KR20240013445A - Optical device for augmented reality with expanded eyebox using diffractive optical elements - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 회절 광학 소자를 이용한 아이박스 확장형 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단; 상기 제1 광학 수단에 배치되며, 상기 제1 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 제1 광학 소자; 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및 상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자를 포함하고, 상기 제1 광학 소자는, 회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자이고, 상기 제1 광학 소자는, 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 광학 수단에 배치되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.The present invention is an optical device for eyebox expanded augmented reality using a diffractive optical element, comprising: a first optical means through which virtual image light emitted from an image emitting unit travels; a first optical element disposed in the first optical means and emitting virtual image light traveling through the inside of the first optical means to the second optical means; a second optical means for transmitting real object image light emitted from a real object to the pupil of the user's eye, and through which virtual image image light emitted from the first optical element travels; and a plurality of second optical elements embedded in the second optical means and providing a virtual image to the user by transmitting virtual image light traveling through the second optical means to the pupil of the user's eye. The first optical element is a diffractive optical element or a holographic optical element, the first optical element extends in a first direction and is disposed in the first optical means, and the plurality of second optical elements are, An optical device for augmented reality is provided, which is disposed at intervals in a second direction within the second optical means.
Description
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회절 광학 소자를 이용하여 확장된 아이박스를 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical device for augmented reality, and more specifically, to an optical device for augmented reality that can provide an expanded eye box using a diffractive optical element.
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 제공하는 기술을 의미한다.As is well known, Augmented Reality (AR) refers to virtual image information augmented from visual information in the real world by providing virtual images provided by computers, etc., over real images in the real world. It refers to the technology 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) 방식 등이 알려져 있다.A device for implementing such augmented reality requires an optical combiner that allows virtual images to be observed simultaneously with actual images in the real world. As such optical synthesizers, the half mirror method and the holographic/diffractive optical elements (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 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 쉽게 낮아질 수도 있는 한계가 있다.The semi-mirror method has problems in that the transmittance of the virtual image is low and that it is difficult to provide a comfortable fit because the volume and weight are increased to provide a wide viewing angle. In order to reduce volume and weight, technologies such as LOE (Light guide Optical Element), which places a plurality of small semi-mirrors inside a waveguide, have been proposed, but these technologies also require that the image light of the virtual image travels through the semi-mirrors inside the waveguide. The manufacturing process is complicated because it must be passed multiple times, and there is a limitation in that optical uniformity can easily 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 도파로와 함께 사용되는 경우가 많은데, 따라서 마찬가지의 문제점도 여전히 가지고 있다.In addition, the holographic/diffractive optical device method generally uses nanostructured grids or diffraction gratings, but since these are manufactured through very precise processes, they have limitations in that the manufacturing cost is high and the yield for mass production is low. Additionally, it has limitations in terms of color uniformity and low image clarity due to differences in diffraction efficiency depending on the wavelength band and angle of incidence. Holographic/diffractive optical elements are often used in conjunction with waveguides such as the LOE described above, and therefore still suffer from the same problems.
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 하고 또한 초점 거리 제어를 위한 별도의 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다는 점에서 문제가 있다.Additionally, conventional optical synthesizers have a limitation in that the virtual image becomes out of focus when the user changes the focal distance while gazing at the real world. To solve this problem, a technology has been proposed that uses a prism that can adjust the focal length of the virtual image or a variable focus lens that can electrically control the focal length. However, this technology also has problems in that the user must perform separate operations to adjust the focal distance and also requires separate hardware and software for controlling the focal distance.
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(선행기술문헌 1 참조).In order to solve these problems of the prior art, the present applicant has developed a technology to project a virtual image onto the retina through the pupil using a pin mirror-shaped reflection unit smaller than the human pupil ( (See Prior Art Document 1).
도 1은 선행기술문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing an
도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10) 및 반사부(20)를 포함한다.The
화상 출사부(30)는 가상 영상 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 가상 영상을 화면에 표시하고 표시된 가상 영상에 상응하는 가상 영상 화상광을 출사하는 마이크로 디스플레이 장치와 마이크로 디스플레이 장치로부터 출사하는 화상광을 반사부(20)로 전달하는 광 변환부를 구비할 수 있다. 여기에서, 광 변환부는 가상 영상 화상광이 의도된 광 경로 및 초점 거리를 따라 출사되도록 하는 수단으로서, 예컨대 가상 영상을 확대시킬 수 있도록 입사하는 가상 영상 화상광을 반사하여 출사하는 오목 거울이거나 입사광을 평행광으로 변환하여 출사하는 콜리메이터와 같은 광학 소자일 수 있다.The
광학 수단(10)은 실제 세계의 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광을 동공(40)으로 투과시키는 한편 반사부(20)에서 반사된 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 출사하는 기능을 수행하는 수단이다.The
광학 수단(10)은 예컨대 안경 렌즈와 같은 투명 수지(resin)재로 형성될 수 있으며, 안경테와 같은 프레임(미도시)에 의해 고정될 수 있다.The
반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 반사시켜 사용자의 동공(40)을 향해 전달하는 수단이다.The
반사부(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다.The
도 1의 반사부(20)는 사람의 동공보다 작은 크기로 형성된다. 사람의 일반적인 동공의 크기는 4~8mm 정도인 것으로 알려져 있으므로, 반사부(20)는 바람직하게는 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하의 크기로 형성한다.The
반사부(20)를 8mm 이하로 형성함으로써, 반사부(20)를 통해 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 매우 깊게 할 수 있다. By forming the
여기서, 심도라 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, depth refers to the range recognized as being in focus. As the depth of field deepens, the range of focal distance for the virtual image correspondingly widens. Therefore, even if the user changes the focal distance to the real world while gazing at the real world, the virtual image is always recognized as being in focus regardless. This can be seen as a kind of pinhole effect.
따라서, 사용자가 실제 사물에 대한 초점 거리를 변경하더라도 사용자는 항상 선명한 가상 영상을 관찰할 수 있다.Therefore, even if the user changes the focal distance to the real object, the user can always observe a clear virtual image.
도 2 내지 도 4는 선행기술문헌 2에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.FIGS. 2 to 4 are diagrams showing the
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 모듈로 구성되어 어레이(array) 형태로 광학 수단(10) 내부에 배치된다는 점과, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광이 광학 수단(10) 내면에서 전반사되어 반사부(20)로 전달된다는 점에서 차이가 있다.The optical device for augmented
도 2 내지 도 4에서 도면 부호 21 내지 26은 도 2에서와 같이 측면에서 보여지는 반사 모듈들만을 표기한 것이며, 반사부(20)는 복수개의 반사 모듈 전체를 통칭한 것이다.In FIGS. 2 to 4 ,
복수개의 반사 모듈들 각각은 전술한 바와 같이 바람직하게는 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하의 크기로 형성된다.As described above, each of the plurality of reflection modules is preferably formed to have a size of 8 mm or less, and more preferably 4 mm or less.
도 2 내지 도 4에서, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사된 후 반사 모듈들로 전달되고, 반사 모듈들은 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 동공(40)으로 전달한다.2 to 4, the virtual image light emitted from the
따라서, 반사 모듈들은 화상 출사부(30) 및 동공(40)의 위치를 고려하여 도시된 바와 같이 광학 수단(10)의 내부에서 적절한 경사각을 가지도록 배치되어야 한다. Therefore, the reflection modules must be arranged to have an appropriate inclination angle inside the
이러한 증강 현실용 광학 장치(200)는, 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)에 비해 아이박스를 넓힐 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 증강 현실용 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 가로축 방향(x축 방향)의 아이박스는 화상 출사부(30)에 포함된 광 변환부의 길이에 의해 결정되고, 세로축 방향(y축 방향)의 아이박스는 반사부(21~26)의 배치 구조에 의해 결정된다. This
따라서, 가로축 방향으로의 아이박스를 확장하기 위해서는 가로축 방향으로의 길이가 보다 긴 광 변환부를 사용해야 하지만, 광 변환부의 길이가 길어질 수록 크기, 무게, 부피 등의 폼 팩터가 커지고, 광경로의 설계가 복잡해진다는 문제가 있다.Therefore, in order to expand the eyebox in the horizontal direction, an optical converter with a longer horizontal axis must be used. However, as the length of the optical converter increases, the form factor such as size, weight, and volume increases, and the design of the optical path becomes more difficult. The problem is that it becomes complicated.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 회절 광학 소자를 이용하여 확장된 아이박스를 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the problems described above, and aims to provide an optical device for augmented reality having an expanded eye box using a diffractive optical element.
특히, 본 발명은, 폼 팩터를 유지하면서도 x축 및 y축의 2차원의 아이박스를 확장시킬 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In particular, the purpose of the present invention is to provide an optical device for augmented reality that can expand the two-dimensional eyebox of the x-axis and y-axis while maintaining the form factor.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 회절 광학 소자를 이용한 아이박스 확장형 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단; 상기 제1 광학 수단에 배치되며, 상기 제1 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 제1 광학 소자; 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및 상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자를 포함하고, 상기 제1 광학 소자는, 회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자이고, 상기 제1 광학 소자는, 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 광학 수단에 배치되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.In order to solve the problems described above, the present invention is an optical device for eye-box expansion type augmented reality using a diffractive optical element, comprising: a first optical means through which virtual image light emitted from an image emitter travels through the interior; a first optical element disposed in the first optical means and emitting virtual image light traveling through the inside of the first optical means to the second optical means; a second optical means for transmitting real object image light emitted from a real object to the pupil of the user's eye, and through which virtual image image light emitted from the first optical element travels; and a plurality of second optical elements embedded in the second optical means and providing a virtual image to the user by transmitting virtual image light traveling through the second optical means to the pupil of the user's eye. The first optical element is a diffractive optical element or a holographic optical element, the first optical element extends in a first direction and is disposed in the first optical means, and the plurality of second optical elements are, An optical device for augmented reality is provided, which is disposed at intervals in a second direction within the second optical means.
여기에서, 상기 제1 방향은, 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.Here, the first direction may be a direction parallel to any one of line segments included in a plane perpendicular to a straight line in the frontal direction from the pupil.
또한, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 평행하지 않은 방향일 수 있다.Additionally, the second direction may be a direction that is not parallel to the first direction.
또한, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직할 수 있다.Additionally, the second direction may be perpendicular to the first direction.
또한, 상기 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면은, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 사용자의 동공에서 관측될 수 있는 2차원 평면일 수 있다.Additionally, the virtual plane formed by the first direction and the second direction may be a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil when the augmented reality optical device is placed in front of the user's pupil.
또한, 상기 제2 방향은 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.Additionally, the second direction may be a direction parallel to any one of line segments perpendicular to the first direction among line segments included in a plane perpendicular to a straight line in the frontal direction from the pupil.
또한, 상기 제1 광학 수단의 제1 방향의 일단부에는 화상 출사부가 배치될 수 있다.Additionally, an image emitting unit may be disposed at one end of the first optical means in the first direction.
또한, 상기 제1 광학 소자는, 상기 제1 광학 수단의 상면, 하면 또는 내부에 배치될 수 있다.Additionally, the first optical element may be disposed on the top, bottom, or inside of the first optical means.
또한, 상기 제1 광학 소자는, 증강 현실용 광학 장치를 동공 정면에 두고 측면에서 보았을 때 제2 방향에 대해 경사각을 가지도록 제1 광학 수단에 배치될 수 있다.Additionally, the first optical element may be disposed in the first optical means to have an inclination angle with respect to the second direction when viewed from the side with the augmented reality optical device in front of the pupil.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자 각각은, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 상기 제2 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다.Additionally, each of the plurality of second optical elements may be arranged to be inclined inside the second optical means so as to transmit virtual image light traveling through the inside of the second optical means to the pupil.
또한, 상기 제2 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고, 상기 제1 광학 소자에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자로 전달되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단의 내부에서 경사각을 가지고 배치될 수 있다.In addition, the second optical means has a first surface on which virtual image image light and real object image light are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite the first surface and on which real object image light is incident, The virtual image light emitted from the first optical element is totally reflected on the second surface of the second optical means and transmitted to a plurality of second optical elements, and the plurality of second optical elements are of the second optical means. It may be disposed at an inclination angle inside the second optical means so that the virtual image light transmitted by total reflection from the second surface can be transmitted to the pupil.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제1 방향으로 연장 형성되는 판 형상일 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may have a plate shape extending in the first direction.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 정면에서 보았을 때의 높이가 4mm 이하일 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may have a height of 4 mm or less when viewed from the front.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.Additionally, each of the plurality of second optical elements may be composed of a plurality of optical modules.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 정면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.Additionally, each of the plurality of second optical elements may be composed of a plurality of optical modules arranged to be spaced apart from each other and appear in an array form when the augmented reality optical device is viewed from the front.
또한, 상기 복수개의 광학 모듈의 크기는 4mm 이하일 수 있다.Additionally, the size of the plurality of optical modules may be 4 mm or less.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단일 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may be reflection means that reflect incident light.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may be half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of it.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성될 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may be any one of a refractive element, a diffractive element, and a holographic optical element, or may be configured by a combination thereof.
또한, 상기 제1 광학 수단과 제2 광학 수단은 일체로 형성될 수 있다.Additionally, the first optical means and the second optical means may be formed integrally.
본 발명에 의하면, 회절 광학 소자를 이용하여 확장된 아이박스를 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an optical device for augmented reality having an expanded eye box using a diffractive optical element.
특히, 본 발명은, 폼 팩터를 유지하면서도 x축 및 y축의 2차원의 아이박스를 확장시킬 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.In particular, the present invention can provide an optical device for augmented reality that can expand the two-dimensional eyebox of the x-axis and y-axis while maintaining the form factor.
도 1은 선행기술문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 선행기술문헌 2에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 사시도이고, 도 6은 정면도이고, 도 7은 측면도이다.
도 8은 제2 광학 소자(20)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 2 내지 도 4의 종래의 광학 장치(200)에서의 제1 방향(x축 방향)에 대한 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 정면도이다.
도 10은 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)에서의 제1 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7의 A로 나타낸 방향으로 바라보았을 때의 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 11은 사시도이고, 도 12는 정면도이고, 도 13은 측면도이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 14는 사시도이고, 도 15는 정면도이고, 도 16은 측면도이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(600)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 17은 사시도이고, 도 18은 정면도이고, 도 19는 측면도이다.FIG. 1 is a diagram showing an
FIGS. 2 to 4 are diagrams showing the
FIGS. 5 to 7 are diagrams for explaining the
FIG. 8 is a diagram for explaining the arrangement structure of the second
FIG. 9 is a diagram for explaining the eye box in the first direction (x-axis direction) in the conventional
FIG. 10 is a diagram for explaining the eyebox in the first direction in the
FIGS. 11 to 13 are diagrams for explaining an
FIGS. 14 to 16 are diagrams for explaining an
FIGS. 17 to 19 are diagrams for explaining an
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 회절 광학 소자를 이용한 아이박스 확장형 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 사시도이고, 도 6은 정면도이고, 도 7은 측면도이다.FIGS. 5 to 7 are diagrams for explaining an eyebox extended augmented reality
다만, 도 7에서 설명의 편의를 위해 화상 출사부(30)는 투명한 것으로 나타내었다.However, in FIG. 7 , the
도 5 내지 도 7을 참조하면, 회절 광학 소자를 이용한 아이박스 확장형 증강 현실용 광학 장치(300, 이하 간단히 "광학 장치(300)"라 한다)는, 제1 광학 수단(50), 제1 광학 소자(60), 제2 광학 수단(10) 및 제2 광학 소자(20)를 포함한다.Referring to FIGS. 5 to 7, the
제1 광학 수단(50)은, 화상 출사부(30)로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 수단으로서, 도파관(waveguide)의 역할을 수행한다.The first optical means 50 is a means through which the virtual image light emitted from the
제1 광학 수단(50)에는 후술하는 바와 같이 제1 광학 소자(60)가 배치된다.A first
도 5 내지 도 7에서는, 제1 광학 소자(60)는 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 위에 배치되어 있다.5 to 7, the first
제1 광학 수단(50)은 도시된 바와 같이 대체로 직육면체 형상을 가질 수 있으며, 투명한 수지재나 유리 소재로 형성될 수 있다.The first optical means 50 may have a substantially rectangular parallelepiped shape as shown, and may be made of a transparent resin material or glass material.
제1 광학 수단(50)의 일단부에는 도시된 바와 같이 화상 출사부(30)가 배치된다.An
화상 출사부(30)는, 가상 영상(virtual image)에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단이다. 여기에서, 가상 영상이란 사용자에게 제공되는 증강 현실용 화상을 의미하며, 이미지 또는 동영상일 수 있다. The
화상 출사부(30)는, 소형의 LCD, OLED, LCoS, 마이크로 LED 등과 같이 종래 알려져 있는 가상 영상을 표시하는 디스플레이부와 디스플레이부에서 출사되는 가상 영상 화상광을 제1 광학 소자(60)로 전달하는 광 변환부(미도시)를 포함할 수 있다. The
배경 기술 항목에서 설명한 바와 같이, 광 변환부는 가상 영상 화상광이 의도된 광 경로 및 초점 거리를 따라 출사되도록 하는 수단으로서, 예컨대 가상 영상을 확대시킬 수 있도록 입사하는 가상 영상 화상광을 반사하여 출사하는 오목 거울이거나 입사광을 평행광으로 변환하여 출사하는 콜리메이터와 같은 광학 소자일 수 있다.As explained in the background technology section, the light conversion unit is a means for emitting virtual image light along the intended optical path and focal distance, for example, reflecting and emitting incident virtual image light to enlarge the virtual image. It may be a concave mirror or an optical element such as a collimator that converts incident light into parallel light and emits it.
화상 출사부(30)는, 디스플레이부 및 광 변환부 이외에 이들과 결합하는 반사 수단, 굴절 수단 및 회절 수단 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 구성될 수도 있다.The
이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.Since the
가상 영상 화상광은 화상 출사부(30)로부터 출사되어 제1 광학 수단(50)의 내부에서 전반사되어 제1 광학 소자(60)로 전달될 수 있다. 도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 및 하면(52)에서 전반사되어 제1 광학 소자(60)로 전달된다.The virtual image image light may be emitted from the
이 경우, 화상 출사부(30)의 표면이 제1 광학 수단(50)의 상면(51)을 향하도록 경사지게 배치되고, 화상 출사부(30)가 배치되는 제1 광학 수단(50)의 일단부도 화상 출사부(30)의 경사각에 상응하도록 경사지게 형성될 수 있다.In this case, the surface of the
다만, 이는 예시적인 것이며, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 전반사 없이 제1 광학 소자(60)로 직접 전달될 수 있다. 이러한 경우, 화상 출사부(30)와 제1 광학 수단(50)의 형상 및 경사각은 다른 형태 및 배치 구조를 가질 수 있음은 물론이다.However, this is an example, and the virtual image light emitted from the
제1 광학 소자(60)는, 제1 광학 수단(50)에 배치되며, 제1 광학 수단(50) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 출사하는 기능을 수행한다.The first
제1 광학 소자(60)는, 도시된 바와 같이 제1 방향으로 연장된 얇은 판(plate) 형태로 형성되어 제1 광학 수단(50)에 배치될 수 있다. 여기에서, 상기 얇은 판의 법선은 후술하는 바와 같이 제2 광학 수단(10)의 제2 면(20)을 향하도록 배치될 수 있다.The first
도 5 내지 도 7에서 제1 광학 소자(60)는 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 위 즉, 상면(51) 바깥쪽에 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 상면(51) 안쪽에 배치될 수도 있다.5 to 7, the first
또한, 후술하는 실시예에서와 같이 제1 광학 수단(50)의 하면(52)의 바깥쪽 또는 안쪽에 배치될 수도 있다. 또한, 제1 광학 수단(50)의 내부에 배치될 수도 있다.Additionally, as in an embodiment described later, it may be disposed outside or inside the
제1 광학 수단(50)은 제1 방향으로 연장되는데, 여기에서, "제1 방향"은 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때 관측될 수 있는 가상의 선분에 평행한 방향일 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 평행한 방향을 제외한 임의의 방향일 수 있다.The first optical means 50 extends in a first direction, where “first direction” refers to the angle observed when the
또한, 제1 방향은, 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것이 바람직하다. 도 5 내지 도 7의 실시예에서 제1 방향은 x축 방향에 해당한다.Additionally, the first direction is preferably a direction parallel to any one of the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the frontal direction in the
한편, 본 발명에 있어서, 제1 광학 소자(60)는 회절 광학 소자로 구현된 것을 특징으로 한다. 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element, DOE)란, 회절 현상을 통해 입사광을 굴절 또는 반사시키는 광학 소자를 의미한다. 즉, 회절 광학 소자는 빛의 회절 현상을 이용하여 여러 가지 광학적 기능을 제공하는 광학 소자이다.Meanwhile, in the present invention, the first
회절 광학 소자는 수차(aberration)가 없는 점대점(point-to-point) 이미지 및 평판형 구조가 가능하며 비구면과 같은 수차 조절이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 회절 광학 소자는 수 ㎛의 매우 얇은 두께를 갖지만, 수 mm의 두께를 갖는 일반적인 렌즈나 프리즘, 거울과 유사한 역할을 하기 때문에 광학계의 부피와 무게를 줄이는 데 유리하다.Diffractive optical elements have the advantage of enabling aberration-free point-to-point images and a flat structure, and of being able to control aberrations such as aspherical surfaces. In addition, although the diffractive optical element has a very thin thickness of several μm, it is advantageous in reducing the volume and weight of the optical system because it plays a role similar to a general lens, prism, or mirror with a thickness of several mm.
특히, 회절 광학 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. In particular, due to the wavelength-dependent nature of the diffraction phenomenon, the diffractive optical element operates as a refracting or reflecting element only for light that matches the design wavelength band of the nanostructure, and in other wavelength bands, it is a window that simply passes light. ) plays a role.
회절 광학 소자는 반사형 회절 광학 소자와 투과형 회절 광학 소자로 구분될 수 있으며, 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.Diffractive optical elements can be divided into reflective diffractive optical elements and transmission-type diffractive optical elements. Reflective diffractive elements refer to diffractive elements that utilize the property of reflecting light incident from a specific direction and position, and transmission-type diffractive elements. A diffractive element uses the property of transmitting light incident from a specific direction and position.
본 발명에서는 이러한 회절 광학 소자를 이용하여 제1 광학 소자(60)를 구현함으로써, 화상 출사부(30)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제1 방향으로 복제하여 아이박스를 확장시키는 한편, 입사하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 전달할 수 있다.In the present invention, by implementing the first
이러한 회절 광학 소자, 반사형 회절 광학 소자 및 투과형 회절 광학 소자의 기본적인 구성이나 특성 자체는 종래 기술에 의해 알려져 있으므로 여기서는 상세 설명은 생략한다.Since the basic configuration and characteristics of these diffractive optical elements, reflective diffractive optical elements, and transmission-type diffractive optical elements are known in the prior art, detailed descriptions thereof will be omitted here.
이러한 회절 광학 소자를 이용하면, 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.By using these diffractive optical elements, the brightness of the perspective image is secured by increasing transparency, and since the optical synthesizer structure is not observed from the outside, the appearance of the product is similar to that of regular glasses, providing an optical device for augmented reality with better aesthetics. There is an advantage to being able to do it.
이러한 제1 광학 소자(60)는, 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 전달할 수 있도록 적절한 경사각을 가지고 제1 광학 수단(50)에 배치된다.This first
도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 회절 광학 소자로 구현된 제1 광학 소자(60)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달된다.5 to 7, the virtual image image light emitted from the first
따라서, 도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 제1 광학 소자(60)는, 이러한 광 경로를 고려하여, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 바라 보았을 때 도 7에 나타낸 바와 같이 제2 방향에 대해 경사각을 가지도록 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 바깥쪽에 배치될 수 있다.Accordingly, in the embodiments of FIGS. 5 to 7, the first
여기에서, 제2 방향은, 후술하는 바와 같이, 복수개의 제2 광학 소자(20)가 제2 광학 수단(10)에서 배치되는 방향이다.Here, the second direction is a direction in which the plurality of second
이러한 제2 방향은 제1 방향과 평행하지 않은 방향일 수 있다.This second direction may be a direction that is not parallel to the first direction.
또한, 제2 방향은, 제1 방향에 수직한 방향일 수 있다.Additionally, the second direction may be perpendicular to the first direction.
또한, 제2 방향은, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 증강 현실용 광학 장치(300)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면이 사용자의 동공(40)에서 관측될 수 있는 2차원 평면이 되도록 하는 방향일 수 있다.In addition, the second direction is a virtual direction composed of the first direction and the second direction when the augmented reality
또한, 전술한 바와 같이, 제1 방향은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때, 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있으며, 이 경우 제2 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 상기 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.In addition, as described above, the first direction is parallel to any one of the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the front direction from the
이를 위하여, 도 7에 나타낸 바와 같이, 제2 광학 수단(10)의 상면(13)을 측면에서 보았을 때 경사지도록 형성하고, 제1 광학 수단(50)을 제2 광학 수단(10)의 상면(13)에 배치할 수 있다.To this end, as shown in FIG. 7, the
제1 광학 소자(60)는 예컨대 그 표면이 직사각형 형태인 얇은 판 형상일 수 있다. 이 경우, 측면에서 보았을 때의 제1 광학 소자(60)의 폭 방향의 길이는 화상 출사부(30)의 폭 방향의 길이에 상응하도록 형성하는 것이 바람직하다.For example, the first
또한, 제1 광학 소자(60)는 가상 영상 화상광이 입사 및 출사하는 면이 제1 방향으로 연장 형성되어, 가상 영상 화상광에 대한 아이박스를 제1 방향으로 확장시킨다.In addition, the first
제2 광학 수단(10)은, 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 수단이다. 또한, 제2 광학 수단(10)은 제1 광학 소자(60)로부터 전달되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 도파관으로서의 역할도 수행한다.The second optical means 10 is a means for transmitting real object image light emitted from real objects existing in the real world to the
제2 광학 수단(10) 또한 투명한 수지재나 유리재로 형성될 수 있다.The second optical means 10 may also be made of transparent resin or glass.
제2 광학 수단(10)은 가상 영상 화상광 및 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)과, 제1 광학 수단(50)이 배치되는 제3 면(13)을 갖는다.The second optical means 10 has a
화상 출사부(30) 및 제1 광학 소자(60)을 통해 제2 광학 수단(10)으로 전달된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 동공(40)으로 전달되고, 실제 사물 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12) 및 제1 면(11)을 투과하여 동공(40)으로 전달되기 때문에, 사용자는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광을 동시에 제공받을 수 있고, 이에 의해 증강 현실 서비스를 제공받을 수 있다.The virtual image image light transmitted to the second optical means 10 through the
복수개의 제2 광학 소자(20)는, 제2 광학 수단(10) 내부에 매립 배치되며, 제2 광학 수단(10) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 수단이다.The plurality of second
복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 제2 방향으로 간격을 두고 배치되며, 실제 사물 화상광은 제2 광학 소자(20)들 사이의 간격에 의한 공간을 통해 동공(40)으로 전달된다.The plurality of second
여기에서, 제2 방향은 앞서 설명한 바와 같이, 제1 방향에 평행하지 않은 방향일 수 있다. 또한, 제2 방향은, 제1 방향에 수직한 방향인 것이 바람직하다.Here, as described above, the second direction may be a direction that is not parallel to the first direction. Additionally, the second direction is preferably perpendicular to the first direction.
또한, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 제2 방향은, 광학 장치(300)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면이 사용자의 동공(40)에서 관측될 수 있는 2차원 평면이 되도록 하는 방향일 수 있다.In addition, as shown in FIGS. 5 to 7, the second direction is a virtual plane composed of the first direction and the second direction when the
또한, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향이 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 경우, 제2 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.In addition, when the
예를 들면, 도 5 내지 도 7의 실시예에서 제1 방향은 x축 방향이므로, 제2 방향은 x축에 수직하면서 동공(40)에서 정면 방향의 직선인 z축에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 y축에 해당한다. 따라서, 제1 방향(x축 방향)과 제2 방향(y축 방향)에 의해 구성되는 가상의 평면은 z축에 수직한 2차원의 x-y 평면이 된다.For example, in the embodiments of FIGS. 5 to 7, the first direction is the x-axis direction, so the second direction is perpendicular to the x-axis and is included in a plane perpendicular to the z-axis, which is a straight line in the frontal direction from the
이러한 2차원 평면은 반드시 z축에 수직할 필요는 없으며, 사용자의 동공(40)에서 관찰될 수 있기만 하면 x축 또는 y축을 중심으로 약간 회전되더라도 상관없다.This two-dimensional plane is not necessarily perpendicular to the z-axis, and may be slightly rotated about the x- or y-axis as long as it can be observed from the user's
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)들이 "제2 방향으로 간격을 두고 배치"된다는 의미는, 제2 방향에 대해 복수개의 제2 광학 소자(20)들이 서로 이격되어 배치되기만 하면 충분하다는 의미이지, 반드시 제2 방향에 평행한 직선상에 나란히 정렬되어 배치되어야 한다는 것이 아니라는 점을 유의해야 한다.In addition, the meaning that the plurality of second
도 8은 제2 광학 소자(20)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 8 is a diagram for explaining the arrangement structure of the second
도 8은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때 측면에서 바라 본 측면도로서, 제2 방향과 제2 광학 소자(20)만을 나타낸 것이다.Figure 8 is a side view viewed from the side when the
도 8의 (a)를 참조하면, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 보았을 때 각각의 중심이 제2 방향(y축 방향)에 평행한 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.Referring to (a) of FIG. 8, the plurality of second
또한, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 보았을 때 각각의 중심이 제2 방향(y축 방향)에 대해 경사각을 갖는 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.In addition, as shown in (b) of FIG. 8, when the
또한, 도 8의 (c)에 나타낸 바와 같이, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 보았을 때 각각의 중심이 완만한 "C"자형의 곡선 상에 위치하도록 이격 배치될 수도 있다. 이는 도 7에 도시된 바와 동일하다.In addition, as shown in (c) of FIG. 8, the plurality of second
여기에서, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 중 일부만이 이와 같은 배치 구조를 가질 수 있다.Here, only some of the plurality of second
이러한 배치 구조 이외에도, 화상 출사부(30), 제1 광학 수단(50), 제1 광학 소자(60), 제2 광학 수단(10) 및 동공(40)의 상대적인 위치 관계, 경사각, 전반사 등의 여러가지 조건에 따라 다르게 배치될 수 있음은 물론이다. In addition to this arrangement structure, the relative positional relationship, tilt angle, total reflection, etc. of the
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)들의 간격은 모두 동일할 수 있지만, 적어도 일부의 간격을 다르게 할 수도 있음은 물론이다.Additionally, the spacing of the plurality of second
한편, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 도시된 바와 같이, 제1 방향 즉, x축 방향으로 연장 형성되는 얇은 판(plate)으로 형성될 수 있다.Meanwhile, as shown, the plurality of second
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각은, 제2 광학 수단(10) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단(10) 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다. 이 경우, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 제1 광학 수단(50), 제1 광학 소자(60) 및 동공(40)의 상대적인 위치를 고려하여 적절한 경사각을 가지고 제2 광학 수단(10) 내부에 배치될 수 있다.In addition, each of the plurality of second
도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 제1 광학 소자(60)로부터 전달된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자(20)로 전달된다. 따라서, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각은 이러한 광 경로를 고려하여 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단(10)의 내부에서 경사각을 가지고 배치될 수 있다.5 to 7, the virtual image light transmitted from the first
이 경우, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 각각은 제1 광학 소자(60)들로부터 출사하여 다른 제2 광학 소자(20)들로 전달되는 가상 영상 화상광을 차단하지 않도록 도 8의 (b) 또는 (c)에 나타낸 바와 같이 제1 광학 소자(60)로부터 멀어질수록 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 더 가까워지도록 배치될 수 있다.In this case, each of the plurality of second
한편, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 도 6에 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때의 높이가 사람의 평균적인 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 6, the plurality of second
이에 의하여, 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 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 효과를 얻을 수 있다.As a result, the depth of field for light entering the
다만, 높이가 지나치게 작은 경우에는 회절 현상이 커지기 때문에, 예컨대 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.However, if the height is too small, the diffraction phenomenon increases, so it is preferable to set it larger than 0.3 mm, for example.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)는 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것이 바람직하다.Additionally, it is preferable that the plurality of second
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)의 반사율은 100% 또는 이에 근접한 높은 값을 갖는 예컨대 금속 재질의 완전 미러인 것이 바람직하지만, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수도 있다.In addition, it is preferable that the plurality of second
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)는, 굴절 소자, 회절 광학 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성할 수도 있다.Additionally, the plurality of second
한편, 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)에서, 제1 광학 소자(20)로서 회절 광학 소자 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다. 이는 후술하는 모든 실시예에서도 마찬가지이다.Meanwhile, in the
다음으로, 도 9 및 도 10을 참조하여 광학 장치(300)에 의한 아이박스의 확장 원리에 대해 설명한다.Next, the principle of expanding the eyebox by the
도 9는 도 2 내지 도 4의 종래의 광학 장치(200)에서의 제1 방향(x축 방향)에 대한 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 정면도이다.FIG. 9 is a diagram for explaining the eye box in the first direction (x-axis direction) in the conventional
도 9의 (a)의 광학 장치(200)를 참조하면, 디스플레이부(31)의 한 점에서 출사된 가상 영상 화상광은 광 변환부(32)를 통해 광학 수단(10)으로 출사되고, 반사부(20)에 의해 반사되어 동공(40)으로 전달된다. 이 때, x축 방향 즉, 제1 방향으로의 아이박스는 광 변환부(32)의 제1 방향의 길이에 의해 결정된다.Referring to the
도 9의 (b)의 광학 장치(200)는 다른 조건은 모두 동일하되 광 변환부(32)의 제1 방향의 길이가 도 9의 (a)보다 길다. 따라서, 광 변환부(32)의 길이에 상응하여 반사부(20) 또한 x축 방향(제1 방향)을 따라 보다 많이 배치되어 있으며, 이에 의해 제1 방향의 아이박스는 도 9의 (a)에 비해 넓어진다는 것을 알 수 있다.In the
이와 같이, 도 2 내지 도 4와 같은 종래의 광학 장치(200)에서는, 제1 방향(x축 방향)으로의 아이박스는 화상 출사부(30)에 포함된 광 변환부(32)의 길이에 의존한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 광 변환부(32)의 길이를 길게 하면, 폼 팩터를 증가시키고 설계가 복잡해지며 제조 과정 또한 복잡하다는 문제를 발생시킨다.In this way, in the conventional
한편, 도 9에서 세로축인 y축 방향으로의 아이박스는 y축 방향으로 배치되는 반사부(20)의 개수에 의해 결정된다.Meanwhile, in FIG. 9, the eye box in the y-axis direction, which is the vertical axis, is determined by the number of
도 10은 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)에서의 제1 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7의 A로 나타낸 방향으로 바라보았을 때의 도면이다.FIG. 10 is a diagram for explaining the eyebox in the first direction in the
도 10을 참조하면, 화상 출사부(30)의 한 점에서 출사한 가상 영상 화상광들은 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 및 하면(52)에서 전반사되면서 제1 광학 소자(60)로 전달된다. 이후, 제1 광학 소자(60)는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사한다.Referring to FIG. 10, the virtual image light emitted from one point of the
즉, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 및 하면(52)에서의 전반사가 이루어지면서 제1 광학 소자(60)로 전달되기 때문에 제1 방향(x축 방향)으로 가상 영상 화상광이 복제되고 따라서 제1 방향 즉, x축 방향으로의 아이박스가 확장된다는 것을 알 수 있다.That is, the virtual image light emitted from the
도 10에서도, 세로축인 y축 방향으로의 아이박스는 y축 방향으로 배치되는 제2 광학 소자(20)의 개수에 의해 결정된다. 따라서, 세로축인 y축 방향으로의 아이박스를 동일하게 유지하면서도, 가로축인 x축 방향 즉, 제1 방향으로의 아이박스는 도 10의 광학 장치(300)가 도 9의 광학 장치(200) 보다 넓다는 것을 알 수 있다.Also in FIG. 10, the eyebox in the y-axis direction, which is the vertical axis, is determined by the number of second
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 11은 사시도이고, 도 12는 정면도이고, 도 13은 측면도이다.FIGS. 11 to 13 are diagrams for explaining an
도 11 내지 도 13의 광학 장치(400)는, 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)와 기본적인 원리는 동일하되, 제1 광학 소자(60)가 제1 광학 수단(50) 내부에 매립되어 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다.The
이를 제외하면, 광학 장치(400)의 다른 구성은 앞서 설명한 광학 장치(300)에서와 동일하므로 상세 설명은 생략한다.Except for this, other configurations of the
도 14 내지 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 14는 사시도이고, 도 15는 정면도이고, 도 16은 측면도이다.FIGS. 14 to 16 are diagrams for explaining an
도 14 내지 도 16의 광학 장치(500)는, 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)와 동일하되, 제1 광학 소자(60)가 제1 광학 수단(50)의 하면(52)의 안쪽에 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다. 여기에서, 제1 광학 소자(60)는 제1 광학 수단(50)의 하면(52)의 아래쪽의 외면에 배치될 수도 있음은 물론이다.The
이를 제외하면, 광학 장치(500)의 다른 구성은 앞서 설명한 광학 장치(300)에서와 동일하므로 상세 설명은 생략한다.Except for this, other configurations of the
도 17 내지 도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(600)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 17은 사시도이고, 도 18은 정면도이고, 도 19는 측면도이다.FIGS. 17 to 19 are diagrams for explaining an
도 17 내지 도 19의 광학 장치(600)는, 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)와 동일하되, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각이 핀포인트 형태의 복수개의 광학 모듈(21)로 구성된다는 점에서 차이가 있다.The
즉, 광학 장치(600)에서, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 각각은, 도시된 바와 같이, 광학 장치(400)를 동공(40) 정면에 두고 바라 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈(21)로 구성된다.That is, in the
복수개의 광학 모듈(21)들 각각은, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수 있다.Each of the plurality of
복수개의 광학 모듈(21)의 크기는, 각 광학 모듈(21)의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.The size of the plurality of
또한, 각각의 광학 모듈(21)의 크기는, 동공(40)과 광학 모듈(21) 사이의 직선에 수직하면서 동공(40)의 중심을 포함하는 평면에 각각의 광학 모듈(21)을 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.In addition, the size of each
다만, 크기가 지나치게 작은 경우에는 회절 현상이 커지기 때문에, 예컨대 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.However, if the size is too small, the diffraction phenomenon increases, so it is preferable to make it larger than 0.3 mm, for example.
또한, 복수개의 광학 모듈(21)들 각각의 형상은 원형일 수 있다.Additionally, each of the plurality of
또한, 동공(40)에서 광학 모듈(21)들을 바라보았을 때 원형으로 보이도록 타원형으로 형성할 수도 있다.Additionally, the
이를 제외하면, 광학 장치(600)의 다른 구성은 앞서 설명한 광학 장치(300)에서와 동일하므로 상세 설명은 생략한다.Except for this, other configurations of the
한편, 도시하지는 않았으나, 도 11 내지 도 16의 광학 장치(400,500)에서도 복수개의 제2 광학 소자(20)들을 복수개의 핀 포인트 형태의 광학 모듈(21)로 구성할 수도 있음은 물론이다.Meanwhile, although not shown, it goes without saying that in the
이상에서, 본 발명에 의한 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서, 첨부된 청구범위 및 도면에 의해 파악되는 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다는 점을 유의해야 한다.In the above, the present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but these are illustrative and all changes within the equivalent scope understood by the appended claims and drawings are included in the scope of the present invention. It should be noted that
예컨대, 상기 실시예들에 있어서, 제1 광학 수단(50)과 제2 광학 수단(10)은 일체로 형성될 수 있다.For example, in the above embodiments, the first optical means 50 and the second optical means 10 may be formed integrally.
또한, 상기 실시예들에서, 제2 광학 수단(10) 내부에서 가상 영상 화상광은 전반사를 통해 제2 광학 소자(20)로 전달되는 것으로 설명하였으나, 전반사 없이 또는 2회 이상의 전반사를 통해 제2 광학 소자(20)로 전달될 수도 있음은 물론이다.In addition, in the above embodiments, it has been described that the virtual image image light inside the second optical means 10 is transmitted to the second
100, 200...종래의 증강 현실용 광학 장치
300, 400, 500, 600...회절 광학 소자를 이용한 아이박스 확장형 증강 현실용 광학 장치
10...제2 광학 수단
20...제2 광학 소자
30...화상 출사부
40...동공
50...제1 광학 수단
60...제1 광학 소자100, 200...conventional optical devices for augmented reality
300, 400, 500, 600...Optical device for eyebox expandable augmented reality using diffractive optical elements
10...second optical means
20...Second optical element
30...Image projection unit
40...pupil
50...First optical means
60...First optical element
Claims (20)
화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단;
상기 제1 광학 수단에 배치되며, 상기 제1 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 제1 광학 소자;
실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및
상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자
를 포함하고,
상기 제1 광학 소자는, 회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자이고,
상기 제1 광학 소자는, 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 광학 수단에 배치되고,
상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.An eyebox expandable augmented reality optical device using a diffractive optical element,
a first optical means through which virtual image image light emitted from the image emitting unit travels;
a first optical element disposed in the first optical means and emitting virtual image light traveling through the inside of the first optical means to the second optical means;
a second optical means for transmitting real object image light emitted from a real object to the pupil of the user's eye, and through which virtual image image light emitted from the first optical element travels; and
A plurality of second optical elements embedded in the second optical means and providing a virtual image to the user by transmitting virtual image light traveling through the second optical means to the pupil of the user's eye.
Including,
The first optical element is a diffractive optical element or a holographic optical element,
The first optical element extends in a first direction and is disposed in the first optical means,
An optical device for augmented reality, wherein the plurality of second optical elements are arranged at intervals in a second direction within the second optical means.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 방향은, 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
In claim 1,
The first direction is a direction parallel to any one of line segments included in a plane perpendicular to a straight line in the frontal direction from the pupil.
상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 평행하지 않은 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
The optical device for augmented reality, characterized in that the second direction is a direction that is not parallel to the first direction.
상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직한 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
The optical device for augmented reality, wherein the second direction is perpendicular to the first direction.
상기 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면은, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 사용자의 동공에서 관측될 수 있는 2차원 평면인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
Augmented reality, wherein the virtual plane formed by the first direction and the second direction is a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil when the augmented reality optical device is placed in front of the user's pupil. optical device.
상기 제2 방향은 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 5,
The second direction is a direction parallel to any one of line segments perpendicular to the first direction among line segments included in a plane perpendicular to a straight line in the frontal direction from the pupil.
상기 제1 광학 수단의 제1 방향의 일단부에는 화상 출사부가 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
An optical device for augmented reality, wherein an image emitting unit is disposed at one end of the first optical means in the first direction.
상기 제1 광학 소자는, 상기 제1 광학 수단의 상면, 하면 또는 내부에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
The first optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that disposed on the upper surface, lower surface, or inside the first optical means.
상기 제1 광학 소자는, 증강 현실용 광학 장치를 동공 정면에 두고 측면에서 보았을 때 제2 방향에 대해 경사각을 가지도록 제1 광학 수단에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
The first optical element is an optical device for augmented reality, characterized in that it is disposed in the first optical means so as to have an inclination angle with respect to the second direction when viewed from the side with the optical device for augmented reality in front of the pupil.
상기 복수개의 제2 광학 소자 각각은, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 상기 제2 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
An optical device for augmented reality, wherein each of the plurality of second optical elements is arranged to be inclined inside the second optical means so as to transmit virtual image light traveling through the inside of the second optical means to the pupil. .
상기 제2 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고,
상기 제1 광학 소자에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자로 전달되고,
상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단의 내부에서 경사각을 가지고 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 10,
The second optical means has a first surface on which virtual image light and real object image light are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite the first surface and on which real object image light is incident,
The virtual image light emitted from the first optical element is totally reflected by the second surface of the second optical means and is transmitted to a plurality of second optical elements,
The plurality of second optical elements are arranged at an inclination angle inside the second optical means to transmit virtual image light transmitted by total reflection from the second surface of the second optical means to the pupil. Optics for reality.
상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제1 방향으로 연장 형성되는 판 형상인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
The optical device for augmented reality, wherein the plurality of second optical elements have a plate shape extending in the first direction.
상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 정면에서 보았을 때의 높이가 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 12,
An optical device for augmented reality, wherein the plurality of second optical elements have a height of 4 mm or less when viewed from the front.
상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
An optical device for augmented reality, wherein each of the plurality of second optical elements is composed of a plurality of optical modules.
상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 정면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 14,
Each of the plurality of second optical elements is an optical device for augmented reality, characterized in that it is composed of a plurality of optical modules arranged to be spaced apart from each other and appear in an array form when the optical device for augmented reality is viewed from the front.
상기 복수개의 광학 모듈의 크기는 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 14,
An optical device for augmented reality, wherein the size of the plurality of optical modules is 4 mm or less.
상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
An optical device for augmented reality, wherein the plurality of second optical elements are reflection means that reflect incident light.
상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
An optical device for augmented reality, wherein the plurality of second optical elements are half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of the incident light.
상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
An optical device for augmented reality, wherein the plurality of second optical elements are one of a refractive element, a diffractive element, and a holographic optical element, or a combination thereof.
상기 제1 광학 수단과 제2 광학 수단은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.In claim 1,
An optical device for augmented reality, wherein the first optical means and the second optical means are integrally formed.
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
KR1020220090979A KR20240013445A (en) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | Optical device for augmented reality with expanded eyebox using diffractive optical elements |
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Citations (2)
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KR20180028339A (en) | 2016-09-08 | 2018-03-16 | 주식회사 레티널 | Optical device |
KR102192942B1 (en) | 2019-09-18 | 2020-12-18 | 주식회사 레티널 | Optical device for augmented reality having improved light efficiency |
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KR20180028339A (en) | 2016-09-08 | 2018-03-16 | 주식회사 레티널 | Optical device |
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