KR20220010358A - 증강 현실 표시 장치 - Google Patents

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윤정근
곽규섭
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정영모
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삼성전자주식회사
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Abstract

증강 현실 표시 장치가 개시된다. 개시된 증강 현실 표시 장치는 가상 이미지의 광을 출력하도록 구성된 광학 엔진; 및 상기 가상 이미지의 광을 입력받는 제1 영역과, 상기 가상 이미지의 광이 출력되는 제3 영역과, 상기 제1 영역에 입력된 상기 가상 이미지의 광을 상기 제3 영역쪽으로 전파시키는 제2 영역을 구비한 도광판;을 포함하며, 상기 제2 영역에는 상기 제1 영역에 입사된 상기 가상 이미지의 광이 다수로 복제되도록 하는 동공 확장 격자가 형성되며, 상기 제3 영역에는 다수의 미소 회절 격자 영역들이 동공의 사이즈와 같거나 작은 간격으로 배열된 출력 격자 배열이 형성되며, 상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 각각의 직경은 동공의 사이즈와 같거나 작다.

Description

증강 현실 표시 장치{Apparatus of displaying augmented reality}
본 개시는 증강 현실 표시 장치에 관한다.
증강 현실 표시 장치는 증강 현실(augmented reality, AR)을 볼 수 있는 장치로서, 예를 들어 증강 현실 글래스(AR Glass)가 있다. 증강 현실 표시 장치는 영상을 생성하는 영상 생성 장치와, 생성된 영상을 눈으로 보내주기 위한 광학 장치를 포함한다. 영상 생성 장치에서 출사된 이미지는 광학 장치를 통해 눈으로 보내지며, 이로서 사람은 증강 현실 이미지를 관찰하게 된다.
증강 현실 표시 장치는 가상 이미지의 초점이 단일 면에 위치하기 때문에 이를 사용자가 응시하는 물체와 같이 초점을 맺도록 하는 것이 착용자의 편의성 증가를 위해 필요하다. 또한, 증강 현실 표시 장치는 양안 시차를 갖도록 랜더링이 된 영상을 관찰자의 양안에 제공하여 3D 효과를 구현할 수 있다. 이와 같은 양안 시차를 이용한 3D 효과는 3D를 구현할 수 있는 여러 방법 중 비교적 쉽게 구현하고 체험할 수 있지만, 장시간 착용하게 되면 눈에 피로를 야기한다. 눈의 피로는 양안의 수렴각과 초점 거리가 일치하지 않기 때문에 발생될 수 있으며, 이러한 수렴각과 초점 거리의 불일치는 수렴-조절 불일치(Vergence accommodation conflict)로 알려져 있다.
해결하고자 하는 과제는 눈의 피로를 저감할 수 있는 증강 현실 장치를 제공하는데 있다.
해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 측면에 있어서, 증강 현실 표시 장치는 가상 이미지의 광을 출력하도록 구성된 광학 엔진; 및 가상 이미지의 광을 입력받는 제1 영역과, 가상 이미지의 광이 출력되는 제3 영역과, 제1 영역에 입력된 가상 이미지의 광을 제3 영역쪽으로 전파시키는 제2 영역을 구비한 도광판;을 포함하며, 제2 영역에는 제1 영역에 입사된 가상 이미지의 광이 다수로 복제되도록 하는 동공 확장 격자가 형성되며, 제3 영역에는 다수의 미소 회절 격자 영역들이 동공의 사이즈와 같거나 작은 간격으로 배열된 출력 격자 배열이 형성되며, 다수의 미소 회절 격자 영역들의 각각의 직경은 동공의 사이즈와 같거나 작을 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각의 미소 회절 격자는 회절 광학 소자, 표면 요철 격자, 홀로그램 광학 소자, 및 메타표면 중 어느 하나일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각은 원형 또는 다각형의 경계를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각의 사이즈는 대략 4mm와 같거나 그보다 작을 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들은 육각형 배열 패턴으로 배열될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들의 미소 회절 격자는 같거나 서로 다른 격자 벡터를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 영역에는 입사되는 광을 결합시키는 입력 회절격자가 형성되며, 제1 영역의 입력 회절 격자의 격자 벡터, 제2 영역의 동공 확장 격자의 격자 벡터 및 다수의 미소 회절 격자 영역들의 미소 회절 격자의 격자 벡터의 합이 0이 될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 출력 격자 배열의 피치는 일정할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 출력 격자 배열의 피치는 일정하지 않을 수도 있다.
다수의 미소 회절 격자 영역들의 적어도 일부는 서로 다른 직경을 가질 수 있다.
다수의 미소 회절 격자 영역들은 제3 영역의 중앙보다 제3 영역의 외곽에서 더 큰 직경을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제3 영역의 적어도 일부는 제2 영역과 겹칠 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 도광판의 적어도 일부 영역은 현실 장면의 광이 투과되도록 투명 재질로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 광학 엔진과 도광판이 설치되며, 사용자가 착용할 수 있도록 구성된 몸체를 포함할 수 있다.
몸체는 안경테, 고글테, 헬멧의 본체 및 HMD의 본체 중 어느 하나일 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 실사 왜곡 및 가상 이미지의 화질 저하가 거의 없다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 큰 아이박스(eye box)와 넓은 시야각(Field of View; FoV)를 구현 할 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 별도의 액티브 소자 없이 가상 이미지의 초점을 상시 유지시킬 수 있으며, 이에 따라 소형화, 저전력화, 및 저가화를 가능하게 할 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 눈의 피로를 저감할 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 상시 초점을 유지할 수 있으므로 눈의 피로를 저감할 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 가상에 대해 상시 초점을 유지할 수 있으므로, 도광판의 이미지 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강 현실 표시 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 증강 현실 표시 장치의 평면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광학 엔진 및 도광판의 배치를 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 도광판에서의 광 전파를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 도광판의 제3 영역을 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 도광판의 제3 영역에서의 광 출력을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 배치를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역과 동공의 관계를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 배치를 도시한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역에서 출사되어 망막에 도달하는 광선을 도시한 도면이다.
도 12는 안구가 이동하는 경우에 있어서 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역에서 출사되어 망막에 도달하는 광선을 도시한 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 다양한 형상을 도시한 도면이다.
도 14는 사용자가 근거리 실사를 볼 때의 안구 및 실가상 영상의 광선을 도시한 도면이다.
도 15는 사용자가 원거리 실사를 볼 때의 안구 및 실가상 영상의 광선을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
본 명세서의 실시예들에서 사용되는 용어는 본 개시의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 개시에서, '증강 현실(Augmented Reality)'은 현실 세계의 물리적 환경 공간(physical, real-world environment)이나 현실 객체(real-world object)에 컴퓨터에서 생성되는 가상 이미지를 오버레이(overlay)하여 하나의 이미지로 보여주는 것을 의미한다.
본 개시에서, '증강 현실 표시 장치(Augmented Reality Display Device)'라 함은 증강 현실을 표현할 수 있는 장치로서, 사용자가 착용하는 안경 형상의 증강 현실 안경 장치(Augmented Reality Glasses) 뿐만 아니라, 헤드 마운트 디스플레이 장치(Head Mounted Display Apparatus)나, 증강 현실 헬멧(Augmented Reality Helmet) 등을 포괄한다. 이러한 증강 현실 표시 장치는 정보 검색, 길 안내, 카메라 촬영과 같이 일상 생활에서 유용하게 사용되고 있다. 또한, 증강 현실 표시 장치가 안경형으로 구현된 증강 현실 안경 장치는 패션 아이템으로도 착용되고, 실내외 활동에서 모두 사용될 수 있다.
본 개시에서, '현실 장면(real scene)'이란 관찰자 또는 사용자가 증강 현실 표시 장치를 통해서 보는 현실 세계의 장면으로서, 현실 객체(real world object)(들)를(을) 포함할 수 있다. 한편, '가상 이미지(virtual image)'는 광학 엔진을 통해 생성되는 이미지이다. 가상 이미지는 정적 이미지와 동적 이미지를 모두 포함할 수 있다. 이러한 가상 이미지는 현실 장면 상에 오버레이(overlay)되어, 현실 장면 속의 현실 객체에 대한 정보나 증강 현실 장치의 동작에 대한 정보나 제어 메뉴 등을 보여주는 이미지일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강 현실 장치(100)의 외관을 도시한 도면이며, 도 2는 도 1의 증강 현실 장치(100)의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 증강 현실 장치(100)는 사용자가 착용할 수 있도록 구성된 안경형 디스플레이 장치로서, 안경형 몸체(110)를 포함한다.
안경형 몸체(110)는 예시적으로 프레임(111)과, 안경다리들(119)을 포함할 수 있다. 프레임(111)은 안경알(101L, 101R)이 위치하는 것으로서, 예시적으로 브릿지(112)로 연결된 2개의 테 (rim)형상을 가질 수 있다. 안경알(101L, 101R)은 예시적인 것으로서, 굴절력(도수)를 가지거나 혹은 가지지 않을 수 있다. 또는 안경알(101L, 101R)은 일체로 형성될 수 있으며, 이 경우 프레임(111)의 테와 브릿지(112)가 구분되지 않을 수도 있다. 안경알(101L, 101R)은 생략될 수도 있다.
안경다리들(119)은 프레임(111)의 양 단부(113)에 각각 연결되고 일 방향으로 연장된다. 프레임(111)의 양단부(113)와 안경다리들(119)는 힌지(115)에 의해 연결될 수 있다. 힌지(115)는 예시적인 것으로서, 프레임(111)의 양단부(113)과 안경다리들(119)를 연결하는 공지의 부재가 채용될 수 있다. 다른 예로, 프레임(111)의 양단부(113)과 안경다리들(119)은 일체로 연결되어 있을 수도 있다.
안경형 몸체(110)에는 광학엔진(120)과, 도광판(130)과, 전자부품들(190)이 배치된다. 전자부품들(190)은 안경형 몸체(110)의 일 부분에 실장되거나 혹은 복수 부분에 분산되어 위치할 수 있으며, PCB 기판, FPCB 기판 등에 실장될 수 있다.
광학 엔진(120)은 가상 이미지의 광을 생성하도록 구성된 것으로서, 화상패널, 조명광학계, 투사광학계, 등을 포함하는 프로젝터의 광학 엔진일 수 있다. 이러한 광학 엔진(120)은 좌안용 광학 엔진(120L) 및 우안용 광학 엔진(120R)을 포함할 수 있다. 좌안용 광학 엔진(120L) 및 우안용 광학 엔진(120R)은 프레임(111)의 양 단부(113)에 위치할 수 있다. 다른 예로, 좌안용 광학 엔진(120L) 및 우안용 광학 엔진(120R)은 각각 좌측 안경다리(119L) 및 우측 안경다리(119R)에 위치할 수도 있다. 광학 엔진(120)은 화상패널이나 조명광학계의 방식에 따라서 편광된 광을 출력하거나 또는 무편광 광을 출력할 수도 있다. 예를 들어, 화상패널이 LCoS (Liquid Crystal on Silicon) 패널이나 그밖의 액정형 화상패널인 경우 또는 빔을 분리/결합하는데에 편광 빔 스플리터를 사용하는 경우, 광학 엔진(120)은 선편광된 광을 출력할 수 있다. 다른 예로, 화상패널이 DMD (Digital Micromirror Device) 패널인 경우, 광학 엔진(120)은 무편광된 광을 출력할 수도 있다.
도광판(130)은 광학엔진(120)에서 생성된 가상 이미지의 광과 외부 장면의 광을 사용자의 동공으로 전달하도록 구성된 것이다. 도광판(130)은 좌안용 도광판(130L) 및 우안용 도광판(130R)을 포함할 수 있다. 좌측 안경알(101L)과 우측 안경알(101R)에는 각각 좌안용 도광판(130L) 및 우안용 도광판(130R)이 부착될 수 있다. 또는 좌안용 도광판(130L) 및 우안용 도광판(130R)은 안경알(101L, 101R)과 별개로 테(111)에 고정될 수도 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 블록도이다.
도 3은 도 1의 증강 현실 장치(100)의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 증강 현실 장치(100)는 광학 엔진(120), 프로세서(200), 인터페이스(210), 및 메모리(220)를 포함한다.
프로세서(200)는 운영체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 광학 엔진(120)을 포함한 증강 현실 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있고, 영상 데이터를 포함한 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(200)는 양안 시차를 갖도록 랜더링된 좌안 가상 이미지와 우안 가상 이미지를 포함하는 영상 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서(200)는, 예를 들어, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit), 마이크로 프로세서(microprocessor), 그래픽 프로세서(Graphic Processing Unit), ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), 및 FPGAs(Field Programmable Gate Arrays) 중 적어도 하나의 하드웨어로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
인터페이스(210)는 외부로부터 데이터나 조작명령이 입출력되는 것으로서, 예를 들어 사용자가 조작 가능한 터치 패드, 컨트롤러, 조작 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 인터페이스(210)는 USB 모듈과 같은 유선통신 모듈이나, 블루투스와 같은 무선통신 모듈을 포함하고 이들을 통해 외부 기기에 포함된 인터페이스로부터 전달되는 사용자의 조작 정보나 가상 이미지의 데이터를 수신할 수도 있다.
메모리(210)는 휘발성 메모리나 비휘발성 메모리와 같은 내장 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(210)는 프로세서(200)의 제어에 의해 증강 현실 장치(100)를 구동하고 제어하는 다양한 데이터, 프로그램 또는 어플리케이션과, 입력/출력되는 신호 또는 가상 이미지의 데이터를 저장할 수 있다.
광학 엔진(120)은 프로세서(200)에서 생성되는 영상 데이터를 전달받아 가상 이미지의 광을 생성하도록 구성된 것으로서, 좌안 광학 엔진(120L) 및 우안 광학 엔진(120R)을 포함한다. 좌안 광학 엔진(120L) 및 우안 광학 엔진(120R) 각각은 광을 출력하는 광원과 광원으로부터 출력되는 광을 이용하여 가상 이미지를 형성하는 화상 패널로 구성되며 소형 프로젝터와 같은 기능을 가진다. 광원은 예를 들어 LED로 구현 가능하며, 화상 패널은 예를 들어 DMD (Digital Micromirror Device)로 구현 가능하다.
이하의 설명에서 좌안용 광학부품들(130L)을 예로 들어 설명하나, 좌안용과 우안용은 서로 좌우 대칭적인 구조를 가지므로, 당업자라면 우안용 광학부품(130R)에도 그대로 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광학 엔진(120) 및 도광판(130)의 배치를 도시한 도면이며, 도 5는 일 실시예에 따른 도광판에서의 광 전파를 예시적으로 도시한 도면이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 도광판(130)은 광이 내부에서 반사되면서 전파될 수 있는 투명 재질의 단층 혹은 다층 구조로 형성된다. 도광판(130)은 평평한 평판 형상이거나 곡면판 형상을 지닐 수 있다. 여기서, 투명 재질이라 함은, 가시광선 대역의 광이 통과될 수 있는 재질이라는 의미이며, 투명도가 100%가 아닐 수 있으며, 소정의 색상을 지닐 수도 있다. 도광판(130)은, 광학 엔진(120)에 마주하여 광학 엔진(120)으로부터 투사된 가상 이미지의 광(Li)을 입력받는 제1 영역(131)과, 제1 영역(131)에 입사된 가상 이미지의 광(Lp)이 복제되며 전파되는 제2 영역(132)과, 제2 영역(132)에서 전파되는 가상 이미지의 광(Lo)을 출력하는 제3 영역(133)을 포함한다. 가상 이미지를 출력하는 제3 영역(133)은 가상 이미지를 복제하는 역할 또한 할 수 있다.
도광판(130)은 사용자가 증강 현실 장치(100)를 착용할 때 제3 영역(133)이 사용자의 동공 전방에 위치할 수 있도록 프레임(도 1의 111)에 장착된다. 도광판(130)은 투명 재질로 형성됨에 따라, 사용자는 증강 현실 장치(100)를 통해 가상 이미지를 볼 수 있을 뿐만 아니라, 현실 장면을 볼 수 있으므로, 증강 현실 장치(100)는 증강 현실을 구현할 수 있다.
일 실시예에서 도광판(130)의 제1 영역(131)에는 입사되는 광(Li)을 결합(coupling)할 수 있도록 입력 회절 격자가 형성될 수 있다. 도광판(130)이 단층 구조인 경우, 제1 영역(131)의 입력 회절 격자는 광학 엔진(120)과 마주보는 면 또는 반대쪽 면에 형성될 수 있다. 또는 도광판(130)이 다층 구조인 경우, 제1 영역(132)의 입력 회절 격자는 각 층마다 형성되거나 혹은 일부 층에만 형성될 수 있다.
광학 엔진(120)은, 출사되는 광(Lo)이 제1 영역(131)에 수직하거나 혹은 소정 각도로 경사지게 입사되도록 배치될 수 있다.
제2 영역(132)은 제1 영역(131)을 기준으로 제1 방향(도 4에서 X 방향)에 위치할 수 있다. 제2 영역(132)은 제1 영역(131)의 전부 혹은 일부와 겹칠 수도 있다. 제2 영역(132)은 도광판의 전역에 형성될 수도 있다. 제2 영역(132)에는 제1 영역(131)에 입사된 가상 이미지의 광(Lp)이 다수로 복제되도록 하는 동공 확장 격자(pupil expansion grating)가 형성된다. 동공 확장 격자는, 제1 영역(131)에 입사된 가상 이미지의 광(Lp)이 도광판(130) 내에서 전반사를 통해 전파될 때, 복수의 빔렛들(beamlets)로 분할하여 전파될 수 있도록 구성된다. 제2 영역(132)의 공동 확장 격자는 복제된 가상 이미지의 광(Lp)(빔렛들)이 적어도 제3 영역(133)의 전역에 걸쳐 전파될 수도 있도록 구성된다. 이러한 동공 확장 격자는 예시적으로 2개의 축을 따라 빔이 확장되도록 하는 설계된 회절 격자일 수 있다.
도광판(130)이 단층 구조인 경우, 제2 영역(132)의 회절 격자는 제1 영역(131)의 회절 격자가 형성된 면과 동일 면이나 또는 반대쪽 면에 형성될 수 있다. 또는 도광판(130)이 다층 구조인 경우, 제2 영역(132)의 회절 격자는 제2 영역(131)의 회절 격자가 형성된 층과 같은 층 또는 다른 층에 형성될 수 있다. 본 실시예는 제2 영역(132)이 단일 영역인 경우로 설명하고 있으나, 복수 영역으로 구분될 수도 있다. 도광판(130)이 다층 구조인 경우, 제2 영역(132)은 서로 다른 층들에 형성된 복수 영역일 수도 있다.
제3 영역(133)은 사용자가 증강 현실 표시 장치(100)를 착용할 때 사용자의 안구가 마주하는 면 또는 반대쪽 면에 위치할 수 있다. 예시적으로 도 4에서 제3 영역(133)은 제1 영역(131)을 기준으로 제2 방향(-X 방향)에 위치할 수 있다. 제3 영역(133)의 전부 혹은 일부는 제2 영역(132)과 겹칠 수 있다. 제3 영역(133)에는 제2 영역(132)으로부터 전파된 광이 도광판(130) 밖으로 출력하도록 하는 출력 격자 배열이 형성되며 동공 확장 격자의 역할을 함께 수행할 수도 있다. 도광판(130)이 단층 구조인 경우, 제3 영역(133)의 출력 격자 배열은 도광판(130)의 사용자 안구와 마주하는 면 또는 그 배면에 형성될 수 있다. 또는 도광판(130)이 다층 구조인 경우, 제3 영역(133)의 출력 격자 배열은 도광판(130)의 다층 중 일부 층 또는 모든 층에 형성될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 도광판의 제3 영역을 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 도광판(130)의 제3 영역(133)은 미소(微小,samll) 출력 격자 영역(310)들의 배열이 형성되어 있다. 미소 출력 격자 영역(310)들 각각에 형성되는 미소 출력 격자는 회절 광학 소자(Diffractive optical element), 표면 요철 격자 (surface relief grating), 홀로그램 광학 소자 (Hologram optical element) 및 메타표면(metasurface) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 각 미소 출력 격자 영역(310)들에 형성된 미소 출력 격자의 격자 벡터는 같거나 서로 다를 수 있다. 이때, 입사광이 출력되기 위해서 광이 지나는 세 영역 (즉, 도 5의 제1 영역(131), 제2영역(132), 제3영역(133))의 격자 벡터의 합이 0이 되게 설계함으로써, 이미지의 왜곡을 감소시킬 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 도광판의 제3 영역에서의 광 출력을 예시적으로 도시한 도면이다. 도 7에서 참조번호 Lp로 표시된 광선은 도광판(130)에 입력된 이미지의 전체 시야각(FoV) 중 특정 각도로 전파되고 있는 광을 나타낸다. 도광판(130)의 내부에서 내부전반사(Total Internal Reflection; TIR)에 의하여 전파되고 있는 광(Lp)은 미소 출력 격자 영역(310)에서 회절되어 도광판(130)의 밖으로 출력된다. 이때 출력된 광(Lo)의 빔폭(W)은 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(Dg)에 의하여 결정되며, 하기의 수학식과 같은 관계를 갖는다.
Figure pat00001
이와 같은 동작원리는 도광판(130)에 입력된 광의 모든 각도에서 동일하게 동작한다. 최종적으로 각 미소 출력 격자 영역(310)은 빔폭이 Dg 인 광학엔진(120)으로 간주할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 배치를 도시한 도면이며, 도 9는 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역과 동공의 관계를 도시한 도면이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 미소 출력 격자 영역의 직경(Dg)은 사람의 동공 직경보다 작을 수 있다. 사람의 동공 직경은 통상적으로 4mm 정도로 알려져 있다. 이에 일 실시예의 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(Dg)은 4mm와 대략 같거나 그 보다 작게 형성할 수 있다. 예시적으로 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(Dg)은 2mm일 수 있다.
동공에 맺히는 전체 이미지의 불연속을 줄이기 위해서 미소 출력 격자 영역(310)들 사이의 간격(I)은 동공의 직경(DP)과 대략 같거나 동공의 직경(DP)보다 작을 수 있다. 가령, 미소 출력 격자 영역(310)들 사이의 간격(I)은 4mm와 대략 같거나 그 보다 작게 형성할 수 있다. 달리 말하면, 미소 출력 격자 영역 (310)들로 이루어진 출력 격자 배열의 피치(P)는 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(Dg)과 및 동공 직경(DP)과 하기의 수학식 관계를 만족할 수 있다.
Figure pat00002
출력 격자 배열의 피치(P)는 제3 영역(133) 전역에 걸처 일정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 10은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 배치를 도시한 도면이다. 위치마다 출력되는 이미지의 빔폭(W)을 조절하기 위해서 각 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(DP)은 서로 다를 수 있다. 도 10을 참조하면, 제3 영역(133)의 미소 출력 격자 영역(310)들의 직경(Dg)은 중앙에서보다 외곽에서 클 수 있으며, 수학식 2에 따라 피치(P) 또한 변할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 수평(horizontal) 방향으로의 미소 출력 격자 영역 배열에서 출사되어 망막에 도달하는 광선을 도시한 도면이다. 도 11에서 제1 내지 제3 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313)(즉, 회절 소자)은 대략적으로 안구(E)의 동공 크기의 간격으로 배열되어 있다. 제1 내지 제3 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313) 각각은 하나의 광학 엔진(120)의 복제처럼 동작하는바, 가상 이미지를 전부 를 담은 광이 제1 내지 제3 회절 소자(311, 312, 313)에서 출사된다. 동공(330)의 정면에 위치한 제2 회절 소자(312)에서 출사된 광선 중 일부 각도의 광이 동공(330)을 지나 안구(E)의 망막(340)에 도달하여 중심부의 시야각(FoV)(3A)를 형성한다. 한편 동공(330)의 정면으로부터 비스듬히 위치한 제1 및 제3 미소 출력 격자 영역(311, 313)에서 출사된 광선들 중 더 넓은 각도의 광선이 안구(E)의 망막(340)에 도달하여 수평 방향으로 추가 시야각(FoV)(3B, 3C)을 형성한다. 이때 각 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313)을 통해 망막(340)에 도달하는 이미지의 시야각(FoV)은 동공(330)의 직경(Dp), 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313)의 직경(DG) 그리고 동공(330)과 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313) 사이의 거리인 아이릴리프(eye relief)에 의하여 결정될 수 있다. 즉, 망막(340)에 도달하는 가상 영상의 시야각(FoV)은 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313)의 개수를 늘림으로 달성 가능하며, 수직(vertical) 방향으로도 동일하게 적용 가능하다.
도 12는 안구가 이동하는 경우에 있어서 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역에서 출사되어 망막에 도달하는 광선을 도시한 도면이다. 도 12를 참조하면, 사용자의 서로 다른 동공 사이 거리(Inter Pupil Distance; IPD), 안구의 회전 등으로 안구의 이동이 생겼을 경우, 제1 내지 제6 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313, 314. 315, 316)과 동공(330)의 상대적 위치는 변하지만, 제1 내지 제6 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313, 314. 315, 316)은 안구(E)의 동공 크기(또는 그보다 작은 크기)의 간격을 가지며 입력된 이미지와 동일한 영상 정보를 출력하므로, 사용자는 가상 이미지의 끊김 없이 가상 이미지를 볼 수 있다. 즉, 다수의 미소 출력 격자 영역을 배열함으로써 넓은 아이 모션 박스(eye motion box)를 구현할 수 있다. 또한 안구의 평행이동(수평 또는 수직 방향으로의 이동)시에도 동일 각도로 출력되는 광은 망막(340) 위의 동일한 위치에 도달하므로, 항상 동일한 위치에 가상 영상이 출력된다. 예를 들면, 서로 다른 IPD를 갖는 사용자일지라도 거의 동일한 위치의 가상 영상을 볼 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 다양한 형상을 도시한 도면이다. 전술한 실시예에서 미소 출력 격자 영역의 외형은 원형의 경계를 가지고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 가령, 가상 이미지의 밝기 균일성 또는 이중상 등의 왜곡 감소를 위해 원형 회절 소자의 외형은, 도 10에 도시되듯이, 육각형이나, 사각형 또는 삼각형과 같은 다각형의 경계를 가지고 있을 수 있으며, 이에 맞게 배열의 형태 및 위치가 변할 수 있다.
도 14는 사용자가 근거리를 응시할 때의 안구 및 실·가상 영상의 광선을 도시한 도면이며, 도 15는 사용자가 원거리를 응시할 때의 안구 및 실·가상 영상의 광선을 도시한 도면이다. 도 14 및 도 15에서, 일 예로 미소 회절 소자 영역에서 출사된 가상 이미지의 일부를 서로 다른 각도의 광선(서로 다른 픽셀을 표현)으로 표시하였다(411, 412, 413). 이때 미소 회절 소자 영역에서 출사된 광선(411, 412, 413)의 빔폭은 미소 회절 격자 영역의 직경의 크기에 따라 동공의 직경보다 작게 유지된다. 도 14 및 도 15를 참조하면, 광선(411, 412, 413) 중에서 동공(330)과 각 미소 회절 소자 영역 사이의 각도에 맞는 광선(4111, 4121, 4131)만이 동공(330)을 통과하여 수정체의 두께 변화와 관계없이 각각 하나의 점으로 망막에 결상되기 때문에 가상 이미지는 사용자의 응시 거리에 관계없이 상시 초점을 맺을 수 있다. 한편, 실사의 한점에서 방사된 광선들(414)은 미소 회절 소자 영역을 왜곡없이 통과하여 눈으로 전달되어 안구(E)의 수정체의 움직임에 따라 초점을 형성할 수 있다. 도 14에서 도시되듯이 사용자가 근거리 응시할 때, 근거리 물체의 한점에서 방사된 광선들은 사용자의 수정체에 의하여 망막에 한점으로 결상되지만, 도 15에 도시되듯이 원거리 응시의 경우 근거리 물체의 한점에서 방사된 광선들은 망막에 한점으로 결상되지 못하고 이미지가 흐려지게 된다. 이와 같이 본 실시예의 증강 현실 표시 장치는 초점 조절 렌즈나 광 셔터와 같은 별도의 액티브 소자 없이 실사와 가상 이미지의 초점을 일치시키고 유지시킬 수 있으며 넓은 시야각과 아이박스를 제공할 수 있다. 이에 따라 AR 글래스의 소형화, 저전력화, 및 저가화를 가능하게 할 수 있다. 또한, 증강 현실 표시 장치는 상시 초점을 유지할 수 있으므로, 수렴-조절 불일치등에 의한 눈의 피로를 저감할 수 있다.
또한, 각각의 원형 회절 소자는 동일한 가상 이미지를 투사하므로 안구를 움직여도 상시 초점을 맺을 수 있고 동일한 영상의 시청을 가능하게 하므로, 큰 아이 박스(eye box)를 가능케 한다.
전술한 본 발명인 증강 현실 표시 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 증강 현실 표시 장치 110: 안경형 몸체
111: 프레임 120: 광학 엔진
130: 도광판 131: 제1 영역
132: 제2 영역 133: 제3 영역
190: 전자부품들 200: 프로세서
210: 인터페이스 220: 메모리
310, 311, 312, 313, 314, 315, 316: 미소 회절 격자 영역
330: 동공 340: 망막
3A, 3B, 3C: 시야각
411, 412, 413, 4111, 4121, 4131, 414: 광선
Dg: 회절 소자의 직경 DP: 동공의 직경
E: 안구 L, Li, Lp, Lo: 광
P: 출력 격자 배열의 피치

Claims (15)

  1. 가상 이미지의 광을 출력하도록 구성된 광학 엔진; 및
    상기 가상 이미지의 광을 입력받는 제1 영역과, 상기 가상 이미지의 광이 출력되는 제3 영역과, 상기 제1 영역에 입력된 상기 가상 이미지의 광을 상기 제3 영역쪽으로 전파시키는 제2 영역을 구비한 도광판;을 포함하며,
    상기 제2 영역에는 상기 제1 영역에 입사된 상기 가상 이미지의 광이 다수로 복제되도록 하는 동공 확장 격자가 형성되며,
    상기 제3 영역에는 다수의 미소 회절 격자 영역들이 동공의 사이즈와 같거나 작은 간격으로 배열된 출력 격자 배열이 형성되며, 상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 각각의 직경은 동공의 사이즈와 같거나 작은 증강 현실 표시 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각의 미소 회절 격자는 회절 광학 소자, 표면 요철 격자, 홀로그램 광학 소자, 및 메타표면 중 어느 하나인 증강 현실 표시 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각은 원형 또는 다각형의 경계를 갖는 증강 현실 표시 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각의 사이즈는 대략 4mm와 같거나 그보다 작은 증강 현실 표시 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들은 육각형 배열 패턴으로 배열되는 증강 현실 표시 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 미소 회절 격자는 같거나 서로 다른 격자 벡터를 갖는 증강 현실 표시 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 영역에는 입사되는 광을 결합시키는 입력 회절격자가 형성되며,
    상기 제1 영역의 입력 회절 격자의 격자 벡터, 상기 제2 영역의 동공 확장 격자의 격자 벡터 및 상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 미소 회절 격자의 격자 벡터의 합이 0이 되는 증강 현실 표시 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 출력 격자 배열의 피치는 일정한 증강 현실 표시 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 출력 격자 배열의 피치는 일정하지 않은 증강 현실 표시 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 적어도 일부는 서로 다른 직경을 가지는 증강 현실 표시 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들은 상기 제3 영역의 중앙보다 상기 제3 영역의 외곽에서 더 큰 직경을 가지는 증강 현실 표시 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 영역의 적어도 일부는 상기 제2 영역과 겹치는 증강 현실 표시 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 도광판의 적어도 일부 영역은 현실 장면의 광이 투과되도록 투명 재질로 형성된 증강 현실 표시 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 엔진과 상기 도광판이 설치되며, 사용자가 착용할 수 있도록 구성된 몸체를 포함하는 증강 현실 표시 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 몸체가 안경테, 고글테, 헬멧의 본체 및 HMD의 본체 중 어느 하나인 증강 현실 표시 장치.
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