KR20220130337A - 홀로그램 광학 소자 마이크로 미러 어레이를 이용한 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템 - Google Patents

홀로그램 광학 소자 마이크로 미러 어레이를 이용한 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증강현실 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, EIS(Elemental Image Set)를 표시하기 위한 마이크로 디스플레이, 상기 마이크로 디스플레이에서 표시된 EIS를 3D 영상으로 재구성하기 위한 인 커플러 HOE-MA(In-coupler Holographic optical element Micromirror-array), 입력단에서 상기 인 커플러 HOE-MA에서 재구성된 3D 영상의 빛 정보가 입력되고, 입력된 빛 정보를 손실없이 내부 전반사에 의해 출력단에 전달하기 위한 도파관 및 상기 도파관을 통해 전달된 3D 영상을 사용자의 시청 영역으로 반사하여 시청할 수 있도록 하고, 외부 실제 객체의 빛을 통과시켜서 시청할 수 있도록 하는 아웃 커플러 HOE(Out-coupler Holographic optical element)를 포함한다. 본 발명에 의하면, 홀로그램 마이크로 미러어레이를 이용한 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템을 제공함으로써, 추가 장치가 필요없이, 간단하고 용이하게 증강현실 디스플레이 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

홀로그램 광학 소자 마이크로 미러 어레이를 이용한 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템 {Three-dimensional holographic waveguide-type augmented reality display system using holographic optical element micromirror-array}
본 발명은 증강현실 또는 가상현실을 표현하기 위한 헤드 마운트 디스플레이 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 기술에 관한 것이다.
증강현실(Augmented reality)이란, 가상 현실의 한 분야로 실제 환경에 가상 사물이나 정보를 합성하여, 원래의 환경에 존재하는 사물처럼 보이도록 하는 기술을 말한다. 즉, 사용자가 보고 있는 실사에 가상의 영상을 투영하여 사용자에게 보여준다.
사용자는 증강현실 기술을 통해 객관적인 물리 세계에서 경험했던 직접적인 현실감을 느낄 수 있고, 현실 세계에서 경험할 수 없는 체험을 할 수 있다. 증강현실은 실제 주변환경을 볼 수 없는 가상 현실과는 구별되며, 실제 환경과 가상 객체의 혼합을 통해 보다 나은 현실감과 부가 정보를 제공하는데 그 의의가 있다.
증강현실 기술은 해당 기술의 비약적인 발전과 최근 스마트폰의 보급으로 응용 범위가 점점 더 넓어지고 있는 추세이다.
이러한 증강현실을 제공하는 장치 중 하나로, 안경처럼 머리에 착용하는 형태의 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display, HMD)가 있다. 사용자는 HMD를 통해 다양한 멀티미디어 컨텐츠를 제공받을 수 있다. HMD가 증강현실 기술 등과 조합되는 경우, 단순한 디스플레이 기능을 넘어 유저에게 다양한 편의를 제공할 수 있다.
HMD에 사용되는 증강현실용 디스플레이는 대부분 씨-스루(see-through) 형태의 디스플레이로, 사용자는 씨-스루(see-through) 형태의 디스플레이를 통해 컴퓨터에 의하여 생성되는 가상 영상과 현실 영상이 중첩된 증강현실 영상을 제공받을 수 있다.
씨-스루 HMD에는 광학 씨-스루 HMD와 비디오 씨-스루 HMD가 있는데, 이 중 광학 씨-스루 HMD는 사용자의 눈앞에 있는 반 투과성 광학 합성기(optical combiner)를 통해, 사용자가 실세계 환경을 직접 보면서 광학 합성기로 투사되는 가상 영상을 동시에 볼 수 있도록 한다. 현재 정밀 작업이나 의료 현장에서의 작업 또는 수술 중 참고 및 보충 자료를 증강현실로 제공하는 방법이 활발히 연구중이다.
이처럼 증강현실(Augmented Reality), 가상현실(Virtual Reality), 혼합 현실(Mixed Reality) 시스템의 핵심장비는 헤드 마운트 디스플레이이다. 그 중 AR은 사용자가 컴퓨터가 생성한 가상의 물체를 실제 환경에서 관찰할 수 있기 때문에 다양한 응용분야에 적용되고 있으며, 안경이나 헬멧처럼 머리에 착용하는 AR 장치를 통해 인간 생활의 어느 곳에서나 가상 공간에 접할 수 있도록 할 수 있다.
종래 대부분의 AR 장치들은 부피가 크고 무겁게 설계되어 있는데, 마이크로 컴퓨터, 프로젝터, 프리즘, 거울, 마이크로 렌즈, 하프 미러 등과 같은 여러 전자 및 광학 장치가 필요하며, 장시간 착용하는데 불편함을 유발한다. 따라서 휴대성이 뛰어나고 가벼운 AR 장치가 필요하다.
대부분의 AR HMD는 도파관 구조를 사용한다.
도파관은 입력 정보를 손실없이 내부 전반사에 의해 전파된 파동을 인 커플러에서 아웃 커풀러로 전달하는 광학장치로서, 두 개의 서로 다른 필드인 인 커플러 및 아웃 커플러 사이에서 빛을 전송하는 특정 두께의 유리 소재로 구성된 광학장치이다.
AR HMD에서 빛은 마이크로 디스플레이에서 관찰자의 눈으로 전달된다.
인 커플러(In coupler)와 아웃 커플러(Out coupler)의 특성에 따라 반사형, 편광형, 회절형, 그리고 홀로그래픽형의 도파관이 제안되었다.
그 중에서도 홀로그래픽 도파관 구조는 박막 형태로 도파관 구현이 가능하기 때문에 크기와 무게를 크게 줄일 수 있어서 AR HMD에 더 적합하다. 또한 가격이 저렴하고 각도에 적합하다는 추가적인 장점이 있다. 인 커플러와 아웃 커플러에서 대체된 박막은 홀로그램 기록 방법으로 제작된 홀로그램 광학소자(Holographic optical element, HOE)이다. HOE는 레이저 빛을 이용하여 입사각 안에 아날로그 기록 과정을 통해 홀로그램을 기록하여, 원하는 파면을 얻는 광학 필름이다.
렌즈 또는 렌즈 어레이, 거울, 프리즘 등과 같은 많은 광학 소자 및 장치를 HOE로 대체할 수 있다. 따라서 두 개의 HOE를 사용한 홀로그래픽 도파관은 AR HMD의 주요 구조로 매우 적합하다.
그러나, 이러한 종류의 AR 시스템은 HOE의 속성에 따라 2 차원(2D) 이미지 만을 제공한다. 따라서 홀로그래픽 도파관형 AR 디스플레이에 3D 영상을 적용하려면 마이크로 렌즈 어레이와 같은 추가 광학 소자가 필요하다.
이러한 추가 광학 소자가 홀로그램 도파관에 적용되면 기존 AR 디스플레이의 주요 단점인 크기가 커지고 무게가 무거워지는 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허 10-2182161
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 추가적인 장치가 필요없는 3D AR 디스플레이의 구현에 관한 것으로서, 도파관 구조의 HMD 구현에 있어서, 인 커플러 구조에서 마이크로 렌즈와 미러의 기능을 동시에 적용한, 홀로그램 마이크로 미러어레이를 이용한 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 증강현실 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, EIS(Elemental Image Set)를 표시하기 위한 마이크로 디스플레이, 상기 마이크로 디스플레이에서 표시된 EIS를 3D 영상으로 재구성하기 위한 인 커플러 HOE-MA(In-coupler Holographic optical element Micromirror-array), 입력단에서 상기 인 커플러 HOE-MA에서 재구성된 3D 영상의 빛 정보가 입력되고, 입력된 빛 정보를 손실없이 내부 전반사에 의해 출력단에 전달하기 위한 도파관 및 상기 도파관을 통해 전달된 3D 영상을 사용자의 시청 영역으로 반사하여 시청할 수 있도록 하고, 외부 실제 객체의 빛을 통과시켜서 시청할 수 있도록 하는 아웃 커플러 HOE(Out-coupler Holographic optical element)를 포함한다.
상기 도파관 내에서, 상기 3D 영상의 빛이 한 번 반사된 후 상기 아웃 커플러 HOE에 도달되도록 하는 입사각으로, 상기 3D 영상이 입사될 수 있다.
상기 인 커플러 HOE-MA는 신호 빔을 홀로그램 기록매질의 일면에 입사시키고, 마이크로 렌즈 어레이를 통해 참조 빔을 상기 홀로그램 기록매질의 타면에 입사시키는 방식으로 기록될 수 있다.
본 발명에 의하면, 홀로그램 마이크로 미러어레이를 이용한 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템을 제공함으로써, 추가 장치가 필요없이, 간단하고 용이하게 증강현실 디스플레이 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 기존 AR 디스플레이의 단점인 크기가 커지고 무게가 무거워지는 문제를 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인 커플러 HOE-MA 기록을 위한 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃 커플러 HOE 기록을 위한 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명을 통해 실제로 제작된 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템을 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명을 통해 실제로 제작된 인 커플러 HOE-MA 및 아웃 커플러 HOE를 확대한 사진이다.
본 명세서에서 개시된 실시 예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시에서 제안하고자 하는 실시 예는 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 실시 예들의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시 예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 개시된 실시 예들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 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 명세서의 상세한 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 홀로그램 광학 소자 마이크로 미러 어레이를 이용한 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템의 개념도이고, 도 4는 본 발명을 통해 실제로 제작된 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템을 촬영한 사진이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 증강현실 디스플레이 시스템은 마이크로 디스플레이(Micro display)(110), 인 커플러 HOE-MA(In-coupler Holographic optical element Micromirror-array)(120), 도파관(Waveguide)(130), 아웃 커플러 HOE(Out-coupler Holographic optical element)(140)를 포함한다.
마이크로 디스플레이(110)는 EIS(Elemental Image Set)를 표시한다.
인 커플러 HOE-MA(120)는 마이크로 디스플레이(110)에서 표시된 EIS를 3D 영상으로 재구성한다.
도파관(130)은 입력단에서 인 커플러 HOE-MA(120)에서 재구성된 3D 영상의 빛 정보가 입력되고, 입력된 빛 정보를 손실없이 내부 전반사에 의해 출력단에 전달한다.
아웃 커플러 HOE(140)는 도파관(130)을 통해 전달된 3D 영상을 사용자의 시청 영역(10)으로 반사하여 시청할 수 있도록 하고, 외부 실제 객체의 빛을 통과시켜서 시청할 수 있도록 하여, 증강현실 영상이 디스플레이 되도록 한다.
본 발명에서 도파관(130) 내에서, 3D 영상의 빛이 한 번 반사된 후 아웃 커플러 HOE(140)에 도달되도록 하는 입사각으로, 3D 영상이 입사될 수 있다.
본 발명에서 인 커플러 HOE-MA(120)는 신호 빔(Signal beam)을 홀로그램 기록매질의 일면에 입사시키고, 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens array)를 통해 참조 빔(Referernce beam)을 홀로그램 기록매질의 타면에 입사시키는 방식으로 기록될 수 있다.
본 발명에서 재구성된 3D 영상은 입사각 θi로 도파관(130)에 입력된다.
재구성된 3D 영상의 비 일관성 광선(Incoherent light beams)이 도파관(130) 내에서 한 번 반사된 후, 아웃 커플러(140)에 도달하게 된다.
본 발명에서 아웃 커플러 HOE(140)는 투명 재질로 구성될 수 있고, 3차원 영상이 관찰자의 눈으로 반사되어 볼 수 있도록 하며, 외부 실제 객체에서 반사되는 빛은 투과하여 볼 수 있도록 구성되어 있다
여기서, 광파가 도파관(130) 내부 전반사에 의해 전파되기 때문에 입사각 θi는 임계각 θC보다 커야 한다. 따라서 θi는 내부 전반사 현상을 제공하기 위해 42 ° 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에서 EIS는 마이크로 디스플레이(110)에 표시되고, 표시된 빛은 인 커플러 HOE-MA(120)로 입사되며, 재구성된 3차원 영상은 내부 전반사에 의해 도파관(130)에서 동일한 방향으로 반사된다. 여기서, 인 커플러 HOE-MA(120)는 렌즈 어레이와 미러 기능을 동시에 갖고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인 커플러 HOE-MA 기록을 위한 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2에서 NDF는 Neutral density filter, HWP는 Half wave plat, SF는 Spatial filter, ES는 Electrical shutter, CL은 Collimating lens, A는 Aperture, PBS는 Polarizing beam splitter, MLA는 Micro lens-array, L은 Lens, M은 Mirror, HOE는 Holographic optic element를 의미한다.
인 커플러 HOE-MA에서 마이크로 미러 어레이에 대한 HOE를 제작하기 위한 기록 순서는 PBS를 통해 분리된 참조 빔과 물체 빔에 대해 참조 빔 경로에 마이크로 렌즈어레이를 위치시키고, 물체 빔의 경로에 미러를 위치시켜 동시에 기록하는 것이다.
도 2의 실시예에서, HOE의 기록 설정에서 노출 시간은 기준 전력을 사용하는 절차에 대해 7-8 초로 설정되고, 신호 빔은 1mW/cm2와 동일하게 조정된다. 입사광이 마이크로 렌즈 어레이의 각 렌즈를 통과하여 입사광이 감소하고 반파를 통해 조정이 가능하기 때문에 물체와 참조 빔의 강도 비는 1 : 6이다.
도 2에서 HWP는 NDF를 통과한 레드, 그린, 블루 파장대의 레이저 빔의 파장을 1/2로 조절하는 역할을 한다.
PBS는 SF, ES, CL, A(개구부)를 통과해 입사되는 빔을 두 개의 광 경로로 분리하는 역할을 한다. 이를 제1 경로와 제2 경로하고 하면, 제1 경로를 통해 신호 빔이 지나가고, 제2 경로를 통해 참조 빔이 지나간다.
제 1경로에는 광학 미러가 위치하고, 제2 경로에는 마이크로 렌즈 어레이(MLA)가 위치한다.
인 커플러 HOE-MA(120)에서는 마스크를 이용하여 마이크로 렌즈 어레이(MLA)를 기록하고, 동시에 광학 미러를 기록한다.
인 커플러 HOE-MA(120)에서 기록 매질인 HOE 플레이트는 도파관에 붙여 고정되어 있고, 두 개의 프리즘을 사용하여 신호 빔과 참조 빔을 도파관에서 결합한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아웃 커플러 HOE 기록을 위한 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3에서 NDF는 Neutral density filter, HWP는 Half wave plat, SF는 Spatial filter, ES는 Electrical shutter, CL은 Collimating lens, A는 Aperture, PBS는 Polarizing beam splitter, L은 Lens, M은 Mirror, HOE는 Holographic optic element를 의미한다.
아웃 커플러 HOE(140)의 기록매질인 HOE 플레이트는 도파관에 붙여 고정시키며, 두 개의 프리즘을 사용하여 신호 빔과 참조 빔을 도파관에서 결합하며, HOE 외부로 연결하는데 사용된다.
도 3의 실시예에서, HOE의 기록 설정에서 노출 시간은 기준 전력을 사용하는 절차에 대해 7-8 초로 설정되고, 신호 빔은 1mW/cm2와 동일하게 조정된다. 입사광이 마이크로 렌즈 어레이의 각 렌즈를 통과하여 입사광이 감소하고 반파를 통해 조정이 가능하기 때문에 물체와 참조 빔의 강도 비는 1 : 6이다.
도 3에서 HWP는 NDF를 통과한 레드, 그린, 블루 파장대의 레이저 빔의 파장을 1/2로 조절하는 역할을 한다.
PBS는 SF, ES, CL, A(개구부)를 통과해 입사되는 빔을 두 개의 광 경로로 분리하는 역할을 한다. 이를 제1 경로와 제2 경로하고 하면, 제1 경로를 통해 신호 빔이 지나가고, 제2 경로를 통해 참조 빔이 지나간다.
아웃 커플러 HOE(140)에서 기록 매질인 HOE 플레이트는 도파관에 붙여 고정되어 있고, 두 개의 프리즘을 사용하여 신호 빔과 참조 빔을 도파관에서 결합한다.
도 5는 본 발명을 통해 실제로 제작된 인 커플러 HOE-MA 및 아웃 커플러 HOE를 확대한 사진이다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 마이크로 디스플레이 120 인 커플러 HOE-MA
130 도파관 140 아웃 커플러 HOE

Claims (3)

  1. EIS(Elemental Image Set)를 표시하기 위한 마이크로 디스플레이;
    상기 마이크로 디스플레이에서 표시된 EIS를 3D 영상으로 재구성하기 위한 인 커플러 HOE-MA(In-coupler Holographic optical element Micromirror-array);
    입력단에서 상기 인 커플러 HOE-MA에서 재구성된 3D 영상의 빛 정보가 입력되고, 입력된 빛 정보를 손실없이 내부 전반사에 의해 출력단에 전달하기 위한 도파관; 및
    상기 도파관을 통해 전달된 3D 영상을 사용자의 시청 영역으로 반사하여 시청할 수 있도록 하고, 외부 실제 객체의 빛을 통과시켜서 시청할 수 있도록 하는 아웃 커플러 HOE(Out-coupler Holographic optical element)
    를 포함하는 증강현실 디스플레이 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도파관 내에서, 상기 3D 영상의 빛이 한 번 반사된 후 상기 아웃 커플러 HOE에 도달되도록 하는 입사각으로, 상기 3D 영상이 입사되는 것을 특징으로 하는 증강현실 디스플레이 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인 커플러 HOE-MA는 신호 빔을 홀로그램 기록매질의 일면에 입사시키고, 마이크로 렌즈 어레이를 통해 참조 빔을 상기 홀로그램 기록매질의 타면에 입사시키는 방식으로 기록되는 것을 특징으로 하는 증강현실 디스플레이 시스템.

KR1020210035084A 2021-03-18 2021-03-18 홀로그램 광학 소자 마이크로 미러 어레이를 이용한 3차원 홀로그래픽 도파관 타입 증강현실 디스플레이 시스템 KR102513434B1 (ko)

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