WO2021215704A1 - 마이크로 프리즘 어레이 기반의 증강 현실 광학계 - Google Patents

마이크로 프리즘 어레이 기반의 증강 현실 광학계 Download PDF

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WO2021215704A1
WO2021215704A1 PCT/KR2021/004313 KR2021004313W WO2021215704A1 WO 2021215704 A1 WO2021215704 A1 WO 2021215704A1 KR 2021004313 W KR2021004313 W KR 2021004313W WO 2021215704 A1 WO2021215704 A1 WO 2021215704A1
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prism
optical system
medium
optical
refractive
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PCT/KR2021/004313
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한재승
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(주)큐미스
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    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0883—Mirrors with a refractive index gradient

Definitions

  • the present invention relates to an optical system capable of implementing Augmented Reality (AR) based on a micro-prism array.
  • AR Augmented Reality
  • Augmented reality is a field of virtual reality (VR) and is a computer graphic technique that synthesizes virtual objects or information in an actual environment to make them appear as if they exist in the original environment.
  • the most important part for realizing augmented reality is an augmented reality optical element, which floats a virtual image at a desired location and serves to transmit the real world to an observer through the optical element.
  • a display panel, a semi-mirror, and a convex lens may be used as a configuration of such an optical device.
  • an optical element may be configured by placing the display image on a person's forehead, arranging a semi-mirror in front of the eyes at a 45 degree angle, and arranging a convex mirror between the display panel and the semi-mirror.
  • part of the light emitted from the display panel is reflected after passing through the convex lens due to the characteristics of the semi-mirror and enters the eyes of a person (ie, the user), and part of the light coming from the real world is transmitted and transmitted to the user do.
  • the image of the display panel is positioned on the opposite side of the user with respect to the half-mirror.
  • the electronic device includes a spectacle body having a left eye lens and a right eye lens and a nose support positioned between the lenses, one display module positioned in the nose support, and a display provided in the display module.
  • An optical system comprising an optical system for a left eye that transmits a screen to the lens for the left eye and an optical system for a right eye that transmits a screen to the lens for the right eye, and controls a screen displayed on the display to display a screen on at least one of the two lenses It includes a control unit that
  • AR optical system capable of realizing augmented reality (AR) based on a micro-prism array.
  • the present invention relates to a micro-prism AR optical system (hereinafter simply referred to as an AR optical system) capable of realizing augmented reality (AR) based on a micro-prism array.
  • the present invention is an optical system that allows the user to observe an image expressed in augmented reality by placing the AR optical system in front of the user like glasses.
  • An optical system may also be referred to as an optical system or an optical device.
  • This AR optical system is composed of a refractive medium, a reflective element, and a micro prism.
  • the reflective light element may be, for example, a mirror or a convex or concave mirror.
  • This AR optical system is applicable to both a case where a single micro prism is used and a case where a micro prism array is used. That is, the micro-prism may be a single micro-prism or a micro-prism array.
  • the image incident to the micro-prism AR optical system from the display panel is first formed as a first virtual image behind the reflective optical element by the reflective optical element located at the bottom of the AR optical system, Second, the image formed as a virtual image by the reflective light element is again formed as a second virtual image by a micro prism.
  • the AR optical system includes a refraction medium 20, a display device 10 disposed on one edge of the refraction medium, a reflective light element 40 disposed on the other edge of the refraction medium, and A set of prism portions 30 formed on the prism forming surfaces 21 and 22 among both surfaces of the refraction medium may be included.
  • the first virtual image which is a virtual image of the image displayed on the display device, is formed on the first imaging area 91 opposite to the display device with respect to the reflective light device by the arranged reflective light element.
  • a second virtual image which is a virtual image of the first virtual image, is formed on the second imaging region 82 existing on the first surface 21 side among both surfaces of the refraction medium. It can be characterized as being
  • the set of prism parts includes one or more prism parts, and each prism part is in a region 300 having an optical interface 301 having a shape locally recessed from the prism forming surface of the refractive medium.
  • each of the prism portions may be defined by a region 300 having a shape locally recessed from the prism forming surface of the refractive medium.
  • the optical interface 301 may be an interface between the refraction medium and air.
  • the optical interface 301 may be an interface between the refractive medium and the second medium having a refractive index different from that of the refractive medium.
  • each of the prisms includes a first optical interface surface 311 substantially parallel to the optical axis 900 connecting the central portion of the refractive medium and the central portion of the ophthalmic optical system 2 , and inclined with respect to the optical axis. It may have a second optical interface surface 312 .
  • the reflective light element may be a flat mirror.
  • the reflective light element may be a concave mirror.
  • the set of prism parts may include a plurality of prism parts, and the plurality of prism parts may be arranged in an array form on the prism forming surface.
  • the second refractive medium 120 disposed in contact with the prism forming surface may be further included.
  • the refractive medium and the second refractive medium may be different media.
  • the refractive index matching oil layer 70 provided between the refractive medium and the second refractive medium may be further included.
  • the set of prisms includes one or more prisms, and each of the prisms is a region 400 having optical interfaces 401 and 501 locally protruding from the prism-forming surface of the refractive medium. , 500) can be defined by
  • each of the prism parts may be defined by regions 400 and 500 having a shape locally protruding from the prism forming surface of the refractive medium.
  • each of the prisms includes a first optical interface surface 511 substantially parallel to the optical axis 900 connecting the central portion of the refractive medium and the central portion of the ophthalmic optical system 2 , and inclined with respect to the optical axis. It has a second optical interface surface 512 , and a third refractive medium 220 having a third refractive index that is higher than that of the refractive medium 20 may be coupled to the second optical interface surface 512 .
  • an AR optical system capable of pre-focusing that cannot be implemented in commercial wearable AR devices.
  • FIG. 1 shows the optical structure of a single micro-prism AR optical system 1 according to an embodiment of the present invention and geometrical relationships according to position parameters of imaging optical elements included in the optical system.
  • FIG. 2 shows the depth of focus of the user's eye optical system that changes according to the size of the prism shown in FIG. 1 .
  • FIG 3 shows the optical structure of the single micro-prism AR optical system 1 in which the reflective optical element 40 is a concave mirror according to an embodiment of the present invention and the geometrical structure according to the position parameters of the imaging optical elements included in the optical system. show the relationship
  • FIG. 4 shows coordinates in which a point (xD, zD) on the display device according to an embodiment of the present invention is mapped to a point (xD', zD') on the final imaging image 60 .
  • FIG 5 shows a vertical viewing angle of the single micro-prism AR optical system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a viewing angle with respect to the vertical direction of the micro-prism array AR optical system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a horizontal viewing angle of the micro-prism array AR optical system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 9 and 10 show an application example of the AR optical system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 11 and 12 show the structure of an AR optical system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows the optical structure of a single micro-prism AR optical system 1 according to an embodiment of the present invention and geometrical relationships according to position parameters of imaging optical elements included in the optical system.
  • Fig. 1 (a) shows the AR optical system 1 and the parameters of the position of each optical element
  • Fig. 1 (b) shows the concept of imaging by a mirror and a prism
  • Fig. 1 (c) shows the AR optical system The geometrical relationship between each element in (1) and virtual images is shown.
  • the refractive index of the refractive medium 20 is n
  • the diameter of the refractive medium 20 is h
  • the thickness of the refractive medium 20 is t.
  • the starting position of the prism part 30 from the lower end of the refraction medium 20 is p
  • the position of the end of the prism part 30 is p+t.
  • a display panel 10 is positioned at an upper end of the refraction medium 20
  • a reflective light element 40 is positioned at a lower end of the refraction medium 20 .
  • the display device 10 located on the upper end of the refraction medium 20 is formed as a first virtual image 50 behind the reflective light element 40 by the reflective light element 40 .
  • the first virtual image 50 is formed into the second virtual image 60 once more by the prism 30 , and the imaging position of the second virtual image 60 is as shown in FIG. 1B .
  • Fig. 1 (c) is for mathematically expressing the imaging relationship in consideration of the optical path setting by the refractive index of the AR optical system 1 .
  • the display device 10 positioned on the refraction medium 20 is considered to be located at a reduced distance from the point of view of the mirror 40, and the value is h/n.
  • the imaging distance of the display device 10 by the reflective element 40 is h/n.
  • T is the final imaging position of the display device 10 , which is a value measured from the rear surface of the refraction medium 20 , and may be expressed as Equation 1 .
  • Equation 1 is an equation for a specific case in which the radius of curvature r of the reflective light element 40 is infinite.
  • the size of the prism 30 is related to the depth of focus of the user's eye optical system.
  • FIG. 2 shows the depth of focus of the user's eye optical system that changes according to the size of the prism shown in FIG. 1 .
  • the prism 30 of the AR optical system 1 has a relatively large size with respect to the user's eye optical system 2 . Accordingly, the depth of focus of the synthetic optical system including the AR optical system 1 and the ophthalmic optical system 2 is lowered, and thus the resolution of the final image 210 imaged on the retina is lowered.
  • FIG. 2B is an example in which the depth of focus of the synthetic optical system is increased by making the size of the prism 30 smaller than that of FIG. 2A . This shows that the resolution of the final image 210 imaged on the retina can be relatively increased.
  • FIG 3 shows the optical structure of the single micro-prism AR optical system 1 in which the reflective optical element 40 is a concave mirror according to an embodiment of the present invention and the geometrical structure according to the position parameters of the imaging optical elements included in the optical system. show the relationship
  • Fig. 3 (a) shows the parameters of the AR optical system 1 and the position of each optical element
  • Fig. 3 (b) shows the geometrical relationship between each element of the AR optical system 1 and virtual images.
  • the refractive index of the refractive medium 20 is n
  • the diameter of the refractive medium 20 is h
  • the thickness of the refractive medium 20 is t.
  • the starting position of the prism part 30 from the lower end of the refraction medium 20 is p, and the position of the end is p+t.
  • a display panel 10 is positioned at an upper end of the refraction medium 20
  • a concave mirror that is a reflective light element 40 is positioned at a lower end of the refraction medium 20 .
  • 3B is for mathematically expressing the imaging relationship in consideration of the optical path setting by the refractive index of the AR optical system 1 .
  • the display device 1 positioned on the refraction medium 20 is considered to be positioned at a reduced distance from the point of view of the concave mirror (ie, the reflective light element 40 ), and the value is h/n.
  • the imaging formula of the concave mirror ie, the reflective element 40
  • the imaging position s' of the display device 1 by the concave mirror ie, the reflective optical element 40
  • Equation 2 h ⁇ 0 and f>lhl. So s' ⁇ 0.
  • T is the final imaging position of the display device 1 , measured from the rear surface of the refraction medium 20 , and is given by Equation 3 below.
  • Equation 3 is an equation for the final imaging position of the display device 1 according to the focal length of the concave mirror that is the reflective light element 40 .
  • Equation 3 the focal length of the reflective light element 40 can be calculated by arranging Equation 3 as a function of T, and is given by Equation 4 as follows.
  • Equation 4 h ⁇ 0 and f>lhl.
  • Equation 5 The magnification of the final imaging image 60 in the present AR optical system 1 is given by Equation 5 below.
  • Equation 5 h ⁇ 0 and f>lhl.
  • T is about 1 m
  • M is about 63 times.
  • the magnification is not considered in the imaging images 50 and 60 shown in (b) of FIG. 3 .
  • FIG. 4 shows coordinates in which a point (xD, zD) on the display device according to an embodiment of the present invention is mapped to a point (xD', zD') on the final imaging image 60 .
  • the vertex of the concave mirror 40 is located at the origin of the coordinate system.
  • the x-axis is the coordinate axis and is the same as the position of the optical axis of the concave mirror 40 .
  • the starting position of the prism 30 is (xp, -t/2).
  • a position at which a point (xD, zD) on the display device 10 is imaged by the concave mirror 40 is given as a coordinate function and is as shown in Equation 6 below.
  • the coordinates at which a point (xD, zD) on the display device 10 is mapped onto the final imaging image 60 is (xD', zD'), and the coordinates are given by Equation (7).
  • FIG 5 shows a vertical viewing angle of the single micro-prism AR optical system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • Reference numeral 901 shown in FIG. 5 may mean eyeaperture.
  • the micro prism 30 is positioned in the portion (A) indicated by the green circle in FIG. 5 .
  • the plane zD' is the plane where the final imaging image is located. Light propagating from the final imaging plane is limitedly incident to the ophthalmic optical system 2 due to the size of the prism 30 . Accordingly, the angle of view can be expressed as a relationship between both edges of the prism 30 and the position of the ophthalmic optical system 2 and the effective aperture.
  • two points xt-i(xtop-intersection), and xb-i(xbottom-intersection) corresponding to the angle of view on the plane zD' are given as in Equations 8-1 and 8-2 below.
  • x eyebottom and x eyetop are the x coordinates of the effective aperture of the eye optical system 2, respectively.
  • z eye is the z coordinate of the effective aperture of the ophthalmic optical system 2 .
  • t P is the diameter of the micro prism 30 .
  • Equation 8-1 The angle of view can be derived using Equation 8-1 and Equation 8-2 and is given as Equation 9.
  • the viewing angle may be indicated by reference numeral ⁇ v ( ⁇ vertical ) in FIG. 5 .
  • FIG. 6 shows a viewing angle with respect to the vertical direction of the micro-prism array AR optical system according to an embodiment of the present invention.
  • xp1 and xp2 are starting positions of the first prism 31 and the second prism 32, respectively, as shown in FIG. 6 .
  • Equation 11 From Equations 10-1 and 10-2, it is possible to derive a viewing angle for the case where the micro-prism arrays 30' and 31 to 32 are used in the AR optical system 1, and is given as in Equation 11 below.
  • the viewing angle may be indicated by reference numeral ⁇ vt ( ⁇ vertical-total ) in FIG. 6 .
  • the plane zD' is the plane where the final imaging image is located. Light propagating from the final imaging plane is limitedly incident to the ophthalmic optical system 2 due to the size of the prism 30 . Accordingly, the angle of view can be expressed as a relationship between both edges of the prism 30 and the position of the ophthalmic optical system 2 and the effective aperture.
  • the edge position of the prism 30 is divided into a portion in contact with the surface of the AR optical system 1 and a portion located inside the refraction medium.
  • Two points on the plane zD' corresponding to the edge of the part where the prism 30 is tangent to the surface (starting position) are y dl-i (y downleft-intersection ) and y dr-i (y downrignt-intersection ), respectively. .
  • two points on the plane zD′ corresponding to two edge points located in the refraction medium are y ul-i (y upleft-intersection ) and y ur-i (y uprignt-intersection ), respectively.
  • the perpendicular to each point is given by Equation 11-1 and Equation 11-2 and Equation 12-1 and Equation 12-2 as follows.
  • y eyeright and y eyeleft are y coordinates of the effective aperture of the eye optical system 2, respectively.
  • yp is the y-coordinate of the prism 30 where the prism starts, measured from the origin.
  • Equation 11-1 Equation 11-2, Equation 12-1, Equation 12-2, and the coordinates of the effective aperture of the ophthalmic optical system (2), the horizontal angle of view can be derived as shown in Equations 13 and 14 below.
  • reference numeral ⁇ hd in FIG. 7 may mean ⁇ horizontal-down.
  • reference symbol ⁇ hu may mean ⁇ horizontal-up.
  • FIG. 8 shows a horizontal viewing angle of the micro-prism array AR optical system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the prisms of the AR optical system 1 are formed of the micro-prism arrays 30 ′ and 31 to 35 , the final images by the prisms 32 , 33 and 34 located in the middle overlap each other. Accordingly, the horizontal angle of view may be induced through the geometrical relationship between the prisms 31 and 35 located at the edges of the prism arrays 30 ′ and 31 to 35 .
  • ypN is the y-coordinate of the N-th prism farthest from the origin.
  • Equation 15-1 and Equation 15-2 the horizontal angle of view of the AR optical system 1 using the prism array 30' can be derived and is given as the following Equation 16.
  • reference numeral ⁇ hut in FIG. 8 may mean ⁇ horizontal-up-total.
  • FIG 9 and 10 show an application example of the AR optical system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9 and 10 show that the prism array as shown in FIG. 8 is applied to the AR optical system 1, and the display device is omitted.
  • Fig. 9 (a) shows the front side of the AR optical system 1
  • Fig. 9 (b) shows the right side of the AR optical system 1. As shown in Figs.
  • FIG. 10 shows a case in which the refractive medium is divided into two components by the refractive index matching oil layer 70 .
  • each prism part 30 is to be defined by a region 300 having an optical interface 301 having a shape locally recessed from the prism forming surface among both surfaces of the refraction medium 20 .
  • the prism forming surface may be a first surface 21 disposed opposite to the ophthalmic optical system 2 among both surfaces of the refraction medium 20 .
  • the optical interface 301 may be an interface between the refraction medium 20 and air.
  • the optical interface 301 may be an interface between the refractive medium 20 and another medium having a refractive index different from that of the refractive medium 20 .
  • each prism unit 30 includes a first optical interface surface 311 substantially parallel to the optical axis 900 connecting the central portion of the refractive medium 20 and the central portion of the ophthalmic optical system 2 , and the It may have a second optical interface surface 312 inclined with respect to the optical axis.
  • a set of prism parts 30' may include a plurality of prism parts 30, and the plurality of prism parts 30 may be arranged in an array form on the prism forming surface.
  • the second refractive medium 120 may be disposed in contact with the prism-forming surface of the refractive medium 20 .
  • the refractive medium 20 and the second refractive medium 120 may be different media.
  • a refractive index matching oil layer 70 may be provided between the refractive medium 20 and the second refractive medium 120 .
  • FIG 11 shows the structure of the AR optical system 1 provided according to another embodiment of the present invention.
  • the AR optical system 1 includes a refraction medium 20 , a display device 10 disposed at one edge of the refraction medium 20 , a reflective light element 40 disposed at the other edge of the refraction medium 20 , and refraction It may include a set of prism portions 30 formed on the prism forming surface among both surfaces of the medium 20 .
  • the prism forming surface may be the first surface 21 disposed on the opposite side of the ophthalmic optical system 2 among both surfaces of the refraction medium 20 .
  • the set of prism parts 30 includes one or more prism parts, and each prism part has an optical interface 401 having a shape locally protruding from the prism forming surface of the refraction medium 20 .
  • the optical interface 401 may be an interface between the refraction medium 20 and air.
  • each prism part 30 includes a first optical interface surface 411 substantially parallel to the optical axis 900 connecting the central portion of the refractive medium 20 and the central portion of the ophthalmic optical system 2 , and the It may have a second optical interface surface 412 inclined with respect to the optical axis.
  • the set of prism parts may include a plurality of prism parts, and the plurality of prism parts may be arranged in an array form on the prism forming surface.
  • FIG 12 shows the structure of the AR optical system 1 provided according to another embodiment of the present invention.
  • the AR optical system 1 includes a refraction medium 20 , a display device 10 disposed at one edge of the refraction medium 20 , a reflective light element 40 disposed at the other edge of the refraction medium 20 , and refraction It may include a set of prism portions 30 formed on the prism forming surface among both surfaces of the medium 20 .
  • the prism forming surface may be the second surface 22 disposed on the ophthalmic optical system 2 side among both surfaces of the refraction medium 20 .
  • the set of prism parts 30 includes one or more prism parts, and each prism part has an optical interface 501 having a shape locally protruding from the prism forming surface of the refraction medium 20 . may be defined by a region 500 having .
  • each prism part 30 includes a first optical interface surface 511 substantially parallel to the optical axis 900 connecting the central portion of the refractive medium 20 and the central portion of the ophthalmic optical system 2 , and the It may have a second optical interface surface 512 inclined with respect to the optical axis.
  • a third refractive medium 220 having a third refractive index that is higher than that of the refractive medium 20 may be coupled to the second optical interface surface 512 .
  • the first optical interface surface 511 may be an interface between the refraction medium 20 and air.
  • the second optical interface surface 512 may be an interface between the refractive medium 20 and the third refractive medium 220 .
  • the set of prism parts may include a plurality of prism parts, and the plurality of prism parts may be arranged in an array form on the prism forming surface.
  • AR optical system 2 eye

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Abstract

굴절매질, 상기 굴절매질의 일 측 가장자리에 배치된 디스플레이 장치, 상기 굴절매질의 타 측 가장자리에 배치된 반사광소자, 및 상기 굴절매질의 양 면 중 프리즘 형성면에 형성된 한 세트의 프리즘부를 포함하는 AR광학계를 공개한다.

Description

마이크로 프리즘 어레이 기반의 증강 현실 광학계
본 발명은 마이크로 프리즘 어레이 기반으로 증강현실(Augmented Reality, AR)을 구현할 수 있는 광학계에 대한 것이다.
증강현실(AR)은 가상현실(VR)의 한 분야로 실제로 존재하는 환경에 가상의 사물이나 정보를 합성하여 마치 원래의 환경에 존재하는 사물처럼 보이도록 하는 컴퓨터 그래픽 기법이다. 증강현실이 구현되기 위한 가장 중요한 부분은 증강현실 광학소자로서, 가상영상을 원하는 위치에 띄워주고, 현실세계가 상기 광학소자를 통해 관측자에게 전달되도록 하는 역할을 한다.
일반적으로 이러한 광학소자의 구성으로서 디스플레이 패널, 반거울, 볼록렌즈가 이용될 수 있다. 예컨대, 디스플레이 상이 사람의 이마에 위치시키고 반거울을 눈 앞쪽에 45도 기울인 형태로 배치하며, 볼록거울을 디스플레이 패널과 반거울 사이에 배치하여 광학소자를 구성할 수 있다. 이 경우, 반거울의 특성에 의해 디스플레이 패널에서 나오는 빛의 일부가 볼록렌즈를 통과한 후에 반사되어 사람(즉, 사용자)의 눈에 들어가고, 현실세계에서 오는 빛의 일부가 투과되어 상기 사용자에게 전달된다. 이때, 디스플레이 패널의 상은 반 거울을 기준으로 사용자의 반대편에 위치하게 된다.
이러한 기본적인 기술은 일반적으로 안경과 같은 스타일의 제품에 적용가능하다. 예컨대, 본 발명과 비교될 수 있는 기술로서 구글글래스, 일본 EPSON의 BT-300, 미국의 META2, Magic Leap One, 홀로렌즈2, 한국의 LetinAR 등이 있다.
증강현실을 이용한 전자기기에 관한 특허로서, 공개특허('10-2019-0106913')가 있다. 상기 전자기기는, 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈 및 이 렌즈들 사이에 위치하는 코 받침부를 구비하는 안경 본체, 상기 코 받침부에 위치하는 1개의 디스플레이 모듈, 상기 디스플레이 모듈에 구비된 디스플레이에 표시되는 화면을 상기 좌안용 렌즈에 전달하는 좌안용 광학계와 상기 우안용 렌즈에 전달하는 우안용 광학계를 포함하는 광학계, 상기 2개의 렌즈 중 적어도 1개의 렌즈에 화면을 표시하도록 상기 디스플레이에 표시되는 화면을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에서는, 마이크로 프리즘 어레이 기반으로 증강현실(Augmented Reality, AR)을 구현할 수 있는 마이크로 프리즘 AR광학계(이하, 간단히 AR광학계)를 제공하고자 한다.
본 발명은 마이크로 프리즘 어레이 기반으로 증강현실(Augmented Reality, AR)을 구현할 수 있는 마이크로 프리즘 AR광학계(이하, 간단히 AR광학계)에 대한 것이다. 본 발명은 안경과 같이 사용자가 눈앞에 AR광학계를 위치시킴으로 사용자로 하여금 증강현실로 표현되는 영상을 관찰 할 수 있도록 하는 광학계이다.
광학계는 광학 시스템 또는 광학 장치라고 지칭될 수도 있다.
본 AR광학계는 굴절매질(refractive medium), 반사광소자, 마이크로 프리즘(micro prism)으로 구성된다. 상기 반사광소자는 예컨대 거울(mirror) 또는 거울렌즈(convex or concave mirror)일 수 있다.
본 AR광학계는 단일 마이크로 프리즘이 사용될 경우와 마이크로 프리즘 어레이가 사용될 경우 모두에 대하여 적용 가능하다. 즉, 상기 마이크로 프리즘은 단일 마이크로 프리즘 또는 마이크로 프리즘 어레이일 수 있다.
본 발명에서 디스플레이 장치(display panel)로부터 마이크로 프리즘 AR광학계로 입사하는 영상은, 첫째로, AR광학계의 하단에 위치한 반사광소자에 의해서 반사광소자의 뒤편에 제1허상(first virtual image)으로 결상되며, 둘째로, 반사광소자에 의해 허상으로 결상된 영상은 마이크로 프리즘(micro prism)에 의해 한 번 더 제2허상(second virtual image)으로 결상된다.
본 발명의 일 관점에 따른 AR광학계는, 굴절매질(20), 상기 굴절매질의 일 측 가장자리에 배치된 디스플레이 장치(10), 상기 굴절매질의 타 측 가장자리에 배치된 반사광소자(40), 및 상기 굴절매질의 양 면 중 프리즘 형성면(21, 22)에 형성된 한 세트의 프리즘부(30)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 배치된 반사광소자에 의해, 상기 디스플레이 장치에 표출되는 이미지의 허상인 제1허상이 상기 반사광소자를 기준으로 상기 디스플레이 장치의 반대편의 제1결상영역(91)에 결상되도록 되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 형성된 한 세트의 프리즘부에 의해, 상기 제1허상에 대한 허상인 제2허상이 상기 굴절매질의 양 면 중 제1면(21) 쪽에 존재하는 제2결상영역(82)에 결상되도록 되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 한 세트의 프리즘부는 한 개 이상의 프리즘부를 포함하며, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 함몰된 형상의 광학 인터페이스(301)를 갖는 영역(300)에 의해 정의될 수 있다.
이때, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 함몰된 형상을 갖는 영역(300)에 의해 정의될 수 있다.
이때, 상기 광학 인터페이스(301)은 상기 굴절매질 및 공기 사이의 인터페이스일 수 있다.
또는, 상기 광학 인터페이스(301)은 상기 굴절매질 및 상기 굴절매질과는 다른 굴절률을 갖는 제2매질 사이의 인터페이스일 수 있다.
이때, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 중심부와 안광학계(2)의 중심부를 연결하는 광축(900)에 대하여 실질적으로 평행한 제1광학 인터페이스 면(311)과, 상기 광축에 대하여 기울어진 제2광학 인터페이스 면(312)을 가질 수 있다.
이때, 상기 반사광소자는 평면거울일 수 있다.
또는, 상기 반사광소자는 오목거울일 수 있다.
이때, 상기 한 세트의 프리즘부는 복수 개의 프리즘부들을 포함하며, 상기 복수 개의 프리즘부들은 상기 프리즘 형성면에서 어레이 형태로 배열되어 있을 수 있다.
이때, 상기 프리즘 형성면에 접촉되어 배치된 제2굴절매질(120)을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 굴절매질과 상기 제2굴절매질은 서로 다른 매질일 수 있다.
이때, 상기 굴절매질과 상기 제2굴절매질 사이에 제공된 굴절률 매칭 오일층(70)을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 한 세트의 프리즘부는 한 개 이상의 프리즘부를 포함하며, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 돌출된 형상의 광학 인터페이스(401, 501)를 갖는 영역(400, 500)에 의해 정의될 수 있다.
이때, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 돌출된 형상을 갖는 영역(400, 500)에 의해 정의될 수 있다.
이때, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 중심부와 안광학계(2)의 중심부를 연결하는 광축(900)에 대하여 실질적으로 평행한 제1광학 인터페이스 면(511)과, 상기 광축에 대하여 기울어진 제2광학 인터페이스 면(512)을 가지며, 상기 제2광학 인터페이스 면(512)에는 상기 굴절매질(20)보다 높은 굴절률인 제3굴절률을 갖는 제3굴절매질(220)이 결합되어 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상용 웨어러블 AR디바이스에서 구현할 수 없는 프리 포커싱이 가능한 AR광학계를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상대적으로 간단한 구조의 AR광학계를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, AR광학계의 제작이 상대적으로 쉬움으로 제품 생산의 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 마이크로 프리즘 AR광학계(1)의 광학 구조 및 광학계에 포함된 결상광소자들의 위치 파라미터에 따른 기하학적 관계를 보여준다.
도 2는 도 1에 제시한 프리즘의 크기에 따라 변화하는 사용자의 안광학계의 초점심도를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사광소자(40)가 오목거울(concave mirror)인 단일 마이크로 프리즘 AR광학계(1)에 대한 광학 구조 및 광학계에 포함된 결상광소자들의 위치 파라메타에 따른 기하학적 관계를 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치 위의 한 점(xD, zD)가 최종결상영상(60) 위 점(xD', zD')으로 매핑 되는 좌표를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 마이크로 프리즘 AR광학계(1)의 수직 방향 화각(viewing angle)을 보여준다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프리즘 어레이 AR광학계의 수직 방향에 대한 화각(viewing angle)을 보여준다.
도 7은 단일 마이크로 프리즘 AR광학계(1)의 수평 방향 화각(viewing angle)을 보여준다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프리즘 어레이 AR광학계(1)의 수평 방향에 대한 화각(horizontal viewing angle)을 보여준다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 AR광학계(1)의 응용 예를 나타낸 것이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 AR광학계의 구조를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
<반사광소자가 평면경인 경우>
본 발명의 일 실시예에 의한 AR광학계(1)의 결상과정에 대한 이해를 돕기 위하여 먼저 반사광소자의 곡률반경이 무한대 즉 반사광소자가 평면거울인 특정 경우를 사용하여 AR광학계(1)에 의한 최종 결상영상의 위치를 설명한다. 그 후 반사광소자의 모든 곡률반경에 대하여 적용할 수 있는 최종 결상영상에 대한 일반화된 수식을 유도한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 마이크로 프리즘 AR광학계(1)의 광학 구조 및 광학계에 포함된 결상광소자들의 위치 파라미터에 따른 기하학적 관계를 보여준다.
도 1의 (a)는 AR광학계(1)와 각 광소자 위치의 파라미터를 나타낸 것이고, 도 1의 (b)는 거울과 프리즘에 의한 결상 개념을 나타낸 것이고, 도 1의 (c)는 AR광학계(1)의 각 소자와 허상들 간의 기하학적 관계를 나타낸 것이다.
도 1의 (a)에서 굴절매질(refractive medium)(20)의 굴절률은 n이고, 굴절매질(20)의 직경은 h, 그리고 굴절매질(20)의 두께는 t 이다. 굴절매질(20)의 하단에서 부터 프리즘부(30)의 시작 위치는 p 이고 프리즘부(30)의 끝부분의 위치는 p+t 이다. 굴절매질(20)의 상단에 디스플레이 장치(display panel)(10)가 위치하고, 굴절매질(20)의 하단에 반사광소자(40)가 위치한다.
도 1의 (b)에서 굴절매질(20)의 상단에 위치한 디스플레이 장치(10)는 반사광소자(mirror)(40)에 의해 반사광소자(40)의 뒤편에 제1허상(50)으로 결상된다. 이 제1허상(50)은 프리즘(30)에 의해 한 번 더 제2허상(60)으로 결상되며 제2허상(60)의 결상 위치는 도 1의 (b)에 제시한 바와 같다.
도 1의 (c)는 AR광학계(1)의 굴절률에 의한 광로정을 고려하여 결상관계를 수학적으로 표현하기 위한 것이다. 굴절매질(20)의 위에 위치한 디스플레이 장치(10)는 반사광소자(mirror)(40)의 입장에서 볼 때 축소된거리(reduced distance)에 위치한 것으로 여겨지며 그 값은 h/n 이다. 여기에서 반사광소자(40)의 곡률이 평평하다고 가정할 때, 즉 곡률이 무한대라고 가정할 때에, 반사광소자(40)에 의한 디스플레이 장치(10)의 결상 거리는 h/n이다. 여기서 T는 디스플레이 장치(10)의 최종 결상 위치로서, 이는 굴절매질(20)의 후면으로부터 측정되는 값이며, 수식 1과 같이 제시될 수 있다.
[수식 1]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000001
앞에서 언급한 바와 같이 수식 1은 반사광소자(40)의 곡률반경 r이 무한대인 특정한 경우에 대한 수식이다.
본 발명에서 프리즘(30)의 크기는 사용자의 안광학계의 초점심도와 관련이 있다.
도 2는 도 1에 제시한 프리즘의 크기에 따라 변화하는 사용자의 안광학계의 초점심도를 보여준다.
도 2의 (a)에서 AR광학계(1)의 프리즘(30)은 사용자의 안광학계(2)에 대하여 상대적으로 큰 크기를 갖는다. 따라서 AR광학계(1)와 안광학계(2)를 포함하는 합성광학계의 초점심도는 낮아지며 이로 인해 망막에 결상되는 최종영상(210)의 해상도가 떨어지게 된다.
도 2의 (b)는 도 2의 (a)에 비하여, 프리즘(30)의 크기를 작게 하여 합성광학계의 초점심도를 높인 예이다. 이로 인해 망막에 결상되는 최종영상(210)의 해상도가 상대적으로 증가할 수 있음을 보여준다.
<반사광소자가 오목거울(concave mirror)인 경우>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사광소자(40)가 오목거울(concave mirror)인 단일 마이크로 프리즘 AR광학계(1)에 대한 광학 구조 및 광학계에 포함된 결상광소자들의 위치 파라메타에 따른 기하학적 관계를 보여준다.
도 3에 제시한 참조번호 831이 지시하는 값은 아래의 Eq831과 같이 제시될 수 있다.
* Eq831:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000002
도 3의 (a)는 AR광학계(1)와 각 광소자 위치의 파라미터를 나타낸 것이고, 도 3의 (b)는 AR광학계(1)의 각 소자와 허상들 간의 기하학적 관계를 나타낸 것이다.
도 3의 (a)에서 굴절매질(refractive medium)(20)의 굴절률은 n이고, 굴절매질(20)의 직경은 h, 그리고 굴절매질(20)의 두께는 t 이다. 굴절매질(20)의 하단에서 부터 프리즘부(30)의 시작 위치는 p 이고 끝부분의 위치는 p+t 이다. 굴절매질(20)의 상단에 디스플레이 장치(display panel)(10)가 위치하고, 굴절매질(20)의 하단에 반사광소자(40)인 오목거울이 위치한다. 오목거울의 초점거리는 f 이며, 도 3의 (a)에는 표시되어 있지 않으나 오목거울의 곡률반경 r = 2f 이다.
도 3의 (b)는 AR광학계(1)의 굴절률에 의한 광로정을 고려하여 결상관계를 수학적으로 표현하기 위한 것이다. 굴절매질(20) 위에 위치한 디스플레이 장치(1)는 오목거울(즉, 반사광소자(40))의 입장에서 볼 때 축소된거리(reduced distance)에 위치한 것으로 여겨지며 그 값은 h/n 이다. 여기에서 상기 오목거울(즉, 반사광소자(40))의 결상식을 고려할 때 상기 오목거울(즉, 반사광소자(40))에 의한 디스플레이 장치(1)의 결상 위치 s'은 다음과 같은 수식 2로 주어진다.
[수식 2]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000003
수식 2에서 h<0 이고 f>lhl 이다. 따라서 s'<0 이다.
도 3의 (b)에서 T는 디스플레이 장치(1)의 최종 결상 위치이고 굴절매질(20)의 후면으로부터 측정되며 다음 수식 3으로 주어진다.
[수식 3]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000004
수식 3은 반사광소자(40)인 오목거울의 초점거리에 따른 디스플레이 장치(1)의 최종 결상 위치에 대한 수식이다.
본 AR광학계(1)의 실질적인 설계 시에는 최종결상 위치 T가 고정될 것이다. 이때 반사광소자(40)의 초점거리 f는 수식 3을 T의 함수로 정리하여 계산할 수 있으며 다음과 같이 수식 4로 주어진다.
[수식 4]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000005
수식 4에서 h<0 이고 f>lhl 이다.
본 AR광학계(1)에서 최종 결상 영상(60)의 배율은 다음 수식 5로 주어진다.
[수식 5]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000006
수식 5에서 h<0 이고 f>lhl 이다. 수식 5에서 T가 대략 1m일 때 M은 63배 정도이다.
수식 5에서 알 수 있는 바와 같이 도 3의 (b)에 표현된 결상 영상들(50, 60)에는 배율이 고려되지 않았다.
<디스플레이 장치 위의 한 점이 최종결상영상 위에 매핑되는 좌표>
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치 위의 한 점(xD, zD)가 최종결상영상(60) 위 점(xD', zD')으로 매핑 되는 좌표를 나타낸 것이다.
도 4에 제시한 참조번호 841 내지 846이 지시하는 값은 각각 아래의 Eq841 내지 Eq846과 같이 제시될 수 있다.
* Eq841:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000007
* Eq842:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000008
* Eq843:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000009
* Eq844:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000010
* Eq845:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000011
* Eq846:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000012
도 4에서 좌표계의 원점에 오목거울(40)의 정점이 위치되어 있다. x축은 좌표축임과 동시에 오목거울(40)의 광축의 위치와 동일하다. 프리즘(30)의 시작위치는 (xp, -t/2)이다. 디스플레이 장치(10) 위의 한 점 (xD, zD)가 오목거울(40)에 의해 결상된 위치는 좌표함수로 주어지며 다음 수식 6과 같다.
[수식 6]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000013
디스플레이 장치(10) 위의 한 점 (xD, zD)이 최종결상영상(60) 위로 맵핑되는 좌표는 (xD', zD')으로 좌표는 수식 (7)로 주어진다.
[수식 7]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000014
<마이크로 프리즘 AR광학계의 수직방향 화각 (vertical viewing angle) - 단일 프리즘 및 프리즘 어레이>
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 마이크로 프리즘 AR광학계(1)의 수직 방향 화각(viewing angle)을 보여준다.
도 5에 제시한 참조번호 851 내지 856이 지시하는 값은 각각 아래의 Eq851 내지 Eq856과 같이 제시될 수 있다.
* Eq851:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000015
* Eq852:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000016
* Eq853:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000017
* Eq854:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000018
* Eq855:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000019
* Eq856:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000020
도 5에 제시한 참조번호 901은 eyeaperture을 의미할 수 있다.
도 5에서 녹색원으로 표시된 부분(A)에 마이크로 프리즘(30)이 위치한다. 평면 zD' 는 최종결상영상이 위치하는 평면이다. 최종결상영상 평면으로부터 전파되는 빛은 프리즘(30)의 크기로 인해 제한적으로 안광학계(2)로 입사하게 된다. 따라서 화각은 프리즘(30)의 양쪽 가장자리와 안광학계(2)의 위치와 유효 구경 사이의 관계로 표현될 수 있다. 먼저 평면 zD' 위에 화각에 대응하는 두 점 xt-i(xtop-intersection), 와 xb-i(xbottom-intersection)은 다음 수식 8-1 및 수식 8-2와 같이 주어진다.
[수식 8-1]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000021
[수식 8-2]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000022
도 5와 수식 8-1 및 수식 8-2에서 xeyebottom 와 xeyetop 는 각각 안광학계(2)의 유효구경의 x 좌표이다. zeye는 안광학계(2)의 유효 구경의 z 좌표이다. tP는 마이크로 프리즘(30)의 직경이다.
수식 8-1 및 수식 8-2 를 이용하여 화각을 유도할 수 있으며 수식 9와 같이 주어진다.
이때, 화각(viewing angle)은 도 5에서 참조부호 θv(θvertical)로 표시될 수 있다.
[수식 9]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000023
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프리즘 어레이 AR광학계의 수직 방향에 대한 화각(viewing angle)을 보여준다.
도 6에 제시한 참조번호 861 내지 867이 지시하는 값은 각각 아래의 Eq861 내지 Eq867과 같이 제시될 수 있다.
* Eq861:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000024
* Eq862:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000025
* Eq863:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000026
* Eq864:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000027
* Eq865:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000028
* Eq866:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000029
* Eq867:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000030
평면 zD' 위에 화각에 대응하는 두 점 xt-i-t(xtop-intersection-total) 와 xb-i-t(xbottom-intersection-total) 은 다음 수식 10-1 및 수식 10-2와 같이 주어진다.
[수식 10-1]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000031
[수식 10-2]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000032
도 6과 수식 10-1 및 수식 10-2에서 xp1 과 xp2는 도 6에 표현된 바와 같이 각각 첫 번째 프리즘(31)과 두 번째 프리즘(32)의 시작 위치이다.
수식 10-1 및 수식 10-2로부터 AR광학계(1)에 마이크로 프리즘 어레이(30', 31~32)가 사용되었을 경우에 대한 화각(viewing angle)을 유도할 수 있으며 다음 수식 11과 같이 주어진다.
이때, 화각(viewing angle)은 도 6에서 참조부호 θv-t(θvertical-total)로 표시될 수 있다.
[수식 11]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000033
<마이크로 프리즘 AR광학계의 수평방향 화각(horizontal viewing angle) - 단일 프리즘 및 프리즘 어레이>
도 7은 단일 마이크로 프리즘 AR광학계(1)의 수평 방향 화각(viewing angle)을 보여준다.
도 7에 제시한 참조번호 871 내지 876이 지시하는 값은 각각 아래의 Eq871 내지 Eq876과 같이 제시될 수 있다.
* Eq871:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000034
* Eq872:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000035
* Eq873:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000036
* Eq874:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000037
* Eq875:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000038
* Eq876:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000039
평면 zD' 는 최종결상영상이 위치하는 평면이다. 최종결상영상 평면으로부터 전파되는 빛은 프리즘(30)의 크기로 인해 제한적으로 안광학계(2)로 입사하게 된다. 따라서 화각은 프리즘(30)의 양쪽 가장자리와 안광학계(2)의 위치와 유효 구경 사이의 관계로 표현될 수 있다.
AR광학계(1)를 광학계(1)의 위쪽에서 관찰했을 때 프리즘(30)의 가장자리 위치는 AR광학계(1)의 표면에 접한 부분과 굴절매질 내부에 위치한 부분으로 나눠진다.
프리즘(30)이 표면에 접한 (시작되는 위치) 부분의 가장자리에 대응하는 평면 zD' 위의 두 점은 각각 ydl-i(ydownleft-intersection) 과 ydr-i(ydownrignt-intersection)이다. 프리즘(30)의 영역 중 굴절매질 내에 위치한 두 가장자리 점에 대응하는 평면 zD' 위의 두 점은 각각 yul-i(yupleft-intersection) 과 yur-i(yuprignt-intersection)이다. 각 점에 대한 수직은 다음과 같이 수식 11-1 및 수식 11-2와 수식 12-1 및 수식 12-2로 주어진다.
[수식 11-1]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000040
[수식 11-2]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000041
[수식 12-1]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000042
[수식 12-2]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000043
도 7 및 수식 11-1, 수식 11-2, 수식 12-1, 및 수식 12-2에서 yeyeright 와 yeyeleft는 각각 안광학계(2)의 유효구경의 y좌표이다. yp는 원점으로부터 측정하여 프리즘이 시작되는 프리즘(30)의 y좌표이다.
수식 11-1, 수식 11-2, 수식 12-1, 및 수식 12-2 그리고 안광학계(2)의 유효구경의 좌표로부터 수평방향화각이 유도 될 수 있으며 다음 수식 13 및 수식 14와 같다.
이때, 도 7에서 참조부호 θh-d는 θhorizontal-down을 의미할 수 있다. 그리고 참조부호 θh-u는 θhorizontal-up을 의미할 수 있다.
[수식 13]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000044
[수식 14]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000045
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프리즘 어레이 AR광학계(1)의 수평 방향에 대한 화각(horizontal viewing angle)을 보여준다.
도 8에 제시한 참조번호 881 내지 885가 지시하는 값은 각각 아래의 Eq881 내지 Eq885와 같이 제시될 수 있다.
* Eq881:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000046
* Eq882:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000047
* Eq883:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000048
* Eq884:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000049
* Eq885:
Figure PCTKR2021004313-appb-I000050
AR광학계(1)의 프리즘이 부가된 마이크로 프리즘 어레이(30', 31~35)로 이루어졌을 경우 중간에 위치한 프리즘들(32, 33, 34)에 의한 최종영상들은 서로 중첩하게 된다. 따라서 수평방향화각은 프리즘 어레이(30', 31~35)에서 가장자리에 위치한 프리즘들(31, 35)의 기하학적 관계를 통해 유도될 수 있다.
N개의 프리즘(31~35)으로 프리즘 어레이(30')가 구성된 경우에 가장자리에 위치한 프리즘(31, 35)에 대응하는 대한 평면 zD'위의 두 점은 도 8에 표현된 바와 같이 yul-i(yupleft-intersection) 과 yur-i(yuprignt-intersection)이며 다음 수식 15-1 및 수식 15-2로 주어진다.
[수식 15-1]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000051
[수식 15-2]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000052
도 8 및 수식 15-1 및 수식 15-2에서 ypN은 원점에가 가장 멀리 위치한 N번째 프리즘의 y좌표이다.
수식 15-1 및 수식 15-2로부터 프리즘어레이(30')가 사용된 AR광학계(1)의 수평방향 화각이 유도될 수 있으며 다음 수식 16과 같이 주어진다.
이때, 도 8에서 참조부호 θh-u-t는 θhorizontal-up-total을 의미할 수 있다.
[수식 16]
Figure PCTKR2021004313-appb-I000053
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 AR광학계(1)의 응용예를 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10의 예는 AR광학계(1)에 도 8과 같은 프리즘어레이가 적용된 것으로서, 디스플레이 장치는 생략된 상태를 나타낸 것이다.
도 9의 (a)는 AR광학계(1)의 정면을 나타낸 것이며, 도 9의 (b)는 AR광학계(1)의 우측면을 나타낸 것이다.
도 10의 예에서는 굴절매질이 굴절률 매칭 오일층(70)에 의해 두 개의 구성으로 분리되는 경우를 보여준다.
도 10을 참조하면, 각각의 프리즘부(30)는, 굴절매질(20)의 양 면 중 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 함몰된 형상의 광학 인터페이스(301)를 갖는 영역(300)에 의해 정의될 수 있다.
상기 프리즘 형성면은 상기 굴절매질(20)의 양 면 중 안광학계(2)의 반대쪽에 배치되는 제1면(21)일 수 있다.
이때, 광학 인터페이스(301)는 굴절매질(20) 및 공기 사이의 인터페이스일 수 있다. 또는, 광학 인터페이스(301)는 굴절매질(20) 및 상기 굴절매질(20)과는 다른 굴절률을 갖는 다른 매질 사이의 인터페이스일 수 있다.
이때, 각각의 프리즘부(30)는, 굴절매질(20)의 중심부와 안광학계(2)의 중심부를 연결하는 광축(900)에 대하여 실질적으로 평행한 제1광학 인터페이스 면(311)과, 상기 광축에 대하여 기울어진 제2광학 인터페이스 면(312)을 가질 수 있다.
한 세트의 프리즘부(30')는 복수 개의 프리즘부(30)들을 포함하며, 상기 복수 개의 프리즘부(30)들은 상기 프리즘 형성면에서 어레이 형태로 배열되어 있을 수 있다.
이때, 굴절매질(20)의 프리즘 형성면에는 제2굴절매질(120)이 접촉되어 배치될 수 있다. 이때, 상기 굴절매질(20)과 상기 제2굴절매질(120)은 서로 다른 매질일 수 있다.
이때, 상기 굴절매질(20)과 상기 제2굴절매질(120) 사이에 굴절률 매칭 오일층(70)이 제공될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제공되는 AR광학계(1)의 구조를 나타낸 것이다.
AR광학계(1)는 굴절매질(20), 굴절매질(20)의 일 측 가장자리에 배치된 디스플레이 장치(10), 굴절매질(20)의 타 측 가장자리에 배치된 반사광소자(40), 및 굴절매질(20)의 양 면 중 프리즘 형성면에 형성된 한 세트의 프리즘부(30)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 프리즘 형성면은 굴절매질(20)의 양 면 중 안광학계(2)의 반대 쪽에 배치되는 제1면(21)일 수 있다.
이때, 상기 한 세트의 프리즘부(30)는 한 개 이상의 프리즘부를 포함하며, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질(20)의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 돌출된 형상의 광학 인터페이스(401)를 갖는 영역(400)에 의해 정의될 수 있다.
이때, 광학 인터페이스(401)는 굴절매질(20) 및 공기 사이의 인터페이스일 수 있다.
이때, 각각의 프리즘부(30)는, 굴절매질(20)의 중심부와 안광학계(2)의 중심부를 연결하는 광축(900)에 대하여 실질적으로 평행한 제1광학 인터페이스 면(411)과, 상기 광축에 대하여 기울어진 제2광학 인터페이스 면(412)을 가질 수 있다.
이때, 상기 한 세트의 프리즘부는 복수 개의 프리즘부들을 포함하며, 상기 복수 개의 프리즘부들은 상기 프리즘 형성면에서 어레이 형태로 배열되어 있을 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제공되는 AR광학계(1)의 구조를 나타낸 것이다.
AR광학계(1)는 굴절매질(20), 굴절매질(20)의 일 측 가장자리에 배치된 디스플레이 장치(10), 굴절매질(20)의 타 측 가장자리에 배치된 반사광소자(40), 및 굴절매질(20)의 양 면 중 프리즘 형성면에 형성된 한 세트의 프리즘부(30)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 프리즘 형성면은 굴절매질(20)의 양 면 중 안광학계(2) 쪽에 배치되는 제2면(22)일 수 있다.
이때, 상기 한 세트의 프리즘부(30)는 한 개 이상의 프리즘부를 포함하며, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질(20)의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 돌출된 형상의 광학 인터페이스(501)를 갖는 영역(500)에 의해 정의될 수 있다.
이때, 각각의 프리즘부(30)는, 굴절매질(20)의 중심부와 안광학계(2)의 중심부를 연결하는 광축(900)에 대하여 실질적으로 평행한 제1광학 인터페이스 면(511)과, 상기 광축에 대하여 기울어진 제2광학 인터페이스 면(512)을 가질 수 있다.
제2광학 인터페이스 면(512)에는 굴절매질(20)보다 높은 굴절률인 제3굴절률을 갖는 제3굴절매질(220)이 결합되어 있을 수 있다.
이때, 제1광학 인터페이스 면(511)은 굴절매질(20) 및 공기 사이의 인터페이스일 수 있다.
그리고 제2광학 인터페이스 면(512)은 굴절매질(20) 및 제3굴절매질(220) 사이의 인터페이스일 수 있다.
이때, 상기 한 세트의 프리즘부는 복수 개의 프리즘부들을 포함하며, 상기 복수 개의 프리즘부들은 상기 프리즘 형성면에서 어레이 형태로 배열되어 있을 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들을 이용하여, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.
[부호의 설명]
1 : AR광학계 2 : 눈
10 : 디스플레이 장치 20 : 굴절매질
30 : 프리즘 30' : 프리즘 어레이
40 : 반사광소자 50 : 제1허상
60 : 제2허상

Claims (15)

  1. 굴절매질(20);
    상기 굴절매질의 일 측 가장자리에 배치된 디스플레이 장치(10);
    상기 굴절매질의 타 측 가장자리에 배치된 반사광소자(40); 및
    상기 굴절매질의 양 면 중 프리즘 형성면(21, 22)에 형성된 한 세트의 프리즘부(30);
    를 포함하는,
    AR광학계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배치된 반사광소자에 의해, 상기 디스플레이 장치에 표출되는 이미지의 허상인 제1허상이 상기 반사광소자를 기준으로 상기 디스플레이 장치의 반대편의 제1결상영역(91)에 결상되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, AR광학계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 형성된 한 세트의 프리즘부에 의해, 상기 제1허상에 대한 허상인 제2허상이 상기 굴절매질의 양 면 중 제1면(21) 쪽에 존재하는 제2결상영역(82)에 결상되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, AR광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 한 세트의 프리즘부는 한 개 이상의 프리즘부를 포함하며,
    상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 함몰된 형상의 광학 인터페이스(301)를 갖는 영역(300)에 의해 정의되는,
    AR광학계.
  5. 제4항에 있어서, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 함몰된 형상을 갖는 영역(300)에 의해 정의되는, AR광학계.
  6. 제4항에 있어서, 상기 광학 인터페이스(301)은 상기 굴절매질 및 공기 사이의 인터페이스인, AR광학계.
  7. 제4항에 있어서, 상기 광학 인터페이스(301)은 상기 굴절매질 및 상기 굴절매질과는 다른 굴절률을 갖는 제2매질 사이의 인터페이스인, AR광학계.
  8. 제4항에 있어서, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 중심부와 안광학계(2)의 중심부를 연결하는 광축(900)에 대하여 실질적으로 평행한 제1광학 인터페이스 면(311)과, 상기 광축에 대하여 기울어진 제2광학 인터페이스 면(312)을 갖는, AR광학계.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반사광소자는 평면거울 또는 오목거울인, AR광학계.
  10. 제1항에 있어서, 상기 한 세트의 프리즘부는 복수 개의 프리즘부들을 포함하며, 상기 복수 개의 프리즘부들은 상기 프리즘 형성면에서 어레이 형태로 배열되어 있는, AR광학계.
  11. 제1항에 있어서, 상기 프리즘 형성면에 접촉되어 배치된 제2굴절매질(120)을 더 포함하는, AR광학계.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 굴절매질과 상기 제2굴절매질은 서로 다른 매질이며,
    상기 굴절매질과 상기 제2굴절매질 사이에 제공된 굴절률 매칭 오일층(70)을 더 포함하는,
    AR광학계.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 한 세트의 프리즘부는 한 개 이상의 프리즘부를 포함하며,
    상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 돌출된 형상의 광학 인터페이스(401, 501)를 갖는 영역(400, 500)에 의해 정의되는,
    AR광학계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 상기 프리즘 형성면으로부터 국소적으로 돌출된 형상을 갖는 영역(400, 500)에 의해 정의되는, AR광학계.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 각각의 프리즘부는, 상기 굴절매질의 중심부와 안광학계(2)의 중심부를 연결하는 광축(900)에 대하여 실질적으로 평행한 제1광학 인터페이스 면(511)과, 상기 광축에 대하여 기울어진 제2광학 인터페이스 면(512)을 가지며,
    상기 제2광학 인터페이스 면(512)에는 상기 굴절매질(20)보다 높은 굴절률인 제3굴절률을 갖는 제3굴절매질(220)이 결합되어 있는,
    AR광학계.
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