KR20160109021A - 증강 현실 구현 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 미러를 이용함으로써 핀홀 효과를 이용해 초점을 조절하고, 회절에 의한 상의 번짐을 방지하는 증강 현실 구현 장치에 관한 것으로, 가상 영상을 생성하는 디스플레이부(10); 상기 디스플레이부(10)에서 생성된 가상 영상을 반사시켜 사용자의 눈에 가상 영상이 도달하도록 하고, 크기가 8㎜ 이하인 마이크로 미러부(20) 및 상기 디스플레이부(10)와 상기 마이크로 미러부(20)가 설치되고, 상기 사용자가 증강 현실 구현 장치를 착용할 수 있도록 하는 프레임부(30)를 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

증강 현실 구현 장치{APPARATUS FOR AUGMENTED REALITY}

본 발명은 증강 현실 구현 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 미러를 이용함으로써 핀홀 효과를 이용해 초점을 조절하고, 회절에 의한 상의 번짐을 방지하는 증강 현실 구현 장치에 관한 것이다.

증강 현실이란 컴퓨터 프로그래밍으로 영상 및 사진을 보여줄 때 컴퓨터가 만들어낸 유용한 정보를 이미지에 겹쳐서 결합하거나 늘리는 과정으로, 쉽게 말하자면 실세계에 3차원 가상물체를 겹쳐서 보여주는 것이다. 증강 현실을 이용한 장치의 예로는 전방표시장치(HUDs)가 있는데, 전투기나 탱크 조종사의 캐노피 또는 헬멧에 적용되어 조종사가 지형이나 지물을 보면서 동시에 각종 정보를 볼 수 있도록 한 것이다. 최근에는 차량에도 적용되어 차량의 전면 유리창에 속도 등의 정보를 표시하는 것을 종종 볼 수 있다.

증강 현실을 구현한 또 다른 예로는 소위 ‘구글 글라스’로 알려진 안경 타입의 장치가 있다. 이러한 안경 타입의 증강 현실 구현 장치는 사용자가 안경을 쓰듯이 착용하면 시야에 실세계의 영상과 3차원 가상 영상이 겹쳐보이게 함으로써 증강 현실을 구현한다.

도 1은 종래의 안경 타입의 증강 현실 구현 장치를 도시한 것이고, ‘특허문헌 1’에 종래의 안경 타입의 증강 현실 구현 장치가 개시되어 있다. 종래의 안경 타입의 증강 현실 구현 장치는 영상을 생성하는 프로젝터(1), 생성된 영상을 반사시켜 사용자의 눈에 영상이 도달하도록 하는 투명 프리즘(3) 및 프로젝터(1)와 투명 프리즘(3)을 고정하는 프레임(5)으로 구성되어, 투명 프리즘(3)을 통해 사용자가 실세계의 영상을 보면서 투명 프리즘(3)에서 반사되는 영상을 동시에 볼 수 있도록 한다.

그러나 특허문헌 1에 개시된 종래의 안경 타입의 증강 현실 구현 장치는 프로젝터(1)에서 생성된 평면 영상을 투명 프리즘(3)에서 면반사시키므로, 사용자가 실세계의 영상에 초점을 맞추면 프로젝터(1)에서 생성된 가상 영상에 초점을 맞출 수 없어 사용자가 실세계의 물체와 가상 영상에 동시에 초점을 맞추는 것이 불가능하다는 문제점이 있다.

또한, 투명 프리즘(3)을 사용하기 때문에 장치가 어느 정도 무게와 부피를 가져 착용에 불편함이 있고, 그 외관도 일반 안경이나 선글라스와 차이가 있어 어색함이 있다.

또한, 프로젝터(1)와 투명 프리즘(3)이 한쪽 눈앞에만 설치되므로, 양쪽 눈에서 보는 영상이 달라 불편함이 있다(이 문제를 해결하기 위해 양쪽 눈앞에 프로젝터와 투명 프리즘을 설치하면 무게와 부피가 증가하여, 착용 시 장치가 흘러내리거나 오랜 시간 착용하기 어려운 문제점이 있다).

KR 10-2014-0053341 A (2014. 5. 7.)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 사용자가 실세계의 영상과 가상 영상을 동시에 선명하게 볼 수 있고, 경량, 소형으로 구성이 간단하며, 안경이나 고글, 헬멧과 같은 기존의 착용 장비에 적용해도 어색함이 없는 증강 현실 구현 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치는 사용자가 착용하는 증강 현실 구현 장치로서, 가상 영상을 생성하는 디스플레이부; 상기 디스플레이부에서 생성된 가상 영상을 반사시켜 상기 사용자의 눈에 가상 영상이 도달하도록 하고, 크기가 8㎜ 이하인 마이크로 미러부 및 상기 디스플레이부와 상기 마이크로 미러부가 설치되고, 상기 사용자가 증강 현실 구현 장치를 착용할 수 있도록 하는 프레임부를 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치는 실세계의 영상과 가상 영상을 동시에 선명하게 구현할 수 있다.

또한 장치가 가볍고, 부피가 작으며, 전체적인 구성이 단순하여 유지, 보수가 간편하다.

또한 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치의 외관이 기존의 안경이나 고글과 거의 동일하기 때문에 착용에 따른 부담감이 없다.

도 1은 종래의 안경 타입의 증강 현실 구현 장치
도 2는 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치
도 3(a)는 근시인 사람이 맨눈으로 물체를 볼 때 흐릿하게 보이는 이유를 설명하는 설명도
도 3(b)는 근시인 사람이 핀홀 렌즈를 착용하였을 때 물체가 보다 선명하게 보이는 이유를 설명하는 설명도
도 3(c)에 사람의 눈앞에 마이크로 미러를 설치한 경우의 설명도
도 4는 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치의 다른 실시형태
도 5는 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치의 또 다른 실시형태
도 6은 실세계의 이미지
도 7은 가상 영상 이미지
도 8은 실세계와 가상 영상이 동시에 증강 현실로 구현된 이미지

이하에서는 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

디스플레이부(10)는 가상 영상을 생성하는 구성요소로서, 프레임부(30)에 설치된다. 가령, 프레임부(30)가 안경테 형상인 경우 안경 다리의 안쪽이나 바깥쪽에 설치될 수 있고, 미관을 생각한다면 외부에서 보이지 않게 안경 다리에 함몰 설치될 수 있다. 디스플레이부(10)는 면광원에 해당하므로 평면 또는 곡면(플렉서블 디스플레이의 경우)의 가상 영상을 생성한다{도 2에는 편의상 디스플레이부(10)가 점광원처럼 도시되어 있으나 면광원으로 보면 된다}.

마이크로 미러부(20)는 디스플레이부(10)에서 생성된 가상 영상을 반사시켜 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치를 착용한 사용자의 눈에 가상 영상이 도달하도록 하는 구성요소이다. 본 발명에서 가상 영상을 반사시키기 위해 마이크로 미러부(20)를 사용하는 이유는, 종래에 프리즘 등을 이용하여 가상 영상을 면반사시키는 경우에 사용자가 가상 영상을 또렷하게 보기 위해서 실세계에 맞춰져 있는 초점을 이동시켜야 하는 문제를 해결하기 위한 것으로서, 마이크로 미러부(20)를 이용하여 가상 영상을 반사시키면 영상의 심도(field of depth)가 매우 깊어지기 때문에 사용자가 실세계에 초점을 맞추고 있더라도 가상 영상이 비교적 또렷하게 보인다.

더욱 상세하게 설명하자면, 본 발명에서 마이크로 미러부(20)를 이용하는 원리는 핀홀 카메라나 핀홀 렌즈에서 핀홀을 통해 심도가 깊은 영상을 보는 것과 매우 유사하다. 도 3은 핀홀 렌즈 및 마이크로 미러를 통해 영상을 보는 경우에 선명한 영상을 볼 수 있는 원리를 설명하기 위한 참고도이다.

도 3(a)는 근시인 사람이 맨눈으로 물체를 볼 때 흐릿하게 보이는 이유를 도시하고 있는데, 근시인 경우 수정체가 두꺼워 초점이 망막의 앞에 맺히므로 물체의 상이 망막의 한 점에 맺히지 않고 퍼져서 맺히기 때문에 물체가 흐리게 보인다. 도 3(a)으로 설명하면, 물체에서 출발한 빛(A)이 망막에 A1, A2, A3로 퍼져서 맺히는 것이다.

도 3(b)는 근시인 사람이 핀홀 렌즈를 착용하였을 때 물체가 보다 선명하게 보이는 이유를 도시하고 있는데, 물체에서 출발한 빛이 핀홀을 통과하면서 제한되어 망막의 비교적 좁은 영역에 맺히기 때문에 나안일 때보다 물체가 선명하게 보인다. 도 3(b)로 설명하면, 물체에서 출발한 빛(A)이 망막에 비교적 좁게(A′) 맺히는 것이다. 이러한 현상만 고려하면 디스플레이부(10)에서 출발한 빛을 핀홀을 통과시켜 눈에 도달하게 하는 것으로 종래의 문제를 해결할 수 있겠으나, 핀홀의 경우 다른 문제가 있다. 다른 문제란 회절 현상인데, 회절에 의해 핀홀을 통과한 빛이 퍼지기 때문에 선명한 상을 만드는데 제한이 있다. 그리고 핀홀 효과에 의해 상이 선명해지는 정도는 핀홀이 작을수록 커지는데 회절도 핀홀이 작을수록 커지기 때문에 핀홀을 이용하는 것은 한계가 있을 수밖에 없다.

본 발명에서 마이크로 미러부(20)를 이용하는 이유는 핀홀과 같이 빛의 폭은 제한하면서 회절 효과는 감소시키기 위한 것으로, 도 3(c)에 사람의 눈앞에 마이크로 미러를 설치한 경우가 도시되어 있고, 이러한 경우 사람의 눈에는 물체에서 출발한 빛(A)이 망막에 A′로 맺히고, 디스플레이부(10)에서 출발한 빛(B)이 A′과 겹쳐서 B′으로 맺힌다. 즉, A′과 B′가 망막의 한 점에 맺히기 때문에 눈의 초점을 따로 맞출 필요 없이 실세계의 영상과 가상 영상이 또렷하게 보인다.

이때 마이크로 미러부(20)의 크기는 사람 눈의 동공의 크기보다 작아야 한다. 동공은 조도, 나이, 기타 환경에 따라 크기가 다를 수 있는데, 일반적인 경우 6 ~ 8㎜ 정도이므로, 마이크로 미러부(20)의 크기(미러가 원형인 경우 직경, 사각형 등의 다각형인 경우 가장 긴 대각선의 길이)는 8㎜ 이하여야 하고, 2㎜ 이하인 것이 바람직하며, 작을수록 좋다. 다만, 마이크로 미러부(20)의 크기가 작아질수록 디스플레이부(10)에서 생성된 가상 영상의 밝기도 감소하므로, 가상 영상의 또렷함과 밝기를 적절히 고려하여 마이크로 미러부(20)의 크기를 설정하면 된다.

본 발명에서 마이크로 미러부(20)는 크기가 비교적 작을 뿐만 아니라, 눈의 바로 앞(안경의 렌즈 위치 정도)에 설치되므로, 사용자가 실세계에 초점을 맞추고 있는 경우 인지하기 어렵다.

마이크로 미러부(20)는 유리의 일면에 은박을 칠한 일반 거울과 달리 은박(또는 기타 가시광선 영역에서 반사율이 높은 금속박) 자체일 수 있다. 그 이유는 실제로 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치를 제작한다고 했을 때 사람의 눈앞에는 안경의 렌즈와 같은 것이 있을 것이고, 마이크로 미러부(20)는 렌즈에 함몰되어 설치될 것이기 때문에 일반 거울과 같이 유리를 필요로 하지 않기 때문이다.

마이크로 미러부(20)의 표면은 평면뿐만 아니라 곡면일 수도 있다. 예를 들어 가상 영상을 밝게 하기 위해 마이크로 미러부(20)의 면적을 늘리는 경우 심도가 낮아질 수 있는데(따라서 초점을 맞출 수 있는 범위도 좁아진다), 마이크로 미러부(20)를 곡면으로 형성함으로써 초점을 맞추기가 용이하다. 또한, 오목거울이나 볼록거울과 같은 확대/축소 효과를 얻을 수도 있다.

프레임부(30)는 디스플레이부(10)와 마이크로 미러부(20)가 설치되는 대상인 동시에, 사용자가 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치를 착용할 수 있도록 장치의 골격 및 외관을 형성하는 구성요소이다. 프레임부(30)는 안경테, 고글테, 헬멧의 본체 또는 HMD의 본체 등이 될 수 있다.

프레임부(30)는 시야부(32)를 포함할 수 있는데, 시야부(32)는 사용자가 실세계를 볼 수 있도록 시야를 제공하는 구성요소로서, 재질은 투명 또는 반투명이다. 본 발명의 원리상으로는 어떤 식으로든 프레임부(30)에 디스플레이부(10)와 마이크로 미러부(20)만 제대로 설치하면 장치의 동작이 가능하지만, 실제로 제작 시 마이크로 미러부(20)만 눈앞에 띄워 놓기는 어렵다. 따라서 시야부(32)에 마이크로 미러부(20)를 설치함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 가령, 마이크로 미러부(20)가 안경 렌즈에 설치되거나, 헬멧의 투명 덮개에 설치될 수 있는데, 마이크로 미러부(20)가 안경 렌즈나 헬멧의 투명 덮개에 함몰 설치될 수도 있고 표면에 노출되어 설치될 수도 있는데, 마이크로 미러부(20)의 보호, 장치의 견고함, 외관 등을 고려할 때 마이크로 미러부(20)는 시야부(32)에 함몰 설치되는 것이 바람직하다.

이상으로, 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치에 대해 설명했는데, 위 설명은 한쪽 눈에 대한 것으로, 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치는 하나의 디스플레이부(10)와 마이크로 미러부(20)를 구비할 수도 있고, 양안용으로 2개의 디스플레이부(10)와 2개의 마이크로 미러부(20)를 구비할 수도 있다. 하나의 디스플레이부(10)와 마이크로 미러부(20)를 구비하는 경우 도 1에 도시된 종래의 안경 타입의 증강 현실 구현 장치와 같은 영상을 볼 수 있으나, 2개의 디스플레이부(10)와 마이크로 미러부(20)를 구비하는 경우 양쪽 눈으로 입체감 있는 가상 영상을 볼 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치의 다른 실시형태를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치는 외안에 대해 한 개의 디스플레이부(10)와 복수 개의 마이크로 미러부(20, 20′)를 구비할 수 있고, 이러한 경우 넓은 시야각을 구현할 수 있다{한 개의 마이크로 미러부(20)에서 확보할 수 있는 시야각은 약 15 ~ 50°이다}. 이러한 구성이 양안에 대해서도 적용될 수 있음은 당연하다.

도 5는 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치의 또 다른 실시형태를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치는 외안에 대해 복수 개의 디스플레이부(10, 10′)와 마이크로 미러부(20, 20′)를 구비할 수 있다. 이러한 경우 복수 개의 가상 영상을 동시에 증강 현실로 구현할 수 있다. 이러한 구성이 양안에 대해서도 적용될 수 있음은 당연하다.

또한, 도 4 및 5에 도시된 실시형태의 결합으로서, 외안에 대해 복수 개의 디스플레이부를 구비하고, 디스플레이부 각각에 대응되는 복수 개의 마이크로 미러부를 구비할 수 있다. 이러한 경우 복수 개의 가상 영상을 넓은 시야각으로 구현할 수 있다.

도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 증강 현실 구현 장치의 실험 이미지들인데, 도 6이 실세계의 이미지이고, 도 7이 가상 영상 이미지이다. 도 8을 보면 실세계와 가상 영상이 동시에 증강 현실로 잘 구현됨을 알 수 있다.

상기 설명에서 디스플레이부(10)에 전력을 공급하는 구성, 디스플레이부(10)에 영상 데이터를 제공하는 구성, 디스플레이부(10)를 제어하는 구성 등에 대해서는 구체적인 설명을 생략하였는데, 그 이유는 이러한 구성들은 본 발명의 본질적 기술사상과는 큰 관련이 없고, 실시에 따라 가변적인 구성이기 때문이다.

10, 10′ 디스플레이부 20, 20′ 마이크로 미러부
30 프레임부 32 시야부

Claims (10)

1. 사용자가 착용하는 증강 현실 구현 장치로서,
   가상 영상을 생성하는 디스플레이부(10);
   상기 디스플레이부(10)에서 생성된 가상 영상을 반사시켜 상기 사용자의 눈에 가상 영상이 도달하도록 하고, 크기가 8㎜ 이하인 마이크로 미러부(20) 및
   상기 디스플레이부(10)와 상기 마이크로 미러부(20)가 설치되고, 상기 사용자가 증강 현실 구현 장치를 착용할 수 있도록 하는 프레임부(30)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 디스플레이부(10)가 상기 프레임부(30)에 함몰 설치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 마이크로 미러부(20)가 금속박인 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 마이크로 미러부(20)의 표면이 곡면인 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 프레임부(30)가 안경테, 고글테, 헬멧의 본체 또는 HMD의 본체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 프레임부(30)가 상기 사용자에게 시야를 제공하며, 투명 또는 반투명 재질인 시야부(32)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 마이크로 미러부(20)가 상기 시야부(32)에 설치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 사용자의 양안용으로 2개의 디스플레이부(10)와 2개의 마이크로 미러부(20)를 구비하는 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 사용자의 외안에 대해 한 개의 디스플레이부(10)와 복수 개의 마이크로 미러부(20, 20′)를 구비하는 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 사용자의 외안에 대해 복수 개의 디스플레이부(10, 10′)와 복수 개의 마이크로 미러부(20, 20′)를 구비하는 것을 특징으로 하는 증강 현실 구현 장치.

Images