WO2020138669A1 - 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

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WO2020138669A1
WO2020138669A1 PCT/KR2019/013627 KR2019013627W WO2020138669A1 WO 2020138669 A1 WO2020138669 A1 WO 2020138669A1 KR 2019013627 W KR2019013627 W KR 2019013627W WO 2020138669 A1 WO2020138669 A1 WO 2020138669A1
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augmented reality
image
reflector
optical device
reflecting
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PCT/KR2019/013627
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하정훈
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주식회사 레티널
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/34—Stereoscopes providing a stereoscopic pair of separated images corresponding to parallactically displaced views of the same object, e.g. 3D slide viewers
    • G02B30/35—Stereoscopes providing a stereoscopic pair of separated images corresponding to parallactically displaced views of the same object, e.g. 3D slide viewers using reflective optical elements in the optical path between the images and the observer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • the present invention relates to an optical device for augmented reality, and relates to an optical device for augmented reality that can provide a user with an augmented reality image using a reflective structure and a small reflector.
  • Augmented reality refers to providing a virtual image or an image generated by a computer overlaid on a real image in the real world.
  • an optical system that allows a virtual image or image generated by a device such as a computer to be superimposed on a real world image is required.
  • a technique using an optical means such as a prism that reflects or refracts a virtual image using a head mounted display (HMD) or an eyeglass type device is known.
  • HMD head mounted display
  • an augmented reality implementation device is configured in the form of glasses, and a reflection part is disposed on the surface or inside of the spectacle lens to reflect the virtual image generated by the display part to form an image on the retina through the pupil, so the depth of depth (Depth of By increasing the field) to provide a kind of pin hole effect, it is possible to always provide a clear virtual image regardless of a user changing the focal length while gazing at the real world.
  • this applicant's technology has a limitation in that the field of view is narrow because it uses a small reflector.
  • an object of the present invention is to provide an optical device for augmented reality that can provide an image for augmented reality using a reflective structure and a reflector smaller than a pupil.
  • another object of the present invention is to provide an optical device for augmented reality that can widen a viewing angle, improve optical uniformity, and reduce the thickness and volume of a device by using a reflective structure and a reflective portion smaller than a pupil.
  • another aspect of the present invention is to provide an optical device for augmented reality using a reflective structure and a plurality of reflecting parts, but forming a distance between each reflecting part smaller than a pupil size, and having a wide viewing angle without interruption of an augmented reality image. The purpose.
  • another aspect of the present invention is to provide an optical device for augmented reality capable of generating a pinhole effect by deepening the depth of field by using a plurality of reflectors smaller than the pupil, while widening the viewing angle and increasing the eyebox. The purpose.
  • an object of the present invention is to provide an optical device having a wide viewing angle and a wide eye box while having a wide viewing angle by using a reflective structure and a plurality of reflective parts, but forming each reflective part on a non-contiguous plane.
  • the present invention uses a reflective structure and a plurality of reflecting parts, and each reflecting part is arranged to avoid light reaching each other, and transmits maximum light to the eyes without blocking light, thereby providing an optical device with high light efficiency. Another purpose is to provide.
  • the present invention uses a reflective structure and a plurality of reflectors, but more reflectors can be used while maintaining a constant maximum light without increasing an additional amount of light through the arrangement of the reflectors, so that a wider field of view (FOV) is maintained while maintaining high light efficiency.
  • Another object is to provide an optical device having an EYE BOX.
  • the optical device for augmented reality the optical means for transmitting at least a portion of visible light; A reflector disposed inside the optical means; And an image emitting portion for emitting image light corresponding to the image for augmented reality toward the inner surface of the optical means, wherein the image light corresponding to the image for augmented reality emitted from the image emitting portion is at least from the inner surface of the optical means.
  • an optical device for augmented reality characterized in that it is reflected at least once and transmitted to the reflector, and the reflector provides an image for augmented reality to the user by reflecting the transmitted image light toward the pupil of the user's eye.
  • the size of the reflector is preferably 8mm or less.
  • the size of the reflector may be a maximum length between any two points on the boundary of the reflector.
  • the size of the reflector may be the maximum length between any two points on the boundary of the orthogonal projection of the reflector projected on a plane perpendicular to the frontal direction from the pupil when the user gazes in front.
  • the area of the reflector may be formed to have a value of 16 ⁇ (mm 2 ) or less.
  • the area of the reflector may be an area of an orthographic projection of the reflector projected on a plane perpendicular to the frontal direction from the pupil when the user gazes at the front.
  • an optical device for augmented reality comprising: optical means for transmitting at least a portion of visible light; A plurality of reflection units disposed inside the optical means; And an image emitting portion for emitting image light corresponding to the image for augmented reality toward the inner surface of the optical means, wherein the image light corresponding to the image for augmented reality emitted from the image emitting portion is at least from the inner surface of the optical means.
  • the augmentation characterized by providing the augmented reality image to the user by reflecting at least once and partially separated and transmitted to the plurality of reflectors, and reflecting the transmitted image light toward the pupil of the user's eye
  • a reality optical device Provided is a reality optical device.
  • the plurality of reflecting parts may be arranged side by side along a first direction that is parallel to the inner surface of the optical means and where the image emitting part is located.
  • a plurality of reflecting units may be additionally disposed in a second direction that is a direction perpendicular to the first direction.
  • the reflection portion closer to the image output portion may be disposed so as not to block image light incident on the reflection portion disposed on the rear side.
  • the reflective portion closer to the image emitting portion may be disposed to partially block image light incident on the reflective portion disposed behind the image emitting portion.
  • the angle formed by the reflecting portion with respect to the inner surface of the optical means may be disposed at the same angle as the image light reflected from the inner surface of the optical means and passing through the reflecting portion forms with respect to the inner surface of the optical means.
  • each of the plurality of reflecting portions may be disposed such that a distance from adjacent reflecting portions is 8 mm or less.
  • the distance between the adjacent reflectors may be a minimum value between points on the orthogonal boundary of the reflector projected on a plane perpendicular to the front direction from the pupil when the user gazes at the front.
  • an optical device for augmented reality that can provide an image for augmented reality using a reflective structure and a reflective portion smaller than a pupil.
  • the present invention can provide an optical device for augmented reality that can widen a viewing angle, improve light uniformity, and reduce the thickness and volume of a device by using a reflective structure and a reflective portion smaller than a pupil.
  • an optical device for augmented reality having a wide viewing angle without interruption of an augmented reality image can be provided by using a reflective structure and a plurality of reflective parts, but forming a distance between each reflective part smaller than a pupil size. .
  • an optical device for augmented reality capable of generating a pinhole effect by deepening the depth of field by using a plurality of reflectors smaller than the pupil, and at the same time widening the viewing angle and increasing the eyebox.
  • an optical device having a wide viewing angle and a wide eye box while having a wide viewing angle by using a reflective structure and a plurality of reflective parts, but forming each reflective part on a non-continuous plane.
  • a reflective structure and a plurality of reflectors are used, but each reflector is disposed to avoid light reaching each other and transmits the maximum light to the eyes without blocking the light, thereby providing an optical device with high light efficiency. Can provide.
  • a reflective structure and a plurality of reflectors are used, but more reflectors can be used while maintaining a constant maximum light without increasing an additional amount of light through the arrangement of the reflectors, so that a wider field of view (FOV) is maintained while maintaining high light efficiency.
  • FOV field of view
  • Patent Document 1 is a view showing an optical device for augmented reality as disclosed in Patent Document 1 developed by the present applicant.
  • FIG 2 is a view for explaining the configuration of the optical device 100 for augmented reality according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing an optical device 200 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 4 is a view showing an optical device 300 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing an optical device 400 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing an optical device 500 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • Patent Document 1 is a view showing an optical device for augmented reality as disclosed in Patent Document 1 developed by the present applicant.
  • the image output unit 30 may be implemented as, for example, a small display device as a means for emitting image light corresponding to an image for augmented reality.
  • the reflection unit 20 provides an image for augmented reality by reflecting the image light emitted from the image output unit 30 toward the user's pupil.
  • the optical means 10 may be, for example, a spectacle lens as a means for transmitting at least a portion of visible light, and a reflector 20 is embedded therein.
  • the frame portion 40 is a means for fixing and supporting the image output portion 30 and the optical means 10.
  • the reflector 20 of FIG. 1 is formed to have a size smaller than a human pupil size, that is, 8 mm or less, and thus, by forming the reflector 20 smaller than the pupil size, it enters the pupil through the reflector 20
  • Depth of field can be made almost close to infinity, i.e., the depth can be made very deep.
  • the depth refers to a range recognized as being in focus, which means that as the depth increases, the depth of focus for the augmented reality image also increases, and thus the user focuses on the real world while focusing on the real world. Even if changes are made, the focus of the augmented reality image is always recognized as being correct. This is a kind of pinhole effect.
  • Patent Document 1 The applicant has proposed a technique as disclosed in [Patent Document 1] in view of the fact that the depth can be deepened by using the reflector 20 having a size smaller than the pupil, but such a reflector 20
  • the structure using has the advantage of obtaining the same effect as the pinhole effect by deepening the depth, but there is a limitation that the field of view is narrow.
  • optical device 100 for augmented reality will be described in more detail.
  • Figure 2 is a view for explaining the configuration of the optical device 100 for augmented reality according to an embodiment of the present invention, Figure 2 (a) and (b) of the augmented reality optical device 100 of the user It shows the top view and the front view when placed in front.
  • the optical device 100 for augmented reality includes an optical means 10, a reflector 20, and an image emitting unit 30, and augmented reality emitted from the image emitting unit 30
  • the image light corresponding to the dragon image is reflected at least once on the inner surface of the optical means 10 and transmitted to the reflector 20, and the reflector 20 transmits the transmitted image light to the user's eyes. It is characterized by providing an image for augmented reality to the user by reflecting toward the pupil 40.
  • the image emitting unit 30 is a means for emitting image light corresponding to an image for augmented reality toward the inner surface of the optical means 10, and may be, for example, a small LCD display device.
  • the display device is a means for displaying an image for augmented reality on the screen, and the image for augmented reality is generated by reflecting the augmented reality image from the reflector 20 and emitting light so that it can be projected into the pupil 40 of the user. Is displayed.
  • the image light corresponding to the augmented reality image displayed on the display device is emitted toward the inner surface of the optical means 10 and is reflected at least once on the inner surface of the optical means 10 and then transmitted to the reflector 20.
  • the image emitting unit 30 may be a reflecting means or refraction means for reflecting or refracting the image light emitted from such a display device and transmitting it to the inner surface of the optical means 10.
  • the image light emitted from the display device is not directly emitted to the inner surface of the optical means 10, but is transmitted to the inner surface of the optical means 10 via reflection means or refraction means.
  • the image emitting unit 30 may be a collimator that emits image light emitted from the display device as collimated collimated light.
  • the image output unit 30 may use a collimator in combination with a reflective means or a refraction means and a display device.
  • a collimator When a collimator is used, the image light emitted from the image output unit 30 becomes collimated collimated light.
  • the image output unit 30 is a display device, reflecting means, refraction means, or collimator means for emitting image light emitted from a display device displaying an image for augmented reality toward the inner surface of the optical means 10, or It can be made of a combination of.
  • the image output unit 30 is disposed so as to be inclined with respect to the inner surface of the optical means 10 so that the image light is reflected at least once on the inner surface of the optical means 10 and transmitted to the reflecting unit 20. desirable.
  • the fact that the image light emitted from the image output unit 30 is reflected on the inner surface of the optical means 10 is that total light on the inner surface of the optical means 10 is totally reflected (total reflection) is made.
  • Means This is an optical means rather than a critical angle for generating total reflection determined by the refractive index of the optical means 10 and the refractive index of the outside (air) of the optical means 10 so that image light does not transmit from the inside of the optical means 10 to the outside. It means that the incident angle of the image light incident on the inner surface of (10) must be large.
  • the image for augmented reality means a virtual image provided through the pupil of the user through the reflector 20 as an image displayed on the display device, and is a still image in the form of an image or a video.
  • the augmented reality image is output as image light from the display device and is provided as a virtual image through the pupil 40 of the user through the inner surface of the optical means 10 and the reflector 20, and at the same time, the user Through 10), augmented reality services can be provided by directly recognizing the images of the real world.
  • the image output unit 30 is arranged on the right side based on when the user gazes at the front, but is not limited thereto, and may be arranged in an upper, lower, diagonal up and down direction.
  • the image output unit 30 may be disposed at an appropriate position of the glasses frame.
  • the display device may have a function of simply displaying an image by receiving an image signal from a separate external video reproducing device, or is provided with a processor, memory, etc., and is integrally formed with a device having a function of storing and reproducing an image. It may be.
  • the display device itself is not a direct object of the present invention, and a detailed description thereof is omitted because a conventionally known device capable of displaying an image on the screen can be used.
  • the optical means 10 is a means for transmitting at least a part of visible light, and may be, for example, a lens, and a reflector 20 is disposed therein.
  • transmitting at least a part of visible light means that the transmittance of visible light is in a range of 0 to 100%.
  • the optical device 100 transmits visible light, which is an image of the real world, assuming that the optical device 100 is positioned in the frontal direction of the pupil 40 of the user's eye. ), and reflects the image light corresponding to the image for augmented reality by the reflector 20 to the pupil 40, thereby real-world image through the optical means 10 and augmented reality by the reflector 20
  • the dragon image can be superimposed and provided to the user. Therefore, the user can be provided with an augmented reality service.
  • the image light corresponding to the image for augmented reality emitted from the image emitting unit 30 is reflected at least once on the inner surface of the optical means 10 and transmitted to the reflecting unit 20.
  • the optical means 10 is implemented in the form of a rectangular lens module, for example, as shown in FIG. 2, and the lens module is detachably coupled to an augmented reality implementation device in the form of glasses, or an optical device for augmented reality according to the present invention If the augmented reality implementation apparatus including 100) is implemented in the form of glasses, it may be implemented in the form of glasses lenses.
  • the reflection unit 20 is disposed inside the optical means 10 to reflect the image light corresponding to the augmented reality image emitted from the image output unit 30 toward the pupil 40 of the user's eye Perform. At this time, the image light corresponding to the augmented reality image emitted from the image emitting unit 30 is reflected at least once on the inner surface of the optical means 10 and transmitted to the reflecting unit 20, and the reflecting unit 20 Reflects the image light transmitted through the inner surface of the optical means 10 toward the pupil 40 of the user's eye.
  • the reflector 20 reflects the image light corresponding to the augmented reality image emitted from the image emitting unit 30 toward the pupil 40, thereby augmented reality images and the real world It provides an augmented reality service by overlaying images.
  • the reflector 20 may provide an image for augmented reality displayed on the display device to the user by reflecting the image light emitted from the image emitting unit 30 toward the pupil 40 of the user's eye.
  • the reflector 20 is arranged to have an appropriate angle between the inner surface of the optical means 10 and the pupil 40.
  • an angle that allows the image light incident on the center of the reflector 20 to be reflected is reflected and enters the center of the pupil 40. Is placed.
  • the image exit unit 30 is assumed to be located to the right of the pupil front direction, in this case the reflector ( 20), as shown in FIG. 2(a), has an inclination of approximately 45 degrees and is disposed by tilting the pupil 40 outward in the front direction.
  • the size of the reflector 20 is preferably smaller than the size of the pupil of the person, that is, 8mm or less, as described in FIG.
  • the size of the reflector 20 is defined to mean the maximum length between any two points on the boundary line of the reflector 20.
  • the size of the reflector 20 is the maximum length between any two points on the orthogonal boundary of the reflector 20 projected on a plane perpendicular to the frontal direction from the pupil 40 when the user gazes at the front. Can.
  • the reflector 20 may not be disposed in the center of the front direction of the pupil 40 of the user.
  • the size of the reflector 20 is when the user gazes at the direction of the reflector 20, the pupil 40 ) May be the maximum length between any two points on the orthogonal boundary of the reflector 20 projected on a plane perpendicular to the direction of the reflector 20.
  • the area of the reflective portion 20 is smaller than the area of the human pupil 40.
  • the diameter of the pupil is 2 to 8 mm and the radius can be 1 to 4 mm, so the area of the pupil is up to 16 ⁇ (mm 2 ) by the formula of ⁇ r 2 , It is preferable to form the area of the reflector 20 to have a value of 16 ⁇ (mm 2 ) or less.
  • the area of the reflection unit 20 may be an area of an orthographic projection projecting the reflection unit 20 on a plane perpendicular to the front direction from the pupil 40 when the user gazes at the front.
  • the reflector 20 may not be disposed at the center of the user's pupil 40 in the front direction, in this case, the area of the reflector 20 is when the user gazes at the direction of the reflector 20, the pupil 40 ) May be an area of an orthogonal projection of the reflector 20 projected on a plane perpendicular to the direction of the reflector 20.
  • FIG. 3 is a view showing the optical device 200 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 3A and 3B show the optical device 200 for augmented reality in front of a user. The top view and the front view at the time are respectively shown.
  • FIG. 3 is basically the same as the embodiment of FIG. 2, but differs in that a plurality of reflection units 20 are disposed.
  • the image light corresponding to the augmented reality image emitted from the image emitting unit 30 is reflected at least once on the inner surface of the optical means 10, and the reflected image light is reflected a plurality of times Partially separated and transmitted to the unit 20, the plurality of reflecting units 20 is characterized by providing the image for augmented reality to the user by reflecting the transmitted image light toward the pupil 40 of the user's eye .
  • the reflecting portion 20 is arranged in the horizontal direction (first direction) inside the optical means 10, because the image emitting portion 30 is located on the right side. If the image emitting portion 30 is located on the upper side, the reflecting portion 20 is disposed in the vertical direction from the inside of the optical means 10.
  • the first direction which is the direction in which the plurality of reflecting units 20 are disposed, is parallel to the inner surface of the optical means 10 when the augmented reality optical device 200 is viewed from the front of the user while the image emitting unit ( 30) means the direction in which it is located.
  • a plurality of reflectors 20 may be additionally disposed in a second direction that is a direction perpendicular to the first direction.
  • the reflectors 20 disposed in the second direction form the reflector groups 20A and 20B, respectively.
  • the reflection portion 20 on the side closer to the image output portion 30 is disposed so as not to block the image light incident on the reflection portion 20 disposed on the back side thereof.
  • This can be achieved by appropriately adjusting the angle of the image emitting portion 30, the distance and angle between the reflecting portions 20, and the thickness of the optical means 10 (in the vertical direction in FIG. 3(a)).
  • the thickness of the optical means 10 and the distance and angle of the reflector 20 are fixed, and the incident angle at which the image light from the image emitting part 30 enters the inner surface of the optical means 10 can be adjusted. .
  • Figure 4 is a view showing an optical device 300 for augmented reality according to another embodiment of the present invention
  • Figure 4 (a) and (b) is augmented reality optical device 300 in front of the user It shows the top view and the front view, respectively.
  • the embodiment of FIG. 4 is basically the same as the embodiment of FIG. 3, but the reflector 20 on the side closer to the image emitting part 30 partially reflects the image light incident on the reflector 20 disposed on the back side. It is characterized by being arranged to block. In this case, some image light is not transmitted to the reflector 20 located at the rear side by the front reflector 20, but it is not a problem when the blocked image light has a very small proportion than the incident image light. . Accordingly, when it is inevitable depending on conditions such as the angle of the image output unit 30, the distance and angle between the reflection units 20, and the thickness of the optical means 10, as shown in FIG. 4, the one closer from the image output unit 30
  • the reflector 20 may be arranged to partially block image light incident on the reflector 20 disposed on the back side thereof.
  • FIG. 5 is a view showing an optical device 400 for augmented reality according to another embodiment of the present invention
  • FIGS. 5A and 5B put the optical device 400 for augmented reality in front of a user. It shows the top view and the front view, respectively.
  • the angle formed by the reflector 20 with respect to the inner surface of the optical means 10 and reflected from the inner surface of the optical means 10 passes through the reflector 20 It is characterized by arranging the image light so that the angle formed with respect to the inner surface of the optical means 10 is the same.
  • the image is emitted by making the inclination angle of the reflection unit 20 with respect to the inner surface of the optical means 10 equal to the inclination angle of the optical unit 10 of the image light passing through the reflection unit 20. It is possible to prevent the image light incident on the reflection portion 20 near the side from the portion 30 from being incident on the reflection portion 20 disposed on the rear side thereof.
  • FIG. 6 is a view showing an optical device 500 for augmented reality according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 6A and 6B put the optical device 500 for augmented reality in front of a user. It shows the top view and the front view, respectively.
  • the embodiment of FIG. 6 is a combination of the embodiment of FIG. 3 and the embodiment of FIG. 5, and the angle formed by the reflector 20 with respect to the inner surface of the optical means 10 is reflected from the inner surface of the optical means 10 While the image light passing through the reflector 20 is equal to the angle formed with respect to the inner surface of the optical means 10, the reflector 20 on the side closer to the image exit section 30 is the reflector 20 disposed on its back side. It is characterized in that it is arranged so as not to block the image light incident to the.
  • each of the plurality of reflecting units 20 is characterized in that the distance d between the adjacent reflecting units 20 is arranged to be smaller than the size of the human pupil 40.
  • the pupil size (diameter) of a person is known to be on average in the range of 2 to 8 mm, and accordingly, each of the plurality of reflectors 20 in the present invention, the distance d from the adjacent reflectors 20 It is preferably arranged so that it is less than or equal to 8mm.
  • the distance d between the reflectors 20 is the minimum value between points on the boundary of the adjacent reflectors 20 when the plurality of reflectors 20 are viewed from the front.
  • the distance d (or spacing d) between the reflectors 20 is an orthogonal projection of the reflectors 20 projected on a plane perpendicular to the front direction from the pupil 40 when the user gazes at the front. It may be the minimum value between the points on the boundary of.
  • the reflector 20 may not be disposed in the center of the front direction of the pupil of the user.
  • the distance (d) (or spacing (d)) between the reflectors 20 may be determined by the user.
  • it When gazing in the direction, it may be a minimum value between points on the orthogonal boundary of the reflectors 20 projected on a plane perpendicular to the direction of the reflector 20 from the pupil 40.
  • the distances d between the plurality of reflectors 20 are all the same, but they are not necessarily the same, and the distances d may be partially changed as necessary.
  • the size of the plurality of reflecting portions 20 is also smaller than the size of a human pupil as described above. That is, it is preferable that the size of each of the plurality of reflection units 20 is 8 mm or less as described in the embodiment of FIG. 2 above.
  • each of the plurality of reflecting units 20 is preferably the same, but it is not necessarily the same, and may be partially different as necessary.
  • the area of the plurality of reflecting portions 20 is also smaller than the area of the human pupil 40 as described above.
  • each of the plurality of reflecting portions 20 is also preferably all the same, but it is not necessarily the same, and may be partially different as necessary.
  • the reflecting units 20 are described as being disposed on the same plane when viewed with reference to a plan view, but may be arranged in different planes and implemented in a three-dimensional shape.

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Abstract

본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 가시 광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단; 상기 광학 수단의 내부에 배치되는 반사부; 및 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 상기 광학 수단의 내면을 향해 출사하는 화상 출사부를 구비하며, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 반사되어 상기 반사부로 전달되고, 상기 반사부는 상기 전달된 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

증강 현실용 광학 장치
본 발명은, 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 반사 구조와 소형 반사부를 이용하여 증강 현실 화상을 사용자에게 제공할 수 있도록 하는 증강 현실용 광학 장치에 관한 것이다.
증강 현실(Augmented Reality, AR)이라 함은, 주지된 바와 같이, 현실 세계의 실제 영상에 컴퓨터 등에 의해 생성되는 가상의 영상이나 이미지를 겹쳐서 제공하는 것을 의미한다.
이러한 증강 현실을 구현하기 위해서는, 컴퓨터와 같은 디바이스에 의해 생성되는 가상의 영상이나 이미지를 현실 세계의 영상에 겹쳐서 제공할 수 있도록 하는 광학계를 필요로 한다. 이러한 광학계로서는 HMD(Head Mounted Display)나 안경형의 장치를 이용하여 가상 영상을 반사 또는 굴절시키는 프리즘 등과 같은 광학 수단을 사용하는 기술이 알려져 있다.
그러나, 이러한 종래의 광학계를 이용한 장치들은, 그 구성이 복잡하여 무게와 부피가 상당하므로 사용자가 착용하기에 불편함이 있고 제조 공정 또한 복잡하므로 제조 비용이 높다는 문제가 있다.
또한, 종래의 장치들은, 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 프리즘과 같은 구성을 이용하거나 초점 거리의 변경에 따라 가변형 초점 렌즈를 전기적으로 제어하는 등의 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 기술 또한 초점 거리를 조절하기 위하여 사용자가 별도의 조작을 해야 하거나 초점 거리의 제어를 위한 별도의 프로세서 등과 같은 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다는 점에서 문제가 있다.
이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 사람의 동공보다 작은 크기의 반사부를 이용하여 가상 영상을 동공을 통해 망막에 투영함으로써 증강 현실을 구현할 수 있는 장치를 개발한 바 있다. 이에 의하면, 안경 형태로 증강 현실 구현 장치를 구성하고, 안경 렌즈의 표면이나 내부에 반사부를 배치하여 디스플레이부에서 생성되는 가상 영상을 반사시켜 동공을 통해 망막에 상이 맺히도록 하기 때문에, 심도(Depth of Field)를 증가시켜서 일종의 핀홀(pin hole) 효과를 제공함으로써 사용자가 실제 세계를 응시하면서 초점 거리를 변경하는 것과 상관없이 항상 선명한 가상 영상을 제공할 수 있다. 그러나, 이러한 본 출원인의 기술은 소형의 반사부를 이용하기 때문에 시야가 좁다는 한계가 있다.
[특허문헌 1]
대한민국 등록특허공보 10-1660519호(2016.09.29 공고)
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 반사 구조와 동공보다 작은 반사부를 이용하여 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은, 반사 구조와 동공보다 작은 반사부를 이용함으로써, 시야각을 넓힐 수 있으며, 광균일도를 향상시키고, 장치의 두께와 부피를 줄일 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 반사 구조와 복수개의 반사부를 이용하되 각각의 반사부 간의 거리를 동공 크기보다 작게 형성함으로써 증강 현실용 화상의 끊김 없이 넓은 시야각을 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 동공보다 작은 복수개의 반사부를 이용함으로써 심도를 깊게 함으로써 핀홀 효과를 발생시키는 동시에 시야각을 넓게 하고 아이박스(eyebox)를 증가시킬 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 반사 구조와 복수개의 반사부를 이용하되, 각각의 반사부를 연속하지 않은 평면 상에 형성함으로써 넓은 시야각과 넓은 아이박스를 가지면서도 얇은 두께의 광학장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 반사 구조와 복수개의 반사부를 이용하되, 각각의 반사부가 서로에게 도달하는 광을 회피하도록 배치되어 광을 차단하지 않고 최대의 광을 눈에 전달하여 높은 광효율을 가진 광학장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 반사 구조와 복수개의 반사부를 이용하되, 반사부의 배치를 통해 추가적인 광량 증가 없이 일정한 최대광을 유지하면서 더 많은 반사부를 사용할 수 있어 높은 광효율을 유지한 상태로 더 넓은 시야(FOV), 아이박스(EYE BOX)를 가진 광학장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 증강 현실용 광학 장치에 있어서, 가시 광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단; 상기 광학 수단의 내부에 배치되는 반사부; 및 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 상기 광학 수단의 내면을 향해 출사하는 화상 출사부를 구비하며, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 반사되어 상기 반사부로 전달되고, 상기 반사부는 상기 전달된 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 반사부의 크기는 8mm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사부의 크기는, 반사부의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 상기 반사부의 크기는, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 상기 반사부의 면적은, 16π(mm 2) 이하의 값을 가지도록 형성될 수도 있다.
또한, 상기 반사부의 면적은, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 면적일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 증강 현실용 광학 장치에 있어서, 가시 광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단; 상기 광학 수단의 내부에 배치되는 복수개의 반사부; 및 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 상기 광학 수단의 내면을 향해 출사하는 화상 출사부를 구비하며, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 반사되어 복수개의 반사부로 부분적으로 분리되어 전달되고, 상기 복수개의 반사부는 상기 전달된 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 복수개의 반사부는, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 정면에 두고 바라보았을 때 광학 수단의 내면에 평행하면서 화상 출사부가 위치하는 방향인 제1 방향을 따라 나란히 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 방향에 수직하는 방향인 제2 방향으로 복수개의 반사부가 추가로 배치될 수도 있다.
또한, 상기 화상 출사부로부터 가까운 쪽의 반사부는 그 뒷쪽에 배치되는 반사부로 입사하는 화상광을 차단하지 않도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 화상 출사부로부터 가까운 쪽의 반사부는 그 뒷쪽에 배치되는 반사부로 입사하는 화상광을 부분적으로 차단하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 반사부가 광학 수단의 내면에 대해 이루는 각도를 광학 수단의 내면에서 반사되어 반사부를 지나는 화상광이 광학 수단의 내면에 대해 이루는 각도와 동일하게 배치할 수도 있다.
또한, 상기 복수개의 반사부 각각은, 인접하는 반사부와의 거리가 8mm 이하가 되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 인접하는 반사부 사이의 거리는, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 경계선 위의 점들 간의 최소값일 수 있다.
본 발명에 의하면, 반사 구조와 동공보다 작은 반사부를 이용하여 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은, 반사 구조와 동공보다 작은 반사부를 이용함으로써, 시야각을 넓힐 수 있으며, 광균일도를 향상시키고, 장치의 두께와 부피를 줄일 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 반사 구조와 복수개의 반사부를 이용하되 각각의 반사부 간의 거리를 동공 크기보다 작게 형성함으로써 증강 현실용 화상의 끊김 없이 넓은 시야각을 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 동공보다 작은 복수개의 반사부를 이용함으로써 심도를 깊게 함으로써 핀홀 효과를 발생시키는 동시에 시야각을 넓게 하고 아이박스(eyebox)를 증가시킬 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 반사 구조와 복수개의 반사부를 이용하되, 각각의 반사부를 연속하지 않은 평면 상에 형성함으로써 넓은 시야각과 넓은 아이박스를 가지면서도 얇은 두께의 광학장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 반사 구조와 복수개의 반사부를 이용하되, 각각의 반사부가 서로에게 도달하는 광을 회피하도록 배치되어 광을 차단하지 않고 최대의 광을 눈에 전달하여 높은 광효율을 가진 광학장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 반사 구조와 복수개의 반사부를 이용하되, 반사부의 배치를 통해 추가적인 광량 증가 없이 일정한 최대광을 유지하면서 더 많은 반사부를 사용할 수 있어 높은 광효율을 유지한 상태로 더 넓은 시야(FOV), 아이박스(EYE BOX)를 가진 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 출원인이 개발한 상기 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(400)를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다.
우선, 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치의 기본 원리에 대해 설명한다.
도 1은 본 출원인이 개발한 상기 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 화상 출사부(30)는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 출사하는 수단으로서 예컨대 소형 디스플레이 장치로 구현될 수 있다. 반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 화상광을 사용자의 동공을 향해 반사시킴으로써 증강 현실용 화상을 제공한다.
광학 수단(10)는 가시 광선의 적어도 일부를 투과시키는 수단으로써 예컨대 안경 렌즈일 수 있으며, 그 내부에는 반사부(20)가 매립되어 있다. 프레임부(40)는 화상 출사부(30)와 광학 수단(10)을 고정 및 지지하는 수단이다.
도 1의 반사부(20)는, 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성되어 있는데, 이와 같이 반사부(20)를 동공 크기보다 작게 형성함으로써 반사부(20)를 통해 동공으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 심도를 매우 깊게 할 수 있다. 여기서, 심도라 함은, 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위를 말하는데, 심도가 깊어지게 되면 증강 현실용 화상에 대한 초점 거리도 깊어진다는 것을 의미하고 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 증강 현실용 화상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 된다. 이는 일종의 핀홀 효과(pin hole effect)라고 볼 수 있다.
본 출원인은 이와 같이 동공보다 작은 크기의 반사부(20)를 이용하면 심도를 깊게 할 수 있다는 점에 착안하여 상기 [특허 문헌 1]에 개시된 바와 같은 기술을 제안한 바 있으나, 이와 같은 반사부(20)를 사용하는 구조는 심도를 깊게 하여 핀홀 효과와 같은 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있지만 시야가 좁다는 한계점이 있다.
이하, 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)의 구성을 설명하기 위한 도면으로서, 도 2의 (a) 및 (b)는 증강 현실용 광학 장치(100)를 사용자의 정면에 두었을 때의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10), 반사부(20) 및 화상 출사부(30)를 구비하며, 상기 화상 출사부(30)로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 상기 광학 수단(10)의 내면에서 적어도 1회 이상 반사되어 상기 반사부(20)로 전달되고, 상기 반사부(20)는 상기 전달된 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 것을 특징으로 한다.
화상 출사부(30)는, 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 광학 수단(10)의 내면을 향해 출사하는 수단으로서, 예컨대 소형의 LCD와 같은 디스플레이 장치일 수 있다.
디스플레이 장치는 증강 현실용 화상을 화면에 표시하는 수단으로서, 반사부(20)에서 증강 현실용 화상을 반사시켜서 사용자의 동공(40)으로 투사할 수 있도록 빛을 발광하는 방식에 의해 증강 현실용 화상을 표시한다. 디스플레이 장치에서 표시되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 광학 수단(10)의 내면을 향해 출사되고 광학 수단(10)의 내면에서 적어도 1회 이상 반사된 후 반사부(20)로 전달된다.
한편, 화상 출사부(30)는 이러한 디스플레이 장치로부터 출사되는 화상광을 반사 또는 굴절시켜서 광학 수단(10)의 내면으로 전달하는 반사 수단 또는 굴절 수단일 수 있다. 이 경우, 디스플레이 장치로부터 출사되는 화상광은 광학 수단(10)의 내면으로 직접 출사되지 않고 반사 수단 또는 굴절 수단을 거쳐서 광학 수단(10)의 내면으로 전달된다.
또한, 화상 출사부(30)는 디스플레이 장치로부터 출사되는 화상광을 시준된 평행광으로서 출사하는 콜리메이터(collimatior)일 수도 있다.
또는, 화상 출사부(30)는 콜리메이터를 반사 수단 또는 굴절 수단과 디스플레이 장치과 조합하여 사용할 수도 있다. 콜리메이터를 사용하는 경우 화상 출사부(30)로부터의 출사되는 화상광은 시준된 평행광이 된다.
즉, 화상 출사부(30)는 증강 현실용 화상을 표시하는 디스플레이 장치로부터 출사된 화상광을 광학 수단(10)의 내면을 향해 출사하는 디스플레이 장치, 반사 수단, 굴절 수단 또는 콜리메이터와 같은 수단이거나 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이러한 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 내면에서 화상광이 적어도 1회 이상 반사되어 반사부(20)로 전달될 수 있도록, 광학 수단(10)의 내면에 대해 경사지도록 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 화상 출사부(30)로부터 출사되는 화상광이 광학 수단(10)의 내면에서 반사된다는 것은 광학 수단(10)의 내면에서 화상광이 전부 반사되는 전반사(total reflection)가 이루어진다는 것을 의미한다. 이는 화상광이 광학 수단(10)의 내부에서 외부로 투과하지 않도록 광학 수단(10)의 굴절률과 광학 수단(10)의 외부(공기)의 굴절률에 의해 정해지는 전반사가 발생하기 위한 임계각보다 광학 수단(10)의 내면으로 입사하는 화상광의 입사각이 커야 한다는 것을 의미한다. 따라서, 화상 출사부(30)의 표면과 광학 수단(10)의 내면 중 화상 출사부(30)로부터 출사된 화상광이 첫번째로 도달하는 광학 수단(10)의 내면의 수직 방향에 대한 각도(입사각)는 광학 수단(10)의 굴절률과 광학 수단(10)의 외부(공기)의 굴절률에 의해 정해지는 전반사가 발생하기 위한 임계각보다 크게 될 수 있도록 화상 출사부(30)가 배치된다.
한편, 여기에서, 증강 현실용 화상이라 함은, 디스플레이 장치에 표시되는 화상으로서 반사부(20)를 통해 사용자의 동공을 통해 제공되는 가상 화상을 의미하며, 이미지 형태의 정지 영상이거나 동영상과 같은 것일 수 있다. 이러한 증강 현실용 화상은 디스플레이 장치로부터 화상광으로 출사되어 광학 수단(10)의 내면 및 반사부(20)를 통해 사용자의 동공(40)을 통해 가상 화상으로서 제공되고, 이와 동시에 사용자는 광학 수단(10)을 통해 실제 세계의 영상을 눈으로 직접 인식함으로써 증강 현실 서비스를 제공받을 수 있게 된다.
한편, 도 2에서 화상 출사부(30)는 사용자가 정면을 응시할 때를 기준으로 우측면에 배치되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 상부, 하부, 대각선 상하 방향 등에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)를 포함하는 증강 현실 구현 장치가 예컨대 안경 형태로 구현된 경우 화상 출사부(30)는 안경 프레임의 적절한 위치에 배치될 수 있다.
디스플레이 장치는, 외부의 별도 영상 재생 장치로부터 영상 신호를 입력받아서 단순히 화상을 표시하는 기능만을 가질 수도 있고, 자체적으로 프로세서, 메모리 등을 구비하여 화상을 저장하고 재생하는 기능을 갖는 장치와 일체로 형성될 수도 있다.
디스플레이 장치 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 또한 화면에 화상을 표시할 수 있는 종래 알려져 있는 장치를 사용할 수 있으므로 이에 대한 상세 설명은 생략한다.
광학 수단(10)은, 가시 광선의 적어도 일부를 투과시키는 수단으로서, 예컨대 렌즈일 수 있으며, 그 내부에는 반사부(20)가 배치된다.
여기에서, 가시 광선의 적어도 일부를 투과시킨다는 것은, 가시 광선의 투과율이 0~100%의 범위라는 의미이다. 이러한 광학 수단(10)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(100)가 사용자의 눈의 동공(40) 정면 방향에 위치한다고 가정할 때, 현실 세계의 영상인 가시 광선을 투과시켜 동공(40)으로 전달시키고, 반사부(20)에 의해 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 동공(40)으로 반사시킴으로써 광학 수단(10)을 통한 현실 세계의 영상과 반사부(20)에 의한 증강 현실용 화상을 겹쳐서 사용자에게 제공할 수 있다. 따라서, 사용자는 증강 현실 서비스를 제공받을 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 적어도 1회 이상 반사되어 반사부(20)로 전달된다.
광학 수단(10)은 도 2에 나타낸 바와 같이 예컨대 사각형의 렌즈 모듈 형태로 구현하고 이러한 렌즈 모듈을 안경 형태의 증강 현실 구현 장치에 착탈 가능하게 결합시키거나, 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)를 포함하는 증강 현실 구현 장치가 안경 형태로 구현되는 경우 안경 렌즈의 형태로 구현될 수도 있다.
반사부(20)는, 광학 수단(10)의 내부에 배치되어 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 반사시키는 기능을 수행한다. 이 때, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 적어도 1회 반사되어 상기 반사부(20)로 전달되고, 반사부(20)는 광학 수단(10)의 내면을 통해 전달되는 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 반사시킨다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 반사부(20)는, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 동공(40)을 향해 반사시킴으로써, 증강 현실용 화상과 실제 세계의 영상을 겹쳐서 제공함으로써 증강 현실 서비스를 제공할 수 있도록 한다. 즉. 반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사되는 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 디스플레이 장치에 표시된 증강 현실용 화상을 제공할 수 있다.
이를 위하여, 반사부(20)는, 광학 수단(10)의 내면과 동공(40) 사이에서 적절한 각도를 갖도록 배치된다.
바람직하게는, 반사부(20)를 사용자의 동공(40) 정면에 위치시켰을 때 반사부(20)의 중심으로 입사하는 화상광이 반사되어 동공(40)의 중심으로 입사할 수 있도록 하는 각도를 가지고 배치된다.
예컨대, 도 2에서는 반사부(20)는 사용자가 정면을 응시할 때 동공(40)의 정면 방향에 위치하고 화상 출사부(30)는 동공 정면 방향의 우측에 위치하는 것으로 가정하였으므로, 이 경우 반사부(20)는 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이 대략 45도 정도의 경사를 가지고 동공(40) 정면 방향 바깥쪽으로 기울여서 배치된다.
한편, 도 2의 실시예에서, 반사부(20)의 크기는 앞서 도 1에서 설명한 바와 같이 사람의 동공 크기보다 작게, 즉, 8mm 이하인 것이 바람직하다.
여기에서, 반사부(20)의 크기라 함은, 반사부(20)의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 반사부(20)의 크기는, 사용자가 정면을 응시할 때 동공(40)으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부(20)의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 반사부(20)가 사용자의 동공(40) 정면 방향의 중심부에 배치되지 않을 수도 있는데, 이 경우 반사부(20)의 크기는, 사용자가 반사부(20) 방향을 응시할 때 동공(40)으로부터 반사부(20) 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부(20)의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수도 있다.
또한, 도 2의 실시예에 있어서, 반사부(20)의 면적은, 사람의 동공(40) 면적보다 작게 형성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 사람의 동공이 원 형상이라고 할 때, 동공의 직경은 2~8mm이고 반지름은 1~4mm라고 할 수 있으며, 따라서 동공의 면적은 π·r 2의 수식에 의하여 최대 16π(mm 2)이므로, 반사부(20)의 면적을 16π(mm 2) 이하의 값을 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
여기에서, 반사부(20)의 면적은, 사용자가 정면을 응시할 때 동공(40)으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 반사부(20)를 투영한 정사영의 면적일 수 있다.
또한, 반사부(20)가 사용자의 동공(40) 정면 방향의 중심부에 배치되지 않을 수도 있는데, 이 경우 반사부(20)의 면적은, 사용자가 반사부(20) 방향을 응시할 때 동공(40)으로부터 반사부(20) 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부(20)의 정사영의 면적일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 3의 (a) 및 (b)는 증강 현실용 광학 장치(200)를 사용자의 정면에 두었을 때의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸 것이다.
도 3의 실시예는 도 2의 실시예와 기본적으로 동일하되, 반사부(20)를 복수개 배치했다는 점에서 차이가 있다.
도 3의 실시예에 의하면, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 적어도 1회 이상 반사되고, 반사된 화상광은 복수개의 반사부(20)로 부분적으로 분리되어 전달되고, 복수개의 반사부(20)는 전달된 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 것을 특징으로 한다.
도 3의 실시예에서는, 반사부(20)가 광학 수단(10)의 내부에서 가로 방향(제1 방향)으로 배치되어 있는데, 이는 화상 출사부(30)가 우측면에 위치해 있기 때문이다. 만약, 화상 출사부(30)가 상부에 위치한다면 반사부(20)는 광학 수단(10)의 내부에서 세로 방향으로 배치된다.
즉, 복수개의 반사부(20)가 배치되는 방향인 제1 방향은, 증강 현실용 광학 장치(200)를 사용자의 정면에 두고 바라보았을 때 광학 수단(10)의 내면에 평행하면서 화상 출사부(30)가 위치하는 방향을 의미한다.
한편, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 방향에 수직하는 방향인 제2 방향으로 복수개의 반사부(20)가 추가로 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 방향으로 배치되는 반사부(20)들은 각각 반사부 그룹(20A,20B)를 형성한다.
한편, 도 3의 실시예는, 화상 출사부(30)로부터 가까운 쪽의 반사부(20)는 그 뒷쪽에 배치되는 반사부(20)로 입사하는 화상광을 차단하지 않도록 배치되어 있다. 이는 화상 출사부(30)의 각도, 반사부(20)간의 거리 및 각도 및 광학 수단(10)의 두께(도 3의 (a)에서는 세로 방향)를 적절히 조절하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 예컨대, 광학 수단(10)의 두께와 반사부(20)의 거리 및 각도를 고정해 놓고, 화상 출사부(30)로부터의 화상광이 광학 수단(10)의 내면으로 입사하는 입사각을 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)를 나타낸 도면으로서, 도 4의 (a) 및 (b)는 증강 현실용 광학 장치(300)를 사용자의 정면에 두었을 때의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸 것이다.
도 4의 실시예는 도 3의 실시예와 기본적으로 동일하되, 화상 출사부(30)로부터 가까운 쪽의 반사부(20)는 그 뒷쪽에 배치되는 반사부(20)로 입사하는 화상광을 일부 차단하도록 배치된 것을 특징으로 한다. 이 경우, 뒷쪽에 위치한 반사부(20)에는 앞쪽의 반사부(20)에 의해 일부 화상광이 차단되어 전달되지 않지만 차단되는 화상광이 입사되는 화상광보다 매우 적은 비율일 때는 큰 문제가 되지 않는다. 따라서, 화상 출사부(30)의 각도, 반사부(20)간의 거리 및 각도 및 광학 수단(10)의 두께 등의 조건에 따라 불가피한 경우에는 도 4와 같이 화상 출사부(30)로부터 가까운 쪽의 반사부(20)는 그 뒷쪽에 배치되는 반사부(20)로 입사하는 화상광을 일부 차단하도록 배치할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(400)를 나타낸 도면으로서, 도 5의 (a) 및 (b)는 증강 현실용 광학 장치(400)를 사용자의 정면에 두었을 때의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸 것이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 실시예와 유사하지만, 반사부(20)가 광학 수단(10)의 내면에 대해 이루는 각도와 광학 수단(10)의 내면에서 반사되어 반사부(20)를 지나는 화상광이 광학 수단(10)의 내면에 대해 이루는 각도를 동일하게 되도록 배치한 것을 특징으로 한다.
도 5의 실시예에 의하면, 광학 수단(10)의 내면에 대한 반사부(20)의 경사각과 반사부(20)를 지나는 화상광의 광학 수단(10)의 내면에 대한 경사각을 동일하게 함으로써 화상 출사부(30)로부터 가까운 쪽의 반사부(20)가 그 뒷쪽에 배치되는 반사부(20)로 입사하는 화상광을 차단하지 않도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)를 나타낸 도면으로서, 도 6의 (a) 및 (b)는 증강 현실용 광학 장치(500)를 사용자의 정면에 두었을 때의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸 것이다.
도 6의 실시예는 도 3의 실시예와 도 5의 실시예를 조합한 것으로서, 반사부(20)가 광학 수단(10)의 내면에 대해 이루는 각도를 광학 수단(10)의 내면에서 반사되어 반사부(20)를 지나는 화상광이 광학 수단(10)의 내면에 대해 이루는 각도와 동일하게 하면서 화상 출사부(30)로부터 가까운 쪽의 반사부(20)는 그 뒷쪽에 배치되는 반사부(20)로 입사하는 화상광을 차단하지 않도록 배치된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 있어서, 복수개의 반사부(20)들 각각은, 인접하는 반사부(20)들과의 거리(d)가 사람의 동공(40) 크기보다 작게 되도록 배치된 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 사람의 동공 크기(직경)는 평균적으로 2~8mm 범위인 것으로 알려져 있으며, 따라서 본 발명에서의 복수개의 반사부(20)들 각각은, 인접하는 반사부(20)와의 거리(d)가 8mm 이하로 되도록 배치되는 것이 바람직하다.
여기에서, 반사부(20) 사이의 거리(d)(또는 간격(d))는, 복수개의 반사부(20)들을 정면에서 바라보았을 때 인접하는 반사부(20)들의 경계선 위의 점들 간의 최소값일 수 있다.
또한, 반사부(20) 사이의 거리(d)(또는 간격(d))는, 사용자가 정면을 응시할 때 동공(40)으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부(20)들의 정사영의 경계선 위의 점들 간의 최소값일 수도 있다.
또한, 반사부(20)가 사용자의 동공 정면 방향의 중심부에 배치되지 않을 수도 있는데, 이 경우 반사부(20) 사이의 거리(d)(또는 간격(d))는, 사용자가 반사부(20) 방향을 응시할 때 동공(40)으로부터 반사부(20) 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부(20)들의 정사영의 경계선 위의 점들 간의 최소값일 수 있다.
한편, 복수개의 반사부(20)들 사이의 거리(d)는 모두 동일한 것이 바람직하지만, 반드시 동일할 필요는 없으며 필요에 따라 부분적으로 거리(d)를 다르게 할 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 복수개의 반사부(20)들의 크기 또한 전술한 바와 같이 사람의 동공 크기보다 작은 것이 바람직하다. 즉, 복수개의 반사부(20) 각각의 크기는 앞서 도 2의 실시예에서 설명한 바와 같이 8mm 이하인 것이 바람직하다.
한편, 복수개의 반사부(20)들 각각의 크기는 모두 동일한 것이 바람직하지만, 반드시 동일할 필요는 없으며 필요에 따라 부분적으로 다르게 할 수도 있다
또한, 본 발명에 있어서, 복수개의 반사부(20)의 면적 또한 앞서 설명한 바와 같이 사람의 동공(40)의 면적보다 작도록 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 복수개의 반사부(20)들 각각의 면적 또한 모두 동일한 것이 바람직하지만, 반드시 동일할 필요는 없으며 필요에 따라 부분적으로 다르게 할 수도 있다.
이상에서 본 발명에 의한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며 청구범위 및 도면에 기초한 본 발명의 범위 내에서 기타 다양한 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.
예컨대, 반사부(20)가 복수개인 경우, 상기 실시예에서는 반사부(20)들은 평면도를 기준으로 보았을 때 동일 평면에 배치된 것으로 설명하였으나, 서로 다른 평면에 배치하여 입체적인 형태로 구현할 수도 있다.

Claims (14)

  1. 증강 현실용 광학 장치에 있어서,
    가시 광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단;
    상기 광학 수단의 내부에 배치되는 반사부; 및
    증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 상기 광학 수단의 내면을 향해 출사하는 화상 출사부
    를 구비하며,
    상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 반사되어 상기 반사부로 전달되고,
    상기 반사부는 상기 전달된 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부의 크기는 8mm 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반사부의 크기는, 반사부의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 반사부의 크기는, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부의 면적은, 16π(mm 2) 이하의 값을 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 반사부의 면적은, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 면적인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  7. 증강 현실용 광학 장치에 있어서,
    가시 광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단;
    상기 광학 수단의 내부에 배치되는 복수개의 반사부; 및
    증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 상기 광학 수단의 내면을 향해 출사하는 화상 출사부
    를 구비하며,
    상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광은 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 반사되어 복수개의 반사부로 부분적으로 분리되어 전달되고,
    상기 복수개의 반사부는 상기 전달된 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수개의 반사부는, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 정면에 두고 바라보았을 때 광학 수단의 내면에 평행하면서 화상 출사부가 위치하는 방향인 제1 방향을 따라 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 방향에 수직하는 방향인 제2 방향으로 복수개의 반사부가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 화상 출사부로부터 가까운 쪽의 반사부는 그 뒷쪽에 배치되는 반사부로 입사하는 화상광을 차단하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 화상 출사부로부터 가까운 쪽의 반사부는 그 뒷쪽에 배치되는 반사부로 입사하는 화상광을 부분적으로 차단하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 반사부가 광학 수단의 내면에 대해 이루는 각도와 광학 수단의 내면에서 반사되어 반사부를 지나는 화상광이 광학 수단의 내면에 대해 이루는 각도를 동일하게 배치한 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수개의 반사부 각각은, 인접하는 반사부와의 거리가 8mm 이하가 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 인접하는 반사부 사이의 거리는, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 경계선 위의 점들 간의 최소값인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
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