KR102524150B1 - Apparatus and method for providing a large-screen direct-view augmented reality image using a transparent display - Google Patents

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Abstract

Provided are an apparatus and a method for providing a large-screen direct view type augmented reality image using a transparent display. The augmented reality apparatus, according to an embodiment of the present invention, comprises: a transparent display which is placed in front of a user and generates an image; a polarized adjusting unit which folds an optical path for the generated image on the transparent display through a polarized adjustment; and a half mirror which reflects the image emitted from the polarized adjusting unit and transmits external light entering from a real world. Accordingly, the present invention provides an augmented reality image apparatus using a general medium- and small-size transparent display, not a micro-sized display, thereby reducing a process cost and a difficulty level, and enabling a user to observe an augmented reality image on a large screen.

Description

투명 디스플레이를 이용한 대화면 직시형 증강현실 영상 제공 장치 및 방법{Apparatus and method for providing a large-screen direct-view augmented reality image using a transparent display}Apparatus and method for providing a large-screen direct-view augmented reality image using a transparent display}

본 발명은 증강현실 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자 얼굴에 착용한 상태로 증강현실 영상을 직시형으로 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to augmented reality technology, and more particularly, to an apparatus and method for providing an augmented reality image in a direct view type while worn on a user's face.

종래 증강현실 제공을 위한 영상 제공 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 사용자 전면에 위치한 영상결합소자(Image combiner)와 해당 영상결합소자 측면 또는 상면에 위치한 마이크로 디스플레이(Micro display)로 구성된다. As shown in FIG. 1, a conventional image providing device for providing augmented reality consists of an image combiner located in front of a user and a micro display located on the side or upper surface of the image combiner.

마이크로 디스플레이에서 출광된 영상은 영상결합소자로 굴절, 반사, 회절됨으로써 사용자에게 전달되며, 해당 영상결합소자는 자체적으로 투시성을 가지고 있어 외부광에 대하여 일정 비율로 왜곡 없는 투시를 보장한다.The image emitted from the micro display is transmitted to the user by being refracted, reflected, and diffracted by the image coupling device, and the image coupling device itself has transparency, guaranteeing a distortion-free perspective with respect to external light at a certain ratio.

이 때 디스플레이 장치는 사용자의 안구 전면이 아닌, 측면(안경 다리부) 또는 상면(영상결합소자 상단부) 등에 위치하여야 하므로, 통상 1인치 이하로의 소형화 제작이 요구된다.At this time, since the display device should be located on the side (eyeglasses part) or the top surface (upper part of the image combining device), rather than the front of the user's eyes, miniaturization to 1 inch or less is usually required.

하지만 1인치 이하 급의 마이크로 디스플레이는 공정 난이도로 인하여 종래의 중소형급 디스플레이 장치에 비해 충분한 영상 해상도, 휘도 등을 확보하기 난이하며, 고배율의 광학계를 통하여 영상을 확대시킴에 따라 영상 왜곡 등의 문제점이 발생한다.However, it is difficult to secure sufficient image resolution and brightness compared to conventional small and medium-sized display devices due to the difficulty of processing micro-displays of the 1-inch or less class, and problems such as image distortion as the image is enlarged through a high-magnification optical system Occurs.

또한 광학적 측면에서도, 측면 또는 상면에 위치한 디스플레이 장치의 영상광을 사용자의 전면까지 가이드하여 전달하는 것은, 긴 광경로 상에서도 안정적인 영상 품질을 제공하기 위하여 설계 및 제작 상에 많은 요구조건(높은 매질 굴절률, 고차의 비구면렌즈 제작, 복잡한 광학 렌즈면 등)을 유발한다. 이로 인하여 종래 증강현실 영상 제공장치는 제한적 화각, 왜곡, 영상 화질 저하 등의 문제점을 가지고 있다.In addition, in the optical aspect, guiding and delivering the image light of the display device located on the side or top to the front of the user requires many requirements (high medium refractive index, medium refractive index, production of high-order aspheric lenses, complex optical lens surfaces, etc.). Due to this, the conventional augmented reality image providing apparatus has problems such as a limited angle of view, distortion, and image quality deterioration.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 사용자의 전면에 위치하면서도 시야를 가리지 않아 투시성을 확보한 직시형 영상 장치를 구현함에 있어, 마이크로 디스플레이가 아닌 일반 중소형 크기급의 디스플레이 장치로 구현한 대화면 증강현실 영상 제공 장치 및 방법을 제공함에 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to implement a direct view type imaging device that is located in front of a user but does not block the field of view and secures see-through, rather than a micro display. It is to provide a large-screen augmented reality image providing device and method implemented with a display device of the size class.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 장치는 사용자의 전면에 배치되어, 영상을 생성하는 투명 디스플레이; 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 편광 조정부; 및 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 반거울;을 포함한다.An augmented reality device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is disposed in front of the user, the transparent display for generating an image; a polarization control unit for folding an optical path for an image generated on a transparent display through polarization control; and a half-mirror that reflects the image emitted from the polarization control unit and transmits external light incident in the real world.

그리고 사용자의 안구로부터 투명 디스플레이 까지의 이격 거리는, 사용자가 초점을 맞추어 투명 디스플레이의 영상을 직접 인지할 수 있는 거리 보다 짧을 수 있다.Further, the separation distance from the user's eyes to the transparent display may be shorter than the distance at which the user can focus and directly recognize the image of the transparent display.

편광 조정부와 반거울은, 투명 디스플레이에 출사되는 영상광에 대해 다수의 반사를 유발시켜 광경로를 폴딩할 수 있다.The polarization controller and the half-mirror may cause multiple reflections of image light emitted from the transparent display to fold an optical path.

편광 조정부는, 투명 디스플레이에 출사되는 영상광 중 제1 편광을 투과시키고, 변환기로부터 입사되는 제2 편광을 반사하며, 변환기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키는 반사형 편광기; 및 반사형 편광기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키면서 제3 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제4 편광을 투과하면서 제2 편광으로 변환하며, 반사형 편광기로부터 입사되는 제2 편광을 투과시키면서 제4 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제3 편광을 투과하면서 제1 편광으로 변환하는 변환기;를 포함하고, 반거울은, 변환기로부터 입사되는 제3 편광을 반사하면서 제4 편광으로 변환하고, 변환기로부터 입사되는 제4 편광을 반사하면서 제3 편광으로 변환할 수 있다.The polarization control unit may include: a reflective polarizer that transmits a first polarization of image light emitted to the transparent display, reflects a second polarization incident from the converter, and transmits the first polarization incident from the converter; and converting the first polarized light incident from the reflective polarizer into third polarized light while transmitting, converting the fourth polarized light incident from the half mirror into second polarized light while transmitting, and transmitting the second polarized light incident from the reflective polarizer. A converter for converting into a fourth polarization and converting into first polarization while transmitting third polarization incident from the half mirror, wherein the half mirror converts into fourth polarization while reflecting the third polarization incident from the converter; , while reflecting the fourth polarization incident from the converter, it can be converted into the third polarization.

반사형 편광기는, 투명 디스플레이에 출사되는 영상광 중 제2 편광을 반사하고, 증강현실 장치는, 반사형 편광기에서 반사된 제2 편광을 차단하는 제1 선형 편광기;를 더 포함할 수 있다.The reflective polarizer may further include a first linear polarizer that reflects second polarized light among image light emitted to the transparent display, and the augmented reality device may block the second polarized light reflected from the reflective polarizer.

본 발명의 실시예에 따른 증강현실 장치는 현실 세계에서 입사되는 외부광 중 제1 편광은 투과시키고, 제2 편광은 차단시키는 제2 선형 편광기;를 더 포함할 수 있다.An augmented reality device according to an embodiment of the present invention may further include a second linear polarizer for transmitting a first polarized light and blocking a second polarized light among external light incident in the real world.

본 발명의 실시예에 따른 증강현실 장치는 반거울의 굴곡에 의한 외부광의 왜곡과 편향을 보상하는 보상용 광학소자;를 더 포함할 수 있다.An augmented reality device according to an embodiment of the present invention may further include a compensating optical element for compensating distortion and deflection of external light due to curvature of the half mirror.

반거울은, 하나의 반거울 또는 다수의 반거울 어레이일 수 있다. 투명 디스플레이는, 마이크로 디스플레이 보다 크기가 큰 디스플레이일 수 있다.The half-mirror may be a single half-mirror or an array of half-mirrors. The transparent display may be a display larger in size than the micro display.

본 발명의 다른 실시예에 따른 증강현실 제공 방법은 사용자의 전면에 배치된 투명 디스플레이가, 영상을 생성하는 단계; 편광 조정부가, 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 단계; 및 반거울이, 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 단계;를 포함한다.Augmented reality providing method according to another embodiment of the present invention, the transparent display disposed in front of the user, generating an image; folding, by a polarization control unit, an optical path for an image generated on a transparent display through polarization control; and reflecting the image emitted from the polarization controller and transmitting external light incident in the real world by the half mirror.

본 발명의 다른 실시예에 따른 증강현실 광학 장치는 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 편광 조정부; 및 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 반거울;을 포함한다.An augmented reality optical device according to another embodiment of the present invention includes a polarization adjustment unit for folding an optical path for an image generated on a transparent display through polarization adjustment; and a half-mirror that reflects the image emitted from the polarization control unit and transmits external light incident in the real world.

본 발명의 다른 실시예에 따른 증강현실 제공 방법은 편광 조정부가, 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 단계; 및 반거울이, 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 단계;를 포함한다.A method for providing augmented reality according to another embodiment of the present invention includes folding, by a polarization adjusting unit, an optical path for an image generated on a transparent display through polarization adjusting; and reflecting the image emitted from the polarization controller and transmitting external light incident in the real world by the half mirror.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 마이크로 디스플레이가 아닌 일반 중소형 크기의 투명 디스플레이를 이용하여 증강현실 영상 장치를 구현함으로써, 공정 비용 및 난이도를 절감할 수 있으며, 사용자로 하여금 대화면의 증강현실 영상 관측이 가능하게 할 수 있다.As described above, according to the embodiments of the present invention, by implementing an augmented reality imaging device using a general small-to-medium sized transparent display instead of a micro display, it is possible to reduce process cost and difficulty, and to enable a user to display a large screen Augmented reality image observation can be made possible.

도 1은 종래의 직시형 증강현실 영상 제공 장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치를 도시한 도면,
도 3과 도 4는, 도 2에 도시된 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조와 편광 조정 과정을 자세히 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조도이다.1 is a diagram showing a conventional direct-view augmented reality image providing device;
2 is a diagram showing a direct-view augmented reality image providing device according to an embodiment of the present invention;
3 and 4 are views showing in detail the structure and polarization adjustment process of the direct-view augmented reality image providing device shown in FIG. 2;
5 is a structural diagram of a direct view type augmented reality image providing device according to another embodiment of the present invention.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명의 실시예에서는 자체적으로 투명도를 확보한 디스플레이 장치를 사용자 전면에 위치시켜 직시형으로 관측할 수 있으면서도, 외부 영상에 대한 투시성을 확보할 수 있는 직시형 증강현실 영상 장치를 제시한다.In an embodiment of the present invention, a direct-view type augmented reality imaging device capable of ensuring transparency of an external image while positioning a display device having its own transparency in front of a user for direct-view observation is proposed.

본 발명의 실시예에서는 마이크로 디스플레이 대신, 고투명도의 중소형(예: 2~7 인치 급) 디스플레이를 사용자의 전면에 위치시키고, 편광 조정을 이용한 광경로 폴딩 기술을 적용함으로써, 복잡한 광학 시스템 없이 직시형으로 넓은 화각의 증강현실 영상을 제공할 수 있도록 한다.In an embodiment of the present invention, instead of a micro display, a small and medium-sized (e.g., 2 to 7 inch) display with high transparency is placed in front of the user, and an optical path folding technology using polarization adjustment is applied, so that a direct view type without a complicated optical system is applied. As a result, it is possible to provide an augmented reality image with a wide angle of view.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조와 개념을 간략하게 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치는 도시된 바와 같이, 투명 디스플레이(110), 투명 광학소자(120) 및 편광 조정부(130)를 포함하여 구성된다.2 is a diagram briefly illustrating the structure and concept of a direct-view augmented reality image providing device according to an embodiment of the present invention. As shown, the apparatus for providing a direct-view augmented reality image according to an embodiment of the present invention includes a transparent display 110, a transparent optical element 120, and a polarization adjusting unit 130.

투명 디스플레이(110)는 사용자의 동공 전면에 배치되어 가상의 영상을 생성한다. 투명 디스플레이(110)는 투명 OLED, 투명 LCD 등으로 구현될 수 있음은 물론 홀로그래픽 광학 소자와 프로젝터의 조합으로 구현하는 것도 가능하다.The transparent display 110 is disposed in front of the user's pupil to generate a virtual image. The transparent display 110 may be implemented with a transparent OLED, a transparent LCD, or the like, and may also be implemented with a combination of a holographic optical element and a projector.

편광 조정부(130)는 투명 디스플레이(110)와 투명 광학소자(120) 사이에서 편광 조정을 통해 투명 디스플레이(110)에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩한다. 편광 조정부(130)에 의해 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 물리적인 크기를 줄일 수 있다.The polarization control unit 130 folds an optical path for an image generated on the transparent display 110 through polarization control between the transparent display 110 and the transparent optical element 120 . The physical size of the direct-view augmented reality image providing device can be reduced by the polarization adjusting unit 130 .

투명 광학소자(120)는 투명 디스플레이(110)의 전면에 배치되어, 편광 조정부(130)에서 출사되는 투명 디스플레이(110)의 영상은 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광은 투과시켜 투명 디스플레이(110)의 영상과 결합시킨다.The transparent optical element 120 is disposed in front of the transparent display 110, reflects the image of the transparent display 110 emitted from the polarization adjusting unit 130 and transmits external light incident in the real world so that the transparent display 110 ) combined with the image of

도 3에는 도 2에 도시된 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조와 편광 조정 과정을 자세히 나타내었다.3 shows the structure and polarization adjustment process of the direct-view augmented reality image providing device shown in FIG. 2 in detail.

도시된 바와 같이 투명 광학소자(120)는 평판 매질 내에 오목 반거울(122)을 임베디드하여, 보상용 광학 소자(121)와 오목 반거울(122)이 광학적으로 접합된 구조로 구현할 수 있다. 하지만 제시된 구조는 예시에 불과하며, 홀로그래픽 광학 소자, 표면 부조형 광학 소자, 메타 렌즈 등으로 구현할 수도 있다.As shown, the transparent optical element 120 may be implemented as a structure in which the optical element for compensation 121 and the concave half mirror 122 are optically bonded by embedding the concave half mirror 122 in a flat plate medium. However, the proposed structure is only an example, and may be implemented with a holographic optical element, a surface relief optical element, or a meta lens.

오목 반거울(122)은 RC-편광(오른원 편광)을 반사하면서 LC-편광(왼원 편광)으로 변환하고, LC-편광을 반사하면서 RC-편광(왼원 편광)으로 변환한다.The concave half mirror 122 reflects RC-polarized light (right-circular polarization) and converts it to LC-polarized light (left-circular polarization), and reflects LC-polarized light and converts it to RC-polarized light (left-circular polarization).

보상용 광학소자(121)는 오목 반거울(122)의 굴곡에 의한 외부광의 왜곡과 편향을 보상하기 위한 광학소자이다.The optical element for compensation 121 is an optical element for compensating for distortion and deflection of external light due to the curvature of the concave half mirror 122 .

편광 조정부(130)는 선형 편광기(Linear polarizer : 131), QWR(Quarter Wave Retarder : 132), 반사형 편광기(Reflective polarizer : 133) 및 선형 편광기(134)를 포함하여 구성된다.The polarization controller 130 includes a linear polarizer 131 , a quarter wave retarder 132 (QWR), a reflective polarizer 133 and a linear polarizer 134 .

편광 조정부(130)와 투명 광학소자(120)는 투명 디스플레이(110)에서 출사되는 영상광이 사용자에 의해 인지되기 전에, 두 번의 추가적인 부분 반사를 유발하여 광경로를 폴딩한다. 영상광이 광학계 내부에서 반복적으로 반사됨에 따라 실제 물리적인 거리 대비 사용자가 느끼는 거리가 늘어나는 효과가 발생한다. 따라서 실제 광학계와 투명 디스플레이(110) 사이의 간격보다 넓은 공간을 광경로로 활용할 수 있으므로, 물리적으로 요구되는 시스템의 크기를 감소시킬 수 있다. The polarization controller 130 and the transparent optical element 120 fold the optical path by causing two additional partial reflections before the image light emitted from the transparent display 110 is recognized by a user. As the image light is repeatedly reflected inside the optical system, the effect of increasing the distance felt by the user compared to the actual physical distance occurs. Therefore, since a space wider than the distance between the actual optical system and the transparent display 110 can be used as an optical path, the size of a physically required system can be reduced.

선형 편광기(131)는 현실 세계에서 입사되는 외부광 중 P-편광은 투과시키고 S-편광은 차단한다. QWR(132)는 P-편광(수평 선평광)과 RC-편광을 투과시키면서 상호 변환하고, S-편광(수직 선평광)과 LC-편광을 투과시키면서 상호 변환하는 변환기로 기능한다.The linear polarizer 131 transmits P-polarized light and blocks S-polarized light among external light incident in the real world. The QWR 132 functions as a converter that mutually converts P-polarized light (horizontal linear polarization) and RC-polarized light while transmitting, and transmits and mutually converts S-polarized light (vertical linear polarized light) and LC-polarized light.

반사형 편광기(133)는 투명 디스플레이(110)의 영상광 중 P-편광은 투과시키고 S-편광은 반사한다. 선형 편광기(134)는 P-편광에 대해서는 투과시키지만 S-편광은 차단한다.The reflective polarizer 133 transmits P-polarized light and reflects S-polarized light among image light of the transparent display 110 . Linear polarizer 134 transmits P-polarized light but blocks S-polarized light.

투명 디스플레이(110)의 영상이 사용자에게 전달되는 광경로는 아래와 같이 설명할 수 있다.An optical path through which an image of the transparent display 110 is transmitted to a user can be described as follows.

먼저 투명 디스플레이(110)에서 발생된 가상 영상의 영상광 중 P-편광은, 반사형 편광기(133)을 투과한 후에 QWR(132)을 투과하면서 RC-편광으로 변환되고, 오목 반거울(122)에서 반사되면서 LC-편광으로 변환된다.First, among the image light of the virtual image generated by the transparent display 110, the P-polarized light is converted into RC-polarized light while passing through the reflective polarizer 133 and then the QWR 132, and the concave half mirror 122 is converted to LC-polarized light as it is reflected from

이후 LC-편광은 QWR(132)를 투과하면서 S-편광으로 변환되어 반사형 편광기(133)에서 반사되고, QWR(132)를 투과하면서 LC-편광으로 변환된 후 오목 반거울(122)에서 반사되면서 RC-편광으로 변환된다.Thereafter, the LC-polarized light is converted into S-polarized light while passing through the QWR 132 and reflected by the reflective polarizer 133, converted into LC-polarized light while passing through the QWR 132, and then reflected by the concave half mirror 122 is converted to RC-polarized light.

다음 RC-편광은 QWR(132)를 투과하면서 P-편광으로 변환된 후, 반사형 편광기(133), 투명 디스플레이(110) 및 선형 편광기(134)를 투과하여 사용자의 동공으로 입사된다.Then, the RC-polarized light is converted into P-polarized light while passing through the QWR 132, and then passes through the reflective polarizer 133, the transparent display 110, and the linear polarizer 134 to enter the user's pupil.

한편 투명 디스플레이(110)에서 발생된 영상광 중 S-편광은 고스트 영상광으로 취급되어, 반사형 편광기(133)에서 반사된 후 선형 편광기(134)에 의해 차단된다.On the other hand, among the image light generated by the transparent display 110 , S-polarized light is treated as ghost image light and is reflected by the reflective polarizer 133 and then blocked by the linear polarizer 134 .

본래 안구로부터 근거리(예: 20cm 이내)에 위치한 디스플레이 소자는 사용자가 초점을 맞출 수 없는 범위에 위치하기에 올바른 영상 인지가 불가능하다. 하지만, 본 발명의 실시예에서는 도 3에 제시된 구조에 의해 투명 디스플레이(110)의 영상을 원거리에 허상으로 결상함으로써 근거리에 위치한 투명 디스플레이(110)의 영상 관측을 가능케한다. 따라서 사용자의 안구로부터 투명 디스플레이(110) 까지의 이격 거리는, 사용자가 초점을 맞추어 투명 디스플레이의 영상을 직접 인지할 수 있는 거리 보다 짧게 구현할 수 있다.Originally, the display element located at a short distance (eg, within 20 cm) from the eyeball is located in a range where the user cannot focus, making it impossible to correctly perceive the image. However, in an embodiment of the present invention, the image of the transparent display 110 is imaged as a virtual image at a distance by the structure shown in FIG. 3, thereby enabling observation of the image of the transparent display 110 located at a short distance. Therefore, the separation distance from the user's eyeball to the transparent display 110 can be implemented shorter than the distance at which the user can focus and directly perceive the image of the transparent display.

한편 도 4에 도시된 바와 같이 현실 세계에서 입사되는 외부광 중 P-편광은 본 발명의 일 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 모든 구성들을 투과하여 사용자의 동공으로 입사된다.Meanwhile, as shown in FIG. 4 , P-polarized light among external light incident in the real world penetrates all components of the direct-view augmented reality image providing device according to an embodiment of the present invention and is incident into the user's pupil.

하지만 현실 세계에서 입사되는 외부광 중 S-편광은 선형 편광기(131)에 의해 차단된다. 이에 따라 영상광과 마찬가지로 외부광에 대한 투과도도 50% 이하로 유지시키게 된다.However, S-polarized light among incident external light in the real world is blocked by the linear polarizer 131 . Accordingly, transmittance of external light is maintained at 50% or less, similarly to video light.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조도이다. 도 3에 도시된 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 오목 반거울(122)을 오목 반거울 어레이(123)로 대체하였다는 점에서 차이가 있다.5 is a structural diagram of a direct view type augmented reality image providing device according to another embodiment of the present invention. There is a difference in that the concave half mirror 122 of the direct view augmented reality image providing device shown in FIG. 3 is replaced with the concave half mirror array 123.

오목 반거울 어레이(123)는 전체 요구 광경로를 줄이면서도 가상 영상의 화각을 확대시켜 준다. 일반적으로 짧은 초점을 구현하기 위해서는 렌즈 면의 굴곡이 심해지는데, 직경이 큰 오목 반거울(122)은 이를 만족시키기가 어려울 수 있다.The concave half-mirror array 123 enlarges the field of view of the virtual image while reducing the total required optical path. In general, in order to implement a short focal point, the curvature of the lens surface becomes severe, but the concave half mirror 122 having a large diameter may be difficult to satisfy this.

따라서 투명 디스플레이(110)를 전체적으로 덮는 하나의 큰 광학 소자인 오목 반거울(122)을 여러 조각의 단위 광소자들의 집합으로 나눈 오목 반거울 어레이(123)로 광 기능을 수행하여 작은 크기의 단위 렌즈를 이용하여 렌즈의 초점거리를 감축시킴으로써 시스템의 박형화를 유도할 수 있다는 강점을 지닌다.Therefore, the concave half mirror 122, which is a large optical element covering the transparent display 110 as a whole, is divided into a set of several pieces of unit optical elements, and the concave half mirror array 123 performs the optical function, thereby performing a small-sized unit lens. It has the advantage of inducing thinning of the system by reducing the focal length of the lens using .

보상용 광학 소자(121)는 오목 반거울 어레이(123)의 표면 굴곡에 맞추어 광학적으로 보상됨으로써, 현실 세계로부터 입사되는 외부광에 대한 왜곡 및 편향을 최소화한다.The optical element for compensation 121 is optically compensated according to the surface curvature of the concave half-mirror array 123, thereby minimizing distortion and deflection of external light incident from the real world.

지금까지 투명 디스플레이를 이용한 대화면 직시형 증강현실 영상 제공 장치 및 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.So far, the device and method for providing a large-screen direct-view augmented reality image using a transparent display have been described in detail with reference to preferred embodiments.

본 발명의 실시예에서는 사용자의 전면에 위치하면서도 시야를 가리지 않아 투시성을 확보한 직시형 영상 장치를 구현함에 있어, 디스플레이 장치에 요구되는 화소의 크기 제한을 완화시키고, 마이크로 디스플레이가 아닌 일반 중소형 크기급의 디스플레이 장치로 대화면 증강현실 영상을 구현하여, 공정 비용 및 난이도를 절감할 수 있도록 하였고, 사용자로 하여금 대화면의 증강현실 영상 관측이 가능하게 하였다.In the embodiment of the present invention, in realizing a direct-view imaging device that is located in front of the user but does not block the user's field of view and secures see-through, the pixel size limitation required for the display device is alleviated, and it is not a micro-display, but a general small-to-medium-sized class. By implementing a large-screen augmented reality image with a display device, it was possible to reduce process cost and difficulty, and enable users to observe a large-screen augmented reality image.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.In addition, although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, various modifications are possible by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.

110 : 투명 디스플레이
120 : 투명 광학소자
121 : 보상용 광학 소자
122 : 오목 반거울
123 : 오목 반거울 어레이
130 : 편광 조정부
131 : 선형 편광기
132 : QWR(Quarter Wave Retarder)
133 : 반사형 편광기
134 : 선형 편광기110: transparent display
120: transparent optical element
121: optical element for compensation
122: concave half mirror
123: concave half mirror array
130: polarization adjusting unit
131: linear polarizer
132: QWR (Quarter Wave Retarder)
133: reflective polarizer
134: linear polarizer

Claims (12)

사용자의 전면에 배치되어, 영상을 생성하는 투명 디스플레이;
편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 편광 조정부; 및
편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 반거울;을 포함하고,
편광 조정부는,
투명 디스플레이에서 출사되는 영상광 중 제1 편광을 투과시키고, 변환기로부터 입사되는 제2 편광을 반사하며, 변환기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키는 반사형 편광기; 및
반사형 편광기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키면서 제3 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제4 편광을 투과하면서 제2 편광으로 변환하며, 반사형 편광기로부터 입사되는 제2 편광을 투과시키면서 제4 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제3 편광을 투과하면서 제1 편광으로 변환하는 변환기;를 포함하고,
반거울은,
변환기로부터 입사되는 제3 편광을 반사하면서 제4 편광으로 변환하고, 변환기로부터 입사되는 제4 편광을 반사하면서 제3 편광으로 변환하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
a transparent display disposed in front of a user to generate an image;
a polarization control unit for folding an optical path for an image generated on a transparent display through polarization control; and
A half-mirror that reflects the image emitted from the polarization control unit and transmits external light incident in the real world;
The polarization adjustment unit,
a reflective polarizer for transmitting a first polarization of image light emitted from the transparent display, reflecting a second polarization incident from the converter, and transmitting the first polarization incident from the converter; and
The first polarized light incident from the reflective polarizer is transmitted and converted into third polarized light, the fourth polarized light incident from the half mirror is transmitted and converted into second polarized light, and the second polarized light incident from the reflective polarizer is transmitted and converted into third polarized light. A converter for converting into 4 polarization and converting into first polarization while transmitting third polarization incident from the half mirror;
half mirror,
An augmented reality device characterized in that the third polarization incident from the converter is converted into fourth polarization while reflecting, and the fourth polarization incident from the converter is converted into third polarization while reflecting.
 청구항 1에 있어서,
사용자의 안구로부터 투명 디스플레이 까지의 이격 거리는,
20cm 보다 짧은 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
The method of claim 1,
The separation distance from the user's eyeball to the transparent display is
Augmented reality device, characterized in that shorter than 20cm.
 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
반사형 편광기는,
투명 디스플레이에서 출사되는 영상광 중 제2 편광을 반사하고,
증강현실 장치는,
반사형 편광기에서 반사된 제2 편광을 차단하는 제1 선형 편광기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
The method of claim 1,
A reflective polarizer,
Reflecting a second polarized light among image light emitted from the transparent display;
Augmented reality device,
Augmented reality device further comprising a first linear polarizer for blocking the second polarized light reflected from the reflective polarizer.
 청구항 1에 있어서,
현실 세계에서 입사되는 외부광 중 제1 편광은 투과시키고, 제2 편광은 차단시키는 제2 선형 편광기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
The method of claim 1,
The augmented reality device further comprising a second linear polarizer for transmitting a first polarized light and blocking a second polarized light among external light incident in the real world.
 청구항 1에 있어서,
반거울의 굴곡에 의한 외부광의 왜곡과 편향을 보상하는 보상용 광학소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
The method of claim 1,
An augmented reality device further comprising: an optical element for compensating for distortion and deflection of external light due to curvature of the half-mirror.
 청구항 1에 있어서,
반거울은,
하나의 반거울 또는 다수의 반거울 어레이인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
The method of claim 1,
half mirror,
Augmented reality device, characterized in that one half-mirror or a plurality of half-mirror array.
 청구항 1에 있어서,
투명 디스플레이는,
마이크로 디스플레이 보다 크기가 큰 디스플레이이고,
마이크로 디스플레이는,
크기가 1인치 이하인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
The method of claim 1,
transparent display,
It is a display that is larger than a micro display,
micro display,
Augmented reality device, characterized in that the size is less than 1 inch.
 사용자의 전면에 배치된 투명 디스플레이가, 영상을 생성하는 단계;
편광 조정부가, 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 단계; 및
반거울이, 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 단계;를 포함하고,
편광 조정부는,
투명 디스플레이에서 출사되는 영상광 중 제1 편광을 투과시키고, 변환기로부터 입사되는 제2 편광을 반사하며, 변환기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키는 반사형 편광기 및
반사형 편광기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키면서 제3 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제4 편광을 투과하면서 제2 편광으로 변환하며, 반사형 편광기로부터 입사되는 제2 편광을 투과시키면서 제4 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제3 편광을 투과하면서 제1 편광으로 변환하는 변환기를 포함하고,
반거울은,
변환기로부터 입사되는 제3 편광을 반사하면서 제4 편광으로 변환하고, 변환기로부터 입사되는 제4 편광을 반사하면서 제3 편광으로 변환하는 것을 특징으로 하는 증강현실 제공 방법.
generating an image by a transparent display disposed in front of the user;
folding, by a polarization control unit, an optical path for an image generated on a transparent display through polarization control; and
The semi-mirror reflects the image emitted from the polarization adjusting unit and transmits external light incident in the real world;
The polarization adjustment unit,
A reflective polarizer that transmits a first polarized light among image light emitted from a transparent display, reflects a second polarized light incident from the converter, and transmits the first polarized light incident from the converter; and
The first polarized light incident from the reflective polarizer is transmitted and converted into third polarized light, the fourth polarized light incident from the half mirror is transmitted and converted into second polarized light, and the second polarized light incident from the reflective polarizer is transmitted and converted into third polarized light. A converter for converting into 4 polarization and converting into first polarization while transmitting third polarization incident from the half mirror;
half mirror,
A method for providing augmented reality, characterized in that the third polarization incident from the converter is converted into fourth polarization while reflecting, and the fourth polarization incident from the converter is converted into third polarization while reflecting.
 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 편광 조정부; 및
편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 반거울;을 포함하고,
편광 조정부는,
투명 디스플레이에서서 출사되는 영상광 중 제1 편광을 투과시키고, 변환기로부터 입사되는 제2 편광을 반사하며, 변환기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키는 반사형 편광기; 및
반사형 편광기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키면서 제3 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제4 편광을 투과하면서 제2 편광으로 변환하며, 반사형 편광기로부터 입사되는 제2 편광을 투과시키면서 제4 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제3 편광을 투과하면서 제1 편광으로 변환하는 변환기;를 포함하고,
반거울은,
변환기로부터 입사되는 제3 편광을 반사하면서 제4 편광으로 변환하고, 변환기로부터 입사되는 제4 편광을 반사하면서 제3 편광으로 변환하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 장치.
a polarization control unit for folding an optical path for an image generated on a transparent display through polarization control; and
A half-mirror that reflects the image emitted from the polarization control unit and transmits external light incident in the real world;
The polarization adjustment unit,
a reflective polarizer for transmitting first polarized light among image light emitted from the transparent display, reflecting second polarized light incident from the converter, and transmitting the first polarized light incident from the converter; and
The first polarized light incident from the reflective polarizer is transmitted and converted into third polarized light, the fourth polarized light incident from the half mirror is transmitted and converted into second polarized light, and the second polarized light incident from the reflective polarizer is transmitted and converted into third polarized light. A converter for converting into 4 polarization and converting into first polarization while transmitting third polarization incident from the half mirror;
half mirror,
An augmented reality optical device characterized in that the third polarization incident from the converter is converted into fourth polarization while reflecting, and the fourth polarization incident from the converter is converted into third polarization while reflecting.
 편광 조정부가, 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 단계; 및
반거울이, 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 단계;를 포함하고,
편광 조정부는,
투명 디스플레이에서서 출사되는 영상광 중 제1 편광을 투과시키고, 변환기로부터 입사되는 제2 편광을 반사하며, 변환기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키는 반사형 편광기 및
반사형 편광기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키면서 제3 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제4 편광을 투과하면서 제2 편광으로 변환하며, 반사형 편광기로부터 입사되는 제2 편광을 투과시키면서 제4 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제3 편광을 투과하면서 제1 편광으로 변환하는 변환기를 포함하고,
반거울은,
변환기로부터 입사되는 제3 편광을 반사하면서 제4 편광으로 변환하고, 변환기로부터 입사되는 제4 편광을 반사하면서 제3 편광으로 변환하는 것을 특징으로 하는 증강현실 제공 방법.
folding, by a polarization control unit, an optical path for an image generated on a transparent display through polarization control; and
The semi-mirror reflects the image emitted from the polarization adjusting unit and transmits external light incident in the real world;
The polarization adjustment unit,
A reflective polarizer that transmits a first polarization of image light emitted from a transparent display, reflects a second polarization incident from the converter, and transmits the first polarization incident from the converter; and
The first polarized light incident from the reflective polarizer is transmitted and converted into third polarized light, the fourth polarized light incident from the half mirror is transmitted and converted into second polarized light, and the second polarized light incident from the reflective polarizer is transmitted and converted into third polarized light. A converter for converting into 4 polarization and converting into first polarization while transmitting third polarization incident from the half mirror;
half mirror,
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