WO2023063555A1 - 회절 소자를 이용한 콜리메이터를 구비하는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

회절 소자를 이용한 콜리메이터를 구비하는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치 Download PDF

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WO2023063555A1
WO2023063555A1 PCT/KR2022/012220 KR2022012220W WO2023063555A1 WO 2023063555 A1 WO2023063555 A1 WO 2023063555A1 KR 2022012220 W KR2022012220 W KR 2022012220W WO 2023063555 A1 WO2023063555 A1 WO 2023063555A1
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optical
optical element
augmented reality
optical device
image light
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PCT/KR2022/012220
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하정훈
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주식회사 레티널
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device for augmented reality, and more particularly, to a compact optical device for augmented reality capable of reducing a form factor by implementing a collimator buried in an optical means using a diffractive element.
  • Augmented Reality means overlapping a virtual image provided by a computer or the like with a real image of the real world. That is, it refers to a technology that simultaneously provides virtual image information augmented from visual information of the real world to a user.
  • an optical system capable of overlapping a virtual image generated by a device such as a computer with an image of the real world.
  • a device using a conventional optical system has a problem in that the structure is complicated and the weight and volume are considerable, so it is inconvenient for the user to wear it, and the manufacturing process is also complicated, so the manufacturing cost is high.
  • FIG. 1 shows a side view of an optical device 100 for augmented reality as described in Prior Art Document 1.
  • the optical device 100 for augmented reality of FIG. 1 includes an optical unit 10 , a reflection unit 20 and an image output unit 30 .
  • the optical means 10 transmits real object image light, which is image light emitted from objects in the real world, and transmits virtual image image light reflected by the reflector 20 to the pupil 40.
  • the optical means 10 may be formed of, for example, a transparent material such as a spectacle lens, and may be fixed by a frame (not shown) such as a spectacle frame.
  • the image emitter 30 is means for emitting virtual image light, for example, a micro display device that displays a virtual image on a screen and emits virtual image image light corresponding to the displayed virtual image, and image light emitted from the micro display device. may be provided with a collimator for collimating the
  • the reflector 20 is a means for reflecting the virtual video image light emitted from the image emitter 30 and transmitting it toward the pupil 40 of the user.
  • the reflector 20 of FIG. 1 is formed to have a smaller size than a human pupil. Since it is known that the size of a typical human pupil is about 4 to 8 mm, it is preferable to form the reflector 20 to be 8 mm or less. By forming the reflector 20 to a thickness of 8 mm or less, the depth of field for light entering the pupil 40 through the reflector 20 can be made almost infinite, that is, very deep.
  • the depth of field refers to a range recognized as being in focus.
  • the range of the focal length of the virtual image correspondingly widens. Therefore, even if the user changes the focal length of the real world while gazing at the real world, it is recognized that the focus of the virtual image is always correct regardless of this. This can be regarded as a kind of pinhole effect.
  • the reflector 20 by forming the reflector 20 smaller than the pupil, the user can always observe a clear virtual image even if the user changes the focal length of the real object.
  • the present applicant has developed an optical device 200 for augmented reality using a plurality of reflectors based on the basic principle of the optical device 100 for augmented reality as shown in FIG. 1 (see Prior Art Document 2).
  • FIG. 2 shows a side view of an optical device 200 for augmented reality disclosed in Prior Art Document 2.
  • the optical device 200 for augmented reality of FIG. 2 is basically the same as the optical device 100 for augmented reality of FIG.
  • the modules 21 to 25 are different in that they are arranged to form a gentle "C" curve when viewed from the side so that incident virtual image light can be transmitted to the pupil 40 .
  • the optical device 200 for augmented reality of FIG. 2 further includes a reflector 70 acting as a built-in collimator, and the virtual image image light emitted from the image emitter 30 is reflected by the reflector 70. There is also a difference in that it is transmitted to the reflection modules 21 to 25.
  • the optical device 200 for augmented reality of FIG. 2 provides a wide viewing angle and improves light efficiency, while reducing the overall size, thickness, weight and volume of the device because there is no need to use a collimator in the image output unit 30. There are advantages to being able to.
  • the manufacturing process is complicated.
  • the plurality of reflection modules 21 to 25 occupy space in the left and right directions inside the optical means 10 as shown in FIG. 2 , there is also a problem that the form factor is limited.
  • An object of the present invention is to provide a compact optical device for augmented reality that can more significantly reduce the form factor by implementing a collimator buried in an optical means using a diffractive element.
  • the present invention provides a compact optical device for augmented reality that can implement a means for transmitting a virtual image to the user's eyes as a diffractive element and can reduce manufacturing cost by simplifying the manufacturing process and increase efficiency in the manufacturing process. It serves another purpose.
  • Another object of the present invention is to provide a compact optical device for augmented reality capable of providing a clear virtual image by improving light uniformity of the virtual image.
  • the present invention provides a first optical element for transmitting virtual video image light emitted from an image output unit to a second optical element;
  • the virtual image is provided to the user by passing the virtual image image light transmitted from the first optical element toward the pupil of the user's eye, and the real object image light emitted from the object in the real world is transmitted through the pupil of the user's eye.
  • the optical means comprises: the second optical means; A first surface through which virtual video image light and real object image light transmitted through an optical element are emitted toward a pupil of a user, and a second surface opposite to the first surface and into which real object image light is incident;
  • the first optical element is a diffractive element, and is disposed buried inside between the first and second surfaces of the optical means.
  • the second optical element may be a reflective element or a diffractive element.
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit is directly transferred to the first optical element through the inside of the optical means, or is totally reflected at least once on the inner surface of the optical means, and then returned to the first optical element.
  • the virtual video image light transmitted and emitted from the first optical element may be directly transmitted to the second optical element or may be totally reflected at least once on an inner surface of the optical means before being transmitted to the second optical element.
  • the incident/output surface of the first optical element through which the virtual video image light is incident and emitted may be disposed to face the first surface or the second surface of the optical means.
  • the incident/output surface of the first optical element may be formed as a flat surface or a curved surface.
  • the first optical element may be formed to extend closer to the image output unit toward both left and right ends from the central portion when the optical means is viewed from the pupil toward the front direction.
  • the first optical element may be a reflection type diffraction element or a transmission type diffraction element.
  • a refracting space having a first surface on which the first optical element is disposed and a second surface opposite to the first surface is formed inside the optical means, and the virtual video image light emitted from the image emitting unit is formed.
  • Silver may enter the first optical element through the second surface of the refraction space, and the virtual video image light emitted from the first optical element may exit through the second surface of the refraction space.
  • the inside of the refraction space may be a vacuum.
  • the inside of the refractive space may be filled with a medium having a refractive index different from that of the optical means.
  • the medium may be a phase change material whose refractive index changes according to at least one of voltage difference, temperature and pressure conditions.
  • the second surface of the refracting space may be formed as a flat surface or a curved surface.
  • the optical means has a third surface on which the virtual video image light emitted from the image output unit is incident, and the third surface may be formed of any one of a flat surface, a concave surface, a convex surface, and a free curved surface.
  • a first optical element for transmitting virtual video image light emitted from an image output unit to a second optical element;
  • the virtual image is provided to the user by passing the virtual image image light transmitted from the first optical element toward the pupil of the user's eye, and the real object image light emitted from the object in the real world is transmitted through the pupil of the user's eye.
  • the optical means comprises: the second optical means; A first surface through which the virtual image image light and real object image light transmitted through the optical element are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite to the first surface and into which the real object image light is incident, and the image output a third surface on which the virtual video image light emitted from the unit is incident, and a fourth surface opposite to the third surface, wherein the first optical element is a diffraction element, and is outside the fourth surface of the optical means. It provides an optical device for augmented reality, characterized in that disposed.
  • the second optical element may be a reflective element or a diffractive element.
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit is directly transferred to the first optical element through the inside of the optical means, or is totally reflected at least once on the inner surface of the optical means, and then returned to the first optical element.
  • the virtual video image light transmitted and emitted from the first optical element may be directly transmitted to the second optical element or may be totally reflected at least once on an inner surface of the optical means before being transmitted to the second optical element.
  • the fourth surface of the optical unit and the incident/output surface of the first optical element may be flat or curved.
  • the first optical element may be formed to extend closer to the image output unit toward both left and right ends from the central portion when the optical means is viewed from the pupil toward the front direction.
  • the first optical element may be a reflective diffractive element.
  • a refraction space having a first surface on which the first optical element is disposed and a second surface opposite to the first surface is formed inside the fourth surface of the optical means, and the image output unit emits light.
  • the virtual video image light may enter the first optical element through the second surface of the refraction space, and the virtual video image light emitted from the first optical element may exit through the second surface of the refraction space.
  • the inside of the refraction space may be a vacuum.
  • the inside of the refractive space may be filled with a medium having a refractive index different from that of the optical means.
  • the medium may be a phase change material whose refractive index changes according to at least one of voltage difference, temperature and pressure conditions.
  • the second surface of the refracting space may be formed as a flat surface or a curved surface.
  • At least one of the first optical element and the second optical element may be a holographic optical element (HOE).
  • HOE holographic optical element
  • the second optical element may be a reflection type diffraction element or a transmission type diffraction element.
  • the second optical element may be buried inside between the first surface and the second surface of the optical means.
  • the second optical element may be disposed inside the first surface or the second surface of the optical means.
  • the second optical element may be formed in a curved surface.
  • the second optical element may be composed of a plurality of diffraction modules spaced apart from each other.
  • the second optical element may be inclined so as not to be parallel to the first and second surfaces of the optical means when viewed from the side.
  • an inner space may be formed inside the optical unit, and the inner space may have a first surface on which the second optical element is disposed and a second surface opposite to the first surface.
  • the inner space may be in a vacuum state.
  • the inner space may be filled with a medium having a refractive index different from that of the optical means.
  • the medium may be a phase change material whose refractive index changes according to at least one of voltage difference, temperature and pressure conditions.
  • the second optical element may be attached to the outside of the first surface or the second surface of the optical means.
  • a surface cover formed outside the first surface or the second surface of the optical means may be further included to cover the second optical element and be spaced apart from the second optical element.
  • an internal space may be formed between the surface cover and the diffractive element, and a medium having a refractive index different from that of the optical means may be filled in the internal space.
  • the third surface may be formed of any one of a flat surface, a concave surface, a convex surface, and a free curved surface.
  • a compact augmented reality optical device capable of significantly reducing the form factor by implementing a means for performing the function of a collimator buried in an optical means using a diffractive element.
  • the present invention provides a compact optical device for augmented reality that can implement a means for transmitting a virtual image to the user's eyes as a diffractive element and can reduce manufacturing cost by simplifying the manufacturing process and increase efficiency in the manufacturing process.
  • the present invention can provide a compact optical device for augmented reality capable of providing a clear virtual image by improving light uniformity of the virtual image.
  • FIG. 1 shows a side view of an optical device 100 for augmented reality as described in Prior Art Document 1.
  • FIG. 2 shows a side view of an optical device 200 for augmented reality disclosed in Prior Art Document 2.
  • FIG. 3 to 5 are views for explaining an optical device 300 for augmented reality according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 3 is a perspective view, FIG. 4 is a front view, and FIG. 5 is a line A-A′ of FIG. A cross-sectional view is shown.
  • FIG. 6 to 8 are views for explaining an optical device 400 for augmented reality according to another embodiment of the present invention, in which FIG. 6 is a perspective view, FIG. 7 is a front view, and FIG. 8 is a line A-A' of FIG. A cross-sectional view is shown.
  • FIG. 9 to 11 are views for explaining an optical device 500 for augmented reality according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 9 is a perspective view, FIG. 10 is a front view, and FIG. 11 is a line A-A' of FIG. A cross-sectional view along is shown.
  • 12 is a diagram for explaining the refraction space 80.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of an optical device 600 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 to 16 are views for explaining an optical device 700 for augmented reality according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 14 is a perspective view, FIG. 15 is a front view, and FIG. 16 is a line A-A' of FIG. A cross-sectional view along is shown.
  • FIG 17 is a cross-sectional view of an optical device 800 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of an optical device 900 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • 19 is a cross-sectional view of an optical device 1000 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of an optical device 1100 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • 21 is a cross-sectional view of an optical device 1200 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of an optical device 1300 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of an optical device 1400 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • 24 is a cross-sectional view of an optical device 1500 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • 25 is a cross-sectional view of an optical device 1600 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • 26 is a cross-sectional view of an optical device 1700 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view of an optical device 1800 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of an optical device 1900 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • 29 is a side view showing another form of the third face 13 of the optical means 10 that can be applied to the present invention.
  • FIG. 3 to 5 are views for explaining a compact augmented reality optical device 300 (hereinafter simply referred to as "optical device 300") having a collimator using a diffractive element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view
  • FIG. 4 is a front view
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line A-A′ of FIG. 3 .
  • the optical device of this embodiment includes an optical means 10 , a first optical element 70 and a second optical element 20 .
  • the optical means 10 is a means for transmitting real object image light emitted from objects in the real world to the pupils 40 of the user's eyes.
  • the first optical element 70 and the second optical element 20 are disposed inside the optical means 10 .
  • the optical means 10 includes a first surface 11 from which virtual video image light and real object image light transmitted through the second optical element 20 are emitted toward the user's pupil 40, and the first surface ( 11) and has a second surface 12 on which real object image light is incident.
  • the optical means 10 may include a third surface 13, which is a surface on which the virtual video image light is incident, and a fourth surface 14, which is a surface opposite to the third surface 13.
  • the first optical element 70 is a means for transmitting virtual video image light emitted from the image output unit 30 to the second optical element 20 .
  • the first optical element 70 is spaced apart from the first surface 11 to the fourth surface 14 of the optical means 10 and buried inside the optical means 10. are placed
  • the first optical element 70 may be disposed outside the optical means 10 .
  • it may be attached to the outside of the fourth surface 14 of the optical means 10, which will be described later.
  • the image emitting unit 30 is a means for displaying a virtual image and emitting virtual image light corresponding to the virtual image, such as a small LCD, OLED, or LCoS. It may be a conventionally known micro display device such as the like.
  • the virtual image means an image for augmented reality, and may be an image or a video.
  • the image output unit 30 itself is not a direct object of the present invention and is known in the prior art, a detailed description thereof will be omitted.
  • the image emitting unit 30 in the present invention does not include a structure such as a collimator.
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected by the second surface 12 of the optical means 10 to the first optical element 70 .
  • this is exemplary and may be transmitted directly to the first optical element 70 without total reflection on the inner surface of the optical means 10 .
  • the total reflection may be transmitted to the first optical element 70 after being totally reflected twice or more on the inner surface of the optical means 10 .
  • the virtual video image light emitted from the first optical element 70 is totally reflected by the second surface 12 of the optical means 10, and the second optical element ( 20), but this is also exemplary and may be transferred to the second optical element 20 without total reflection or through two or more total reflections.
  • the image output unit 30 may further include an optical element composed of a combination of at least one or more of a reflection unit, a refraction unit, and a diffraction unit combined with a micro display device.
  • the image output unit 30 is shown as being disposed on the upper surface of the optical means 10, that is, above the third surface 13, but this is exemplary and may be disposed in other positions. Of course.
  • the first optical element 70 transmits the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 to the second optical element 20, and converts the incident virtual video image light into collimated parallel light so that the second optical to the element 20. Accordingly, the virtual video image light emitted from the first optical element 70 is collimated parallel light or image light for which the focal length is intended.
  • the first optical element 70 can serve as a collimator for collimating the virtual image image light emitted from the image emitting unit 30, and thus the image emitting unit 30 has a collimator and You don't have to use the same configuration.
  • the first optical element 70 is characterized in that it is implemented as a diffractive element.
  • a diffractive element means an optical element that refracts or reflects incident virtual video image light through a diffraction phenomenon. That is, the diffractive element is an optical element that provides various optical functions by using the diffraction phenomenon of light.
  • the diffractive element has advantages in that a point-to-point image without aberration and a planar structure are possible, and aberration control such as an aspherical surface is possible.
  • the diffractive element has a very thin thickness of several ⁇ m, it is advantageous in reducing the volume and weight of an optical system because it plays a similar role to a general lens, prism, or mirror having a thickness of several mm.
  • the diffractive element operates as a refracting or reflecting element only for light that matches the design wavelength band of the nanostructure due to the wavelength-dependent characteristics of the diffraction phenomenon, and is a window that simply passes light in other wavelength bands. play a role
  • such a diffractive element is used to perform the function of a collimator, and it is referred to as a first optical element 70.
  • the first optical element 70 is implemented as a diffractive element.
  • the second optical element 20 is an element that transmits virtual video image light to the user's eyes, and may be implemented as a diffractive element or a reflective element.
  • Diffraction elements can be divided into reflection-type diffraction elements and transmission-type diffraction elements, and in the embodiments of FIGS. 3 to 5 , the first optical element 70 is a reflection-type diffraction element.
  • a reflective diffraction element refers to a diffraction element using a property of reflecting light incident from a specific direction and position
  • a transmission type diffraction element refers to a diffraction element using a property of transmitting light incident from a specific direction and position. means small.
  • the first optical element 70 is disposed and embedded inside the optical means 10 so as to face the image output unit 30 .
  • the image emitting unit 30 emits virtual video image light toward the second surface 12 of the optical means 10, and the second surface 12 of the optical means 10 emits total reflection.
  • the resulting virtual video image light is transferred to the first optical element 70 .
  • the first optical element 70 converts incident virtual video image light into collimated parallel light and emits it toward the second surface 12 of the optical means 10 . Thereafter, the virtual video image light totally reflected again by the second surface 12 of the optical means 10 is transmitted to the second optical element 20, and the second optical element 20 transmits the virtual video image light to the pupil 40. forward to
  • the first optical element 70 includes the image emitting unit 30, the second optical element 20 so that the virtual video image light can be transmitted to the second optical element 20 in consideration of the optical path of the virtual video image light as described above. Based on the relative positions of the optical element 20 and the pupil 40, it is disposed at an appropriate position inside the optical means 10.
  • the first optical element 70 has an incident/exit surface 71 through which virtual video image light enters and exits the second surface 12 of the optical means 10. It may be disposed and buried inside the optical means 10 so as to face.
  • a straight line in a vertical direction from the center of the incident/output surface 71 and the first surface 12 of the optical means 10 may be inclined so as not to be parallel to each other.
  • the incident/emission surface 71 of the first optical element 70 may be disposed inclined toward the first surface 11 of the optical means 10, of course.
  • the entrance/exit surface 71 of the first optical element 70 is formed as a plane, and as shown in FIG. 4, when the optical means 10 is viewed from the pupil 40 in the front direction. When, it may be formed to extend in the horizontal direction.
  • the length of the first optical element 70 in the horizontal direction preferably corresponds to the length of the second optical element 20 in the horizontal direction.
  • the first optical element 70 preferably has a thin thickness in the vertical direction when the user looks at the front through the pupil 40 so that the user cannot recognize it as much as possible.
  • the first optical element 70 may be configured with a means such as a half mirror that partially reflects light.
  • the first optical element 70 may further include an optical element such as a notch filter that selectively transmits light according to wavelengths.
  • a surface opposite to the incident/output surface 71 of the first optical element 70 may be coated with a material that absorbs light without reflecting it.
  • the second optical element 20 is means for providing a virtual image to the user by transmitting the virtual video image light transmitted from the first optical element 70 toward the pupil 40 of the user's eye.
  • the second optical element 20 may be implemented as a diffractive element as described above.
  • the second optical element 20 may be implemented as a reflective element as described in FIG. 2 of the background art.
  • a reflective element as is well known, means an optical element that reflects incident light, and since this is the same as the reflective unit (or reflective module) described in FIG. 2 of the background art, a detailed description thereof will be omitted. In , only a case in which the second optical element 20 is implemented as a diffractive element will be described.
  • the second optical element 20 is disposed buried inside the optical means 10 . That is, the second optical element 20 is spaced apart from the first surface 11, the second surface 12, the third surface 13, and the fourth surface 14 of the optical means 10, respectively, and the optical means ( 10) and transfers the virtual video image light transmitted from the first optical element 70 toward the pupil 40 of the user's eye.
  • the second optical element 20 may be disposed outside the optical means 10 .
  • it may be attached to the outer surface of the first surface 11 or the second surface 12 of the optical means 10, and this arrangement structure will be described later.
  • the second optical element 20 transmits real object image light emitted from objects in the real world to the pupil 40 of the user's eye. Accordingly, an augmented reality image in which a virtual image and a real object are overlapped may be provided to the user.
  • the second optical element 20 is a transmissive diffractive element, and as shown, it is preferable to have a rectangular planar shape when viewed from the front.
  • this is also exemplary, and may be formed in other shapes such as circular, elliptical, etc., of course.
  • the second optical element 20 is formed in a single plane. Therefore, compared to the optical device 200 using a plurality of reflection modules 21 to 25 as shown in FIG. 2 , the luminance distribution of the virtual image can be made uniform.
  • the optical means ( 10) and the form factor of the optical device 300 can be significantly reduced.
  • the second optical element 20 may be formed in a curved surface as will be described later.
  • the second optical element 20 is a diffractive element
  • its size is required by various conditions such as the size of a virtual image transmitted to the pupil 40 by the second optical element 20 and an eye box. It can be formed as one single flat or curved surface with a size corresponding to the exit pupil area to be formed. In consideration of this point, the second optical element 20 may be formed to have a larger size than the pupil 40 when viewed from the front.
  • the second optical element 20 is a diffractive element, it transmits real object image light emitted from objects in the real world to the pupil 40 of the user's eye. Even if formed as a single plane having a size, real object image light may pass through the second optical element 20 and be transmitted to the pupil 40 .
  • the second optical element 20 is a transmissive diffraction element
  • a reflective diffraction element may also be used.
  • the location and direction of the second optical element 20 are arranged in consideration of the positions of the image output unit 10 , the first optical element 70 and the pupil 40 .
  • a holographic optical element may be used instead of the second optical element 20 . This also applies to all embodiments described below.
  • FIG. 6 to 8 are views for explaining an optical device 400 according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 6 is a perspective view, FIG. 7 is a front view, and FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. it is shown
  • the optical device 400 of FIGS. 6 to 8 is the same as the optical device 300 described with reference to FIGS. 3 to 5 , except that the incident/exit surface 71 of the first optical element 70 is formed as a curved surface. There is a difference in points.
  • the incident/output surface 71 of the first optical element 70 may be a concave mirror concavely formed in the direction of the second surface 12 of the optical means 10 .
  • the image output unit 30 moves toward both left and right ends from the central portion.
  • the first optical element 70 may be formed in a generally gentle "U" bar shape. Accordingly, the function of the first optical element 70 as a collimator can be improved.
  • FIG. 9 to 11 are views for explaining an optical device 500 according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 9 is a perspective view, FIG. 10 is a front view, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. is shown.
  • the image emitting unit 30 is omitted for convenience of description, and the light path in the cross-sectional view shows only the virtual image light entering the center of the pupil 40.
  • the optical device 500 of FIGS. 9 to 11 is similar to the optical device 300 described above, but the refractive space 80 is formed inside the optical means 10, and the first optical element 70 is provided in the refractive space. There is a difference in that it is disposed inside (80).
  • FIG. 12 is a view for explaining the refractive space 80
  • FIG. 12(a) is a partially enlarged perspective view showing only the refractive space 80
  • FIG. 12(b) shows the refractive space 80 and the first optical It is an enlarged side view showing element 70 together.
  • the refracting space 80 includes a first surface 81 on which the first optical element 70 is disposed and a second surface opposite to the first surface 81. It has face 82.
  • first surface 81 and the second surface 82 are spaced apart to have a slight gap and are formed to face each other.
  • the first surface 81 and the second surface 82 are made of the same material as the optical means 10.
  • the first optical element 70 is disposed on the first surface 81 of the refractive space 80, the first surface 81 has a shape and size corresponding to the shape and size of the first optical element 70. have a size
  • the position of the refractive space 80 is determined according to the position where the first optical element 70 is to be placed, it is preferable to determine the position of the first optical element 70 and then form the refractive space 80 at the corresponding position. desirable.
  • the second surface 82 of the refraction space 80 serves as a surface through which virtual image light enters and exits. That is, the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected by the second surface 12 of the optical means 10 and is directed to the second surface 82 of the refraction space 80, and the refraction space 80 is incident on the first optical element 70 through the second surface 82 of ). In addition, the virtual video image light emitted from the first optical element 70 is directed to the second surface 12 of the optical means 10 through the second surface 82 of the refractive space 80, where total internal reflection again occurs. After being transferred to the second optical element (20).
  • the surface of the second surface 82 of the refracting space 80 is formed as a curved surface, which is a convex surface.
  • this is exemplary and the surface of the second surface 82 may be a concave surface or a flat surface.
  • the inside of the refracting space 80 that is, the space between the second surface 82 of the refracting space 80 and the entrance/exit surface 71 of the first optical element 70 may be formed as an empty space. there is.
  • the inside of the refractive space 80 may be filled with a medium having a refractive index different from that of the optical means 10 .
  • the optical means 10 When the optical means 10 is made of glass or plastic, its refractive index is about 1.5, so the inside of the refractive space 80 can be filled with a medium having a refractive index of a different value.
  • the inside of the refractive space 80 may be filled with air having a refractive index of about 1.0003 or a gas other than air having a value close to 1.
  • the refractive index of vacuum is 1, it is also possible to make the inside of the refractive space 80 into a vacuum state.
  • a liquid may be used as the medium.
  • the inside of the optical means 10 may be filled with water.
  • other liquids having a refractive index different from that of the optical means 10 may be used as a medium.
  • a solid having a refractive index different from that of the optical means 10 may be used as a medium.
  • various other materials having a refractive index different from the refractive index of the optical means 10 may be used as a medium.
  • phase change material whose refractive index changes according to at least one of conditions such as a voltage difference, temperature, and pressure may be filled in the refractive space 80 .
  • a phase-change material used in a hologram memory or an optical storage device has a characteristic in that a refractive index is changed depending on conditions such as temperature or pressure during crystallization after energy is applied.
  • Representative materials used in optical storage devices include Sb2Se3, Ge2Sb2Te5, and TeOx (0 ⁇ x ⁇ 2) represented by GeSbTe (GST). These materials are heated to a high temperature using a laser and then rapidly cooled to form an amorphous state. When it is slowly cooled, it changes to a crystalline phase, and at this time, a difference in refractive index between the crystalline phase and the amorphous phase occurs.
  • Representative materials used in hologram memories and the like include acrylate-based copolymers, and the refractive index is changed by exposure through a laser.
  • phase change material is filled in the refraction space 80, and the second surface of the refraction space 80 ( 82) can be adjusted.
  • meta-materials whose refractive index can be changed by electrical or chemical methods may be used as a medium.
  • the medium filling the inside of the refracting space 80 is preferably formed of a transparent material or a translucent material.
  • the virtual video image light entering the first optical element 70 is refracted on the second surface 82 of the refracting space 80, and the virtual video image light exiting the first optical element 70 is It is refracted again on the second surface 82 and emitted.
  • the incident/exit surface 71 of the first optical element 70 is disposed perpendicular to the second surface 12 of the optical means 10.
  • it can be applied as it is even when the incident/output surface 71 of the first optical element 70 is inclined toward the first surface 11 or the second surface 12 of the optical means 10 .
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of an optical device 600 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 600 of FIG. 13 is the same as the optical device 500 of FIGS. 9 to 12 , but is different in that the first optical element 70 is formed in a curved surface rather than a flat surface.
  • the second surface 82 of the refracting space 80 is shown as being formed as a convex surface in FIG. 13, it goes without saying that it may be formed as a flat or concave surface in this case as well.
  • the second surface 82 of the refracting space 80 may be formed as a free curved surface.
  • the free curved surface may be a curved surface including at least one of a concave surface and a convex surface.
  • the free curved surface may be a curved surface having a non-rotationally symmetrical shape rather than rotationally symmetrical shape.
  • the free curved surface may be an arbitrary surface having asymmetry about any axis, unlike a spherical surface or a rotationally symmetric aspheric surface.
  • the second surface 82 of the refractive space 80 may be formed in the form of a Fresnel lens.
  • the second surface 82 of the refractive space 80 may be formed of any one of a diffractive element and a holographic optical element (HOE).
  • HOE holographic optical element
  • FIG. 14 to 16 are views for explaining an optical device 700 according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 14 is a perspective view, FIG. 15 is a front view, and FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. is shown.
  • the optical device 700 of FIGS. 14 to 16 is similar to the optical device 300 described above, except that the first optical element 70 is attached to the outside of the fourth face 14 of the optical means 10 . There is a difference.
  • the third surface 13 of the optical means 10 is the surface on which the virtual video image light is incident, and the fourth surface 14 is the opposite surface facing the third surface 13 .
  • the first optical element 70 may be disposed on an outer surface of the fourth surface 14 .
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected by the second surface 12 of the optical means 10 and passed to the first optical element 70. or may be directly transmitted to the first optical element 70 without total reflection.
  • the virtual video image light emitted from the first optical element 70 is directly transmitted to the second optical element 20 or is totally reflected on the inner surface of the optical means 10 at least once, and then the second optical element 20 may be passed on.
  • the first optical element 70 is preferably a reflective diffractive element.
  • the fourth surface 14 of the optical means 10 and the entrance/exit surface 71 of the first optical element 70 are both flat, but this is exemplary and is formed as a curved surface. It could be.
  • 17 is a cross-sectional view of an optical device 800 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 800 of FIG. 17 is the same as the optical device 700 of FIG. 16, but is different in that the fourth surface 14 of the optical means 10 is formed as a curved surface. Accordingly, the first optical element 70 is also formed into a curved surface corresponding to the shape of the fourth surface 14 of the optical means 10 .
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of an optical device 900 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 900 of FIG. 18 is the same as the optical device 700 of FIGS. 14 to 16, except that the refractive space 80 as described above is inside the fourth face 14 of the optical means 10. The difference is in how they are formed.
  • the refracting space 80 is formed to correspond to the position where the first optical element 70 is disposed, and is formed concavely into the optical means 10 with a size corresponding to the first optical element 70. It is formed by the fourth side 14 of the optical means 10 to be. In this case, the fourth surface 14 of the concave optical means 10 becomes the second surface 82 of the refractive space 80, and the first surface 81 of the refractive space 80 does not exist. can be seen as
  • the first optical element 70 is disposed on the fourth surface 14 of the concavely formed optical means 10 to face the second surface 82 of the refractive space 80. At this time, the first optical element
  • the entrance/exit surface 71 of 70 may be arranged to be in parallel with the fourth surface 14 other than the concave fourth surface 14 when viewed from the side.
  • 19 is a cross-sectional view of an optical device 1000 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1000 of FIG. 19 is the same as the optical device 800 of FIG. 17, except that the refractive space 80 is formed inside the fourth face 14 of the optical means 10. . Even in this case, the refracting space 80 is formed to correspond to the position where the first optical element 70 is disposed.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of an optical device 1100 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1100 of FIG. 20 is similar to the optical device 300 of FIGS. 3 to 5, except that the second optical element 20 is a reflective diffractive element, and the second surface 12 ) is different in that it is placed on the inner side of the
  • the incident/emission surface 71 of the first optical element 70 is inclined toward the second surface 12 of the optical means 10, and the virtual image emitted from the first optical element 70 There is also a difference in that image light is directly transmitted to the second optical element 20 without total reflection.
  • the second optical element 20 may be disposed inside the first surface 11 of the optical means 10 .
  • the direction of the first optical element 70 also needs to be changed accordingly.
  • 21 is a cross-sectional view of an optical device 1200 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1200 of FIG. 21 is basically the same as the optical device 300 of the embodiment of FIGS. 3 to 5 , but differs in that the second optical element 20 is a curved surface rather than a flat surface.
  • the second optical element 20 is formed to look like two non-parallel straight lines connected to each other when viewed from the side, so that the middle part is bent to look like a gentle "L" shape can know
  • the second optical element 20 may be formed in a gentle “C”-shaped curved surface when viewed from the side.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of an optical device 1300 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1300 of FIG. 22 is similar to the optical device 300 of FIGS. ) There is a difference in that it is disposed inclined toward the first surface 11.
  • the virtual video image light is totally reflected on the first surface 11 of the optical means 10 and enters the first optical element 70, and the virtual video image light emitted from the first optical element 70 is optically After being totally reflected again on the first surface 11 of the means 10, it is transmitted to the second optical element 20.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of an optical device 1400 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1400 of FIG. 23 is similar to the optical device 1300 of FIG. 22 in that the second optical device 20 is formed of a plurality of diffraction modules 21, 22, and 23 rather than a single plane. There is a difference.
  • the diffraction modules 21 , 22 , and 23 constituting the second optical element 20 are spaced apart from each other when viewed from the side as shown in the drawing.
  • each of the diffraction modules 21, 22, and 23 may be formed as a single flat surface or a curved surface.
  • each of the diffraction modules 21, 22, and 23 is arranged so as not to be located on one single straight line when viewed from the side.
  • the diffraction modules 21, 22, and 23 transmit real object image light to the pupil 40, it is preferable to arrange them so that they appear to have little distance from each other when viewed from the front.
  • 24 is a cross-sectional view of an optical device 1500 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1500 of FIG. 24 is similar to the optical device 1300 of FIG. 22 except that, when viewed from the side, the second optical element 20 comprises the first face 11 and the second face of the optical means 10. There is a difference in that it is disposed inclined so as not to be parallel to (12).
  • 25 is a cross-sectional view of an optical device 1600 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1600 of FIG. 25 combines the second optical elements 20 of the optical devices 1400 and 1500 of FIGS. 23 and 24, while a plurality of diffraction modules constituting the second optical element 20. It is characterized in that at least some of (21, 22, 23) are formed as curved surfaces.
  • the second optical element 20 is composed of a plurality of diffraction modules 21, 22, and 23 spaced apart from each other, and at least some of the diffraction modules 21, 22, and 23 are formed as curved surfaces.
  • the diffraction modules 21, 22, and 23 are inclined so as not to be parallel to the first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10 when viewed from the side. to be characterized
  • 26 is a cross-sectional view of an optical device 1700 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1700 of FIG. 26 is similar to the optical device 1300 of FIG. 22 , but differs in that the second optical element 20 is disposed in the inner space 50 of the optical means 10 .
  • the inner space 50 is a space formed inside the optical means 10, and includes a first surface 51 on which the second optical element 20 is disposed, and a second surface opposite to the first surface 51. (52).
  • the first surface 51 and the second surface 52 are spaced apart from each other to provide an internal space 50 inside the optical means 10 .
  • the inner space 50 is a space formed when the optical means 10 is manufactured, the first surface 51 and the second surface 52 have the same material as that of the optical means 10 .
  • the first surface 51 has a shape and size corresponding to the shape and size of the second optical element 20 .
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 is transferred to the first optical element 70 as described above, and the virtual video image light emitted from the first optical element 70 is transmitted.
  • Video image light is totally reflected on the first surface 11 of the optical means 10 and transmitted to the second optical element 20 through the first surface 51 of the inner space 50 . Therefore, the first surface 51 of the inner space 50 acts as a surface on which the virtual video image light is incident.
  • the inner space 50 may be in a vacuum state, as described above for the refraction space 80 .
  • the inner space 50 may be filled with a medium having a refractive index different from that of the optical means 10 .
  • phase change material whose refractive index changes according to at least one of conditions such as a voltage difference, temperature, and pressure may be filled in the inner space 50 .
  • the inner space 50 by filling the inner space 50 with a medium having a refractive index different from that of the optical means 10, it is possible to provide a visual acuity correction function for real object image light.
  • the inner space 50 is filled with a medium having a refractive index different from the refractive index of the optical means 10 and the second surface 52 of the inner space 50 has a curvature, the inner space 50 becomes a kind of vision. It acts like a corrective lens.
  • the interior space 50 may act as a kind of sunglasses when the external light is bright.
  • a reflection type diffraction element has been described as an example, but a transmission type diffraction element may be used as a matter of course.
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected by the second surface 12 of the optical means 10 and transmitted to the first optical element 70.
  • Virtual video image light emitted from the optical element 70 is incident through the second surface 52 of the inner space 50 and transmitted to the second optical element 20 .
  • FIG. 27 is a cross-sectional view of an optical device 1800 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1800 of FIG. 27 is similar to the optical device 1100 of FIG. 20 except that the second optical element 20 is disposed attached to the outer surface of the second face 12 of the optical means 10. There is a difference in points.
  • the optical device 1800 of FIG. 27 shows a case in which a reflective diffractive element is used, but in the case of using a transmissive diffractive element as the second optical element 20, the second optical element 20 of the optical means 10 It may be disposed attached to the outer surface of the first surface 11 .
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of an optical device 1900 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 1900 of FIG. 28 is the same as the optical device 1800 of FIG. 27, but is different in that it further includes a surface cover 60.
  • the surface cover 60 is formed on the second surface 12 of the optical means 10 in the form of covering the second optical element 20 while being spaced apart from the second optical element 20 .
  • the surface cover 60 is preferably formed of the same material as the optical means 10 because it must transmit real object image light from objects in the real world.
  • a medium having a refractive index different from that of the optical means 10 may be filled in the inner space formed between the surface cover 60 and the second optical element 20 .
  • the space between the surface cover 60 and the second optical element 20 can act like a lens, providing a vision correction function for real object image light. there is.
  • the space between the surface cover 60 and the second optical element 20 by filling the space between the surface cover 60 and the second optical element 20 with an appropriate medium, it can perform a function like sunglasses that change color when external light goes out to a bright place.
  • the first optical element 70 has been described based on the form embedded in the optical means 10, but this is exemplary, and the second optical element described in FIGS. 20 to 28 ( 20) can be applied as it is even when the first optical element 70 is disposed outside the fourth surface 14 of the optical means 10.
  • 29 is a side view showing another form of the third face 13 of the optical means 10 that can be applied to the present invention.
  • the third surface 13 of the optical means 10 is a surface on which the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 is incident, and in the above-described embodiment, all of them are in the form of an inclined plane. Although shown, it may be formed into a curved surface.
  • the first optical element 70 and the second optical element 20 may be formed as a reflective diffractive element or a transmissive diffractive element, which is the first optical element 70 and the second optical element 20.
  • Appropriately selecting the position and angle of (20) can be applied to all of the above-described embodiments.
  • a holographic optical element may be used for at least one of the first optical element 70 and the second optical element 20 .
  • the virtual video image light incident into the pupil 40 is shown as being parallel to the front direction in the pupil 40, but it should be noted that this is illustratively shown for convenience of description.
  • Virtual image image light emitted from the actual image emitter 30 may have various angles and directions, and is transmitted to the pupil 40 through the first optical element 70 and the second optical element 20.
  • Image light may also have various other angles and directions, and by appropriately arranging the first optical element 70 and the second optical element 20, depending on the direction and angle of the virtual image light emitted from the image emitting unit 30 It should be noted that all field of view (FOV) angles can be covered.
  • FOV field of view

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Abstract

본 발명은 회절 소자를 이용한 콜리메이터를 구비하는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자; 상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제2 광학 소자; 및 상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 상기 제2 광학 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고, 상기 제1 광학 소자는 회절 소자이며, 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

회절 소자를 이용한 콜리메이터를 구비하는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광학 수단에 매립 배치되는 콜리메이터를 회절 소자를 이용하여 구현함으로써 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치에 관한 것이다.
증강 현실(AR, Augmented Reality)이라 함은, 주지된 바와 같이, 현실 세계의 실제 영상에 컴퓨터 등에 의해 제공되는 가상 영상을 겹쳐서 제공하는 것을 의미한다. 즉, 현실 세계의 시각 정보에서 확장된(augmented) 가상 영상 정보를 사용자에게 동시에 제공하는 기술을 의미한다.
이러한 증강 현실을 구현하기 위해서는, 컴퓨터와 같은 디바이스에 의해 생성되는 가상 영상을 현실 세계의 영상에 겹쳐서 제공할 수 있는 광학계가 필요하다. 그러나, 종래의 광학계를 이용한 장치는 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 변경하게 되면 가상 영상의 초점이 맞지 않게 된다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절할 수 있는 프리즘을 이용한 기술 또는 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 하고 초점 거리의 제어를 위한 별도의 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다는 점에서 문제가 있다.
이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 사람의 동공보다 작은 크기의 핀미러(pin mirror) 형태의 반사부를 이용하여 가상 영상을 동공을 통해 망막에 투영하는 기술을 개발한 바 있다(선행 기술 문헌 1 참조).
도 1은 선행 기술 문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는 광학 수단(10), 반사부(20) 및 화상 출사부(30)를 포함한다.
광학 수단(10)은 실제 세계의 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광을 투과시키는 한편 반사부(20)에서 반사된 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 출사하는 기능을 수행하는 수단이다.
광학 수단(10)의 내부에는 반사부(20)가 매립 배치되어 있다. 광학 수단(10)은 예컨대 안경 렌즈와 같은 투명 재질로 형성될 수 있으며, 안경테와 같은 프레임(미도시)에 의해 고정될 수 있다.
화상 출사부(30)는 가상 영상 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 가상 영상을 화면에 표시하고 표시된 가상 영상에 상응하는 가상 영상 화상광을 출사하는 마이크로 디스플레이 장치와 마이크로 디스플레이 장치로부터 출사하는 화상광을 평행광으로 시준하기 위한 콜리메이터(collimator)를 구비할 수 있다
반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 반사시켜 사용자의 동공(40)을 향해 전달하는 수단이다.
도 1의 반사부(20)는 사람의 동공보다 작은 크기로 형성된다. 사람의 일반적인 동공의 크기는 4~8mm 정도인 것으로 알려져 있으므로, 반사부(20)는 8mm 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 반사부(20)를 8mm 이하로 형성함으로써, 반사부(20)를 통해 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 매우 깊게 할 수 있다.
여기서, 심도(Depth of Field)라 함은, 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위를 말하는데, 심도가 깊어지면 그에 상응하여 가상 영상에 대한 초점 거리의 범위도 넓어진다. 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점이 항상 맞는 것으로 인식하게 된다. 이는 일종의 핀홀 효과(pinhole effect)라고 볼 수 있다.
따라서, 반사부(20)를 동공보다 작은 크기로 형성함으로써, 사용자가 실제 사물에 대한 초점 거리를 변경하더라도 사용자는 항상 선명한 가상 영상을 관찰할 수 있다.
한편, 본 출원인은 도 1과 같은 증강 현실용 광학 장치(100)의 기본 원리에 기초하여 복수개의 반사부를 이용한 증강 현실용 광학 장치(200)를 개발한 바 있다(선행 기술 문헌 2 참조).
도 2는 선행 기술 문헌 2에 개시된 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 2의 증강 현실용 광학 장치(200)는 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 기본적으로 동일하되, 반사부(20)가 복수개의 반사 모듈(21~25)로 구성되며, 각 반사 모듈(21~25)들은 입사하는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 측면에서 보았을 때 완만한 "C"자의 곡선 형태를 이루도록 배치된다는 점에서 차이가 있다.
또한, 도 2의 증강 현실용 광학 장치(200)는 내장 콜리메이터로 작용하는 반사 수단(70)을 더 포함하며, 화상 출사부(30)에서 출사한 가상 영상 화상광은 반사 수단(70)에 의해 반사 모듈(21~25)들로 전달된다는 점에서도 차이가 있다.
이러한 도 2의 증강 현실용 광학 장치(200)는 넓은 시야각을 제공하고 광효율을 개선하는 한편, 화상 출사부(30)에 콜리메이터를 사용할 필요가 없기 때문에 장치의 전체적인 크기, 두께, 무게 및 부피를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 복수개의 반사 모듈(21~25)을 광학 수단(10) 내부에 정밀하게 배치해야 하므로 제조 공정이 까다롭다는 문제가 있다. 또한, 복수개의 반사 모듈(21~25)들이 광학 수단(10) 내부에서 도 2에 나타낸 바와 같이 좌우 방향으로 공간을 점유하게 되므로 이로 인한 폼 팩터가 제한적이라는 문제도 있다.
더욱이, 복수개의 반사 모듈(21~25)이 광학 수단(10) 내부에 이격되어 배치되기 때문에 가상 영상의 휘도 분포를 균일하게 하기 위해서 반사 모듈(21~25)들의 위치 및 형상 그리고 화상 출사부(30)에서 나오는 가상 영상의 보정 과정이 추가적으로 필요하다는 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1660519호(2016.09.29 공고)
2. 대한민국 등록특허공보 제10-2248606호(2021.05.06. 공고)
본 발명은 광학 수단에 매립 배치되는 콜리메이터를 회절 소자를 이용하여 구현함으로써 폼 팩터를 보다 현저하게 줄일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가상 영상을 사용자의 눈으로 전달하는 수단을 회절 소자로 구현할 수 있으며, 제조 공정을 단순화시킴으로써 제조 비용을 줄이는 동시에 제조 과정에서의 효율성을 높일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가상 영상의 광균일도를 향상시켜 가상 영상을 선명하게 제공할 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은, 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자; 상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제2 광학 소자; 및 상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 상기 제2 광학 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고, 상기 제1 광학 소자는 회절 소자이며, 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 제2 광학 소자는, 반사 소자 또는 회절 소자일 수 있다.
또한, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 광학 소자로 직접 전달되거나, 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 제1 광학 소자로 전달되고, 상기 제1 광학 소자에서 출사되는 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 제2 광학 소자로 전달될 수 있다.
또한, 상기 가상 영상 화상광이 입사 및 출사하는 제1 광학 소자의 입사/출사면은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자의 입사/출사면은 평면 또는 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자일 수 있다.
또한, 상기 광학 수단 내부에는, 상기 제1 광학 소자가 배치되는 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 면인 제2 면을 갖는 굴절 공간이 형성되고, 상기 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광은, 상기 굴절 공간의 제2 면을 통해 상기 제1 광학 소자로 입사하고, 상기 제1 광학 소자에서 출사한 가상 영상 화상광은 상기 굴절 공간의 제2 면을 통해 출사할 수 있다.
또한, 상기 굴절 공간의 내부는 진공일 수 있다.
또한, 상기 굴절 공간의 내부는, 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전될 수 있다.
또한, 상기 매질은 전압 차이, 온도 및 압력 조건 중 적어도 어느 하나에 따라 굴절률이 변화하는 상변화 물질일 수 있다.
또한, 상기 굴절 공간의 제2 면은 평면 또는 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단은 상기 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 입사하는 제3 면을 가지며, 상기 제3 면은, 평면, 오목면, 볼록면 및 자유 곡면 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자; 상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제2 광학 소자; 및 상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 상기 제2 광학 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면과, 상기 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 입사하는 제3 면과, 상기 제3 면에 대향하는 제4 면을 구비하고, 상기 제1 광학 소자는 회절 소자이며, 상기 광학 수단의 제4 면의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
또한, 상기 제2 광학 소자는, 반사 소자 또는 회절 소자일 수 있다.
또한, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 광학 소자로 직접 전달되거나, 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 제1 광학 소자로 전달되고, 상기 제1 광학 소자에서 출사되는 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 제2 광학 소자로 전달될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단의 제4 면 및 상기 제1 광학 소자의 입사/출사면은 평면 또는 곡면일 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는 반사형 회절 소자일 수 있다.
또한, 상기 광학 수단의 제4 면의 안쪽에는, 상기 제1 광학 소자가 배치되는 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 면인 제2 면을 갖는 굴절 공간이 형성되고, 상기 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광은, 상기 굴절 공간의 제2 면을 통해 상기 제1 광학 소자로 입사하고, 상기 제1 광학 소자에서 출사한 가상 영상 화상광은 상기 굴절 공간의 제2 면을 통해 출사할 수 있다.
또한, 상기 굴절 공간의 내부는 진공일 수 있다.
또한, 상기 굴절 공간의 내부는, 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전될 수 있다.
또한, 상기 매질은 전압 차이, 온도 및 압력 조건 중 적어도 어느 하나에 따라 굴절률이 변화하는 상변화 물질일 수 있다.
또한, 상기 굴절 공간의 제2 면은 평면 또는 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)일 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자일 수있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는, 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면 사이의 내부에 매립 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는, 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 안쪽에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 서로 이격된 복수개의 회절 모듈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 측면에서 보았을 때 광학 수단의 제1 면 및 제2 면과 평행하지 않도록 경사지게 배치될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단의 내부에는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간은 제2 광학 소자가 배치되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하는 면인 제2 면을 가질 수 있다.
또한, 상기 내부 공간은 진공 상태일 수 있다.
또한, 상기 내부 공간은 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전될 수 있다.
또한, 상기 매질은 전압 차이, 온도 및 압력 조건 중 적어도 어느 하나에 따라 굴절률이 변화하는 상변화 물질일 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 외부에 부착될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자와 이격되어 제2 광학 소자를 덮도록 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 외부에 형성되는 표면 커버를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 표면 커버와 회절 소자 사이에는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에는 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질이 충전될 수 있다.
또한, 상기 제3 면은, 평면, 오목면, 볼록면 및 자유 곡면 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 광학 수단에 매립 배치되는 콜리메이터의 기능을 수행하는 수단을 회절 소자를 이용하여 구현함으로써 폼 팩터를 보다 현저하게 줄일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 가상 영상을 사용자의 눈으로 전달하는 수단을 회절 소자로 구현할 수 있으며, 제조 공정을 단순화시킴으로써 제조 비용을 줄이는 동시에 제조 과정에서의 효율성을 높일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 가상 영상의 광균일도를 향상시켜 가상 영상을 선명하게 제공할 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 선행 기술 문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 2는 선행 기술 문헌 2에 개시된 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 3은 사시도, 도 4는 정면도, 도 5는 도 3의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 6은 사시도, 도 7은 정면도, 도 8은 도 6의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 9는 사시도, 도 10은 정면도, 도 11은 도 9의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 12는 굴절 공간(80)을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(600)의 단면도이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(700)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 14는 사시도, 도 15는 정면도, 도 16은 도 14의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(800)의 단면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(900)의 단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1000)의 단면도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1100)의 단면도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1200)의 단면도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1300)의 단면도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1400)의 단면도이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1500)의 단면도이다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1600)의 단면도이다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1700)의 단면도이다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1800)의 단면도이다.
도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(1900)의 단면도이다.
도 29는 본 발명에 적용될 수 있는 광학 수단(10)의 제3 면(13)의 다른 형태를 나타낸 측면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 회절 소자를 이용한 콜리메이터를 구비하는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(300, 이하 간단히 "광학 장치(300)"라 한다)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 3은 사시도, 도 4는 정면도, 도 5는 도 3의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예의 광학 장치는, 광학 수단(10), 제1 광학 소자(70) 및 제2 광학 소자(20)를 포함한다.
광학 수단(10)은 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 수단이다. 또한, 광학 수단(10) 내부에는 제1 광학 소자(70) 및 제2 광학 소자(20)가 배치된다.
광학 수단(10)은 제2 광학 소자(20)를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공(40)을 향해 출사되는 제1 면(11)과, 상기 제1 면(11)에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면(12)을 갖는다.
또한, 광학 수단(10)은 가상 영상 화상광이 입사하는 면인 제3 면(13)과 상기 제3 면(13)에 대향하는 면인 제4 면(14)을 포함할 수 있다.
제1 광학 소자(70)는 화상 출사부(30)로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자(20)로 전달하는 수단이다.
제1 광학 소자(70)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 광학 수단(10)의 제1 면(11) 내지 제4 면(14)과 각각 이격되어 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다.
다만, 이는 예시적인 것이며, 제1 광학 소자(70)는 광학 수단(10)의 외부에 배치될 수도 있다. 예컨대, 광학 수단(10)의 제4 면(14)의 바깥쪽에 부착될 수도 있으며, 이에 대해서는 후술한다.
여기에서, 화상 출사부(30)는, 가상 영상(virtual image)을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단으로서, 예컨대 소형의 LCD, OLED, LCoS 등과 같이 종래 알려져 있는 마이크로 디스플레이 장치일 수 있다. 가상 영상이란 증강 현실용 화상을 의미하며, 이미지 또는 동영상일 수 있다.
이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다. 다만, 본 발명에서의 화상 출사부(30)는 콜리메이터와 같은 구성은 포함하지 않는다
도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서는, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 제1 광학 소자(70)로 전달되는 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 광학 수단(10)의 내면에서의 전반사 없이 제1 광학 소자(70)로 직접 전달될 수 있다. 또한, 광학 수단(10)의 내면에서 2회 이상 전반사되어 제1 광학 소자(70)로 전달될 수도 있음은 물론이다.
또한, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서, 제1 광학 소자(70)에서 출사한 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 제2 광학 소자(20)로 전달되는 것으로 나타내었으나 이 또한 예시적인 것이며 전반사 없이 또는 2회 이상의 전반사를 통해 제2 광학 소자(20)로 전달될 수도 있다.
한편, 화상 출사부(30)는, 마이크로 디스플레이 장치와 결합하는 반사 수단, 굴절 수단 및 회절 수단 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 구성되는 광학 소자를 더 포함할 수 있다.
도 3 내지 도 5에서, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 상면 즉, 제3 면(13) 위쪽에 배치된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 기타 다른 위치에 배치될 수도 있음은 물론이다.
제1 광학 소자(70)는 화상 출사부(30)로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자(20)로 전달하는데, 입사하는 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환시켜 제2 광학 소자(20)로 전달한다. 따라서, 제1 광학 소자(70)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 시준된 평행광 또는 초점 거리가 의도된 화상광이다.
이러한 구성에 의하여 제1 광학 소자(70)는 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광을 시준시키는 콜리메이터(collimator)로서의 역할을 수행할 수 있고, 따라서 화상 출사부(30)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용할 필요가 없다.
한편, 본 발명에서 제1 광학 소자(70)는 회절 소자로 구현된 것을 특징으로 한다. 회절 소자(Diffractive Element)란, 입사하는 가상 영상 화상광을 회절 현상을 통해 굴절 또는 반사시키는 광학 소자(Optical Element)를 의미한다. 즉, 회절 소자는 빛의 회절 현상을 이용하여 여러 가지 광학적 기능을 제공하는 광학 소자이다.
회절 소자는 수차(aberration)가 없는 점대점(point-to-point) 이미지 및 평판형 구조가 가능하며 비구면과 같은 수차 조절이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 회절 소자는 수 ㎛의 매우 얇은 두께를 갖지만, 수 mm의 두께를 갖는 일반적인 렌즈나 프리즘, 거울과 유사한 역할을 하기 때문에 광학계의 부피와 무게를 줄이는 데 유리하다.
특히, 회절 소자는 회절 현상의 파장 의존적인 특성으로 인하여, 나노 구조물의 설계 파장 대역과 일치하는 빛에 대해서만 굴절 또는 반사 소자로 작동하며, 그 이외의 파장 대역에서는 빛을 단순 통과시키는 창(window) 역할을 한다.
본 발명에서는 이러한 회절 소자를 이용하여 콜리메이터의 기능을 수행하도록 하며, 이를 제1 광학 소자(70)라 부르기로 하고, 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 제1 광학 소자(70)는 회절 소자로 구현된 것으로 한다. 한편, 후술하는 바와 같이, 제2 광학 소자(20)는 사용자의 눈으로 가상 영상 화상광을 전달하는 소자로서, 회절 소자이거나 반사 소자로 구현될 수 있다.
회절 소자는 반사형 회절 소자와 투과형 회절 소자로 구분될 수 있으며, 도 3 내지 도 5의 실시예에서 제1 광학 소자(70)는 반사형 회절 소자이다.
반사형 회절 소자라 함은, 특정 방향과 위치에서 입사하는 광을 반사시키는 성질을 이용한 회절 소자를 의미하며, 투과형 회절 소자라 함은, 특정 방향과 위치에서 입사하는 광을 투과시키는 성질을 이용한 회절 소자를 의미한다.
이러한 회절 소자, 반사형 회절 소자 및 투과형 회절 소자의 기본적인 구성이나 특성 자체는 종래 기술에 의해 알려져 있으므로 여기서는 상세 설명은 생략한다.
이러한 회절 소자를 이용하면, 투명도를 높여 투시 영상의 밝기를 보다 더 확보하고, 광학 합성기 구조가 외부에서 관찰되지 않기 때문에 제품의 외관이 일반 안경과 유사한 심미성이 더 좋은 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
제1 광학 소자(70)는, 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(30)와 대향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.
도 5에 나타난 바와 같이, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 가상 영상 화상광을 출사하고, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 가상 영상 화상광은 제1 광학 소자(70)로 전달된다.
제1 광학 소자(70)는 입사한 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사시킨다. 이후, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 다시 전반사된 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자(20)로 전달되고 제2 광학 소자(20)는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달한다.
따라서, 제1 광학 소자(70)는, 상기와 같은 가상 영상 화상광의 광 경로를 고려하여 가상 영상 화상광이 제2 광학 소자(20)로 전달될 수 있도록, 화상 출사부(30), 제2 광학 소자(20) 및 동공(40)의 상대적인 위치에 기초하여 광학 수단(10)의 내부의 적절한 위치에 배치된다.
예컨대, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 광학 소자(70)는 가상 영상 화상광이 입사하고 출사하는 입사/출사면(71)이 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치될 수 있다.
여기에서, 상기 입사/출사면(71)의 중심으로부터 수직 방향으로의 직선과 광학 수단(10)의 제1 면(12)은 서로 평행하지 않도록 경사지게 배치될 수 있다.
이러한 배치 구조에 의하면, 실제 사물로부터 출사되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 잡광이 동공(40) 쪽으로 전달되는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다.
다만, 이는 예시적인 것이며, 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)이 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 경사지게 배치될 수도 있음은 물론이다.
도 3 내지 도 5에서 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)은 평면으로 형성되며, 도 4에 나타낸 바와 같이, 동공(40)에서 정면 방향으로 광학 수단(10)을 바라보았을 때, 수평 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 광학 소자(70)의 가로 방향의 길이는 제2 광학 소자(20)의 가로 방향의 길이에 상응하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 광학 소자(70)는, 사용자가 가급적 인식할 수 없도록 하기 위하여 사용자가 동공(40)을 통해 정면을 바라 보았을 때의 상하 방향의 두께가 얇게 보이도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 광학 소자(70)는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.
또한, 제1 광학 소자(70)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자를 더 포함할 수 있다.
또한, 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.
다음으로, 제2 광학 소자(20)에 대해 설명한다.
제2 광학 소자(20)는, 제1 광학 소자(70)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 수단이다.
본 발명에서, 제2 광학 소자(20)는 전술한 바와 같은 회절 소자로 구현될 수 있다. 또한, 제2 광학 소자(20)는 배경 기술의 도 2에서 설명한 바와 같은 반사 소자(reflective element)로 구현될 수도 있다. 반사 소자란, 주지된 바와 같이, 입사하는 빛을 반사시키는 광학 소자를 의미하며, 이는 앞서 배경 기술의 도 2에서 설명한 반사부(또는 반사 모듈)과 동일하므로, 이에 대해서는 상세 설명은 생략하고, 이하에서는 제2 광학 소자(20)가 회절 소자로 구현된 경우에 대해서만 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 5의 실시예에서, 제2 광학 소자(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다. 즉, 제2 광학 소자(20)는 광학 수단(10)의 제1 면(11), 제2 면(12), 제3 면(13) 및 제4 면(14)과 각각 이격되어 광학 수단(10)의 내부 공간에 매립 배치되며, 제1 광학 소자(70)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 전달한다.
다만, 이는 예시적인 것이며, 제2 광학 소자(20)는 광학 수단(10)의 외부에 배치될 수도 있다. 예컨대, 광학 수단(10)의 제1 면(11) 또는 제2 면(12)의 바깥쪽 면에 부착될 수도 있으며, 이러한 배치 구조에 대해서는 후술한다.
또한, 제2 광학 소자(20)는, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달한다. 따라서, 사용자에게 가상 영상과 실제 사물이 겹쳐진 증강 현실 영상을 제공할 수 있다.
도 3 내지 도 5의 실시예에서 제2 광학 소자(20)는 투과형 회절 소자이며, 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때 직사각형의 평면 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 이 또한 예시적인 것이며, 원형, 타원형 등 기타 다른 형태로 형성될 수도 있음은 물론이다.
또한, 제2 광학 소자(20)는 단일 평면으로 형성된다. 따라서, 도 2에서 나타낸 바와 같은 복수개의 반사 모듈(21~25)을 사용한 광학 장치(200)에 비해 가상 영상의 휘도 분포를 균일하게 할 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 배경 기술에서 설명한 바와 같이, 복수개의 반사 모듈(21~25)을 사용한 광학 장치(200)와는 달리 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 좌우 방향으로 거의 공간을 차지하지 않기 때문에 광학 수단(10) 및 광학 장치(300)의 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있다.
또한, 제2 광학 소자(20)는 후술하는 바와 같이 곡면으로 형성될 수도 있다.
제2 광학 소자(20)가 회절 소자인 경우, 그 크기는 제2 광학 소자(20)에 의해 동공(40)으로 전달되는 가상 영상의 크기 및 아이박스(eye box) 등의 여러가지 조건에 의해 요구되는 출사 동공(exit pupil) 영역에 상응하는 크기의 하나의 단일 평면 또는 곡면으로 형성할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 제2 광학 소자(20)는 정면에서 보았을 때 동공(40)보다 큰 크기를 가지도록 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 광학 소자(20)는 회절 소자이므로, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하기 때문에, 동공(40)보다 큰 크기를 갖는 단일 평면으로 형성하더라도 실제 사물 화상광은 제2 광학 소자(20)를 통과하여 동공(40)으로 전달될 수 있다.
따라서, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서의 가상 영상 및 실제 사물 화상광의 광 경로 등의 구체적인 구성과 이로 인한 효과는 도 2의 광학 장치(200)와는 상이하다는 것을 알 수 있다. 이러한 점은 후술하는 실시예에서도 마찬가지이다.
한편, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서는, 제2 광학 소자(20)가 투과형 회절 소자인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 반사형 회절 소자를 사용할 수도 있다. 이 경우, 제2 광학 소자(20)의 위치 및 방향은 화상 출사부(10), 제1 광학 소자(70) 및 동공(40)의 위치를 고려하여 배치된다.
한편, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서, 제2 광학 소자(20) 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다. 이는 후술하는 모든 실시예에서도 마찬가지이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 6은 사시도, 도 7은 정면도, 도 8은 도 6의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 8의 광학 장치(400)는 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 광학 장치(300)와 동일하되, 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)이 곡면으로 형성된다는 점에서 차이가 있다.
여기에서, 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)은 광학 수단(10)의 제2 면(12) 방향으로 오목하게 형성된 오목 거울일 수 있다.
또한, 제1 광학 소자(70)는 도 7에 도시된 바와 같이, 동공(40)에서 정면 방향으로 광학 수단(10)을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부(30)에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 제1 광학 소자(70)는 정면에서 바라볼 때 전체적으로 완만한 "U"자의 바(bar) 형태로 형성될 수 있다. 이에 의하여, 제1 광학 소자(70)의 콜리메이터로서의 기능이 향상될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 9는 사시도, 도 10은 정면도, 도 11은 도 9의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 9 이하에서는 설명의 편의를 위해 화상 출사부(30)는 생략하였으며, 단면도에서의 광 경로는 동공(40)의 중심으로 입시하는 가상 영상 화상광에 대해서만 표시하였음을 유의해야 한다.
도 9 내지 도 11의 광학 장치(500)는, 전술한 광학 장치(300)와 유사하되, 광학 수단(10) 내부에 굴절 공간(80)이 형성되며, 제1 광학 소자(70)가 굴절 공간(80)의 내부에 배치된다는 점에서 차이가 있다.
도 12는 굴절 공간(80)을 설명하기 위한 도면으로서, 도 12의 (a)는 굴절 공간(80)만을 나타낸 부분 확대 사시도이고, 도 12의 (b)는 굴절 공간(80)과 제1 광학 소자(70)를 함께 나타낸 확대 측면도이다.
도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 굴절 공간(80)은 제1 광학 소자(70)가 배치되는 제1 면(81)과 상기 제1 면(81)에 대향하는 면인 제2 면(82)을 갖는다.
도시된 바와 같이, 상기 제1 면(81)과 제2 면(82)은 약간의 간격을 가지도록 이격되어 대향하도록 형성된다.
굴절 공간(80)은 광학 수단(10) 제조시에 광학 수단(10) 내부에 형성되는 공간이므로, 제1 면(81)과 제2 면(82)은 광학 수단(10)의 재질과 동일한 재질을 갖는다.
또한, 굴절 공간(80)의 제1 면(81)에는 제1 광학 소자(70)가 배치되기 때문에, 제1 면(81)은 제1 광학 소자(70)의 형태 및 크기에 상응하는 형태 및 크기를 갖는다.
굴절 공간(80)의 위치는, 제1 광학 소자(70)가 배치되어야 할 위치에 따라 결정되므로, 제1 광학 소자(70)의 위치를 결정한 후 해당 위치에 굴절 공간(80)을 형성하는 것이 바람직하다.
굴절 공간(80)의 제2 면(82)은 가상 영상 화상광이 입사하고 출사하는 면으로 작용한다. 즉, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 굴절 공간(80)의 제2 면(82)으로 향하고, 굴절 공간(80)의 제2 면(82)을 통해 제1 광학 소자(70)로 입사한다. 또한, 제1 광학 소자(70)에서 출사한 가상 영상 화상광은 굴절 공간(80)의 제2 면(82)을 통해 광학 수단(10)의 제2 면(12)으로 향하고, 여기에서 다시 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달된다.
도 12에서, 굴절 공간(80)의 제2 면(82)의 표면은 볼록면인 곡면으로 형성되어 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며 제2 면(82)의 표면은 오목면이거나 평면일 수도 있음은 물론이다.
한편, 굴절 공간(80)의 내부, 즉, 굴절 공간(80)의 제2 면(82)과 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71) 사이의 공간은 빈 공간으로 형성할 수 있다.
또한, 굴절 공간(80)의 내부는 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전될 수 있다.
광학 수단(10)이 유리나 플라스틱 재질로 형성된 경우, 그 굴절률은 1.5 내외이므로, 굴절 공간(80)의 내부에는 이와 다른 값의 굴절률을 갖는 매질로 채울 수 있다.
예컨대, 굴절률이 1.0003 정도인 공기 또는 1에 가까운 값을 갖는 공기 이외의 기타 기체로 굴절 공간(80)의 내부를 채울 수 있다.
또한, 진공은 굴절률이 1이므로, 굴절 공간(80)의 내부를 진공 상태로 하는 것도 가능하다.
한편, 매질로서는 액체를 사용할 수도 있다. 예컨대, 물은 1.33 정도의 굴절률을 가지므로, 광학 수단(10)의 내부를 물로 채울 수도 있다. 이외에도, 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 기타 액체를 매질로 사용할 수도 있다.
또한, 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 고체를 매질로 사용할 수도 있다. 이외에도, 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 기타 다양한 물질을 매질로 사용할 수 있다.
한편, 굴절 공간(80)의 내부에는 전압 차이, 온도 및 압력 등의 조건 중 적어도 어느 하나에 따라 굴절률이 변화하는 상변화 물질이 충전될 수도 있다.
예컨대, 홀로그램 메모리, 광 저장 장치등에 사용되는 상변화 물질은 에너지를 가한 이후 결정화시키는 과정에서 온도나 압력 등과 같은 조건에 따라 굴절률이 달라지는 특성을 갖는다.
광 저장 장치에 사용되는 대표적인 물질로 GeSbTe(GST)로 대표되는 Sb2Se3, Ge2Sb2Te5 와 TeOx(0＜x＜2)등이 있고, 이러한 물질들은 레이저를 이용하여 고온으로 가열한 이후, 급격히 냉각시키면 비결정상으로 변화하고, 서서히 냉각시키면 결정상으로 변화하는데, 이 때 결정상과 비결정상의 굴절률의 차이가 발생한다.
홀로그램 메모리 등에 사용되는 대표적인 물질로는 아크릴레이트계 공중합체 등이 있고, 레이저를 통한 노광에 의해 굴절률이 변화하게 된다.
이러한 상변화 물질을 굴절 공간(80)의 내부에 채우고, 상변화 물질의 조건에 따른 굴절률 변화를 이용하여 메타 물질과 광학 수단(10)의 굴절률 차이에 의해 굴절 공간(80)의 제2 면(82)에서의 굴절 조건을 조절할 수 있다.
또한, 전기적 또는 화학적 방법에 의해 굴절률이 변경될 수 있는 기타 메타 물질을 매질로 사용할 수도 있다.
한편, 굴절 공간(80)의 내부에 충전되는 매질은 투명재 또는 반투명재로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 굴절 공간(80)의 내부에는 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질이 충전되므로, 제2 면(82)을 통과하는 가상 영상 화상광은 제2 면(82)에서 굴절되어 입사 또는 출사하게 된다.
즉, 제1 광학 소자(70)로 입사하는 가상 영상 화상광은, 굴절 공간(80)의 제2 면(82)에서 굴절되고, 제1 광학 소자(70)로부터 출사하는 가상 영상 화상광은 제2 면(82)에서 다시 굴절되어 출사하게 된다.
이러한 성질을 이용하면, 제1 광학 소자(70)의 콜리메이터로서의 광학 특성을 보다 미세하게 조절할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 9 내지 도 12의 실시예에서는, 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)이 광학 수단(10)의 제2 면(12)과 수직하도록 배치되어 있는 것으로 설명하였으나, 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)이 광학 수단(10)의 제1 면(11) 또는 제2 면(12)을 향해 경사지게 배치된 경우에도 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(600)의 단면도이다.
도 13의 광학 장치(600)는 도 9 내지 도 12의 광학 장치(500)와 동일하되, 제1 광학 소자(70)가 평면이 아닌 곡면으로 형성되었다는 점에서 차이가 있다. 도 13에서도 굴절 공간(80)의 제2 면(82)이 볼록면으로 형성된 것으로 나타내었으나, 이 경우에도 마찬가지로 평면 또는 오목면으로 형성될 수 있음은 물론이다.
한편, 도 9 내지 도 13의 실시예에서, 굴절 공간(80)의 제2 면(82)은, 자유 곡면으로 형성될 수도 있다. 여기에서, 자유 곡면이란, 오목면 및 볼록면 중 적어도 어느 하나를 포함하는 곡면일 수 있다. 또한, 자유 곡면이란, 회전 대칭이 아닌 비회전 대칭의 형상을 갖는 곡면일 수도 있다. 또한, 자유곡면은 구면이나 회전 대칭 비구면과는 달리 어떠한 축에 대해서도 비대칭성을 갖는 임의의 면일 수도 있다.
한편, 굴절 공간(80)의 제2 면(82)은, 프레넬 렌즈의 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 굴절 공간(80)의 제2 면(82)은, 회절 소자(Diffractive Element) 및 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE) 중 어느 하나로 형성될 수도 있다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(700)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 14는 사시도, 도 15는 정면도, 도 16은 도 14의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 14 내지 도 16의 광학 장치(700)는, 전술한 광학 장치(300)와 유사하되, 제1 광학 소자(70)가 광학 수단(10)의 제4 면(14) 바깥쪽에 부착된다는 점에서 차이가 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 광학 수단(10)의 제3 면(13)은 가상 영상 화상광이 입사하는 면이고, 제4 면(14)은 상기 제3 면(13)에 대향하는 반대쪽 면이다. 제1 광학 소자(70)는 이러한 제4 면(14)의 바깥쪽 면에 배치될 수 있다.
도 14 내지 도 16의 광학 장치(700)에서도, 화상 출사부(30)에서 출사한 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 제1 광학 소자(70)로 전달되거나, 전반사 없이 직접 제1 광학 소자(70)로 전달될 수 있다.
또한, 제1 광학 소자(70)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자(20)로 직접 전달되거나 광학 수단(10)의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달될 수도 있다.
본 실시예의 광학 장치(700)에서, 제1 광학 소자(70)는 반사형 회절 소자인 것이 바람직하다.
또한, 상기 광학 장치(700)에서 광학 수단(10)의 제4 면(14) 및 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)은 모두 평면이지만, 이는 예시적인 것이며, 곡면으로 형성될 수도 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(800)의 단면도이다.
도 17의 광학 장치(800)는 도 16의 광학 장치(700)와 동일하되, 광학 수단(10)의 제4 면(14)이 곡면으로 형성되었다는 점에서 차이가 있다. 따라서, 제1 광학 소자(70) 또한 광학 수단(10)의 제4 면(14)의 형상에 상응하도록 곡면으로 형성된다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(900)의 단면도이다.
도 18의 광학 장치(900)는, 도 14 내지 도 16의 광학 장치(700)와 동일하되, 앞서 설명한 바와 같은 굴절 공간(80)이 광학 수단(10)의 제4 면(14)의 안쪽에 형성된다는 점에서 차이가 있다.
굴절 공간(80)은 전술한 바와 같이, 제1 광학 소자(70)가 배치된 위치에 상응하도록 형성되며, 제1 광학 소자(70)에 상응하는 크기로 광학 수단(10) 내부로 오목하게 형성되는 광학 수단(10)의 제4 면(14)에 의해 형성된다. 이 경우, 오목하게 형성된 광학 수단(10)의 제4 면(14)은 굴절 공간(80)의 제2 면(82)이 되고, 굴절 공간(80)의 제1 면(81)은 존재하지 않는 것으로 볼 수 있다.
제1 광학 소자(70)는 상기 오목하게 형성된 광학 수단(10)의 제4 면(14)에 상기 굴절 공간(80)의 제2 면(82)에 대향하도록 배치되는데, 이 때 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)은 상기 오목하게 형성된 제4 면(14) 이외의 제4 면(14)과 측면에서 볼 때 나란하게 위치하도록 배치될 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1000)의 단면도이다.
도 19의 광학 장치(1000)는, 도 17의 광학 장치(800)와 동일하되, 굴절 공간(80)이 광학 수단(10)의 제4 면(14)의 안쪽에 형성된다는 점에서 차이가 있다. 이 경우에도, 굴절 공간(80)은 제1 광학 소자(70)가 배치된 위치에 상응하도록 형성된다.
한편, 앞서 도 3 내지 도 13의 실시예에서 설명한 본 발명의 기타 다른 구성들은 도 14 내지 도 19의 광학 장치(700~1000)에도 모두 그대로 적용될 수 있음은 물론이다. 따라서, 이들에 대해서는 중복 설명은 생략한다.
다음으로, 도 20 이하를 참조하여 본 발명에 적용될 수 있는 회절 소자로 구현된 제2 광학 소자(20)의 다양한 형태 및 배치 구조에 대해 설명한다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(1100)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 20의 광학 장치(1100)는, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)와 유사하되, 제2 광학 소자(20)가 반사형 회절 소자이며, 광학 수단(10)의 제2 면(12)의 안쪽 면에 배치된다는 점에서 차이가 있다.
또한, 제1 광학 소자(70)의 입사/출사면(71)이 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향하도록 경사지게 배치되어 있으며, 제1 광학 소자(70)에서 출사한 가상 영상 화상광은 전반사 없이 제2 광학 소자(20)로 직접 전달된다는 점에서도 차이가 있다.
한편, 투과형 회절 소자를 사용하는 경우, 제2 광학 소자(20)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 안쪽에 배치될 수 있다. 다만, 이 경우에는, 제1 광학 소자(70)의 방향 또한 그에 상응하도록 변경할 필요가 있다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1200)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 21의 광학 장치(1200)는, 도 3 내지 도 5의 실시예의 광학 장치(300)와 기본적으로 동일하지만, 제2 광학 소자(20)가 평면이 아닌 굴곡면이라는 점에서 차이가 있다.
도 21에 나타낸 바와 같이, 제2 광학 소자(20)는 측면에서 보았을 때 서로 평행하지 않은 2개의 직선이 연결된 형태로 보이도록 중간 부분이 굴곡되어 완만한 "L"자 형태로 보이도록 형성되어 있음을 알 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 제2 광학 소자(20)는 측면에서 보았을 때 완만한 "C"자 형태의 곡면으로 형성될 수도 있다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1300)의 단면도이다.
도 22의 광학 장치(1300)는 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)와 유사하지만, 제2 광학 소자(20)가 반사형 회절 소자이고, 제1 광학 소자(70)가 광학 수단(10) 제1 면(11)을 향하도록 경사지게 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다.
이 경우, 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 제1 광학 소자(70)로 입사하고, 제1 광학 소자(70)에서 출사한 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 다시 전반사 된 후 제2 광학 소자(20)로 전달된다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1400)의 단면도이다.
도 23의 광학 장치(1400)는 도 22의 광학 장치(1300)와 유사하지만, 제2 광학 소자(20)가 단일 평면이 아닌 복수개의 회절 모듈(21,22,23)로 형성되어 있다는 점에서 차이가 있다.
제2 광학 소자(20)를 구성하는 회절 모듈(21,22,23)들은 도시된 바와 같이 측면에서 보았을 때 서로 이격되어 배치되어 있음을 알 수 있다.
상기 회절 모듈(21,22,23)들 각각은 앞서 설명한 바와 같이 단일 평면 또는 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 각각의 회절 모듈(21,22,23)들은 측면에서 보았을 때 하나의 단일 직선상에 위치하지 않도록 배치된다.
또한, 회절 모듈(21,22,23)들은 실제 사물 화상광을 투과시켜 동공(40)으로 전달하기 때문에 정면에서 보았을 때 서로 거의 간격을 가지지 않는 것으로 보이도록 배치되는 것이 바람직하다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1500)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 24의 광학 장치(1500)는, 도 22의 광학 장치(1300)와 유사하되, 측면에서 보았을 때 제2 광학 소자(20)가 광학 수단(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12)과 평행하지 않도록 경사지게 배치된다는 점에서 차이가 있다.
도 25은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1600)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 25의 광학 장치(1600)는, 도 23 및 도 24의 광학 장치(1400, 1500)의 제2 광학 소자(20)를 결합하는 한편, 제2 광학 소자(20)를 구성하는 복수개의 회절 모듈(21,22,23)들 중 적어도 일부를 곡면으로 형성했다는 점을 특징으로 한다.
즉, 도 25에서 제2 광학 소자(20)는 서로 이격되어 배치되는 복수개의 회절 모듈(21,22,23)로 구성되고, 회절 모듈(21,22,23)들 중 적어도 일부는 곡면으로 형성되는 한편, 회절 모듈(21,22,23)들 중 적어도 일부는 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12)과 평행하지 않도록 경사지게 배치되어 있다는 점을 특징으로 한다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1700)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 26의 광학 장치(1700)는, 도 22의 광학 장치(1300)와 유사하되, 제2 광학 소자(20)가 광학 수단(10)의 내부 공간(50)에 배치된다는 점에서 차이가 있다.
내부 공간(50)은 광학 수단(10) 내부에 형성되는 공간으로서, 제2 광학 소자(20)가 배치되는 제1 면(51)과, 상기 제1 면(51)에 대향하는 면인 제2 면(52)을 갖는다.
도시된 바와 같이, 상기 제1 면(51)과 제2 면(52)은 서로 이격되어 형성됨으로써 광학 수단(10) 내부에서 내부 공간(50)을 제공한다.
내부 공간(50)은 광학 수단(10) 제조시에 형성되는 공간이므로, 제1 면(51)과 제2 면(52)은 광학 수단(10)의 재질과 동일한 재질을 갖는다.
또한, 제1 면(51)에는 제2 광학 소자(20)가 배치되기 때문에, 제1 면(51)은 제2 광학 소자(20)의 형태 및 크기에 상응하는 형태 및 크기를 갖는다.
도 26의 광학 장치(1700)에서는, 화상 출사부(30)로부터 출사한 가상 영상 화상광은 앞서 설명한 바와 같이 제1 광학 소자(70)로 전달되고, 제1 광학 소자(70)에서 출사한 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 내부 공간(50)의 제1 면(51)을 통해 제2 광학 소자(20)로 전달된다. 따라서, 내부 공간(50)의 제1 면(51)은 가상 영상 화상광이 입사하는 면으로 작용한다.
한편, 상기 내부 공간(50)은, 앞서 굴절 공간(80)에 대해서 설명한 바와 마찬가지로, 진공 상태일 수 있다. 또한, 내부 공간(50)에는 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전될 수 있다.
또한, 내부 공간(50)에도 전압 차이, 온도 및 압력 등의 조건 중 적어도 어느 하나에 따라 굴절률이 변화하는 상변화 물질이 충전될 수도 있다.
이와 같이, 내부 공간(50)에는 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질을 충전함으로써, 실제 사물 화상광에 대한 시력 보정 기능을 제공할 수 있다. 예컨대, 내부 공간(50)에 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질을 충전하고 내부 공간(50)의 제2 면(52)에 곡률을 가지도록 하면 내부 공간(50)이 일종의 시력 보정 렌즈처럼 작용하게 된다.
또한, 매질을 적절히 선택하면 외부 광이 밝은 경우 내부 공간(50)이 일종의 썬글라스처럼 작용할 수도 있다.
한편, 도 26의 광학 장치(1700)에서는, 반사형 회절 소자를 예로 들어 설명하였으나, 투과형 회절 소자를 사용할 수도 있음은 물론이다. 투과형 회절 소자를 사용하는 경우, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 제1 광학 소자(70)로 전달되고, 제1 광학 소자(70)에서 출사한 가상 영상 화상광은 내부 공간(50)의 제2 면(52)을 통해 입사하여 제2 광학 소자(20)로 전달된다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1800)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 27의 광학 장치(1800)는 도 20의 광학 장치(1100)와 유사하지만, 제2 광학 소자(20)가 광학 수단(10)의 제2 면(12)의 바깥쪽 면에 부착되어 배치된다는 점에서 차이가 있다.
도 27의 광학 장치(1800)는 반사형 회절 소자를 사용한 경우를 나타낸 것이지만, 제2 광학 소자(20)로서 투과형 회절 소자를 사용하는 경우, 제2 광학 소자(20)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 외부쪽의 면에 부착되어 배치될 수 있다.
도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1900)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 28의 광학 장치(1900)는 도 27의 광학 장치(1800)와 동일하되, 표면 커버(60)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다.
표면 커버(60)는, 도시된 바와 같이, 제2 광학 소자(20)와 이격되어 제2 광학 소자(20)를 덮는 형태로 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 형성된다.
표면 커버(60)는 실제 세계의 사물로부터의 실제 사물 화상광을 투과시켜야 하므로 광학 수단(10)과 동일한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
여기에서, 표면 커버(60)와 제2 광학 소자(20) 사이에 형성되는 내부 공간에는 앞서 설명한 바와 같이 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질을 충전할 수도 있다.
이와 같은 표면 커버(60)를 배치함으로써, 제2 광학 소자(20)의 오염이나 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 표면 커버(60)를 평면이 아닌 곡면으로 형성하면 표면 커버(60)와 제2 광학 소자(20) 사이의 공간이 렌즈처럼 작용할 수 있으므로 실제 사물 화상광에 대한 시력 보정 기능을 제공할 수 있다. 또한, 표면 커버(60)와 제2 광학 소자(20) 사이의 공간에 적절한 매질을 채움으로써 외부 광이 밝은 곳으로 나가면 색이 변하는 썬글라스와 같은 기능을 수행할 수도 있다.
한편, 도 20 내지 도 28에서는, 제1 광학 소자(70)가 광학 수단(10) 내부에 매립된 형태를 기준으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것이며, 도 20 내지 도 28에서 설명한 제2 광학 소자(20)의 형태 및 배치 구조는 제1 광학 소자(70)가 광학 수단(10)의 제4 면(14) 외부에 배치된 경우에도 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.
도 29는 본 발명에 적용될 수 있는 광학 수단(10)의 제3 면(13)의 다른 형태를 나타낸 측면도이다.
전술한 바와 같이, 광학 수단(10)의 제3 면(13)은 화상 출사부(30)로부터 출사하는 가상 영상 화상광이 입사하는 면으로서, 전술한 실시예에서는 모두 경사진 평면의 형태인 것으로 나타내었으나, 곡면으로 형성될 수도 있다.
예컨대, 도 29의 (a)에 도시된 바와 같이 화상 출사부(30)쪽으로 볼록한 볼록면으로 형성되거나 도 29의 (b)에 도시된 바와 같이 광학 수단(10) 안쪽으로 오목한 오목면으로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 곡면 이외의 기타 자유 곡면으로 형성될 수도 있음은 물론이다.
이상에서, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 첨부한 청구범위에 의해 파악되는 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능하다는 점을 유의해야 한다.
예컨대, 앞서 설명한 바와 같이, 제1 광학 소자(70) 및 제2 광학 소자(20)는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자로 형성될 수 있으며, 이는 제1 광학 소자(70) 및 제2 광학 소자(20)의 위치 및 각도를 적절히 선택함으로써 전술한 모든 실시예에 적용할 수 있다.
또한, 제1 광학 소자(70) 및 제2 광학 소자(20) 중 적어도 어느 하나에 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 실시예들에서, 동공(40)으로 입사하는 가상 영상 화상광은 동공(40)에서 정면 방향에 평행한 것으로 나타내었으나, 이는 설명의 편의를 위해 예시적으로 나타낸 것임을 유의해야 한다. 실제 화상 출사부(30)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 다양한 각도 및 방향을 가질 수 있으며, 제1 광학 소자(70) 및 제2 광학 소자(20)를 통해 동공(40)으로 전달되는 가상 영상 화상광 또한 다양한 다른 각도 및 방향을 가질 수 있으며, 제1 광학 소자(70) 및 제2 광학 소자(20)를 적절히 배치함으로써 화상 출사부(30)에서 출사하는 가상 영상 화상광의 방향 및 각도에 따라 모든 시야(FOV) 각도를 커버할 수 있다는 점을 유의해야 한다.

Claims (39)

  1. 회절 소자를 이용한 콜리메이터를 구비하는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서,
    화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자;
    상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제2 광학 소자; 및
    상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
    을 포함하고,
    상기 광학 수단은, 상기 제2 광학 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고,
    상기 제1 광학 소자는 회절 소자이며, 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는, 반사 소자 또는 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 광학 소자로 직접 전달되거나, 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 제1 광학 소자로 전달되고,
    상기 제1 광학 소자에서 출사되는 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 제2 광학 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가상 영상 화상광이 입사 및 출사하는 제1 광학 소자의 입사/출사면은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자의 입사/출사면은 평면 또는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 수단 내부에는, 상기 제1 광학 소자가 배치되는 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 면인 제2 면을 갖는 굴절 공간이 형성되고,
    상기 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광은, 상기 굴절 공간의 제2 면을 통해 상기 제1 광학 소자로 입사하고, 상기 제1 광학 소자에서 출사한 가상 영상 화상광은 상기 굴절 공간의 제2 면을 통해 출사하는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 굴절 공간의 내부는 진공인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 굴절 공간의 내부는, 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 매질은 전압 차이, 온도 및 압력 조건 중 적어도 어느 하나에 따라 굴절률이 변화하는 상변화 물질인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 굴절 공간의 제2 면은 평면 또는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 수단은 상기 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 입사하는 제3 면을 가지며,
    상기 제3 면은, 평면, 오목면, 볼록면 및 자유 곡면 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  14. 회절 소자를 이용한 콜리메이터를 구비하는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서,
    화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자;
    상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제2 광학 소자; 및
    상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
    을 포함하고,
    상기 광학 수단은, 상기 제2 광학 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면과, 상기 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 입사하는 제3 면과, 상기 제3 면에 대향하는 제4 면을 구비하고,
    상기 제1 광학 소자는 회절 소자이며, 상기 광학 수단의 제4 면의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는, 반사 소자 또는 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 광학 소자로 직접 전달되거나, 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 제1 광학 소자로 전달되고,
    상기 제1 광학 소자에서 출사되는 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 제2 광학 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 광학 수단의 제4 면 및 상기 제1 광학 소자의 입사/출사면은 평면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 반사형 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 광학 수단의 제4 면의 안쪽에는, 상기 제1 광학 소자가 배치되는 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 면인 제2 면을 갖는 굴절 공간이 형성되고,
    상기 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광은, 상기 굴절 공간의 제2 면을 통해 상기 제1 광학 소자로 입사하고, 상기 제1 광학 소자에서 출사한 가상 영상 화상광은 상기 굴절 공간의 제2 면을 통해 출사하는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 굴절 공간의 내부는 진공인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 굴절 공간의 내부는, 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 매질은 전압 차이, 온도 및 압력 조건 중 적어도 어느 하나에 따라 굴절률이 변화하는 상변화 물질인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 굴절 공간의 제2 면은 평면 또는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  25. 청구항 1 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  26. 청구항 1 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는, 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면 사이의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  28. 청구항 26에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는, 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 안쪽에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  29. 청구항 26에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  30. 청구항 26에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 서로 이격된 복수개의 회절 모듈로 구성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  31. 청구항 26에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 측면에서 보았을 때 광학 수단의 제1 면 및 제2 면과 평행하지 않도록 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  32. 청구항 26에 있어서,
    상기 광학 수단의 내부에는 내부 공간이 형성되고,
    상기 내부 공간은 제2 광학 소자가 배치되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하는 면인 제2 면을 갖는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  33. 청구항 32에 있어서,
    상기 내부 공간은 진공 상태인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  34. 청구항 32에 있어서,
    상기 내부 공간은 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 매질은 전압 차이, 온도 및 압력 조건 중 적어도 어느 하나에 따라 굴절률이 변화하는 상변화 물질인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  36. 청구항 26에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 외부에 부착된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  37. 청구항 36에 있어서,
    상기 제2 광학 소자와 이격되어 제2 광학 소자를 덮도록 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 외부에 형성되는 표면 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  38. 청구항 37에 있어서,
    상기 표면 커버와 회절 소자 사이에는 내부 공간이 형성되고,
    상기 내부 공간에는 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질이 충전된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  39. 청구항 14에 있어서,
    상기 제3 면은, 평면, 오목면, 볼록면 및 자유 곡면 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
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