지 지나가는데, 역 방향으로부터, 즉 사출 동공으로부터 이미지 생성기까지의 빔 경로를 보는 것은 "족문 중첩"을 이해하는 데 유용하다. 그러므로, 이하의 설명에서는, 스마트 안경의 사출 동공으로부터 진행하는 광 튜브가 검토되어야 하고, 이때 광 튜브의 경계들은 안경 렌즈의 방향으로 아이 박스의 각각의 점으로부터 확장되는 빔의 시야 각에 의해 결정된다. 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3) 상에서의 회절 후, 빔들은 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5) 상에서 광 튜브 안으로 침범한다. 그 안에, 디커플링 구조(7)가 위치되는데, 이것은, 점(B)로부터 점(C)까지 수평 방향으로 확장된다. 점들(B와 C) 사이의 거리는, 교대로, 원하는 아이 박스(9)의 크기 및 원하는 시야 각에 종속하는, 원하는 광 튜브의 확장에 의해 결정된다. 여기서, 시야 각은 먼저 시각 축(visual axis)에 대한, 수평 시야 각이고, 이것은이미지 필드의 수평 경계 점들이 동공 안으로 침범하는 각과 관련 있다. 이 경우에 있어서, 시각 축은 이미지 필드의 중심과 눈의 와(fovea)(망막의 가장 예리한 시야 점) 사이의 직선으로 지시된다. 도 1은 상대적으로 작은 시야 각을 위한 안경 렌즈(1)의 두께(d) 및 아이 박스 지름(E)에서의 광 튜브의 프로파일을 보여준다. 광 튜브의 모든 빔들은 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3)의 방향으로 디커플링 구조(7)로부터 편향 또는 반사되고 또한 이로부터 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5)으로 다시 반사되는 전 반사를 이용해, 전 반사 하에서 이로부터 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3)으로 다시 반사된다. 이 전후 반사(back-and-forth reflection)는 커플링 요소가 도달될 때까지 발생하고, 이로부터 광 튜브는 이미지 생성기의 방향으로 계속해서 확장된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 시야 각이 상대적으로 작다면, 광 튜브의 빔들은, 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3) 상에서의 제1 전 반사 후, 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5)의 영역 상으로 침범하는데, 이것은 디커플링 요소(7)의 외부에 놓인다(도 1에서는 점(B)에 이웃하는 오른쪽). 하지만, 큰 시야 각을 원한다면, 도 2에 도시된 바와 같이, 대응되게 확대된 디커플링 구조(7')가 필요하다. 하지만, 이것은 점들(A 및 C) 사이에 위치되는 디커플링 구조(7') 부분 상으로 침입하는, 광 튜브의 빔들이 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3) 상에서 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5)의 영역으로 제1 전 반사 후 다시 반사되도록 야기시키는데, 여기서 디커플링 구조(7')는 여전히 위치된다. 이 영역은, 이하 중첩 영역이라고 지칭함, 디커플링 요소의 존재로 인해 도 2에서는 점들(B 및 D) 사이에 위치되는데, 이 디커플링 요소는 도 2에서 선택된 도시에 있어서 회절 또는 반사 디커플링 요소일 수 있고, 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3)으로부터 B와 D 사이의 영역으로 반사되는 빔들은 내부 표면(3)의 방향으로 다시 반사되지 않아, 이미징에 있어서는 손실된다.

아이 박스의 지름이 시야 각 대신 확대되면, 유사한 문제가 또한 발생한다. 이 경우에 있어서, 그 사이에 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3) 방향으로 반사된 빔들이 위치되는 영역이 있는, 점들(A 및 C) 또한 존재하는데, 전 반사 하에서, 이것들은 점들(B 및 D)에 의해 지시되는 디커플링 구조(7')의 영역으로 다시 반사되고 이로써 이미징에 있어서는 무용하게 된다. 아이 박스 지름(E) 및 시야 각이 유지되고 안경 렌즈의 두께(d)가 감소되면 동일하게 적용될 것이다. 다시 말하면, 충분히 큰 시야 각에서 충분히 큰 아이 박스 지름(E)은 안경 렌즈의 특정한 최소 두께(d)를 가지고만 달성될 수 있다.

이 점에 있어서, 상기의 설명에 있어서, 빔 경로가 역이었고, 실제 빔 경로는 이미지 생성기로부터 스마트 안경의 사출 동공으로 확장된다는 것에 다시 한번 유의해야 한다. 하지만, 점들(B 및 D) 사이 영역에서 디커플링 구조(7') 상으로 침입하는, 이미지 생성기로부터 오는 빔들은, 안경 렌즈의 내부 표면 방향으로의 전 반사를 이용해 다시 반사되지 않기 때문에, 사출 동공으로 반사되지 않아, 이것은 기본적인 관찰을 전혀 변경하지 않는다. 하지만, 이것은 점들(A 및 C) 사이 디커플링 구조(7')의 영역에 도달하기 위해 필요할 수 있고, 이로부터 사출 동공 방향으로 이들을 디커플링할 수 있을 것이다.

설명된 종래 기술 측면에서 볼 때, 본 발명에 의해 언급되는 첫번째 문제점은 이미징 광학 유닛을 제공하는 데 있는데, 이로써 설명된 "족문 중첩" 문제는 감소될 수 있다. 이에 더하여, 본 발명에 의해 언급되는 두번째 문제점은 유리한 스마트 안경을 제공하는 데 있다. 첫번째 문제점은 제 1 항에 따른 이미징 광학 유닛에 의해 해결되고, 두번째 문제점은 제 14 항에 따른 스마트 안경에 이해 해결된다. 종속항들은 본 발명의 유리한 실시예들을 포함한다.

본 발명은 특히 스마트 안경에 사용될 수 있는 가상 이미지를 보여주기 위한 이미징 광학 유닛을 제공한다. 이 이미징 광학 유닛은,

- 눈 앞에 착용되는 적어도 하나의 안경 렌즈, 이것은 눈을 향하는 내부 표면, 및 눈으로부터 멀리 향하는 외부 표면을 가진다. 본 발명에 따른 이미징 광학 유닛에 있어서, 안경 렌즈는 결함있는 시력을 교정하는 안경 렌즈, 또는 결함있는 시력을 교정하지 않는 광학 0 요소일 수 있다. 후자는 특히 이미징 광학 유닛이 선글라스 또는 보안경으로 디자인되는 스마트 안경에 사용되는 경우일 수 있다. 나아가, 안경 렌즈는 플라스틱 또는 유리로 만들어질 수 있다. 안경 렌즈는 복수층 구조를 가질 수 있다.

- 초기 이미지를 디스플레이하기 위한 이미지 생성기(디스플레이)를 포함하는 디스플레이 장치, 이때 상기 이미지 생성기는 상기 초기 이미지로부터 상기 가상 이미지를 생성하는 이미징 빔 경로의 시작점이다. 디스플레이 장치는 이미지 생성기만으로 구성되거나, 또는 예를 들어 렌즈들, 미러들, 프리즘들 등의, 추가의 요소들 및/또는 이미지 생성기를 조정하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 디스플레이의 모든 종류들, 특히 LCD(liquid crystal display), 발광 다이오드들에 기초한 디스플레이(LED 디스플레이), 및 유기 발광 다이오드들에 기초한 디스플레이(OLED 디스플레이)가 이미지 생성기로서 가능하다.

- 상기 안경 렌즈의 상기 내부 표면과 상기 외부 표면 사이 상기 이미징 빔 경로를 커플링하기 위한 커플링 장치, 커플링 장치는, 예를 들어 안경 렌즈의 부분 또는 디스플레이 장치의 부분일 수 있다.

- 상기 눈의 방향으로 상기 안경 렌즈로부터 상기 이미징 빔 경로를 디커플링하기 위한 상기 안경 렌즈 안에 존재하는 디커플링 구조를 포함한다. 커플링 장치는 이미징 빔 경로를 커플링하여 이것은 상기 안경 렌즈의 상기 내부 표면과 상기 외부 표면 사이에서 상기 안경 렌즈의 상기 내부 표면과 상기 외부 표면 사이 반사들을 이용해 상기 디커플링 구조로 안내된다. 반사들은 안경 렌즈의 내부 표면 및/또는 외부 표면에 적용되는 반사 또는 부분적 반사 코팅 상에서의 반사를 통해 또는 주변환경 매개체-보통 공기-와 반사 코팅 안경 렌즈의 매개체/매개체들 사이 경계 상에서의 전 반사를 통해 실현될 수 있다. 이것은 모든 반사들이 전체 반사들에 의해 영향을 받거나 또는 모든 반사들이 반사 또는 부분 반사 코팅 상에서의 반사에 의해 영향을 받을 가능성을 허용한다. 하지만, 하나 또는 그 이상의 반사들이 반사 또는 부분 반사 코팅 상에서의 반사에 의해 영향을 받고, 나머지 반사들은 전체 반사에 의해 영향을 받는 것 또한 가능하다. 내부 표면 및/또는 외부 표면은 주변환경 매개체와 안경 렌즈의 매개체/매개체들 사이의 경계일 필요는 없다. 대신, 안경 렌즈의 복수층 구조의 경우에 있어서, 내부 표면 및/또는 외부 표면은 안경 렌즈 내부의 안경 렌즈의 부분 몸체들 또는 2 개의 층들 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 내부 표면은 눈을 향하는 안경 렌즈의 제1 부분 몸체와 눈으로부터 멀리 향하는 안경 렌즈의 제2 부분 몸체 사이의 부분 반사 층에 의해 형성될 수 있다. 외부 표면에도 동일하게 적용될 수 있다.

이미징 광학 유닛에 있어서, 상기 디커플링 구조는, 분리 선을 따라, 서로에 대해 각(β)으로 배치되고 또한 상기 눈의 방향으로 서로 다른 방향들로부터 도달하는 빔 경로들을 디커플링하는 2 개의 부분 구조들로 구성되는데, 이때 상기 도달하는 빔 경로들의 서로 다른 방향들은 상기 부분 구조들 사이의 각(β)에 의해 결정된다. 여기서, 분리 선이 디커플링 구조를 동일한 크기의 2 개의 부분 구조들로 분할하는 것이 특히 가능하다. 나아가, 서로 다른 방향들로부터 오는 빔 경로들 중 하나는 상기 분리 선과 각(β/2)을 형성하고, 서로 다른 방향들로부터 오는 상기 빔 경로들 중 다른 하나는 상기 분리 선과 각(-β/2)을 형성할 수 있어, 이로써 상기 분리 선에 대칭을 달성하는 것이 가능하게 해준다.

본 발명에 따른 이미징 광학 유닛에 있어서, 빔-스플리팅 구조가 상기 안경 렌즈의 영역과 상기 디스플레이 장치 사이에 추가적으로 존재하고, 여기서 상기 제1 반사가 발생되고; 상기 빔-스플리팅 구조는 상기 이미지 생성기로부터 연장되는 상기 이미징 빔 경로를 2 개의 부분 이미징 빔 경로들로 분리하고, 이것은 상기 디커플링 구조의 상기 부분 구조들에 서로 다른 방향으로부터 도달하는 상기 빔 경로들을 형성한다. 이 빔-스플리팅 구조는 특히 이미지 생성기와 안경 렌즈의 모서리 사이에 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 이미징 광학 유닛에 있어서, 상기 커플링 장치는 특히 상기 안경 렌즈의 측면 모서리 상에 배치될 수 있다. 결과적으로, 상기 디커플링 구조는 폭 확장 방향을 따라 확장되는 폭, 및 높이 확장 방향을 따라 상기 폭 확장 방향에 수직하게 확장되는 높이를 가질 수 있고, 이때 상기 폭 확장 방향은 실질적으로 상기 안경 렌즈의 횡단 방향으로 지나간다. 이러한 경우에 있어서, 상기 분리 선은 상기 폭 확장 방향에 평행한 상기 부분 구조들 사이에서 지나갈 수 있다. 이러한 디자인은 특히 통상적인 안경 렌즈의 기하구조와 양립될 수 있다. 나아가, 이미징 광학 유닛이 마련된 스마트 안경에 있어서, 이 디자인은 안경 다리 안에 또는 안경 다리와 안경 렌즈 사이에 디스플레이 장치의 배치를 허용하고, 이로써 디스플레이 장치는 상대적으로 눈에 띄지 않게 스마트 안경에 통합될 수 있다.

본 발명에 따른 이미징 광학 유닛을 가지고, 처음에 기술된 문제점인 "족문 중첩"이 현저히 감소될 수 있다. 디커플링 구조가 서로에 대해 각(β)으로 배치되고 또한 눈의 방향으로 서로 다른 방향들로부터 도달하는 빔 경로들을 디커플링하는 2 개의 부분 구조들로 구성되기 때문에, 안경 렌즈 안의 이러한 영역들은, 여기서 반사가 발생되어야 하고 또한 종래 기술에서는 디커플링 구조의 점들(B 및 D) 사이에 위치되고, 디커플링 구조의 외부로 움직일 수 있다. 예를 들어, 분리 선이 디커플링 구조의 폭 확장 방향으로 지나가면, 반사는, 부분 구조들 사이의 각으로 인해, 디커플링 구조 위와 아래에 위치되는 안경 렌즈의 영역들로 움직일 수 있다.

디커플링 구조가 이미징 광학 유닛의 사출 동공에 상대적으로 근접하게 배치되기 때문에, 대부분의 사전 이미지 점들에 있어서, 이미징이 이미징 빔 경로들 모두를 통해 동시에 발생하는 것으로 가정될 수 있고, 이것은 동일한 하나의 사전 이미지 점으로부터 발생된 빔들이 부분 빔들로 분리되고, 이것이 2 개의 이미징 빔 경로들을 따라 지나가는 것을 의미한다. 하지만, 이들은 공통 화소에 다시 도달해야 하는데, 이것은 빔-스플리팅 구조의 편향기들의 정렬에 의해 실현될 수 있다. 이에 더하여, 동일한 촛점 길이는 부분 이미징 빔 경로들 모두에 존재해야 하는데, 이것은 이미징 광학 유닛의 적절한 디자인으로 실현될 수 있다. 본 발명에 따른 이미징 광학 유닛의 빔-스플리팅 구조는 이로써 각각의 부분 이미징 빔 경로에 대하여 적어도 하나의 편향기를 포함하고, 이 편향기는 안경 렌즈로 디커플링 구조의 대응하는 부분 구조의 방향으로 적절한 이미징 빔 경로를 편항시키도록 디자인되는 것이 바람직한데, 이때 2개의 부분 이미징 빔 경로들을 위한 편향기들은 이미지 생성기의 동일한 사전 이미지 점으로부터 발생한 이미징 빔 경로들의 빔들이 가상 이미지 내의 동일한 화소로 다시 가져가지도록 정렬된다. 나아가, 이미징 광학 유닛은 그후 부분 이미징 빔 경로들 모두에 있어서 동일한 촛점 길이를 가진다. 편향기들은 특히 반사 편향기들 또는 굴절 편향기들일 수 있다. 미러들, 프리즘들, 또는 다른 반사 표면들이 반사 편향기들로 사용될 수 있고, 예를 들어 프리즘들은 굴절 편향기들로 사용될 수 있다.

이미징 광학 유닛은 커플링 장치에 적어도 어느 정도 통합될 수 있고, 예를 들어 커플링 장치는 적절한 프리폼(freeform) 표면들이 마련되도록 구현될 수 있다. 이에 더하여, 또는 대체적으로, 이미징 광학 유닛은 디커플링 구조에 적어도 어느 정도 통합될 수 있는데, 이것은 교대로 대응하는 프리폼 표면을 가질 수 있다. 또한 더 추가적으로 또는 대체적으로, 이미징 광학 유닛은 빔 스플리터에 적어도 어느 정도 통합될 수 있는데, 이때 반사 또는 굴절 표면들은 적절한 프리폼 표면으로 설계된다. 더 추가적으로 또는 대체적으로, 이미징 광학 유닛은 디스플레이 장치에 적어도 어느 정도 통합될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 이미징 광학 유닛은 적절한 렌즈 또는 플레잉(playing) 표면을 가질 수 있다.
특히 커플링 장치, 디커플링 구조, 빔 스플리터, 및 디스플레이 장치 중 적어도 2 개의 요소는 각각 이미징 광학 유닛의 일부를 포함하고 가상 이미지의 생성을 공동으로 제공하는 것이 가능하다.

디커플링 구조는 반사 띠들(reflective strips)을 가지는 반사 띠 구조일 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 띠 구조는 안경 렌즈의 외부 표면 상에 배치되고 미러링된 띠들 또는 부분적으로 미러링된 띠들로 구성될 수 있다. 특히 미러링된 띠들의 경우에 있어서, 반사 및 비-반사(non-reflective) 띠들은 교대로 배치될 수 있다. 가상 이미지는 그후 배경 이미지 상에 중첩되어 주변환경으로부터 안경 렌즈로부터 전달된 광 빔들과 공간적으로 교대로 반사되는 광 빔들이 동공에 침입하고, 이로써 기하학적인 빔 중첩은 동공에 존재하게 된다. 부분적으로 미러링된 띠들의 경우에 있어서, 개별적인 띠들은 서로에 대해 바로 인접하여 배치될 수 있다. 주변 광의 일 부분은 이러한 경우에 있어서 사출 동공의 방향으로 부분적으로 미러링된 띠들을 통과한다. 이미지 생성기로부터 발생되는 광 빔들은 사출 동공의 방향으로 부분적으로 미러링된 띠들에 의해 동시에 반사되고, 이로써 물리적 빔 중첩이 발생한다.

대체적으로, 반사 띠 구조로서 디커플링 구조의 디자인에 있어서, 띠 구조는 또한 굴절 띠 구조로 디자인될 수 있다. 이러한 띠 구조는 그후 안경 렌즈의 내부 표면 상에 배치되고 이미지 생성기로부터의 빔들을 굴절시켜서 이들이 안경 렌즈의 사출 동공으로 편향되게 된다.

디커플링 구조의 디자인을 위한 다른 대체안은 회절 띠 구조로서 띠 구조를 디자인하는 것이다. 이러한 경우에 있어서, 디커플링은 반사에 의해서가 아니라 회절에 의해서 아이 박스 방향으로 영향을 받는다. 부분 구조들은 그들의 분산 방향들이 서로에 대해 각(β)가 되도록 정렬된다. 하지만, 일반적으로, 다색 디커플링(polychromatic decoupling)은 회절 띠로 복잡해지고, 이로써 반사 또는 굴절 띠 구조들이 선호된다.

띠 구조의 디자인에 상관없이, 디커플링 구조가 이미징 광학 유닛의 일 부분이라고 가정되면, 개별적인 띠 표면들은 프리폼 표면들에 의해 중첩될 수 있다.

이미징 광학 유닛에 있어서, 2 개의 부분 구조들 사이의 각(β)는 변수 e = (E x α)/d 가 적어도 0.4, 바람직하게는 적어도 0.5의 값으로 가정하여 선택되고, 이때 E는 눈의 입사 동공(entrance pupil) 상에 위치되는 사출 동공(exit pupil)의 지름(mm)을 지시하고, α는 시야 각(rad)을 지시하고, d는 상기 안경 렌즈의 두께(mm)를 지시한다. 변수 e는 이미징 광학 유닛의 광 튜브를 통과하는 가능한 광 쓰루풋을 위한 측정이다. 종래 기술에 따른 디커플링 구조들을 가지고, 대략 0.25의 변수 e의 최대 값이 가능하다. 각(β)로 서로에 대해 배치되는, 디커플링 구조의 2 개의 부분 구조들로의 분리로 인해, 변수를 위한 값은 적어도 0.4, 특히 적어도 0.5까지 증가될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 안경 렌즈의 두께를 감소시키는 것을 가능하게 해 주고, 이로써 종래 기술에서 실현되어 온 바와 같이, 적어도 하나의 시야각 및 하나의 아이 박스를 가지는 이미징 광학 유닛들은, 예를 들어 3 mm보다 크지 않은 두께, 특히 2.5 mm보다 크지 않은 두께를 가지는 안경 렌즈를 가지는, 종래 기술과 비교했을 때 감소된 안경 렌즈의 두께를 가지고 실현될 수 있다. 대조적으로, 종래 기술에 따른 스마트 안경을 위한 이미징 광학 유닛들은 통상 4 mm 또는 그 이상의 유리 두께들을 가진다. 하지만, 종래 기술과 비교했을 때 변하지 않는 유리 두께로 남겨놓고 대신 시야각을 적어도 12.5°까지, 특히 적어도 15°까지, 더 특히 적어도 20°까지 증가시키는 것 또한 가능하다. 대조적으로, 종래 기술에 따른 스마트 안경을 위한 이미징 광학 유닛들의 시야각은 현재 대략 10°이다. 종래 기술과 비교했을 때, 추가적으로 안경 렌즈의 두께를 감소시키고 동시에 시야각을 증가시키는 것 또한 가능하다. 본 발명은 이로써 예를 들어 종래 기술과 비교했을 때, 6 mm의 사출 동공 지름 및 2.5 mm의 유리 두께에서, 종래 기술과 비교했을 때, 이것은 감소한 것이고, 12.5°의 시야각을 실현하는 것을 허용하는데, 이것은 종래 기술과 비교했을 때, 증가된 것이다.

본 발명에 따른 스마트 안경은 가상 이미지를 생성하기 위한 본 발명에 따른 이미징 광학 유닛을 가진다. 본 발명에 따른 스마트 안경을 가지고 얻을 수 있는 장점들은 본 발명에 따른 이미징 광학 유닛을 참조하여 설명되는 장점들로부터 바로 뒤따른다.

본 발명의 다른 특징들, 특성들 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조하여 실시예들의 이하의 상세한 설명들로부터 뒤따른다.

도 1은 작은 시야각을 가지는 종래 기술에 따른 스마트 안경 내의 이미징 빔 경로의 단면을 보여준다.
도 2는 큰 시야각을 가지는 종래 기술에 따른 스마트 안경 내의 이미징 빔 경로의 단면을 보여준다.
도 3은 본 발명에 따른 이미징 광학 유닛을 가지는 스마트 안경의 기본 구조의 대략도이다.
도 4는 도 3의 이미징 광학 유닛 내의 부분 이미징 빔의 프로파일의 사시도이다.
도 5는 도 3의 이미징 광학 유닛 내에 사용될 수 있는 반사 디커플링 구조의 절단도이다.
도 6은 도 3의 디커플링 구조의 상면도이다.
도 7은 종래 기술에 따른 디커플링 구조의 상면도이다.
도 8은 도 3의 이미징 광학 유닛 내에 사용될 수 있는 대체적인 반사 디커플링 구조의 절단도이다.
도 9는 도 3의 이미징 광학 유닛 내에 사용될 수 있는 굴절 디커플링 구조의 절단도이다.

이하에서는, 본 발명에 따른 이미징 광학 유닛을 가지는 스마트 안경의 일 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 보다 더 상세하게 설명될 것이다. 도 1은 스마트 안경의 대략도이고, 도 3은 이미징 광학 유닛의 안경 렌즈 내의 부분 이미징 빔 경로들의 프로파일을 보여준다.

도 3에 도시된 실시예의 스마트 안경은 스마트 안경을 착용했을 때 사용자의 눈을 향하는 내부 표면(3), 및 스마트 안경을 착용했을 때 사용자의 눈으로부터 멀리 향하는 외부 표면(5)을 가지는, 적어도 하나의 안경 렌즈(1)를 가지는 이미징 광학 유닛을 포함한다. 스마트 안경은 안경다리(11)를 더 포함하는데, 여기서 이미지 생성기(15)를 가지는 디스플레이 장치가 현 실시예에 통합되어 있다. 도시된 실시예로부터 벗어나서, 디스플레이 장치(13)는, 이미징 광학 유닛의 일 부분인데, 안경 렌즈(1)와 안경다리(11) 사이에 배치되는 구성요소에 통합될 수 있다.

이미징 광학 유닛은 이미지 생성기(15)에 의해 생성되는 초기 이미지로부터 이미지를 생성한다. 적절한 이미징 빔 경로는 이미지 생성기(15)로부터 이미징 광학 유닛의 사출 동공(9)으로 안내되는데, 이것은 스마트 안경이 착용됐을 때, 사용자의 눈의 동공의 위치에 위치되고 도 3에는 눈의 회전 중심(17)만이 도시되어 있다. 현 실시예에서는 제1 미러(21) 및 제2 미러(23)로 도시되어 있는, 이미징 광학 유닛의 빔-스플리팅 구조(19)을 이용해, 이미징 빔 경로는 2 개의 부분 이미징 빔 경로들(25, 27)로 분할된다. 제1 미러(21)는 제1 부분 이미징 빔 경로(25)를 생성하고 이를 안경 렌즈(1)의 커플링 부분(31) 내에서 커플링 표면(29)의 상단에서 커플링하는 한편, 제2 미러(23)는 제2 부분 이미징 빔 경로(27)를 생성하고 이를 안경 렌즈(1)의 커플링 부분(31) 내에서 커플링 표면(29)의 하단에서 커플링한다. 커플링 부분(31) 내에서 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5) 상에 형성되는, 반사 표면(33)으로부터, 커플링된 부분 이미징 빔 경로들(25, 27)은 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3)과 외부 표면(5) 사이에서 반사되어, 내부 표면(3)을 침입할 때, 전체 반사에 종속되고, 이를 이용해 이들은 추가의 전체 반사로 귀결되는 각에서 외부 표면(5)을 침입한다. 안경 렌즈(1)의 내부 및 외부 표면 상에서의 전체 반사들의 연속으로 인해, 부분 이미징 빔 경로들(25, 27)은 이미징 광학 유닛의 디커플링 구조(7)로 안내되고, 이로부터 이들은 이미징 광학 유닛의 사출 동공(9) 방향으로 안경 렌즈(1)로부터 디커플링된다.

도 5 및 도 6은 디커플링 구조(7)를 상세하게 보여준다. 안경 렌즈(1)로부터 부분 이미징 빔 경로들(25, 27)의 디커플링을 위해, 이것은 패싯들(facets, 35)을 가지는데, 이들은 선형 확장 방향을 따라 연장되고, 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5) 안에 배치된다. 패싯들(35)은 전체적으로 또는 부분적으로 미러링된 표면들을 형성하는데, 이것은 안경 렌즈(1)의 내부를 향하고 있고 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3)으로부터 나오는 전체적으로 반사되는 빔들을 편향시켜서 이들이 안경 렌즈(1)로부터 나오도록 해준다. 패싯들(35)은 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5)에 대하여 디커플링된 빔들이 스마트 안경이 착용됐을 때, 사용자 눈의 동공의 위치에 위치되는, 이미징 광학 유닛의 사출 동공(9)을 통과해 지나가는 각으로 배치된다. 개별적인 패싯들(35) 사이에, 중간 부분들(intermediate sections, 37)이 위치되고, 이 표면들은 안경 렌즈(1)의 초기의 외부 표면(5)에 대응한다. 주변환경으로부터 나오는 빔들은 이미징 광학 유닛의 사출 동공(9)으로 안경 렌즈(1)를 통해 중간 부분들(37)을 통과한다. 이 방식으로, 주변환경으로부터의 빔들과 이미지 생성기(15)로부터 발생되는 빔들의 기하학적인 중첩이 이미징 광학 유닛의 사출 동공(9)에 존재한다. 이미징 광학 유닛에 의해 생성되는 가상 이미지는 이로써 주변환경에 떠 있는 것처럼 사용자에게 보인다.

도 6은 이미징 광학 유닛의 사출 동공(9)의 방향으로부터 디커플링 구조(7)의 상면도를 보여준다. 도 6은 특히 디커플링 구조(7)가 띠 구조를 가지고, 이때 띠 구조는 분리 선(39)을 따라 2 개의 부분 구조들(41, 43)로 분할되고, 이 분리 선(39)은 본 실시예에 있어서, 디커플링 구조의 폭 확장 방향에 평행한 방향으로 지나간다. 부분 구조들(41, 43)은 서로에 대해 각(β)로 배치되고, 이 β는 패싯들(35)의 확장 방향에 수직하게 지나가는 2 개의 직선들 사이의 각을 나타내고, 이 직선들 각각은 분리 선(39)과 (서로 다른 대수 부호들을 가지는) 각(β/2)을 형성한다. 이 직선들은 또한 주로 디커플링 구조(7)의 부분 구조들(41, 43) 상에 부분 이미징 빔 경로들(25, 27)의 빔들의 투영에 대응한다. 도 6에 있어서, 부분 이미징 빔 경로들은 서로에 대해 각(β)로 배치되는 2 개의 빔들에 의해 표현된다. 이에 더하여, 빔들의 전체 반사가 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3) 상에서 발생하는 점들은, X로 표시되어 있고, 빔들의 전체 반사가 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5) 상에서 발생하는 (디커플링 구조(7) 또한 형성되는) 점들은, 원으로 표시되어 있다. 도 6에서 표시된 디커플링 점들(45, 47)에서, 도면에 도시된 빔들(25, 27)은 이미징 광학 유닛의 사출 동공(9)의 방향으로 안경 렌즈(1)로부터 디커플링된다.

도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 빔들(25, 27)의 전체 반사는 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3) 방향으로 디커플링 구조(7) 위와 아래의 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5) 상에서 발생하는데, 이로부터 빔들(25, 27)은 이들의 디커플링 점들(45, 47)로의 전체 반사를 이용해 다시 한번 반사된다. 이 디커플링 점들(45, 47)은 디커플링 구조(7)의 외부 좌측 모서리 상에 위치된다. 디커플링 구조(7)의 좌측 모서리로부터 멀리, 즉 도 6에 도시된 디커플링 점들(45, 47)보다 디커플링 구조(7)의 우측 모서리에 더 가까이 위치되는 디커플링 점들의 경우에 있어서, 원으로 표시된, 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5) 상에서 전체 반사의 점들은 디커플링 구조(7)로부터 멀리 움직인다. 분리 선(39) 근방에 가까이 있는 도 6에 위치되는 디커플링 점들(45, 47)은, 분리 선(39)으로부터 멀리 있게 된다. 이로써 디커플링 구조(7)의 전체 표면이 빔들에 의해 도달되고, 이 마지막 전체 반사는 디커플링 구조(7) 외부의 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5) 상에 놓이는 것이 가능하다. 비교를 위해, 도 7은 종래 기술에 따른 디커플링 구조를 가지는, 즉 서로에 대해 각으로 배치되는 2 개의 부분 구조들로 디자인되지 않은 디커플링 구조를 가지는 상황을 보여준다. 종래 기술에 따른 디커플링 구조를 가지고, 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5) 상에서 전체 반사가 발생하는 마지막 점이 디커플링 구조 안에 위치될 것임을 도 7이 쉽게 보여주기 때문에, 이로써 유용한 전체 반사는 더 이상 발생하지 않는다. 이것은 도 2를 참조하여 설명됐던 것과 같은 상황으로 귀결된다. 디커플링 구조의 2 개의 부분 구조들로의 분할 및 부분 구조들의 서로에 대한 각(β)로의 배치로 인해, 이로써 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5)에서 전체 반사를 위한 마지막 반사 점이 외부 표면(5)의 영역으로 이동하고, 여기에 디커플링 구조(7)는 위치되지 않음을 달성하는 것이 가능하다. 결과적으로, 디커플링 구조의 유용한 표면은 종래 기술과 비교했을 때 증가될 수 있다. 종래 기술에는 A와 D 사이의 표면만이 의미있는 디커플링에 유용한 한편, 본 발명에 따른 디커플링 구조를 가지고는, 의미있는 디커플링을 위해 전체 표면을 사용하는 것이 가능하다.

디커플링 구조(7)는 이미징 광학 유닛의 사출 동공(9)에 상대적으로 근접하게 놓인다. 이미징 빔 경로의 모든 이미징 빔들이 사출 동공(9)의 전체 지름을 관통하기 때문에, 동공에 근접한 디커플링 구조(7)의 배치로 인해, 디커플링 구조(7)는 사출 동공(9)으로 그 표면의 큰 부분을 가지고 이미징 빔들을 반사하는 것으로 가정될 수 있다. 빔-스플리팅 구조(19)는 그러므로 이미지 생성기(15)로 사전 이미지 점들로부터 발생하는 빔들을 분리하도록 디자인되어 사전 이미지로부터 발생하는 빔이 디커플링 구조(7)로 부분 이미지 빔들(25, 27) 모두를 거쳐 안내되게 된다. 여기에 필요한 빔-스플리팅 구조(19) 내에 반사 및/또는 굴절 요소들의 정확한 배치 및 정렬은 안경 렌즈(1)의 특성 및 디커플링 구조(7)의 부분 구조들(41, 43) 사이의 각(β)에 달려 있다. 안경 렌즈(1)의 변수들은, 빔-스플리팅 구조(19) 내의 반사 및/또는 굴절 요소들의 배치 및 정렬에 포함되는데, 특히 안경 렌즈(1)의 두께, 안경 렌즈(1)로 만들어지는 물질의 굴절율, 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3)의 곡률, 및 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5)의 곡률이다. 이에 더하여, 부분 이미징 빔 경로들 모두는 동일한 촛점 길이를 가지는 것이 보장되어야 한다. 이것은 이미지 형성에 관련되는 이미징 광학 유닛의 표면들의 적절한 디자인으로 실현될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 이미지 형성에 관련되는 표면들은 디커플링 구조(7)와 빔-스플리팅 구조(19) 사이에 분포된다. 필요한 빔-스플리팅 구조(19) 및 디커플링 구조(7)의 포커싱 및/또는 디포커싱 특성들은 적절한 포커싱 또는 디포커싱 결과를 가져오는 데 적절한 프리폼들을 가지는 빔-스플리팅 구조(19)의 굴절 표면들 및/또는 패싯들(35)의 반사 표면들 각각의 결과로서 달성된다. 당업자라면 광학 디자인 소프트웨어를 이용해 원하는 이미징 특성들 및 안경 렌즈(1)의 특성들에 기초하여 적절한 표면 형태들을 결정할 수 있다.

디커플링 구조(7)의 부분 구조들(41, 43)로 부분 이미징 빔 경로들(25, 27)의 분리된 광 안내로 인해, 상수 e는, 유리 두께(d)에 대한 사출 동공 지름(E)와 시야각(α)의 곱의 비로서 주어지고, 종래 기술과 비교했을 때 적어도 2배일 수 있다. 상수 e는 이로써 이미징 광학 유닛의 사출 동공으로 이미지 생성기로부터의 가능한 광 쓰루풋을 위한 측정이다. 시야각(α)은 본 발명에 따른 이미징 광학 유닛에 있어서, 스마트 안경을 착용했을 때, 기본적으로 분리 선(39)이 수평으로 연장되도록 지나가는, 분리 선(39)의 방향으로 시야각이다. 상수 e의 증가로 인해, 종래 기술에서 현재 사용되는 바와 같이, 예를 들어 10°의 시야각이 6 mm의 사출 동공의 지름 및 4 mm의 유리 두께에서 20°까지 증가하는 것이 가능하다. 하지만, 시야각(α)이 단지 12.5°까지 증가하고 6 mm의 사출 동공 측정에서 2.5 mm까지 유리 두께가 감소하는 것 또한 가능하다. 양자 모든 경우들에 있어서, 상수 e는 대략 0.52이고, 시야각이 통상 10°, 사출 동공 측정은 통상 6 mm이고 유리 두께는 통상 4 mm인, 종래 기술과 비교했을 때, 상수 e는 0.26의 값을 가진다.

도 3 내지 도 7을 참조하여 설명되는 실시예에 있어서, 디커플링 구조(7)의 패싯들(35)은 완전히 미러링될 수 있고, 측면이 없는 영역들(facet-free areas, 37)은 패싯들(35) 사이에 존재한다. 디커플링 구조의 다른 실시예는 도 8에 도시되어 있다. 이 실시예에 있어서, 디커플링 구조(107)는 부분적으로 미러링되는 패싯들(135)을 가진다. 패싯들(135)의 방향으로 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3)으로부터, 전체적으로 반사되는 빔들은 패싯들(135)로부터 사출 동공(9)으로 반사된다. 주변환경으로부터 발생하는 빔들은 사출 동공의 방향으로 부분적으로 미러링된 패싯들을 통과할 수 있어, 사출 동공(9)의 영역에서, 주변환경으로부터의 빔들과 이미징 빔 경로의 빔들의 물리적인 중첩이 발생하고, 이로써, 이미징 광학 유닛이 마련된 스마트 안경의 사용자는 주변환경에 가상 이미지가 떠 있는 인상을 가지게 된다. 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명되는 실시예에 있어서 디커플링 구조(7)는 도 8을 참조하여 설명되는 디커플링 구조(107)에 의해 쉽게 대체될 수 있다.

디커플링 구조의 또 다른 실시예가 도 9에 도시되어 있다. 도 9에 도시된 디커플링 구조(207)는 사출 동공(9)의 방향으로 디커플링되는 빔들의 반사에 기초하지 않고, 사출 동공(9)의 방향으로 디커플링되는 빔들의 굴절에 기초한다. 도 9에 도시된 디커플링 구조(7)에 있어서, 패싯들은 그 목적을 위해 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5)에 의해 마지막으로 전체적으로 반사되는, 부분 이미징 빔 경로들의 빔들이 침입하는, 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3) 상에 배치된다. 광학적으로 더 얇은 매개체 공기(또는 다른 광학적으로 더 얇은 매개체)를 지나갈 때, 이들은 사출 동공(9)의 방향으로 패싯들(235)의 표면 수선에 의해 멀리 굴절된다. 도 9에 도시된 바와 같은, 디커플링 구조(207)가, 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명되는 실시예에 있어서, 사용되면, 디커플링 구조는 안경 렌즈(1)의 외부 표면(5)으로부터 안경 렌즈의 내부 표면(3)으로 이동되어야 한다. 이에 더하여, 이미징 빔 경로는 부분 이미징 빔 경로들의 디커플링 전 가장 마지막의 전체 반사가 안경 렌즈(1)의 내부 표면(3) 상에서가 아니라, 외부 표면(5) 상에서 발생하도록 변형되어야 한다.

도 5에 도시된 디커플링 구조(7)와 유사하게, 패싯들의 반사 또는 굴절 표면들은 또한 도 8 및 도 9에 도시된 디커플링 구조들(107, 207)의 프리폼 표면들과 중첩될 수 있고, 이로써 이들은 이미징 광학 유닛의 일 부분으로서 제공될 수 있다.

본 발명은 특히 풍경 형식(landscape format)의 가상 이미지에 적합하고, 이미지 형식의 폭 대 높이의 비가 클수록 디커플링 구조의 부분 구조들 사이의 각은 작아질 것이 필요하다. 본 발명은 그러므로 특히 풍경 형식의 가상 이미지들에, 특히 16:9의 영상비를 가지는 풍경 형식의 이미지들에 적합하다. 인물 형식의 경우에 있어서, 부분 이미징 빔 경로들은, 예를 들어 내부 표면과 외부 표면 사이의 안경 렌즈의 아래측 또는 위측 상에 커플링될 수 있는데, 이때 디커플링 구조의 부분 구조들 사이의 분리 선은 높이 확장 방향에 평행하게 지나간다. 하지만, 측면으로부터 안경 렌즈의 내부 표면과 외부 표면 사이의 부분 이미징 빔 경로들의 커플링, 및 디커플링 구조의 폭 확장 방향에 평행한 분리 선의 진로 또한 디커플링 구조의 부분 구조들 사이의 필요한 각(β)이 부분 이미징 빔 경로들 중 하나가 안경 렌즈의 아래측 또는 위측을 지나가는 정도까지 넓어지지 않는다면, 인물 형식으로 유지될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 이미징 빔 경로가 디커플링 구조로 안내되는, 안경 렌즈의 내부 표면과 외부 표면 사이의 반사들은, 안경 렌즈의 매게체와 주변환경 공기 사이의 경계들 상의 전체 반사를 통해 실현된다. 또는, 반사들 전부 또는 일부는 또한 안경 렌즈에 적용되거나 또는 안경 렌즈에 내재된, 반사 또는 부분적으로 반사 코팅들을 이용해 실현될 수 있다.

설명을 위해, 본 발명은 일 실시예 및 그 변형들을 이용해 상세하게 설명되었다. 하지만, 당업자라면 실시예들에서 명확하게 설명되지 않은 다른 변형들도 가능하다는 것을 이해한다. 예를 들어, 안경 렌즈의 일 부분에 배치되는 대신, 반사 표면(33)은 안경 렌즈와 이미지 생성기 사이에 배치되는 별도의 프리즘에 배치될 수 있다. 결과적으로, 빔-스플리팅 구조는 이미지 생성기와 프리즘 사이 또는 프리즘과 안경 렌즈 사이에 배치될 수 있다. 나아가, 디커플링 구조는 반드시 동일한 크기의 2 개의 부분 구조들로 분할될 필요는 없고, 부분 이미징 빔 경로들은 분리 선에 (서로 다른 대수 부호들을 가지는) 동일한 각으로 연장되지 않아도 된다. 특히, 안경 렌즈 내의 디커플링 구조의 배치는 안경 렌즈의 상부 또는 하부 모서리를 지나지 않도록 보장하기 위해 부분 이미징 빔 경로들이 분리 선에 대해 서로 다른 각들을 반드시 가지도록 만들 수 있는데, 이것은 교대로 디커플링 구조의 부분 구조들이 분리 선에 수직하는 방향으로 반드시 서로 다른 측정들을 가지도록 만들 수 있다. 그러므로, 본 발명은, 설명된 실시예 및 그 변형들의 특성들의 조합에 의해 한정되는 것으로 예측되지 않고, 단지 종속항들에 의해서만 한정된다.

Claims (14)

1. 가상 이미지를 생성하기 위한 이미징 광학 유닛에 있어서,
   - 눈 앞에 착용되는 적어도 하나의 안경 렌즈(1)로, 눈을 향하는 내부 표면(3), 및 눈으로부터 멀리 향하는 외부 표면(5)을 가지고,
   - 초기 이미지를 디스플레이하기 위한 이미지 생성기(15)를 포함하는 디스플레이 장치(13)로, 상기 이미지 생성기(15)는 상기 초기 이미지로부터 상기 가상 이미지를 생성하는 이미징 빔 경로의 시작점이고,
   - 상기 안경 렌즈(1)의 상기 내부 표면(3)과 상기 외부 표면(5) 사이 상기 이미징 빔 경로를 커플링하기 위한 커플링 장치(29, 31, 33),
   - 상기 눈의 방향으로 상기 안경 렌즈(1)로부터 상기 이미징 빔 경로를 디커플링하기 위한 상기 안경 렌즈(1) 안에 존재하는 디커플링 구조(7, 107, 207)를 포함하고,
   - 상기 커플링 장치(29, 31, 33)는 상기 안경 렌즈(1)의 상기 내부 표면(3)과 상기 외부 표면(5) 사이 상기 이미징 빔 경로를 커플링하여 상기 이미징 빔 경로가 상기 내부 표면(3)과 상기 외부 표면(5) 사이 반사들을 이용해 상기 디커플링 구조(7, 107, 207)로 안내되고,
   - 상기 디커플링 구조(7, 107, 207)는, 분리 선(39)을 따라 대응되게 배치된 2개의 부분 구조들(41, 43)로 구성되고, 상기 2개의 부분 구조들(41, 43)은 각 패싯들(35)의 확장 방향으로 수직하게 지나는 각각의 직선을 가지고, 상기 각각의 직선은 두 직선 사이에 사이각(β)을 가지며, 그리고 상기 눈의 방향으로 서로 다른 방향들로부터 도달하는 빔 경로들(25, 27)을 디커플링하고, 이때 상기 도달하는 빔 경로들(25, 27)의 서로 다른 방향들은 상기 사이각(β)에 의해 결정되며, 또한
   - 디스플레이 장치(7, 107, 207)와 안경 렌즈(1)의 제1 반사가 발생되는 영역 사이에는 빔-스플리팅 구조(21, 23)가 설치되고, 상기 빔-스플리팅 구조(21, 23)는 상기 이미지 생성기(15)로부터 연장되는 상기 이미징 빔 경로를 2 개의 부분 이미징 빔 경로들로 분리하고, 이것은 상기 디커플링 구조의 상기 부분 구조들(41, 43) 상에서 서로 다른 방향으로부터 도달하는 상기 빔 경로들(25, 27)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 이미징 광학 유닛.
2. 제 1 항에 있어서, 서로 다른 방향들로부터 오는 상기 빔들 중 하나(25)는 상기 분리 선(39)과 각(β/2)을 형성하는 한편, 서로 다른 방향들로부터 오는 상기 빔들 중 다른 하나(27)는 상기 분리 선(39)과 각(-β/2)을 형성하는, 이미징 광학 유닛.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 커플링 장치(29, 31, 33)는 상기 안경 렌즈(1)의 측면 모서리 상에 배치되고, 상기 디커플링 구조(7, 107, 207)은 폭 확장 방향을 따라 확장되는 폭(b), 및 상기 폭 확장 방향에 수직하는 높이 확장 방향을 따라 확장되는 높이(h)를 가지고, 상기 폭 확장 방향은 상기 안경 렌즈(1)의 측면 방향으로 지나가고, 상기 분리 선(39)은 상기 폭 확장 방향에 평행한 상기 부분 구조들 사이를 지나가는, 이미징 광학 유닛.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분리 선(39)은 상기 디커플링 구조(7, 107, 207)를 동일한 크기의 2 개의 부분 구조들(41, 43)로 분할하는, 이미징 광학 유닛.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 부분 이미징 빔 경로에 있어서, 상기 빔-스플리팅 구조는 상기 안경 렌즈(1)로 상기 디커플링 구조(7, 107, 207)의 대응하는 부분 구조(41, 43)의 방향으로 각각의 부분 이미징 빔 경로를 편향시키는 적어도 하나의 편향기(21, 23)를 포함하고, 상기 2 개의 부분 이미징 빔 경로들을 위한 상기 편향기들(21, 23)은 상기 이미지 생성기(15)의 동일한 초기이미지 점으로부터 발생하는 상기 부분 이미징 빔 경로들의 빔들(25, 27)이 상기 가상 이미지 안의 동일한 화소로 다시 함께 가져가지도록 정렬되고, 상기 이미징 광학 유닛은 부분 이미징 빔 경로들 모두에 대하여 동일한 촛점 길이를 가지는, 이미징 광학 유닛.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 빔-스플리팅 구조(21, 23)는 적어도 하나의 반사 편향기 및 하나의 굴절 편향기를 포함하는, 이미징 광학 유닛.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 커플링 장치(29, 31, 33)의 적어도 하나, 상기 디커플링 구조(7, 107, 207) 및 상기 빔-스플리팅 구조(21, 23)는, 이들의 기본적인 기능들에 더하여, 추가로 이미지 생성에 기여하도록 형성되는, 이미징 광학 유닛.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 디커플링 구조(7, 107)는 반사 띠들을 가지는 반사 띠 구조인, 이미징 광학 유닛.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 디커플링 구조(7, 107)는 굴절 띠들을 가지는 굴절 띠 구조인, 이미징 광학 유닛.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 디커플링 구조는 회절 띠들을 가지는 회절 띠 구조인, 이미징 광학 유닛.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 2 개의 부분 구조들(41, 43) 사이의 각(β)은 변수 e=(E x α)/d 가 적어도 0.4의 값으로 가정하여 선택되고, 이때 E는 눈의 입사 동공(9) 상에 위치되는 사출 동공의 지름(mm)을 지시하고, α는 시야 각(rad)을 지시하고, d는 상기 안경 렌즈(1)의 두께(mm)를 지시하는, 이미징 광학 유닛.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 안경 렌즈(1)는 3 mm 보다 크지 않은 두께(d)를 가지는, 이미징 광학 유닛.
13. 제 11 항에 있어서, 수평 시야 각(α)은 적어도 12.5°인, 이미징 광학 유닛.
14. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 가상 이미지를 생성하기 위한 이미징 광학 유닛을 가지는 스마트 안경.

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