KR20220006023A - Compact optical device for augmented reality using embedded collimator and negative refractive optical element - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용하여 아이박스(eyebox) 및 시야각(FOV)을 넓게 할 수 있으면서도 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical device for augmented reality, and more particularly, a compact augmented reality capable of reducing a form factor while widening an eyebox and a field of view (FOV) using a built-in collimator and a negative refractive optical element. It relates to an optical device for
증강 현실(AR, Augmented Reality)이라 함은, 주지된 바와 같이, 현실 세계의 실제 영상에 컴퓨터 등에 의해 제공되는 가상 영상을 겹쳐서 제공함으로써, 현실 세계의 시각 정보에서 확장된(augmented) 가상 영상 정보를 사용자에게 동시에 제공하는 기술을 의미한다.Augmented reality (AR, Augmented Reality) is, as is well known, by providing a virtual image provided by a computer or the like on top of a real image of the real world, augmented (augmented) virtual image information from visual information of the real world. It means technology that is simultaneously provided to users.
이러한 증강 현실을 구현하기 위한 장치는, 가상 영상을 현실 세계의 실제 영상과 동시에 관찰할 수 있도록 하는 광학 합성기(optical combiner)를 필요로 한다. 이러한 광학 합성기로서는, 반거울(half mirror) 방식과 홀로그래픽/회절 광학 소자(Holographic/Diffractive Optical Elements: HOE/DOE) 방식이 알려져 있다.An apparatus for implementing such augmented reality requires an optical combiner that allows a virtual image to be simultaneously observed with a real image in the real world. As such an optical synthesizer, a half mirror method and a holographic/diffractive optical element (HOE/DOE) method are known.
반거울 방식은, 가상 영상의 투과율이 낮다는 문제점과 넓은 시야각을 제공하기 위해 부피 및 무게가 증가하므로 편안한 착용감을 제공하기 어렵다는 문제점이 있다. 부피와 무게를 줄이기 위하여 복수개의 소형 반거울을 도파로(waveguide) 내부에 배치하는 이른바 LOE(Light guide Optical Element) 등과 같은 기술도 제안되고 있으나, 이러한 기술 또한 도파로 내부에서 가상 영상의 화상광이 반거울을 여러번 통과해야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하고 제조상의 오차로 인해 광균일도가 낮아질 수도 있는 한계가 있다.The semi-mirror method has problems in that the transmittance of the virtual image is low and the volume and weight increase to provide a wide viewing angle, so it is difficult to provide a comfortable fit. In order to reduce the volume and weight, a technology such as a so-called LOE (Light guide Optical Element) in which a plurality of small semi-mirrors are disposed inside a waveguide has been proposed, but these technologies also allow the image light of a virtual image inside the waveguide to be a semi-mirror. The manufacturing process is complicated because it has to pass through several times, and there is a limit that the light uniformity may be lowered due to manufacturing errors.
또한, 홀로그래픽/회절 광학 소자 방식은, 일반적으로 나노 구조 격자나 회절 격자를 사용하는데, 이들은 매우 정밀한 공정으로 제작되기 때문에 제작 단가가 높고 양산을 위한 수율이 낮다는 한계점을 갖는다. 또한 파장 대역 및 입사 각도에 따른 회절 효율의 차이로 인하여 색상 균일도 측면 및 영상의 선명도가 낮다는 한계점을 갖는다. 홀로그래픽/회절 광학 소자는, 전술한 LOE와 같은 도파로(waveguide)와 함께 사용되는 경우가 많은데, 따라서 마찬가지의 문제점도 여전히 가지고 있다.In addition, the holographic/diffraction optical device method generally uses a nano-structured grating or a diffraction grating, which has limitations in that the manufacturing cost is high and the yield for mass production is low because they are manufactured by a very precise process. In addition, due to a difference in diffraction efficiency according to a wavelength band and an incident angle, color uniformity and image sharpness are low. Holographic/diffractive optical elements are often used with waveguides such as the LOE described above, and thus still have the same problem.
또한, 종래의 광학 합성기들은, 사용자가 현실 세계를 응시할 때 초점 거리를 변경하는 경우 가상 영상의 초점이 맞지 않게 된다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절할 수 있는 프리즘을 이용하거나 전기적으로 초점 거리를 제어할 수 있는 가변형 초점 렌즈를 이용하는 기술이 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 기술 또한 초점 거리를 조절하기 위하여 사용자가 별도의 조작을 해야 하거나 초점 거리 제어를 위한 별도의 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다는 점에서 문제가 있다.In addition, conventional optical synthesizers have a limitation in that a virtual image becomes out of focus when a user changes a focal length when gazing at the real world. In order to solve this problem, a technique using a prism capable of adjusting a focal length for a virtual image or a variable focal lens capable of electrically controlling a focal length has been proposed. However, this technique also has a problem in that a user needs to perform a separate operation to adjust the focal length, or separate hardware and software for controlling the focal length are required.
이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 사람의 동공보다 작은 크기의 핀미러(pin mirror) 형태의 반사부를 이용하여 가상 영상을 동공을 통해 망막에 투영하는 기술을 개발한 바 있다(선행 기술 문헌 1 참조).In order to solve the problems of the prior art, the present applicant has developed a technology for projecting a virtual image onto the retina through the pupil using a pin mirror-shaped reflector having a size smaller than that of the human pupil ( See Prior Art Document 1).
도 1은 선행 기술 문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating an
도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10), 반사부(20) 및 화상 출사부(30)를 포함한다.The
광학 수단(10)은 실제 세계의 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광을 동공(40)으로 투과시키는 한편 반사부(20)에서 반사된 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 출사하는 기능을 수행하는 수단이다. 광학 수단(10) 내부에는 반사부(20)가 매립 배치되어 있다.The
광학 수단(10)은 예컨대 안경 렌즈와 같은 투명 수지(resin)재로 형성될 수 있으며, 안경테와 같은 프레임(미도시)에 의해 고정될 수 있다.The
화상 출사부(30)는 가상 영상 화상광을 출사하는 수단으로서, 가상 영상을 화면에 표시하고 표시된 가상 영상에 상응하는 가상 영상 화상광을 출사하는 마이크로 디스플레이 장치와 마이크로 디스플레이 장치(31)로부터 출사하는 화상광을 평행광으로 시준하기 위한 콜리메이터(collimator)를 구비할 수 있다.The
반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 반사시켜 사용자의 동공(40)을 향해 전달하는 수단이다.The
도 1의 반사부(20)는 사람의 동공보다 작은 크기로 형성된다. 사람의 일반적인 동공의 크기는 4~8mm 정도인 것으로 알려져 있으므로, 반사부(20)는 바람직하게는 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하의 크기로 형성한다. 이에 의해 반사부(20)를 통해 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 매우 깊게 할 수 있다. The
여기서, 심도(Depth of Field)라 함은, 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위를 말하는데, 심도가 깊어지면 그에 상응하여 가상 영상에 대한 초점 거리의 범위도 넓어진다. 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점이 항상 맞는 것으로 인식하게 된다. 이는 일종의 핀홀 효과(pinhole effect)라고 볼 수 있다. Here, the depth of field refers to a range recognized as being in focus. As the depth increases, the range of the focal length for the virtual image also expands correspondingly. Therefore, even if the user changes the focal length for the real world while gazing at the real world, the virtual image is always recognized as in focus regardless of the change. This can be seen as a kind of pinhole effect.
따라서, 반사부(20)를 동공(40)보다 작은 크기로 형성함으로써, 사용자가 실제 사물에 대한 초점 거리를 변경하더라도 사용자는 항상 선명한 가상 영상을 관찰할 수 있다.Accordingly, by forming the
한편, 본 출원인은 도 1과 같은 증강 현실용 광학 장치(100)의 기본 원리에 기초하여 복수개의 반사부 및 내장 콜리메이터를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(200)를 개발한 바 있다(선행 기술 문헌 2 참조).Meanwhile, the present applicant has developed a compact
도 2 내지 도 4는 선행 기술 문헌 2에 개시된 바와 같은 기술에 기초한 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.2 to 4 are views showing an
도 2 내지 도 4의 증강 현실용 광학 장치(200)는 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 기본적인 원리는 동일하되, 시야각 및 아이박스를 넓힐 수 있도록 반사부(20)가 복수개의 반사 모듈(21~29)로 구성되어 어레이(array) 형태로 광학 수단(10) 내부에 배치된다는 점과, 콜리메이터(80)를 광학 수단(10) 내부에 배치하여 화상 출사부(30)에서 출사한 가상 영상 화상광은 콜리메이터(80)에 의해 반사 모듈(21~29)들로 전달된다는 점에서 차이가 있다.The
이와 같이 콜리메이터(80)를 광학 수단(10) 내부에 배치함으로써, 도 2 내지 도 4의 증강 현실용 광학 장치(200)는 도 1과는 달리 화상 출사부(30)에 콜리메이터를 포함할 필요가 없으며, 화상 출사부(30)는 마이크로 디스플레이 장치만으로 구성할 수 있다.By disposing the
도 2 내지 도 4의 증강 현실용 광학 장치(200)에서는, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사된 후 콜리메이터(80)로 전달되고, 콜리메이터(80)에서 반사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 다시 전반사되어 복수개의 반사 모듈(21~29)로 전달되고, 복수개의 반사 모듈(21~29)들은 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 동공(40)으로 전달한다.In the
이러한 증강 현실용 광학 장치(200)는 넓은 시야각을 제공하고 광효율을 개선하는 한편, 화상 출사부(30)에 콜리메이터를 사용하지 않고 광학 수단(10) 내부에 내장 콜리메이터(80)를 사용하기 때문에 장치의 전체적인 크기, 두께, 무게 및 부피를 줄일 수 있다는 장점이 있다. Since the
한편, 이러한 구성의 증강 현실용 광학 장치(200)에서의 가로 방향(x축 방향)의 아이박스(eyebox)는 콜리메이터(80)의 가로 방향의 길이에 의존한다. On the other hand, the eyebox in the horizontal direction (x-axis direction) in the
도 5 및 도 6은 증강 현실용 광학 장치(200)의 가로 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 증강 현실용 광학 장치(200)의 평면도이고, 도 6은 도 5에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.5 and 6 are views for explaining a horizontal eye box of the
도 5 및 도 6에서, 화상 출사부(30)에 3개의 점(A,B,C)에서 출사한 가상 영상 화상광은 콜리메이터(80) 및 반사부(20)를 거쳐 동공(40)으로 전달되며, 이들이 겹치는 영역을 빗금으로 나타내었다. 이 빗금으로 나타낸 겹침 영역이 x-z 평면의 최대 아이박스 영역에 해당한다.5 and 6 , the virtual image image light emitted from the three points A, B, and C to the
이 때, 가로 방향(x축 방향)의 아이박스의 길이는 d2이고, 이는 삼각형의 비례식에 의해 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.At this time, the length of the eye box in the horizontal direction (x-axis direction) is d2, which can be expressed by the following equation by the proportional expression of the triangle.
d2 = d1-2(y1+y2)tan(FOV/2) d2 = d1-2(y1+y2)tan(FOV/2)
여기에서, d1은 콜리메이터(80)의 길이이며, FOV는 시야각이다. 또한, y1은 콜리메이터(80)에서 출사 동공(exit pupil) 즉, 반사부(20)까지의 거리이고, y2는 반사부(20)에서 동공(40)까지의 거리 즉, 아이릴리프(eye relief)이다.Here, d1 is the length of the
y1과 y2는 고정된 값이므로, 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)는 콜리메이터(80)의 길이(d1)에 따라 결정됨을 알 수 있다.Since y1 and y2 are fixed values, it can be seen that the length d2 of the eye box in the horizontal direction is determined according to the length d1 of the
이는 증강 현실용 광학 장치(200)에서 가로 방향의 아이박스를 넓히기 위해서는 콜리메이터(80)의 길이를 길게 해야 한다는 것을 의미한다. 그러나, 콜리메이터(80)의 길이가 길수록 설계가 복잡해지고 제조 공정 또한 복잡해진다는 문제가 있다. 또한, 콜리메이터(80)의 길이가 길어질수록 고스트 이미지가 발생할 확률이 높아지고 실제 사물 화상광을 차단할 확률도 높아진다는 문제가 있다. 또한, 외관상으로도 두드러지기 때문에 심미감도 좋지 않다. 따라서, 콜리메이터(80)의 길이를 가능한 한 최소화시킬 필요가 있다.This means that the length of the
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로서, 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용하여 아이박스(eyebox) 및 시야각(FOV)을 넓게 할 수 있으면서도 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the above problems, and by using a built-in collimator and a negative refractive optical element, an eyebox and a field of view (FOV) can be widened while reducing a form factor. Optics for compact augmented reality The purpose is to provide a device.
또한, 본 발명은 원하는 아이박스 및 시야각을 얻기 위하여 광학 수단에 내장되는 콜리메이터의 길이를 조절함으로써 설계 및 제조 공정을 단순화시킬 수 있으며, 고스트 이미지의 발생을 최소화하고 실제 사물 화상광의 전달 효율을 높일 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention can simplify the design and manufacturing process by adjusting the length of the collimator built into the optical means to obtain a desired eye box and viewing angle, and can minimize the occurrence of ghost images and increase the transmission efficiency of real object image light. Another object of the present invention is to provide an optical device for augmented reality.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자; 상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자로 전달하는 제2 광학 소자; 상기 제2 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제3 광학 소자; 및 상기 제1 광학 소자, 제2 광학 소자 및 제3 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 제3 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides an optical device for compact augmented reality using a negative refractive optical element, which converts virtual image image light emitted from an image output unit into collimated collimated light into a second optical element. a first optical element that transmits; a second optical element transmitting the virtual image image light transmitted from the first optical element to a third optical element; The virtual image image light transmitted from the second optical element is transmitted toward the pupil of the user's eye to provide a virtual image to the user, and the real object image light emitted from the object in the real world is transmitted to the pupil of the user's eye. a third optical element that transmits; and optical means in which the first optical element, the second optical element, and the third optical element are disposed, and transmits the real object image light emitted from the real object toward the pupil of the user's eye, wherein the third The optical element provides an optical device for augmented reality, characterized in that it is a negative refractive optical element that refracts virtual image image light in a direction symmetrical with respect to the normal line of the emitting surface and the refraction direction of light having a positive refractive index.
여기에서, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 광학 소자로 직접 전달되거나, 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 제1 광학 소자로 전달될 수 있다.Here, the virtual image image light emitted from the image output unit is transmitted directly to the first optical element through the inside of the optical means, or is totally reflected at least once on the inner surface of the optical means and then the first optical element can be transmitted to
또한, 상기 제1 광학 소자에서 시준된 평행광으로 변환된 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 제2 광학 소자로 전달될 수 있다.In addition, the virtual image image light converted into collimated collimated light in the first optical element may be transmitted directly to the second optical element or may be totally reflected at least once on the inner surface of the optical means and then transferred to the second optical element. .
또한, 상기 광학 수단은 상기 제3 광학 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지며, 상기 제1 광학 소자는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단이고, 상기 제1 광학 소자의 반사면은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치될 수 있다.In addition, the optical means includes a first surface through which the virtual image image light and the real object image light transmitted through the third optical element are emitted toward the user's pupil, and the first surface opposite the first surface and the real object image light is incident wherein the first optical element is a reflective means for reflecting and emitting incident virtual image image light, and the reflective surface of the first optical element reflects the first surface or the second surface of the optical means. It can be arranged to face.
또한, 상기 제1 광학 소자의 반사면은 오목하게 형성된 곡면일 수 있다.In addition, the reflective surface of the first optical element may be a concave curved surface.
또한, 상기 제1 광학 소자는, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다.In addition, the first optical element may be formed to extend closer to the image output unit toward the left and right ends from the central portion when the optical means is viewed from the pupil in the front direction.
또한, 상기 제2 광학 소자는 상기 광학 수단의 내부에 매립 배치될 수 있다.In addition, the second optical element may be disposed to be embedded in the optical means.
또한, 상기 제2 광학 소자는, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 광학 모듈들로 구성될 수 있다.In addition, the second optical element may be composed of a plurality of optical modules arranged in a matrix form when viewed from the front.
또한, 상기 제2 광학 소자는 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단일 수 있다.In addition, the second optical element may be a reflection means for reflecting the incident virtual image image light and emitting it.
또한, 상기 제3 광학 소자는, 사용자가 광학 수단을 바라볼 때 가로 방향으로 입사광을 굴절시키는 것일 수 있다.Also, the third optical element may refract incident light in a horizontal direction when the user looks at the optical means.
또한, 상기 제3 광학 소자는, 상기 제2 광학 소자와 사용자의 눈의 동공 사이에서 광학 수단에 배치될 수 있다.In addition, the third optical element may be disposed in the optical means between the second optical element and the pupil of the user's eye.
또한, 상기 광학 수단은 상기 제3 광학 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지며, 상기 제3 광학 소자는 상기 광학 수단의 제1 면의 안쪽 면 또는 바깥쪽 면에 배치되거나, 상기 제2 광학 소자와 상기 광학 수단의 제2 면 사이에 배치될 수 있다.In addition, the optical means includes a first surface through which the virtual image image light and the real object image light transmitted through the third optical element are emitted toward the user's pupil, and the first surface opposite the first surface and the real object image light is incident The third optical element may be disposed on an inner surface or an outer surface of the first surface of the optical means, or disposed between the second optical element and the second surface of the optical means. .
또한, 사용자의 눈의 동공에서 관찰되는 가로 방향의 아이박스의 길이를 d2라고 할 때, 상기 제1 광학 소자의 가로 방향의 길이(d1)는 d1 = d2+2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)의 수식에 의해 계산(여기에서, FOV는 시야각, y1은 제1 광학 소자에서 제2 광학 소자까지의 거리, y2는 제2 광학 소자에서 동공까지의 거리임)될 수 있다.In addition, when the length of the eye box in the horizontal direction observed from the pupil of the user's eye is d2, the length d1 in the horizontal direction of the first optical element is d1 = d2+2ABS(y1-y2)tan(FOV) /2) (where FOV is the viewing angle, y1 is the distance from the first optical element to the second optical element, and y2 is the distance from the second optical element to the pupil).
또한, 상기 제2 광학 소자는 회절 소자일 수 있다.In addition, the second optical element may be a diffractive element.
또한, 상기 제2 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자일 수 있다.In addition, the second optical element may be a reflective diffractive element or a transmissive diffractive element.
또한, 상기 제2 광학 소자는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)일 수 있다.In addition, the second optical element may be a holographic optical element (HOE).
또한, 상기 제2 광학 소자는 단일 평면으로 형성된 회절 소자일 수 있다.In addition, the second optical element may be a diffractive element formed in a single plane.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자; 상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달하고, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제2 광학 소자; 및 상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 제2 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, as an optical device for compact augmented reality using a negative refractive optical element, the first optical converts the virtual image image light emitted from the image output unit into collimated parallel light and transmits it to the second optical element. device; a second optical element that transmits the virtual image image light transmitted from the first optical element to the pupil of the user's eye, and transmits the real object image light emitted from the object in the real world to the pupil of the user's eye; and optical means in which the first optical element and the second optical element are disposed, and transmitting the real object image light emitted from the real object toward the pupil of the user's eye, wherein the second optical element comprises: It provides an optical device for augmented reality, characterized in that it is a negative diffractive element that refracts the virtual image image light in a direction symmetrical to the refraction direction of light having a refractive index of , and the normal to the exit surface.
본 발명에 의하면, 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용하여 아이박스(eyebox) 및 시야각(FOV)을 넓게 할 수 있으면서도 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an optical device for compact augmented reality capable of reducing a form factor while widening an eyebox and a field of view (FOV) by using a built-in collimator and a negative refractive optical element.
또한, 본 발명은 원하는 아이박스 및 시야각을 얻기 위하여 광학 수단에 내장되는 콜리메이터의 길이를 조절함으로써 설계 및 제조 공정을 단순화시킬 수 있으며, 고스트 이미지의 발생을 최소화하고 실제 사물 화상광의 전달 효율을 높일 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can simplify the design and manufacturing process by adjusting the length of the collimator built into the optical means to obtain a desired eye box and viewing angle, and can minimize the occurrence of ghost images and increase the transmission efficiency of real object image light. It is possible to provide an optical device for augmented reality.
도 1은 선행 기술 문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 선행 기술 문헌 2에 개시된 바와 같은 기술에 기초한 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.
도 5 및 도 6은 증강 현실용 광학 장치(200)의 가로 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 증강 현실용 광학 장치(200)의 평면도이고, 도 6은 도 5에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300)의 일실시예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 사시도, 도 8은 정면도, 도 9는 측면도이다.
도 10은 음굴절 광학 소자의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 광학 장치(300)의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(300)의 평면도에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 12는 음굴절 상수에 따른 음굴절 현상을 나타낸 것이다.
도 13 및 도 14는 음굴절 상수에 따른 시야각의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)의 측면도를 나타낸 것이다.1 is a diagram illustrating an
2 to 4 are views showing an
5 and 6 are views for explaining a horizontal eye box of the
7 to 9 are views for explaining an embodiment of an
10 is a view for explaining the principle of a negative refractive optical element.
11 is a diagram for explaining an eye box of the
12 shows the negative refraction phenomenon according to the negative refractive constant.
13 and 14 are diagrams for explaining a change in a viewing angle according to a negative refractive constant.
15 is a side view of an
16 is a side view of an
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300)의 일실시예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 사시도, 도 8은 정면도, 도 9는 측면도이다.7 to 9 are views for explaining an embodiment of an
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예의 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300, 이하 간단히 "광학 장치(300)"라 한다)는, 광학 수단(10), 제1 광학 소자(80), 제2 광학 소자(20) 및 제3 광학 소자(50)를 포함한다.7 to 9, the
광학 수단(10)은 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 수단이다. 또한, 광학 수단(10) 내부에는 제1 광학 소자(80), 제2 광학 소자(20) 및 제3 광학 소자(50)가 배치된다.The optical means 10 transmits the real object image light emitted from the real world object to the
광학 수단(10)은 제3 광학 소자(50)를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공(40)을 향해 출사되는 제1 면(11)과, 상기 제1 면(11)에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면(12)을 갖는다.The optical means 10 includes a
또한, 광학 수단(10)은 가상 영상 화상광이 입사하는 면인 제3 면(13)과 상기 제3 면(13)에 대향하는 면인 제4 면(14)을 포함할 수 있다.In addition, the optical means 10 may include a
화상 출사부(30)는, 가상 영상(virtual image)을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단이다. 본 발명에서 콜리메이터의 기능은 후술하는 바와 같이 광학 수단(10)에 내장되는 제1 광학 소자(80)에 의해 수행되기 때문에, 화상 출사부(30)는, 소형의 LCD, OLED, LCoS, 마이크로 LED 등과 같이 종래 알려져 있는 마이크로 디스플레이 장치로 구현될 수 있다.The
여기에서, 가상 영상이란 증강 현실용 화상을 의미하며, 이미지 또는 동영상일 수 있다. 이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.Here, the virtual image means an image for augmented reality, and may be an image or a moving picture. Since the
도 7 내지 도 9의 광학 장치(300)에서는, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 제1 광학 소자(80)로 전달되는 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 광학 수단(10)의 내면에서의 전반사 없이 제1 광학 소자(80)로 직접 전달될 수 있다. 또한, 광학 수단(10)의 내면에서 2회 이상 전반사되어 제1 광학 소자(80)로 전달될 수도 있음은 물론이다.In the
또한, 도 7 내지 도 9에서, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 상면 즉, 제3 면(13) 위쪽에 배치된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 기타 다른 위치에 배치될 수도 있음은 물론이다.In addition, in FIGS. 7 to 9 , the
또한, 도 7 내지 도 9에서, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 제3 면(13)과 이격되어 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며 제3 면(13)과 접촉하도록 배치될 수도 있음은 물론이다.In addition, in FIGS. 7 to 9 , the
제1 광학 소자(80)는, 입사하는 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자(20)로 전달하는 기능을 수행한다. 따라서, 제1 광학 소자(80)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 시준된 평행광 또는 초점 거리가 의도된 화상광이다.The first
제1 광학 소자(80)는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시키면서 시준된 평행광으로 출사하는 반사 수단으로 구현될 수 있다. 예컨대, 금속재 등과 같이 100% 또는 100%에 거의 근접하는 높은 반사율을 갖는 재질로 제1 광학 소자(80)를 형성할 수 있다.The first
제1 광학 소자(80)는, 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(30)와 대향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다. The first
도 9에 나타난 바와 같이, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 가상 영상 화상광을 출사하고, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 가상 영상 화상광은 제1 광학 소자(80)로 전달된다. 그리고, 제1 광학 소자(80)에서 시준된 평행광으로 변환되어 출사한 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 다시 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달된다. 제2 광학 소자(20)는 입사하는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자(50)를 통해 동공(40)으로 전달한다.As shown in FIG. 9 , the
따라서, 제1 광학 소자(80)는, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 입사하는 가상 영상 화상광을 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사하고 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 증강 현실 화상광이 제2 광학 소자(20)로 전달될 수 있도록, 화상 출사부(30), 제2 광학 소자(20), 제3 광학 소자(50) 및 동공(40)의 상대적인 위치를 고려하여 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 광학 수단(10)의 내부의 적절한 위치에 배치된다.Accordingly, the first
이를 위하여, 도 7 내지 도 9의 실시예에서는, 제1 광학 소자(80)는 가상 영상 화상광을 반사시키는 제1 광학 소자(80)의 반사면(81)이 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.To this end, in the embodiment of FIGS. 7 to 9 , in the first
여기에서, 상기 반사면(81)의 중심으로부터 수직 방향으로의 직선과 광학 수단(10)의 제2 면(12)은 서로 평행하지 않도록 경사지게 배치될 수 있다.Here, a straight line in a vertical direction from the center of the
이러한 배치 구조에 의하면, 제1 광학 소자(80)가 가상 영상 화상광을 제2 면(12)을 향하도록 출사하는 한편, 실제 사물로부터 출사되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 잡광이 동공(40) 쪽으로 전달되는 것을 차단할 수 있다는 장점이 있다.According to this arrangement structure, the first
다만, 이는 예시적인 것이며, 제1 광학 소자(80)의 반사면(81)이 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치될 수도 있음은 물론이다.However, this is an example, and the
한편, 제1 광학 소자(80)의 반사면(81)은 곡면으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 광학 소자(80)의 반사면(81)은 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이 광학 수단(10)의 제2 면(12) 방향으로 오목하게 형성된 오목 거울일 수 있다. 이러한 구성에 의하여 제1 광학 소자(80)는 광학 수단(10)에 내장되어 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광을 시준시키는 내장 콜리메이터(collimator)로서의 역할을 수행할 수 있고, 따라서 화상 출사부(30)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용할 필요가 없다.Meanwhile, the
또한, 제1 광학 소자(80)는, 사용자가 가급적 인식할 수 없도록 하기 위하여 사용자가 동공(40)을 통해 정면을 바라 보았을 때의 두께가 얇게 보이도록 하는 것이 바람직하다.In addition, in order to prevent the user from recognizing the first
한편, 제1 광학 소자(80)는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.Meanwhile, the first
또한, 제1 광학 소자(80)는 반사 수단 이외의 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성하거나, 이들 중 적어도 하나의 조합으로 형성할 수도 있다.In addition, the first
또한, 제1 광학 소자(80)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.Also, the first
또한, 제1 광학 소자(80)의 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사면(81)의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.In addition, the opposite surface of the
한편, 제1 광학 소자(80)는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 동공(40)에서 정면 방향으로 광학 수단(10)을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부(30)에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 제1 광학 소자(80)는, 정면에서 바라볼 때 전체적으로 완만한 "U"자의 바(bar) 형태로 형성될 수 있다. 이에 의하여, 제1 광학 소자(80)의 콜리메이터로서의 기능이 향상될 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 8 , when the optical means 10 is viewed from the
제2 광학 소자(20)는, 제1 광학 소자(80)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자(50)로 전달하는 기능을 수행한다.The second
제2 광학 소자(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다. 즉, 제2 광학 소자(20)는 광학 수단(10)의 제1 면(11), 제2 면(12), 제3 면(13) 및 제4 면(14)과 각각 이격되어 광학 수단(10)의 내부 공간에 배치된다.The second
제2 광학 소자(20)는, 시야각을 넓히기 위하여, 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 광학 모듈들로 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 제2 광학 소자(20)는 복수개의 광학 모듈들 전체를 통칭하여 부르는 것으로 한다.The second
제2 광학 소자(20)는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단인 것이 바람직하다. 예컨대, 금속재 등과 같이 100% 또는 100%에 거의 근접하는 높은 반사율을 갖는 재질로 제2 광학 소자(20)를 형성할 수 있다.It is preferable that the second
도 7 내지 도 9의 광학 장치(300)에서는, 전술한 바와 같이, 제1 광학 소자(80)에서 출사한 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달된다.In the
따라서, 제2 광학 소자(20)를 구성하는 복수개의 광학 모듈들은 이러한 광 경로에 따라 입사하는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자(50)로 전달할 수 있도록 광학 수단(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12)에 대해 적절한 경사각을 가지도록 배치된다. Accordingly, the plurality of optical modules constituting the second
제2 광학 소자(20)를 구성하는 복수개의 광학 모듈들 각각은, 앞서 설명한 바와 같이, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과(pinhole effect)를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성하는 것이 바람직하다.As described above, each of the plurality of optical modules constituting the second
이에 의하여, 광학 모듈들에 의해 제3 광학 소자(50)를 거쳐 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 심도를 매우 깊게 할 수 있고, 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 하는 핀홀 효과(pinhole effect)를 발생시킬 수 있다.Thereby, the depth of field for light incident to the
여기에서, 각각의 광학 모듈의 크기라 함은, 각 광학 모듈의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.Here, the size of each optical module is defined as meaning the maximum length between any two points on the edge boundary of each optical module.
또한, 각각의 광학 모듈의 크기는, 동공(40)과 광학 모듈 사이의 직선에 수직하면서 동공(40)의 중심을 포함하는 평면에 각 광학 모듈을 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.In addition, the size of each optical module is determined between any two points on the edge boundary of the orthographic projection that is perpendicular to the straight line between the
다만, 광학 모듈들의 크기가 지나치게 작은 경우에는 회절(diffraction) 현상이 커지기 때문에, 광학 모듈들의 크기는 적어도 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다. However, since a diffraction phenomenon increases when the size of the optical modules is too small, it is preferable that the size of the optical modules be larger than at least 0.3 mm.
또한, 광학 모듈들 각각의 형상은 원형일 수 있다.Also, the shape of each of the optical modules may be circular.
또한, 동공(40)에서 광학 모듈들을 바라보았을 때 원형으로 보이도록 광학 모듈들을 타원형으로 형성할 수도 있다.In addition, the optical modules may be formed in an elliptical shape so that the optical modules appear circular when viewed from the
한편, 복수개의 광학 모듈들 각각은, 제1 광학 소자(80)로부터 전달되는 가상 영상 화상광이 다른 광학 모듈들에 의해 차단되지 않도록 배치되는 것이 바람직하다. 복수개의 광학 모듈들은 도 9에 나타낸 바와 같이 광학 장치(300)를 측면에서 보았을 때 수직선상에 일렬로 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 사선이나 기타 완만한 곡선 형태로 배치될 수도 있음은 물론이다.Meanwhile, each of the plurality of optical modules is preferably arranged so that the virtual image image light transmitted from the first
또한, 제2 광학 소자(20)는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 정면에서 보았을 때 각 열(column)의 높이가 순차적으로 엇갈리는 행렬 형태로 배치될 수 있으나, 이 또한 예시적인 것이며, 각 열의 높이를 모두 동일하게 하거나 일부 열만의 높이만을 동일하게 하는 등 기타 다른 형태로 배치할 수도 있음은 물론이다.In addition, as shown in FIG. 8 , the second
한편, 제2 광학 소자(20)는, 빛을 부분적으로 반사시키고 부분적으로 투과시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.Meanwhile, the second
또한, 제2 광학 소자(20)는 굴절 소자(Refractive Optical Element), 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element, DOE) 및 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE) 중 어느 하나로 형성될 수도 있다.In addition, the second
또한, 제2 광학 소자(20)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.In addition, the second
또한, 제2 광학 소자(20)는 빛을 편광시켜 출사하는 편광 필터로 구성할 수도 있다.Also, the second
다음으로, 제3 광학 소자(50)에 대해 설명한다.Next, the third
제3 광학 소자(50)는 제2 광학 소자(20)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 기능을 수행한다. 또한, 제3 광학 소자(50)는 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 기능도 수행한다.The third
제3 광학 소자(50)는 제2 광학 소자(20)와 동공(40) 사이에서 광학 수단(10)에 배치된다. 도 7 내지 도 9에서는, 제3 광학 소자(50)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 안쪽 면에 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 바깥쪽 면에 배치될 수도 있음은 물론이다. 또한, 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 안쪽 면과 이격되어 배치될 수도 있다.The third
또한, 제3 광학 소자(50)는 제2 광학 소자(20)와 광학 수단(10)의 제2 면(12) 사이에 배치될 수도 있다.In addition, the third
도 7 내지 도 9의 실시예에서 제3 광학 소자(50)는 정면에서 보았을 때 직사각형의 평면 형상으로 형성된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 원형, 타원형 등 기타 다른 형태로 형성될 수도 있음은 물론이다.7 to 9, the third
또한, 제3 광학 소자(50)는 단일 평면으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 좌우 방향(z축 방향)으로 거의 공간을 차지하지 않기 때문에 광학 수단(10) 및 광학 장치(300)의 폼 팩터를 작게 유지할 수 있다.Also, the third
한편, 본 발명에서, 제3 광학 소자(50)는 음굴절 광학 소자(negative refractive optical element)인 것을 특징으로 한다.Meanwhile, in the present invention, the third
음굴절 광학 소자란, 양의 굴절률(positive refractive index)을 갖는 일반적인 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 입사광을 굴절시키는 광학 소자를 의미한다. The negative refractive optical element refers to an optical element that refracts incident light in a direction symmetrical to a normal refraction direction of light having a positive refractive index and a normal line of an exit surface.
여기에서, 일반적인 빛의 굴절 방향이란 스넬의 법칙(Snell's law)에 따르는 굴절 방향을 의미한다.Here, the general direction of refraction of light means a direction of refraction according to Snell's law.
도 10은 음굴절 광학 소자의 원리를 설명하기 위한 도면이다.10 is a view for explaining the principle of a negative refractive optical element.
도 10을 참조하면, 입사광(Li)은 굴절률 n1인 매질 1에서 굴절률 n2인 매질 2로 입사한다. 입사광(Li)은 출사면(x)의 법선(z)에 대해 θ1의 각도를 갖는다. Referring to FIG. 10 , the incident light L i is incident from the medium 1 having the refractive index n 1 to the medium 2 having the refractive index n 2 . The incident light L i has an angle of θ 1 with respect to the normal z of the exit surface x.
이 때, 스넬의 법칙에 따라 일반적인 양의 굴절률을 갖는 굴절 방향을 가지고 출사면(x)에서 출사하는 빛(L1)은 출사면(x)의 법선(z)에 대해 θ2p의 각도를 갖는다.At this time, according to Snell's law, light (L 1 ) emitted from the exit surface (x) with a refraction direction having a general positive refractive index has an angle of θ 2p with respect to the normal line (z) of the exit surface (x) .
한편, 빛(L2)은 출사면(x)의 법선(z)에 대해 θ2n의 각도를 가지며 굴절되어 출사하는데 이는 출사면(x)의 법선(z)에 대해 빛(L1)과 대칭이다. 즉, θ2p와 θ2n은 크기가 같고 방향이 법선(z)를 중심으로 반대인 각도를 이룬다.On the other hand, light (L 2 ) has an angle of θ 2n with respect to the normal (z) of the exit surface (x) and is refracted and emitted, which is symmetric with the light (L 1 ) with respect to the normal (z) of the exit surface (x). to be. That is, θ 2p and θ 2n are the same in magnitude and form opposite angles with respect to the normal (z).
이와 같이 입사광(Li)을 양의 굴절률을 갖는 일반적인 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 굴절시키는 현상을 음굴절 현상이라 하고, 이러한 음굴절 현상을 발생시키는 광학 소자를 음굴절 광학 소자라 한다.In this way, the phenomenon of refracting incident light (L i ) in a direction symmetrical with respect to the normal line of the exit surface and the refraction direction of general light having a positive refractive index is called a negative refraction phenomenon, and the optical element that generates such negative refraction is negative. It is called a refractive optical element.
이를 스넬의 법칙에 따라 표현하면 다음과 나타낼 수 있다.According to Snell's law, this can be expressed as follows.
() ( )
() ( )
여기에서, 매질 2와 매질 1의 굴절률 비율(n2/n1)을 n이라 하면, 상기 수식은 다음과 같이 표현될 수 있다.Here, if the refractive index ratio (n 2 /n 1 ) of the medium 2 and the
() ( )
() ( )
여기에서, 0보다 작을 때의 n을 음굴절 상수라고 정의할 수 있다.Here, n when less than 0 may be defined as a negative refractive constant.
이러한 음굴절 광학 소자는 특정 파장 대역에서 음의 굴절률을 갖는 메타 물질로 형성될 수 있다. 또한, 음굴절 광학 소자는 마이크로 미러의 어레이로도 형성될 수 있다.Such a negative refractive optical element may be formed of a meta material having a negative refractive index in a specific wavelength band. Also, the negative refractive optical element may be formed as an array of micromirrors.
또한, 도 10은 음굴절의 원리를 나타내기 위해서 x축을 경계로 매질의 굴절률 차이에 따른 음굴절 현상을 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 음굴절 소자는 주위 매질의 굴절률과 상관 없이 그 자체의 음굴절 상수를 가질 수 있어서 입사된 빛을 음의 방향으로 음굴절 상수에 따라 내보낼 수도 있다. In addition, FIG. 10 shows the negative refraction phenomenon according to the difference in the refractive index of the medium with the x-axis as the boundary to show the principle of negative refraction, but this is an example and the negative refraction element has its own negative refraction regardless of the refractive index of the surrounding medium. Since it can have a constant, the incident light can be emitted in a negative direction according to the negative refractive constant.
본 발명에서는 사용자가 광학 수단(10)을 바라 보았을 때의 가로 방향 즉, 도 7 내지 도 9에서의 x축 방향으로의 음굴절 현상을 이용하기 때문에 입사광(Li)에 대해 x축 방향으로만 음굴절 현상을 나타내는 음굴절 광학 소자를 사용한다.In the present invention, since the negative refraction phenomenon in the horizontal direction when the user looks at the optical means 10, that is, in the x-axis direction in FIGS. 7 to 9 is used, only in the x-axis direction with respect to the incident light L i . A negative refractive optical element exhibiting negative refraction is used.
도 11은 광학 장치(300)의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(300)의 평면도에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.11 is a diagram for explaining an eye box of the
도 11과 도 6을 비교해 보면, 도 11은 도 6과 동일하되 제3 광학 소자(50)가 추가로 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다. Comparing FIGS. 11 and 6 , FIG. 11 is the same as FIG. 6 except that the third
도 11에 나타낸 바와 같이, 음굴절 광학 소자인 제3 광학 소자(50)가 배치되어 있기 때문에 제3 광학 소자(50)로 입사하는 가상 영상 화상광은 전술한 바와 같은 x축 방향으로의 음굴절 현상으로 인하여 x-z 평면에서 양의 굴절률을 갖는 방향과 대칭되는 방향으로 굴절된다. 따라서, 도 11과 같은 아이박스 영역을 얻을 수 있다.11, since the third
도 11에서, 광학 장치(300)의 x-z 평면의 전체 아이박스 영역은 빗금으로 나타낸 영역이고, 가로 방향(x축 방향)의 아이박스 길이는 d2이다. 여기에서, 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.In FIG. 11 , the entire eye box area in the x-z plane of the
d2 = d1-2ABS(y1-y2)tan(FOV/2) d2 = d1-2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)
여기에서, d1은 제1 광학 소자(80)의 길이이며, FOV는 시야각을 나타낸다. 또한, y1은 제1 광학 소자(80)에서 출사 동공(exit pupil) 즉, 제2 광학 소자(20)까지의 거리이고, y2는 제2 광학 소자(20)에서 동공(40)까지의 거리 즉, 아이릴리프(eye relief)이다. 또한, ABS는 절대값 기호를 나타낸다.Here, d1 is the length of the first
이러한 수식을 도 5 및 도 6에서 설명한 수식과 비교해 보면, 동일한 제1 광학 소자(80)의 길이(d1)에 대해서 음굴절 광학 소자를 사용한 도 11의 경우에 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)를 더 크게 할 수 있다는 것을 의미한다. Comparing this equation with the equations described with reference to FIGS. 5 and 6 , in the case of FIG. 11 using a negative refractive optical element with respect to the length d1 of the same first
또한, 원하는 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)를 얻기 위해서 음굴절 광학 소자를 사용하지 않는 도 6의 경우에 비해서 보다 작은 길이의 제1 광학 소자(80)를 채택할 수 있음을 의미한다. In addition, it means that the first
이 경우, 제1 광학 소자(80)의 가로 방향의 길이(d1)는 다음과 같은 수식에 의해 계산할 수 있다.In this case, the length d1 in the horizontal direction of the first
d1 = d2 + 2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)d1 = d2 + 2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)
따라서, 이러한 음굴절 광학 소자를 제3 광학 소자(50)로 사용함으로써, 동일한 아이박스 영역을 유지하면서도 제1 광학 소자(80)의 길이를 작게 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 동일한 제1 광학 소자(80)의 길이를 유지하는 경우 음굴절 광학소자를 사용함으로써 더 넓은 아이박스 영역을 얻을 수 있다는 장점이 있다.Accordingly, by using the negative refractive optical element as the third
따라서, 광학 장치(300)의 가로 방향의 아이박스 및 시야각(FOV)을 증가시킬 수 있으므로 광학 장치(300)의 전체적인 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있다.Accordingly, since the eye box and the field of view (FOV) in the horizontal direction of the
도 12는 음굴절 상수에 따른 음굴절 현상을 나타낸 것이다.12 shows the negative refraction phenomenon according to the negative refraction constant.
도 12에 나타낸 바와 같이, 음굴절 상수(n)에 따라 입사광(Li)이 서로 다른 각도를 가지고 출사됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 12 , it can be seen that the incident light L i is emitted at different angles according to the negative refractive constant n.
여기에서, n은 앞서 설명한 바와 같은 음굴절 상수이며, n이 -1보다 작은 경우 굴절각(θ2)은 입사각(θ1)보다 크기가 작아지고, n이 -1인 경우 굴절각(θ2)은 입사각(θ1)과 크기가 같다. 또한, n이 -1보다 크고 0보다 작은 경우에는 굴절각(θ2)은 입사각(θ1)보다 크기가 커진다.Here, n is a negative refractive constant, as described above, n is less than -1 refraction angle (θ 2) is an incident angle is smaller than the size (θ 1), when n is -1 refraction angle (θ 2) is It has the same magnitude as the incident angle (θ 1 ). In addition, when n is greater than -1 and less than 0, the refraction angle θ 2 is greater than the incident angle θ 1 .
도 13 및 도 14는 음굴절 상수에 따른 시야각의 변화를 설명하기 위한 도면이다.13 and 14 are diagrams for explaining a change in a viewing angle according to a negative refractive constant.
도 13은 음굴절 상수 n=-1인 경우로서, 이 때의 아이박스에서의 시야각(FOV,θ2)은 화상 출사부(30)와 제1 광학 소자(80) 사이의 시야각(θ1)과 같다.13 is a case in which the negative refraction constant n = -1. In this case, the viewing angle (FOV, θ 2 ) in the eye box is the viewing angle (θ 1 ) between the
한편, 도 14는 음굴절 상수 -1<n<0인 경우로서, 이 때의 아이박스에서의 시야각(FOV,θ2)은 화상 출사부(30)와 제1 광학 소자(80) 사이의 시야각(θ1)보다 크다.On the other hand, FIG. 14 shows a case where the negative refractive constant -1<n<0. In this case, the viewing angle FOV,θ 2 in the eye box is the viewing angle between the
이와 같이, 본 발명의 광학 장치(300)에 의하면, 음굴절 상수를 조절함으로써 보다 넓은 시야각(FOV)을 얻을 수 있음을 알 수 있다.As described above, according to the
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)의 측면도를 나타낸 것이다.15 is a side view of an
도 15의 광학 장치(400)는 도 7 내지 도 9의 광학 장치(300)와 동일하되, 제2 광학 소자(20)로서 회절 소자(60)를 사용한 경우를 나타낸 것이다.The
여기에서, 회절 소자(Diffractive element)란, 입사하는 가상 영상 화상광을 회절 현상을 통해 굴절 또는 반사시키는 광학 소자를 의미한다. 즉, 회절 소자는 빛의 회절 현상을 이용하여 여러 가지 광학적 기능을 제공하는 광학 소자라 할 수 있다.Here, the diffractive element refers to an optical element that refracts or reflects incident virtual image image light through a diffraction phenomenon. That is, the diffraction element can be called an optical element that provides various optical functions by using the diffraction phenomenon of light.
회절 소자는 수차(aberration)가 없는 점대점(point-to-point) 이미지 및 평판형 구조가 가능하며 비구면과 같은 수차 조절이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 회절 소자는 수㎛의 매우 얇은 두께를 갖지만, 수mm의 두께를 갖는 일반적인 렌즈나 프리즘, 거울과 유사한 역할을 하기 때문에 광학계의 부피와 무게를 줄이는 데 유리하다.The diffractive element has the advantage of being able to have a point-to-point image without aberration and a planar structure, and to control aberrations such as an aspherical surface. In addition, although the diffraction element has a very thin thickness of several μm, it is advantageous in reducing the volume and weight of the optical system because it functions similarly to a general lens, prism, or mirror having a thickness of several mm.
특히, 회절 소자는 회절 현상의 파장 의존적인 특성으로 인하여, 나노 구조물의 설계 파장 대역과 일치하는 빛에 대해서만 굴절 또는 반사 소자로 작동하며, 그 이외의 파장 대역에서는 빛을 단순 통과시키는 창(window) 역할을 한다. 따라서, 이러한 회절 소자를 사용함으로써 투명도를 높여 투시 영상의 밝기를 보다 더 확보하고, 광학 합성기 구조가 외부에서 관찰되지 않기 때문에 제품의 외관이 일반 안경과 유사한 심미성이 더 좋은 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다는 장점이 있다.In particular, due to the wavelength-dependent nature of the diffraction phenomenon, the diffraction element operates as a refracting or reflective element only for light that matches the design wavelength band of the nanostructure, and a window that simply passes light in other wavelength bands. plays a role Therefore, by using such a diffractive element, transparency is increased to secure more brightness of a fluoroscopic image, and since the optical synthesizer structure is not observed from the outside, the appearance of the product is similar to ordinary glasses and provides an optical device for augmented reality with better esthetics There are advantages to being able to
이러한 회절 소자는 반사형 회절 소자와 투과형 회절 소자로 구분될 수 있다. 도 15의 광학 장치(400)는 투과형 회절 소자를 이용한 경우이다.Such a diffractive element may be divided into a reflective diffractive element and a transmissive diffractive element. The
반사형 회절 소자라 함은, 특정 방향과 위치에서 입사하는 광을 반사시키는 성질을 이용한 회절 소자를 의미하며, 투과형 회절 소자라 함은, 특정 방향과 위치에서 입사하는 광을 투과시키는 성질을 이용한 회절 소자를 의미한다.The reflective diffraction element refers to a diffractive element that reflects light incident from a specific direction and position, and the transmissive diffractive element refers to a diffraction element that uses a property to transmit light incident from a specific direction and position. means small.
이러한 회절 소자, 반사형 회절 소자 및 투과형 회절 소자의 기본적인 구성이나 특성 자체는 종래 기술에 의해 알려져 있으므로 여기서는 상세 설명은 생략한다.Since the basic configuration and characteristics of such a diffractive element, a reflective diffractive element, and a transmissive diffractive element are known in the prior art, a detailed description thereof will be omitted.
한편, 회절 소자(60)는 정면에서 보았을 때 직사각형의 평면 형상으로 형성되는 것이 바람직하지만, 이는 예시적인 것이며, 원형, 타원형 등 기타 다른 형태로 형성될 수도 있음은 물론이다. 또한, 회절 소자(60)는 곡면으로 형성될 수도 있다.On the other hand, the
또한, 회절 소자(60)는 단일 평면으로 형성된다. 따라서, 가상 영상의 휘도 분포를 균일하게 할 수 있다는 장점을 가지며, 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 좌우 방향으로 거의 공간을 차지하지 않기 때문에 광학 장치(400)의 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있다. Further, the
회절 소자(60)의 크기는 회절 소자(60) 및 제3 광학 소자(50)에 의해 동공(40)으로 전달되는 가상 영상의 크기 및 시야각 등의 여러가지 조건에 의해 요구되는 출사 동공(exit pupil) 영역에 상응하는 크기의 하나의 단일 평면 또는 곡면으로 형성할 수 있다. 이러한 점을 고려하되, 회절 소자(60)는 정면에서 보았을 때 동공(40)보다 큰 크기를 가지도록 형성할 수 있다.The size of the
또한, 전술한 바와 같이, 회절 소자(60)는 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 제3 광학 소자(50)를 통해 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하기 때문에, 동공(40)보다 큰 크기를 갖는 단일 평면으로 형성하더라도 실제 사물 화상광은 회절 소자(60)를 통과하여 동공(40)으로 전달될 수 있다.In addition, as described above, since the
한편, 도 15의 실시예에서, 회절 소자(60) 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다.Meanwhile, in the embodiment of FIG. 15 , a holographic optical element (HOE) may be used instead of the
기타 구성들은 앞서 설명한 실시예와 동일하므로, 상세 설명은 생략한다.Since other configurations are the same as those of the above-described embodiment, a detailed description thereof will be omitted.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)의 측면도를 나타낸 것이다.16 is a side view of an
도 16의 실시예는, 도 15에서 설명한 바와 같은 회절 소자(60)와 도 7 내지 도 15를 참조하여 설명한 음굴절 광학 소자인 제3 광학 소자(50)를 단일 구조체로 형성한 광학 소자이며, 이를 도 16에서는 제2 광학 소자(70)라고 부르기로 한다.The embodiment of Fig. 16 is an optical element in which the
즉, 도 16에서의 제2 광학 소자(70)는, 화상 출사부(30)로부터 출사되어 제1 광학 소자(80)를 통해 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하고, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 회절 소자로서, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 회절 소자라고 할 수 있다.That is, the second
이와 같이, 회절 소자(60)와 음굴절 광학 소자의 특성을 갖는 제2 광학 소자(70)를 사용함으로써, 가상 영상의 휘도 분포를 보다 균일하게 하는 한편 폼 팩터를 보다 현저하게 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.In this way, by using the
기타 구성들은 도 7 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 동일하므로 상세 설명은 생략하기로 한다.Since other configurations are the same as those described with reference to FIGS. 7 to 15 , detailed descriptions thereof will be omitted.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 기타 다양한 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention above, the present invention is not limited to the above embodiment, and of course, other various modifications and variations are possible.
100, 200...종래의 증강 현실용 광학 장치
300, 400, 500...내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치
10...광학 수단
20...제2 광학 소자
30...화상 출사부
40...동공
50...제3 광학 소자
60...회절 소자
70...음굴절 회절 소자
80...제1 광학 소자100, 200...Conventional optics for augmented reality
300, 400, 500...Optical device for compact augmented reality with built-in collimator and negative refractive optical element
10...optical means
20...second optical element
30...image exit
40...pupil
50...third optical element
60...diffraction element
70...Sonic diffractive element
80...first optical element
Claims (18)
화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자;
상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자로 전달하는 제2 광학 소자;
상기 제2 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제3 광학 소자; 및
상기 제1 광학 소자, 제2 광학 소자 및 제3 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
을 포함하고,
상기 제3 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.An optical device for compact augmented reality using a built-in collimator and a negative refractive optical element, comprising:
a first optical element that converts the virtual image image light emitted from the image output unit into collimated parallel light and transmits it to the second optical element;
a second optical element transmitting the virtual image image light transmitted from the first optical element to a third optical element;
The virtual image image light transmitted from the second optical element is transmitted toward the pupil of the user's eye to provide a virtual image to the user, and the real object image light emitted from the object in the real world is transmitted to the pupil of the user's eye. a third optical element that transmits; and
The first optical element, the second optical element, and the third optical element are disposed, and optical means for transmitting the real object image light emitted from the real object toward the pupil of the user's eye
including,
The third optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is a negative refractive optical element that refracts the virtual image image light in a direction symmetrical to a refraction direction of light having a positive refractive index and a normal line of the exit surface.
상기 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 광학 소자로 직접 전달되거나, 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 제1 광학 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The virtual image image light emitted from the image output unit is transmitted directly to the first optical element through the inside of the optical means, or is totally reflected at least once on the inner surface of the optical means and then transmitted to the first optical element Optical device for augmented reality, characterized in that.
상기 제1 광학 소자에서 시준된 평행광으로 변환된 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 제2 광학 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The virtual image image light converted into collimated collimated light by the first optical element is transmitted directly to the second optical element or is totally reflected at least once on the inner surface of the optical means and then transmitted to the second optical element Optics for augmented reality.
상기 광학 수단은 상기 제3 광학 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지며,
상기 제1 광학 소자는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단이고, 상기 제1 광학 소자의 반사면은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The optical means includes a first surface through which the virtual image image light and the real object image light transmitted through the third optical element are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite the first surface and onto which the real object image light is incident. has two sides,
The first optical element is a reflective means that reflects and emits incident virtual image image light, and the reflective surface of the first optical element is disposed to face the first or second surface of the optical means. optics for augmented reality.
상기 제1 광학 소자의 반사면은 오목하게 형성된 곡면인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.5. The method according to claim 4,
The reflective surface of the first optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is a concave curved surface.
상기 제1 광학 소자는, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The first optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that when the optical means is viewed from the pupil in the front direction, the optical device for augmented reality, characterized in that it is formed to extend closer to the image output portion toward the left and right ends from the central portion.
상기 제2 광학 소자는 상기 광학 수단의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The second optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is embedded in the optical means.
상기 제2 광학 소자는, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 광학 모듈들로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The second optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is composed of a plurality of optical modules arranged in a matrix form when viewed from the front.
상기 제2 광학 소자는 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The second optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is a reflecting means for reflecting the incident virtual image image light and emitting it.
상기 제3 광학 소자는, 사용자가 광학 수단을 바라볼 때 가로 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The third optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that when a user looks at the optical means, the virtual image image light is refracted in a horizontal direction.
상기 제3 광학 소자는, 상기 제2 광학 소자와 사용자의 눈의 동공 사이에서 광학 수단에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The third optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is disposed in the optical means between the second optical element and the pupil of the user's eye.
상기 광학 수단은 상기 제3 광학 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지며,
상기 제3 광학 소자는 상기 광학 수단의 제1 면의 안쪽 면 또는 바깥쪽 면에 배치되거나, 상기 제2 광학 소자와 상기 광학 수단의 제2 면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The optical means includes a first surface through which the virtual image image light and the real object image light transmitted through the third optical element are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite the first surface and onto which the real object image light is incident. has two sides,
The third optical element is disposed on the inner surface or the outer surface of the first surface of the optical means, or is disposed between the second optical element and the second surface of the optical means. .
사용자의 눈의 동공에서 관찰되는 가로 방향의 아이박스의 길이를 d2라고 할 때, 상기 제1 광학 소자의 가로 방향의 길이(d1)는 d1 = d2+2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)의 수식에 의해 계산(여기에서, FOV는 시야각, y1은 제1 광학 소자에서 제2 광학 소자까지의 거리, y2는 제2 광학 소자에서 동공까지의 거리임)되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
When the length of the eye box in the horizontal direction observed from the pupil of the user's eye is d2, the length d1 in the horizontal direction of the first optical element is d1 = d2+2ABS(y1-y2)tan(FOV/2) ) (where FOV is the viewing angle, y1 is the distance from the first optical element to the second optical element, and y2 is the distance from the second optical element to the pupil). optical device.
상기 제2 광학 소자는 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.The method according to claim 1,
The second optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is a diffractive element.
상기 제2 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.15. The method of claim 14,
The second optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is a reflective diffractive element or a transmissive diffractive element.
상기 제2 광학 소자는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.15. The method of claim 14,
The second optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is a holographic optical element (HOE).
상기 제2 광학 소자는 단일 평면으로 형성된 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.15. The method of claim 14,
The second optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is a diffractive element formed in a single plane.
화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자;
상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달하고, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제2 광학 소자; 및
상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
을 포함하고,
상기 제2 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.An optical device for compact augmented reality using a negative refractive optical element, comprising:
a first optical element that converts the virtual image image light emitted from the image output unit into collimated parallel light and transmits it to the second optical element;
a second optical element that transmits the virtual image image light transmitted from the first optical element to the pupil of the user's eye, and transmits the real object image light emitted from the object in the real world to the pupil of the user's eye; and
An optical means in which the first optical element and the second optical element are disposed, and transmits the real object image light emitted from the real object toward the pupil of the user's eye
including,
The second optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is a negative diffraction element that refracts the virtual image image light in a direction symmetrical with respect to a refraction direction of light having a positive refractive index and a normal line of the emission surface.
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