KR20200105687A - 핀포인트 미러를 갖는 증강 현실 광학 시스템 - Google Patents

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Abstract

실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 가상 이미지 투사 요소를 통해 실질적으로 투명한 매질을 거쳐 가상 이미지가 상기 실질적으로 투명한 매질에 접촉하는 핀포인트 미러들의 집합으로 전달된다. 그리고 실제-세계 이미지 위에 재배치된 가상 이미지의 뷰가 핀포인트 미러들의 집합을 통해 실질적으로 투명한 매질을 응시하는 사용자에게 제공된다. 가상 이미지를 형성하는 빛은 사람의 눈에서 인식되지만, 핀포인트 미러의 집합의 각각의 핀포인트 미러는 사람의 눈의 동공보다 작기 때문에, 핀포인트 미러들의 집합은 그 크기로 인하여 사람의 눈에서 전혀 인식되지 않는다.

Description

핀포인트 미러를 갖는 증강 현실 광학 시스템
본 발명은 전체적으로는 증강 현실 기술 분야의 가상 이미지 생성에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핀포인트 미러를 사용하여 가상 이미지를 디스플레이함으로써 증강 현실 기술을 개선시킨 기술에 관한 것이다.
증강 현실(Augmented Reality, AR)은 실제 세계의 오브젝트(objects)가 소리, 비디오, 그래픽, 진동(haptics), 및/또는 GPS 데이터 등과 같은 컴퓨터에 의해 생성되는 센서 입력에 의해 증강되는 물리적인 실제 세계의 환경을 사용자가 직접 또는 간접적으로 볼 수 있도록 한다. AR은 컴퓨터에 의해 현실의 뷰(view of reality)가 수정되는 컴퓨터-매개 현실(computer-mediated reality)의 한 종류이며, 이에 의해 체험 환경 또는 상황을 확대시킨다. AR 기술은, 종종 라이브 동영상 입력에서의 실제 오브젝트에 정보를 겹쳐서 제공하여 주석을 제공하는 것과 같이 환경 요소(environmental elements)에 의해 실시간으로 수행된다.
AR에 의해 실제 세계의 사용자의 인식을 확대시키는 것에 비해, 가상 현실(Virtual Reality, VR)은 실제 세계를 시뮬레이션된 세계로 대치시킨다. 일반적으로, VR은 헤드셋, 햅틱 피드백 장치(haptic feedback devices) 또는 투사 환경(projected environment)을 사용함으로써, 마치 사용자가 가상의 환경에 실제 존재하는 것처럼 사용자의 인식이 시뮬레이션 이미지, 소리 및/또는 기타 감각에 의해 자극되는 가상의 환경을 생성한다.
초기에는 AR과 VR은 엔터테인먼트 및 게이밍 환경에서 주로 사용되었으나, 최근에는 다른 기업들도 AR 및 VR을 사용하고 있다. 예를 들면, 지식 공유(knowledge sharing), 교육, 정보 관리 및 원격 회의 관리 등과 같은 분야에서 AR과 VR을 사용하고 있는 기업 또는 개인이 증가하고 있다.
본 발명의 목적은, 핀포인트 미러를 이용함으로써, 추가적인 광학 요소(optical elements)들을 사용할 필요 없이, 종래의 AR 광학 시스템에 비하여 개선된 뷰-쓰루(view-through) 능력, 보다 작은 폼 팩터(form factor), 보다 넓은 아이박스(eye box) 및 보다 넓은 심도(depth of field)를 제공하는 증강 현실 광학 시스템을 제공하는 것이다.
실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 가상 이미지 투사 요소를 통해 실질적으로 투명한 매질을 거쳐 가상 이미지가 상기 실질적으로 투명한 매질에 접촉하는 핀포인트 미러들의 집합으로 전달된다. 그리고 실제-세계 이미지 위에 재배치된 가상 이미지의 뷰가 핀포인트 미러들의 집합을 통해 실질적으로 투명한 매질을 바라보는 사용자에게 제공된다. 가상 이미지를 형성하는 빛은 사람의 눈에서 인식되지만, 핀포인트 미러의 집합의 각각의 핀포인트 미러는 사람의 눈의 동공보다 작기 때문에, 핀포인트 미러들의 집합의 어떠한 것도 그 크기로 인하여 사람의 눈에서 전혀 인식되지 않는다.
본 발명의 일측면은, 실질적으로 투명한 매질; 상기 실질적으로 투명한 매질과 연속적으로 배치되는 핀포인트 미러들의 집합; 및 가상 이미지를 상기 핀포인트 미러들의 집합에 전달하여 상기 실질적으로 투명한 매질을 응시하는 사용자가 실제-세계 이미지 위에 재배치된 가상 이미지를 볼 수 있도록 하는 가상 이미지 투사 요소를 구비하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치를 포함한다.
본 발명의 다른 측면은, 가상 이미지 투사 요소에 의해 실질적으로 투명한 매질에 접촉하는 핀포인트 미러들의 집합으로 실질적으로 투명한 매질을 통해 가상 이미지를 전달하는 단계; 및 상기 핀포인트 미러들의 집합을 통해 실질적으로 투명한 매질을 응시하는 사용자에게 실제-세계 이미지 위에 재배치된 가상 이미지의 뷰를 제공하는 단계를 포함하는 실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법을 포함한다.
본 발명에 의하면, 핀포인트 미러를 이용함으로써, 추가적인 광학 요소(optical elements)들을 사용할 필요 없이, 종래의 AR 광학 시스템에 비하여 개선된 뷰-쓰루(view-through) 능력, 보다 작은 폼 팩터(form factor), 보다 넓은 아이박스(eye box) 및 보다 넓은 심도(depth of field)를 제공하는 증강 현실 광학 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 이러한 특징 및 기타 다른 특징들은 아래와 같은 첨부 도면과 함께 이하에서 설명되는 본 발명의 다양한 측면의 상세한 설명으로부터 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 광학 시스템의 일예를 나타낸 것이다.
도 2는 도시된 실시예에 의한 핀포인트 미러 증강 현실(AR) 광학 시스템의 방식을 나타낸 것이다.
도 3은 도시된 실시예에 의한 핀포인트 미러 증강 현실(AR) 광학 시스템의 일실시예를 나타낸 것이다.
도 4a~e는 도시된 실시예에 의한 AR 광학 시스템에 대한 또 다른 방식을 나타낸 것이다.
도 5는 도시된 실시예에 의하여 하나의 핀포인트 미러만을 이용한 실시예를 나타낸 것이다.
도 6은 도시된 실시예에 의한 핀포인트 미러의 어레이를 이용한 증강 현실(AR) 광학 시스템의 방식을 나타낸 것이다.
도 7은 도시된 실시예에 의한 핀포인트 미러의 어레이를 갖는 AR 광학 시스템의 일실시예를 나타낸 것이다.
도 8은 도시된 실시예에 의한 핀포인트 미러의 어레이를 이용한 가상 오브젝트의 시야의 확장을 나타낸 것이다.
도 9는 도시된 실시예에 의한 서로 다른 초점 거리를 갖는 복수개의 가상 이미지(12A-N)의 맥스웰리안 뷰를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예를 수행하기 위한 방법의 흐름도를 나타낸 것이다.
이하에서, 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서의 개시 내용은 다양한 다른 형태로 구현되었으며, 도시된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다는 점을 유의해야 한다. 본 명세서에서의 실시예들은 본 명세서의 개시 내용이 완벽하고 완전하도록 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 명세서의 개시내용의 범위를 충분히 전달할 수 있도록 제공된 것이다.
또한, 본 명세서에서의 용어들은 특정한 실시예를 설명하기 위한 용도로 사용된 것이며 본 명세서의 기술 내용을 한정하기 위한 것이 아니다. "a", "an", "the"와 같은 단수 형태는, 특별히 명시적으로 다르게 나타내지 않는 한, 복수 형태 또한 포함하는 의미로 사용되었다. 또한, "a", "an", 및 "a set" 등과 같은 용어는, 양을 한정하는 것이 아니며, 참조하는 아이템이 적어도 하나가 존재함을 나타내는 것이다. 또한, 다른 도면에서 유사한 구성 요소들에는 유사한 도면 부호가 할당될 수 있다. "구비하다(comprise)" 및/또는 "구비하는(comprising)" 또는 "포함하다(include)" 및/또는 "포함하는(including)"과 같은 용어는 본 명세서에서 사용될 때, 설명하는 특징, 위치, 완성품(integers), 단계, 동작, 요소, 및/또는 부품의 존재를 특정하는 것이며, 기타 다른 특징, 위치, 완성품(integers), 단계, 동작, 요소, 부품 및/또는 이들의 그룹이 하나 이상으로 추가적으로 존재하는 것을 배제하는 것이 아님을 유의해야 한다.
전술한 바와 같이, 기술된 실시예들은 실제 세계 환경에서의 증강 현실 가상 이미지의 디스플레이를 제공한다. 보다 상세하게는, 가상 이미지(virtual image)가 가상 이미지 투사 요소(virtual image projection component)에 의해 실질적으로 투명한 매질(substantially transparent medium)을 통해 실질적으로 투명한 매질에 접촉하는 핀포인트 미러의 집합(a set of pinpoint mirrors)으로 전달된다. 그리고, 실제 세계 이미지(real-world image) 위에 재배치된(transposed) 가상 이미지의 뷰(view of virtual image)가 핀포인트 미러의 집합을 통해 실질적으로 투명한 매질을 응시하는 사용자에게 제공된다. 핀포인트 미러 집합의 각각의 핀포인트 미러는 사람의 눈의 동공보다 작기 때문에 가상 이미지를 형성하는 빛은 사람의 눈에 의해 인식되지만, 핀포인트 미러 집합 중 어떠한 것도 그 크기로 인해 사람의 눈에는 인식되지 않는다.
종래의 뷰-쓰루 AR 광학 시스템(view-through AR optical system)은, 가상 이미지를 뷰-쓰루 시스템(일반적으로 유리 또는 기타 렌즈재와 같은 투명 물질(transparent substance)로 제조된다)을 통해 사용자가 응시하는 실제 세계 이미지와 결합시킨다. 이를 위하여, 뷰-쓰루 AR 광학 시스템은 AR 광학 시스템의 사용자의 시야 외부로부터 가상 이미지를 투사시킨다. 일반적으로, 가상 이미지는 사용자가 관찰하는 실제 세계 이미지에 대략 수직한 각도로 투명 물질 위로 투사된다. 가상 이미지는 사용자 쪽으로 재유도되어(redirected) 실제 세계 이미지 위에 재배치된다(transposed). 그러나, 본 발명의 발명자는 이러한 종래의 뷰-쓰루 증강 현실(AR) 광학 시스템에서의 여러가지 문제점을 발견하였다. 우선, 도 1a를 참조하면, 본 발명의 발명자는 종래의 시스템은 가상 이미지(12)가 실제 세계 환경(real-world environment, 14)과 결합할 때 문제점이 있다는 것을 알게 되었다. 실제 세계 환경(14)의 사람의 눈(16)에 실제같아 보이는 가상 이미지(12)를 생성(즉, 가상 이미지와 및 실제 이미지의 결합(18))하기 위해서는, 종래의 AR 광학 시스템(10)은 가상 이미지(12)를 실제 세계 환경(14)의 특정한 요망 위치에 결합시켜야 한다. 따라서, 가상 이미지(12)는 가상 이미지(12)가 "상호작용(interact)"되는 실제 세계 오브젝트와 같은 위치에 나타나야 하고 또한 같은 초점 거리를 가져야 한다.
종래의 AR 광학 시스템(10)은 하프 미러(half-mirror, 20), 광가이드(light-guide) 또는 웨이브-가이드(wave-guide) 등과 같은 종래의 광학 기술을 사용하여 가상 이미지(12)가 실제 세계 환경(14)의 실제 세계 오브젝트와 같은 위치에 보이도록 하고 실제 세계 오브젝트와 같은 방향을 가지도록 한다. 이러한 종래의 광학 기술들은 관련 분야예서 잘 알려져 있기 때문에, 이들은 여기에서는 설명 및 본 발명의 실시예들과의 비교를 위해 간단하게 설명한다. 하프 미러 기술은 사람의 눈(16)에 도달하기 이전에, 일부의 빛(가상 이미지(12)에 상응하는)은 하프 미러에서 반사되고 일부의 다른 빛(실제 이미지(14)에 상응하는)은 하프 미러를 통과하기 때문에 실제 이미지(14)와 가상 이미지(12)를 결합하는데 사용될 수 있다. 실제 세계의 빛은 하프 미러를 통과해야 하므로, 실제 세계의 오브젝트들은 희미하게 보일 수 있다. 이러한 기술을 사용한 예로서는, 구글 글래스(Google Glass), 엡슨 모베리오 장치(Epson Moverio devices) 및 메타 비전 장치(Meta vision devices) 등을 포함한다(여기에 사용한 상표 및 상품명은 각 소유자의 재산이며 설명의 목적으로만 사용되었다). 광-가이드 기술은 실제 이미지(14)와 결합되어 단일 이미지를 형성하는 분할 가상 이미지(divided virtual image, 12)를 복수개의 하프 미러들을 사용하여 투사함으로써 실제 세계(14)와 가상 이미지(12)를 결합하는데 사용될 수 있다. 광-가이드 기술은 AR 광학 시스템의 두께 및 크기를 줄일 수 있지만, 이 기술 또한 빛이 복수개의 하프 미러들을 통과하기 때문에 광 효율을 감소시킨다는 문제점과 설계 및 제조 상의 복잡도를 증가시키는 복잡한 광 경로(complex light paths)라는 문제가 있다. 광가이드 기술은 홀로그래픽 광학 요소(Holographic Optical Elements, HOE) 및/또는 회절 광학 요소(Diffractive Optical Elements, DOE)를 사용하여 광 빔(light beam)을 그 빔을 구성하는 파장으로 분할하고 이를 재결합하여 가상 이미지(12)와 실제 이미지(14)의 결합을 생성한다. 그러나, 이러한 과정은 최종 이미지(즉, 결합 이미지(18))에서 모든 색깔을 같은 수렴점(convergence point)으로 초점을 맞추는데 실패하는 것과 같은 색수차의 문제가 발생할 수 있다.
두번째로, 도 1b를 참조하면, 본 발명의 발명자는, 종래의 AR 광학 시스템은 가상 이미지의 형성에 문제가 있음을 알게 되었다. 사람의 눈(16)이 실제 오브젝트/이미지(14)에 초점을 맞출 때, 가상 이미지(12) 또한 사람의 눈(16)의 망막(22)에 선명하게 보이도록 형성되어야 한다. 바꾸어 말하면, 가상 이미지(12)가 실제 오브젝트/이미지(14)에 대해 동일한 위치를 가지는 것으로 보이도록 하는 경우, 가상 이미지(12)의 초점은, 사람의 눈(16)이 실제 오브젝트/이미지(14)에 초점을 맞출 때 가상 이미지(12)를 선명하게 볼 수 있도록 해야 한다. 이는 특히 어려운 문제인데, 가상 오브젝트(12)를 생성하는데 사용되는 프로젝터(projector)가 AR 광학 시스템의 구성 요소이고, 프로젝터에 의해 생성되는 가상 오브젝트(12)는 실제 오브젝트/이미지(14)와 다른 초점 길이를 가지기 때문에, 별도의 보정이 없다면 가상 오브젝트(12)는 흐릿하게 보일 수 있기 때문이다.
종래의 AR 광학 시스템(10)은 가상 이미지(12)가 실제 오브젝트/이미지(14)와 초점이 맞게 하기 위하여 초점 거리(focal length)를 조절하고 심도(depth of field)를 확대시키는 등과 같은 종래의 초점 광학 기술(focal optical techniques)을 사용한다. 이러한 종래의 초점 기술은 관련 기술 분야에서 공지되어 있기 때문에 여기에서는 설명의 목적 및 본 발명에 의한 실시예들과의 비교를 위해 간단히 설명한다. 가상 이미지(12)의 초점 거리를 조절하는 종래의 AR 광학 시스템(10)에서, 고정 초점 거리(fixed focal length)를 구현하기 위해 하나 이상의 오목/볼록(concave/convex) 렌즈 및/또는 미러를 사용할 수 있다. 복수의 초점 거리가 필요한 경우에는, 종래의 AR 광학 시스템(10)은 서로 다른 초점 거리를 갖는 가상 이미지(12)의 어레이(array) 또는 전기 제어 동작형 오목 또는 볼록 거울 등과 같은 종래의 초점 광학 기술을 사용한다. 가상 이미지(12)의 초점 거리를 조절하는 이러한 기술은, 고정 초점 거리로 인하여, 유연하지 않을 수 있으며, 전술한 바와 같은 초점 거리 문제로 인하여 지나치게 복잡하다는 문제가 있다.
종래의 몇몇 AR 광학 시스템은, 추가적으로 또는 대안으로서, 초점 거리와 관계없이 가상 이미지(12)를 망막(22)에 선명한 이미지로 형성하기 위하여 가상 이미지(12)에 대한 심도(depth of field)를 확장함으로써 맥스웰리안 뷰(Maxwellian view)를 구현하려는 시도를 하고 있다. 가상 이미지(12)의 맥스웰리안 뷰를 구현하기 위하여 사용되는 기술은, 핀홀(pin hole), 핀 라이트(pin light), 레이저 디스플레이(laser display), 스팟 라이트(spot light) 및 포인트 라이트(point light) 등을 포함한다. 그러나, 이러한 기술을 사용하는 경우에도, 가상 이미지(12)의 맥스웰리안 뷰를 성공적으로 구현하는 것은 어렵고 복잡하다는 문제가 있다. 예를 들면, 핀홀 기술(pin hole techniques)은 회절 문제(diffractive problems)가 있을 수 있는데, 이는 보정을 위한 컴바이너(combiner) 및 보조 광학계를 필요로 한다. 다른 예로서, 스팟 라이트 및 레이저 라이트 기술은 출사 동공(exit pupil)의 크기로 인하여 아이박스(eye-box) 문제가 있을 수 있는데, 이 또한 보정용의 컴바이너 및 추가 광학계를 필요로 한다. 이는, 이러한 기술을 사용하는 경우, 가상 이미지(12)를 보기 위한 눈(16)의 적절한 위치(즉, 라이트 필드(light field)가 눈의 동공(16)의 위치에 매칭되는 곳)가 매우 작은 영역에 한정되어, 눈(16)을 움직이더라도 가상 이미지(12)를 볼 수 있는 범위를 감소시키기 때문이다.
이러한 점을 고려하여, 본 발명에 의한 실시예는 전술한 바와 같은 종래의 AR 광학 시스템의 이미지 결합 및 이미지 형성의 문제점을 해결한다. 본 명세서에 설명된 방법은, 미리 설정된 조명 조건(lighting condition) 하에서 시스템의 광학 요소(optical element)로서 사용자측에서 바라볼 때 사람의 동공의 평균적인 직경보다 작은(즉, 4mm 보다 작은) 반사면(reflective surface)를 사용한다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 본 발명의 실시예들은, 종래의 AR 광학 시스템에 비하여, 별도의 광학 요소를 사용하지 않고도, 개선된 뷰-쓰루 능력, 보다 작은 폼 팩터, 보다 넓은 아이박스 및 보다 넓은 심도를 제공한다.
또한, 본 명세서에서는 주로 AR에 대해 설명하였으나, 본 발명의 실시예들은 VR 및 VR 관련 컴퓨터 시스템에도 사용될 수 있다(예컨대, 투명 또는 실질적으로 투명한 매질을 불투명 또는 실질적으로 불투명한 것으로 바꾸거나, 시스템에 불투명 또는 실질적으로 불투명한 매질을 추가하거나, VR 요소가 생성될 수 있는 추가 디스플레이를 사용하는 등과 같은 방식).
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 의한 AR 광학 시스템에 대한 방식이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 핀포인트 미러의 집합(a set of pinpoint mirrors, 32)(즉, 적어도 하나의 핀포인트 미러(32))이 본 발명의 일실시예에 의한 AR 광학 시스템(30)의 광학 요소(optical element)로 사용된다. 핀포인트 미러(pinpoint mirror, 32)는 사람의 동공의 평균적인 직경보다 작은 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 핀포인트 미러(32)는 사용자쪽에서 바라볼 때 4mm(약 5/32 인치)보다 작다. 본 발명의 일부 실시예에서는, 핀포인트 미러(32)는 사용자쪽에서 바라볼 때 4mm를 초과하지 않는 변을 갖는 정사각형(square) 또는 직사각형(rectangular)일 수 있다. 다른 실시예에서, 핀포인트 미러(32)는, 사용자쪽에서 볼 때, 4mm를 넘지 않는 직경을 갖는 원형(circular) 또는 타원형(oval)일 수 있다.
핀포인트 미러(32)는 광선(light rays,34)을 재유도(redirect)하여 사용자의 눈에 가상 이미지(virtual image, 12)를 형성하도록 구성된다. 보다 상세하게는, 본 발명의 실시예들에 의하면, 핀포인트 미러(32)는 AR 광학 시스템(30)에 위치하여, 사용자의 눈(16)이 디스플레이 위치/영역(display location/area, 40)에 위치되어 실제 세계 환경(real-world environment,14)으로부터의 실제 세계 광선(real-world light rays, 38) 또는 실제 세계 환경(14)의 특정한 실제 세계 오브젝트(real-world object)를 응시할 때, 가상 이미지(12)를 투사하는 가상 이미지 투사 요소(virtual image projection component, 36)로부터 출사되는 광선(34)을 사용자의 눈(16)으로 반사(reflect) 또는 굴절(refract)시킨다.
핀포인트 미러(32)는 사람의 눈(16)의 동공(42)보다 작기(즉, 4mm 이하) 때문에, 사용자는 핀포인트 미러(32)를 미러(mirror)로서 인식하거나 구별할 수 없다. 오히려, 사용자의 눈(16)이 핀포인트 미러(32)에 초점을 맞추려고 할 때, 사용자는 결합 이미지(combined image, 18)의 가상 이미지(12)만을 보게 될 것이다. 이는 동공보다 작은 오브젝트가 동공에 근접해 있는 경우, 그 오브젝트를 볼 수 없기 때문이다. 핀포인트 미러(32)의 크기가 4mm라는 것은, 디스플레이 위치/영역(40)에서 바라볼 때 핀포인트 미러(32)의 인식되는 길이에 대한 것이며, 핀포인트 미러(32)의 실제 크기가 아니라는 점을 유의해야 한다. 예를 들면, 핀포인트 미러(32)가 디스플레이 위치/영역(40) 및 가상 이미지 투사 요소(36)로부터 45°의 각도를 가지도록 배치된 경우, 디스플레이 영역(40)에서 인식되는 핀포인트 미러(32)의 길이는 4mm이지만, 핀포인트 미러(32)의 실제 길이는
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mm(~5.7mm)일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 핀포인트 미러(32)는 실질적으로 투명한 매질(28)에 연속적으로 배치된다(continuous with substantially transparent medium(28)). 예를 들면, 일부 실시예에서, 핀포인트 미러(32)는 AR 광학 시스템(30)의 본체(body)를 형성하는 실질적으로 투명한 매질(28)에 삽입되거나(inserted) 그 내부에 매립(embedded)된다. 다른 실시예에서, 핀포인트 미러(32)는 AR 광학 시스템(30)의 본체를 형성하는 실질적으로 투명한 매질(28)의 표면 위에 배치된다. 일부 실시예에 있어서, 실질적으로 투명한 매질(28)은 유리(glass) 또는 플라스틱(plastic(즉, 아크릴(acrylic), 폴리카보네이트(polycarbonate)) 등과 같은 렌즈재(lens material)일 수 있다. 다른 실시예에서, 핀포인트 미러(32)는 프레임(frame) 내에 삽입되거나 프레임에 의해 지지될 수 있다. AR 광학 시스템(30)은 AR 광학 시스템(30)의 사용자의 시야 외부의 가상 이미지 투사 요소(36)로부터의 가상 이미지(12)를 핀포인트 미러(32) 위로 전달하여 실질적으로 투명한 매질(28)을 바라보는 사용자가 실제 세계 이미지(14) 위에 배치되는 가상 이미지(12)를 볼 수 있도록 한다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 가상 이미지 투사 요소(36)는 가상 이미지(12)를 실질적으로 투명한 매질(28)(즉, 렌즈재)의 제1 면을 통해 핀포인트 미러(32)로 전달하고, 실질적으로 투명한 매질(28)쪽을 바라보는 사용자는 실질적으로 투명한 매질(28)의 제2 면을 통해 실제 세계 이미지/환경(14) 위에 배치되는 가상 이미지(12)를 보게 된다. 여기에서, 제2 면은 제1 면의 반대쪽 면은 아니다. 일실시예에서, 가상 이미지 투사 요소(36)는 사용자가 관찰하는 실제 세계 이미지(12)에 대체로 수직한 각도로 가상 이미지(12)를 투사할 수 있다. 다만, 본 발명의 목적을 위해서 필요한 경우 다른 투사각을 사용할 수도 있다. 도 2에 나타낸 실시예는 가상 이미지 투사 요소(36)의 전면이 디스플레이 위치/영역(40) 및 실제 세계 환경(14)에 수직하고 핀포인트 미러(32)는 이들 각각의 표면으로부터 45° 회전된 형태로 나타내었으나, 반드시 이래야 하는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 가상 이미지 투사 요소(36)는 눈(16) 및 실제 세계 환경(14)의 바로 뒤 또는 정면인 경우를 제외하고 어느 곳에도 위치할 수 있다.
AR 광학 시스템(30)에서 핀포인트 미러(32)의 사용은, 종래의 AR 광학 시스템(10)에 대해 앞서 설명한 바와 같이 가상 이미지(12)를 실제 세계 환경(14)과 결합시키는 문제점을 해결한다. 가상 이미지(12)를 실제 세계 환경(14)과 결합시키는 기존의 방식과는 달리, 본 발명에 의한 실시예들은 결합 과정(combining process)에서 가상 이미지(12) 또는 실제 세계 환경(14)의 인식(perception)을 변경시키지 않는다. 하프 미러를 사용하는 방식 또는 복수개의 하프 미러를 포함하는 라이트-가이드(light-guide)를 사용하는 방식과는 달리, 핀포인트 미러(32)는 실제 세계 환경(14) 또는 가상 이미지(12)를 희미하게 하지 않으며 광 효율(light efficiency)을 감소시키지도 않는다. 또한, 웨이브가이드(waveguide) 기술에 의해 사용되는 HOE 및/또는 DOE와는 달리, 본 발명의 실시예의 핀포인트 미러(32)는 가상 이미지(12)에 대한 색수차의 문제가 없다. 또한, AR 광학 시스템에서 핀포인트 미러(32)를 사용하는 것은, AR 광학 시스템을 라이트-가이드 또는 웨이브가이드 방식을 사용하는 종래의 AR 광학 시스템보다 훨씬 덜 복잡하고 부피를 현저하게 작게 할 수 있도록 한다. 따라서, 핀포인트 미러(32)는 AR 광학 시스템을 단순하게 할 수 있도록 함으로써, 가상 이미지의 무결성(integrity)을 유지하고 실제 세계의 보다 정확한 뷰-쓰루 인식을 제공한다.
AR 광학 시스템(30)에서 핀포인트 미러(32)를 사용하는 것은, 종래의 AR 광학 시스템(10)에 대해 앞서 설명한 바와 같이 실제 세계 환경(14)에 초점이 맞는 가상 이미지(12)를 형성하는 문제점 또한 해결할 수 있다. AR 광학 시스템(30)은, 핀포인트 미러(32)를 광학 요소(optical element)로 사용함으로써, 초점 거리(focal length)를 조절할 필요성을 없앤다. 핀포인트 미러(32)는, 심도(depth of field)를 확장시켜서 가상 이미지(12)가 실제 오브젝트/이미지(14)에 초점이 맞도록 함으로써 이를 달성한다. 이와 같이, AR 광학 시스템에서 핀포인트 미러(32)를 사용하는 것은, 오목/볼록 렌즈 및/또는 미러의 어레이 또는 가상 이미지의 어레이를 이용하여 초점 거리를 조절하는 종래의 AR 광학 시스템보다 훨씬 덜 복잡하고 부피가 작은 AR 광학 시스템을 가능하게 한다. 또한, 핀포인트 미러(32)를 사용하여 심도를 확장시킴으로써, AR 광학 시스템(30)은 가상 이미지(12)에 핀홀 효과(pin hole effect)를 제공하고, 따라서 컴바이너(combiner) 또는 기타 보정용 광학계를 사용하지 않고도 맥스웰리안 뷰(Maxwellian view)를 달성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 핀포인트 미러(32)를 갖는 AR 광학 시스템(30)의 일실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서, AR 광학 시스템(30)은, 핀포인트 미러(pinpoint mirror, 32)가 매립(embedded)되어 있는 실질적으로 투명한 매질(substantially transparent medium, 28)(예컨대, 사각형 또는 기타 3차원 형상의 렌즈)을 구비한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 가상 이미지(12)를 투사하는 가상 이미지 투사 요소(virtual image projection component, 36, 도 2)로부터의 광선(light rays, 34)은 실질적으로 투명한 매질(28)의 측면으로부터 실질적으로 투명한 매질(28) 안으로 전달되고, 핀포인트 미러(32)에서 반사되어 가상 이미지(12)를 디스플레이 영역(40)으로 방향 전환시킴으로써, 사용자는 가상 이미지(12)와 실제 세계 환경(14)의 결합(18)을 관찰하게 된다.
예시를 위하여 도시된 도 2 및 도 3의 핀포인트 미러(32)를 갖는 AR 광학 시스템(30) 이외의 핀포인트 미러(32)를 갖는 AR 광학 시스템(30)의 다양한 변형예들을 생각할 수 있다는 점은 충분히 이해될 수 있을 것이다. 본 발명에 의한 일부 실시예들에 있어서, 핀포인트 미러(32)는 가상 이미지 투사 요소(36)로부터의 광선(34)의 요망 경로에 기초하여 수정될 수 있다. 이러한 실시예에서, 핀포인트 미러(32)는 거울(mirror)과 같은 반사 요소(reflective element)를 구비할 수 있다. 다른 실시예에서, 핀포인트 미러(32)는 가상 이미지 투사 요소(36)로부터의 광선(34)을 반사시키는 것이 아니라 방향 전환(redirecting)시키는 렌즈와 같은 굴절 요소(refractive element)를 구비할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 핀포인트 미러(32)는 완전 반사 표면(essentially completely reflective surface) 또는 완전 굴절 표면(essentially completely refractive surface)을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, AR 광학 시스템(30)의 광학 요소(optical element)로서 반사 요소 및 굴절 요소의 결합을 사용할 수도 있다.
또한, 일부 실시예에서, 가상 이미지(12)의 디스플레이 목적에 따라 핀포인트 미러(32)의 불투명도(opacity)를 변경시킬 수 있다(예컨대, 0에서 약 100%). 예를 들면, 어떤 경우에는, 보다 큰 핀포인트 미러는 가상 이미지(12)의 밝기를 허용 가능한 정도 이하로 저하시킬 수 있다. 이러한 경우, 전체적인 밝기를 높이기 위하여 AR 광학 시스템(30)에서 핀포인트 미러(32)의 투명도(transparency)를 증가시키거나 반투명(semi-transparent) 핀포인트 미러(32)를 사용할 수 있다. 또한, 가상 이미지(12)의 디스플레이 목적에 따라, 핀포인트 미러(32)는 서로 다른 굴절률(refractive index)를 갖는 물질들로 생성할 수 있다. 예컨대, 핀포인트 미러(32)는 반투명(translucent)하거나, 홀로그래픽 광학 요소(Holographic Optical Element, HOE), 금속(metal) 등일 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예에서, 핀포인트 미러(32)의 위치 및 방향은 가상 이미지 투사 요소(36)로부터의 광선(34)의 요망되는 경로에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, AR 광학 시스템(30)의 렌즈재에 삽입된 핀포인트 미러의 경사(yaw), 회전(roll) 및/또는 피치(pitch)는, 실제 세계 환경(14)에 가상 이미지(12)를 정확히 나타내기에 필요한 바에 따라 선택적으로 적용(예컨대, 0°~ 180° 사이)될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 핀포인트 미러(32)의 크기는 변경될 수 있다. 핀포인트 미러(32)의 크기가 증가함에 따라 연관된 심도(depth of field)는 증가한다. 그러나, 본 발명의 대부분의 실시예에 의하면, 핀포인트 미러(32)는 사람의 동공(42)의 크기보다 작게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 저조명(low lighting) 조건(예컨대 나이트-비전 고글(night-vision goggle))에서 동작하도록 설계된 AR 광학 시스템은 일부 실시예에서 보다 큰 핀포인트 미러를 가질 수 있고(예컨대, 직경 8mm까지), 고조명(high lighting) 조건(예컨대, 선글라스(sunglasses))에서 동작하는 AR 광학 시스템은 일부 실시예에서 보다 작은 핀포인트 미러를 가질 수 있다(예컨대, 직경이 2mm 보다 작은). 다른 일부 실시예에서, 눈(16)의 동공(42)으로 입사하는 빛의 양을 조절하여(예컨대, 가상 이미지(12)와 실제 세계 환경(14)의 밝기를 조절함으로써) 동공(42)이 핀포인트 미러(32)보다 작은 크기와 접촉하는 것을 방지하고 및/또는 시야가 지나치게 좁아지는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시예에서, 핀포인트 미러(32)가 곡선(curved)인 경우 핀포인트 미러(32)의 반사 표면 또는 굴절 표면은 오목(concave) 또는 볼록(convex) 광학 소자와 동일한 기능을 수행할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 핀포인트 미러(32)의 반사 표면 또는 굴절 표면은, 구면(spherical), 비구면(aspherical), 원뿔(conic), 원뿔 곡선 회전면(toroid) 또는 비뚤어진 표면(anamorphic surface) 형태의 광학 소자와 같은 자유-표면 광학 소자와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
도 4a~e를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 AR 광학 시스템에 대한 해결방안의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 핀포인트 미러(32)는 맥스웰리안 뷰(Maxwellian view)를 쉽게 얻을 수 있기 때문에 종래의 광학 시스템 구성 요소를 갖는 AR 광학 시스템에 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 4a의 추가 광학 요소 시스템(50A)에 도시된 바와 같이, 보조 광학 요소(additional optical element, 52)를 가상 이미지 투사 요소(36)와 핀포인트 미러(32) 사이에 배치할 수 있다. 광학 요소(52)는 가상 이미지 투사 요소(36)으로부터의 빛을 핀포인트 미러(32)로 유도할 수 있도록 구성되어 있다. 일부 실시예에서, 이러한 보조 광학 요소(52)는 추가 광학 요소 시스템(50A)의 실질적으로 투명한 매체(28)의 외부에 위치하거나 또는 매체(28) 내에 매립될 수 있다. 보조 광학 요소(52)는 볼록 또는 오목 렌즈 또는 거울 등과 같은 종래의 광학 요소를 포함할 수 있다. 도 4a에 도시된 예에서, 볼록 렌즈(52)를 사용하여 가상 이미지(12)의 초점을 조절하면서 핀포인트 미러(32)는 가상 이미지(12)의 시야를 확장시킬 수 있다. 도 4b의 전반사(total reflection)를 사용하는 AR 광학 시스템(50B)에 도시된 바와 같은 또 다른 실시예에서, 시스템(50B)의 실질적으로 투명한 매체(28)의 내면의 반사 표면(54)은 가상 이미지 투사 요소(36)로부터의 광선(34)를 핀포인트 미러(32)로 유도하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 반사 표면(54)은 거울 또는 기타 반사재일 수 있다. 일부 실시예에서, 반사 표면(54)은 완전 또는 부분 반사재일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 핀포인트 미러(32)를 수용하는 실질적으로 투명한 매질(28)은 하나 이상의 곡선 요소(curved element)를 가질 수 있다. 예를 들면, 일실시예에서, 핀포인트 미러(32)는, 도 4c의 곡선형 핀포인트 미러를 갖는 AR 광학 시스템(50C)에 도시된 바와 같이, 곡선형 핀포인트 미러(56)일 수 있다. 이러한 실시예들은 핀포인트 미러(32)가 가상 객체(virtual object, 12)를 확장시키거나 축소시킬 필요가 있는 경우에 유용하다. 다른 실시예에 있어서, 도 4d의 곡선 형태의 AR 광학 시스템(50D)의 실질적으로 투명한 매질(28)은 곡선형일 수 있다. 이러한 실시예는 안경, 선글래스 또는 기타 안경류 등과 같이 시스템(도 4d)의 실질적으로 투명한 매질(28)이 곡선형인 것이 바람직한 경우에 유용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 가상 이미지 투사 요소(36)는, 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 실리콘 상의 발광 다이오드(light-emitting diode on Silicon, LEDOS), 액정 디스플레이(liquid-crystal display, LCD), 실리콘 상의 액정(liquid-crystal on Silicon, LCOS) 요소, 또는 마이크로 발광 다이오드(micro light-emitting diode, MicroLED) 등과 같이 AR 광학 시스템에서 종래 일반적으로 사용되는 이미지 프로젝터(image projector) 또는 이미지 디스플레이 장치 중의 하나일 수 있다. 예를 들면, 일실시예에서, 가상 이미지 투사 요소(36)는 LCOS 디스플레이(60)이다. 도 4e의 AR 광학 시스템(50E)에 나타낸 바와 같이, LCOS 디스플레이(60)는 반사성이기 때문에, LCOS 디스플레이(60)는 광학 요소(optical element)로서 사용될 수 있다. 예컨대, LCOS 디스플레이(60)는, 제1 가상 이미지(12)의 광선(34A)를 핀포인트 미러(32)로 유도함으로써 제1 가상 이미지 투사 요소(36)(예컨대, 반대편 광(backlit)인 LCOS BLU 디스플레이(62))로부터의 제1 가상 이미지(12)를 결합시키는 한편 LCOS 디스플레이(60)에 디스플레이된 제2 가상 이미지(12)로부터의 광선(34B)를 핀포인트 미러(32)로 유도할 수 있다. 이러한 기술은 2 이상의 가상 이미지(12)를 결합하여 사용자가 실제 세계와 가상 이미지의 결합 이미지(18)의 일부로서 볼 수 있도록 하는데 사용될 수 있다.
도 5를 참조하여, 하나의 핀포인트 미러(32)만을 사용하는 본 발명의 실시예의 제한 조건을 설명하고 검토한다. AR 광학 시스템(30)에서 하나의 광학 요소로서의 하나의 핀포인트 미러는 좁은 시야(narrow field of view, 64)라는 결과를 가져 온다. 이는, 눈(16)이 가상 이미지(12)를 볼 때, 홍채(iris,66)의 그림자(68)가 결합 이미지(18)에서의 가상 이미지(12)의 일부를 덮을 수 있기 때문이다. 홍채(66)는 가상 이미지(12)로부터의 광선(34)의 일부가 눈(16)으로 입사하여 망막(retina, 22)에 접촉하는 것을 차단한다. 따라서, 시야(field of view, 64)는 좁아지고 사용자는 가상 이미지(12)의 일부만을 볼 수 있다. 또한, 눈(16)이 움직이면, 그림자(64)도 움직여서, 핀포인트 미러(32)에 대한 아이박스(eyebox)를 작게 만든다.
따라서, 도 6을 참조하여, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 핀포인트 미러의 어레이(array)를 사용하는 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서, 복수개의 핀포인트 미러(32A-N)를 구비하는 어레이(array, 72)가 AR 광학 시스템(70)의 광학 요소로서 집합적으로 사용된다. 가상 이미지 투사 요소(36)는 실질적으로 투명한 매질(28)을 통해 가상 이미지(12)의 제1 부분을 복수개의 핀포인트 미러(32A-N)의 제1 핀포인트 미러로 전달하고, 실질적으로 투명한 매질(28)을 통해 가상 이미지(12)의 제2 부분을 복수개의 핀포인트 미러(32A-N)의 제2 핀포인트 미러로 전달한다.
일부 실시예에서, 핀포인트 미러(32A-N)의 어레이(72)는 선형 어레이(linear array)일 수 있다. 다른 실시예에서, 어레이(72)는, 수평 방향 및 수직 방향으로 배치된 복수개의 핀포인트 미러(32A-N)를 갖는 2차원일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 어레이(72)는 x축, y축 및 z축 방향을 따라 배치되는 복수개의 핀포인트 미러(32A-N)를 갖는 3차원일 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 어레이(72)는 불규칙 어레이(irregular array)일 수도 있다. AR 광학 시스템(30)에서와 같이, 각각의 핀포인트 미러(32A-N)는 사람의 동공의 일반적인 직경보다 작다(즉, 4mm 또는 5/32인치 보다 작다). 각각의 핀포인트 미러(32)는, 사용자의 눈(16)이 시야 위치/영역(viewing location/area)에 위치할 때 가상 이미지 투사 요소(36, 미도시)로부터 출사된 광선(34)을 반사 또는 굴절시켜서 가상 이미지(12)를 사용자의 눈(16)으로 전달할 수 있도록, AR 광학 시스템(70) 내에 배치된다. 각각의 핀포인트 미러(32A-N)는 사람의 눈(16)의 동공(42)보다 작기(즉, 4mm 이하) 때문에, 사용자는 핀포인트 미러(32A-N)를 거울로서 거의 인식하거나 식별할 수 없다.
또한, 핀포인트 미러(32A-N)의 어레이(72)의 사용은, 가상 이미지(12)의 시야(64)를 넓히고, 그림자(68)를 감소시킨다. 이는, 복수개의 핀포인트 미러(32B-D)가 함께 작용하여, 동공(42)에 대한 서로 다른 입사각(angles of entry)을 사용하여 가상 이미지(12)의 서로 다른 부분으로부터의 광선(34)을 눈(12)의 망막(22)의 서로 다른 부분으로 반사 또는 굴절시키기 때문이다. 이는 광선(34)이 눈(16)으로 입사하는 것을 차단하는 홍채(66)의 능력을 감소시킨다. 따라서, 망막(22)에서 그리고 궁극적으로는 사용자가 보게 되는 보다 넓은 시야를 얻을 수 있다. 또한, 핀포인트 미러(32)의 어레이(72)를 사용하는 기술은 보다 넓은 아이박스(eyebox) 및 보다 유연한 출사 동공(exit pupil)을 제공하여, 가상 이미지(12)를 보면서 눈(16)을 보다 많이 움직일 수 있는 여지를 제공한다. 이는, 눈(16)이 움직이면(예컨대, 왼쪽으로), 핀포인트 미러(32B-D)가 수행했던 기능을 주변의 핀포인트 미러(32A-C)가 동일하게 수행함으로써, 눈(16)의 위치에 상관없이 사용자는 동일한 형태의 가상 이미지(12)를 연속적으로 볼 수 있도록 하기 때문이다.
도 7을 참조하면, 복수개의 핀포인트 미러(32A-N)의 어레이(72)를 갖는 AR 광학 시스템(70)의 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서, AR 광학 시스템(70)은 핀포인트 미러(32A-N)의 어레이(72)가 매립되어 있는 실질적으로 투명한 매질(28)(예컨대, 사각형 렌즈 형태)을 구비한다. 각각의 핀포인트 미러(32A-N)는 어레이(72) 내에서 다른 핀포인트 미러(32A-N)와 간격(74)을 두고 배치되어 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 간격(74)은 각 핀포인트 미러에 의해 생성되는 이미지들을 어느 정도까지 겹쳐보이도록 할 것인가에 따라 다를 수 있다. 중첩(overlap) 정도를 줄이기 위해서, 일실시예에서, 간격(74)은 동공(42)의 직경 정도, 바꾸어 말하면, 대략 4mm 정도이다. 가상 이미지(12)를 전달하는 가상 이미지 투사 요소(36, 미도시)로부터의 광선(34)은 렌즈재의 측면에서 렌즈재로 입사하여 하나 이상의 핀포인트 미러(32A-N)에 의해 사용자가 가상 이미지(12)와 실제 세계 환경(14)(미도시)의 결합(18, 미도시)을 관찰할 수 있는 디스플레이 영역(40)으로 반사될 수 있다.
일부 실시예에서, 2개의 핀포인트 미러(32A-N) 사이의 간격(74)은 AR 광학 시스템(70)의 용도 및 기능에 따라(즉, 요구되는 바에 따라 가상 이미지(12)를 보여줄 수 있도록) 달라질 수 있다. 일부 실시예에서, 어레이(72)는 AR 광학 시스템(70)의 용도 및 기능에 따라 핀포인트 미러(32A-N)의 복수개의 행(rows) 및/또는 열(columns)들을 포함할 수 있다. 또한, 어레이(72)에서의 핀포인트 미러(32A-N)의 갯수 및 핀포인트 미러(32A-N)의 간격(74)에 따라, AR 광학 시스템(70)과 연관된 시야(field of view)는 대략 10°에서 180°까지 확장될 수 있다. 이는 도 8에 도시된 바와 같이 핀포인트 미러들의 어레이를 사용함으로써 이루어질 수 있다. 어레이(72)에서의 핀포인트 미러(32A-N)의 갯수가 수평 방향으로 증가함에 따라, 3개의 핀포인트 미러(32A-C)의 선형 어레이에 의해 제공되는 감소된 시야(64B)와 비교하여 5개의 핀포인트 미러(32A-E)의 선형 어레이에 의해 제공되는 증가된 시야(64C)에 나타낸 바와 같이, 시야는 수평 방향으로 증가한다. 마찬가지로, 어레이(72)에서의 핀포인트 미러(32A-N)의 갯수가 수직 방향으로 증가함에 따라, 핀포인트 미러(32AA-AD)의 제1 행 및 핀포인트 미러(32BA-BE)의 제2 행을 갖는 핀포인트 미러의 어레이에 의해 제공되는 증가된 시야(64D)에 나타낸 바와 같이, 시야는 수직 방향으로 증가한다. 단일 핀포인트 미러(32)를 갖는 AR 광학 시스템(30)과 관련하여 앞서 살펴 보았던 모든 변형 실시예들은 핀포인트 미러(32A-N)의 어레이(72)를 갖는 AR 광학 시스템(70)의 실시예들에 특별한 별도의 고려를 하지 않고도 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
다음으로, 도 9를 참조하면, 서로 다른 초점 거리(focal length)를 갖는 다수의 가상 이미지(12A-N)의 맥스웰리안 뷰(Maxwellian view)를 가능하게 하는 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 복수개의 핀포인트 미러의 핀포인트 미러(32A-N)들은 AR 광학 시스템(80)의 실질적으로 투명한 매질(28) 내에 매립(embedded) 되어 있다. 각각의 핀포인트 미러(32A-N)는 복수개의 가상 이미지들중 서로 다른 하나의 가상 이미지(12A-N)와 연관된다. 가상 이미지(12A-N)들은 가공의(fabricated) 가상 이미지이며, 가공된 가상 이미지들 중 적어도 어느 하나는 복수개의 가상 이미지(12A-N)의 다른 가공된 가상 이미지 중 적어도 어느 하나와 서로 다른 초점 거리(focal length)를 가지도록 가공되어 있다. 제1 가상 이미지 투사 요소(36, 미도시)는 실질적으로 투명한 매질(28)을 통해 제1 가상 이미지(12A)와 연관된 복수개의 핀포인트 미러(32A-N) 중의 제1 핀포인트 미러(32A)로 제1 가상 이미지(12A)를 전달한다. 제2 가상 이미지 투사 요소(36, 미도시)는 실질적으로 투명한 매질(28)을 통해 제2 가상 이미지(12B)와 연관된 복수개의 핀포인트 미러(32A-N) 중의 제2 핀포인트 미러(32B)로 제2 가상 이미지(12B)를 전달한다.
눈(16)이 AR 광학 시스템(80)쪽을 응시할 때, 눈(16)은 각각의 가상 이미지와 연관된 핀포인트 미러(32A-N)에 의해 반사된 가상 이미지(12A-N) 각각으로부터의 빛을 볼 수 있다. 그러나, 가상 이미지(12A-N)들은 서로 다른 초점 거리를 가지도록 생성되어 있기 때문에, 눈(16)이 가상 이미지(12A-N) 중의 하나에 초점을 맞추면 다른 가상 이미지(12A-N)들은 눈(16)에 흐릿하게 보이게 된다. 이러한 서로 다른 초점 거리는, 눈(16)이 이러한 흐릿한 것으로 인식되는 이미지와 초점이 맞는 것으로 인식되는 이미지들이 가상 이미지(12A-N)가 눈(16)으로부터 다른 거리에 있어 보이는 것을 나타내는 것으로 해석할 수 있도록 한다. 이와 같이, 가상 이미지(12A-N)의 그룹의 각각의 이미지가 눈(16)으로부터 서로 다른 거리에 있는 것으로 보이도록 함으로써 깊이(depth)를 갖는 가상 이미지(12A-N)의 태블로(tableau)를 생성할 수 있도록 한다. 예를 들면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 눈(16)이 가상 이미지(12A)에 초점을 맞추려고 할 때, 가상 이미지(12B-N)는 동시에 눈(16)에 대해 초점이 맞지 않는 것으로 보이게 된다. 마찬가지로, 눈(16)이 가상 이미지(12C)에 초점을 맞추려고 할 때, 가상 이미지(12A, 12B, 12N)들은 동시에 눈(16)에서 초점이 맞지 않는 것으로 보이게 된다. 따라서, 가상 이미지(12B)는 가상 이미지(12A)보다 눈(16)에 더 가깝게 보이지만, 가상 이미지(12C)보다는 눈(16)에서 멀리 있는 것으로 보인다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일실시예를 수행하기 위한 방법의 흐름도(100)가 도시되어 있다. 특히, 흐름도(100)는 실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지(12)를 표시하기 위한 방법을 나타낸 것이다. 단계(102)에서, AR 광학 시스템(30)은, 가상 이미지 투사 요소(36)에 의해 가상 이미지(12)를 실질적으로 투명한 매질을 통해 실질적으로 투명한 매질과 접촉되어 있는 핀포인트 미러(32)의 집합으로 전달한다. 단계(104)에서, AR 광학 시스템(30)은, 실질적으로 투명한 매질을 응시하고 있는 사용자에게 핀포인트 미러(32)의 집합을 통해 실제-세계 이미지(14) 위에 재배치된 가상 이미지(12)의 뷰(view)를 제공한다. 도 10의 흐름도(100)는 본 발명의 시스템 및 방법의 가능한 구현 실시예의 구조, 기능 및 동작을 나타낸 것이다. 다른 실시예로서, 블록안에 기재된 기능은 도면에 기재된 순서와는 다르게 이루어질 수 있다. 예를 들면, 연속적으로 도시된 2개의 블록은 실제로는 동시에 수행될 수 있으며, 또는 관련된 기능성에 따라 블록들은 반대 순서로 실행될 수도 있다.
이상에서 본 발명은 예시된 실시예들을 참조하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게는 다양한 변형 및 수정 실시가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범위에 속하는 모든 수정 및 변형을 포함하기 위한 것이라는 점을 유의해야 한다.

Claims (20)

  1. 실질적으로 투명한 매질;
    상기 실질적으로 투명한 매질과 연속적으로 배치되는 핀포인트 미러들의 집합; 및
    가상 이미지를 상기 핀포인트 미러들의 집합에 전달하여 상기 실질적으로 투명한 매질을 응시하는 사용자가 실제-세계 이미지 위에 재배치된 가상 이미지를 볼 수 있도록 하는 가상 이미지 투사 요소
    를 구비하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 핀포인트 미러들의 집합은 핀포인트 미러들의 어레이이고, 상기 어레이는 복수개의 핀포인트 미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 어레이는 핀포인트 미러들의 복수개의 행 및 핀포인트 미러들의 복수개의 열 중 적어도 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 핀포인트 미러들의 집합 각각은 사용자쪽에서 바라볼 때의 크기가 4mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 핀포인트 미러들의 집합 각각은 사용자쪽에서 바라볼 때의 크기가 미리 설정된 조명 조건하에서 인간의 동공의 평균적인 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가상 이미지 투사 요소로부터의 빛을 핀포인트 미러로 유도하도록 구성된 광학 요소를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 핀포인트 미러들의 집합은 완전 반사 표면 및 완전 굴절 표면 중 적어도 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 가상 이미지 투사 요소는 실리콘 상의 액정(liquid crystal on silicon, LCOS) 요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 LCOS 요소는, 다른 가상 이미지 투사 요소로부터의 빛을 상기 핀포인트 미러의 집합으로 유도하는 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 실질적으로 투명한 매질은 상기 핀포인트 미러들의 집합이 매립되는 렌즈재이며,
    상기 가상 이미지 투사 요소는 가상 이미지를 상기 렌즈재의 제1 표면을 통해 핀포인트 미러들의 집합으로 전달하여 렌즈재를 응시하는 사용자가 상기 렌즈재의 제2 표면을 통해 실제-세계 이미지 위에 재배치된 가상 이미지를 보도록 하고,
    상기 렌즈재의 제2 표면은 상기 제1 표면과 반대쪽이 아닌 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 표면은 사용자가 실제-세계 환경을 볼 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 핀포인트 미러들의 집합은 복수개의 핀포인트 미러이고,
    상기 복수개의 핀포인트 미러 각각은 복수개의 가상 이미지 중의 서로 다른 가상 이미지와 연관된 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 복수개의 가상 이미지는 가공된 가상 이미지이고,
    복수개의 가상 이미지 중 제1 가상 이미지는 복수개의 가상 이미지 중 제2 가상 이미지와 다른 초점 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 증강 현실 뷰-쓰루 장치.
  14. 가상 이미지 투사 요소에 의해 실질적으로 투명한 매질에 접촉하는 핀포인트 미러들의 집합으로 실질적으로 투명한 매질을 통해 가상 이미지를 전달하는 단계; 및
    상기 핀포인트 미러들의 집합을 통해 실질적으로 투명한 매질을 응시하는 사용자에게 실제-세계 이미지 위에 재배치된 가상 이미지의 뷰를 제공하는 단계
    를 포함하는 실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 핀포인트 미러들의 집합 각각은, 사용자쪽에서 바라볼 때의 크기가 4mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 핀포인트 미러들의 집합은 핀포인트 미러들의 어레이이고, 상기 어레이는 복수개의 핀포인트 미러들을 구비하는 것을 특징으로 하는 실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    가상 이미지 투사 요소에 의해 핀포인트 미러들의 집합의 제1 핀포인트 미러로 실질적으로 투명한 매질을 통해 가상 이미지의 제1 부분을 전달하는 단계; 및
    가상 이미지 투사 요소에 의해 핀포인트 미러들의 집합의 제2 핀포인트 미러로 실질적으로 투명한 매질을 통해 가상 이미지의 제2 부분을 전달하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    광학 요소를 거쳐 상기 실질적으로 투명한 매질을 통해 가상 이미지를 핀포인트 미러들의 집합으로 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 가상 이미지 투사 요소에 의해 전달되는 상기 가상 이미지는 제1 가상 이미지 투사 요소를 통해 핀포인트 미러들의 집합의 제1 핀포인트 미러로 전달되는 제1 가상 이미지이고,
    제2 가상 이미지 투사 요소에 의해 핀포인트 미러들의 집합의 제2 핀포인트 미러로 상기 실질적으로 투명한 매질을 통해 제2 가상 이미지를 전달하는 단계; 및
    실질적으로 투명한 매질을 응시하는 사용자에게 제2 핀포인트 미러를 통해 실제-세계 이미지 위에 배치된 제2 가상 이미지의 뷰를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1 가상 이미지 및 제2 가상 이미지는 가공된 이미지이며 서로 다른 초점 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 실제-세계 환경에서 증강 현실 가상 이미지를 표시하는 방법.
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