KR20200111370A - Beam Splitter for Realizing Augmented Reality and Optical System for Realizing Augmented Reality Including the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 증강현실 영상 구현을 위해 이용되는 빔 스플리터와 이를 포함한 증강현실 광학계에 관한 것이다.The present invention relates to a beam splitter used to realize an augmented reality image and an augmented reality optical system including the same.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section merely provides background information on the present embodiment and does not constitute the prior art.
환자의 환부를 수술하기 위해서, 종래에는 의사가 환부의 절개를 통해 병변 부위를 육안으로 확인하며 수술을 진행하였다. 이를 위해서는 선행적으로 환부의 위치와 주위조직 및 정상조직 사이의 경계가 정확히 확정되어야만 한다. 그러나 개흉 혹은 개복 하에 이루어지는 종래의 수술에서 의사는 자신의 시각과 촉감에 의존해서만 환부의 위치와 경계를 확인하곤 했다다. 이런 경우에, 의사가 비록 수술 전에 X-ray, CT, PET 등을 이용해 취득한 다양한 영상자료를 분석한다 하더라도, 실제 수술 중에 살아 움직이는 인체 장기 내에서 정확하게 환부의 위치와 정상조직과의 경계를 확인하기가 쉽지 않았다. 이러한 문제로 인해, 종래의 수술은 영상자료의 분석을 거쳐 환부로 추정되는 부위를 중심으로 일정 영역을 도려내는 방법으로 진행되었다. 이러한 이러한 종래의 수술은 환부만 정밀하게 도려내는 것이 아니고 정상조직까지 함께 제거되기 때문에, 제거된 부분과 연관된 장기의 기능저하가 필연적으로 수반되어 재활까지 오랜 기간이 걸리는 문제가 있었다.In order to operate on a patient's affected area, conventionally, a doctor performed surgery while visually checking the lesion area through an incision in the affected area. For this, the boundary between the location of the affected area and the surrounding tissues and normal tissues must be accurately determined. However, in conventional surgery performed under open thoracic or open abdomen, doctors used to check the location and boundary of the affected area only by relying on their sight and touch. In this case, even if the doctor analyzes various image data acquired using X-ray, CT, PET, etc. before surgery, it is necessary to accurately check the location of the affected area and the boundary between the normal tissue and the location of the affected part within the living organs during the actual operation. It wasn't easy. Due to this problem, the conventional surgery was performed by analyzing image data and cutting out a certain area around the presumed affected area. Since such a conventional surgery does not precisely cut out only the affected area, but also removes normal tissues, there is a problem that it takes a long time to rehabilitate due to inevitably accompanying the deterioration of the organs associated with the removed part.
이를 해결하기 위한 MIS(Minimally Invasive Surgery) 수술로서, 의사가 C-arm(Portable X-ray)을 지속적으로 가동시켜 임플란트 및 수술기구가 원하는 방향과 위치로 삽입되는지 확인하면서 수술하는 방법이 있으나, 수술 시 X-ray를 여러 차례 조사해야 하므로 집도의 및 수술실 내 인력이 방사선에 노출되는 문제가 있다.As a MIS (Minimally Invasive Surgery) surgery to solve this problem, there is a method in which a doctor continuously operates a C-arm (Portable X-ray) to make sure that the implant and surgical instruments are inserted in the desired direction and position. There is a problem in that the surgeon and manpower in the operating room are exposed to radiation because X-rays must be irradiated several times.
또한, 최근의 발전된 기술로서는 3D CT(Computed Tomography) 영상을 수술실 모니터에 출력하여, 의사가 이를 보면서 수술을 진행하는 방법이 있다. 이러한 방법은 의사가 수술 도중 모니터에서 출력되는 3D CT 영상을 수시로 참고해야 하여 원활한 수술진행이 어려운 문제가 있다.In addition, as a recently developed technology, there is a method in which a 3D CT (Computed Tomography) image is output to an operating room monitor, and the doctor performs an operation while watching it. This method has a problem in that it is difficult for the doctor to perform smooth operation because the 3D CT image output from the monitor must be consulted frequently during surgery.
이러한 문제로 인해, 최근 의료기기에 증강현실 기술을 접목하고자 하는 다양한 시도가 존재한다.Due to this problem, various attempts to apply augmented reality technology to medical devices in recent years exist.
본 발명의 일 실시예는, 증강현실 기술을 이용하여 사용자에 환자의 환부 영상 또는 환부에 대한 정보영상을 제공함으로써, 사용자가 환자의 실제 환부와 함께 환부 영상 또는 환부에 대한 정보영상을 증강현실로 인식할 수 있도록 하는 증강현실 구현을 위한 빔 스플리터 및 이를 포함한 증강현실 광학계를 제공하는 데 일 목적이 있다.According to an embodiment of the present invention, by providing a user with an image of a patient's affected area or an information image of the affected area using augmented reality technology, the user can convert the affected area image or information image about the affected area to augmented reality together with the actual affected area of the patient. An object of the present invention is to provide a beam splitter for realizing an augmented reality that enables recognition and an augmented reality optical system including the same.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 간단한 구성으로도 사용자가 실제 환부와 함께 증강현실 영상을 인식할 수 있도록 하는 증강현실 구현을 위한 빔 스플리터 및 이를 포함한 증강현실 광학계를 제공하는 데 일 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a beam splitter for implementing augmented reality that enables a user to recognize an augmented reality image along with an actual affected area even with a simple configuration, and an augmented reality optical system including the same. .
본 발명의 일 측면에 의하면, 환부로부터 반사되는 기 설정된 파장대역의 광을 각각 수광하여 환부의 이미지를 생성하는 복수의 이미지 생성부와 각 이미지 생성부로부터 생성된 이미지에 대응되는, 가시광 파장대역의 광을 각각 출력하는 복수의 영상 출력부와 각 영상 출력부에서 출력된 광을 각각 집속시키는 복수의 렌즈부 및 외부로부터 입사되는 기 설정된 파장대역의 광을 각각의 이미지 생성부로 반사시키고, 입사되는 가시광 파장대역의 광 일부를 사용자의 각 동공으로 투과시키거나 반사시키며 나머지 일부를 상기 사용자의 동공이 위치한 방향 이외의 방향으로 투과시키거나 반사시키는 복수의 빔 스플리터를 포함하며, 각 이미지 생성부는 사용자의 동공간 거리만큼 떨어져 배치되는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, a plurality of image generators for generating an image of the affected area by receiving light in a preset wavelength band reflected from the affected area, and the visible light wavelength band corresponding to the image generated from each image generating unit A plurality of image output units each outputting light, a plurality of lens units each focusing light output from each image output unit, and light of a preset wavelength band incident from the outside are reflected to each image generator, and incident visible light It includes a plurality of beam splitters that transmit or reflect a part of light in the wavelength band to each pupil of the user, and transmit or reflect a part of the light in a direction other than the direction in which the pupil of the user is located, and each image generator It provides an augmented reality optical device, characterized in that it is disposed apart by a space distance.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 복수의 이미지 생성부는 각 빔 스플리터의 중심에서 사용자의 각 동공까지의 거리만큼 각 빔 스플리터의 중심으로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the plurality of image generators are separated from the center of each beam splitter by a distance from the center of each beam splitter to each pupil of the user.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 복수의 빔 스플리터는 각각 외부로부터 입사되는 가시광 파장대역의 광에 대해서, 광의 일부를 상기 사용자의 동공으로 투과시키고, 나머지를 상기 상기 사용자의 동공이 위치한 방향 이외의 방향으로 반사시키는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the plurality of beam splitters transmit part of the light to the user's pupil for light in the visible light wavelength band respectively incident from the outside, and transmit the remaining light to the pupil of the user other than the direction in which the pupil is located. It is characterized by reflecting in the direction.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 복수의 빔 스플리터는 각각 렌즈부를 거친 가시광 파장대역의 광에 대해서, 광의 일부를 상기 사용자의 동공으로 반사시키고, 나머지를 상기 사용자의 동공이 위치한 방향 이외의 방향으로 투과시키는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the plurality of beam splitters reflect part of the light to the user's pupil for light in the visible light wavelength band passing through each lens unit, and the rest of the light in a direction other than the direction in which the user's pupil is located. It is characterized in that it transmits.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 파장대역의 광은 적외선 또는 자외선 파장대역인 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the light of the preset wavelength band is characterized in that the infrared or ultraviolet wavelength band.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 복수의 이미지 생성부는 적외선 또는 자외선 카메라인 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the plurality of image generators are infrared or ultraviolet cameras.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 영상 출력부는 외부로부터 출력할 증강현실 영상을 입력받아, 상기 증강현실 영상에 대응되는, 가시광 파장대역의 광을 추가로 출력하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the image output unit may receive an augmented reality image to be output from the outside and additionally output light in a visible light wavelength band corresponding to the augmented reality image.
본 발명의 일 측면에 의하면, 서로 다른 방향으로 입사하는 광을 각각 투과시키거나 반사시키는 빔 스플리터에 있어서, 기 설정된 제1 방향으로 입사하는, 기 설정된 제1 파장대역의 광만을 반사시키며, 상기 기 설정된 파장대역 이외의 광을 투과시키는 제1 반사면 및 기 설정된 제2 방향으로 입사하는, 기 설정된 제2 파장대역의 광 일부를 반사시키고, 나머지 일부를 투과시키는 제2 반사면를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 스플리터를 제공한다.According to an aspect of the present invention, in a beam splitter that transmits or reflects light incident in different directions, respectively, reflects only light in a preset first wavelength band incident in a preset first direction, and Characterized in that it comprises a first reflective surface that transmits light other than the set wavelength band and a second reflective surface that reflects a part of light in a preset second wavelength band and transmits the remaining part of light incident in a preset second direction. It provides a beam splitter.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 반사면 및 제2 반사면은 서로 상이한 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the first reflective surface and the second reflective surface are arranged in different directions.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 제1 방향과 기 설정된 제2 방향은 서로 다른 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the preset first direction and the preset second direction are different from each other.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 제1 파장대역은 적외선 또는 자외선 파장대역인 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the preset first wavelength band is an infrared or ultraviolet wavelength band.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 제2 파장대역은 가시광 파장대역인 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the preset second wavelength band is a visible light wavelength band.
본 발명의 일 측면에 의하면, 의료용 증강현실 장치에 있어서, 환부로부터 반사되는 기 설정된 파장대역의 광을 수광하여 환부의 이미지를 생성하는 이미지 생성부와 상기 이미지 생성부로부터 생성된 이미지에 대응되는, 가시광 파장대역의 광을 출력하는 영상 출력부와 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 증강현실 광학장치와 상기 이미지 생성부, 상기 영상 출력부 및 상기 증강현실 광학장치의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 증강현실 장치 내 각 구성으로 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 증강현실 장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, in a medical augmented reality device, corresponding to an image generating unit generating an image of the affected area by receiving light of a preset wavelength band reflected from the affected area and an image generated from the image generating unit, An image output unit for outputting light in a visible wavelength band, an augmented reality optical device according to any one of claims 1 to 7, and a control unit for controlling the operation of the image generation unit, the image output unit, and the augmented reality optical device, and It provides a medical augmented reality device comprising a power supply for supplying power to each component in the augmented reality device.
본 발명의 일 측면에 의하면, 환부로부터 반사되는 기 설정된 파장대역의 광을 각각 수광하여 환부의 이미지를 생성하는 복수의 이미지 생성부와 각 이미지 생성부로부터 생성된 이미지에 대응되는, 가시광 파장대역의 광을 각각 출력하는 복수의 영상 출력부와 각 영상 출력부에서 출력된 광을 각각 집속시키는 복수의 렌즈부와 외부로부터 입사되는 기 설정된 파장대역의 광을 각각의 이미지 생성부로 반사시키는 복수의 제1 빔 스플리터 및 입사되는 가시광 파장대역의 광 일부를 사용자의 각 동공으로 투과시키거나 반사시키며 나머지 일부를 상기 사용자의 동공이 위치한 방향 이외의 방향으로 투과시키거나 반사시키는 복수의 제2 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, a plurality of image generators for generating an image of the affected area by receiving light in a preset wavelength band reflected from the affected area, and the visible light wavelength band corresponding to the image generated from each image generating unit A plurality of image output units each outputting light, a plurality of lens units each focusing light output from each image output unit, and a plurality of first units reflecting light of a preset wavelength band incident from the outside to each image generator Including a beam splitter and a plurality of second beam splitters that transmit or reflect a part of light in the incident visible wavelength band to each pupil of the user, and transmit or reflect a part of the light in a direction other than the direction in which the pupil of the user is located. It provides an augmented reality optical device, characterized in that.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 증강현실 기술을 이용하여 사용자에 환자의 환부 영상 또는 환부에 대한 정보영상을 제공함으로써, 수술 중 별도의 출력화면에 대한 지속적인 확인 없이도, 사용자가 환자의 실제 환부와 함께 환부 영상 또는 환부에 대한 정보영상을 인식할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to an aspect of the present invention, by providing the user with an image of the patient's affected area or an information image of the affected area using an augmented reality technology, the user can perform without continuous confirmation of a separate output screen during surgery. There is an advantage of being able to recognize an image of the affected area or an information image of the affected area together with the actual affected area of the patient.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 간단한 구성으로 구현이 가능하여, 사용자에 부담없이 착용될 수 있는 장점이 있다.In addition, according to an aspect of the present invention, it is possible to implement a simple configuration, there is an advantage that the user can be worn without burden.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 증강현실 장치의 일 구현예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 증강현실 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증강현실 광학장치의 사시도와 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증강현실 광학장치로 외부로부터 가시광이 유입되는 경로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증강현실 광학장치로 외부로부터 기 설정된 파장대역의 광이 유입되는 경로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증강현실 광학장치가 증강현실 영상을 출력하기 위한 광 경로를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 증강현실 광학장치의 사시도와 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치 내 빔 스플리터의 반사면을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치 내 빔 스플리터 및 빔 스플리터의 제1 반사면으로 입사되는 광의 경로를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치 내 빔 스플리터 및 빔 스플리터의 제2 반사면으로 입사되는 광의 경로를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치로 외부로부터 가시광이 유입되는 경로를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치로 외부로부터 기 설정된 파장대역의 광이 유입되는 경로를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치가 증강현실 영상을 출력하기 위한 광 경로를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 증강현실 광학장치의 사시도이다. 1 is a view showing an embodiment of a medical augmented reality device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the configuration of a medical augmented reality device according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view and a plan view of an augmented reality optical device according to a first embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a path through which visible light is introduced from the outside to the augmented reality optical device according to the first embodiment of the present invention.
5 is a view showing a path through which light of a preset wavelength band is introduced from the outside to the augmented reality optical device according to the first embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating an optical path through which an augmented reality optical device according to the first embodiment of the present invention outputs an augmented reality image.
7 is a perspective view and a plan view of an augmented reality optical device according to a second embodiment of the present invention.
8 is a perspective view of an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention.
9 is a view showing a reflection surface of a beam splitter in an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating a beam splitter in an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention and a path of light incident on a first reflective surface of the beam splitter.
11 is a view showing a path of light incident on a beam splitter and a second reflective surface of the beam splitter in the augmented reality optical device according to the third embodiment of the present invention.
12 is a diagram illustrating a path through which visible light is introduced from the outside to an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention.
13 is a diagram illustrating a path through which light of a preset wavelength band is introduced from the outside to an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention.
14 is a diagram illustrating an optical path through which an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention outputs an augmented reality image.
15 is a perspective view of an augmented reality optical device according to a fourth embodiment of the present invention.
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.In the present invention, various changes may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements.
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.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element. The term and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
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.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle.
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.The terms used in the present application are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "include" or "have" should be understood as not precluding the possibility of existence or addition of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification. .
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.Unless otherwise defined, all terms, including technical or scientific terms, used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
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.Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.In addition, each configuration, process, process, or method included in each embodiment of the present invention may be shared within a range not technically contradicting each other.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 증강현실 장치의 일 구현예를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 증강현실 장치의 구성을 도시한 도면이다.1 is a view showing an embodiment of a medical augmented reality device according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a view showing the configuration of a medical augmented reality device according to an embodiment of the present invention.
의료용 증강현실 장치(100)는 의사 등의 사용자에 장착되거나 미장착된 상태에서 사용자에 증강현실 영상을 제공한다. 의료용 증강현실 장치(100)가 제공하는 증강현실 영상으로는 환자의 환부만을 직접적으로 출력하는 환부 영상과 환자의 환부의 상태에 관한 정보를 출력하는 환부 정보영상을 포함한다. 사용자는 의료용 증강현실 장치(100) 너머로 볼 수 있는 환부의 실제 상(像)과 의료용 증강현실 장치(100)에서 제공되는 증강현실 영상을 함께 볼 수 있다. 이에 따라, 사용자는 환부의 실제 상과 환부 영상 등의 증강현실 영상을 한번에 볼 수 있어, 별도로 증강현실 영상을 확인하기 위해 사용자가 시야를 돌려야 하는 불편을 제거하였다.The medical
환부 영상은 다음과 같이 생성될 수 있다. 기 설정된 파장대역에서만 발광하는 물질이 포함된 시약을 환자가 마시거나 환자의 환부 주변에 도포된 경우, 환부에서는 기 설정된 파장대역의 광을 반사시킨다. 이때, 환부로 기 설정된 파장대역의 광이 조사되면, 환부에서는 해당 물질에 의해 해당 파장대역의 광을 생성 또는 반사시킨다. 이러한 특성을 이용하여, 의료용 증강현실 장치(100)는 기 설정된 파장대역의 광을 수광하여 환부에 대한 이미지를 생성함으로써 환부 영상을 생성한다. 여기서, 기 설정된 파장대역은 사용자가 볼 수 없는 가시광 파장대역 이외의 파장대역, 예를 들어, 적외선 또는 자외선 파장대역에 해당한다.The affected area image may be generated as follows. When a patient drinks a reagent containing a substance that emits light only in a preset wavelength band or is applied around the patient's affected area, the affected area reflects light in the preset wavelength band. At this time, when light in a preset wavelength band is irradiated to the affected part, light in the corresponding wavelength band is generated or reflected in the affected part by the material. Using this characteristic, the medical augmented
환부 정보영상은 다음과 같은 영상을 포함한다. 환부 정보영상은 X-ray, CT 또는 MRI 등 환부를 촬영한 영상이나 환자의 심박수 등 환자의 상태를 나타내는 기본적 의료영상 등을 포함한다.The affected area information image includes the following images. The affected area information image includes an image of an affected area such as X-ray, CT, or MRI, or a basic medical image indicating a patient's condition such as a patient's heart rate.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 증강현실 장치(100)는 영상 출력부(210), 광학계(220), 제어부(230) 및 전원부(240)를 포함한다.Referring to FIG. 2, a medical augmented
영상 출력부(210)는 증강현실 영상에 대응되는 광을 출력한다. 영상 출력부(210)는 광학계(220)에서 생성된 증강현실 영상(환부 영상)을 전달받아, 증강현실 영상에 대응되는 광을 출력한다. 한편, 영상 출력부(210)는 유선 또는 USB 등 외부와 직접 연결되거나 별도의 통신부(미도시)를 이용해 외부로부터 증강현실 영상(환부 정보영상)을 전달받고, 전달받은 증강현실 영상에 대응되는 광을 출력한다. 사용자가 증강현실 영상을 볼 수 있도록, 영상 출력부(210)는 가시광 파장대역의 광을 출력한다.The
증강현실 광학계(220, 이하에서 '광학계'라 약칭함)는 환부의 실제 상에 대응되는 광과 영상 출력부(210)에서 출력되는 광(영상)을 사용자에게 전달한다. 광학계는 환자의 환부로부터 입사하는 환부의 실제 상에 대응되는 광을 사용자에게 전달함으로써, 사용자가 환자의 환부를 볼 수 있도록 한다. 이와 동시에, 광학계(220)는 광학계(220)로 입사하는 기 설정된 파장의 광으로부터 환부 영상을 생성하고, 생성되어 영상 출력부(210)에서 출력되는 환부 영상을 사용자에게 전달한다. 이에 따라, 사용자는 실제 환부와 함께 실제 환부에 근접한 위치에서 환부 영상을 동시에 볼 수 있어, 환부 영상을 증강현실로 인식할 수 있다. 사용자는 환부 영상의 확인을 위해 별도의 모니터 등을 시야를 돌려 확인할 필요없이, 환부를 보며 환부 영상을 동시에 확인할 수 있다. 또한, 광학계(220)는 영상 출력부(210)에서 출력되는 환부 정보영상을 사용자에게 전달한다. 이때, 환부 정보영상이 실제 환부 및 환부 영상과 근접한 위치에 출력되어, 사용자가 실제 환부 및 환부 영상을 보는 것을 방해하지 않는 것이 바람직하다. 따라서 광학계(220)는 환부 정보영상에 대해서는 실제 환부 및 환부 영상로부터 일정 거리 떨어진 위치에서 출력되도록 사용자에게 전달한다. 예를 들어, 사용자의 시야 중심에 실제 환부 및 환부 영상이 위치하고 있다면, 환부 정보영상은 사용자의 시야 외곽에 위치할 수 있다. 광학계(220)가 환부의 실제 상 및 증강현실 영상에 대응되는 광을 사용자에게 전달하기 위한 구성에 대해서는 도 3 내지 15를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.The augmented reality optical system 220 (hereinafter abbreviated as'optical system') transmits light corresponding to the actual image of the affected area and light (image) output from the
제어부(230)는 각 구성(210 및 240)의 동작을 제어한다. 제어부(230)는 의료용 증강현실 장치(100)의 사용자로부터 각 구성의 동작 제어신호(예를 들어, 증강현실 장치의 온. 오프 등)를 수신할 수 있으며, 이에 따라, 동작하도록 각 구성을 제어할 수 있다.The
전원부(240)는 각 구성(210 내지 230)에 각 구성(210 내지 230)이 동작할 수 있도록 하는 전원을 제공한다.The
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증강현실 광학장치의 사시도와 평면도이다. 3 is a perspective view and a plan view of an augmented reality optical device according to a first embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계(220)는 제1 미러부(310), 렌즈부(320, 323, 326, 329), 빔 스플리터(330), 제2 미러부(340) 및 이미지 생성부(350)를 포함한다. 도 3에는 편의상 사용자의 한쪽 동공으로 영상을 입사시키는 구성만이 도시되어 있으나, 제2 미러부(340)의 반대편(+y축 방향)에 제2 미러부(340)를 기준으로 대칭적으로 제1 미러부(310), 렌즈부(320, 323, 326, 329) 및 빔 스플리터(330)가 배치된다.Referring to FIG. 3, the
제1 미러부(310)는 영상 출력부(210)에서 출력된 광을 빔 스플리터(330) 방향으로 반사시킨다. 제1 미러부(310)는 영상 출력부(210)에서 출력된, 증강현실 영상에 대응되는 광을 빔 스플리터(330) 방향으로 반사시켜, 해당 광이 빔 스플리터(330)를 거쳐 사용자의 동공(360)으로 입사될 수 있도록 한다.The
렌즈부(320, 323, 326, 329)는 제1 미러부(310)에서 반사되어 사용자의 동공(360)으로 입사하는 광을 집속시킨다. 렌즈부(320, 323, 326, 329)는 제1 미러부(310)에서 반사되어 사용자의 동공(360)으로 입사하는 광의 경로 상에 배치되어, 광이 평행광의 형태로 사용자의 동공(360)에 입사할 수 있도록 광을 집속시킨다. 이로서, 사용자는 마치 무한대의 위치에서 증강현실 영상이 출력되는 것처럼 인식할 수 있어, 증강현실 영상은 넓은 화각 범위 만큼의 화면크기와 심도가 깊고 선명한 화질 특성을 가질 수 있다. 렌즈부(320, 323, 326)는 제1 미러부(310) 및 빔 스플리터(330) 사이에 배치되어 광을 집속시키며 광 경로를 조정하고, 렌즈부(329)는 추가적으로 빔 스플리터(330)와 사용자의 동공(360) 사이에 배치되어 광을 집속시키며 광 경로를 조정할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 렌즈부는 다수의 구면 렌즈가 배치될 수 있으며, 단수 또는 소수의 비 구면 렌즈 등이 배치될 수 있다.The
빔 스플리터(330)는 계면에 각각 반사면(334, 338)을 포함하는 복수의 구성(332, 336)을 구비하여, 기 설정된 파장대역의 광을 모두 반사시키고, 가시광 파장대역의 광을 분리하여 반사시키거나 투과시킨다. The
빔 스플리터(330)는 제1 구성(332)과 제2 구성(336)을 포함하며, 각 구성에는 특정 파장대역의 광을 반사사키거나 투과시키는 반사면(334, 338)을 포함한다. 이때, 각 반사면(334, 338)은 각 구성의 계면(각 구성이 서로 마주하는 방향의 면)에 각각 코팅된 후 반사면 간에 서로 본딩이 될 수도 있고, 어느 하나의 반사면이 특정 구성의 계면에 코팅된 후, 다른 하나의 반사면과 다른 하나의 구성이 차례로 본딩될 수도 있다. 이처럼 빔 스플리터(330)의 각 구성(332, 336)이 공기층(Air Gap)을 갖지 않은 채 계면에 형성된 반사면(334, 338)들이 바로 본딩됨으로써, 공기층의 존재로 빔 스플리터(330)로 입사되는 광의 경로가 변하는 문제가 발생하지 않으며, 빔 스플리터(330)로 입사되는 광의 입사각에 따라 의도치않게 광이 전반사되는 문제를 방지할 수 있다.The
제1 반사면(334)은 입사되는 가시광 파장대역의 광을 일정비율로 분리하여, 일부를 반사시키고 일부를 투과시킨다. 예를 들어, 제1 반사면(334)은 입사되는 가시광 파장대역의 광의 절반은 반사시키고 절반은 투과시킬 수 있다. 이에 따라, 렌즈부(320, 323, 326)를 거쳐 빔 스플리터(330)로 입사되는 증강현실 영상에 대응되는 광의 일부는 제1 반사면(334)에서 반사되어 사용자의 동공(360)으로 입사하고, 나머지는 제1 반사면(334)을 투과한다. 외부에서 입사(-x축 방향)되는 환부의 실제 상에 대응되는 광의 일부는 제1 반사면(334)에서 반사되어 제2 미러부(340)로 향하고, 나머지는 제1 반사면(334)을 투과하여 사용자의 동공(360)으로 입사한다. 한편, 제2 반사면(338)은 기 설정된 파장대역의 광을 모두 반사시키는 반면, 나머지 파장대역의 광을 모두 투과시킨다. 기 설정된 파장대역의 광, 예를 들어, 적외선 또는 자외선은 인체의 동공에 입사될 경우, 안구에 악영향을 미친다. 이에 따라, 외부(도 3에서는 빔 스플리터를 기준으로 +x축의 위치)에서 (-x축 방향으로) 입사되는 기 설정된 파장대역의 광은 제2 반사면(338)에서 반사되어 제2 미러부(340)로 향하게 되는 반면, 외부에서 입사되는 환부의 실제 상에 대응되는 광은 제2 반사면(338)을 투과하게 된다. 빔 스플리터(330)는 이러한 구조를 가짐으로써, 최소한의 부피로도 사용자에게 실제 상과 증강현실 영상을 함께 제공할 수 있다. The first
제2 미러부(340)는 빔 스플리터(330)로부터 반사되거나 빔 스플리터(330)를 투과한 광을 이미지 생성부(350)로 반사시킨다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 미러부(340)는 빔 스플리터(330)로부터 반사된 기 설정된 파장대역의 광이나, 빔 스플리터(330)로부터 반사되거나 빔 스플리터(330)를 투과한 가시광 파장대역의 광을 이미지 생성부(350)로 반사시킨다. 제2 미러부(340)는 밑면이 개방된 삼각형 모양으로 구현될 수 있으며, 빔 스플리터(330)를 향하는 제2 미러부(340)의 양 면은 광을 반사시킨다. 제2 미러부(340)는 양 빔 스플리터를 거쳐 입사되는 광들을 이미지 생성부(350)로 반사시키기 때문에, 하나의 이미지 생성부(350)만으로도 양 광을 모두 수광할 수 있도록 한다. 이에 따라, 광학계(220)는 이미지 생성부(350)를 하나만 사용하더라도 사용자에게 증강현실 영상의 입체감 또는 깊이감을 제공할 수 있다. 또한, 제2 미러부(340)의 밑면이 개방됨으로써, 광학계(220)를 포함하는 증강현실 장치가 사용자에 장착될 경우, 사용자로부터 이탈되지 않고 온전히 장착될 수 있도록 착용감을 향상시킬 수 있다.The
이미지 생성부(350)는 제2 미러부(340)의 연직 상방(+z축)에 배치되어, 제2 미러부(340)에서 반사되는 광을 수광한다. 제2 미러부(340)에서는 (y축 상의) 양 방향에 위치한 빔 스플리터들로부터 입사되는 광들이 반사되는데, 하나의 이미지 생성부(350)만이 광학계(220) 내에 포함될 수 있다. 이미지 생성부(350)는 이들을 구분하여 각각 수광하여야 하며, 이미지 생성부(350)의 중심으로부터 양 측에 각각 기 설정된 파장대역의 광만을 센싱하는 광 센서(미도시)를 포함한다. 실질적으로 이미지 생성에 사용되는 광은 기 설정된 파장대역의 광 뿐이며 가시광 파장대역의 광은 사용되지 않으므로, 이미지 생성부(350)는 기 설정된 파장대역의 광만을 센싱하는 광 센서(미도시)를 포함한다. 이미지 생성부(350)는 양 측에 각 광 센서를 포함하여 각 방향으로 입사되는 기 설정된 파장대역의 광을 센싱하며, 센싱한 정보를 이용하여 환부 영상을 생성한다. 이미지 생성부(350)는 환부 영상을 생성하고 이를 각 영상 출력부(210)로 전달한다. 이에 따라, 각 영상 출력부(210)는 생성된 환부 영상에 대응되는 광을 출력한다. 사용자의 양안이 각각 인식하도록 복수의 광이 서로 다른 위치로 입사되더라도, 광학계(220)가 하나의 이미지 생성부(350)를 포함하여 이를 처리하기 때문에, 전체적인 광학계(220)의 부피가 감소하는 장점을 갖는다. 여기서, 기 설정된 파장은 적외선 또는 자외선 파장대역일 수 있으며, 이미지 생성부(350)는 적외선 또는 자외선 카메라로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증강현실 광학장치로 외부로부터 가시광이 유입되는 경로를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating a path through which visible light is introduced from the outside to the augmented reality optical device according to the first embodiment of the present invention.
외부로부터 환부의 실제 상에 대응되는 광이 환부로부터 반사되어 광학계(220)로 입사한다. 환부의 실제 상에 대응되는 광은 빔 스플리터(330)만을 거쳐 직접 사용자의 동공(360)으로 입사된다. 이때, 환부의 실제 상에 대응되는 광은 빔 스플리터(330) 내 제2 반사면(338)을 투과하나, 제1 반사면(334)을 거치며 광의 일부는 반사되고 광의 나머지 일부만이 사용자의 동공(360)으로 입사된다. 이로써, 사용자는 환부의 실제 상을 인식할 수 있다. Light corresponding to the actual image of the affected part from the outside is reflected from the affected part and enters the
환자가 배치된 공간은 강한 조명이 조사되는 환경이므로, 광량의 감소없이 모든 광이 사용자의 동공(360)으로 입사될 경우, 사용자는 눈부심 현상을 겪게 될 수 있다. 환부의 실제 상에 대응되는 광이 빔 스플리터(330)를 거치며 광량이 일부 감소함으로써, 광학계(220)는 눈부심 현상을 방지할 수 있다.Since the space in which the patient is placed is an environment in which strong illumination is irradiated, when all light is incident into the user's
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증강현실 광학장치로 외부로부터 기 설정된 파장대역의 광이 유입되는 경로를 도시한 도면이다.5 is a view showing a path through which light of a preset wavelength band is introduced from the outside to the augmented reality optical device according to the first embodiment of the present invention.
환부로부터 반사되어 유입되는 기 설정된 파장대역의 광은 빔 스플리터(330)로 유입되며, 제2 반사면(338)에 의해 제2 미러부(340)로 모두 반사된다. 기 설정된 파장대역의 광은 제2 미러부(340)에 의해 이미지 생성부(350)로 재반사되어 이미지 생성부(350)로 수광된다. 이미지 생성부(350)는 환부 영상을 생성한 후, 생성한 환부 영상을 영상 출력부(210)로 전달한다. 영상 출력부(210)는 환부 영상에 대응되는 광을 출력하고, 제1 미러부(310), 렌즈부(320, 323, 326, 329) 및 빔 스플리터(330)를 거쳐 사용자의 동공(360)으로 입사한다. 환부 영상에 대응되는 광은 빔 스플리터(330)의 제1 반사면(334)에서 일부가 반사되며 사용자의 동공(360)으로 입사한다.Light of a preset wavelength band reflected and introduced from the affected part is introduced into the
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증강현실 광학장치가 증강현실 영상을 출력하기 위한 광 경로를 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating an optical path through which an augmented reality optical device according to the first embodiment of the present invention outputs an augmented reality image.
영상 출력부(210)는 외부로부터 환부 정보영상을 전달받고, 전달받은 증강현실 영상에 대응되는 광을 출력한다. 영상 출력부(210)로부터 출력된 광은 제1 미러부(310), 렌즈부(320, 323, 326, 329) 및 빔 스플리터(330)를 거쳐 사용자의 동공(360)으로 입사한다. The
이에 따라, 사용자는 환부의 실제 상과 환부 영상을 동시에 볼 수 있으며, 추가적으로 환부 정보영상도 추가적으로 볼 수 있다.Accordingly, the user can simultaneously view an actual image of the affected area and an image of the affected area, and additionally, can additionally view the affected area information image.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 증강현실 광학장치의 사시도와 평면도이다. 7 is a perspective view and a plan view of an augmented reality optical device according to a second embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계(220)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계(220)의 구성 중 제1 미러부(310)를 구비하지 않는다. 이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계(220)와 함께 배치된 영상 출력부(210)는 렌즈부(320, 323, 326, 329)를 마주보며 배치되어, 렌즈부(320, 323, 326, 329)로 직접 광을 출력한다. 이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계(220)를 포함한 증강현실 장치(100)는 상대적으로 부피가 작아질 수 있다.Referring to FIG. 7, the
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치의 사시도이다.8 is a perspective view of an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계(220)는 렌즈부(810, 815), 빔 스플리터(820) 및 이미지 생성부(830a, 830b)를 포함한다.Referring to FIG. 8, the
렌즈부(810, 815)는 렌즈부(320, 323, 326, 329)와 동일하게, 영상 출력부(210)에서 출력되어 사용자의 동공(360)으로 입사하는 광을 집속시킨다.The
빔 스플리터(820)는 외부로부터 입사되는 기 설정된 파장대역의 광 모두를 이미지 생성부(830a, 830b)로 직접 반사시키며, 외부로부터 입사하는 환부의 실제 상에 대응되는 광 또는 영상 출력부(210)에서 출력된 증강현실 영상에 대응되는 (가시광 파장대역의) 광을 반사시키거나 투과시킨다. 빔 스플리터(820)는 하나의 전체 구성 내에 복수의 반사면을 포함하며, 각 반사면은 서로 상이한 방향으로 배치되어 입사되는 광을 서로 상이한 방향으로 반사시킨다. 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 빔 스플리터(820)를 기준으로 서로 다른 방향에 사용자의 동공(360)과 이미지 생성부(830a, 830b)가 각각 배치된다. 빔 스플리터(820)는 외부로부터 입사되는 기 설정된 파장대역의 광을 모두 이미지 생성부(830a, 830b)로 반사(도 8에 도시된 예로는 +z축 방향)시키는 반면, 외부로부터 입사하거나 영상 출력부(210)에서 출력된 가시광 파장대역의 광을 사용자의 동공(360, 도 8에 도시된 예로는 +x축)과 사용자의 동공 및 이미지 생성부(830a, 830b)가 위치하지 않은 나머지 방향(도 8에 도시된 예로는 +y축)으로 반사시키거나 투과시킨다. 이처럼, 빔 스플리터(820)는 입사되는 광을 서로 상이한 방향으로 반사시킴으로써, 추가적인 구성 없이도 이미지 생성부로 광을 입사시킬 수 있어, 전체적인 광학계(220)의 부피가 감소할 수 있다.The
빔 스플리터(820)의 외부로부터 광이 입사되는 방향으로의 길이(a)와 외부로부터 광이 입사되는 방향을 기준으로 이미지 생성부(830a, 830b)가 위치한 방향으로 수직인 방향으로의 길이(a)는 서로 동일하다. 이로 인해, 외부로부터 입사된 광 중 가시광 파장대역의 광이 반사면을 투과하여 빔 스플리터(820)를 벗어날 때까지의 광 경로의 길이와 외부로부터 입사된 광 중 기 설정된 파장대역의 광이 반사면으로부터 반사되어 빔 스플리터(820)를 벗어날 때까지의 광 경로의 길이는 서로 동일하다.The length (a) of the
이미지 생성부(830a, 830b)는 빔 스플리터(820)의 일 측에서 빔 스플리터(820)로부터 반사되는 기 설정된 파장대역의 광을 수광하여 환부 영상을 생성한다. 이미지 생성부(830a, 830b)는 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따른 광학계(220)와 달리 복수 개가 포함되어 각 빔 스플리터(820)에서 반사되는 광을 각각 수광한다. 이때, 각 이미지 생성부(830a, 830b)는 사용자의 각 동공간 거리만큼 떨어져 배치된다.The
또한, 이미지 생성부(830a, 830b)는 빔 스플리터(820)의 중심과 사용자의 동공(360) 간 거리(l)과 동일한 거리만큼 빔 스플리터(820)의 중심으로부터 떨어져 배치된다. 이미지 생성부(830a, 830b)가 이처럼 배치될 경우, 다음과 같은 효과를 가져올 수 있다. 외부에서 입사되는 기 설정된 파장대역의 광이 빔 스플리터(820)를 거쳐 이미지 생성부(830a, 830b)로 입사되는 광 경로의 길이(a+l)와 외부에서 입사되는 가시광 파장대역의 광이 빔 스플리터(820)를 거쳐 사용자의 동공(360)으로 입사되는 광 경로의 길이(a+l)가 서로 동일해진다. 또한, 이미지 생성부(830a, 830b)는 사용자의 각 동공간 거리만큼 떨어져 배치되기 때문에, 이에 따라, 광학계가 별도의 구성이나 후처리 공정을 갖지 않더라도, 사용자는 마치 자신이 직접 본 듯한 화각과 깊이감을 느낄 수 있으며, 이미지 생성부(830a, 830b)에서 생성되어 사용자에게 출력되는 환부 영상(증강현실 영상)은 깊이감 왜곡의 발생 없이 실제 환부와 동일한 깊이감을 표현할 수 있다. 이미지 생성부(830a, 830b)는 사용자의 동공(360)과 동일한 환경에서 광을 수광하기 때문에, 환부 영상(증강현실 영상)에서는 깊이감 왜곡이 발생하지 않는다. In addition, the
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치 내 빔 스플리터의 반사면을 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치 내 빔 스플리터 및 빔 스플리터의 제1 반사면으로 입사되는 광의 경로를 도시한 도면이며, 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치 내 빔 스플리터 및 빔 스플리터의 제2 반사면으로 입사되는 광의 경로를 도시한 도면이다.9 is a view showing a reflection surface of a beam splitter in an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a beam splitter and a beam splitter in the augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention. Is a diagram showing a path of light incident on a first reflective surface of, and FIG. 11 is a diagram illustrating a path of light incident on a second reflective surface of a beam splitter and a beam splitter in an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention. It is a drawing.
빔 스플리터(820)는 서로 상이한 방향으로 배치되어 입사되는 광을 서로 상이한 방향으로 반사시키는 제1 반사면(910)과 제2 반사면(920)을 포함한다. 양 반사면(910, 920)은 서로 분리되어 있지 않으며 서로 상이한 방향으로 배치됨에 따라, 하나의 빔 스플리터(820) 내에 모두 배치되어 있다.The
제1 반사면(910)은 외부로부터 유입되거나 영상 출력부에서 출력된 가시광 파장대역의 광의 일부를 반사시키고 일부를 투과시킨다. 제1 반사면(910)은 외부로부터 유입된 광의 일부를 투과시켜 사용자의 동공으로 입사시키거나, 나머지를 사용자의 동공 및 이미지 생성부가 위치하지 않은 나머지 방향( +y축)으로 반사시킨다. 또한, 제1 반사면(910)은 영상 출력부에서 출력된 광의 일부를 반사시켜 사용자의 동공으로 입사시키거나, 나머지를 사용자의 동공 및 이미지 생성부가 위치하지 않은 나머지 방향( +y축)으로 투과시킨다.The first
제2 반사면(920)은 외부로부터 유입된 기 설정된 파장대역의 광을 모두 반사시키고, 나머지 파장대역의 광을 모두 투과시킨다. 이에 따라, 외부에서 입사되는 기 설정된 파장대역의 광은 제2 반사면(920)에서 반사되어 모두 이미지 생성부(830a, 830b)로 입사되는 반면, 외부에서 입사되는 환부의 실제 상에 대응되는 광은 제2 반사면(920)을 투과하게 된다. The second
제1 반사면(910)과 제2 반사면(920)을 갖는 빔 스플리터(820)는 다음과 같이 제작될 수 있다. The
먼저, 어떠한 반사면도 갖지 않은 빔 스플리터(820)의 원형을 제1 반사면 또는 제2 반사면 중 어느 하나의 방향으로 절단하여, 두 부분으로 분리한다.First, the circle of the
절단한 방향의 반사면이 가져야할 광 특성에 따른 재질을 분리한 각 부분의 계면에 코팅한다.The material according to the optical characteristics that the reflective surface in the cut direction should have is coated on the interface of each separated part.
계면에 재질을 코팅한 후, 분리된 두 부분을 인덱스 매칭 본딩(Index Matching Bonding)한다. 각 계면에 코팅한 재질과 굴절률이 동일하거나 유사한 재질로 인덱스 매칭 본딩을 수행함으로써, 반사면에서의 광학 오차를 최소화할 수 있다.After coating the material on the interface, index matching bonding is performed on the separated two parts. By performing index matching bonding with a material having the same or similar refractive index as the material coated on each interface, optical errors in the reflective surface can be minimized.
이후, 제1 반사면 또는 제2 반사면 중 어느 하나의 반사면을 갖는 빔 스플리터를 나머지 다른 하나의 반사면 방향으로 절단하여, 다시 두 부분으로 분리한다.Thereafter, the beam splitter having either the first reflective surface or the second reflective surface is cut in the direction of the other reflective surface, and is divided into two parts again.
절단한 반사면이 가져야할 광 특성에 따른 재질을 분리한 각 부분의 계면에 코팅하고, 다시 분리된 두 부분을 인덱스 매칭 본딩함으로써, 빔 스플리터(820)를 완성한다.The
이에 따라, 빔 스플리터(820)는 하나의 전체 구성 내에 복수의 반사면을 포함할 수 있어, 부피가 최소화될 수 있다. 또한, 빔 스플리터(820)는 하나의 구성 내에서 서로 다른 방향으로 반사면을 갖기 때문에, 빔 스플리터(820)로 기 설정된 파장대역의 광이 입사할 경우, 해당 광을 모두 반사시키는 반사면에 반사되어 반사되며, 다른 반사면에 입사하여 일부가 투과되어 사용자의 동공 내로도 유입될 수 있는 문제를 발생시키지 않는다.Accordingly, the
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치로 외부로부터 가시광이 유입되는 경로를 도시한 도면이다. 12 is a diagram illustrating a path through which visible light is introduced from the outside to an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention.
외부로부터 환부의 실제 상에 대응되는 광이 환부로부터 반사되어 광학계(220)로 입사한다. 환부의 실제 상에 대응되는 광은 빔 스플리터(820)만을 거쳐 직접 사용자의 동공(360)으로 입사된다. 이로써, 사용자는 환부의 실제 상을 인식할 수 있다. Light corresponding to the actual image of the affected part from the outside is reflected from the affected part and enters the
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치로 외부로부터 기 설정된 파장대역의 광이 유입되는 경로를 도시한 도면이다.13 is a diagram illustrating a path through which light of a preset wavelength band is introduced from the outside to an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention.
환부로부터 반사되어 유입되는 기 설정된 파장대역의 광은 빔 스플리터(820)로 유입되며, 제2 반사면(920)에 의해 이미지 생성부(830a)로 모두 반사된다. 이미지 생성부(830a)는 환부 영상을 생성한 후, 생성한 환부 영상을 영상 출력부(210)로 전달한다. 영상 출력부(210)는 환부 영상에 대응되는 광을 출력하고, 렌즈부(810, 815) 및 빔 스플리터(820)를 거쳐 사용자의 동공(360)으로 입사한다. 환부 영상에 대응되는 광은 빔 스플리터(820)의 제1 반사면(910)에서 일부가 반사되며 사용자의 동공(360)으로 입사한다.Light of a preset wavelength band reflected and introduced from the affected part is introduced into the
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치가 증강현실 영상을 출력하기 위한 광 경로를 도시한 도면이다.14 is a diagram illustrating an optical path through which an augmented reality optical device according to a third embodiment of the present invention outputs an augmented reality image.
영상 출력부(210)는 외부로부터 환부 정보영상을 전달받고, 전달받은 증강현실 영상에 대응되는 광을 출력한다. 영상 출력부(210)로부터 출력된 광은 렌즈부(810, 815) 및 빔 스플리터(820)를 거쳐 사용자의 동공(360)으로 입사한다. The
이로써, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계(220)는 렌즈, 빔 스플리터 및 이미지 생성부만을 포함하면서도, 증강현실 영상을 환부의 실제 상과 함께 출력할 수 있는 장점을 갖는다.Accordingly, the
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 증강현실 광학장치의 사시도이다. 15 is a perspective view of an augmented reality optical device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 15를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치(220)에서 빔 스플리터(820) 대신 제1 빔 스플리터(1510)와 제2 빔 스플리터(1515)를 포함한다. 도 15a와 같이, 제1 빔 스플리터(1510)는 제2 빔 스플리터(1515)보다 영상 출력부(210)에 상대적으로 더 가까운 위치에 배치될 수도 있고, 도 15b와 같이, 제2 빔 스플리터(1515)보다 영상 출력부(210)에 상대적으로 더 먼 위치에 배치될 수도 있다Referring to FIG. 15, the augmented reality
제1 빔 스플리터(1510a, 1510b)는 외부(도 15에서는 빔 스플리터들을 기준으로 -x축)에서 입사되는 기 설정된 파장대역의 광을 이미지 생성부로 모두 반사시킨다. 다만, 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치(220)와 달리, 제1 빔 스플리터(1510a, 1510b)를 기준으로 이미지 생성부는 일 방향(도 15에서는 +z축)에 배치되나, 사용자의 동공(360)은 제1 빔 스플리터(1510a, 1510b)의 일축상에 배치되지 않는다. 따라서, 제1 빔 스플리터(1510a, 1510b)는 기 설정된 파장대역의 광만을 이미지 생성부가 위치한 방향으로 반사시킨다.The
제2 빔 스플리터(1515a, 1515b)는 외부(도 15에서는 빔 스플리터들을 기준으로 -x축)에서 입사되는 가시광 파장대역의 광의 일부는 반사시키고, 나머지 일부는 투과시켜 동공(360)으로 입사되도록 한다. 다만, 제2 빔 스플리터(1515a, 1515b)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치(220)와 달리, 빔 스플리터 하나의 구성 내에 배치되는 것이 아니라, 제1 빔 스플리터(1510a, 1510b)의 일 측면에 각각 배치되어 가시광 파장대역의 광을 반사시키거나 투과시킨다. The
제1 빔 스플리터(1510a, 1510b) 및 제2 빔 스플리터(1515a, 1515b) 각각은 이미지 생성부의 간격 및 양안 간격과 동일한 간격을 갖도록 배치된다. 제1 빔 스플리터(1510a, 1510b) 및 제2 빔 스플리터(1515a, 1515b) 중 어느 하나는 이미지 생성부의 간격과 동알한 간격으로, 나머지 하나는 양안 간격과 동일한 간격으로 배치된다. 이에 따라, 광학계가 별도의 구성이나 후처리 공정을 갖지 않더라도, 사용자는 마치 자신이 직접 본 듯한 화각과 깊이감을 느낄 수 있다.Each of the
본 발명의 제4 실시예에 따른 증강현실 광학장치(220) 내 빔 스플리터는 기 설정된 파장대역의 광과 가시광 파장대역의 광을 각각 반사시키거나 투과시키는 빔 스플리터의 구성을 분리하여 배치하기 때문에, 본 발명의 제3 실시예에 따른 증강현실 광학장치 내 빔 스플리터에 비해 다소 부피가 커지기는 하나, 제작이 용이하여 양산이 가능한 장점을 갖는다. Since the beam splitter in the augmented reality
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.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and those of ordinary skill in the technical field to which the present embodiment belongs will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Accordingly, the present exemplary embodiments are not intended to limit the technical idea of the present exemplary embodiment, but are illustrative, and the scope of the technical idea of the present exemplary embodiment is not limited by these exemplary embodiments. The scope of protection of this embodiment should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present embodiment.
100: 의료용 증강현실 장치
210: 영상 출력부
220: 광학계
230: 제어부
240: 전원부
310: 제1 미러부
320, 323, 326, 329, 810, 815: 렌즈부
330, 820: 빔 스플리터
340: 제2 미러부
350, 830a, 830b: 이미지 생성부
334, 910: 제1 반사면
338, 920: 제2 반사면
1510: 제1 빔 스플리터
1520: 제2 빔 스플리터100: medical augmented reality device
210: video output unit
220: optical system
230: control unit
240: power supply
310: first mirror unit
320, 323, 326, 329, 810, 815: lens unit
330, 820: beam splitter
340: second mirror unit
350, 830a, 830b: image generator
334, 910: first reflective surface
338, 920: second reflective surface
1510: first beam splitter
1520: second beam splitter
Claims (14)
각 이미지 생성부로부터 생성된 이미지에 대응되는, 가시광 파장대역의 광을 각각 출력하는 복수의 영상 출력부;
각 영상 출력부에서 출력된 광을 각각 집속시키는 복수의 렌즈부; 및
외부로부터 입사되는 기 설정된 파장대역의 광을 각각의 이미지 생성부로 반사시키고, 입사되는 가시광 파장대역의 광 일부를 사용자의 각 동공으로 투과시키거나 반사시키며 나머지 일부를 상기 사용자의 동공이 위치한 방향 이외의 방향으로 투과시키거나 반사시키는 복수의 빔 스플리터를 포함하며,
각 이미지 생성부는 사용자의 동공간 거리만큼 떨어져 배치되는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.A plurality of image generators configured to generate an image of the affected area by respectively receiving light in a preset wavelength band reflected from the affected area;
A plurality of image output units respectively outputting light in a visible wavelength band corresponding to an image generated by each image generating unit;
A plurality of lens units respectively focusing light output from each image output unit; And
Reflects light in a preset wavelength band incident from the outside to each image generator, transmits or reflects part of the incident visible light wavelength band to each pupil of the user, and transmits the rest of the light in a direction other than the direction in which the pupil is located. It includes a plurality of beam splitters that transmit or reflect in the direction,
Each image generator is an augmented reality optical device, characterized in that the spaced apart by the pupil distance of the user.
상기 복수의 이미지 생성부는,
각 빔 스플리터의 중심에서 사용자의 각 동공까지의 거리만큼 각 빔 스플리터의 중심으로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.The method of claim 1,
The plurality of image generating units,
An augmented reality optical device, characterized in that the distance from the center of each beam splitter to each pupil of the user is separated from the center of each beam splitter.
상기 복수의 빔 스플리터는,
각각 외부로부터 입사되는 가시광 파장대역의 광에 대해서, 광의 일부를 상기 사용자의 동공으로 투과시키고, 나머지를 상기 상기 사용자의 동공이 위치한 방향 이외의 방향으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.The method of claim 1,
The plurality of beam splitters,
An augmented reality optical device, characterized in that, with respect to the light in the visible light wavelength band incident from the outside, a part of the light is transmitted to the pupil of the user and the rest is reflected in a direction other than the direction in which the pupil of the user is located.
상기 복수의 빔 스플리터는,
각각 렌즈부를 거친 가시광 파장대역의 광에 대해서, 광의 일부를 상기 사용자의 동공으로 반사시키고, 나머지를 상기 사용자의 동공이 위치한 방향 이외의 방향으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.The method of claim 1,
The plurality of beam splitters,
An augmented reality optical device, characterized in that for light in the visible light wavelength band passing through each lens unit, a part of the light is reflected to the pupil of the user, and the rest is transmitted in a direction other than the direction in which the pupil of the user is located.
상기 기 설정된 파장대역의 광은,
적외선 또는 자외선 파장대역인 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.The method of claim 1,
Light in the preset wavelength band,
Augmented reality optical device, characterized in that the infrared or ultraviolet wavelength band.
상기 복수의 이미지 생성부는,
적외선 또는 자외선 카메라인 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.The method of claim 5,
The plurality of image generating units,
Augmented reality optical device, characterized in that the infrared or ultraviolet camera.
상기 영상 출력부는,
외부로부터 출력할 증강현실 영상을 입력받아, 상기 증강현실 영상에 대응되는, 가시광 파장대역의 광을 추가로 출력하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.The method of claim 1,
The image output unit,
An augmented reality optical device, characterized in that receiving an augmented reality image to be output from the outside, and additionally outputting light in a visible wavelength band corresponding to the augmented reality image.
기 설정된 제1 방향으로 입사하는, 기 설정된 제1 파장대역의 광만을 반사시키며, 상기 기 설정된 파장대역 이외의 광을 투과시키는 제1 반사면; 및
기 설정된 제2 방향으로 입사하는, 기 설정된 제2 파장대역의 광 일부를 반사시키고, 나머지 일부를 투과시키는 제2 반사면
를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.In a beam splitter that transmits or reflects light incident in different directions,
A first reflective surface that reflects only light in a preset first wavelength band, incident in a preset first direction, and transmits light other than the preset wavelength band; And
A second reflective surface that reflects a part of light in a preset second wavelength band and transmits the remaining part of light incident in a preset second direction
Beam splitter comprising a.
상기 제1 반사면 및 제2 반사면은,
서로 상이한 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.The method of claim 8,
The first reflective surface and the second reflective surface,
Beam splitter, characterized in that arranged in different directions from each other.
상기 기 설정된 제1 방향과 기 설정된 제2 방향은,
서로 다른 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.The method of claim 8,
The preset first direction and preset second direction,
Beam splitter, characterized in that different.
상기 기 설정된 제1 파장대역은,
적외선 또는 자외선 파장대역인 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.The method of claim 8,
The preset first wavelength band is,
Beam splitter, characterized in that the infrared or ultraviolet wavelength band.
상기 기 설정된 제2 파장대역은,
가시광 파장대역인 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.The method of claim 8,
The preset second wavelength band is,
Beam splitter, characterized in that the visible light wavelength band.
환부로부터 반사되는 기 설정된 파장대역의 광을 수광하여 환부의 이미지를 생성하는 이미지 생성부;
상기 이미지 생성부로부터 생성된 이미지에 대응되는, 가시광 파장대역의 광을 출력하는 영상 출력부;
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 증강현실 광학장치;
상기 이미지 생성부, 상기 영상 출력부 및 상기 증강현실 광학장치의 동작을 제어하는 제어부; 및
상기 증강현실 장치 내 각 구성으로 전원을 공급하는 전원부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 증강현실 장치.In the medical augmented reality device,
An image generator configured to generate an image of the affected area by receiving light in a preset wavelength band reflected from the affected area;
An image output unit for outputting light in a visible wavelength band corresponding to the image generated by the image generating unit;
The augmented reality optical device of any one of claims 1 to 7;
A control unit for controlling operations of the image generating unit, the image output unit, and the augmented reality optical device; And
A power supply for supplying power to each component in the augmented reality device
Medical augmented reality device comprising a.
각 이미지 생성부로부터 생성된 이미지에 대응되는, 가시광 파장대역의 광을 각각 출력하는 복수의 영상 출력부;
각 영상 출력부에서 출력된 광을 각각 집속시키는 복수의 렌즈부;
외부로부터 입사되는 기 설정된 파장대역의 광을 각각의 이미지 생성부로 반사시키는 복수의 제1 빔 스플리터; 및
입사되는 가시광 파장대역의 광 일부를 사용자의 각 동공으로 투과시키거나 반사시키며 나머지 일부를 상기 사용자의 동공이 위치한 방향 이외의 방향으로 투과시키거나 반사시키는 복수의 제2 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.A plurality of image generators configured to generate an image of the affected area by respectively receiving light in a preset wavelength band reflected from the affected area;
A plurality of image output units respectively outputting light in a visible wavelength band corresponding to an image generated by each image generating unit;
A plurality of lens units respectively focusing light output from each image output unit;
A plurality of first beam splitters reflecting light of a preset wavelength band incident from the outside to each image generator; And
It includes a plurality of second beam splitters that transmit or reflect a part of light in the incident visible wavelength band to each pupil of the user, and transmit or reflect a part of the light in a direction other than the direction in which the pupil of the user is located. Augmented reality optical device.
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Legal Events
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---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |