WO2023163411A1 - 편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치 Download PDF

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WO2023163411A1
WO2023163411A1 PCT/KR2023/001545 KR2023001545W WO2023163411A1 WO 2023163411 A1 WO2023163411 A1 WO 2023163411A1 KR 2023001545 W KR2023001545 W KR 2023001545W WO 2023163411 A1 WO2023163411 A1 WO 2023163411A1
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unit
pupil
optical
image light
optical means
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PCT/KR2023/001545
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French (fr)
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박세현
윤영선
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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 an optical device for augmented reality capable of improving the quality of real object image light by transmitting only polarized light in a specific direction among real object image light using a polarizing plate. it's about
  • AR augmented reality
  • an optical combiner is required that allows a virtual image to be simultaneously observed with a real image in the real world.
  • an optical synthesizer a half mirror method, a holographic/diffractive optical element (HOE/DOE) method, and the like are known.
  • the semi-mirror method has a problem in that the transmittance of the virtual image is low and it is difficult to provide a comfortable fit because the volume and weight are increased to provide a wide viewing angle.
  • technologies such as LOE (Light guide Optical Element), which arranges a plurality of small half-mirrors inside a waveguide, have also been proposed. Since it has to pass through several times, the manufacturing process is complicated, and there is a limit that light uniformity may be easily lowered due to errors in manufacturing.
  • the holographic/diffractive optical element method generally uses a nanostructured grating or a diffraction grating, and since they are manufactured in a very precise process, they have limitations in that the manufacturing cost is high and the yield for mass production is low.
  • Holographic/diffractive optical elements are often used with waveguides such as the LOEs described above, and therefore still have the same problems.
  • FIG. 1 is a diagram showing 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 means 10 and a reflector 20 .
  • 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. It may be provided with a collimator (collimator) for collimating and emitting the collimated light.
  • a collimator collimator
  • 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. carry out
  • 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 reflector 20 performs a function of reflecting the virtual image image light emitted from the image emitter 30 and transmitting it toward the user's pupil 40 .
  • the reflector 20 is buried inside the optical means 10 .
  • 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, the reflector 20 is preferably formed to a size of 8 mm or less, more preferably 4 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.
  • FIG. 2 to 4 are views showing an optical device 200 for augmented reality as disclosed in Prior Art Document 2, FIG. 2 is a side view, FIG. 3 is a perspective view, and FIG. 4 is a front view.
  • the optical device 200 for augmented reality of FIGS. 2 to 4 has the same basic principle as the optical device 100 for augmented reality of FIG. It is composed of modules and arranged inside the optical means 10 in the form of an array, and the virtual image image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected from the inner surface of the optical means 10 to form a reflector 20 There is a difference in that it is transmitted as .
  • reference numerals 21 to 26 denote only reflection modules viewed from the side as in FIG. 2 , and the reflection unit 20 collectively refers to a plurality of reflection modules.
  • each of the plurality of reflective modules is preferably formed to a size of 8 mm or less, more preferably 4 mm or less.
  • the virtual image image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected on the inner surface of the optical means 10 and then transmitted to the reflection modules, and the reflection modules reflect the incident virtual image image light. and delivered to the pupil 40.
  • the reflective modules should be arranged to have an appropriate inclination angle inside the optical unit 10 as shown in the drawing considering the positions of the image output unit 30 and the pupil 40 .
  • the optical means 10 of the optical device 200 for augmented reality may be formed through the following process.
  • 5 to 7 are diagrams for explaining a manufacturing process of the optical means 10.
  • the first substrate 10A and the second substrate 10B constituting the optical means 10 are formed.
  • Each of the first substrate 10A and the second substrate 10B has a plurality of unit inclined portions 15 formed to engage with each other.
  • the cross section of the unit inclined portion 15 is saw-toothed, and thus has two inclined surfaces 151 and 152 sharing one vertex.
  • profiles such as shape, size, and height of the unit inclined portions 15 may vary depending on the required design of the optical device 200 for augmented reality.
  • the first substrate 10A and the second substrate 10B are, for example, as shown in FIG. 6, a mold 80 having a shape corresponding to the shape of the unit inclined portion 15, the ultraviolet curing resin 17 It may be formed by injecting and curing by irradiating ultraviolet rays. However, this is exemplary, and other methods such as injection molding may be used in addition to these methods.
  • the reflection modules 21 to 26 are formed only on the inclined surface 151 on the right side, but this is exemplary, and the reflection module 21 is formed only on the inclined surface 152 on the left side according to the condition of the optical device 200 for augmented reality.
  • ⁇ 26) can be formed, of course.
  • the reflective modules 21 to 26 may be formed on the inclined surface 151 of the second substrate 10B.
  • a plurality of reflective modules are spaced apart from each other along the longitudinal direction in which each inclined surface 151 extends, whereby the reflective modules can be arranged in an array form as shown in FIGS. 2 to 4.
  • Reflective modules may be formed by, for example, a method of depositing a metal material using a mask.
  • the first substrate 10A and the second substrate 10B are adhered and closely bonded with, for example, an adhesive 16 to complete the optical means 10. .
  • the optical device 200 for augmented reality can be obtained by disposing the optical means 10 in front of the pupil 40 in the form shown in FIG. 2 and disposing the image output unit 30 above the optical means 10. .
  • the optical device 200 for augmented reality uses the adhesive 16 to tightly bond the first substrate 10A and the second substrate 10B, the adhesive 16 and the first substrate 10A and Due to the difference in the refractive index of the second substrate 10B, quality degradation of real object image light may occur.
  • the inclined surfaces 151 and 152 of the unit inclined portions 15 of the first substrate 10A and the second substrate 10B are formed to be inclined with respect to a straight line from the pupil 40 in the front direction, a real object image When the light passes through the inclined surfaces 151 and 152, it is affected by the inclined surfaces 151 and 152, which may cause quality degradation of real object image light.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0028339 (published on March 16, 2018)
  • Patent Document 2 Republic of Korea Patent Registration No. 10-2192942 (2020.12.18. Notice)
  • An object of the present invention is to provide an optical device for augmented reality capable of improving the quality of real object image light by transmitting only polarized light in a specific direction among real object image light using a polarizing plate.
  • the present invention is an optical device for augmented reality having a polarizing plate, comprising: an optical means for transmitting real object image light emitted from a real object to a pupil of a user's eye; a reflection unit disposed inside the optical means and composed of a plurality of reflection modules to provide a virtual image to the user by transmitting virtual image light transmitted from the image output unit to the pupil of the user's eye; and a polarizing plate that transmits only a polarization component of a first direction from real object image light, wherein the optical means includes: a first substrate having a plurality of unit inclined portions; It has a second substrate having a unit inclined portion, and reflective modules are disposed on an inclined surface of the unit inclined portion of any one of the first substrate and the second substrate of the optical means, and the optical means has such that the inclined surface of the unit inclined portion moves from the pupil to the front direction.
  • the polarization component of the first direction transmitted by the polarizer is, among real object image light, in a direction perpendicular to the longitudinal direction in which the inclined plane extends and in a direction perpendicular to the front direction in the pupil. It provides an optical device for augmented reality, characterized in that the polarization of any one direction in the range of 0 to ⁇ 30 degrees with respect to.
  • the optical means is disposed in front of the pupil so that a straight line parallel to the longitudinal direction in which the inclined plane of the unit inclined portion extends is included in a plane perpendicular to the z-axis, when the front direction of the pupil is referred to as the z-axis,
  • the first direction may be in any one direction within a range of 0 to ⁇ 30 degrees with respect to the y-axis direction, which is a direction perpendicular to the x-axis and z-axis.
  • the polarizing plate may be disposed inside or outside the optical means.
  • the optical means has a first surface through which the virtual video image light and real object image light are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite to the first surface into which the real object image light is incident, and the polarizing plate may be disposed in close contact with or spaced apart from the first or second surface.
  • optical unit may be disposed such that an inclined surface of the unit inclined portion has an inclined angle with respect to a straight line horizontal to the z-axis.
  • the plurality of reflective modules may be formed to have a size of 4 mm or less.
  • an optical device for augmented reality having a polarizing plate, comprising: an optical means for transmitting real object image light emitted from a real object to a pupil of a user's eye; an auxiliary optical unit buried inside the optical unit and converting the virtual image light transmitted from the image output unit into collimated collimated light and outputting the converted light; a reflection unit disposed inside the optical means and composed of a plurality of reflection modules to provide a virtual image to the user by transmitting the virtual image image light transmitted from the auxiliary optical unit to the pupil of the user's eye; and a polarizing plate that transmits only a polarization component of a first direction from real object image light
  • the optical means includes: a first substrate having a plurality of unit inclined portions; It has a second substrate having a unit inclined portion, and reflective modules are disposed on an inclined surface of the unit inclined portion of any one of the first substrate and the second substrate of the optical means, and the optical means has such that the inclined surface of the
  • the polarization component of the first direction transmitted by the polarizer is, among real object image light, in a direction perpendicular to the longitudinal direction in which the inclined plane extends and in a direction perpendicular to the front direction in the pupil. It provides an optical device for augmented reality, characterized in that the polarization of any one direction in the range of 0 to ⁇ 30 degrees with respect to.
  • the optical means is disposed in front of the pupil so that a straight line parallel to the longitudinal direction in which the inclined plane of the unit inclined portion extends is included in a plane perpendicular to the z-axis, when the front direction of the pupil is referred to as the z-axis,
  • the first direction may be in any one direction within a range of 0 to ⁇ 30 degrees with respect to the y-axis direction, which is a direction perpendicular to the x-axis and z-axis.
  • the polarizing plate may be disposed inside or outside the optical means.
  • the optical means has a first surface through which the virtual video image light and real object image light are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite to the first surface into which the real object image light is incident, and the polarizing plate may be disposed in close contact with or spaced apart from the first or second surface.
  • optical unit may be disposed such that an inclined surface of the unit inclined portion has an inclined angle with respect to a straight line horizontal to the z-axis.
  • the plurality of reflective modules may be formed to have a size of 4 mm or less.
  • the optical means has a first surface through which the virtual video image light and the real object image light 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.
  • a reflective surface of the auxiliary optical unit that reflects the virtual video image light may be disposed to face the first surface or the second surface of the optical means.
  • auxiliary optical unit may be formed to extend closer to the image output unit toward both left and right ends from a central portion when the optical unit is viewed from the pupil toward the front direction.
  • an optical device for augmented reality capable of improving the quality of real object image light by transmitting only polarized light in a specific direction among real object image light using a polarizing plate.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical device 100 for augmented reality as described in Prior Art Document 1.
  • FIG. 2 to 4 are views showing an optical device 200 for augmented reality as disclosed in Prior Art Document 2, FIG. 2 is a side view, FIG. 3 is a perspective view, and FIG. 4 is a front view.
  • 5 to 7 are diagrams for explaining a manufacturing process of the optical means 10.
  • FIG. 8 to 10 are views for explaining an optical device 300 for augmented reality having a polarizing plate according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 8 is a side view, FIG. 9 is a perspective view, and FIG. 10 is a front view. .
  • 11 to 14 are views for explaining the directionality of polarized light transmitted through the polarizing plate 50 .
  • 15 and 16 are diagrams for explaining the action and effect of the polarizing plate 50 .
  • FIG. 17 to 19 are views for explaining an optical device 400 according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 17 is a side view, FIG. 18 is a perspective view, and FIG. 19 is a front view.
  • FIG. 8 to 10 are views for explaining an optical device 300 for augmented reality having a polarizing plate according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 8 is a side view, FIG. 9 is a perspective view, and FIG. 10 is a front view. .
  • an optical device 300 for augmented reality (hereinafter simply referred to as "optical device 300") having a polarizing plate includes an optical means 10, a reflector 20, and a polarizing plate 50. ).
  • the image emitting unit 30 is means for emitting virtual image light, which is image light corresponding to a virtual image.
  • the virtual image means an image for augmented reality provided to the user, and may be an image or a video.
  • the image emitting unit 30 includes a display unit implemented with conventionally known micro display devices such as small LCD, OLED, LCoS, and micro LED, and a collimator that collimates the virtual image image light emitted from the display unit and emits it as parallel light.
  • a display unit implemented with conventionally known micro display devices such as small LCD, OLED, LCoS, and micro LED, and a collimator that collimates the virtual image image light emitted from the display unit and emits it as parallel light.
  • 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 output unit 30 is shown as being disposed on the upper surface of the optical means 10, but this is exemplary and may be disposed in other positions as well.
  • the optical means 10 is means for transmitting real object image light emitted from real objects existing in the real world to the pupils 40 of the user's eyes.
  • the virtual video image light emitted from the reflector 20 is transmitted to the pupil 40 through the optical means 10 .
  • the optical means 10 has a first surface 11 through which the virtual video image light and real object image light are emitted toward the user's pupil 40, and the first surface 11 is opposed to the real object image light incident thereto. It has a second surface 12 that does.
  • a reflector 20 composed of a plurality of reflective modules is spaced apart from the first surface 11 and the second surface 12 and is buried.
  • the reflector 20 is a means for providing a virtual image to the user by transferring the virtual image image light transmitted from the image emitter 30 to the pupil 40 of the user's eye.
  • the reflector 20 is composed of a plurality of reflection modules arranged in a matrix form when viewed from the front.
  • reference numerals 21 to 26 denote only reflection modules viewed from the side as shown in FIG. 8 , and the reflector 20 collectively refers to a plurality of reflection modules.
  • a plurality of reflective modules constituting the reflector 20 are buried inside the optical means 10 . That is, the reflective modules are spaced apart from the first surface 11 and the second surface 12 and the upper and lower surfaces of the optical means 10 and are disposed in the inner space of the optical means 10 .
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 is emitted toward the second surface 12 of the optical means 10, and the second surface 12 of the optical means 10 After being totally reflected in , it is transmitted to a plurality of reflection modules. Accordingly, each of the reflective modules is arranged to have an appropriate inclination angle inside the optical unit 10 in consideration of the light path.
  • each of the plurality of reflection modules is preferably formed to a size smaller than the size of a human pupil, that is, 8 mm or less, to obtain a pinhole effect by deepening the depth of field. is formed to 4 mm or less.
  • the depth of field for the light incident to the pupil 40 by the reflective modules can be made almost infinite, that is, the depth of field can be made very deep, so that the user can see the real world while gazing at the real world. Even if the focal length of the image is changed, a pinhole effect can be obtained to recognize that the focus of the virtual image is always correct regardless of this.
  • each reflection module is defined as the maximum length between two arbitrary points on the edge boundary line of each reflection module.
  • each reflection module is determined between any two points on the edge boundary line of the orthographic projection of each reflection module on a plane perpendicular to the straight line between the pupil 40 and the reflection module and including the center of the pupil 40. can be of maximum length.
  • the size of the reflective modules is too small, the diffraction phenomenon increases, so it is preferable to make them larger than, for example, 0.3 mm.
  • each of the reflective modules may have a circular shape.
  • it may be formed in an elliptical shape so that the reflective modules appear circular when viewed from the pupil 40 .
  • each of the reflective modules is disposed so that the virtual image image light transmitted from the image emitting unit 30 is not blocked by other reflective modules.
  • the plurality of reflection modules may not be arranged in a vertical line, but may be arranged in an oblique line or gently curved shape.
  • the reflective modules are preferably formed of a metal material having a high reflectance of 100% or close to 100%.
  • a half mirror that partially reflects and partially transmits light may be used instead of the reflection module.
  • any one or combination of a refracting optical element, a diffractive optical element (DOE), and a holographic optical element (HOE) may be used.
  • the polarizer 50 transmits only the polarization component of the first direction among the real object image light emitted from the real object.
  • the polarizer 50 may be disposed inside or outside the optical means 10 .
  • the polarizing plate 50 is disposed outside the optical means 10, that is, outside the second surface 12, but this is exemplary and outside the first surface 11 of the optical means 10. It can also be placed on the side.
  • the polarizing plate 50 may be disposed inside the optical means 10 , that is, inside the second surface 12 or inside the first surface 11 of the optical means 10 .
  • the polarizing plate 50 may be disposed in close contact with the first surface 11 or the second surface 12 of the optical means 10, but may also be disposed spaced apart from each other.
  • the polarizing plate 50 transmits only the polarization component of the first direction among incident real object image light.
  • the first direction is determined according to the arrangement relationship of the optical means 10 with respect to the pupil 40 as will be described later. means a specific direction.
  • 11 to 14 are views for explaining the arrangement relationship between the direction of polarized light transmitted through the polarizing plate 50 and the optical means 10 .
  • the optical means 10 as described in the background art item with reference to FIGS. 2 to 7, a first substrate 10A and a second substrate having a plurality of unit inclined portions 15 formed to engage with each other. (10B) is formed, and a plurality of reflective modules are formed on one of the inclined surfaces 151 and 152 of the inclined surface 151 of the unit inclined portion 15 of the first substrate 10A, and then the first substrate 10A and It is formed by closely bonding the second substrate 10B.
  • the optical means 10 includes a first substrate 10A having a plurality of unit inclined portions 15 and a plurality of unit inclined portions formed to engage with the unit inclined portions 15 of the first substrate 10B ( 15) and a second substrate 10B.
  • the cross section of the unit inclined portion 15 is saw-toothed, and has two inclined surfaces 151 and 152.
  • the two inclined surfaces 151 and 152 may share one vertex.
  • the reflective modules are disposed on one of the inclined surfaces 151 of the inclined surfaces 151 and 152 of each unit inclined portion 15 of the first substrate 10A.
  • a plurality of reflection modules are spaced apart from each other along the longitudinal direction in which the inclined surface 151 of each unit inclined portion 15 extends.
  • the optical means 10 is completed by tightly bonding the first substrate 10A and the second substrate 10B with, for example, an adhesive 16 .
  • the optical means 10 formed in this way is disposed in front of the pupil 40 such that the inclined surfaces 151 and 152 of the unit inclined portion 15 are inclined with respect to the front direction in the pupil 40 .
  • the polarization component of the first direction transmitted by the polarizer 50 is a direction perpendicular to the longitudinal direction in which the inclined surfaces 151 and 152 extend and a direction perpendicular to the front direction in the pupil 40, among real object image light. It is the polarization of any direction within the range of 0 to ⁇ 30 degrees for the
  • the optical means 10 extends in the longitudinal direction in which the inclined surfaces 151 and 152 of the unit inclined portion 15 extend.
  • a parallel straight line is disposed in front of the pupil 40 so as to be included in a plane perpendicular to the z-axis.
  • the inclined surface 151 of the unit inclined portion 15 of the optical means 10 has an inclination angle ( ⁇ ) is arranged to have
  • inclination angles of the inclined surface 151 and the inclined surface 152 with respect to a straight line horizontal to the z-axis may be different from each other.
  • the direction of the polarized light transmitted by the polarizer 50 that is, the first direction is the y-axis direction perpendicular to the x-axis and z-axis. It may be in any one direction in the range of 0 to ⁇ 30 degrees.
  • the polarizer 50 serves as a polarization filter that transmits only the polarization component of the first direction among real object image light.
  • the polarizer 50 transmits only the s-polarized component of real object image light.
  • the polarizing plate 50 itself is not a direct object of the present invention and various other configurations known in the prior art may be used, a detailed description thereof will be omitted.
  • 15 and 16 are diagrams for explaining the action and effect of the polarizing plate 50 .
  • FIG. 15 is a sample image
  • FIG. 16 shows MTF (Modulation Transfer Function) result values for part 1 of the sample image of FIG. 15 .
  • the x-axis is the angle of the polarizer 50 in the first direction
  • the y-axis is the MTF result value for the portion 1 of the sample image.
  • the solid line represents the MTF result value of the optical device 300 having the polarizing plate 50
  • the dotted line represents the MTF result value of the optical device 200 without the polarizing plate 50 .
  • the MTF value of the optical device 300 having the polarizer 50 is significantly higher than that of the optical device 200 without the polarizer 50 when the first direction is in the range of 0 degrees to 30 degrees. It can be seen that it has
  • the quality of real object image light can be remarkably improved when the above-described polarizing plate 50 is disposed in the same configuration as the optical device 200 .
  • FIG. 17 to 19 are views for explaining an optical device 400 according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 17 is a side view, FIG. 18 is a perspective view, and FIG. 19 is a front view.
  • the optical device 400 of FIGS. 17 to 19 is basically the same as the optical device 300 described with reference to FIGS. There is a difference in that it is buried and placed inside. Accordingly, a structure such as a collimator is not included in the image output unit 30 of the optical device 400, and thus, the form factor of the optical device 400 can be reduced.
  • the auxiliary optical unit 60 performs a function of converting the virtual video image light emitted from the image output unit 30 into collimated parallel light and outputting the light. Accordingly, the virtual video image light emitted from the auxiliary optical unit 60 is collimated parallel light or image light for which the focal length is intended.
  • the auxiliary optical unit 60 is preferably implemented as a reflection unit that emits collimated parallel light while reflecting incident virtual video image light.
  • the auxiliary optical unit 60 is disposed buried inside the optical unit 10 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 virtual video image light is transmitted to the auxiliary optical unit 60 .
  • the auxiliary optical unit 60 converts the incident virtual video image light into collimated parallel light and emits it, which is totally reflected again on the second surface 12 of the optical means 10 and then transmitted to the reflecting unit 20. .
  • the reflector 20 composed of a plurality of reflection modules reflects incident virtual image light and transmits it to the pupil 40 as described in the above-described embodiment.
  • the auxiliary optical unit 60 considers the relative positions of the image output unit 30, the reflector 20, and the pupil 40 to determine the first surface 11 and the second surface of the optical unit 10 ( 12) is disposed at an appropriate position inside the optical means 10 between.
  • the auxiliary optical unit 60 directs the reflection surface 61 on which the virtual video image light is reflected and exits the second surface 12 of the optical unit 10 to the inside of the optical unit 10. are buried and placed in
  • a straight line in a vertical direction from the center of the reflection surface 61 and the second surface 12 of the optical means 10 may be inclined so as not to be parallel to each other.
  • the reflective surface 61 of the auxiliary optical unit 60 may be disposed buried inside the optical means 10 so as to face the first surface 11 of the optical means 10.
  • the reflective surface 61 of the auxiliary optical unit 60 may be disposed buried inside the optical means 10 so as to face the first surface 11 of the optical means 10.
  • the reflective surface 61 of the auxiliary optical unit 60 may be formed as a curved surface.
  • the reflective surface 61 of the auxiliary optical unit 60 may be concavely formed in the direction of the second surface 12 of the optical means 10 as shown.
  • the auxiliary optical unit 60 can serve as a collimator for collimating virtual video image light, and therefore, there is no need to use a collimator-like configuration for the image output unit 30 .
  • the thickness of the auxiliary optical unit 60 is thin when the user looks at the front through the pupil 40 so that the user cannot recognize it as much as possible.
  • the auxiliary optical unit 60 may be configured with a means such as a half mirror that partially reflects light.
  • auxiliary optical unit 60 may be formed of a refraction element or a diffraction element other than the reflection unit, or a combination of at least one of these elements.
  • the auxiliary optical unit 60 extends more toward the image output unit 30 toward both left and right ends from the central portion. It may be formed by extending to close.
  • the auxiliary optical unit 60 when viewed from the front, may be formed in a generally gentle "U" bar shape. In this way, the function of the auxiliary optical unit 60 as a collimator can be further improved.
  • FIGS. 17 to 19 Other components in the embodiments of FIGS. 17 to 19 are the same as those in the previously described embodiments, so detailed descriptions thereof will be omitted.

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Abstract

본 발명은 실제 사물 화상광을 투과시켜 동공으로 전달하는 광학 수단; 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 화상 출사부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달하는 복수개의 반사 모듈로 구성되는 반사부; 및 실제 사물 화상광 중에서 제1 방향의 편광 성분(실제 사물 화상광 중에서, 경사면이 연장되는 길이 방향에 수직한 방향 및 동공에서 정면 방향에 수직한 방향에 대해 0~±30도 범위 중 하나의 방향의 편광)만을 투과시키는 편광판을 포함하고, 광학 수단은 복수개의 단위 경사부를 갖는 제1 기판과 제1 기판의 단위 경사부에 맞물리도록 형성된 복수개의 단위 경사부를 갖는 제2 기판을 가지며, 단위 경사부의 경사면이 경사지도록 배치되고, 경사면에는 반사 모듈들이 배치되는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 편광판을 이용하여 실제 사물 화상광 중에서 특정 방향의 편광만을 투과시킴으로써 실제 사물 화상광에 대한 품질을 향상시킬 수 있는 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 제공하는 기술을 의미한다.
이러한 증강 현실을 구현하기 위해서는, 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) 방식 등이 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 LOE(Light guide Optical Element) 등과 같은 기술도 제안되고 있으나, 이러한 기술은 가상 영상의 화상광이 도파로 내부에서 반거울을 여러번 통과해야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하고 제조상의 오차로 인해 광균일도가 쉽게 낮아질 수도 있다는 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 도파로와 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 하고 또한 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(선행기술문헌 1 참조).
도 1은 선행기술문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10) 및 반사부(20)를 포함한다.
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 시준(collimation)하여 출사하는 콜리메이터(collimator)를 구비할 수 있다.
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 수행한다.
광학 수단(10)은 예컨대 안경 렌즈와 같은 투명 수지(resin)재로 형성될 수 있으며, 안경테와 같은 프레임(미도시)에 의해 고정될 수 있다.
반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 반사시켜 사용자의 동공(40)을 향해 전달하는 기능을 수행한다.
반사부(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다.
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.
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, 심도란 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, 사용자가 실제 사물에 대한 초점 거리를 변경하더라도 사용자는 항상 선명한 가상 영상을 관찰할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 선행기술문헌 2에 개시된 바와 같은 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 모듈로 구성되어 어레이(array) 형태로 광학 수단(10) 내부에 배치된다는 점과, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광이 광학 수단(10) 내면에서 전반사되어 반사부(20)로 전달된다는 점에서 차이가 있다.
도 2 내지 도 4에서 도면 부호 21 내지 26은 도 2에서와 같이 측면에서 보여지는 반사 모듈들만을 표기한 것이며, 반사부(20)는 복수개의 반사 모듈 전체를 통칭한 것이다.
복수개의 반사 모듈들 각각은 전술한 바와 같이 바람직하게는 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하의 크기로 형성된다.
도 2 내지 도 4에서, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사된 후 반사 모듈들로 전달되고, 반사 모듈들은 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 동공(40)으로 전달한다.
따라서, 반사 모듈들은 화상 출사부(30) 및 동공(40)의 위치를 고려하여 도시된 바와 같이 광학 수단(10)의 내부에서 적절한 경사각을 가지도록 배치되어야 한다.
이러한 증강 현실용 광학 장치(200)의 광학 수단(10)은 다음과 같은 과정을 통해 형성될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 광학 수단(10)의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 우선 광학 수단(10)을 구성하는 제1 기판(10A) 및 제2 기판(10B)을 형성한다.
제1 기판(10A) 및 제2 기판(10B)은 각각에는, 서로 맞물리도록 형성된 단위 경사부(15)가 복수개 형성되어 있다. 단위 경사부(15)의 단면은 톱니 형상이며, 따라서 하나의 꼭지점을 공유하는 2개의 경사면(151,152)을 갖는다.
다만, 이는 예시적인 것이며, 단위 경사부(15)들의 형태, 크기 및 높이 등의 프로파일은 요구되는 증강 현실용 광학 장치(200)의 설계 사항에 따라 다를 수 있다.
이러한 제1 기판(10A) 및 제2 기판(10B)은, 예컨대, 도 6에 나타낸 바와 같이, 단위 경사부(15)의 형태에 상응하는 형상을 갖는 몰드(80)에 자외선 경화 수지(17)를 주입한 후 자외선을 조사하여 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 이러한 방법 이외에 사출 성형 방식 등과 같은 기타 다른 방법을 사용할 수도 있음은 물론이다.
제1 기판(10A) 및 제2 기판(10B)이 형성되면, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제1 기판(10A)의 단위 경사부(15)의 각각의 경사면(151,152) 중 한쪽의 경사면(151)에 반사 모듈(21~26)들을 형성한다.
도 5에서는 우측의 경사면(151)에만 반사 모듈(21~26)들을 형성하였으나 이는 예시적인 것이며, 요구되는 증강 현실용 광학 장치(200)의 조건에 따라 좌측의 경사면(152)에만 반사 모듈(21~26)을 형성할 수도 있음은 물론이다.
또한, 제2 기판(10B)의 경사면(151)에 반사 모듈(21~26)들을 형성할 수도 있다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 각 경사면(151)이 연장된 길이 방향을 따라서도 복수개의 반사 모듈들이 서로 이격되어 형성되며, 이에 의해 도 2 내지 도 4와 같이 어레이 형태로 반사 모듈들을 배치할 수 있다.
반사 모듈들은 예컨대 마스크를 이용하여 금속재를 증착하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
반사 모듈들이 형성되면, 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 제1 기판(10A)과 제2 기판(10B)을 예컨대 접착제(16)로 접착하여 밀착 결합시킴으로써 광학 수단(10)을 완성한다.
이러한 광학 수단(10)을 도 2와 같은 형태로 동공(40) 앞쪽에 배치하고 광학 수단(10)의 상부에 화상 출사부(30)를 배치함으로써 증강 현실용 광학 장치(200)를 얻을 수 있다.
그러나, 이러한 증강 현실용 광학 장치(200)는, 접착제(16)를 사용하여 제1 기판(10A)과 제2 기판(10B)을 밀착 결합시키기 때문에 접착제(16)와 제1 기판(10A) 및 제2 기판(10B)의 굴절률의 차이로 인해 실제 사물 화상광에 대한 품질 저하가 발생할 수 있다.
또한, 제1 기판(10A)과 제2 기판(10B)의 단위 경사부(15)의 경사면(151,152)은 동공(40)에서 정면 방향으로의 직선에 대해 경사지도록 형성되어 있기 때문에, 실제 사물 화상광이 경사면(151,152)을 통과할 때 경사면(151,152)으로 인한 영향을 받게 되어 실제 사물 화상광에 대한 품질 저하를 유발할 수 있다는 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 10-2018-0028339호(2018.03.16 공개)
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허공보 10-2192942호(2020.12.18.공고)
본 발명은 편광판을 이용하여 실제 사물 화상광 중에서 특정 방향의 편광만을 투과시킴으로써 실제 사물 화상광에 대한 품질을 향상시킬 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치로서, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 광학 수단; 상기 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 화상 출사부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 반사 모듈로 구성되는 반사부; 및 실제 사물 화상광 중에서 제1 방향의 편광 성분만을 투과시키는 편광판을 포함하고, 상기 광학 수단은, 복수개의 단위 경사부를 갖는 제1 기판과, 상기 제1 기판의 단위 경사부에 맞물리도록 형성된 복수개의 단위 경사부를 갖는 제2 기판을 가지며, 상기 광학 수단의 제1 기판 및 제2 기판 중 어느 하나의 단위 경사부의 경사면에는 반사 모듈들이 배치되고, 상기 광학 수단은, 단위 경사부의 경사면이 동공에서 정면 방향에 대해 경사지도록 동공 정면에 배치되고, 상기 편광판이 투과시키는 제1 방향의 편광 성분은, 실제 사물 화상광 중에서, 상기 경사면이 연장되는 길이 방향에 수직한 방향 및 상기 동공에서 정면 방향에 수직한 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향의 편광인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 광학 수단은, 동공에서 정면 방향을 z축이라 할 때, 단위 경사부의 경사면이 연장되는 길이 방향에 평행한 직선이 상기 z축에 수직한 평면에 포함되도록 동공 정면에 배치되고, 상기 경사면이 연장되는 길이 방향을 x축이라 할 때, 상기 제1 방향은 상기 x축 및 z축에 수직한 방향인 y축 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향일 수 있다.
또한, 상기 편광판은 상기 광학 수단의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고, 상기 편광판은 상기 제1 면 또는 제2 면과 밀착되거나 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단은, 단위 경사부의 경사면이 상기 z축에 수평한 직선에 대해 경사각을 가지도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 반사 모듈들은 4mm 이하의 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치로서, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 광학 수단; 상기 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 화상 출사부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 출사하는 보조 광학부; 상기 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 보조 광학부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 반사 모듈로 구성되는 반사부; 및 실제 사물 화상광 중에서 제1 방향의 편광 성분만을 투과시키는 편광판을 포함하고, 상기 광학 수단은, 복수개의 단위 경사부를 갖는 제1 기판과, 상기 제1 기판의 단위 경사부에 맞물리도록 형성된 복수개의 단위 경사부를 갖는 제2 기판을 가지며, 상기 광학 수단의 제1 기판 및 제2 기판 중 어느 하나의 단위 경사부의 경사면에는 반사 모듈들이 배치되고, 상기 광학 수단은, 단위 경사부의 경사면이 동공에서 정면 방향에 대해 경사지도록 동공 정면에 배치되고, 상기 편광판이 투과시키는 제1 방향의 편광 성분은, 실제 사물 화상광 중에서, 상기 경사면이 연장되는 길이 방향에 수직한 방향 및 상기 동공에서 정면 방향에 수직한 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향의 편광인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 광학 수단은, 동공에서 정면 방향을 z축이라 할 때, 단위 경사부의 경사면이 연장되는 길이 방향에 평행한 직선이 상기 z축에 수직한 평면에 포함되도록 동공 정면에 배치되고, 상기 경사면이 연장되는 길이 방향을 x축이라 할 때, 상기 제1 방향은 상기 x축 및 z축에 수직한 방향인 y축 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향일 수 있다.
또한, 상기 편광판은 상기 광학 수단의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고, 상기 편광판은 상기 제1 면 또는 제2 면과 밀착되거나 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단은, 단위 경사부의 경사면이 상기 z축에 수평한 직선에 대해 경사각을 가지도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 반사 모듈들은 4mm 이하의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단은 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지며, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시키는 상기 보조 광학부의 반사면은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 보조 광학부는, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 편광판을 이용하여 실제 사물 화상광 중에서 특정 방향의 편광만을 투과시킴으로써 실제 사물 화상광에 대한 품질을 향상시킬 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 선행기술문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 선행기술문헌 2에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.
도 5 내지 도 7은 광학 수단(10)의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 8은 측면도이고, 도 9는 사시도이고, 도 10은 정면도이다.
도 11 내지 도 14는 편광판(50)이 투과시키는 편광의 방향성을 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16은 편광판(50)의 작용 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 17은 측면도, 도 18은 사시도, 도 19는 정면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 8은 측면도이고, 도 9는 사시도이고, 도 10은 정면도이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치(300, 이하 간단히 "광학 장치(300)"라 한다)는, 광학 수단(10), 반사부(20) 및 편광판(50)을 포함한다.
우선, 화상 출사부(30)에 대해 설명한다.
화상 출사부(30)는, 가상 영상(virtual image)에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단이다. 여기에서, 가상 영상이란 사용자에게 제공되는 증강 현실용 화상을 의미하며, 이미지 또는 동영상일 수 있다.
화상 출사부(30)는, 소형의 LCD, OLED, LCoS, 마이크로 LED 등과 같이 종래 알려져 있는 마이크로 디스플레이 장치로 구현되는 디스플레이부와 디스플레이부에서 출사된 가상 영상 화상광을 시준하여 평행광으로 출사하는 콜리메이터를 포함할 수 있다.
이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.
한편, 도 8 내지 도 10에서, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 상면에 배치된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 기타 다른 위치에 배치될 수도 있음은 물론이다.
광학 수단(10)은, 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 수단이다. 또한, 반사부(20)로부터 출사한 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)을 통해 동공(40)으로 전달된다.
광학 수단(10)은 가상 영상 화상광 및 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.
광학 수단(10) 내부에는 복수개의 반사 모듈로 구성되는 반사부(20)가 상기 제1 면(11) 및 제2 면(12)과 이격되어 매립 배치된다.
반사부(20)는, 화상 출사부(30)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 수단이다.
반사부(20)는 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 반사 모듈들로 구성된다.
도 8 내지 도 10에서 도면 부호 21 내지 26은 도 8과 같이 측면에서 보여지는 반사 모듈들만을 표시한 것이며, 반사부(20)는 복수개의 반사 모듈들 전체를 통칭한 것이다.
반사부(20)를 구성하는 복수개의 반사 모듈들은 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다. 즉, 반사 모듈들은 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 그리고 상면 및 하면과 각각 이격되어 광학 수단(10)의 내부 공간에 배치된다.
광학 장치(300)에서는, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사하고, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 후 복수개의 반사 모듈들로 전달된다. 따라서, 각각의 반사 모듈들은 이러한 광 경로를 고려하여 광학 수단(10)의 내부에서 적절한 경사각을 가지도록 배치된다.
한편, 복수개의 반사 모듈들 각각은, 앞서 설명한 바와 같이, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과(pinhole effect)를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성한다.
이에 의하여, 반사 모듈들에 의해 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 효과를 얻을 수 있다.
여기에서, 각각의 반사 모듈의 크기라 함은, 각 반사 모듈의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 각각의 반사 모듈의 크기는, 동공(40)과 반사 모듈 사이의 직선에 수직하면서 동공(40)의 중심을 포함하는 평면에 각 반사 모듈을 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
다만, 반사 모듈들의 크기가 지나치게 작은 경우에는 회절(diffraction) 현상이 커지기 때문에, 예컨대 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 반사 모듈들 각각의 형상은 원형일 수 있다.
또한, 동공(40)에서 반사 모듈들을 바라보았을 때 원형으로 보이도록 타원형으로 형성할 수도 있다.
한편, 반사 모듈들 각각은, 화상 출사부(30)로부터 전달되는 가상 영상 화상광이 다른 반사 모듈들에 의해 차단되지 않도록 배치된다. 이를 위하여, 복수개의 반사 모듈들은 도 8에 나타낸 바와 같이 광학 장치(300)를 측면에서 보았을 때 수직선상에 나란하게 배치되지 않고 사선이나 완만한 곡선 형태로 배치할 수 있다.
한편, 반사 모듈들은, 100% 또는 100%에 거의 근접하는 높은 반사율을 갖는 금속 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 반사 모듈 대신 빛을 부분적으로 반사시키고 부분적으로 투과시키는 하프 미러(half mirror)를 사용할 수도 있다.
또한, 반사 모듈 대신 굴절 소자(Refractive Optical Element), 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element, DOE) 및 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE) 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 사용할 수도 있다.
편광판(50)은 실제 사물로부터 출사하는 실제 사물 화상광 중에서 제1 방향의 편광 성분만을 투과시키는 수단이다.
편광판(50)은 광학 수단(10)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다.
도 8 내지 도 10에서 편광판(50)은 광학 수단(10)의 외부 즉, 제2 면(12)의 바깥쪽에 배치되어 있으나 이는 예시적인 것이며, 광학 수단(10)의 제1 면(11) 바깥쪽에 배치될 수도 있다.
또한, 편광판(50)은 광학 수단(10)의 내부 즉, 광학 수단(10)의 제2 면(12)의 안쪽 또는 제1 면(11)의 안쪽에 배치될 수도 있다.
또한, 편광판(50)은 광학 수단(10)의 제1 면(11) 또는 제2 면(12)과 밀착하여 배치될 수도 있으나, 거리를 두고 이격되어 배치될 수도 있다.
편광판(50)은 입사하는 실제 사물 화상광 중에서 제1 방향의 편광 성분만을 투과시키는데, 여기에서, 제1 방향이란 후술하는 바와 같이 동공(40)에 대한 광학 수단(10)의 배치 관계에 따라 결정되는 특정 방향을 의미한다.
도 11 내지 도 14는 편광판(50)이 투과시키는 편광의 방향과 광학 수단(10)과의 배치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
우선, 광학 수단(10)은, 앞서 도 2 내지 도 7을 참조하여 배경 기술 항목에서 설명한 바와 같이, 서로 맞물리도록 형성된 복수개의 단위 경사부(15)를 갖는 제1 기판(10A) 및 제2 기판(10B)을 형성하고, 제1 기판(10A)의 단위 경사부(15)의 경사면(151,152) 중 어느 한쪽의 경사면(151)에 복수개의 반사 모듈들을 형성한 후, 제1 기판(10A)과 제2 기판(10B)을 밀착 결합시킴으로써 형성된다.
즉, 광학 수단(10)은, 복수개의 단위 경사부(15)를 갖는 제1 기판(10A)과, 제1 기판(10B)의 단위 경사부(15)에 맞물리도록 형성된 복수개의 단위 경사부(15)를 갖는 제2 기판(10B)을 포함한다. 여기에서, 단위 경사부(15)의 단면은 톱니 형상이며, 2개의 경사면(151,152)을 갖는다. 2개의 경사면(151,152)은 하나의 꼭지점을 공유할 수 있다.
여기에서, 제1 기판(10A)의 각 단위 경사부(15)의 경사면(151,152) 중 어느 한쪽의 경사면(151)에 반사 모듈들이 배치된다. 또한, 각 단위 경사부(15)의 경사면(151)이 연장된 길이 방향을 따라서도 복수개의 반사 모듈들이 서로 이격되어 배치된다.
이러한 제1 기판(10A)과 제2 기판(10B)을 예컨대 접착제(16)에 의해 밀착 결합시킴으로써 광학 수단(10)이 완성된다.
이와 같이 형성되는 광학 수단(10)은, 단위 경사부(15)의 경사면(151,152)이 동공(40)에서 정면 방향에 대해 경사지도록 동공(40) 정면에 배치된다.
이 때, 편광판(50)이 투과시키는 제1 방향의 편광 성분은, 실제 사물 화상광 중에서, 경사면(151,152)이 연장되는 길이 방향에 수직한 방향 및 동공(40)에서 정면 방향에 수직한 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향의 편광이다.
즉, 광학 수단(10)은, 도 11 내지 도 13에 나타낸 바와 같이, 동공(40)에서 정면 방향을 z축이라 할 때, 단위 경사부(15)의 경사면(151,152)이 연장되는 길이 방향에 평행한 직선이 상기 z축에 수직한 평면에 포함되도록 동공(40) 정면에 배치된다.
바꾸어 말하면, 광학 수단(10)은, 측면에서 보았을 때, 도 14에 나타낸 바와 같이, 광학 수단(10)의 단위 경사부(15)의 경사면(151)이 z축에 수평한 직선에 대해 경사각(θ)을 가지도록 배치된다.
여기에서, 경사면(151)과 경사면(152)이 z축에 수평한 직선에 대해 갖는 경사각은 서로 다를 수 있다.
이 때, 경사면(151)이 연장되는 길이 방향을 x축이라 하면, 편광판(50)이 투과시키는 편광의 방향 즉, 제1 방향은 상기 x축 및 z축에 수직한 방향인 y축 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향일 수 있다.
이러한 편광판(50)에 의해, 실제 사물 화상광 중에서 제1 방향으로 진동하는 편광 성분만이 편광판(50)을 투과하게 된다. 따라서, 편광판(50)은 실제 사물 화상광 중에서 제1 방향의 편광 성분만을 투과시키는 편광 필터의 역할을 수행한다.
예컨대, 제1 방향의 편광을 s-편광이라고 하면, 편광판(50)은 실제 사물 화상광 중에서 s-편광 성분만을 투과시킨다.
이러한 편광판(50) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니고 종래 기술에 의해 알려져 있는 기타 다양한 구성을 사용할 수 있으므로, 이에 대한 상세 설명은 생략한다.
도 15 및 도 16은 편광판(50)의 작용 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 샘플 영상이고, 도 16은 도 15의 샘플 영상의 ① 부분에 대한 MTF(Modulation Transfer Function) 결과값을 나타낸 것이다.
도 16에서 x축은 편광판(50)의 제1 방향의 각도이고 y축은 샘플 영상의 ① 부분에 대한 MTF 결과값을 나타낸 것이다.
또한, 도 16에서 실선은 편광판(50)을 갖는 광학 장치(300)의 MTF 결과값을 나타내고, 점선은 편광판(50)이 없는 광학 장치(200)의 MTF 결과값을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 편광판(50)을 갖는 광학 장치(300)는 제1 방향이 0도~30도 범위인 경우 편광판(50)이 없는 광학 장치(200)의 MTF 결과값에 비해 현저하게 높은 값을 갖는다는 것을 알 수 있다.
따라서, 광학 장치(200)와 같은 구성에 전술한 바와 같은 편광판(50)을 배치하는 경우, 실제 사물 화상광의 품질을 현저하게 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 17은 측면도, 도 18은 사시도, 도 19는 정면도이다.
도 17 내지 도 19의 광학 장치(400)는 도 8 내지 도 16을 참조하여 설명한 광학 장치(300)와 기본적으로 동일하되, 콜리메이터의 기능을 수행하는 보조 광학부(60)가 광학 수단(10) 내부에 매립 배치된다는 점에서 차이가 있다. 따라서, 광학 장치(400)의 화상 출사부(30)에는 콜리메이터와 같은 구성이 포함되지 아니하며, 이에 의해 광학 장치(400)의 폼팩터를 줄일 수 있는 장점이 있다.
보조 광학부(60)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 출사하는 기능을 수행한다. 따라서, 보조 광학부(60)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 시준된 평행광 또는 초점 거리가 의도된 화상광이다.
보조 광학부(60)는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시키면서 시준된 평행광으로 출사하는 반사 수단으로 구현하는 것이 바람직하다.
보조 광학부(60)는, 도시된 바와 같이, 화상 출사부(30)와 대향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.
도 18을 참조하면, 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 전반사되는 가상 영상 화상광은 보조 광학부(60)로 전달된다.
보조 광학부(60)는 입사한 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환되어 출사하고, 이는 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 다시 전반사된 후 반사부(20)로 전달된다.
복수개의 반사 모듈로 구성된 반사부(20)는 전술한 실시예에서 설명한 바와 같이 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 동공(40)으로 전달한다.
따라서, 보조 광학부(60)는, 화상 출사부(30), 반사부(20) 및 동공(40)의 상대적인 위치를 고려하여 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 광학 수단(10)의 내부의 적절한 위치에 배치된다.
광학 장치(400)에서 보조 광학부(60)는 가상 영상 화상광이 반사되어 출사하는 반사면(61)이 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.
여기에서, 반사면(61)의 중심으로부터 수직 방향으로의 직선과 광학 수단(10)의 제2 면(12)은 서로 평행하지 않도록 경사지게 배치될 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것이며, 보조 광학부(60)의 반사면(61)이 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치될 수도 있음은 물론이다.
한편, 보조 광학부(60)의 반사면(61)은 곡면으로 형성될 수 있다. 예컨대, 보조 광학부(60)의 반사면(61)은 도시된 바와 같이 광학 수단(10)의 제2 면(12) 방향으로 오목하게 형성될 수 있다.
이러한 구성에 의하여 보조 광학부(60)는 가상 영상 화상광을 시준시키는 콜리메이터로서의 역할을 수행할 수 있고, 따라서 화상 출사부(30)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용할 필요가 없다.
또한, 보조 광학부(60)는, 사용자가 가급적 인식할 수 없도록 하기 위하여 사용자가 동공(40)을 통해 정면을 바라 보았을 때의 두께가 얇게 보이도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 보조 광학부(60)는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.
또한, 보조 광학부(60)는 반사 수단 이외의 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성하거나, 이들 중 적어도 하나의 조합으로 형성할 수도 있다.
한편, 보조 광학부(60)는, 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, 보조 광학부(60)는, 정면에서 바라볼 때 전체적으로 완만한 "U"자의 바(bar) 형태로 형성될 수 있다. 이에 의하여, 보조 광학부(60)의 콜리메이터로서의 기능을 보다 향상시킬 수 있다.
도 17 내지 도 19의 실시예에서 기타 구성들은 앞서 설명한 실시예에서와 동일하므로 상세 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서, 첨부된 청구범위 및 도면에 의해 파악되는 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다는 점을 유의해야 한다.

Claims (14)

  1. 편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치로서,
    실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 광학 수단;
    상기 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 화상 출사부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 반사 모듈로 구성되는 반사부; 및
    실제 사물 화상광 중에서 제1 방향의 편광 성분만을 투과시키는 편광판
    을 포함하고,
    상기 광학 수단은, 복수개의 단위 경사부를 갖는 제1 기판과, 상기 제1 기판의 단위 경사부에 맞물리도록 형성된 복수개의 단위 경사부를 갖는 제2 기판을 가지며,
    상기 광학 수단의 제1 기판 및 제2 기판 중 어느 하나의 단위 경사부의 경사면에는 반사 모듈들이 배치되고,
    상기 광학 수단은, 단위 경사부의 경사면이 동공에서 정면 방향에 대해 경사지도록 동공 정면에 배치되고,
    상기 편광판이 투과시키는 제1 방향의 편광 성분은, 실제 사물 화상광 중에서, 상기 경사면이 연장되는 길이 방향에 수직한 방향 및 상기 동공에서 정면 방향에 수직한 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향의 편광인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 수단은, 동공에서 정면 방향을 z축이라 할 때, 단위 경사부의 경사면이 연장되는 길이 방향에 평행한 직선이 상기 z축에 수직한 평면에 포함되도록 동공 정면에 배치되고,
    상기 경사면이 연장되는 길이 방향을 x축이라 할 때, 상기 제1 방향은 상기 x축 및 z축에 수직한 방향인 y축 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 편광판은 상기 광학 수단의 내부 또는 외부에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고,
    상기 편광판은 상기 제1 면 또는 제2 면과 밀착되거나 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 수단은, 단위 경사부의 경사면이 상기 z축에 수평한 직선에 대해 경사각을 가지도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 반사 모듈들은 4mm 이하의 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  7. 편광판을 구비하는 증강 현실용 광학 장치로서,
    실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 광학 수단;
    상기 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 화상 출사부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 출사하는 보조 광학부;
    상기 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 보조 광학부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 반사 모듈로 구성되는 반사부; 및
    실제 사물 화상광 중에서 제1 방향의 편광 성분만을 투과시키는 편광판
    을 포함하고,
    상기 광학 수단은, 복수개의 단위 경사부를 갖는 제1 기판과, 상기 제1 기판의 단위 경사부에 맞물리도록 형성된 복수개의 단위 경사부를 갖는 제2 기판을 가지며,
    상기 광학 수단의 제1 기판 및 제2 기판 중 어느 하나의 단위 경사부의 경사면에는 반사 모듈들이 배치되고,
    상기 광학 수단은, 단위 경사부의 경사면이 동공에서 정면 방향에 대해 경사지도록 동공 정면에 배치되고,
    상기 편광판이 투과시키는 제1 방향의 편광 성분은, 실제 사물 화상광 중에서, 상기 경사면이 연장되는 길이 방향에 수직한 방향 및 상기 동공에서 정면 방향에 수직한 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향의 편광인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 광학 수단은, 동공에서 정면 방향을 z축이라 할 때, 단위 경사부의 경사면이 연장되는 길이 방향에 평행한 직선이 상기 z축에 수직한 평면에 포함되도록 동공 정면에 배치되고,
    상기 경사면이 연장되는 길이 방향을 x축이라 할 때, 상기 제1 방향은 상기 x축 및 z축에 수직한 방향인 y축 방향에 대해 0~±30도 범위 중 어느 하나의 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 편광판은 상기 광학 수단의 내부 또는 외부에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고,
    상기 편광판은 상기 제1 면 또는 제2 면과 밀착되거나 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 광학 수단은, 단위 경사부의 경사면이 상기 z축에 수평한 직선에 대해 경사각을 가지도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수개의 반사 모듈들은 4mm 이하의 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 광학 수단은 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지며,
    입사하는 가상 영상 화상광을 반사시키는 상기 보조 광학부의 반사면은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  14. 청구항 7에 있어서,
    상기 보조 광학부는, 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.
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