KR20220138606A - Direct retinal projection-type augmented reality device - Google Patents

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KR20220138606A
KR20220138606A KR1020210044470A KR20210044470A KR20220138606A KR 20220138606 A KR20220138606 A KR 20220138606A KR 1020210044470 A KR1020210044470 A KR 1020210044470A KR 20210044470 A KR20210044470 A KR 20210044470A KR 20220138606 A KR20220138606 A KR 20220138606A
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염지운
최광순
손예슬
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한국전자기술연구원
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Abstract

Provided is a pupil-direct-line-type augmented reality device capable of increasing an observable pupil allowance region by using a holographic optical element. A pupil-direct-line-type augmented reality device according to an embodiment of the present invention comprises: an image combiner located at the front of the eye of a user to reflect or diffract light beams emitted from a projection system, thereby concentrating the reflected or diffracted light beams at a pupil location of the user; and a holographic optical element (HOE) located between the projection system and the image combiner to expand a field of vision, which is a pupil allowance region. Therefore, a compact optical structure, which is a conventional advantage, can be maintained while increasing the size of a field of vision, which is a pupil allowance region, such that the size of the pupil allowance region, which is inconvenient to a general user, can be increased. Therefore, an image can be observed without being cut out even though the user freely moves a pupil during use of the same technology-based device, such that inconvenience of the user is solved.

Description

동공 직사형 증강현실 장치{Direct retinal projection-type augmented reality device}Direct retinal projection-type augmented reality device

본 발명은 사람이 착용하여 증강현실 콘텐츠 영상 제공을 위한 동공 직사형 증강현실 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 홀로그래픽 광학소자를 이용하여 관측 가능한 동공 허용 영역을 증대시킬 수 있는 동공 직사형 증강현실 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a pupil-directed augmented reality device for providing augmented reality content images worn by a person, and more particularly, a pupil-directed augmented reality capable of increasing the observable pupil permissible area using a holographic optical element. It's about the device.

동공 직사형 증강현실 장치는 컴팩트한 디자인으로 넓은 화각의 영상을 제공할 수 있는 장점이 있지만, 매우 좁은 시역을 한계점으로 가지고 있다. The pupil-directed augmented reality device has the advantage of providing an image of a wide angle of view with a compact design, but has a very narrow viewing area as a limitation.

이는 동공 직사형 증강현실 장치가 개별 픽셀에 해당하는 광선 다발이 한 점(직경 1mm 내외)에 집광되는 구조로 설계되고, 사용자는 해당 집광 지점에 동공을 올바르게 위치시켜야만 전체 증강현실 영상을 관측할 수 있기 때문이다. It is designed in such a way that the pupil-directed augmented reality device condenses light bundles corresponding to individual pixels at one point (with a diameter of about 1 mm), and the user can observe the entire augmented reality image only when the pupil is correctly positioned at the converging point. because there is

하지만 1)동공의 회전 및 좌우 움직임, 2)사용자마다 다른 좌우안 간의 간격을 고려할 시에, 이러한 제한적인 시역은 증강현실 장치의 범용적 사용을 제한할 수 밖에 없어 기존 동공 직사형 장치의 장점을 유지하면서도 수 mm 이상의 시역을 제공할 수 있는 영상 장치의 개발이 필요하다. However, when considering 1) pupil rotation and left and right movement, and 2) different distances between the left and right eyes for each user, such a limited viewing area has no choice but to limit the general use of augmented reality devices, so the advantages of the existing direct pupil type device It is necessary to develop an imaging device capable of providing a field of view of several mm or more while maintaining it.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 얇은 필름 형태의 홀로그래픽 광학소자의 산란 기능을 이용하여, 동공 허용 영역인 시역의 크기를 증대시키면서도 종래의 장점인 컴팩트한 광학 구조를 유지할 수 있는 동공 직사형 증강현실 장치를 제공함에 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to use the scattering function of a holographic optical element in the form of a thin film to increase the size of the viewing area, which is the pupil-permissive region, while providing advantages of the prior art. An object of the present invention is to provide a pupil-directed augmented reality device capable of maintaining a compact optical structure.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 동공 직사형 증강현실 장치는, 사용자의 눈 앞에 위치되어, 투사계에서 출광된 광선빔들을 반사 또는 회절시켜 사용자의 동공 위치에 집광시키는 영상 결합기(Image combiner); 및 동공 허용 영역인 시역이 확장되도록, 투사계와 영상 결합기 사이에 위치하는 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE);를 포함한다.According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the pupil direct-type augmented reality device is an image that is located in front of the user's eyes, reflects or diffracts the light beams emitted from the projection system to focus on the user's pupil position Image combiner; and a holographic optical element (Hologrpahic optical element, HOE) positioned between the projection system and the image combiner so that the viewing area, which is the pupil-allowing region, is expanded.

그리고 홀로그래픽 광학소자는, 서로 다른 방향에서 입광하는 기준빔 및 신호빔의 간섭 패턴을 홀로그래픽 기록매질에 기록함으로써 제작되며, 이때, 기록된 간섭 패턴은, 홀로그래픽 기록매질 내에 주기적으로 반복되는 형태의 체적 격자(Volume grating)로 구성될 수 있다. In addition, the holographic optical element is manufactured by recording interference patterns of a reference beam and a signal beam incident from different directions on a holographic recording medium, wherein the recorded interference pattern is periodically repeated in the holographic recording medium. It can be composed of a volume grating of

또한, 홀로그래픽 광학소자는, 투사계에서 출광된 광선빔들의 재생 시, 광선의 빔폭이 확대되도록, 입광하는 광선빔이 체적 격자의 브래그 조건(Bragg condition)을 만족할 경우, 회절 현상을 통하여 재생빔이 출력되도록 하고, 입광하는 광선빔이 기록된 체적 격자의 브래그 조건에서 벗어날 경우, 별도의 회절을 발생하지 않고 그대로 투과되도록 함으로써, 투명한 산란층(디퓨저)의 역할을 수행할 수 있다. In addition, the holographic optical element is a reproducing beam through a diffraction phenomenon when an incoming ray beam satisfies the Bragg condition of the volume grating so that the beam width of the ray is expanded when the ray beams emitted from the projection system are reproduced. is output, and when the incident light beam deviates from the Bragg condition of the recorded volume grating, it is transmitted as it is without separate diffraction, so that it can serve as a transparent scattering layer (diffuser).

그리고 홀로그래픽 광학소자는, 특정 각도에서 입광하는 광선빔들이 영상 결합기 방향으로 기설정된 각도 범위만큼 산란 및 확산되도록 하며, 눈동자가 위치하면 영상 결합기 및 홀로그래픽 광학소자를 거친 후의 광선빔들에 의해 영상이 보이는 영역인 아이 박스(Eye-box)의 폭은, 산란 및 확산되는 기설정된 각도 범위가 커질수록, 크게 형성될 수 있다. In addition, the holographic optical element causes the light beams incident at a specific angle to be scattered and diffused by a predetermined angular range in the direction of the image combiner, and when the pupil is located, the image by the light beams after passing through the image combiner and the holographic optical element The width of the eye-box, which is the visible area, may be increased as the scattering and diffusion preset angle range increases.

또한, 홀로그래픽 광학소자는, 일종의 단방향성 디퓨저(Unidirectional diffuser)의 기능을 수행하도록, 실사 환경에서 출발하거나, 또는 회절광이 영상결합기를 거쳐 되돌아오는 광선빔이 체적 격자의 브래그 조건에서 벗어남에 따라 회절 및 왜곡 없이 투과되어 사용자의 동공으로 입사되도록 할 수 있다. In addition, the holographic optical element performs the function of a kind of unidirectional diffuser, as a ray beam that departs from a live-action environment or a diffracted light returns through an image combiner deviates from the Bragg condition of the volumetric grating. It can be transmitted without diffraction and distortion to be incident on the user's pupil.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 동공 직사형 증강현실 장치는, 사용자의 눈 앞에 위치되어, 투사계에서 출광된 광선빔들을 반사 또는 회절시켜 확산시키는 제1 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE); 및 제1 홀로그래픽 광학소자에서 소정의 갭(gap)을 갖도록 이격되어, 확산된 광선빔들을 집광시켜 사용자에게 전달하는 제2 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE);를 포함한다.On the other hand, the pupil direct-type augmented reality device according to another embodiment of the present invention is located in front of the user's eyes, and reflects or diffracts the light beams emitted from the projection system and diffuses the first holographic optical element (Hologrpahic optical element). , HOE); and a second holographic optical element (Hologrpahic optical element, HOE) that is spaced apart from the first holographic optical element to have a predetermined gap, condenses the diffused light beams and delivers them to the user.

그리고 제1 홀로그래픽 광학소자 및 제2 홀로그래픽 광학소자는, 상호 간의 이격된 갭의 크기가 커질수록, 동공 허용 영역인 시역이 크게 확장될 수 있다. In addition, as the size of the gap between the first holographic optical element and the second holographic optical element increases, the viewing area, which is the pupil permissive region, may be greatly expanded.

또한, 제2 홀로그래픽 광학소자는, 렌즈형 홀로그래픽 광학소자로 구현되는 경우, 광성능이 측면부에서 왜곡 및 저하되는 것을 방지하도록, 비축(Off-axis)이 아닌 정축(On-axis)으로 동작하는 렌즈로 구성될 수 있다. In addition, when the second holographic optical element is implemented as a lens-type holographic optical element, the optical performance is operated on-axis rather than off-axis to prevent distortion and deterioration in the side part. It may consist of a lens that

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 동공 허용 영역인 시역의 크기를 증대시키면서도 종래의 장점인 컴팩트한 광학 구조를 유지할 수 있어, 일반 사용자에게 불편함을 주던 동공 허용 영역의 크기를 증대시켜 동기술 기반 장치 사용 시 동공을 자유롭게 움직여도 영상이 잘림없이 관측 가능하므로 사용자의 불편감을 해소할 수 있다. As described above, according to the embodiments of the present invention, it is possible to maintain a compact optical structure, which is an advantage of the prior art, while increasing the size of the viewing area, which is the pupil-allowing region, thereby reducing the size of the pupil-allowing region, which is inconvenient to general users. When using a motion technology-based device, the image can be observed without clipping even when the pupil is moved freely, thereby relieving the user's discomfort.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 다양한 양안 간격에 대응할 수 있도록 시역 설계 시의 마진을 확보함으로써 대량 생산 시 사용자 맞춤형 디자인의 제한을 벗어나 생산 단가를 절감할 수 있다. In addition, according to embodiments of the present invention, by securing a margin at the time of designing the viewing area to respond to various binocular distances, it is possible to reduce the production cost by escaping the limitation of user-customized design during mass production.

도 1은, 기존의 동공 직사형(Direct retinal projection-type) 증강현실 장치에 마련되는 영상 결합기(Image combiner)의 설명에 제공된 도면,
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치의 설명에 제공된 도면,
도 3은, 상기 도 2의 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자의 설명에 제공된 도면, 그리고
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치의 설명에 제공된 도면이다.
1 is a view provided for the description of an image combiner provided in an existing direct retinal projection-type augmented reality device;
Figure 2 is a view provided for the description of the pupil direct-type augmented reality device according to an embodiment of the present invention;
3 is a view provided for the description of the holographic optical element according to the embodiment of FIG. 2, and
4 is a view provided for the description of the pupil direct-type augmented reality device according to another embodiment of the present invention.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은, 기존의 동공 직사형(Direct retinal projection-type) 증강현실 장치에 마련되는 영상 결합기(Image combiner)의 설명에 제공된 도면이다.1 is a view provided for explanation of an image combiner provided in an existing direct retinal projection-type augmented reality device.

동공 직사형(Direct retinal projection-type) 증강현실 장치는 도 1에 예시된 바와 같이 투사계에서 출광된 영상 광선빔들을 사용자의 눈 앞에 위치한 영상 결합기(Image combiner)에서 반사 또는 회절시켜 사용자의 동공 위치에 집광시키는 광학 구조로 이루어진다. The direct retinal projection-type augmented reality device reflects or diffracts the image ray beams emitted from the projection system by an image combiner located in front of the user's eyes as illustrated in FIG. 1 to position the user's pupil. It consists of an optical structure that focuses on the

이때, 영상 결합기는 일반 구면/비구면 거울 및 반거울, 홀로그래픽 광학소자, 회절광학소자, 나노패터닝에 기반한 메타-표면(Meta-surface)형 렌즈 등이 해당할 수 있다. In this case, the image combiner may correspond to a general spherical/aspherical mirror and semi-mirror, a holographic optical device, a diffractive optical device, a meta-surface type lens based on nano-patterning, and the like.

이러한 동공 직사형(Direct retinal projection-type) 증강현실 장치는, 복잡한 광학 구조 없이 넓은 시야각의 영상을 제공할 수 있다는 장점이 있으나, 통상적으로 투사계에서 출광되는 광선빔들의 빔폭이 매우 작고(1mm 이내) 집광되는 특성으로 인하여, 해당 집광지점이 아닌 곳에서는 영상 관측이 불가능하다는 단점을 가지고 있다. Such a direct retinal projection-type augmented reality device has the advantage of providing an image of a wide viewing angle without a complicated optical structure, but the beam width of the light beams emitted from the projection system is usually very small (less than 1 mm). ), because of the condensed characteristics, it has a disadvantage that it is impossible to observe an image at a place other than the corresponding converging point.

특히, 증강현실 장치가 사용자의 머리에 이미 고정되어 있는 상황에서도, 집광지점의 직경이 1mm 수준일 경우 단순한 시선 이동에 따른 동공 회전에 대해서도 영상 관측이 불가하거나 관측되는 영상이 잘려 보이는 등의 문제점이 발생한다. In particular, even in a situation where the augmented reality device is already fixed on the user's head, when the diameter of the converging point is about 1 mm, there are problems such as impossible to observe the image even for pupil rotation due to simple gaze movement or the observed image is cut off. Occurs.

또한, 사용자마다 서로 다른 양안 간격에 대응하기 어렵기 때문에, 개별 사용자의 양안 간격을 측정하여 그에 맞도록 개인별로 최적화하는 별도의 커스텀 과정이 요구됨에 따라, 양산 및 사업화에 있어 생산 단가 상승을 가져올 수 있다. In addition, since it is difficult to respond to different binocular distances for each user, a separate custom process is required to measure the binocular distance of each user and optimize for each individual accordingly, resulting in an increase in production cost in mass production and commercialization have.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치의 설명에 제공된 도면이다. 2 is a view provided for the description of the pupil direct-type augmented reality device according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치는, 도 1을 참조하여 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 동공 직사형 증강현실 장치는, 얇은 필름 형태의 홀로그래픽 광학소자의 산란 기능을 이용하여, 동공 허용 영역인 시역의 크기를 증대시키면서도 종래의 장점인 컴팩트한 광학 구조를 유지할 수 있다.The pupil-directed augmented reality device according to this embodiment has been devised to solve the above-described problems with reference to FIG. By using this, it is possible to increase the size of the viewing area, which is the pupil permissible region, while maintaining a compact optical structure, which is an advantage of the prior art.

이를 위해, 본 동공 직사형 증강현실 장치는, 투사계에서 출광된 광선빔들을 반사 또는 회절시켜 사용자의 동공 위치에 집광시키는 영상 결합기(110) 및 투사계와 영상 결합기(110) 사이에 위치하는 홀로그래픽 광학소자(120)를 포함할 수 있다. To this end, the present pupil-directed augmented reality device is an image combiner 110 that reflects or diffracts light beams emitted from the projection system to focus on the user's pupil position, and a hole located between the projection system and the image combiner 110 . It may include a graphic optical element 120 .

영상 결합기(110)는, 사용자의 눈 앞에 위치되어, 투사계에서 출광된 광선빔들을 반사 또는 회절시켜 사용자의 동공 위치에 집광시킬 수 있다. The image combiner 110 may be located in front of the user's eyes, and may reflect or diffract the light beams emitted from the projection system to focus them on the user's pupil position.

홀로그래픽 광학소자(120)는, 투사계와 영상 결합기(110) 사이에 위치하여, 동공 허용 영역인 시역이 확장되도록 할 수 있다. The holographic optical element 120 may be positioned between the projection system and the image combiner 110 so that a viewing area, which is a pupil-permissive region, is expanded.

구체적으로, 홀로그래픽 광학소자(120)는, 서로 다른 방향에서 입광하는 기준빔 및 신호빔의 간섭 패턴을 홀로그래픽 기록매질(예: 포토폴리머, 광굴절폴리머, 실버할라이드 등)에 기록함으로써 제작될 수 있으며, 이때, 기록된 간섭 패턴은, 홀로그래픽 기록매질 내에 주기적으로 반복되는 형태의 체적 격자(Volume grating)로 구성될 수 있다. Specifically, the holographic optical device 120 may be manufactured by recording interference patterns of a reference beam and a signal beam incident from different directions on a holographic recording medium (eg, photopolymer, photorefractive polymer, silver halide, etc.). In this case, the recorded interference pattern may be composed of a volume grating in the form of periodically repeating in the holographic recording medium.

또한, 홀로그래픽 광학소자(120)는, 투사계에서 출광된 광선빔들의 재생 시, 광선의 빔폭이 확대되도록, 입광하는 광선빔이 체적 격자의 브래그 조건(Bragg condition)을 만족할 경우, 회절 현상을 통하여 재생빔이 출력되도록 하고, 입광하는 광선빔이 기록된 체적 격자의 브래그 조건에서 벗어날 경우, 별도의 회절을 발생하지 않고 그대로 투과되도록 함으로써, 투명한 산란층(디퓨저)의 역할을 수행할 수 있다. In addition, the holographic optical element 120, when reproducing the light beams emitted from the projection system, so that the beam width of the light beam is expanded, when the incoming light beam satisfies the Bragg condition of the volumetric grating, the diffraction phenomenon By allowing the reproduction beam to be output through and allowing the incoming light beam to be transmitted as it is without generating separate diffraction when it deviates from the Bragg condition of the recorded volume grating, it can serve as a transparent scattering layer (diffuser).

즉, 홀로그래픽 광학소자(120)는, 재생 단계에서 입광하는 투사빔이 체적 격자의 브래그 조건(Bragg condition)을 만족할 경우 회절 현상을 통하여 재생빔을 출력하게 되는데, 만일 입광하는 빛이 기록된 체적 격자의 브래그 조건에서 벗어날 경우, 별도의 회절은 발생하지 않고 그대로 투과하게 되는 특성을 가지게 되며 이를 파장 및 각도 선택성이라 한다. That is, the holographic optical element 120 outputs the reproduction beam through a diffraction phenomenon when the incident beam in the reproduction step satisfies the Bragg condition of the volume grating. When the grating deviates from the Bragg condition, separate diffraction does not occur and transmits as it is, which is called wavelength and angle selectivity.

상기 선택성으로 인하여 홀로그래픽 광학소자(120)는 투명하고 얇은 필름 형태로도 특정 광학소자의 기능을 대체할 수 있으며, 본 발명에서는 투명한 산란층(디퓨저)의 역할을 수행하여 동공 직사형 증강현실 장치에서 광선의 빔폭을 확대하는 역할을 하게 되는 것이다. Due to the selectivity, the holographic optical element 120 can replace the function of a specific optical element even in the form of a transparent and thin film. It serves to broaden the beam width of the ray.

도 3은, 상기 도 2의 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자(120)의 설명에 제공된 도면이다. FIG. 3 is a view provided for explanation of the holographic optical device 120 according to the embodiment of FIG. 2 .

도 3에 예시된 바와 같이 홀로그래픽 광학소자(120)는, 특정 각도(

Figure pat00001
)에서 입광하는 광선빔들(B1)이 영상 결합기(110) 방향으로 기설정된 각도 범위(θ d)만큼 산란 및 확산(B2)되도록 하며, 이때, 눈동자가 위치하면 영상 결합기(110) 및 홀로그래픽 광학소자(120)를 거친 후의 광선빔들에 의해 영상이 보이는 영역인 아이 박스(Eye-box)의 폭은, 산란 및 확산되는 기설정된 각도 범위가 커질수록, 크게 형성될 수 있다. As illustrated in FIG. 3 , the holographic optical element 120 has a specific angle (
Figure pat00001
) so that the light beams B1 incident on the image combiner 110 are scattered and diffused (B2) by a preset angular range ( θ d) in the direction, at this time, when the pupil is located, the image combiner 110 and the holographic The width of the eye-box, which is a region in which an image is viewed by the light beams after passing through the optical element 120 , may be formed larger as the scattering and diffusion preset angle range increases.

또한, 홀로그래픽 광학소자(120)는, 일종의 단방향성 디퓨저(Unidirectional diffuser)의 기능을 수행하도록, 실사 환경에서 출발하거나, 또는 회절광이 영상결합기를 거쳐 되돌아오는 광선빔(B3)이 체적 격자의 브래그 조건에서 벗어남에 따라 회절 및 왜곡 없이 투과(B4)되어 사용자의 동공으로 입사되도록 할 수 있다. In addition, the holographic optical element 120, to perform a kind of unidirectional diffuser (Unidirectional diffuser), the light beam (B3) from the real-world environment, or the diffracted light returns through the image combiner of the volume grating As it departs from the Bragg condition, it can be transmitted (B4) without diffraction and distortion to be incident into the user's pupil.

즉, 홀로그래픽 광학소자(120)는 특정 각도(

Figure pat00002
)에서 입광하는 광선빔들(B1)을 영상 결합기(110) 방향으로 θ d의 각도 범위로 산란 및 디퓨징(확산)시키게 되며(B2), 이때 디퓨징 각도가 커질수록 영상 결합기(110)를 거친 후의 최종 Eye-box 폭을 확대시킬 수 있다. That is, the holographic optical element 120 has a specific angle (
Figure pat00002
) is scattering and diffusing (diffusing) the light beams B1 incident on the image combiner 110 in the angular range of θ d in the direction (B2), and at this time, as the diffusing angle increases, the image combiner 110 is You can enlarge the final eye-box width after roughing.

이를 통해, 일반 사용자에게 불편함을 주던 동공 허용 영역의 크기를 증대시켜 동기술 기반 장치 사용 시 동공을 자유롭게 움직여도 영상이 잘림없이 관측 가능하므로 사용자의 불편감을 해소할 수 있으며, 다양한 양안 간격에 대응할 수 있도록 시역 설계 시의 마진을 확보함으로써 대량 생산 시 사용자 맞춤형 디자인의 제한을 벗어나 생산 단가를 절감할 수 있다. Through this, the size of the pupil permissible area, which was inconvenient to general users, is increased, so that the image can be observed without being clipped even when the pupil is moved freely when using the device based on the same technology. By securing a margin at the time of designing the city area, it is possible to reduce the production cost by escaping the limitation of user-customized design in mass production.

한편, 반대편에서, 즉 실사 환경에서 출발하거나, 디퓨징된 회절광이 영상 결합기(110)를 거쳐 되돌아오는 광선빔(B3)의 경우 HOE의 브래그 조건에서 벗어남에 따라 회절 및 왜곡 없이 투과(B4)하여, 사용자의 동공으로 입사가 가능하다. 따라서 본 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자(120)는 일종의 단방향성 디퓨저(Unidirectional diffuser)의 기능을 수행하는 투명한 필름형 광학소자(120)로 이용될 수 있다. On the other hand, in the case of a ray beam (B3) from the other side, that is, from the real-world environment, or from which the diffused diffracted light returns through the image combiner 110, as it departs from the Bragg condition of the HOE, it is transmitted without diffraction and distortion (B4) Thus, it is possible to enter the user's pupil. Therefore, the holographic optical device 120 according to the present embodiment may be used as a transparent film-type optical device 120 that functions as a kind of unidirectional diffuser.

도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치의 설명에 제공된 도면이다. 4 is a view provided for the description of the pupil direct-type augmented reality device according to another embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치는, 홀로그래픽 광학소자(120)로 구현된 매우 컴팩트한 디자인으로 구현되기 위해, 사용자의 눈 앞에 위치되어, 투사계에서 출광된 광선빔들을 반사 또는 회절시켜 확산시키는 제1 홀로그래픽 광학소자(210) 및 제1 홀로그래픽 광학소자(210)에서 소정의 갭(gap)을 갖도록 이격되어, 확산된 광선빔들을 집광시켜 사용자에게 전달하는 제2 홀로그래픽 광학소자(220)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the pupil-directed augmented reality device according to this embodiment is positioned in front of the user's eyes to be implemented with a very compact design implemented with the holographic optical element 120, and is emitted from the projection system. The first holographic optical element 210 and the first holographic optical element 210 that reflect or diffract the light beams are spaced apart to have a predetermined gap, and the diffused light beams are condensed and delivered to the user. It may include a second holographic optical element 220 .

즉, 두 개의 홀로그래픽 광학소자(210, 220)가 약간의 갭(gap)을 두고 레어이드된 형태로 배치될 수 있다. That is, the two holographic optical elements 210 and 220 may be arranged in a layered form with a slight gap.

이때, 제1 홀로그래픽 광학소자(210) 및 제2 홀로그래픽 광학소자(220)는, 상호 간의 이격된 갭의 크기가 커질수록, 동공 허용 영역인 시역이 크게 확장될 수 있다. In this case, as the size of the gap between the first holographic optical device 210 and the second holographic optical device 220 increases, the viewing area, which is the pupil-allowing region, may be greatly expanded.

구체적으로, 제1 홀로그래픽 광학소자(210) 및 제2 홀로그래픽 광학소자(220)는, 동일한 사양의 제1 홀로그래픽 광학소자(210)를 사용하더라도 상호 간의 이격된 갭의 크기를 조절함으로써, 제2 홀로그래픽 광학소자(220)로의 입광 면적을 조절할 수 있어 전체 시역을 조절하는 용도로 활용될 수 있다. Specifically, the first holographic optical element 210 and the second holographic optical element 220 adjust the size of the gap spaced apart from each other even when the first holographic optical element 210 of the same specification is used. Since the light incident area to the second holographic optical element 220 can be adjusted, it can be used to adjust the entire viewing area.

즉, 갭을 크게 설계 할 경우 전체 시스템의 시역을 보다 키울 수 있는 유연한 설계가 가능할 수 있다. In other words, if the gap is designed to be large, a flexible design that can increase the viewing area of the entire system may be possible.

한편, 제2 홀로그래픽 광학소자(220)는, 렌즈형 홀로그래픽 광학소자(120)로 구현되는 경우, 광성능이 측면부에서 왜곡 및 저하되는 것을 방지하도록, 비축(Off-axis)이 아닌 정축(On-axis)으로 동작하는 렌즈로 구성될 수 있다. On the other hand, when the second holographic optical element 220 is implemented as the lens-type holographic optical element 120, the optical performance is not distorted and deteriorated in the side part, so that it is not off-axis. It may be composed of a lens that operates on-axis.

즉, 제2 홀로그래픽 광학소자(220)는, 기존의 구조에서는 비축(Off-axis)으로 구동하던 광학 시스템으로 인하여 렌즈형 홀로그래픽 광학소자(120)의 광성능이 측면부에서 매우 왜곡/저하되는 한계점을 극복할 수 있다. That is, in the second holographic optical element 220, the optical performance of the lens-type holographic optical element 120 is greatly distorted/degraded in the side part due to the optical system driven off-axis in the existing structure. limitations can be overcome.

정리하면, 도 4의 구조에서 제2 홀로그래픽 광학소자(220)가, 정축으로 동작 시 일반 렌즈와 거의 동일한 광학적 성능을 제공할 수 있다는 점을 이용하여, 측면부에서 왜곡 및 저하되는 한계점을 극복하기 위해, 비축이 아닌 정축(On-axis)으로 동작하는 렌즈로 구성될 수 있다. In summary, in the structure of FIG. 4 , the second holographic optical element 220 can provide almost the same optical performance as a general lens when operating in the normal axis to overcome the limitations of distortion and deterioration in the side part. For this purpose, it may be configured as a lens operating in an on-axis rather than an off-axis.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described, but the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and it is common in the technical field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications may be made by those having the knowledge of, of course, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.

110 : 영상 결합기(Image combiner)
120 : 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE)
210 : 제1 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE)
220 : 제2 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE)
110: Image combiner
120: Holographic optical element (Hologrpahic optical element, HOE)
210: first holographic optical element (Hologrpahic optical element, HOE)
220: second holographic optical element (Hologrpahic optical element, HOE)

Claims (8)

사용자의 눈 앞에 위치되어, 투사계에서 출광된 광선빔들을 반사 또는 회절시켜 사용자의 동공 위치에 집광시키는 영상 결합기(Image combiner); 및
동공 허용 영역인 시역이 확장되도록, 투사계와 영상 결합기 사이에 위치하는 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE);를 포함하는 동공 직사형 증강현실 장치.
an image combiner positioned in front of the user's eyes, reflecting or diffracting the light beams emitted from the projection system, and condensing them on the user's pupil position; and
A holographic optical element (Hologrpahic optical element, HOE) positioned between the projection system and the image combiner so that the viewing area, which is the pupil-permissive region, is expanded.
청구항 1에 있어서,
홀로그래픽 광학소자는,
서로 다른 방향에서 입광하는 기준빔 및 신호빔의 간섭 패턴을 홀로그래픽 기록매질에 기록함으로써 제작되며,
기록된 간섭 패턴은,
홀로그래픽 기록매질 내에 주기적으로 반복되는 형태의 체적 격자(Volume grating)로 구성되는 것을 특징으로 하는 동공 직사형 증강현실 장치.
The method according to claim 1,
The holographic optical element,
It is produced by recording the interference patterns of a reference beam and a signal beam incident from different directions on a holographic recording medium,
The recorded interference pattern is
A pupil-directed augmented reality device, characterized in that it is composed of a volume grating of a periodically repeated form in a holographic recording medium.
청구항 2에 있어서,
홀로그래픽 광학소자는,
투사계에서 출광된 광선빔들의 재생 시, 광선의 빔폭이 확대되도록, 입광하는 광선빔이 체적 격자의 브래그 조건(Bragg condition)을 만족할 경우, 회절 현상을 통하여 재생빔이 출력되도록 하고, 입광하는 광선빔이 기록된 체적 격자의 브래그 조건에서 벗어날 경우, 별도의 회절을 발생하지 않고 그대로 투과되도록 함으로써, 투명한 산란층(디퓨저)의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 동공 직사형 증강현실 장치.
3. The method according to claim 2,
The holographic optical element,
When the light beams emitted from the projection system are reproduced, the reproduction beam is output through diffraction phenomenon when the incoming light beam satisfies the Bragg condition of the volumetric grating so that the beam width of the light beam is enlarged, and the incoming light beam When the beam deviates from the Bragg condition of the recorded volume grating, it transmits as it is without generating a separate diffraction, thereby acting as a transparent scattering layer (diffuser).
청구항 3에 있어서,
홀로그래픽 광학소자는,
특정 각도에서 입광하는 광선빔들이 영상 결합기 방향으로 기설정된 각도 범위만큼 산란 및 확산되도록 하며,
눈동자가 위치하면 영상 결합기 및 홀로그래픽 광학소자를 거친 후의 광선빔들에 의해 영상이 보이는 영역인 아이 박스(Eye-box)의 폭은,
산란 및 확산되는 기설정된 각도 범위가 커질수록, 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 동공 직사형 증강현실 장치.
4. The method of claim 3,
The holographic optical element,
so that light beams incident at a specific angle are scattered and diffused by a predetermined angular range in the direction of the image combiner,
When the pupil is positioned, the width of the eye-box, the area where the image is visible by the light beams after passing through the image combiner and the holographic optical element, is,
As the scattering and diffusion preset angle range increases, the pupil direct type augmented reality device is formed to be larger.
청구항 4에 있어서,
홀로그래픽 광학소자는,
일종의 단방향성 디퓨저(Unidirectional diffuser)의 기능을 수행하도록, 실사 환경에서 출발하거나, 또는 회절광이 영상결합기를 거쳐 되돌아오는 광선빔이 체적 격자의 브래그 조건에서 벗어남에 따라 회절 및 왜곡 없이 투과되어 사용자의 동공으로 입사되도록 하는 것을 특징으로 하는 동공 직사형 증강현실 장치.
5. The method according to claim 4,
The holographic optical element,
In order to perform the function of a kind of unidirectional diffuser, as the light beam that starts from the real-world environment or the diffracted light returns through the image combiner deviates from the Bragg condition of the volumetric grating, it is transmitted without diffraction and distortion, so that the user's A pupil-directed augmented reality device, characterized in that it is incident into the pupil.
사용자의 눈 앞에 위치되어, 투사계에서 출광된 광선빔들을 반사 또는 회절시켜 확산시키는 제1 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE); 및
제1 홀로그래픽 광학소자에서 소정의 갭(gap)을 갖도록 이격되어, 확산된 광선빔들을 집광시켜 사용자에게 전달하는 제2 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE);를 포함하는 동공 직사형 증강현실 장치.
a first holographic optical element (Hologrpahic optical element, HOE) which is located in front of the user's eyes and diffuses the light beams emitted from the projection system by reflecting or diffracting them; and
Direct pupil enhancement including; a second holographic optical element (Hologrpahic optical element, HOE) that is spaced apart to have a predetermined gap in the first holographic optical element, condenses the diffused light beams and delivers them to the user; real device.
청구항 6에 있어서,
제1 홀로그래픽 광학소자 및 제2 홀로그래픽 광학소자는,
상호 간의 이격된 갭의 크기가 커질수록, 동공 허용 영역인 시역이 크게 확장되는 것을 특징으로 하는 동공 직사형 증강현실 장치.
7. The method of claim 6,
The first holographic optical element and the second holographic optical element,
As the size of the mutually spaced gap increases, the viewing area, which is the pupil permissible region, is greatly expanded.
청구항 7에 있어서,
제2 홀로그래픽 광학소자는,
렌즈형 홀로그래픽 광학소자로 구현되는 경우, 광성능이 측면부에서 왜곡 및 저하되는 것을 방지하도록, 비축(Off-axis)이 아닌 정축(On-axis)으로 동작하는 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 동공 직사형 증강현실 장치.
8. The method of claim 7,
The second holographic optical element,
When implemented as a lens-type holographic optical element, the pupil, characterized in that it is composed of a lens that operates in an on-axis rather than an off-axis to prevent distortion and deterioration of optical performance in the side part A direct augmented reality device.
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