KR102543452B1 - 착용자의 시력을 범용적으로 보정하는 증강현실 광학시스템 - Google Patents

착용자의 시력을 범용적으로 보정하는 증강현실 광학시스템 Download PDF

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Abstract

착용자의 시력을 범용적으로 보정하는 증강현실 광학시스템을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 착용자에 장착되는 증강현실 광학 시스템에 있어서, 증강현실 영상에 대응되는 광을 출력하는 영상 출력부와 상기 영상 출력부로부터 출력되는 광 및 현실세계(Real World)에서 입사하는 광 중 어느 하나는 반사시키고 나머지 하나는 통과시켜, 양 광을 상기 착용자의 안구로 진행시키는 광학계 및 현실세계에서의 광이 상기 광학계로 최초로 입사하는 위치와 상기 광학계로부터 상기 착용자의 안구로 광이 방출되는 위치에 각각 배치되어, 상기 광학계의 렌즈 파워를 가변시키는 렌즈파워 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 시스템을 제공한다.

Description

착용자의 시력을 범용적으로 보정하는 증강현실 광학시스템{Augmented Reality Optical System for Correcting the Wearer's Vision Universally}
본 발명은 시력의 정도와 무관하게 범용적으로 착용자의 시력을 보정하는 증강현실 광학시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
증강현실(Augmented Reality)이란, 실제 환경에 3차원 영상을 삽입하여 현실 세계 정보와 가상의 영상을 혼합한 것을 의미한다.
현실 세계 정보에는 착용자가 필요로 하지 않는 정보도 있고, 때로는 착용자가 필요로 하는 정보가 부족할 수도 있다. 그러나 증강현실 시스템은 현실 세계와 가상 세계를 결합함으로써 실시간으로 착용자에게 현실 세계와 필요한 정보의 상호 작용이 이루어지도록 하는 것이다.
종래의 증강현실 시스템에서는 착용자에 영상을 출력하는데, 착용자의 시력과 무관하게 정상시를 가진 자를 기준으로 영상을 출력하였다. 이에, 원시 또는 근시인 착용자는 안경없이 증강현실 시스템이 제공하는 영상을 시청하는데 어려움이 존재하였다. 이는 도 10 내지 12에 도시되어 있다.
도 10은 정상시를 가진 착용자로 증강현실 영상이 제공되는 모습을 도시한 도면이고, 도 11은 근시를 가진 착용자로 증강현실 영상이 제공되는 모습을 도시한 도면이며, 도 12는 원시를 가진 착용자로 증강현실 영상이 제공되는 모습을 도시한 도면이다.
정상시를 가진 착용자(310)가 증강현실 광학 시스템(1000)을 장착하여 증강현실 영상을 시청할 경우, 증강현실 영상에 대응되는 광은 착용자(310)의 망막에 상을 온전히 맺는다.
반면, 근시를 가진 착용자(410)가 증강현실 광학 시스템(1100)을 장착하여 증강현실 영상을 시청할 경우, 증강현실 영상에 대응되는 광은 착용자(410)의 망막의 앞에 상을 맺는다. 이에, 근시를 가진 착용자(410)는 안경과 같이 광 경로를 변화시키는 별도의 광학기기를 착용하지 않는 한, 증강현실 영상을 온전히 시청하지 못하고 흐릿하게 시청하게 된다.
반대로, 원시를 가진 착용자(510)는 증강현실 광학 시스템(1200)을 장착하여 증강현실 영상을 시청할 경우, 증강현실 영상에 대응되는 광은 착용자(510)의 망막의 뒤편에 상을 맺는다. 이에, 원시를 가진 착용자(510)도 마찬가지로 안경과 같이 광 경로를 변화시키는 별도의 광학기기를 착용하지 않는 한, 증강현실 영상을 온전히 시청하지 못하고 흐릿하게 시청하게 된다.
한편, 착용자가 안경을 장착한 후 증강현실 시스템을 시청하기 위해서는, 안경과 증강현실 시스템의 거리를 조정해야 하기 때문에 착용자의 증강현실 시스템의 착용이 불편해지고 영상의 시청이 원활하지 못한 문제가 발생한다. 또한, 증강현실 시스템이 안경 타입(EGD: Eye Glass Device)으로 구현된 장치일 경우, 안경을 장착한 착용자가 이를 착용하기는 어려움이 존재한다.
따라서, 정상시가 아닌 착용자들은 증강현실 영상을 시청하는데 어려움이 존재해왔다.
본 발명의 일 실시예는, 광학계의 렌즈 파워를 조정하여 착용자들의 다양한 시력 모두를 범용적으로 보정할 수 있는 증강현실 광학 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 착용자에 장착되는 증강현실 광학 시스템에 있어서, 증강현실 영상에 대응되는 광을 출력하는 영상 출력부와 상기 영상 출력부로부터 출력되는 광 및 현실세계(Real World)에서 입사하는 광 중 어느 하나는 반사시키고 나머지 하나는 통과시켜, 양 광을 상기 착용자의 안구로 진행시키는 광학계 및 현실세계에서의 광이 상기 광학계로 최초로 입사하는 위치와 상기 광학계로부터 상기 착용자의 안구로 광이 방출되는 위치에 각각 배치되어, 상기 광학계의 렌즈 파워를 가변시키는 렌즈파워 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈파워 조절부는 오목렌즈 및 볼록렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 오목렌즈 및 볼록렌즈 중 어느 하나는 현실세계에서의 광이 상기 광학계로 최초로 입사하는 위치에 배치되며, 나머지 하나는 상기 광학계로부터 상기 착용자의 안구로 광이 방출되는 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈파워 조절부는 각 렌즈 간 간격을 가변시켜 상기 광학계의 렌즈 파워를 가변시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈파워 조절부는 상기 오목렌즈 및 볼록렌즈 중 일부 또는 전부의 굴절률을 가변함으로써, 상기 광학계의 렌즈 파워를 가변시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 착용자에 장착되는 증강현실 광학 시스템에 있어서, 증강현실 영상에 대응되는 광을 출력하는 영상 출력부와 상기 영상 출력부로부터 출력되는 광 및 현실세계(Real World)에서 입사하는 광 중 어느 하나는 반사시키고 나머지 하나는 통과시켜, 양 광을 상기 착용자의 안구로 진행시키는 광학계 및 상기 영상 출력부로부터 출력되는 광이 상기 광학계로 최초로 입사하는 위치, 현실세계에서의 광이 상기 광학계로 최초로 입사하는 위치 및 상기 광학계로부터 상기 착용자의 안구로 광이 방출되는 위치에 각각 배치되어, 상기 광학계의 렌즈 파워를 가변시키는 렌즈파워 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈파워 조절부는 오목렌즈 및 볼록렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 오목렌즈 및 볼록렌즈 중 어느 하나는 상기 영상 출력부로부터 출력되는 광이 상기 광학계로 최초로 입사하는 위치와 현실세계에서의 광이 상기 광학계로 최초로 입사하는 위치에 배치되며, 나머지 하나는 상기 광학계로부터 상기 착용자의 안구로 광이 방출되는 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈파워 조절부는 상기 광학계로부터 상기 착용자의 안구로 광이 방출되는 위치에 배치되는 렌즈의 위치를 가변시켜, 상기 광학계의 렌즈 파워를 가변시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈파워 조절부는 상기 오목렌즈 및 볼록렌즈 중 일부 또는 전부의 굴절률을 가변함으로써, 상기 광학계의 렌즈 파워를 가변시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 착용자에 장착되는 증강현실 광학 시스템에 있어서, 증강현실 영상에 대응되며 기 설정된 편광방향을 갖는 광을 출력하는 영상 출력부와 기 설정된 굴절률을 갖는 복수의 렌즈 및 기 설정된 편광방향의 광은 반사시키되, 상기 기 설정된 편광방향 이외의 광은 투과시키는 투명 반사필름을 포함하여, 상기 영상 출력부로부터 출력되는 광은 반사시키되 현실세계(Real World)에서 입사하는 광은 통과시키는 광학계 및 상기 광학계 및 상기 착용자의 안구 사이에 배치되어, 상기 광학계의 렌즈 파워를 가변시키는 렌즈파워 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 경로 조절부는 렌즈로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 경로 조절부는 상기 광학계로부터 멀어지거나 가까워질 수 있는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 광학계의 렌즈 파워를 조정하여 착용자들의 다양한 시력 모두를 범용적으로 보정함으로써, 착용자가 현실세계 영상과 증강현실 영상 모두를 온전히 시청할 수 있도록 하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 광학 시스템의 일 구현예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 광학 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 정상시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 근시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 원시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 정상시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 근시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 원시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 10은 정상시를 가진 착용자로 증강현실 영상이 제공되는 모습을 도시한 도면이다.
도 11은 근시를 가진 착용자로 증강현실 영상이 제공되는 모습을 도시한 도면이다.
도 12는 원시를 가진 착용자로 증강현실 영상이 제공되는 모습을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 광학 시스템의 일 구현예를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 광학 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
증강현실 광학 시스템(100)은 착용자에 장착되어, 착용자의 시력에 따라 온전히 현실세계의 광을 인식할 수 있도록 하면서 증강현실 영상을 제공한다. 증강현실 광학 시스템(100)은 시스템 내 광학계의 렌즈 파워를 변이시켜, 착용자의 시력을 보정한다. 증강현실 광학 시스템(100)은 통상적인 인간의 모든 시력범위에 대해 보정함으로써, 어떠한 시력을 가진 착용자가 착용하더라도 시력을 보정하여 온전히 현실세계의 광과 증강현실 영상을 시청할 수 있도록 한다. 또한, 착용자가 온전한 영상의 시청을 위해 별도의 구성(예를 들어, 안경)을 추가로 착용할 필요가 없어, 증강현실 광학 시스템(100)은 착용자와 일정한 거리를 가지며 착용되는 장치 뿐만 아니라 안경형 디스플레이(EGD: Eye Glass-type Display)와 같이 착용자와 밀착되어 착용되는 장치로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 장치(100)는 영상 출력부(210), 광학계(220), 렌즈파워 조절부(230), 제어부(240) 및 전원부(250)를 포함한다.
영상 출력부(210)는 착용자에게 제공할 증강현실 영상을 출력한다. 영상 출력부(210)는 증강현실 영상(영상에 대응되는 광)을 외부(미도시)의 구성으로부터 유선 또는 무선 통신으로 수신할 수 있으며, 수신한 영상을 광학계(220)로 출력한다. 영상 출력부(210)는 광학계(220)로 영상을 출력함으로써, 영상이 광학계(220)를 거쳐 착용자에게 전달될 수 있도록 한다. 이때, 영상 출력부(210)는 무편광 영상을 출력할 수도 있고, 특정 편광방향(후술할 투명 반사필름에서 반사되는 편광 방향)을 갖는 영상을 출력할 수도 있다.
광학계(220)는 증강현실 장치(100) 외부에서 입사되는 현실세계의 광(실 물체에서 반사되는 광) 및 증강현실 영상 중 어느 하나는 통과시키되, 나머지 하나는 착용자의 안구 방향으로 반사시켜 착용자가 현실세계의 광과 증강현실 영상을 모두 인지할 수 있도록 한다. 광학계(220)는 빔 스플리터 또는 (구면 또는 비구면) 미러 등의 광학구성을 포함하여, 서로 다른 방향에서 입사하는 광을 반사시키거나 통과시켜 착용자의 안구방향으로 진행시킬 수 있다. 또는, 광학계(220)는 복수의 렌즈를 포함하며, 렌즈의 사이에 특정 편광방향의 광만을 반사시키는 투명 반사필름을 포함함으로써, 서로 다른 방향에서 입사하는 광을 반사시키거나 통과시켜 착용자의 안구방향으로 진행시킬 수 있다.
렌즈파워 조절부(230)는 광학계(220)에 부착되거나 인접하게 배치되어, 광학계(220) 전체의 렌즈 파워를 조절한다. 렌즈파워 조절부(230)는 통상적인 인간의 모든 시력범위 내에서 착용자 모두에 온전하게 영상을 제공하고자, 입사되는 광을 분산시키는 오목렌즈 및 입사되는 광을 포커싱하는 볼록렌즈 일부 또는 전부를 포함한다. 오목렌즈와 볼록렌즈가 현실세계의 광이 광학계(220)로 최초로 입사하는 위치와 광학계(220)로부터 착용자의 안구로 광이 방출되는 위치에 각각 배치되거나, 영상 출력부(210)로부터 출력되는 영상이 광학계(220)로 최초로 입사하는 위치에 추가적으로 렌즈가 더 배치될 수 있다. 한편, 광학계(220)가 복수의 렌즈와 투명 반사필름으로 구현되는 경우, 렌즈파워 조절부(230)는 어느 하나의 렌즈만이 광학계(220) 및 착용자의 안구 사이에 배치될 수 있다. 렌즈파워 조절부(230) 내 각 렌즈는 제어부(240)의 제어에 따라 굴절률을 변화시키거나 렌즈 간 또는 광학계(220)와 렌즈간 간격을 가변함으로써, 광학계(220)의 렌즈 파워를 가변시킨다. 이에, 착용자가 어떠한 시력 상태를 갖더라도 렌즈파워 조절부(230)는 광학계(220)의 렌즈 파워를 가변시켜, 현실세계에서의 광과 증강현실 영상에 대응되는 광이 착용자의 망막 상에 정확히 상을 맺도록 경로를 조절할 수 있다. 렌즈파워 조절부(230)의 구체적인 예는 도 3 내지 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.
제어부(240)는 영상 출력부(210), 렌즈파워 조절부(230) 및 전원부(250)의 동작을 제어한다. 특히, 제어부(240)는 착용자로부터 경로 조절에 관한 입력을 받아, 렌즈파워 조절부(230)를 제어하여 광학계(220)의 렌즈파워를 조절한다. 가변되는 렌즈파워는 다음과 같은 식에 의해 연산된다.
Figure 112020141647560-pat00001
여기서, Φ는 (렌즈파워 조절부를 포함한) 광학계 전체의 렌즈 파워를, Φ1은 오목렌즈 또는 볼록렌즈 중 어느 하나(광학계(220)가 투명 반사필름을 포함하는 경우에서는 광학계(220) 내 렌즈들)의 렌즈 파워를, Φ2는 나머지 하나(광학계(220)가 투명 반사필름을 포함하는 경우에서는 렌즈파워 조절부의 렌즈)의 렌즈 파워를, n은 렌즈파워 조절부를 구성하는 렌즈들 사이에 위치한 매질(광학계 또는 대기)의 굴절률을, d는 각 렌즈간 간격을, Δd는 렌즈의 위치 이동 거리를 의미한다. 광학계 전체의 렌즈파워는 n, d/Δd 또는 Φ1/Φ2가 변함에 따라 변할 수 있다. 다만, 실질적으로 매질의 굴절률이 가변되기는 곤란하기에, 렌즈간 간격, 렌즈의 이동 거리 또는 각 렌즈들의 렌즈 파워가 가변함으로써 광학계 전체의 렌즈파워는 가변될 수 있다. 간격이나 거리는 렌즈가 직접 이동함으로써 가변할 수 있다, 각 렌즈가 LC(Liquid Crystal) 등 렌즈 파워를 가변할 수 있는 소재 또는 광학구성으로 구현됨으로써, 각 렌즈들의 렌즈 파워는 가변할 수 있다.
이러한 점을 참조하여, 제어부(240)는 렌즈파워 조절부(230) 내 간 간격(d)또는 일 렌즈의 (위치) 이동거리를 조절하거나, 일 렌즈 또는 양 렌즈의 렌즈 파워를 조절하여, 증강현실 영상의 초점거리를 가변한다. 특히, 제어부(240)는 착용자가 입력한 대로 양 렌즈간 간격(d)이나 일 렌즈의 (위치) 이동거리(Δd)를 조절하여, 착용자가 온전히 시청할 수 있도록 증강현실 영상과 현실세계의 광을 제공할 수 있다. 이에 따라, 착용자는 자신의 시력과 무관하게 시력을 보조하거나 보완하기 위한 별도의 기구를 착용하지 않더라도, 증강현실 광학 시스템으로부터 온전히 증강현실 영상을 시청할 수 있다.
전원부(250)는 증강현실 장치(100) 내 각 구성에 각 구성이 동작할 수 있도록 하는 전원을 공급한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 정상시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 영상 출력부(210)로부터 출력되는 증강현실 영상(광)은 일 방향에서, 현실세계의 광은 다른 방향에서 광학계(220)로 입사된다. 증강현실 영상은 광학계(220)를 거쳐 착용자의 안구 방향으로 반사되며, (광학계(220)로부터 착용자의 안구로 광이 방출되는 위치에 배치된) 오목렌즈(236)를 거쳐 착용자의 안구로 입사한다. 현실세계의 광은 (현실세계의 광이 광학계(220)로 최초로 입사하는 위치에 배치된) 볼록 렌즈(233)를 1차적으로 거친 후 광학계(220)로 입사하며, 오목렌즈(236)를 거쳐 착용자의 안구로 입사한다. 양 렌즈(233, 236)가 일정한 간격(d)을 두고 배치됨에 따라, 현실세계의 광이 양 렌즈를 거치며 온전히 착용자(310)의 망막 내에 포커싱될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 근시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
한편, 도 11에서 확인한 대로, 근시를 가진 착용자의 안구(410)에서는 광이 망막의 앞에 상을 맺는다. 따라서, 광이 근시를 가진 착용자의 안구(410) 내 망막 상에 온전히 상을 맺기 위해서는 광의 초점거리가 상대적으로 커져야 한다(광학계 전체의 렌즈 파워는 작아져야 함).
따라서, 제어부(240)의 제어에 따라, 양 렌즈(233, 236)는 정상시를 가진 안구(330)에서의 간격(d)보다 좁아진 간격(d`)을 갖도록 배치된다. 렌즈(310, 320)간 간격이 좁아지면, 광학계 전체의 렌즈 파워는 작아지게 되어 현실세계의 광의 초점거리는 상대적으로 증가하게 된다. 이로서, 근시를 가진 착용자의 안구(410) 내 망막 상에 온전히 현실세계의 광에 대한 상이 맺힐 수 있다.
또는, 제어부(240)는 일 렌즈 또는 양 렌즈(233, 236)의 렌즈 파워(Φ1,Φ2)를 광학계 전체의 렌즈 파워가 작아지도록(영상의 초점거리가 증가하도록) 조절함으로써, 마찬가지로, 근시를 가진 착용자의 안구(410) 내 망막 상에 온전히 현실세계의 광에 대한 상이 맺힐 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 원시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 12에서 확인한 대로, 원시를 가진 착용자의 안구(510)에서는 광이 망막의 뒤편에 상을 맺는다. 따라서, 광이 원시를 가진 착용자의 안구(510) 내 망막 상에 온전히 상을 맺기 위해서는 광의 초점거리가 상대적으로 작아져야 한다(광학계 전체의 렌즈 파워는 작아져야 함).
따라서, 제어부(240)의 제어에 따라, 양 렌즈(233, 236)는 정상시를 가진 안구(330)에서의 간격(d)보다 넓어진 간격(d``)을 갖도록 배치된다. 렌즈(310, 320)간 간격이 넓어지면, 광학계 전체의 렌즈 파워는 커지게 되어 현실세계의 광의 초점거리는 상대적으로 감소하게 된다. 이로서, 원시를 가진 착용자의 안구(510) 내 망막 상에 온전히 현실세계의 광에 대한 상이 맺힐 수 있다.
또는, 제어부(240)는 일 렌즈 또는 양 렌즈(233, 236)의 렌즈 파워(Φ1,Φ2)를 광학계 전체의 렌즈 파워가 커지도록(영상의 초점거리가 감소하도록) 조절함으로써, 마찬가지로, 원시를 가진 착용자의 안구(510) 내 망막 상에 온전히 현실세계의 광에 대한 상이 맺힐 수 있도록 한다.
다만, 도 3 내지 5에서는 착용자의 안구에 가까운 측으로 오목렌즈(236)가, 먼 측으로 볼록 렌즈(233)가 배치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 양 렌즈의 위치는 서로 바뀔 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 정상시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부는 렌즈 파워를 조절하여 주로 현실세계의 광에 대해서 초점거리를 조절하였다면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부는 추가적인 렌즈(239)를 더 포함함으로써, 현실세계의 광 뿐만 아니라 증강현실 영상까지 착용자의 시력에 맞춰 보정할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈파워 조절부(230)는 광학계(220)로부터 착용자의 안구로 광이 방출되는 위치에 배치되는 렌즈(233) 및 현실세계의 광이 광학계(220)로 최초로 입사하는 위치에 배치되는 렌즈(236) 뿐만 아니라, 영상 출력부(210)로부터 출력되는 광이 광학계(220)로 최초로 입사하는 위치에 배치되는 렌즈(239)도 포함한다. 렌즈(239)는 렌즈(233)과 동일한 종류의 렌즈가 배치된다. 렌즈(233)로 볼록렌즈가, 렌즈(236)로 오목렌즈가 배치될 경우, 렌즈(239)는 볼록렌즈가 배치된다. 그 반대의 경우, 역이 성립한다. 이처럼 렌즈(239)가 추가적으로 배치됨에 따라, 렌즈(236)와 렌즈(239)간 간격 등의 조정으로 인한 광학계(220)의 렌즈 파워의 변경으로 증강현실 영상도 현실세계의 광과 동일하게 초점거리가 조정될 수 있다. 여기서, 렌즈(236)와 렌즈(239)간 간격(변위가 아닌 광 경로를 따른 거리를 의미)은 렌즈(233)와 렌즈(236)간 간격(d)과 동일함에 따라, 증강현실 영상은 현실세계의 광과 동일하게 초점거리가 조정될 수 있다.
렌즈파워 조절부(230)에 의해 착용자(310)의 망막에 증강현실 영상과 현실세계의 광에 대한 상이 온전히 맺힐 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 근시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
착용자가 근시를 가지고 있기 때문에, 제어부(240)의 제어에 따라, 렌즈(236)와 렌즈(233, 239)는 정상시를 가진 안구(310)에서의 간격(d)보다 좁아진 간격(d`)을 갖도록 배치된다. 렌즈(236)와 렌즈(233, 239)간 간격이 좁아지면, 전체적인 렌즈파워는 작아지게 되어 각 광의 초점거리는 상대적으로 증가하게 된다. 이로서, 근시를 가진 착용자의 안구(410) 내 망막 상에 온전히 각 광에 대한 상이 맺힐 수 있다.
또는, 제어부(240)는 일 렌즈 또는 각 렌즈(233 내지 239)간의 렌즈 파워를 광학계 전체의 렌즈 파워가 작아지도록(영상의 초점거리가 증가하도록) 조절함으로써, 마찬가지로, 근시를 가진 착용자의 안구(410) 내 망막 상에 온전히 증강현실 영상에 대한 상이 맺힐 수 있도록 한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 원시를 가진 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
착용자가 원시를 가지고 있기 때문에, 제어부(240)의 제어에 따라, 렌즈(236)와 렌즈(233, 239)는 정상시를 가진 안구(310)에서의 간격(d)보다 넓어진 간격(d``)을 갖도록 배치된다. 렌즈(236)와 렌즈(233, 239)간 간격이 넓어지면, 전체적인 렌즈파워는 커지게 되어 각 광의 초점거리는 상대적으로 감소하게 된다. 이로서, 원시를 가진 착용자의 안구(510) 내 망막 상에 온전히 각 광에 대한 상이 맺힐 수 있다.
또는, 제어부(240)는 일 렌즈 또는 각 렌즈(233 내지 239)간의 렌즈 파워를 광학계 전체의 렌즈 파워가 커지도록(영상의 초점거리가 감소하도록) 조절함으로써, 마찬가지로, 원시를 가진 착용자의 안구(510) 내 망막 상에 온전히 각 광에 대한 상이 맺힐 수 있도록 한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부를 거쳐 증강현실 영상이 착용자의 안구로 입사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계(220)는 렌즈(223, 229) 및 투명 반사필름(226)을 포함하고, 렌즈파워 조절부(230)는 하나의 렌즈로 구현될 수 있다.
렌즈(223)와 렌즈(229)는 영상 출력부(210)가 증강현실 영상을 출력하는 광 경로상에 배치되어, 현실세계의 광이나 증강현실 영상을 착용자의 안구로 입사시킨다. 렌즈(223, 229)는 동일한 렌즈파워를 갖되, 측정 착용자에 최적화된 렌즈 파워를 가질 필요없이 임의의 렌즈 파워를 가져도 무방하다. 여기서, 양 렌즈(223, 229)가 동일한 렌즈파워를 가짐으로써, 증강현실 영상과 현실세계의 광은 이질감없이 착용자에게 인식될 수 있다. 증강현실 영상은 영상 출력부(210)로부터 조사된 후 렌즈(223)로 1차적으로 입사된다, 이후, 투명 반사필름(226)에서 반사되며 증강현실 영상은 렌즈(223)를 2차적으로 거치며 반사된다. 한편, 현실세계의 광은 렌즈(229)와 렌즈(223)를 차례로 총 2회 거치며 진행하게 된다. 이처럼 증강현실 영상과 현실세계의 광이 동일한 렌즈 파워를 갖는 렌즈를 동일한 횟수 거치기 때문에, 착용자는 증강현실 영상과 현실세계를 이질감없이 인식할 수 있다.
투명 반사필름(226)은 렌즈(223)와 렌즈(229) 사이에 도포되어, 렌즈(223 또는 229)로 입사하는 광 중 기 설정된 편광방향(도 3에 도시된 일 예로는 y축 방향)의 광은 반사시키고, 나머지 편광방향의 광은 투과시킨다. 투명 반사필름(226)은 투명하여 착용자에게는 인지되지 않으면서, 렌즈(223 또는 229) 입사되는 광 중 특정 편광방향의 광을 반사시키거나 투과시킨다. 현실세계의 광은 외부에서 별도의 조작이 없는 한 무편광 방향을 갖는다. 이와 같은 무편광 방향의 광이 렌즈(229)로 입사된 후 투명 반사필름(226)을 거치며, 기 설정된 편광방향의 광은 렌즈(229) 외부(-x축 방향)으로 반사되고, 나머지 편광방향의 광들이 투명 반사필름(226)을 투과한다. 반면, 영상 출력부(210)로부터 출력되는 증강현실 영상은 렌즈(223)로 입사한다. 증강현실 영상은 렌즈(223)를 통과하며, 투명 반사필름(226)으로 입사된다. 전술한 대로, 증강현실 영상은 기 설정된 편광방향을 갖기 때문에, 투명 반사필름(226)으로부터 온전히 반사된다. 증강현실 장치(110) 외부에서 렌즈(320)로 입사되는 현실세계의 광은 기 설정된 편광방향의 광 성분만이 투명 반사필름(226)에 의해 반사될 뿐, 나머지 성분은 모두 투명 반사필름(226)을 통과하기에, 현실세계의 광의 광 손실은 최소화된다. 또한, 현실세계의 광에서 기 설정된 편광방향의 광 성분은 투명 반사필름(226)에 의해 제거되기 때문에, 현실세계의 광과 증강현실 영상과 간섭이 발생할 우려도 존재하지 않는다. 한편, 기 설정된 편광방향을 갖는 증강현실 영상은 투명 반사필름(226)으로부터 온전히 반사되기에, 투명 반사필름(226)이 광을 반사하는 방향이 아닌 다른 방향으로는 증강현실 영상이 도달하지 못한다. 이로 인해, 증강현실 장치(100)를 장착한 사용자와 다른 방향에 위치한 시청자들은 증강현실 영상을 확인할 수 없어, 증강현실 영상을 시청하는 사용자의 사생활이 충분히 보호될 수 있다.
투명 반사필름(226)은 편광방향에 따라 반사 또는 투과여부를 결정할 수 있는 WGP(Wire Grid Polarizer)와 같은 구성으로 구현될 수 있다.
렌즈파워 조절부(230)는 광학계(220) 및 착용자의 안구(310) 사이에 배치되어, 광학계(220)의 렌즈 파워를 가변시킨다. 렌즈파워 조절부(230)는 일정한 렌즈 파워를 갖는 렌즈로 구현되어 광학계(220)로부터 반사되거나 광학계(220)를 통과한 광의 초점거리를 가변시킨다. 렌즈파워 조절부(230)는 광학계(220)로 가까워지는 방향 또는 멀어지는 방향으로 위치를 이동할 수 있어, 착용자가 정상시인 경우, 근시인 경우 및 원시인 경우 모두에 대해 착용자의 시력을 보정할 수 있다. 예를 들어, 착용자가 근시인 경우, 렌즈파워 조절부(230)는 광학계(220)로 가까워지는 방향으로 이동함으로써 착용자의 시력을 보정할 수 있으며, 착용자가 원시인 경우, 렌즈파워 조절부(230)는 광학계(220)와 멀어지는 방향으로 이동함으로써 착용자의 시력을 보정할 수 있다.
마찬가지로, 제어부(240)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계 및 렌즈파워 조절부 내 각 렌즈들의 렌즈 파워를 가변시킴으로써, 광학계 전체의 렌즈파워를 조정할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 1000, 1100, 1120: 증강현실 광학 시스템
210: 영상 출력부
220: 광학계
230: 렌즈파워 조절부
223, 229: 렌즈
226: 투명 반사필름
233, 239: 오목렌즈
236: 볼록렌즈
240: 제어부
250: 전원부
310: 정상시를 가진 착용자의 안구
410: 근시를 가진 착용자의 안구
510: 원시를 가진 착용자의 안구

Claims (13)

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  11. 착용자에 장착되는 증강현실 광학 시스템에 있어서,
    증강현실 영상에 대응되며 기 설정된 편광방향을 갖는 광을 출력하는 영상 출력부;
    동일한 렌즈파워를 갖는 복수의 렌즈 및 기 설정된 편광방향의 광은 반사시키되, 상기 기 설정된 편광방향 이외의 광은 투과시키는 투명 반사필름을 포함하여, 상기 영상 출력부로부터 출력되는 광은 반사시키되 현실세계(Real World)에서 입사하는 광은 통과시키는 광학계; 및
    상기 광학계 및 상기 착용자의 안구 사이에 배치되어, 상기 광학계의 렌즈 파워를 가변시키는 렌즈파워 조절부를 포함하며,
    상기 투명 반사필름은 렌즈 사이에 도포되는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 영상 출력부에서 출력된 광은 어느 하나의 렌즈에 1차적으로 입사된 후, 상기 투명 반사필름에서 반사되어 동일한 렌즈를 2차적으로 거치고,
    현실세계에서 입사하는 광은 서로 다른 렌즈를 각각 거치며 진행하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 렌즈파워 조절부는,
    상기 광학계로 가까워지거나 멀어지는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 시스템.
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