WO2023128167A1 - 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치 Download PDF

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WO2023128167A1
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Definitions

  • the optical means 10 functions to transmit real object image light, which is image light emitted from objects in the real world, through the pupil 40 and emit virtual image image light reflected by the reflector 20 into the pupil 40. It is a means of carrying out Inside the optical means 10, the reflector 20 is buried and disposed.
  • the optical means 10 may be formed of, for example, a transparent resin 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 image light, and includes a micro display device 31 that displays a virtual image on a screen and emits virtual image image light corresponding to the displayed virtual image, and the micro display device 31 ) may be provided with a collimator (collimator) 32 for collimating the image light emitted from the parallel light.
  • a collimator collimator
  • FIG. 2 to 4 are views illustrating an optical device 200 for augmented reality based on the technology disclosed in Prior Art Document 2, in which FIG. 2 is a side view, FIG. 3 is a perspective view, and FIG. 4 is a front view.
  • the first optical element may be buried inside the optical means.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical device 100 for augmented reality as described in Prior Art Document 1.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the principle of a negative refractive optical element.
  • a holographic optical element may be used instead of the diffraction element 60 .

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Abstract

본 발명은, 가상 영상을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광을 출사하는 디스플레이부와 상기 디스플레이부에서 출사하는 가상 영상 화상광을 시준하여 평행광으로 출사하는 콜리메이터를 포함하는 화상 출사부; 상기 화상 출사부로부터 출사된 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 제2 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상을 굴절시키는 음굴절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음굴절 광학 소자를 이용하여 아이박스(eyebox) 및 시야각(FOV)을 넓게 할 수 있으면서도 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트 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 제공함으로써, 현실 세계의 시각 정보에서 확장된(augmented) 가상 영상 정보를 사용자에게 동시에 제공하는 기술을 의미한다.
이러한 증강 현실을 구현하기 위한 장치는, 가상 영상을 현실 세계의 실제 영상과 동시에 관찰할 수 있도록 하는 광학 합성기(optical combiner)를 필요로 한다. 이러한 광학 합성기로서는, 반거울(half mirror) 방식과 홀로그래픽/회절 광학 소자(Holographic/Diffractive Optical Elements: HOE/DOE) 방식이 알려져 있다.
반거울 방식은, 가상 영상의 투과율이 낮다는 문제점과 넓은 시야각을 제공하기 위해 부피 및 무게가 증가하므로 편안한 착용감을 제공하기 어렵다는 문제점이 있다. 부피와 무게를 줄이기 위하여 복수개의 소형 반거울을 도파로(waveguide) 내부에 배치하는 이른바 LOE(Light guide Optical Element) 등과 같은 기술도 제안되고 있으나, 이러한 기술 또한 도파로 내부에서 가상 영상의 화상광이 반거울을 여러번 통과해야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하고 제조상의 오차로 인해 광균일도가 쉽게 낮아질 수도 있는 한계가 있다.
또한, 홀로그래픽/회절 광학 소자 방식은, 일반적으로 나노 구조 격자나 회절 격자를 사용하는데, 이들은 매우 정밀한 공정으로 제작되기 때문에 제작 단가가 높고 양산을 위한 수율이 낮다는 한계점을 갖는다. 또한 파장 대역 및 입사 각도에 따른 회절 효율의 차이로 인하여 색상 균일도 측면 및 영상의 선명도가 낮다는 한계점을 갖는다. 홀로그래픽/회절 광학 소자는, 전술한 LOE와 같은 도파로(waveguide)와 함께 사용되는 경우가 많은데, 따라서 마찬가지의 문제점도 여전히 가지고 있다.
또한, 종래의 광학 합성기들은, 사용자가 현실 세계를 응시할 때 초점 거리를 변경하는 경우 가상 영상의 초점이 맞지 않게 된다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절할 수 있는 프리즘을 이용하거나 전기적으로 초점 거리를 제어할 수 있는 가변형 초점 렌즈를 이용하는 기술이 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 기술 또한 초점 거리를 조절하기 위하여 사용자가 별도의 조작을 해야 하거나 초점 거리 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)를 나타낸 도면이다.
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 동공(40)으로 투과시키는 한편 반사부(20)에서 반사된 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 출사하는 기능을 수행하는 수단이다. 광학 수단(10) 내부에는 반사부(20)가 매립 배치되어 있다.
광학 수단(10)은 예컨대 안경 렌즈와 같은 투명 수지(resin)재로 형성될 수 있으며, 안경테와 같은 프레임(미도시)에 의해 고정될 수 있다.
화상 출사부(30)는 가상 영상 화상광을 출사하는 수단으로서, 가상 영상을 화면에 표시하고 표시된 가상 영상에 상응하는 가상 영상 화상광을 출사하는 마이크로 디스플레이 장치(31)와, 마이크로 디스플레이 장치(31)로부터 출사하는 화상광을 평행광으로 시준하기 위한 콜리메이터(collimator,32)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 바람직하게는 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하의 크기로 형성한다. 이에 의해 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 동공(40)보다 작은 크기로 형성함으로써, 사용자가 실제 사물에 대한 초점 거리를 변경하더라도 사용자는 항상 선명한 가상 영상을 관찰할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 선행 기술 문헌 2에 개시된 기술에 기초한 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.
도 2 내지 도 4의 증강 현실용 광학 장치(200)는 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 기본적인 원리는 동일하되, 시야각 및 아이박스를 넓힐 수 있도록 반사부(20)가 복수개의 반사 모듈(21~29)로 구성되어 어레이 형태로 광학 수단(10) 내부에 배치된다는 점과, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광이 광학 수단(10) 내면에서 전반사되어 반사부(20)로 전달된다는 점에서만 차이가 있다.
도 2 내지 도 4에서의 화상 출사부(30)는 전술한 바와 같이 마이크로 디스플레이 장치(31)와 마이크로 디스플레이 장치(31)로부터 출사하는 화상광을 평행광으로 시준하기 위한 콜리메이터(collimator,32)를 구비한다.
도 2 내지 도 4의 증강 현실용 광학 장치(200)에서는, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사된 후 복수개의 반사 모듈(21~29)로 전달되고, 복수개의 반사 모듈(21~29)들은 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 동공(40)으로 전달한다.
이러한 구성의 증강 현실용 광학 장치(200)에서의 가로 방향(x축 방향)의 아이박스(eyebox)는 화상 출사부(30)의 길이, 특히 콜리메이터(32)의 길이에 의존한다.
도 5 및 도 6은 증강 현실용 광학 장치(200)의 가로 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 증강 현실용 광학 장치(200)의 평면도이고, 도 6은 도 5에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6에서, 디스플레이부(31)에 3개의 점(A,B,C)에서 출사한 가상 영상 화상광은 콜리메이터(32) 및 반사부(20)를 거쳐 동공(40)으로 전달되며, 이들이 겹치는 영역을 빗금으로 나타내었다. 이 빗금으로 나타낸 겹침 영역이 x-z 평면의 최대 아이박스 영역에 해당한다.
이 때, 가로 방향(x축 방향)의 아이박스의 길이는 d2이고, 이는 삼각형의 비례식에 의해 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
d2 = d1-2(y1+y2)tan(FOV/2)
여기에서, d1은 콜리메이터(32)의 길이이며, FOV는 시야각이다. 또한, y1은 콜리메이터(32)에서 출사 동공(exit pupil) 즉, 반사부(20)까지의 거리이고, y2는 반사부(20)에서 동공(40)까지의 거리 즉, 아이릴리프(eye relief)이다.
y1과 y2는 고정된 값이므로, 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)는 콜리메이터(32)의 길이(d1)에 따라 결정됨을 알 수 있다.
이는 증강 현실용 광학 장치(200)에서 가로 방향의 아이박스를 넓히기 위해서는 콜리메이터(32)의 길이를 길게 해야 한다는 것을 의미한다. 그러나, 콜리메이터(32)의 길이가 길수록 증강 현실용 광학 장치(200)의 무게, 두께, 부피 등의 폼 팩터가 커지게 되어서 소형 경량화가 어렵다는 문제가 있다. 또한, 설계가 복잡해지고 제조 공정 또한 복잡해진다는 문제가 있다.
[선행기술문헌]
(선행기술문헌 1) 대한민국 공개특허공보 10-2018-0028339호(2018.03.16 공개)
(선행기술문헌 2) 대한민국 등록특허공보 10-2192942호(2020.12.18. 공고)
본 발명은 음굴절 광학 소자를 이용하여 아이박스(eyebox) 및 시야각(FOV)을 넓게 할 수 있으면서도 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 원하는 아이박스 및 시야각을 얻기 위하여 콜리메이터의 길이를 조절함으로써 설계의 자유도를 높일 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은, 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서, 가상 영상을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광을 출사하는 디스플레이부와 상기 디스플레이부에서 출사하는 가상 영상 화상광을 시준하여 평행광으로 출사하는 콜리메이터를 포함하는 화상 출사부; 상기 화상 출사부로부터 출사된 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 제2 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 제2 광학 소자는, 사용자가 광학 수단을 바라볼 때 가로 방향으로 입사광을 굴절시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는 상기 광학 수단의 내부에 매립 배치될 수 있다.
또한, 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 가지며, 상기 화상 출사부에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면에서 전반사된 후 제1 광학 소자로 전달될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 광학 모듈들로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단일 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는, 상기 제1 광학 소자와 사용자의 눈의 동공 사이에서 광학 수단에 배치될 수 있다.
또한, 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 가지며, 상기 제2 광학 소자는 상기 광학 수단의 제1 면의 안쪽 면 또는 바깥쪽 면에 배치되거나, 상기 제1 광학 소자와 상기 광학 수단의 제2 면 사이에 배치될 수 있다.
또한, 사용자의 눈의 동공에서 관찰되는 가로 방향의 아이박스의 길이를 d2라고 할 때, 상기 콜리메이터의 가로 방향의 길이(d1)는 d1=d2+2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)의 수식에 의해 계산(여기에서, FOV는 시야각, y1은 콜리메이터에서 제1 광학 소자까지의 거리, y2는 제1 광학 소자에서 동공까지의 거리임)될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는 회절 소자일 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자일 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)일 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는 단일 평면으로 형성된 회절 소자일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서, 가상 영상을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광을 출사하는 디스플레이부와 상기 디스플레이부에서 출사하는 가상 영상 화상광을 시준하여 평행광으로 출사하는 콜리메이터를 포함하는 화상 출사부; 상기 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달하고, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 광학 소자; 및 상기 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 음굴절 광학 소자를 이용하여 아이박스(eyebox) 및 시야각(FOV)을 넓게 할 수 있으면서도 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 원하는 아이박스 및 시야각을 얻기 위하여 콜리메이터의 길이를 조절함으로써 설계의 자유도를 높일 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 선행 기술 문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 선행 기술 문헌 2에 개시된 바와 같은 기술에 기초한 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.
도 5 및 도 6은 증강 현실용 광학 장치(200)의 가로 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 증강 현실용 광학 장치(200)의 평면도이고, 도 6은 도 5에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300)의 일실시예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 사시도, 도 8은 정면도, 도 9는 측면도이다.
도 10은 음굴절 광학 소자의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 광학 장치(300)의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(300)의 평면도에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 12는 음굴절 상수에 따른 음굴절 현상을 나타낸 것이다.
도 13 및 도 14는 음굴절 상수에 따른 시야각의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)의 측면도를 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300)의 일실시예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 사시도, 도 8은 정면도, 도 9는 측면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예의 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300, 이하 간단히 "광학 장치(300)"라 한다)는, 광학 수단(10), 제1 광학 소자(20), 화상 출사부(30) 및 제2 광학 소자(50)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(20) 및 제2 광학 소자(50)가 배치된다.
광학 수단(10)은 제2 광학 소자(50)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.
화상 출사부(30)는, 가상 영상(virtual image)을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단이다.
화상 출사부(30)는, 소형의 LCD, OLED, LCoS, 마이크로 LED 등과 같이 종래 알려져 있는 마이크로 디스플레이 장치로 구현되는 디스플레이부(31)와 디스플레이부(31)에서 출사된 가상 영상 화상광을 시준하여 평행광으로 출사하는 콜리메이터(collimator,32)를 포함한다. 따라서, 화상 출사부(30)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 시준된 평행광 또는 초점 거리가 의도된 화상광이다.
여기에서, 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)의 콜리메이터(32)는 후술하는 바와 같이 제2 광학 소자(50)의 특성에 의해 종래 기술에 비하여 현저하게 작은 폼 팩터를 갖는다.
도 7 내지 도 9의 광학 장치(300)에서는, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 제1 광학 소자(20)로 전달되는 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 광학 수단(10)의 내면에서의 전반사 없이 제1 광학 소자(20)로 직접 전달될 수 있다.
또한, 광학 수단(10)의 내면에서 2회 이상 전반사되어 제1 광학 소자(20)로 전달될 수도 있음은 물론이다.
또한, 도 7 내지 도 9에서, 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.
또한, 도 7 내지 도 9에서, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 제3 면(13)과 이격되어 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며 제3 면(13)과 접촉하도록 배치될 수도 있음은 물론이다.
제1 광학 소자(20)는, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자(50)로 전달하는 기능을 수행한다.
제1 광학 소자(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다. 즉, 제1 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 배치되어, 화상 출사부(30)의 콜리메이터(32)를 통해 전달되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자(50)로 전달한다.
제1 광학 소자(20)는, 시야각을 넓히기 위하여, 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 광학 모듈들로 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 제1 광학 소자(20)는 복수개의 광학 모듈들 전체를 통칭하여 부르는 것으로 한다.
제1 광학 소자(20)는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단인 것이 바람직하다. 예컨대, 금속재 등과 같이 100% 또는 100%에 거의 근접하는 높은 반사율을 갖는 재질로 제1 광학 소자(20)를 형성할 수 있다.
도 7 내지 도 9의 광학 장치(300)에서는, 전술한 바와 같이, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사하고, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 후 제1 광학 소자(20)로 전달된다.
따라서, 제1 광학 소자(20)를 구성하는 복수개의 광학 모듈들은 이러한 광 경로에 따라 입사하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 소자(50)로 반사할 수 있도록 광학 수단(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12)에 대해 적절한 경사각을 가지도록 배치된다.
제1 광학 소자(20)를 구성하는 복수개의 광학 모듈들 각각은, 앞서 설명한 바와 같이, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과(pinhole effect)를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
이에 의하여, 광학 모듈들에 의해 제2 광학 소자(50)를 거쳐 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 심도를 매우 깊게 할 수 있고, 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 하는 핀홀 효과(pinhole effect)를 발생시킬 수 있다.
여기에서, 각각의 광학 모듈의 크기라 함은, 각 광학 모듈의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 각각의 광학 모듈의 크기는, 동공(40)과 광학 모듈 사이의 직선에 수직하면서 동공(40)의 중심을 포함하는 평면에 각 광학 모듈을 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
다만, 광학 모듈들의 크기가 지나치게 작은 경우에는 회절(diffraction) 현상이 커지기 때문에, 광학 모듈들의 크기는 적어도 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 광학 모듈들 각각의 형상은 원형일 수 있다.
또한, 동공(40)에서 광학 모듈들을 바라보았을 때 원형으로 보이도록 광학 모듈들을 타원형으로 형성할 수도 있다.
한편, 복수개의 광학 모듈들 각각은, 화상 출사부(30)로부터 전달되는 가상 영상 화상광이 다른 광학 모듈들에 의해 차단되지 않도록 배치되는 것이 바람직하다. 복수개의 광학 모듈들은 도 9에 나타낸 바와 같이 광학 장치(300)를 측면에서 보았을 때 수직선상에 일렬로 배치되어 있으나 이는 예시적인 것이며, 사선이나 기타 완만한 곡선 형태로 배치될 수도 있음은 물론이다.
또한, 제1 광학 소자(20)는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 정면에서 보았을 때 각 열(column)의 높이가 순차적으로 엇갈리는 행렬 형태로 배치될 수 있으나, 이 또한 예시적인 것이며, 각 열의 높이를 모두 동일하게 하거나 일부 열만의 높이만을 동일하게 하는 등 기타 다른 형태로 배치할 수도 있음은 물론이다.
한편, 제1 광학 소자(20)는, 빛을 부분적으로 반사시키고 부분적으로 투과시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.
또한, 제1 광학 소자(20)는 굴절 소자(Refractive Optical Element), 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element, DOE) 및 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE) 중 어느 하나로 형성될 수도 있다.
또한, 제1 광학 소자(20)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 제1 광학 소자(20)는 빛을 편광시켜 출사하는 편광 필터로 구성할 수도 있다.
다음으로, 제2 광학 소자(50)에 대해 설명한다.
제2 광학 소자(50)는 제1 광학 소자(20)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 기능을 수행한다.
또한, 제2 광학 소자(50)는 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 기능도 수행한다.
제2 광학 소자(50)는 제1 광학 소자(20)와 동공(40) 사이에서 광학 수단(10)에 배치된다. 도 7 내지 도 9의 실시예에서 제2 광학 소자(50)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 안쪽 면에 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 바깥쪽 면에 배치될 수도 있음은 물론이다. 또한, 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 안쪽 면과 이격되어 배치될 수도 있다.
또한, 제2 광학 소자(50)는 제1 광학 소자(20)와 광학 수단(10)의 제2 면(12) 사이에 배치될 수도 있다.
도 7 내지 도 9의 실시예에서 제2 광학 소자(50)는 정면에서 보았을 때 직사각형의 평면 형상으로 형성된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 원형, 타원형 등 기타 다른 형태로 형성될 수도 있음은 물론이다.
또한, 제2 광학 소자(20)는 단일 평면으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 좌우 방향(z축 방향)으로 거의 공간을 차지하지 않기 때문에 광학 수단(10) 및 광학 장치(300)의 폼 팩터를 작게 유지할 수 있다.
한편, 본 발명에서, 제2 광학 소자(50)는 음굴절 광학 소자(negative refractive optical element)인 것을 특징으로 한다.
음굴절 광학 소자란, 양의 굴절률(positive refractive index)을 갖는 일반적인 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 입사광을 굴절시키는 광학 소자를 의미한다.
여기에서, 일반적인 빛의 굴절 방향이란 스넬의 법칙(Snell's law)에 따르는 굴절 방향을 의미한다.
도 10은 음굴절 광학 소자의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 입사광(Li)은 굴절률 n1인 매질 1에서 굴절률 n2인 매질 2로 입사한다. 입사광(Li)은 출사면(x)의 법선(z)에 대해 θ1의 각도를 갖는다.
이 때, 스넬의 법칙에 따라 일반적인 양의 굴절률을 갖는 굴절 방향을 가지고 출사면(x)에서 출사하는 빛(L1)은 출사면(x)의 법선(z)에 대해 θ2p의 각도를 갖는다.
한편, 빛(L2)은 출사면(x)의 법선(z)에 대해 θ2n의 각도를 가지며 굴절되어 출사하는데 이는 출사면(x)의 법선(z)에 대해 빛(L1)과 대칭이다. 즉 θ2p와 θ2n은 크기가 같고 방향이 법선(z)를 중심으로 반대인 각도를 이룬다.
이와 같이 입사광(Li)을 양의 굴절률을 갖는 일반적인 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 굴절시키는 현상을 음굴절 현상이라 하고, 이러한 음굴절 현상을 발생시키는 광학 소자를 음굴절 광학 소자라 한다.
이를 스넬의 법칙에 따라 표현하면 다음과 나타낼 수 있다.
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여기에서, 매질 2와 매질 1의 굴절률 비율(n2/n1)을 n이라 하면, 상기 수식은 다음과 같이 표현될 수 있다.
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여기에서, 0보다 작을 때의 n을 음굴절 상수라고 정의할 수 있다.
이러한 음굴절 광학 소자는 특정 파장 대역에서 음의 굴절률을 갖는 메타 물질로 형성될 수 있다. 또한, 음굴절 광학 소자는 마이크로 미러의 어레이로도 형성될 수 있다.
또한, 도 10은 음굴절의 원리를 나타내기 위해서 x축을 경계로 매질의 굴절률 차이에 따른 음굴절 현상을 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 음굴절 소자는 주위 매질의 굴절률과 상관 없이 그 자체의 음굴절 상수를 가질 수 있어서 입사된 빛을 음의 방향으로 음굴절 상수에 따라 내보낼 수도 있다.
본 발명에서는 사용자가 광학 수단(10)을 바라 보았을 때의 가로 방향 즉, 도 7 내지 도 9에서의 x축 방향으로의 음굴절 현상을 이용하기 때문에 입사광(Li)에 대해 x축 방향으로만 음굴절 현상을 나타내는 음굴절 광학 소자를 사용한다.
도 11은 광학 장치(300)의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(300)의 평면도에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 11과 도 6을 비교해 보면, 도 11은 도 6과 동일하되 제2 광학 소자(50)가 추가로 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 음굴절 광학 소자인 제2 광학 소자(50)가 배치되어 있기 때문에 제2 광학 소자(50)로 입사하는 가상 영상 화상광은 전술한 바와 같은 x축 방향으로의 음굴절 현상으로 인하여 x-z 평면에서 양의 굴절률을 갖는 방향과 대칭되는 방향으로 굴절된다. 따라서, 도 11과 같은 아이박스 영역을 얻을 수 있다.
도 11에서, 광학 장치(300)의 x-z 평면의 전체 아이박스 영역은 빗금으로 나타낸 영역이고, 가로 방향(x축 방향)의 아이박스 길이는 d2이다. 여기에서, 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
d2 = d1-2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)
여기에서, d1은 콜리메이터(32)의 길이이며, FOV는 시야각을 나타낸다. 또한, y1은 콜리메이터(32)에서 출사 동공(exit pupil) 즉, 제1 광학 소자(20)까지의 거리이고, y2는 제1 광학 소자(20)에서 동공(40)까지의 거리 즉, 아이릴리프(eye relief)이다. 또한, ABS는 절대값 기호를 나타낸다.
이러한 수식을 도 5 및 도 6에서 설명한 수식과 비교해 보면, 동일한 콜리메이터(32)의 길이(d1)에 대해서 음굴절 광학 소자를 사용한 도 11의 경우에 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)를 더 크게 할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 원하는 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)를 얻기 위해서 음굴절 광학 소자를 사용하지 않는 도 6의 경우에 비해서 보다 작은 길이의 콜리메이터(32)를 채택할 수 있음을 의미한다.
이 경우, 콜리메이터(32)의 가로 방향의 길이(d1)는 다음과 같은 수식에 의해 계산할 수 있다.
d1 = d2 + 2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)
따라서, 이러한 음굴절 광학 소자를 제2 광학 소자(50)로 사용함으로써, 동일한 아이박스 영역을 유지하면서도 콜리메이터(32)의 길이를 작게 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 동일한 콜리메이터(32)의 길이를 유지하는 경우 음굴절 광학소자를 사용함으로써 더 넓은 아이박스 영역을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 광학 장치(300)의 가로 방향의 아이박스 및 시야각(FOV)을 증가시킬 수 있으므로 광학 장치(300)의 전체적인 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있다.
도 12는 음굴절 상수에 따른 음굴절 현상을 나타낸 것이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 음굴절 상수(n)에 따라 입사광(Li)이 서로 다른 각도를 가지고 출사됨을 알 수 있다.
여기에서, n은 앞서 설명한 바와 같은 음굴절 상수이며, n이 -1보다 작은 경우 굴절각(θ2)은 입사각(θ1)보다 크기가 작아지고, n이 -1인 경우 굴절각(θ2)은 입사각(θ1)과 크기가 같다. 또한, n이 -1보다 크고 0보다 작은 경우에는 굴절각(θ2)은 입사각(θ1)보다 크기가 커진다.
도 13 및 도 14는 음굴절 상수에 따른 시야각의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 음굴절 상수 n=-1인 경우로서, 이 때의 아이박스에서의 시야각(FOV,θ2)은 디스플레이부(31)와 콜리메이터(32) 사이의 시야각(θ1)과 같다.
한편, 도 14는 음굴절 상수 -1<n<0인 경우로서, 이 때의 아이박스에서의 시야각(FOV,θ2)은 디스플레이부(31)와 콜리메이터(32) 사이의 시야각(θ1)보다 크다.
이와 같이, 본 발명의 광학 장치(300)에 의하면, 음굴절 상수를 조절함으로써 보다 넓은 시야각(FOV)을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 15의 광학 장치(400)는 도 7 내지 도 9의 광학 장치(300)와 동일하되, 제1 광학 소자(20)로서 회절 소자(60)를 사용한 경우를 나타낸 것이다.
여기에서, 회절 소자(Diffractive element)란, 입사하는 가상 영상 화상광을 회절 현상을 통해 굴절 또는 반사시키는 광학 소자를 의미한다. 즉, 회절 소자는 빛의 회절 현상을 이용하여 여러 가지 광학적 기능을 제공하는 광학 소자라 할 수 있다.
회절 소자는 수차(aberration)가 없는 점대점(point-to-point) 이미지 및 평판형 구조가 가능하며 비구면과 같은 수차 조절이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 회절소자는 수㎛의 매우 얇은 두께를 갖지만, 수mm의 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. 따라서, 이러한 회절 소자를 사용함으로써 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.
이러한 회절 소자는 반사형 회절 소자와 투과형 회절 소자로 구분될 수 있다. 도 15의 광학 장치(400)는 투과형 회절 소자를 이용한 경우이다.
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.
한편, 회절 소자(60)는 정면에서 보았을 때 직사각형의 평면 형상으로 형성되는 것이 바람직하지만, 이는 예시적인 것이며, 원형, 타원형 등 기타 다른 형태로 형성될 수도 있음은 물론이다. 또한, 회절 소자(60)는 곡면으로 형성될 수도 있다.
또한, 회절 소자(60)는 단일 평면으로 형성된다. 따라서, 가상 영상의 휘도 분포를 균일하게 할 수 있다는 장점을 가지며, 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 좌우 방향으로 거의 공간을 차지하지 않기 때문에 광학 장치(400)의 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있다.
회절 소자(60)의 크기는 회절 소자(60) 및 제2 광학 소자(50)에 의해 동공(40)으로 전달되는 가상 영상의 크기 및 시야각 등의 여러가지 조건에 의해 요구되는 출사 동공(exit pupil) 영역에 상응하는 크기의 하나의 단일 평면 또는 곡면으로 형성할 수 있다. 이러한 점을 고려하되, 회절 소자(60)는 정면에서 보았을 때 동공(40)보다 큰 크기를 가지도록 형성할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 회절 소자(60)는 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 제2 광학 소자(50)를 통해 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하기 때문에, 동공(40)보다 큰 크기를 갖는 단일 평면으로 형성하더라도 실제 사물 화상광은 회절 소자(60)를 통과하여 동공(40)으로 전달될 수 있다.
한편, 도 15의 실시예에서, 회절 소자(60) 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다.
기타 구성들은 앞서 설명한 실시예와 동일하므로, 상세 설명은 생략한다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 16의 실시예는, 도 15에서 설명한 바와 같은 회절 소자(60)와 도 7 내지 도 15를 참조하여 설명한 음굴절 광학 소자인 제2 광학 소자(50)가 단일 구조체로 형성된 광학 소자(70)를 사용한다는 점을 특징으로 한다.
즉, 광학 소자(70)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하고, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 회절 소자로서, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 입사광을 굴절시키는 음굴절 회절 소자라고 할 수 있다.
이와 같이, 회절 소자(60)와 음굴절 광학 소자의 특성을 갖는 광학 소자(70)를 사용함으로써, 가상 영상의 휘도 분포를 보다 균일하게 하는 한편 폼 팩터를 보다 현저하게 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
기타 구성들은 도 7 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 동일하므로 상세 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 기타 다양한 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.

Claims (14)

  1. 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서,
    가상 영상을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광을 출사하는 디스플레이부와 상기 디스플레이부에서 출사하는 가상 영상 화상광을 시준하여 평행광으로 출사하는 콜리메이터를 포함하는 화상 출사부;
    상기 화상 출사부로부터 출사된 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 제2 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는, 사용자가 광학 수단을 바라볼 때 가로 방향으로 입사광을 굴절시키는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 상기 광학 수단의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    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 가지며,
    상기 화상 출사부에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면에서 전반사된 후 제1 광학 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 광학 모듈들로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는, 상기 제1 광학 소자와 사용자의 눈의 동공 사이에서 광학 수단에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    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 가지며,
    상기 제2 광학 소자는 상기 광학 수단의 제1 면의 안쪽 면 또는 바깥쪽 면에 배치되거나, 상기 제1 광학 소자와 상기 광학 수단의 제2 면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    사용자의 눈의 동공에서 관찰되는 가로 방향의 아이박스의 길이를 d2라고 할 때, 상기 콜리메이터의 가로 방향의 길이(d1)는 d1 = d2+2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)의 수식에 의해 계산(여기에서, FOV는 시야각, y1은 콜리메이터에서 제1 광학 소자까지의 거리, y2는 제1 광학 소자에서 동공까지의 거리임)되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 단일 평면으로 형성된 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  14. 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서,
    가상 영상을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광을 출사하는 디스플레이부와 상기 디스플레이부에서 출사하는 가상 영상 화상광을 시준하여 평행광으로 출사하는 콜리메이터를 포함하는 화상 출사부;
    상기 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달하고, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 광학 소자; 및
    상기 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
    을 포함하고,
    상기 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
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