WO2023234459A1 - 투명 디스플레이를 이용한 대화면 직시형 증강현실 영상 제공 장치 및 방법 - Google Patents

투명 디스플레이를 이용한 대화면 직시형 증강현실 영상 제공 장치 및 방법 Download PDF

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    • H04N13/373—Image reproducers using viewer tracking for tracking forward-backward translational head movements, i.e. longitudinal movements

Definitions

  • the present invention relates to augmented reality technology, and more specifically, to a device and method for providing an augmented reality image in a direct view while worn on the user's face.
  • a conventional image providing device for providing augmented reality consists of an image combiner located in front of the user and a micro display located on the side or top of the image combining device.
  • the image emitted from the micro display is delivered to the user by being refracted, reflected, and diffracted by the image combining element, and the image combining element has its own transparency, ensuring distortion-free viewing at a certain rate to external light.
  • the display device since the display device must be located on the side (glasses temple) or top (top of the image combining device) rather than in front of the user's eyes, miniaturization to less than 1 inch is usually required.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to implement a direct-view imaging device that is located in front of the user and does not block the field of view, thus ensuring transparency, and to provide a direct view imaging device that is positioned in front of the user and does not block the field of view, thereby securing transparency.
  • the aim is to provide an apparatus and method for providing large-screen augmented reality images implemented with a large-sized display device.
  • An augmented reality device for achieving the above object includes a transparent display disposed in front of the user and generating an image; A polarization adjustment unit that folds the optical path for the image generated on the transparent display through polarization adjustment; and a semi-mirror that reflects the image emitted from the polarization adjustment unit and transmits external light incident in the real world.
  • the distance from the user's eyes to the transparent display may be shorter than the distance at which the user can focus and directly perceive the image of the transparent display.
  • the polarization adjuster and the semi-mirror can fold the optical path by causing multiple reflections of the image light emitted from the transparent display.
  • the polarization adjusting unit includes: a reflective polarizer that transmits first polarized light among image light emitted from the transparent display, reflects second polarized light incident from the converter, and transmits first polarized light incident from the converter; and converting the first polarized light incident from the reflective polarizer into third polarized light while transmitting it, transmitting the fourth polarized light incident from the semi-mirror and converting it into second polarized light, and transmitting the second polarized light incident from the reflective polarizer.
  • a converter that converts the third polarized light incident from the converter into fourth polarized light and converts it into first polarized light while transmitting the third polarized light incident from the half-mirror, wherein the half-mirror reflects the third polarized light incident from the converter and converts it into fourth polarized light.
  • the fourth polarized light incident from the converter can be reflected and converted to the third polarized light.
  • the reflective polarizer reflects second polarization of image light emitted from the transparent display
  • the augmented reality device may further include a first linear polarizer that blocks the second polarization reflected from the reflective polarizer.
  • the augmented reality device may further include a second linear polarizer that transmits first polarization and blocks second polarization among external light incident in the real world.
  • the augmented reality device may further include a compensation optical element that compensates for distortion and deflection of external light due to the bending of the semi-mirror.
  • a semi-mirror may be a single semi-mirror or an array of multiple semi-mirrors.
  • a transparent display may be a display that is larger in size than a micro display.
  • a method of providing augmented reality includes the steps of generating an image by a transparent display placed in front of a user; A polarization adjustment unit, folding an optical path for an image generated on a transparent display through polarization adjustment; and a step where the semi-mirror reflects the image emitted from the polarization adjustment unit and transmits external light incident from the real world.
  • An augmented reality optical device includes a polarization adjustment unit that folds the optical path for an image generated on a transparent display through polarization adjustment; and a semi-mirror that reflects the image emitted from the polarization adjustment unit and transmits external light incident in the real world.
  • a method of providing augmented reality includes the steps of: a polarization adjustment unit folding an optical path for an image generated on a transparent display through polarization adjustment; and a step where the semi-mirror reflects the image emitted from the polarization adjustment unit and transmits external light incident from the real world.
  • an augmented reality imaging device using a general small to medium-sized transparent display rather than a micro display, process cost and difficulty can be reduced, and the user can use a large screen. Augmented reality video observation can be made possible.
  • FIG. 1 is a diagram showing a conventional direct-view augmented reality image providing device
  • Figure 2 is a diagram showing a direct-view augmented reality image providing device according to an embodiment of the present invention
  • Figures 3 and 4 are diagrams showing in detail the structure and polarization adjustment process of the direct-view augmented reality image providing device shown in Figure 2;
  • Figure 5 is a structural diagram of a direct-view augmented reality image providing device according to another embodiment of the present invention.
  • An embodiment of the present invention presents a direct-view augmented reality imaging device that can be observed directly by placing a display device that has its own transparency in front of the user, while also securing transparency to external images.
  • a small to medium-sized (e.g., 2 to 7 inch) display with high transparency is placed in front of the user, and optical path folding technology using polarization adjustment is applied to provide direct viewing without a complicated optical system. This allows to provide augmented reality images with a wide viewing angle.
  • Figure 2 is a diagram briefly illustrating the structure and concept of a direct-view augmented reality image providing device according to an embodiment of the present invention.
  • the direct-view augmented reality image providing device includes a transparent display 110, a transparent optical element 120, and a polarization adjustment unit 130.
  • the transparent display 110 is placed in front of the user's pupil and generates a virtual image.
  • the transparent display 110 can be implemented as a transparent OLED, transparent LCD, etc., and can also be implemented as a combination of a holographic optical element and a projector.
  • the polarization adjustment unit 130 folds the optical path for the image generated on the transparent display 110 through polarization adjustment between the transparent display 110 and the transparent optical element 120.
  • the physical size of the direct-view augmented reality image providing device can be reduced by the polarization adjustment unit 130.
  • the transparent optical element 120 is disposed on the front of the transparent display 110, and reflects the image of the transparent display 110 emitted from the polarization adjustment unit 130 and transmits external light incident from the real world to form the transparent display 110. ) and combine it with the image.
  • Figure 3 shows in detail the structure and polarization adjustment process of the direct-view augmented reality image providing device shown in Figure 2.
  • the transparent optical element 120 can be implemented as a structure in which the compensation optical element 121 and the concave half mirror 122 are optically bonded by embedding the concave semi-mirror 122 in a flat plate medium.
  • the presented structure is only an example and can be implemented using holographic optical elements, surface relief optical elements, meta-lenses, etc.
  • the concave semi-mirror 122 reflects RC-polarized light (right-circular polarization) and converts it into LC-polarized light (left-handed circular polarization), and reflects LC-polarized light and converts it into RC-polarized light (left-handed circular polarization).
  • the compensation optical element 121 is an optical element for compensating for distortion and deflection of external light due to the bending of the concave semi-mirror 122.
  • the polarization adjustment unit 130 includes a linear polarizer (131), a quarter wave retarder (QWR) 132, a reflective polarizer (133), and a linear polarizer (134).
  • a linear polarizer 131
  • QWR quarter wave retarder
  • a reflective polarizer 133
  • a linear polarizer 134
  • the polarization adjustment unit 130 and the transparent optical element 120 fold the optical path by causing two additional partial reflections before the image light emitted from the transparent display 110 is recognized by the user.
  • the distance felt by the user increases compared to the actual physical distance. Therefore, a space wider than the gap between the actual optical system and the transparent display 110 can be used as an optical path, thereby reducing the physically required size of the system.
  • the linear polarizer 131 transmits P-polarized light and blocks S-polarized light among external light incident in the real world.
  • the QWR 132 functions as a converter that transmits and converts P-polarized light (horizontally linearly polarized light) and RC-polarized light, and transmits and converts S-polarized light (vertically linearly polarized light) and LC-polarized light.
  • the reflective polarizer 133 transmits P-polarized light and reflects S-polarized light among the image light of the transparent display 110.
  • Linear polarizer 134 transmits P-polarized light but blocks S-polarized light.
  • the optical path through which the image of the transparent display 110 is transmitted to the user can be explained as follows.
  • the P-polarized light of the virtual image generated in the transparent display 110 is converted to RC-polarized light while passing through the reflective polarizer 133 and then the QWR 132, and is converted to RC-polarized light through the concave semi-mirror 122. It is converted to LC-polarized light as it is reflected.
  • the LC-polarized light is converted to S-polarized light while passing through the QWR (132) and reflected from the reflective polarizer (133), and converted to LC-polarized light while passing through the QWR (132) and then reflected from the concave semi-mirror (122). It is converted into RC-polarized light.
  • the RC-polarized light is converted to P-polarized light while passing through the QWR 132, and then passes through the reflective polarizer 133, the transparent display 110, and the linear polarizer 134 to enter the user's pupil.
  • S-polarized light is treated as ghost image light, is reflected by the reflective polarizer 133, and is then blocked by the linear polarizer 134.
  • the image of the transparent display 110 is formed as a virtual image at a distance using the structure shown in FIG. 3, thereby enabling observation of the image of the transparent display 110 located at a short distance. Therefore, the distance from the user's eyes to the transparent display 110 can be made shorter than the distance at which the user can focus and directly perceive the image of the transparent display.
  • P-polarized light among external light incident in the real world passes through all components of the direct-view augmented reality image providing device according to an embodiment of the present invention and enters the user's pupil.
  • Figure 5 is a structural diagram of a direct-view augmented reality image providing device according to another embodiment of the present invention. The difference is that the concave half-mirror 122 of the direct-view augmented reality image providing device shown in FIG. 3 is replaced with a concave half-mirror array 123.
  • the concave semi-mirror array 123 expands the angle of view of the virtual image while reducing the overall required optical path.
  • the curvature of the lens surface becomes more severe, and it may be difficult for the concave semi-mirror 122 with a large diameter to satisfy this.
  • the optical function is performed by dividing the concave semi-mirror 122, which is a single large optical element that completely covers the transparent display 110, into a set of several pieces of unit optical elements, and performing optical functions with a small-sized unit lens. It has the advantage of being able to reduce the thickness of the system by reducing the focal length of the lens.
  • the compensation optical element 121 is optically compensated according to the surface curvature of the concave semi-mirror array 123, thereby minimizing distortion and deflection of external light incident from the real world.
  • the limitation on the size of pixels required for the display device is relaxed, and the size of the pixel required for the display device is relaxed, and the size of the pixel is not limited to a micro display.

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Abstract

투명 디스플레이를 이용한 대화면 직시형 증강현실 영상 제공 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 증강현실 장치는 사용자의 전면에 배치되어, 영상을 생성하는 투명 디스플레이, 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 편광 조정부 및 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 반거울을 포함한다. 이에 의해, 마이크로 디스플레이가 아닌 일반 중소형 크기의 투명 디스플레이를 이용하여 증강현실 영상 장치를 구현함으로써, 공정 비용 및 난이도를 절감할 수 있으며, 사용자로 하여금 대화면의 증강현실 영상 관측이 가능하게 할 수 있다.

Description

투명 디스플레이를 이용한 대화면 직시형 증강현실 영상 제공 장치 및 방법
본 발명은 증강현실 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자 얼굴에 착용한 상태로 증강현실 영상을 직시형으로 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래 증강현실 제공을 위한 영상 제공 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 사용자 전면에 위치한 영상결합소자(Image combiner)와 해당 영상결합소자 측면 또는 상면에 위치한 마이크로 디스플레이(Micro display)로 구성된다.
마이크로 디스플레이에서 출광된 영상은 영상결합소자로 굴절, 반사, 회절됨으로써 사용자에게 전달되며, 해당 영상결합소자는 자체적으로 투시성을 가지고 있어 외부광에 대하여 일정 비율로 왜곡 없는 투시를 보장한다.
이 때 디스플레이 장치는 사용자의 안구 전면이 아닌, 측면(안경 다리부) 또는 상면(영상결합소자 상단부) 등에 위치하여야 하므로, 통상 1인치 이하로의 소형화 제작이 요구된다.
하지만 1인치 이하 급의 마이크로 디스플레이는 공정 난이도로 인하여 종래의 중소형급 디스플레이 장치에 비해 충분한 영상 해상도, 휘도 등을 확보하기 난이하며, 고배율의 광학계를 통하여 영상을 확대시킴에 따라 영상 왜곡 등의 문제점이 발생한다.
또한 광학적 측면에서도, 측면 또는 상면에 위치한 디스플레이 장치의 영상광을 사용자의 전면까지 가이드하여 전달하는 것은, 긴 광경로 상에서도 안정적인 영상 품질을 제공하기 위하여 설계 및 제작 상에 많은 요구조건(높은 매질 굴절률, 고차의 비구면렌즈 제작, 복잡한 광학 렌즈면 등)을 유발한다. 이로 인하여 종래 증강현실 영상 제공장치는 제한적 화각, 왜곡, 영상 화질 저하 등의 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 사용자의 전면에 위치하면서도 시야를 가리지 않아 투시성을 확보한 직시형 영상 장치를 구현함에 있어, 마이크로 디스플레이가 아닌 일반 중소형 크기급의 디스플레이 장치로 구현한 대화면 증강현실 영상 제공 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 장치는 사용자의 전면에 배치되어, 영상을 생성하는 투명 디스플레이; 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 편광 조정부; 및 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 반거울;을 포함한다.
그리고 사용자의 안구로부터 투명 디스플레이 까지의 이격 거리는, 사용자가 초점을 맞추어 투명 디스플레이의 영상을 직접 인지할 수 있는 거리 보다 짧을 수 있다.
편광 조정부와 반거울은, 투명 디스플레이에 출사되는 영상광에 대해 다수의 반사를 유발시켜 광경로를 폴딩할 수 있다.
편광 조정부는, 투명 디스플레이에 출사되는 영상광 중 제1 편광을 투과시키고, 변환기로부터 입사되는 제2 편광을 반사하며, 변환기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키는 반사형 편광기; 및 반사형 편광기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키면서 제3 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제4 편광을 투과하면서 제2 편광으로 변환하며, 반사형 편광기로부터 입사되는 제2 편광을 투과시키면서 제4 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제3 편광을 투과하면서 제1 편광으로 변환하는 변환기;를 포함하고, 반거울은, 변환기로부터 입사되는 제3 편광을 반사하면서 제4 편광으로 변환하고, 변환기로부터 입사되는 제4 편광을 반사하면서 제3 편광으로 변환할 수 있다.
반사형 편광기는, 투명 디스플레이에 출사되는 영상광 중 제2 편광을 반사하고, 증강현실 장치는, 반사형 편광기에서 반사된 제2 편광을 차단하는 제1 선형 편광기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 증강현실 장치는 현실 세계에서 입사되는 외부광 중 제1 편광은 투과시키고, 제2 편광은 차단시키는 제2 선형 편광기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 증강현실 장치는 반거울의 굴곡에 의한 외부광의 왜곡과 편향을 보상하는 보상용 광학소자;를 더 포함할 수 있다.
반거울은, 하나의 반거울 또는 다수의 반거울 어레이일 수 있다. 투명 디스플레이는, 마이크로 디스플레이 보다 크기가 큰 디스플레이일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 증강현실 제공 방법은 사용자의 전면에 배치된 투명 디스플레이가, 영상을 생성하는 단계; 편광 조정부가, 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 단계; 및 반거울이, 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 증강현실 광학 장치는 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 편광 조정부; 및 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 반거울;을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 증강현실 제공 방법은 편광 조정부가, 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 단계; 및 반거울이, 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 마이크로 디스플레이가 아닌 일반 중소형 크기의 투명 디스플레이를 이용하여 증강현실 영상 장치를 구현함으로써, 공정 비용 및 난이도를 절감할 수 있으며, 사용자로 하여금 대화면의 증강현실 영상 관측이 가능하게 할 수 있다.
도 1은 종래의 직시형 증강현실 영상 제공 장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치를 도시한 도면,
도 3과 도 4는, 도 2에 도시된 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조와 편광 조정 과정을 자세히 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 자체적으로 투명도를 확보한 디스플레이 장치를 사용자 전면에 위치시켜 직시형으로 관측할 수 있으면서도, 외부 영상에 대한 투시성을 확보할 수 있는 직시형 증강현실 영상 장치를 제시한다.
본 발명의 실시예에서는 마이크로 디스플레이 대신, 고투명도의 중소형(예: 2~7 인치 급) 디스플레이를 사용자의 전면에 위치시키고, 편광 조정을 이용한 광경로 폴딩 기술을 적용함으로써, 복잡한 광학 시스템 없이 직시형으로 넓은 화각의 증강현실 영상을 제공할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조와 개념을 간략하게 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치는 도시된 바와 같이, 투명 디스플레이(110), 투명 광학소자(120) 및 편광 조정부(130)를 포함하여 구성된다.
투명 디스플레이(110)는 사용자의 동공 전면에 배치되어 가상의 영상을 생성한다. 투명 디스플레이(110)는 투명 OLED, 투명 LCD 등으로 구현될 수 있음은 물론 홀로그래픽 광학 소자와 프로젝터의 조합으로 구현하는 것도 가능하다.
편광 조정부(130)는 투명 디스플레이(110)와 투명 광학소자(120) 사이에서 편광 조정을 통해 투명 디스플레이(110)에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩한다. 편광 조정부(130)에 의해 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 물리적인 크기를 줄일 수 있다.
투명 광학소자(120)는 투명 디스플레이(110)의 전면에 배치되어, 편광 조정부(130)에서 출사되는 투명 디스플레이(110)의 영상은 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광은 투과시켜 투명 디스플레이(110)의 영상과 결합시킨다.
도 3에는 도 2에 도시된 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조와 편광 조정 과정을 자세히 나타내었다.
도시된 바와 같이 투명 광학소자(120)는 평판 매질 내에 오목 반거울(122)을 임베디드하여, 보상용 광학 소자(121)와 오목 반거울(122)이 광학적으로 접합된 구조로 구현할 수 있다. 하지만 제시된 구조는 예시에 불과하며, 홀로그래픽 광학 소자, 표면 부조형 광학 소자, 메타 렌즈 등으로 구현할 수도 있다.
오목 반거울(122)은 RC-편광(오른원 편광)을 반사하면서 LC-편광(왼원 편광)으로 변환하고, LC-편광을 반사하면서 RC-편광(왼원 편광)으로 변환한다.
보상용 광학소자(121)는 오목 반거울(122)의 굴곡에 의한 외부광의 왜곡과 편향을 보상하기 위한 광학소자이다.
편광 조정부(130)는 선형 편광기(Linear polarizer : 131), QWR(Quarter Wave Retarder : 132), 반사형 편광기(Reflective polarizer : 133) 및 선형 편광기(134)를 포함하여 구성된다.
편광 조정부(130)와 투명 광학소자(120)는 투명 디스플레이(110)에서 출사되는 영상광이 사용자에 의해 인지되기 전에, 두 번의 추가적인 부분 반사를 유발하여 광경로를 폴딩한다. 영상광이 광학계 내부에서 반복적으로 반사됨에 따라 실제 물리적인 거리 대비 사용자가 느끼는 거리가 늘어나는 효과가 발생한다. 따라서 실제 광학계와 투명 디스플레이(110) 사이의 간격보다 넓은 공간을 광경로로 활용할 수 있으므로, 물리적으로 요구되는 시스템의 크기를 감소시킬 수 있다.
선형 편광기(131)는 현실 세계에서 입사되는 외부광 중 P-편광은 투과시키고 S-편광은 차단한다. QWR(132)는 P-편광(수평 선평광)과 RC-편광을 투과시키면서 상호 변환하고, S-편광(수직 선평광)과 LC-편광을 투과시키면서 상호 변환하는 변환기로 기능한다.
반사형 편광기(133)는 투명 디스플레이(110)의 영상광 중 P-편광은 투과시키고 S-편광은 반사한다. 선형 편광기(134)는 P-편광에 대해서는 투과시키지만 S-편광은 차단한다.
투명 디스플레이(110)의 영상이 사용자에게 전달되는 광경로는 아래와 같이 설명할 수 있다.
먼저 투명 디스플레이(110)에서 발생된 가상 영상의 영상광 중 P-편광은, 반사형 편광기(133)을 투과한 후에 QWR(132)을 투과하면서 RC-편광으로 변환되고, 오목 반거울(122)에서 반사되면서 LC-편광으로 변환된다.
이후 LC-편광은 QWR(132)를 투과하면서 S-편광으로 변환되어 반사형 편광기(133)에서 반사되고, QWR(132)를 투과하면서 LC-편광으로 변환된 후 오목 반거울(122)에서 반사되면서 RC-편광으로 변환된다.
다음 RC-편광은 QWR(132)를 투과하면서 P-편광으로 변환된 후, 반사형 편광기(133), 투명 디스플레이(110) 및 선형 편광기(134)를 투과하여 사용자의 동공으로 입사된다.
한편 투명 디스플레이(110)에서 발생된 영상광 중 S-편광은 고스트 영상광으로 취급되어, 반사형 편광기(133)에서 반사된 후 선형 편광기(134)에 의해 차단된다.
본래 안구로부터 근거리(예: 20cm 이내)에 위치한 디스플레이 소자는 사용자가 초점을 맞출 수 없는 범위에 위치하기에 올바른 영상 인지가 불가능하다. 하지만, 본 발명의 실시예에서는 도 3에 제시된 구조에 의해 투명 디스플레이(110)의 영상을 원거리에 허상으로 결상함으로써 근거리에 위치한 투명 디스플레이(110)의 영상 관측을 가능케한다. 따라서 사용자의 안구로부터 투명 디스플레이(110) 까지의 이격 거리는, 사용자가 초점을 맞추어 투명 디스플레이의 영상을 직접 인지할 수 있는 거리 보다 짧게 구현할 수 있다.
한편 도 4에 도시된 바와 같이 현실 세계에서 입사되는 외부광 중 P-편광은 본 발명의 일 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 모든 구성들을 투과하여 사용자의 동공으로 입사된다.
하지만 현실 세계에서 입사되는 외부광 중 S-편광은 선형 편광기(131)에 의해 차단된다. 이에 따라 영상광과 마찬가지로 외부광에 대한 투과도도 50% 이하로 유지시키게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 구조도이다. 도 3에 도시된 직시형 증강현실 영상 제공 장치의 오목 반거울(122)을 오목 반거울 어레이(123)로 대체하였다는 점에서 차이가 있다.
오목 반거울 어레이(123)는 전체 요구 광경로를 줄이면서도 가상 영상의 화각을 확대시켜 준다. 일반적으로 짧은 초점을 구현하기 위해서는 렌즈 면의 굴곡이 심해지는데, 직경이 큰 오목 반거울(122)은 이를 만족시키기가 어려울 수 있다.
따라서 투명 디스플레이(110)를 전체적으로 덮는 하나의 큰 광학 소자인 오목 반거울(122)을 여러 조각의 단위 광소자들의 집합으로 나눈 오목 반거울 어레이(123)로 광 기능을 수행하여 작은 크기의 단위 렌즈를 이용하여 렌즈의 초점거리를 감축시킴으로써 시스템의 박형화를 유도할 수 있다는 강점을 지닌다.
보상용 광학 소자(121)는 오목 반거울 어레이(123)의 표면 굴곡에 맞추어 광학적으로 보상됨으로써, 현실 세계로부터 입사되는 외부광에 대한 왜곡 및 편향을 최소화한다.
지금까지 투명 디스플레이를 이용한 대화면 직시형 증강현실 영상 제공 장치 및 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에서는 사용자의 전면에 위치하면서도 시야를 가리지 않아 투시성을 확보한 직시형 영상 장치를 구현함에 있어, 디스플레이 장치에 요구되는 화소의 크기 제한을 완화시키고, 마이크로 디스플레이가 아닌 일반 중소형 크기급의 디스플레이 장치로 대화면 증강현실 영상을 구현하여, 공정 비용 및 난이도를 절감할 수 있도록 하였고, 사용자로 하여금 대화면의 증강현실 영상 관측이 가능하게 하였다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (12)

  1. 사용자의 전면에 배치되어, 영상을 생성하는 투명 디스플레이;
    편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 편광 조정부; 및
    편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 반거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    사용자의 안구로부터 투명 디스플레이 까지의 이격 거리는,
    사용자가 초점을 맞추어 투명 디스플레이의 영상을 직접 인지할 수 있는 거리 보다 짧은 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    편광 조정부와 반거울은,
    투명 디스플레이에 출사되는 영상광에 대해 다수의 반사를 유발시켜 광경로를 폴딩하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    편광 조정부는,
    투명 디스플레이에 출사되는 영상광 중 제1 편광을 투과시키고, 변환기로부터 입사되는 제2 편광을 반사하며, 변환기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키는 반사형 편광기; 및
    반사형 편광기로부터 입사되는 제1 편광을 투과시키면서 제3 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제4 편광을 투과하면서 제2 편광으로 변환하며, 반사형 편광기로부터 입사되는 제2 편광을 투과시키면서 제4 편광으로 변환하고, 반거울로부터 입사되는 제3 편광을 투과하면서 제1 편광으로 변환하는 변환기;를 포함하고,
    반거울은,
    변환기로부터 입사되는 제3 편광을 반사하면서 제4 편광으로 변환하고, 변환기로부터 입사되는 제4 편광을 반사하면서 제3 편광으로 변환하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    반사형 편광기는,
    투명 디스플레이에 출사되는 영상광 중 제2 편광을 반사하고,
    증강현실 장치는,
    반사형 편광기에서 반사된 제2 편광을 차단하는 제1 선형 편광기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    현실 세계에서 입사되는 외부광 중 제1 편광은 투과시키고, 제2 편광은 차단시키는 제2 선형 편광기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    반거울의 굴곡에 의한 외부광의 왜곡과 편향을 보상하는 보상용 광학소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    반거울은,
    하나의 반거울 또는 다수의 반거울 어레이인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    투명 디스플레이는,
    마이크로 디스플레이 보다 크기가 큰 디스플레이인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  10. 사용자의 전면에 배치된 투명 디스플레이가, 영상을 생성하는 단계;
    편광 조정부가, 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 단계; 및
    반거울이, 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 제공 방법.
  11. 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 편광 조정부; 및
    편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 반거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 장치.
  12. 편광 조정부가, 편광 조정을 통해 투명 디스플레이에 생성된 영상에 대한 광경로를 폴딩하는 단계; 및
    반거울이, 편광 조정부에서 출사되는 영상을 반사하고 현실 세계에서 입사되는 외부광을 투과시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 제공 방법.
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