KR20220006023A - Compact optical device for augmented reality using embedded collimator and negative refractive optical element - Google Patents

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KR20220006023A
KR20220006023A KR1020210189181A KR20210189181A KR20220006023A KR 20220006023 A KR20220006023 A KR 20220006023A KR 1020210189181 A KR1020210189181 A KR 1020210189181A KR 20210189181 A KR20210189181 A KR 20210189181A KR 20220006023 A KR20220006023 A KR 20220006023A
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하정훈
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Abstract

The present invention provides a compact optical apparatus for augmented reality using an embedded collimator and a negative refractive optical element, comprising: a first optical device converting virtual image light, emitted from an image output unit, into collimated parallel light to transmit the collimated parallel light to a second optical element; the second optical element transmitting the virtual image light, transmitted from the first optical element, to a third optical element; the third optical element providing the virtual image to a user by transmitting the virtual image light, transmitted from the second optical element, toward the pupil of the user's eye, and allowing real object image light, emitted from an object in the real world, to be penetrated therethrough and transmitted to the pupil of the user's eye; and an optical means in which the first optical element, the second optical element, and the third optical element are disposed, and which allows the real object image light, emitted from the object in the real world, to be penetrated therethrough and transmitted toward the pupil of the user's eye, wherein the third optical element is a negative refractive optical element which refracts the virtual image light in the refraction direction of light having a positive refractive index and in the direction of being symmetrical to the normal line of an exit surface. The present invention can reduce a form factor while increasing a field of view.

Description

내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치{COMPACT OPTICAL DEVICE FOR AUGMENTED REALITY USING EMBEDDED COLLIMATOR AND NEGATIVE REFRACTIVE OPTICAL ELEMENT}COMPACT OPTICAL DEVICE FOR AUGMENTED REALITY USING EMBEDDED COLLIMATOR AND NEGATIVE REFRACTIVE OPTICAL ELEMENT

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 optical device 100 for augmented reality as described in Prior Art Document 1 .

도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10), 반사부(20) 및 화상 출사부(30)를 포함한다.The optical device 100 for augmented reality of FIG. 1 includes an optical means 10 , a reflection unit 20 , and an image output unit 30 .

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 optical means 10 transmits the real object image light, which is image light emitted from the object in the real world, to the pupil 40 , while emitting the virtual image image light reflected by the reflection unit 20 to the pupil 40 . It is a means of performing A reflection unit 20 is embedded in the optical means 10 .

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 optical means 10 may be formed of, for example, a transparent resin material such as a spectacle lens, and may be fixed by a frame (not shown) such as a spectacle frame.

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 image output unit 30 is a means for emitting virtual image image light, and a micro display device that displays a virtual image on the screen and emits a virtual image image light corresponding to the displayed virtual image and the micro display device 31 A collimator for collimating image light into parallel light may be provided.

반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 반사시켜 사용자의 동공(40)을 향해 전달하는 수단이다.The reflection unit 20 reflects the virtual image image light emitted from the image output unit 30 and transmits it toward the user's pupil 40 .

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 reflector 20 of FIG. 1 is formed to have a size smaller than the human pupil. Since the size of the human pupil is known to be about 4 to 8 mm, the reflective unit 20 is preferably formed to have a size of 8 mm or less, more preferably 4 mm or less. Accordingly, the Depth of Field for the light incident to the pupil 40 through the reflector 20 can be made close to infinity, that is, very deep.

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 reflector 20 to be smaller than the pupil 40 , the user can always observe a clear virtual image even if the user changes the focal length of the real object.

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 optical device 200 for augmented reality using a plurality of reflectors and a built-in collimator based on the basic principle of the optical device 100 for augmented reality as shown in FIG. 1 (prior art) See document 2).

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 optical device 200 for augmented reality based on the technology as disclosed in Prior Art Document 2, in which Fig. 2 is a side view, Fig. 3 is a perspective view, and Fig. 4 is a front view.

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 optical device 200 for augmented reality of FIGS. 2 to 4 has the same basic principle as the optical device 100 for augmented reality of FIG. 1 , but the reflector 20 includes a plurality of reflections to widen the viewing angle and the eye box. It consists of modules 21 to 29 and is disposed inside the optical means 10 in the form of an array, and the collimator 80 is disposed inside the optical means 10 to output from the image output unit 30 . There is a difference in that the virtual image image light is transmitted to the reflection modules 21 to 29 by the collimator 80 .

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 collimator 80 inside the optical means 10 in this way, the optical apparatus 200 for augmented reality of FIGS. 2 to 4 does not need to include a collimator in the image output unit 30 unlike FIG. 1 . No, the image output unit 30 may be configured only with a micro display device.

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 optical device 200 for augmented reality of FIGS. 2 to 4 , the virtual image image light emitted from the image output unit 30 is totally reflected from the inner surface of the optical means 10 and then transmitted to the collimator 80 , and the collimator The virtual image image light reflected in 80 is totally reflected again on the inner surface of the optical means 10 and transmitted to the plurality of reflection modules 21 to 29, and the plurality of reflection modules 21 to 29 are incident virtual image images. The light is reflected and transmitted to the pupil 40 .

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 optical device 200 for augmented reality provides a wide viewing angle and improves light efficiency, the built-in collimator 80 is used inside the optical means 10 without using a collimator for the image output unit 30 . It has the advantage of being able to reduce the overall size, thickness, weight and volume of the device.

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 optical device 200 for augmented reality of this configuration depends on the length of the collimator 80 in the horizontal direction.

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 optical device 200 for augmented reality, and FIG. 5 is a plan view of the optical device 200 for augmented reality, and FIG. 6 is equivalent to FIG. It shows the optical system.

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 image output unit 30 is transmitted to the pupil 40 through the collimator 80 and the reflector 20 . and areas where they overlap are indicated by hatching. The overlapping area indicated by the hatching corresponds to the maximum eyebox area in the x-z plane.

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 collimator 80, and FOV is the viewing angle. In addition, y1 is the distance from the collimator 80 to the exit pupil, that is, the reflector 20, and y2 is the distance from the reflector 20 to the pupil 40, that is, eye relief. to be.

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 collimator 80 .

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 collimator 80 needs to be increased in order to widen the eye box in the horizontal direction in the optical device 200 for augmented reality. However, as the length of the collimator 80 increases, there is a problem in that the design becomes more complicated and the manufacturing process also becomes complicated. In addition, as the length of the collimator 80 increases, the probability of generating a ghost image increases and the probability of blocking the actual object image light also increases. In addition, the aesthetics are not good because it stands out in appearance. Therefore, it is necessary to minimize the length of the collimator 80 as much as possible.

대한민국 공개특허공보 10-2018-0028339호(2018.03.16 공개)Korean Patent Publication No. 10-2018-0028339 (published on March 16, 2018) 대한민국 등록특허공보 10-2200144호(2021.01.08 공고)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2200144 (Notice on Aug. 8, 2021)

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 optical device 100 for augmented reality as described in Prior Art Document 1 .
2 to 4 are views showing an optical device 200 for augmented reality based on the technology as disclosed in Prior Art Document 2, in which Fig. 2 is a side view, Fig. 3 is a perspective view, and Fig. 4 is a front view.
5 and 6 are views for explaining a horizontal eye box of the optical device 200 for augmented reality, and FIG. 5 is a plan view of the optical device 200 for augmented reality, and FIG. 6 is equivalent to FIG. It shows the optical system.
7 to 9 are views for explaining an embodiment of an optical device 300 for compact augmented reality using a built-in collimator and a negative refractive optical element according to the present invention, FIG. 7 is a perspective view, FIG. 8 is a front view, 9 is a side view;
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 optical device 300 and shows an equivalent optical system with respect to a plan view of the optical device 300 .
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 optical device 400 according to another embodiment of the present invention.
16 is a side view of an optical device 500 according to another embodiment of the present invention.

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 optical device 300 for compact augmented reality using a built-in collimator and a negative refractive optical element according to the present invention, FIG. 7 is a perspective view, FIG. 8 is a front view, 9 is a side view;

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 optical device 300 for compact augmented reality using the built-in collimator and negative refractive optical element of this embodiment (hereinafter simply referred to as "optical device 300") is an optical means 10, It includes a first optical element 80 , a second optical element 20 , and a third optical element 50 .

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 pupil 40 of the user's eyes. In addition, the first optical element 80 , the second optical element 20 , and the third optical element 50 are disposed inside the optical means 10 .

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 first surface 11 through which virtual image image light and real object image light transmitted through the third optical element 50 are emitted toward the user's pupil 40, and the first surface ( 11) and has a second surface 12 on which the actual object image light is incident.

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 third surface 13 that is a surface on which the virtual image image light is incident and a fourth surface 14 that is opposite to the third surface 13 .

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 image output unit 30 is a means for displaying a virtual image and emitting a virtual image light that is an image light corresponding to the virtual image. Since the function of the collimator in the present invention is performed by the first optical element 80 embedded in the optical means 10 as will be described later, the image output unit 30 is a small LCD, OLED, LCoS, micro LED It may be implemented with a conventionally known micro display device, such as.

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 image output unit 30 itself is not a direct object of the present invention and is known in the prior art, a detailed description thereof will be omitted.

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 optical device 300 of FIGS. 7 to 9 , the virtual image image light emitted from the image output unit 30 is totally reflected by the second surface 12 of the optical means 10 to the first optical element 80 . Although shown to be transmitted, this is exemplary and may be directly transmitted to the first optical element 80 without total reflection on the inner surface of the optical means 10 . In addition, it goes without saying that total reflection from the inner surface of the optical means 10 may be transmitted to the first optical element 80 twice or more.

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 image output unit 30 is shown as being disposed above the upper surface of the optical means 10 , ie, above the third surface 13 , but this is exemplary and may be disposed in other positions. of course there is

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 image output unit 30 is disposed to be spaced apart from the third surface 13 of the optical means 10 , but this is exemplary and may be disposed to be in contact with the third surface 13 . Of course it could be.

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 optical element 80 converts incident virtual image image light into collimated collimated light and transmits it to the second optical element 20 . Accordingly, the virtual image image light emitted from the first optical element 80 is collimated collimated light or image light for which a focal length is intended.

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 optical element 80 may be implemented as a reflection unit that reflects incident virtual image image light and emits collimated parallel light. For example, the first optical element 80 may be formed of a material having a high reflectance of 100% or almost 100%, such as a metal material.

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 optical element 80 is disposed to be embedded in the optical means 10 so as to face the image output unit 30 as shown in FIGS. 7 to 9 .

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 image output unit 30 emits virtual image image light toward the second surface 12 of the optical means 10 , and is totally reflected on the second surface 12 of the optical means 10 . The virtual image image light is transmitted to the first optical element 80 . Then, the virtual image image light converted into collimated light collimated by the first optical element 80 and emitted is totally reflected again on the second surface 12 of the optical means 10 and then transmitted to the second optical element 20 . do. The second optical element 20 transmits the incident virtual image image light to the pupil 40 through the third optical element 50 .

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 optical element 80 emits the virtual image image light which is totally reflected and incident on the second surface 12 of the optical means 10 toward the second surface 12 of the optical means 10 and optically The image output unit 30 , the second optical element 20 , and the third optical so that the augmented reality image light totally reflected by the second surface 12 of the means 10 can be transmitted to the second optical element 20 . In consideration of the relative positions of the element 50 and the pupil 40 , it is disposed at an appropriate position inside the optical means 10 between the first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10 .

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 optical element 80 , the reflective surface 81 of the first optical element 80 that reflects the virtual image image light is the second of the optical means 10 . It is disposed embedded in the interior of the optical means (10) to face the surface (12).

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 reflective surface 81 and the second surface 12 of the optical means 10 may be inclined so as not to be parallel to each other.

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 optical element 80 emits the virtual image image light toward the second surface 12 , while the stray light that is emitted from the real object and can generate a ghost image is emitted from the pupil 40 . It has the advantage of being able to block transmission to the other side.

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 reflective surface 81 of the first optical element 80 may be disposed embedded in the optical means 10 so that the reflective surface 81 of the optical means 10 faces the first surface 11 of the optical means 10 . is of course

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 reflective surface 81 of the first optical element 80 may be formed as a curved surface. For example, the reflective surface 81 of the first optical element 80 may be a concave mirror concavely formed in the direction of the second surface 12 of the optical means 10 as shown in FIGS. 7 to 9 . With this configuration, the first optical element 80 is embedded in the optical means 10 and can serve as a built-in collimator for collimating the virtual image image light emitted from the image output unit 30 , and thus There is no need to use a configuration such as a collimator for the image output unit 30 .

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 optical element 80 as much as possible, it is preferable that the thickness of the first optical element 80 is thin when the user looks at the front through the pupil 40 .

한편, 제1 광학 소자(80)는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.Meanwhile, the first optical element 80 may be configured as a means such as a half mirror that partially reflects light.

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 optical element 80 may be formed of a refractive element or a diffractive element other than the reflecting means, or a combination of at least one of them.

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 optical element 80 may be formed of an optical element such as a notch filter that selectively transmits light according to a wavelength.

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 reflective surface 81 that reflects the virtual image image light of the first optical element 80 may be coated with a material that does not reflect light but absorbs light.

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 pupil 40 in the front direction, the first optical element 80 has an image output unit 30 from the center toward both ends on the left and right. ) may be formed to extend closer to the That is, when viewed from the front, the first optical element 80 may be formed in a generally smooth "U"-shaped bar shape. Accordingly, the function of the first optical element 80 as a collimator may be improved.

제2 광학 소자(20)는, 제1 광학 소자(80)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자(50)로 전달하는 기능을 수행한다.The second optical element 20 transmits the virtual image image light transmitted from the first optical element 80 to the third optical element 50 .

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 optical element 20 is disposed embedded in the optical means 10 . That is, the second optical element 20 is spaced apart from the first surface 11, the second surface 12, the third surface 13 and the fourth surface 14 of the optical means 10, respectively, and the optical means ( 10) is placed in the interior space.

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 optical element 20 may be composed of a plurality of optical modules arranged in a matrix form when viewed from the front, as shown in FIGS. 7 to 9 , in order to widen the viewing angle. In this specification, the second optical element 20 is collectively referred to as the entire plurality of optical modules.

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 optical element 20 is a reflecting means for reflecting the incident virtual image image light and emitting it. For example, the second optical element 20 may be formed of a material having a high reflectance of 100% or close to 100%, such as a metal material.

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 optical device 300 of FIGS. 7 to 9 , as described above, the virtual image image light emitted from the first optical element 80 is totally reflected by the second surface 12 of the optical means 10 and then 2 is transmitted to the optical element 20 .

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 optical element 20 may transmit the virtual image image light incident along the optical path to the third optical element 50 on the first surface ( 11) and the second surface 12 is disposed to have an appropriate inclination angle.

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 optical element 20 has a size smaller than the human pupil size, that is, 8 mm or less, so as to obtain a pinhole effect by increasing the depth of field. Preferably, it is preferable to form 4 mm or less.

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 pupil 40 through the third optical element 50 by the optical modules can be made close to infinity, that is, the depth can be very deep. Even if the focal length for the real world is changed while gazing at the real world, a pinhole effect may occur that makes the virtual image always be in focus regardless of the change.

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 pupil 40 and the optical module and projects each optical module on a plane including the center of the pupil 40 . It can be the maximum length.

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 pupil 40 .

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 optical element 80 is not blocked by other optical modules. The plurality of optical modules are arranged in a line on a vertical line when the optical device 300 is viewed from the side as shown in FIG. 9, but this is exemplary and may be arranged in an oblique or other gentle curved shape. .

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 optical element 20 may be arranged in a matrix form in which the heights of each column are sequentially staggered when viewed from the front, but this is also exemplary, and the height of each column Of course, it is also possible to arrange in other forms, such as making all of the columns the same or making only some columns the same height.

한편, 제2 광학 소자(20)는, 빛을 부분적으로 반사시키고 부분적으로 투과시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.Meanwhile, the second optical element 20 may be configured as a means such as a half mirror that partially reflects and partially transmits light.

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 optical element 20 may be formed of any one of a refractive element (Refractive Optical Element), a diffractive optical element (DOE), and a holographic optical element (HOE).

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 optical element 20 may be formed of an optical element such as a notch filter that selectively transmits light according to a wavelength.

또한, 제2 광학 소자(20)는 빛을 편광시켜 출사하는 편광 필터로 구성할 수도 있다.Also, the second optical element 20 may be configured as a polarization filter that polarizes and emits light.

다음으로, 제3 광학 소자(50)에 대해 설명한다.Next, the third optical element 50 will be described.

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 optical element 50 provides a virtual image to the user by transmitting the virtual image image light transmitted from the second optical element 20 toward the pupil 40 of the user's eye. In addition, the third optical element 50 transmits the real object image light emitted from the object in the real world to the pupil 40 of the user's eye through the first surface 11 of the optical means 10 . also do

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 optical element 50 is arranged in the optical means 10 between the second optical element 20 and the pupil 40 . 7 to 9 , the third optical element 50 is disposed on the inner surface of the first surface 11 of the optical means 10 , but this is exemplary and the first surface of the optical means 10 ( 11) may be disposed on the outer surface of course. In addition, it may be disposed to be spaced apart from the inner surface of the first surface 11 of the optical means 10 .

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 optical element 50 may be disposed between the second optical element 20 and the second surface 12 of the optical means 10 .

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 optical element 50 is shown to be formed in a rectangular planar shape when viewed from the front, but this is exemplary and may be formed in other shapes such as a circle, an oval, etc. to be.

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 optical element 50 may be formed in a single plane. Accordingly, the form factors of the optical means 10 and the optical device 300 are kept small since they hardly occupy space in the left-right direction (z-axis direction) of the optical means 10 when viewed from the side as shown in FIG. 9 . can

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 optical element 50 is characterized in that it is a negative refractive optical element.

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.

Figure pat00001
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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 medium 1 is n, the above formula can be expressed as follows.

Figure pat00005
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Figure pat00006
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Figure pat00007
(
Figure pat00008
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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 optical device 300 and shows an equivalent optical system with respect to a plan view of the optical device 300 .

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 optical element 50 is additionally disposed.

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 optical element 50, which is a negative refractive optical element, is disposed, the virtual image image light incident on the third optical element 50 is negatively refractive in the x-axis direction as described above. Due to the phenomenon, it is refracted in a direction symmetrical to a direction having a positive refractive index in the xz plane. Accordingly, an eye box area as shown in FIG. 11 can be obtained.

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 optical device 300 is an area indicated by hatching, and the eye box length in the horizontal direction (x-axis direction) is d2. Here, the length d2 of the eye box in the horizontal direction may be expressed by the following equation.

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 optical element 80, and FOV represents the viewing angle. In addition, y1 is the distance from the first optical element 80 to the exit pupil, that is, the second optical element 20 , and y2 is the distance from the second optical element 20 to the pupil 40 , that is, , is eye relief. Also, ABS represents an absolute value symbol.

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 optical element 80 , the length d2 of the eye box in the horizontal direction ) can be made larger.

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 optical element 80 having a smaller length can be adopted compared to the case of FIG. 6 in which the negative refractive optical element is not used in order to obtain the desired length d2 of the eye box in the horizontal direction.

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 optical element 80 may be calculated by the following equation.

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 optical element 50 , there is an advantage in that the length of the first optical element 80 can be reduced while maintaining the same eye box area. In addition, when the same length of the first optical element 80 is maintained, there is an advantage that a wider eye box area can be obtained by using a negative refractive optical element.

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 optical device 300 may be increased, the overall form factor of the optical device 300 may be remarkably reduced.

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 image output unit 30 and the first optical element 80 . same as

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 image output unit 30 and the first optical element 80 . greater than (θ 1 ).

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 optical device 300 of the present invention, it can be seen that a wider field of view (FOV) can be obtained by adjusting the negative refractive constant.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)의 측면도를 나타낸 것이다.15 is a side view of an optical device 400 according to another embodiment of the present invention.

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 optical device 400 of FIG. 15 is the same as the optical device 300 of FIGS. 7 to 9 , except that the diffractive element 60 is used as the second optical element 20 .

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 optical device 400 of FIG. 15 is a case in which a transmissive diffractive element is used.

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 diffractive element 60 is preferably formed in a rectangular planar shape when viewed from the front, but this is exemplary and may be formed in other shapes such as a circular shape, an oval shape, and the like. In addition, the diffractive element 60 may be formed in a curved surface.

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 diffractive element 60 is formed in a single plane. Accordingly, it has the advantage that the luminance distribution of the virtual image can be uniform, and the form factor of the optical device 400 can be significantly reduced because it takes up little space in the left and right directions of the optical means 10 when viewed from the side. have.

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 diffractive element 60 is an exit pupil required by various conditions such as the size and viewing angle of a virtual image transmitted to the pupil 40 by the diffractive element 60 and the third optical element 50 . It can be formed as a single flat or curved surface having a size corresponding to the area. Considering this point, the diffraction element 60 may be formed to have a larger size than the pupil 40 when viewed from the front.

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 diffraction element 60 transmits the real object image light emitted from the object in the real world to the pupil 40 of the user's eye through the third optical element 50 , the pupil Even if it is formed as a single plane having a size larger than (40), the actual object image light may pass through the diffraction element 60 and be transmitted to the pupil (40).

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 diffractive element 60 .

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 optical device 500 according to another embodiment of the present invention.

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 diffractive element 60 as described in Fig. 15 and the third optical element 50, which is a negative refractive optical element described with reference to Figs. 7 to 15, are formed into a single structure, This will be referred to as a second optical element 70 in FIG. 16 .

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 optical element 70 in FIG. 16 transmits the virtual image image light emitted from the image output unit 30 and transmitted through the first optical element 80 to the pupil 40 of the user's eye. and a diffractive element that transmits the real object image light emitted from the real world object and transmits it to the pupil 40 of the user's eye. It can be said that it is a sound diffractive element that refracts virtual image image light.

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 diffractive element 60 and the second optical element 70 having the characteristics of the negative refractive optical element, the luminance distribution of the virtual image can be more uniform and the form factor can be more remarkably reduced. have

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 소자
100, 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)

내장 콜리메이터 및 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 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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 4에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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. .
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 14에 있어서,
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.
청구항 14에 있어서,
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).
청구항 14에 있어서,
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.
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 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.
KR1020210189181A 2021-12-28 2021-12-28 Compact optical device for augmented reality using embedded collimator and negative refractive optical element KR20220006023A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023128168A1 (en) * 2021-12-28 2023-07-06 주식회사 레티널 Compact augmented reality optical device using embedded collimator and optical element having negative refractive index
WO2023146157A1 (en) * 2022-01-25 2023-08-03 주식회사 레티널 Optical device for augmented reality using polarization optical element

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180028339A (en) 2016-09-08 2018-03-16 주식회사 레티널 Optical device
KR102200144B1 (en) 2019-11-01 2021-01-08 주식회사 레티널 Compact type optical device for augmented reality which can prevent ghost images with wide field of view

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102103985B1 (en) * 2013-04-26 2020-04-23 삼성전자주식회사 Display apparatus, method and apparatus implementing augmented reality using unidirectional beam image
US9335549B2 (en) * 2014-03-19 2016-05-10 Google Inc. Imaging lightguide with holographic boundaries
WO2015174794A1 (en) * 2014-05-15 2015-11-19 이준희 Optical system for head mount display
KR102099231B1 (en) * 2019-02-13 2020-04-08 주식회사 레티널 Optical device for augmented reality providing virtual image at near distance
KR102563215B1 (en) * 2021-06-03 2023-08-03 주식회사 레티널 Optical device for augmented reality having refractive space
KR20220006023A (en) * 2021-12-28 2022-01-14 주식회사 레티널 Compact optical device for augmented reality using embedded collimator and negative refractive optical element

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180028339A (en) 2016-09-08 2018-03-16 주식회사 레티널 Optical device
KR102200144B1 (en) 2019-11-01 2021-01-08 주식회사 레티널 Compact type optical device for augmented reality which can prevent ghost images with wide field of view

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023128168A1 (en) * 2021-12-28 2023-07-06 주식회사 레티널 Compact augmented reality optical device using embedded collimator and optical element having negative refractive index
WO2023146157A1 (en) * 2022-01-25 2023-08-03 주식회사 레티널 Optical device for augmented reality using polarization optical element

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