WO2022014967A1 - 증강 현실 표시 장치 - Google Patents

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WO2022014967A1
WO2022014967A1 PCT/KR2021/008809 KR2021008809W WO2022014967A1 WO 2022014967 A1 WO2022014967 A1 WO 2022014967A1 KR 2021008809 W KR2021008809 W KR 2021008809W WO 2022014967 A1 WO2022014967 A1 WO 2022014967A1
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light
diffraction grating
area
region
grating
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PCT/KR2021/008809
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윤정근
곽규섭
이규근
정영모
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삼성전자 주식회사
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Definitions

  • the present disclosure relates to an augmented reality display device.
  • the augmented reality display device is a device capable of viewing augmented reality (AR), and includes, for example, augmented reality glasses (AR Glass).
  • the augmented reality display device includes an image generating device for generating an image, and an optical device for sending the generated image to the eyes. The image emitted from the image generating device is sent to the eyes through the optical device, whereby the person observes the augmented reality image.
  • the augmented reality display device since the focus of the virtual image is located on a single surface, it is necessary to increase the convenience of the wearer to focus the virtual image on the same object as the object the user is gazing at. Also, the augmented reality display device may implement a 3D effect by providing an image rendered to have binocular disparity to both eyes of an observer.
  • the 3D effect using the binocular disparity can be implemented and experienced relatively easily among various methods for implementing 3D, but wearing it for a long time causes eye fatigue. Eye fatigue may occur because the convergence angle and the focal length of both eyes do not match, and this mismatch between the convergence angle and the focal length is known as a convergence accommodation conflict.
  • An object to be solved is to provide an augmented reality device capable of reducing eye fatigue.
  • the technical problem to be solved is not limited to the technical problems as described above, and other technical problems may exist.
  • the augmented reality display device includes an optical engine configured to output light of a virtual image; and a light guide plate having a first area to which the light of the virtual image is input, a third area through which the light of the virtual image is output, and a second area through which the light of the virtual image input to the first area is propagated toward the third area; Including, in the second region, a pupil dilation grating for replicating a plurality of light of the virtual image incident on the first region is formed, and in the third region, a plurality of micro-diffraction grating regions are spaced equal to or smaller than the size of the pupil An output grating arrangement is formed, and the diameter of each of the plurality of minute diffraction grating regions may be equal to or smaller than the size of the pupil.
  • the fine diffraction grating of each of the plurality of fine diffraction grating regions may be any one of a diffraction optical element, a surface concavo-convex grating, a holographic optical element, and a metasurface.
  • each of the plurality of micro-diffraction grating regions may have a circular or polygonal boundary.
  • the size of each of the plurality of micro-diffraction grating regions may be less than or equal to approximately 4 mm.
  • the plurality of micro-diffraction grating regions may be arranged in a hexagonal arrangement pattern.
  • the fine diffraction gratings of the plurality of fine diffraction grating regions may have the same or different grating vectors.
  • an input diffraction grating for coupling incident light is formed in the first region, the grating vector of the input diffraction grating of the first region, the grating vector of the pupil dilation grating of the second region, and a plurality of minute diffraction
  • the sum of grating vectors of the fine diffraction grating of grating regions may be zero.
  • the pitch of the output grating arrangement may be constant.
  • the pitch of the output grating arrangement may not be constant.
  • At least some of the plurality of minute diffraction grating regions may have different diameters.
  • the plurality of minute diffraction grating regions may have a larger diameter at the outer edge of the third area than at the center of the third area.
  • At least a portion of the third region may overlap the second region.
  • At least a portion of the light guide plate may be formed of a transparent material so that light of a real scene is transmitted.
  • the optical engine and the light guide plate are installed, and may include a body configured to be worn by a user.
  • the body may be any one of a spectacle frame, a goggles frame, a body of a helmet, and a body of an HMD.
  • the augmented reality display device has virtually no distortion of real-world images and degradation of image quality of virtual images.
  • the augmented reality display device may implement a large eye box and a wide field of view (FoV).
  • FoV wide field of view
  • the augmented reality display device can always maintain the focus of the virtual image without a separate active element, thereby enabling miniaturization, low power consumption, and low cost.
  • the augmented reality display device may reduce eye fatigue.
  • the augmented reality display device can maintain focus at all times, eye fatigue can be reduced.
  • the augmented reality display device can always maintain focus on a virtual object, image resolution of the light guide plate can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an appearance of an augmented reality display device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the augmented reality display device of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a block diagram of an augmented reality device according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an arrangement of an optical engine and a light guide plate according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram exemplarily illustrating light propagation in a light guide plate according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a third area of a light guide plate according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram exemplarily illustrating light output in a third area of a light guide plate according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an arrangement of a micro output grid area according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between a micro output grid region and a pupil according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an arrangement of a micro output grid area according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a light beam that is emitted from a micro-output grid area and reaches a retina according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a light ray emitted from a micro output grid region and reaching a retina according to an exemplary embodiment when the eyeball moves.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating various shapes of a micro-output grid region according to an exemplary embodiment.
  • Figure 14 is a view showing the light of the eyeball and real virtual image when the user sees close-up.
  • Figure 15 is a view showing the rays of the eyeball and the real virtual image when the user sees the distance real-world image.
  • 'augmented reality' is one by overlaying a virtual image generated by a computer on a physical, real-world environment or real-world object of the real world. It means to show as an image of
  • the term 'augmented reality display device refers to a device capable of expressing augmented reality, and not only augmented reality glasses in the shape of glasses worn by a user, but also a head mounted display. It includes a device (Head Mounted Display Apparatus), an Augmented Reality Helmet, and the like.
  • augmented reality display devices are usefully used in daily life, such as information search, road guidance, and camera photography.
  • the augmented reality glasses device in which the augmented reality display device is implemented in the form of glasses may be worn as a fashion item and may be used in both indoor and outdoor activities.
  • a 'real scene' is a scene of the real world viewed by an observer or a user through an augmented reality display device, and may include real world object(s).
  • a 'virtual image' is an image generated through an optical engine.
  • Virtual images can include both static and dynamic images.
  • Such a virtual image may be an image that is overlaid on a real scene and shows information about a real object in the real scene, information about an operation of an augmented reality device, a control menu, and the like.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an appearance of an augmented reality apparatus 100 according to an embodiment
  • FIG. 2 is a plan view of the augmented reality apparatus 100 of FIG. 1 .
  • the augmented reality device 100 of the present embodiment is a spectacle-type display device configured to be worn by a user, and includes a spectacle-shaped body 110 .
  • the spectacle-shaped body 110 may include, for example, a frame 111 and temples 119 .
  • the frame 111 is positioned as the eyeglasses 101L and 101R, and may have, for example, two rim shapes connected by a bridge 112 .
  • the eyeglasses 101L and 101R are exemplary, and may or may not have refractive power (power). Alternatively, the eyeglasses 101L and 101R may be integrally formed, and in this case, the frame 111 and the bridge 112 may not be separated.
  • the eyeglasses 101L and 101R may be omitted.
  • the temples 119 are respectively connected to both ends 113 of the frame 111 and extend in one direction. Both ends 113 of the frame 111 and the temples 119 may be connected by a hinge 115 .
  • the hinge 115 is an example, and a known member for connecting the both ends 113 and the temples 119 of the frame 111 may be employed.
  • both ends 113 of the frame 111 and the temples 119 may be integrally connected.
  • An optical engine 120 , a light guide plate 130 , and electronic components 190 are disposed on the spectacle-shaped body 110 .
  • the electronic components 190 may be mounted on one part of the eyeglass-shaped body 110 or may be located dispersedly in a plurality of parts, and may be mounted on a PCB substrate, an FPCB substrate, or the like.
  • the optical engine 120 is configured to generate light of a virtual image, and may be an optical engine of a projector including an image panel, an illumination optical system, a projection optical system, and the like.
  • the optical engine 120 may include an optical engine 120L for the left eye and an optical engine 120R for the right eye.
  • the optical engine 120L for the left eye and the optical engine 120R for the right eye may be located at both ends 113 of the frame 111 .
  • the optical engine 120L for the left eye and the optical engine 120R for the right eye may be located in the left temple 119L and the right temple 119R, respectively.
  • the optical engine 120 may output polarized light or unpolarized light according to a method of an image panel or an illumination optical system.
  • the optical engine 120 when the image panel is an LCoS (Liquid Crystal on Silicon) panel or other liquid crystal image panel, or when a polarizing beam splitter is used to split/combine beams, the optical engine 120 generates linearly polarized light. can be printed out. As another example, when the image panel is a DMD (Digital Micromirror Device) panel, the optical engine 120 may output unpolarized light.
  • LCoS Liquid Crystal on Silicon
  • DMD Digital Micromirror Device
  • the light guide plate 130 is configured to transmit the light of the virtual image generated by the optical engine 120 and the light of the external scene to the pupil of the user.
  • the light guide plate 130 may include a light guide plate 130L for the left eye and a light guide plate 130R for the right eye.
  • a light guide plate 130L for a left eye and a light guide plate 130R for a right eye may be attached to the left eyeglass 101L and the right eyeglass 101R, respectively.
  • the light guide plate 130L for the left eye and the light guide plate 130R for the right eye may be fixed to the frame 111 separately from the eyeglasses 101L and 101R.
  • FIG. 3 is a block diagram of an augmented reality device according to an embodiment.
  • the augmented reality device 100 includes an optical engine 120 , a processor 200 , an interface 210 , and a memory 220 .
  • the processor 200 may control the overall operation of the augmented reality device 100 including the optical engine 120 by driving an operating system or an application program, and may perform various data processing and operations including image data.
  • the processor 200 may process image data including a left-eye virtual image and a right-eye virtual image rendered to have binocular disparity.
  • the processor 200 for example, a central processing unit (Central Processing Unit), a microprocessor (microprocessor), a graphic processor (Graphic Processing Unit), ASICs (Application Specific Integrated Circuits), DSPs (Digital Signal Processors), DSPDs ( Digital Signal Processing Devices), PLDs (Programmable Logic Devices), and FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) may be configured as hardware of at least one, but is not limited thereto.
  • the interface 210 is an input/output of data or operation commands from the outside, and may include, for example, a user interface such as a touch pad, a controller, and an operation button that a user can operate.
  • the interface 210 includes a wired communication module such as a USB module or a wireless communication module such as Bluetooth, and receives user manipulation information or virtual image data transmitted from an interface included in an external device through them. You may.
  • the memory 220 may include an internal memory such as a volatile memory or a non-volatile memory.
  • the memory 220 may store various data, programs, or applications for driving and controlling the augmented reality apparatus 100 under the control of the processor 200 , and data of input/output signals or virtual images.
  • the optical engine 120 is configured to receive image data generated by the processor 200 to generate light of a virtual image, and includes a left eye optical engine 120L and a right eye optical engine 120R.
  • Each of the left eye optical engine 120L and the right eye optical engine 120R includes a light source that outputs light and an image panel that forms a virtual image using the light output from the light source, and has a function like a small projector.
  • the light source may be implemented as, for example, an LED
  • the image panel may be implemented as, for example, a DMD (Digital Micromirror Device).
  • optical components 130L for the left eye will be described as an example, but since the structures for the left eye and the right eye are symmetrical to each other, those skilled in the art can understand that it can be applied to the optical component 130R for the right eye as it is. will be.
  • the light guide plate 130 is formed in a single-layer or multi-layer structure of a transparent material through which light can be reflected and propagated therein.
  • the light guide plate 130 may have a flat plate shape or a curved plate shape.
  • the transparent material means a material through which light in the visible ray band can pass, the transparency may not be 100%, and it may have a predetermined color.
  • the light guide plate 130 faces the optical engine 120 and receives the light Li of the virtual image projected from the optical engine 120 ;
  • the third area 133 for outputting the virtual image may also serve to duplicate the virtual image.
  • the light guide plate 130 is mounted on the frame ( 111 in FIG. 1 ) so that the third region 133 is positioned in front of the user's pupil when the user wears the augmented reality device 100 .
  • the light guide plate 130 is formed of a transparent material, the user can see a virtual image through the augmented reality device 100 as well as a real scene, so that the augmented reality device 100 can implement augmented reality. have.
  • an input diffraction grating may be formed in the first region 131 of the light guide plate 130 to couple incident light Li.
  • the input diffraction grating of the first region 131 may be formed on a surface facing or opposite to the optical engine 120 .
  • the input diffraction grating of the first region 132 may be formed on each layer or only on some layers.
  • the optical engine 120 may be disposed such that the emitted light Lo is incident perpendicular to the first area 131 or inclined at a predetermined angle.
  • the second area 132 may be located in the first direction (X direction in FIG. 4 ) with respect to the first area 131 .
  • the second region 132 may overlap all or part of the first region 131 .
  • the second region 132 may be formed throughout the light guide plate.
  • a pupil expansion grating is formed in the second region 132 so that the light Lp of the virtual image incident on the first region 131 is duplicated in large numbers.
  • the pupil dilation grating is configured so that when light Lp of the virtual image incident on the first region 131 is propagated through total reflection within the light guide plate 130, it is divided into a plurality of beamlets and propagated. do.
  • the co-expanding grating of the second region 132 is configured such that the light Lp (beamlets) of the replicated virtual image may propagate over at least the entire third region 133 .
  • a pupil dilation grating may exemplarily be a diffraction grating designed such that a beam is expanded along two axes.
  • the diffraction grating of the second region 132 may be formed on the same side as the face on which the diffraction grating of the first region 131 is formed or on the opposite side.
  • the diffraction grating of the second region 132 may be formed on the same layer as the layer on which the diffraction grating of the second region 131 is formed or on a different layer.
  • the present embodiment has been described as a case in which the second region 132 is a single region, it may be divided into a plurality of regions.
  • the second region 132 may be a plurality of regions formed on different layers.
  • the third area 133 may be located on a surface facing or opposite to the user's eyeball when the user wears the augmented reality display device 100 .
  • the third area 133 may be located in the second direction (-X direction) with respect to the first area 131 . All or part of the third region 133 may overlap the second region 132 .
  • an output grating arrangement for outputting the light propagated from the second region 132 to the outside of the light guide plate 130 is formed, and may also serve as a pupil dilation grating.
  • the output grid arrangement of the third region 133 may be formed on the surface of the light guide plate 130 facing the user's eye or the rear surface thereof.
  • the output grating arrangement of the third region 133 may be formed in some or all of the multilayers of the light guide plate 130 .
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a third area of a light guide plate according to an exemplary embodiment.
  • an arrangement of small output grid regions 310 is formed in the third region 133 of the light guide plate 130 .
  • the micro output grating formed in each of the micro output grating regions 310 may include any one of a diffractive optical element, a surface relief grating, a hologram optical element, and a metasurface. can be one Also, the grid vectors of the minute output grids formed in each of the minute output grid regions 310 may be the same or different from each other.
  • a light beam denoted by reference numeral Lp in FIG. 7 represents light propagating at a specific angle among the entire viewing angles FoV of the image input to the light guide plate 130 .
  • the light Lp propagating inside the light guide plate 130 by total internal reflection (TIR) is diffracted in the minute output grating region 310 and output to the outside of the light guide plate 130 .
  • TIR total internal reflection
  • the beam width W of the output light Lo is determined by the diameter D g of the minute output grating region 310 , and has the following relationship.
  • each micro output grating region 310 may be regarded as the optical engine 120 having a beam width of D g.
  • the diameter (D g ) of the micro-output grid region may be smaller than the diameter of a human pupil.
  • the diameter of the human pupil is generally known to be about 4 mm.
  • the diameter (D g ) of the micro output grid region 310 according to an embodiment may be formed to be approximately equal to or smaller than 4 mm.
  • the diameter (D g ) of the micro output grid region 310 may be 2 mm.
  • the pupil smile output grating region interval (I) between 310 may be approximately equal to the diameter (D P) of the pupil or smaller than the diameter of the pupil (P D).
  • the spacing I between the minute output grid regions 310 may be approximately equal to or smaller than 4 mm.
  • the pitch P of the output grating array made of the micro output grating regions 310 is the diameter D g of the micro output grating region 310 and the pupil diameter D P and the following equation can be satisfied
  • the pitch P of the output grid arrangement may be constant throughout the third region 133 , but is not limited thereto.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an arrangement of a micro output grid area according to an exemplary embodiment.
  • the diameter D P of each micro output grating region 310 may be different from each other.
  • the diameter D g of the minute output grating regions 310 of the third region 133 may be larger at the outside than at the center, and the pitch P may also change according to Equation (2).
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a light beam that is emitted from an array of micro output grid regions in a horizontal direction and reaches a retina according to an exemplary embodiment.
  • the first to third minute output grating regions 311 , 312 , and 313 ie, diffractive elements
  • Each of the first to third minute output grating regions 311 , 312 , and 313 operates like a replica of one optical engine 120 , and the light containing all of the virtual image is transmitted to the first to third diffraction regions 311 , 311 , 312, 313).
  • the viewing angle FoV of the image reaching the retina 340 through each of the micro output grid areas 311 , 312 , 313 is the diameter D p of the pupil 330 , the micro output grid areas 311 , 312 , 313 . ) of the diameter (D g ) and the distance between the pupil 330 and the micro output grating region 311 , 312 , 313 can be determined by the eye relief. That is, the viewing angle FoV of the virtual image reaching the retina 340 can be achieved by increasing the number of the micro output grid regions 311 , 312 , and 313 , and is equally applicable to the vertical direction.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a light ray emitted from a micro output grid region and reaching a retina according to an exemplary embodiment when the eyeball moves.
  • first to sixth micro output grid regions 311, 312, 313, 314 Although the relative positions of 315 and 316 and the pupil 330 are changed, the first to sixth micro output grating regions 311 , 312 , 313 , 314 . small size) and output the same image information as the input image, the user can view the virtual image without interruption of the virtual image. That is, it is possible to implement a wide eye motion box by arranging a plurality of minute output grid regions.
  • the light output at the same angle reaches the same position on the retina 340 , so that a virtual image is always output at the same position. For example, even users with different IPDs can view virtual images of almost the same location.
  • the outer shape of the micro-output grid region has a circular boundary, but is not limited thereto.
  • the shape of the circular diffractive element may have a polygonal boundary such as a hexagon, a square, or a triangle, as shown in FIG. 10 , and is arranged accordingly. shape and location may change.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating light rays of the eyeball and a real/virtual image when the user gazes at a short distance
  • FIG. 15 is a view showing light rays of the eyeball and a real/virtual image when the user gazes at a distance.
  • a portion of the virtual image emitted from the micro-diffraction element region is displayed as light rays 411, 412, and 413 (different pixels are expressed) at different angles.
  • the beam widths of the light rays 411 , 412 , and 413 emitted from the micro-diffraction element area are maintained smaller than the diameter of the pupil according to the size of the diameter of the micro-diffraction grating area.
  • the light rays 411 , 412 , and 413 among the light rays 411 , 412 , and 413 , only the light rays 4111 , 4121 , and 4131 that fit the angle between the pupil 330 and each micro-diffraction element region pass through the pupil 330 and pass through the lens. Since each image is formed on the retina as a single point regardless of the thickness change, the virtual image can always be focused regardless of the user's gaze distance.
  • the light rays 414 emitted from one point of the actual image may pass through the micro-diffraction element region without distortion and be transmitted to the eye to form a focus according to the movement of the lens of the eyeball E. As shown in FIG.
  • the augmented reality display device of the present embodiment can match and maintain the focus of the real image and the virtual image without a separate active element such as a focusing lens or an optical shutter, and can provide a wide viewing angle and an eye box. Accordingly, it is possible to reduce the size, power consumption, and cost reduction of AR glasses. In addition, since the augmented reality display device can always maintain focus, eye fatigue due to convergence-control mismatch can be reduced.
  • each circular diffraction element projects the same virtual image, it is possible to always focus even if the eyeball is moved, and it enables viewing of the same image, thereby enabling a large eye box.

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Abstract

증강 현실 표시 장치가 개시된다. 개시된 증강 현실 표시 장치는 가상 이미지의 광을 출력하도록 구성된 광학 엔진; 및 상기 가상 이미지의 광을 입력받는 제1 영역과, 상기 가상 이미지의 광이 출력되는 제3 영역과, 상기 제1 영역에 입력된 상기 가상 이미지의 광을 상기 제3 영역쪽으로 전파시키는 제2 영역을 구비한 도광판;을 포함하며, 상기 제2 영역에는 상기 제1 영역에 입사된 상기 가상 이미지의 광이 다수로 복제되도록 하는 동공 확장 격자가 형성되며, 상기 제3 영역에는 다수의 미소 회절 격자 영역들이 동공의 사이즈와 같거나 작은 간격으로 배열된 출력 격자 배열이 형성되며, 상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 각각의 직경은 동공의 사이즈와 같거나 작다.

Description

증강 현실 표시 장치
본 개시는 증강 현실 표시 장치에 관한다.
증강 현실 표시 장치는 증강 현실(augmented reality, AR)을 볼 수 있는 장치로서, 예를 들어 증강 현실 글래스(AR Glass)가 있다. 증강 현실 표시 장치는 영상을 생성하는 영상 생성 장치와, 생성된 영상을 눈으로 보내주기 위한 광학 장치를 포함한다. 영상 생성 장치에서 출사된 이미지는 광학 장치를 통해 눈으로 보내지며, 이로서 사람은 증강 현실 이미지를 관찰하게 된다.
증강 현실 표시 장치는 가상 이미지의 초점이 단일 면에 위치하기 때문에 이를 사용자가 응시하는 물체와 같이 초점을 맺도록 하는 것이 착용자의 편의성 증가를 위해 필요하다. 또한, 증강 현실 표시 장치는 양안 시차를 갖도록 랜더링이 된 영상을 관찰자의 양안에 제공하여 3D 효과를 구현할 수 있다. 이와 같은 양안 시차를 이용한 3D 효과는 3D를 구현할 수 있는 여러 방법 중 비교적 쉽게 구현하고 체험할 수 있지만, 장시간 착용하게 되면 눈에 피로를 야기한다. 눈의 피로는 양안의 수렴각과 초점 거리가 일치하지 않기 때문에 발생될 수 있으며, 이러한 수렴각과 초점 거리의 불일치는 수렴-조절 불일치(Vergence accommodation conflict)로 알려져 있다.
해결하고자 하는 과제는 눈의 피로를 저감할 수 있는 증강 현실 장치를 제공하는데 있다.
해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 측면에 있어서, 증강 현실 표시 장치는 가상 이미지의 광을 출력하도록 구성된 광학 엔진; 및 가상 이미지의 광을 입력받는 제1 영역과, 가상 이미지의 광이 출력되는 제3 영역과, 제1 영역에 입력된 가상 이미지의 광을 제3 영역쪽으로 전파시키는 제2 영역을 구비한 도광판;을 포함하며, 제2 영역에는 제1 영역에 입사된 가상 이미지의 광이 다수로 복제되도록 하는 동공 확장 격자가 형성되며, 제3 영역에는 다수의 미소 회절 격자 영역들이 동공의 사이즈와 같거나 작은 간격으로 배열된 출력 격자 배열이 형성되며, 다수의 미소 회절 격자 영역들의 각각의 직경은 동공의 사이즈와 같거나 작을 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각의 미소 회절 격자는 회절 광학 소자, 표면 요철 격자, 홀로그램 광학 소자, 및 메타표면 중 어느 하나일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각은 원형 또는 다각형의 경계를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각의 사이즈는 대략 4mm와 같거나 그보다 작을 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들은 육각형 배열 패턴으로 배열될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 다수의 미소 회절 격자 영역들의 미소 회절 격자는 같거나 서로 다른 격자 벡터를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 영역에는 입사되는 광을 결합시키는 입력 회절격자가 형성되며, 제1 영역의 입력 회절 격자의 격자 벡터, 제2 영역의 동공 확장 격자의 격자 벡터 및 다수의 미소 회절 격자 영역들의 미소 회절 격자의 격자 벡터의 합이 0이 될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 출력 격자 배열의 피치는 일정할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 출력 격자 배열의 피치는 일정하지 않을 수도 있다.
다수의 미소 회절 격자 영역들의 적어도 일부는 서로 다른 직경을 가질 수 있다.
다수의 미소 회절 격자 영역들은 제3 영역의 중앙보다 제3 영역의 외곽에서 더 큰 직경을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제3 영역의 적어도 일부는 제2 영역과 겹칠 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 도광판의 적어도 일부 영역은 현실 장면의 광이 투과되도록 투명 재질로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 광학 엔진과 도광판이 설치되며, 사용자가 착용할 수 있도록 구성된 몸체를 포함할 수 있다.
몸체는 안경테, 고글테, 헬멧의 본체 및 HMD의 본체 중 어느 하나일 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 실사 왜곡 및 가상 이미지의 화질 저하가 거의 없다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 큰 아이박스(eye box)와 넓은 시야각(Field of View; FoV)를 구현 할 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 별도의 액티브 소자 없이 가상 이미지의 초점을 상시 유지시킬 수 있으며, 이에 따라 소형화, 저전력화, 및 저가화를 가능하게 할 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 눈의 피로를 저감할 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 상시 초점을 유지할 수 있으므로 눈의 피로를 저감할 수 있다.
본 개시에 따르면, 증강 현실 표시 장치는 가상에 대해 상시 초점을 유지할 수 있으므로, 도광판의 이미지 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강 현실 표시 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 증강 현실 표시 장치의 평면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광학 엔진 및 도광판의 배치를 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 도광판에서의 광 전파를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 도광판의 제3 영역을 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 도광판의 제3 영역에서의 광 출력을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 배치를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역과 동공의 관계를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 배치를 도시한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역에서 출사되어 망막에 도달하는 광선을 도시한 도면이다.
도 12는 안구가 이동하는 경우에 있어서 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역에서 출사되어 망막에 도달하는 광선을 도시한 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 다양한 형상을 도시한 도면이다.
도 14는 사용자가 근거리 실사를 볼 때의 안구 및 실가상 영상의 광선을 도시한 도면이다.
도 15는 사용자가 원거리 실사를 볼 때의 안구 및 실가상 영상의 광선을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
본 명세서의 실시예들에서 사용되는 용어는 본 개시의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 개시에서, '증강 현실(Augmented Reality)'은 현실 세계의 물리적 환경 공간(physical, real-world environment)이나 현실 객체(real-world object)에 컴퓨터에서 생성되는 가상 이미지를 오버레이(overlay)하여 하나의 이미지로 보여주는 것을 의미한다.
본 개시에서, '증강 현실 표시 장치(Augmented Reality Display Device)'라 함은 증강 현실을 표현할 수 있는 장치로서, 사용자가 착용하는 안경 형상의 증강 현실 안경 장치(Augmented Reality Glasses) 뿐만 아니라, 헤드 마운트 디스플레이 장치(Head Mounted Display Apparatus)나, 증강 현실 헬멧(Augmented Reality Helmet) 등을 포괄한다. 이러한 증강 현실 표시 장치는 정보 검색, 길 안내, 카메라 촬영과 같이 일상 생활에서 유용하게 사용되고 있다. 또한, 증강 현실 표시 장치가 안경형으로 구현된 증강 현실 안경 장치는 패션 아이템으로도 착용되고, 실내외 활동에서 모두 사용될 수 있다.
본 개시에서, '현실 장면(real scene)'이란 관찰자 또는 사용자가 증강 현실 표시 장치를 통해서 보는 현실 세계의 장면으로서, 현실 객체(real world object)(들)를(을) 포함할 수 있다. 한편, '가상 이미지(virtual image)'는 광학 엔진을 통해 생성되는 이미지이다. 가상 이미지는 정적 이미지와 동적 이미지를 모두 포함할 수 있다. 이러한 가상 이미지는 현실 장면 상에 오버레이(overlay)되어, 현실 장면 속의 현실 객체에 대한 정보나 증강 현실 장치의 동작에 대한 정보나 제어 메뉴 등을 보여주는 이미지일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강 현실 장치(100)의 외관을 도시한 도면이며, 도 2는 도 1의 증강 현실 장치(100)의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 증강 현실 장치(100)는 사용자가 착용할 수 있도록 구성된 안경형 디스플레이 장치로서, 안경형 몸체(110)를 포함한다.
안경형 몸체(110)는 예시적으로 프레임(111)과, 안경다리들(119)을 포함할 수 있다. 프레임(111)은 안경알(101L, 101R)이 위치하는 것으로서, 예시적으로 브릿지(112)로 연결된 2개의 테 (rim)형상을 가질 수 있다. 안경알(101L, 101R)은 예시적인 것으로서, 굴절력(도수)를 가지거나 혹은 가지지 않을 수 있다. 또는 안경알(101L, 101R)은 일체로 형성될 수 있으며, 이 경우 프레임(111)의 테와 브릿지(112)가 구분되지 않을 수도 있다. 안경알(101L, 101R)은 생략될 수도 있다.
안경다리들(119)은 프레임(111)의 양 단부(113)에 각각 연결되고 일 방향으로 연장된다. 프레임(111)의 양단부(113)와 안경다리들(119)는 힌지(115)에 의해 연결될 수 있다. 힌지(115)는 예시적인 것으로서, 프레임(111)의 양단부(113)과 안경다리들(119)를 연결하는 공지의 부재가 채용될 수 있다. 다른 예로, 프레임(111)의 양단부(113)과 안경다리들(119)은 일체로 연결되어 있을 수도 있다.
안경형 몸체(110)에는 광학엔진(120)과, 도광판(130)과, 전자부품들(190)이 배치된다. 전자부품들(190)은 안경형 몸체(110)의 일 부분에 실장되거나 혹은 복수 부분에 분산되어 위치할 수 있으며, PCB 기판, FPCB 기판 등에 실장될 수 있다.
광학 엔진(120)은 가상 이미지의 광을 생성하도록 구성된 것으로서, 화상패널, 조명광학계, 투사광학계, 등을 포함하는 프로젝터의 광학 엔진일 수 있다. 이러한 광학 엔진(120)은 좌안용 광학 엔진(120L) 및 우안용 광학 엔진(120R)을 포함할 수 있다. 좌안용 광학 엔진(120L) 및 우안용 광학 엔진(120R)은 프레임(111)의 양 단부(113)에 위치할 수 있다. 다른 예로, 좌안용 광학 엔진(120L) 및 우안용 광학 엔진(120R)은 각각 좌측 안경다리(119L) 및 우측 안경다리(119R)에 위치할 수도 있다. 광학 엔진(120)은 화상패널이나 조명광학계의 방식에 따라서 편광된 광을 출력하거나 또는 무편광 광을 출력할 수도 있다. 예를 들어, 화상패널이 LCoS (Liquid Crystal on Silicon) 패널이나 그밖의 액정형 화상패널인 경우 또는 빔을 분리/결합하는데에 편광 빔 스플리터를 사용하는 경우, 광학 엔진(120)은 선편광된 광을 출력할 수 있다. 다른 예로, 화상패널이 DMD (Digital Micromirror Device) 패널인 경우, 광학 엔진(120)은 무편광된 광을 출력할 수도 있다.
도광판(130)은 광학엔진(120)에서 생성된 가상 이미지의 광과 외부 장면의 광을 사용자의 동공으로 전달하도록 구성된 것이다. 도광판(130)은 좌안용 도광판(130L) 및 우안용 도광판(130R)을 포함할 수 있다. 좌측 안경알(101L)과 우측 안경알(101R)에는 각각 좌안용 도광판(130L) 및 우안용 도광판(130R)이 부착될 수 있다. 또는 좌안용 도광판(130L) 및 우안용 도광판(130R)은 안경알(101L, 101R)과 별개로 프레임(111)에 고정될 수도 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 블록도이다.
도 3은 도 1의 증강 현실 장치(100)의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 증강 현실 장치(100)는 광학 엔진(120), 프로세서(200), 인터페이스(210), 및 메모리(220)를 포함한다.
프로세서(200)는 운영체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 광학 엔진(120)을 포함한 증강 현실 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있고, 영상 데이터를 포함한 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(200)는 양안 시차를 갖도록 랜더링된 좌안 가상 이미지와 우안 가상 이미지를 포함하는 영상 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서(200)는, 예를 들어, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit), 마이크로 프로세서(microprocessor), 그래픽 프로세서(Graphic Processing Unit), ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), 및 FPGAs(Field Programmable Gate Arrays) 중 적어도 하나의 하드웨어로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
인터페이스(210)는 외부로부터 데이터나 조작명령이 입출력되는 것으로서, 예를 들어 사용자가 조작 가능한 터치 패드, 컨트롤러, 조작 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 인터페이스(210)는 USB 모듈과 같은 유선통신 모듈이나, 블루투스와 같은 무선통신 모듈을 포함하고 이들을 통해 외부 기기에 포함된 인터페이스로부터 전달되는 사용자의 조작 정보나 가상 이미지의 데이터를 수신할 수도 있다.
메모리(220)는 휘발성 메모리나 비휘발성 메모리와 같은 내장 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(220)는 프로세서(200)의 제어에 의해 증강 현실 장치(100)를 구동하고 제어하는 다양한 데이터, 프로그램 또는 어플리케이션과, 입력/출력되는 신호 또는 가상 이미지의 데이터를 저장할 수 있다.
광학 엔진(120)은 프로세서(200)에서 생성되는 영상 데이터를 전달받아 가상 이미지의 광을 생성하도록 구성된 것으로서, 좌안 광학 엔진(120L) 및 우안 광학 엔진(120R)을 포함한다. 좌안 광학 엔진(120L) 및 우안 광학 엔진(120R) 각각은 광을 출력하는 광원과 광원으로부터 출력되는 광을 이용하여 가상 이미지를 형성하는 화상 패널로 구성되며 소형 프로젝터와 같은 기능을 가진다. 광원은 예를 들어 LED로 구현 가능하며, 화상 패널은 예를 들어 DMD (Digital Micromirror Device)로 구현 가능하다.
이하의 설명에서 좌안용 광학부품들(130L)을 예로 들어 설명하나, 좌안용과 우안용은 서로 좌우 대칭적인 구조를 가지므로, 당업자라면 우안용 광학부품(130R)에도 그대로 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광학 엔진(120) 및 도광판(130)의 배치를 도시한 도면이며, 도 5는 일 실시예에 따른 도광판에서의 광 전파를 예시적으로 도시한 도면이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 도광판(130)은 광이 내부에서 반사되면서 전파될 수 있는 투명 재질의 단층 혹은 다층 구조로 형성된다. 도광판(130)은 평평한 평판 형상이거나 곡면판 형상을 지닐 수 있다. 여기서, 투명 재질이라 함은, 가시광선 대역의 광이 통과될 수 있는 재질이라는 의미이며, 투명도가 100%가 아닐 수 있으며, 소정의 색상을 지닐 수도 있다. 도광판(130)은, 광학 엔진(120)에 마주하여 광학 엔진(120)으로부터 투사된 가상 이미지의 광(Li)을 입력받는 제1 영역(131)과, 제1 영역(131)에 입사된 가상 이미지의 광(Lp)이 복제되며 전파되는 제2 영역(132)과, 제2 영역(132)에서 전파되는 가상 이미지의 광(Lo)을 출력하는 제3 영역(133)을 포함한다. 가상 이미지를 출력하는 제3 영역(133)은 가상 이미지를 복제하는 역할 또한 할 수 있다.
도광판(130)은 사용자가 증강 현실 장치(100)를 착용할 때 제3 영역(133)이 사용자의 동공 전방에 위치할 수 있도록 프레임(도 1의 111)에 장착된다. 도광판(130)은 투명 재질로 형성됨에 따라, 사용자는 증강 현실 장치(100)를 통해 가상 이미지를 볼 수 있을 뿐만 아니라, 현실 장면을 볼 수 있으므로, 증강 현실 장치(100)는 증강 현실을 구현할 수 있다.
일 실시예에서 도광판(130)의 제1 영역(131)에는 입사되는 광(Li)을 결합(coupling)할 수 있도록 입력 회절 격자가 형성될 수 있다. 도광판(130)이 단층 구조인 경우, 제1 영역(131)의 입력 회절 격자는 광학 엔진(120)과 마주보는 면 또는 반대쪽 면에 형성될 수 있다. 또는 도광판(130)이 다층 구조인 경우, 제1 영역(132)의 입력 회절 격자는 각 층마다 형성되거나 혹은 일부 층에만 형성될 수 있다.
광학 엔진(120)은, 출사되는 광(Lo)이 제1 영역(131)에 수직하거나 혹은 소정 각도로 경사지게 입사되도록 배치될 수 있다.
제2 영역(132)은 제1 영역(131)을 기준으로 제1 방향(도 4에서 X 방향)에 위치할 수 있다. 제2 영역(132)은 제1 영역(131)의 전부 혹은 일부와 겹칠 수도 있다. 제2 영역(132)은 도광판의 전역에 형성될 수도 있다. 제2 영역(132)에는 제1 영역(131)에 입사된 가상 이미지의 광(Lp)이 다수로 복제되도록 하는 동공 확장 격자(pupil expansion grating)가 형성된다. 동공 확장 격자는, 제1 영역(131)에 입사된 가상 이미지의 광(Lp)이 도광판(130) 내에서 전반사를 통해 전파될 때, 복수의 빔렛들(beamlets)로 분할하여 전파될 수 있도록 구성된다. 제2 영역(132)의 공동 확장 격자는 복제된 가상 이미지의 광(Lp)(빔렛들)이 적어도 제3 영역(133)의 전역에 걸쳐 전파될 수도 있도록 구성된다. 이러한 동공 확장 격자는 예시적으로 2개의 축을 따라 빔이 확장되도록 하는 설계된 회절 격자일 수 있다.
도광판(130)이 단층 구조인 경우, 제2 영역(132)의 회절 격자는 제1 영역(131)의 회절 격자가 형성된 면과 동일 면이나 또는 반대쪽 면에 형성될 수 있다. 또는 도광판(130)이 다층 구조인 경우, 제2 영역(132)의 회절 격자는 제2 영역(131)의 회절 격자가 형성된 층과 같은 층 또는 다른 층에 형성될 수 있다. 본 실시예는 제2 영역(132)이 단일 영역인 경우로 설명하고 있으나, 복수 영역으로 구분될 수도 있다. 도광판(130)이 다층 구조인 경우, 제2 영역(132)은 서로 다른 층들에 형성된 복수 영역일 수도 있다.
제3 영역(133)은 사용자가 증강 현실 표시 장치(100)를 착용할 때 사용자의 안구가 마주하는 면 또는 반대쪽 면에 위치할 수 있다. 예시적으로 도 4에서 제3 영역(133)은 제1 영역(131)을 기준으로 제2 방향(-X 방향)에 위치할 수 있다. 제3 영역(133)의 전부 혹은 일부는 제2 영역(132)과 겹칠 수 있다. 제3 영역(133)에는 제2 영역(132)으로부터 전파된 광이 도광판(130) 밖으로 출력하도록 하는 출력 격자 배열이 형성되며 동공 확장 격자의 역할을 함께 수행할 수도 있다. 도광판(130)이 단층 구조인 경우, 제3 영역(133)의 출력 격자 배열은 도광판(130)의 사용자 안구와 마주하는 면 또는 그 배면에 형성될 수 있다. 또는 도광판(130)이 다층 구조인 경우, 제3 영역(133)의 출력 격자 배열은 도광판(130)의 다층 중 일부 층 또는 모든 층에 형성될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 도광판의 제3 영역을 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 도광판(130)의 제3 영역(133)은 미소(微小,small) 출력 격자 영역(310)들의 배열이 형성되어 있다. 미소 출력 격자 영역(310)들 각각에 형성되는 미소 출력 격자는 회절 광학 소자(Diffractive optical element), 표면 요철 격자 (surface relief grating), 홀로그램 광학 소자 (Hologram optical element) 및 메타표면(metasurface) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 각 미소 출력 격자 영역(310)들에 형성된 미소 출력 격자의 격자 벡터는 같거나 서로 다를 수 있다. 이때, 입사광이 출력되기 위해서 광이 지나는 세 영역 (즉, 도 5의 제1 영역(131), 제2영역(132), 제3영역(133))의 격자 벡터의 합이 0이 되게 설계함으로써, 이미지의 왜곡을 감소시킬 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 도광판의 제3 영역에서의 광 출력을 예시적으로 도시한 도면이다. 도 7에서 참조번호 Lp로 표시된 광선은 도광판(130)에 입력된 이미지의 전체 시야각(FoV) 중 특정 각도로 전파되고 있는 광을 나타낸다. 도광판(130)의 내부에서 내부전반사(Total Internal Reflection; TIR)에 의하여 전파되고 있는 광(Lp)은 미소 출력 격자 영역(310)에서 회절되어 도광판(130)의 밖으로 출력된다. 이때 출력된 광(Lo)의 빔폭(W)은 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(Dg)에 의하여 결정되며, 하기의 수학식과 같은 관계를 갖는다.
Figure PCTKR2021008809-appb-img-000001
이와 같은 동작원리는 도광판(130)에 입력된 광의 모든 각도에서 동일하게 동작한다. 최종적으로 각 미소 출력 격자 영역(310)은 빔폭이 Dg 인 광학엔진(120)으로 간주할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 배치를 도시한 도면이며, 도 9는 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역과 동공의 관계를 도시한 도면이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 미소 출력 격자 영역의 직경(Dg)은 사람의 동공 직경보다 작을 수 있다. 사람의 동공 직경은 통상적으로 4mm 정도로 알려져 있다. 이에 일 실시예의 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(Dg)은 4mm와 대략 같거나 그 보다 작게 형성할 수 있다. 예시적으로 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(Dg)은 2mm일 수 있다.
동공에 맺히는 전체 이미지의 불연속을 줄이기 위해서 미소 출력 격자 영역(310)들 사이의 간격(I)은 동공의 직경(DP)과 대략 같거나 동공의 직경(DP)보다 작을 수 있다. 가령, 미소 출력 격자 영역(310)들 사이의 간격(I)은 4mm와 대략 같거나 그 보다 작게 형성할 수 있다. 달리 말하면, 미소 출력 격자 영역 (310)들로 이루어진 출력 격자 배열의 피치(P)는 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(Dg)과 및 동공 직경(DP)과 하기의 수학식 관계를 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2021008809-appb-img-000002
출력 격자 배열의 피치(P)는 제3 영역(133) 전역에 걸처 일정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 10은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 배치를 도시한 도면이다. 위치마다 출력되는 이미지의 빔폭(W)을 조절하기 위해서 각 미소 출력 격자 영역(310)의 직경(DP)은 서로 다를 수 있다. 도 10을 참조하면, 제3 영역(133)의 미소 출력 격자 영역(310)들의 직경(Dg)은 중앙에서보다 외곽에서 클 수 있으며, 수학식 2에 따라 피치(P) 또한 변할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 수평(horizontal) 방향으로의 미소 출력 격자 영역 배열에서 출사되어 망막에 도달하는 광선을 도시한 도면이다. 도 11에서 제1 내지 제3 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313)(즉, 회절 소자)은 대략적으로 안구(E)의 동공 크기의 간격으로 배열되어 있다. 제1 내지 제3 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313) 각각은 하나의 광학 엔진(120)의 복제처럼 동작하는바, 가상 이미지를 전부 를 담은 광이 제1 내지 제3 회절 영역(311, 312, 313)에서 출사된다. 동공(330)의 정면에 위치한 제2 회절 소자(312)에서 출사된 광선 중 일부 각도의 광이 동공(330)을 지나 안구(E)의 망막(340)에 도달하여 중심부의 시야각(FoV)(3A)를 형성한다. 한편 동공(330)의 정면으로부터 비스듬히 위치한 제1 및 제3 미소 출력 격자 영역(311, 313)에서 출사된 광선들 중 더 넓은 각도의 광선이 안구(E)의 망막(340)에 도달하여 수평 방향으로 추가 시야각(FoV)(3B, 3C)을 형성한다. 이때 각 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313)을 통해 망막(340)에 도달하는 이미지의 시야각(FoV)은 동공(330)의 직경(Dp), 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313)의 직경(Dg) 그리고 동공(330)과 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313) 사이의 거리인 아이릴리프(eye relief)에 의하여 결정될 수 있다. 즉, 망막(340)에 도달하는 가상 영상의 시야각(FoV)은 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313)의 개수를 늘림으로 달성 가능하며, 수직(vertical) 방향으로도 동일하게 적용 가능하다.
도 12는 안구가 이동하는 경우에 있어서 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역에서 출사되어 망막에 도달하는 광선을 도시한 도면이다. 도 12를 참조하면, 사용자의 서로 다른 동공 사이 거리(Inter Pupil Distance; IPD), 안구의 회전 등으로 안구의 이동이 생겼을 경우, 제1 내지 제6 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313, 314. 315, 316)과 동공(330)의 상대적 위치는 변하지만, 제1 내지 제6 미소 출력 격자 영역(311, 312, 313, 314. 315, 316)은 안구(E)의 동공 크기(또는 그보다 작은 크기)의 간격을 가지며 입력된 이미지와 동일한 영상 정보를 출력하므로, 사용자는 가상 이미지의 끊김 없이 가상 이미지를 볼 수 있다. 즉, 다수의 미소 출력 격자 영역을 배열함으로써 넓은 아이 모션 박스(eye motion box)를 구현할 수 있다. 또한 안구의 평행이동(수평 또는 수직 방향으로의 이동)시에도 동일 각도로 출력되는 광은 망막(340) 위의 동일한 위치에 도달하므로, 항상 동일한 위치에 가상 영상이 출력된다. 예를 들면, 서로 다른 IPD를 갖는 사용자일지라도 거의 동일한 위치의 가상 영상을 볼 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 미소 출력 격자 영역의 다양한 형상을 도시한 도면이다. 전술한 실시예에서 미소 출력 격자 영역의 외형은 원형의 경계를 가지고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 가령, 가상 이미지의 밝기 균일성 또는 이중상 등의 왜곡 감소를 위해 원형 회절 소자의 외형은, 도 10에 도시되듯이, 육각형이나, 사각형 또는 삼각형과 같은 다각형의 경계를 가지고 있을 수 있으며, 이에 맞게 배열의 형태 및 위치가 변할 수 있다.
도 14는 사용자가 근거리를 응시할 때의 안구 및 실·가상 영상의 광선을 도시한 도면이며, 도 15는 사용자가 원거리를 응시할 때의 안구 및 실·가상 영상의 광선을 도시한 도면이다. 도 14 및 도 15에서, 일 예로 미소 회절 소자 영역에서 출사된 가상 이미지의 일부를 서로 다른 각도의 광선(411, 412, 413)(서로 다른 픽셀을 표현)으로 표시하였다. 이때 미소 회절 소자 영역에서 출사된 광선(411, 412, 413)의 빔폭은 미소 회절 격자 영역의 직경의 크기에 따라 동공의 직경보다 작게 유지된다. 도 14 및 도 15를 참조하면, 광선(411, 412, 413) 중에서 동공(330)과 각 미소 회절 소자 영역 사이의 각도에 맞는 광선(4111, 4121, 4131)만이 동공(330)을 통과하여 수정체의 두께 변화와 관계없이 각각 하나의 점으로 망막에 결상되기 때문에 가상 이미지는 사용자의 응시 거리에 관계없이 상시 초점을 맺을 수 있다. 한편, 실사의 한점에서 방사된 광선들(414)은 미소 회절 소자 영역을 왜곡없이 통과하여 눈으로 전달되어 안구(E)의 수정체의 움직임에 따라 초점을 형성할 수 있다. 도 14에서 도시되듯이 사용자가 근거리 응시할 때, 근거리 물체의 한점에서 방사된 광선들은 사용자의 수정체에 의하여 망막에 한점으로 결상되지만, 도 15에 도시되듯이 원거리 응시의 경우 근거리 물체의 한점에서 방사된 광선들은 망막에 한점으로 결상되지 못하고 이미지가 흐려지게 된다. 이와 같이 본 실시예의 증강 현실 표시 장치는 초점 조절 렌즈나 광 셔터와 같은 별도의 액티브 소자 없이 실사와 가상 이미지의 초점을 일치시키고 유지시킬 수 있으며 넓은 시야각과 아이박스를 제공할 수 있다. 이에 따라 AR 글래스의 소형화, 저전력화, 및 저가화를 가능하게 할 수 있다. 또한, 증강 현실 표시 장치는 상시 초점을 유지할 수 있으므로, 수렴-조절 불일치등에 의한 눈의 피로를 저감할 수 있다.
또한, 각각의 원형 회절 소자는 동일한 가상 이미지를 투사하므로 안구를 움직여도 상시 초점을 맺을 수 있고 동일한 영상의 시청을 가능하게 하므로, 큰 아이 박스(eye box)를 가능케 한다.
전술한 본 발명인 증강 현실 표시 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 가상 이미지의 광을 출력하도록 구성된 광학 엔진; 및
    상기 가상 이미지의 광을 입력받는 제1 영역과, 상기 가상 이미지의 광이 출력되는 제3 영역과, 상기 제1 영역에 입력된 상기 가상 이미지의 광을 상기 제3 영역쪽으로 전파시키는 제2 영역을 구비한 도광판;을 포함하며,
    상기 제2 영역에는 상기 제1 영역에 입사된 상기 가상 이미지의 광이 다수로 복제되도록 하는 동공 확장 격자가 형성되며,
    상기 제3 영역에는 다수의 미소 회절 격자 영역들이 동공의 사이즈와 같거나 작은 간격으로 배열된 출력 격자 배열이 형성되며, 상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 각각의 직경은 동공의 사이즈와 같거나 작은 증강 현실 표시 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각의 미소 회절 격자는 회절 광학 소자, 표면 요철 격자, 홀로그램 광학 소자, 및 메타표면 중 어느 하나인 증강 현실 표시 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각은 원형 또는 다각형의 경계를 갖는 증강 현실 표시 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들 각각의 사이즈는 대략 4mm와 같거나 그보다 작은 증강 현실 표시 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들은 육각형 배열 패턴으로 배열되는 증강 현실 표시 장치.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 미소 회절 격자는 같거나 서로 다른 격자 벡터를 갖는 증강 현실 표시 장치.
  7. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 영역에는 입사되는 광을 결합시키는 입력 회절격자가 형성되며,
    상기 제1 영역의 입력 회절 격자의 격자 벡터, 상기 제2 영역의 동공 확장 격자의 격자 벡터 및 상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 미소 회절 격자의 격자 벡터의 합이 0이 되는 증강 현실 표시 장치.
  8. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 격자 배열의 피치는 일정한 증강 현실 표시 장치.
  9. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 격자 배열의 피치는 일정하지 않은 증강 현실 표시 장치.
  10. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들의 적어도 일부는 서로 다른 직경을 가지는 증강 현실 표시 장치.
  11. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 미소 회절 격자 영역들은 상기 제3 영역의 중앙보다 상기 제3 영역의 외곽에서 더 큰 직경을 가지는 증강 현실 표시 장치.
  12. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 영역의 적어도 일부는 상기 제2 영역과 겹치는 증강 현실 표시 장치.
  13. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도광판의 적어도 일부 영역은 현실 장면의 광이 투과되도록 투명 재질로 형성된 증강 현실 표시 장치.
  14. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 엔진과 상기 도광판이 설치되며, 사용자가 착용할 수 있도록 구성된 몸체를 포함하는 증강 현실 표시 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 몸체가 안경테, 고글테, 헬멧의 본체 및 HMD의 본체 중 어느 하나인 증강 현실 표시 장치.
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