WO2022014875A1 - 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치 Download PDF

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하정훈
김재혁
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LetinAR Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device for augmented reality, and more particularly, by disposing an auxiliary reflecting unit performing the function of a collimator inside the optical unit and transmitting the augmented reality image light to the reflecting unit using total reflection from the inner surface of the optical unit. , it is possible to reduce the size, width, volume and weight of the device, and also relates to a compact optical device for augmented reality using total reflection that can minimize the occurrence of ghost images.
  • Augmented reality is a technology for providing a virtual image or image provided by a computer or the like overlaid on a real image of the real world.
  • an optical system capable of providing a virtual image or image generated by a device such as a computer overlaid on an image of the real world is required.
  • a technique using optical means such as a prism that reflects or refracts a virtual image using a head mounted display (HMD) or a glasses-type device is known.
  • HMD head mounted display
  • Patent Document 1 a device capable of implementing augmented reality by projecting a virtual image to the retina through the pupil using a reflector having a size smaller than that of the human pupil. has been developed.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an optical device 100 for augmented reality as disclosed in Patent Document 1. Referring to FIG.
  • the optical device 100 for augmented reality of FIG. 1 includes an optical unit 10 , a reflection unit 20 , an image output unit 30 , and a frame unit 40 .
  • the optical means 10 may be, for example, a spectacle lens as a means for transmitting at least a part of the real object image light, which is the image light emitted from the real object, and the reflecting unit 30 is embedded therein. Also, the optical means 10 transmits the augmented reality image light reflected from the reflector 20 to the pupil.
  • the frame unit 40 is a means for fixing and supporting the image output unit 30 and the optical means 10 , and may be, for example, a spectacle frame.
  • the image output unit 30 is a means for emitting augmented reality image light that is image light corresponding to the image for augmented reality, for example, from a small display device and a display device that display an image for augmented reality on the screen to emit augmented reality image light.
  • a collimator for collimating the emitted image light into parallel light may be provided.
  • the reflection unit 20 provides an image for augmented reality by reflecting image light corresponding to the image for augmented reality emitted from the image output unit 30 toward the user's pupil.
  • the reflector 20 of FIG. 1 is formed to have a size smaller than the human pupil size, that is, 8 mm or less.
  • the depth of the incident light can be made close to infinity, that is, the depth of field can be very deep.
  • the depth of field refers to a range recognized as being in focus, and as the depth increases, the focal length for the augmented reality image also increases. Even if you change the focal length for the world, the image for augmented reality is always perceived as in focus regardless of this. This can be seen as a kind of pinhole effect. Accordingly, even if the user changes the focal length while gazing at a real object existing in the real world, the user can always see a clear virtual image for the augmented reality image.
  • this technique has limitations in that the size, thickness, and volume of the device increase because additional optical means such as a collimator for parallel light must be used for the image output unit 30 .
  • the present invention is to solve the above problems, by disposing an auxiliary reflector performing the function of a collimator inside the optical means, and transmitting the augmented reality image light to the reflecting part using total reflection from the inner surface of the optical means,
  • An object of the present invention is to provide a compact optical device for augmented reality using total reflection that can reduce the size, width, volume and weight of the device.
  • Another object of the present invention is to provide a compact optical device for augmented reality capable of minimizing a ghost image that may occur when total reflection is used.
  • the present invention provides an optical device for a compact augmented reality using total reflection, comprising: an optical means for transmitting at least a portion of a real object image light toward a pupil of a user's eyes; a first reflection unit disposed inside the optical unit and transmitting the augmented reality image light that is image light corresponding to the image for augmented reality emitted from the image output unit to the second reflection unit; and a second reflector disposed inside the optical means and providing an image for augmented reality to the user by reflecting and transmitting the augmented reality image light transmitted from the first reflector toward the pupil of the user's eye,
  • the optical means has a first surface on which the real object image light is incident, and a second surface on which the augmented reality image light and the real object image light transmitted through the second reflector are emitted toward the pupil of the user's eye, the The reflective surface that reflects the augmented reality image light of the first reflector is disposed to face the first surface of the optical means, and the augmented reality image light emitted from
  • the reflective surface of the first reflector may be concave with respect to the first surface of the first optical means.
  • the length of the width direction of the first reflection part is 4 mm or less.
  • the second reflection unit is formed in plurality, and each of the second reflection units may reflect and transmit the augmented reality image light emitted from the first reflection unit and totally reflected from the first surface of the optical means toward the pupil. It may be arranged to have an inclination angle with respect to the second surface of the optical means.
  • each of the second reflection units is formed to have a size of 4 mm or less.
  • each of the second reflection units may be disposed so that the augmented reality image light emitted from the first reflection unit and transmitted after being totally reflected on the first surface of the optical means is not blocked by other second reflection units.
  • a ghost image light absorbing unit disposed between the image output unit and the first reflection unit to absorb the ghost image light generating a ghost image among the augmented reality image light emitted from the image output unit.
  • the ghost image light absorbing unit is emitted from the image output unit and transmitted directly to the first reflection unit to absorb at least a part of the augmented reality image light generating a ghost image between the image output unit and the first reflection unit inside the optical means. It is preferable to place
  • the ghost image light absorbing unit may be disposed on a virtual straight line directly connecting one point of the image output unit from which the augmented reality image light generating the ghost image is emitted and any one point of the reflective surface of the first reflecting unit.
  • the ghost image light absorbing part may be formed of a light absorbing material that does not reflect light.
  • a surface of the ghost image light absorbing unit opposite to the image emitting unit may be formed of a coated surface formed of a light absorbing material.
  • the size, width, volume and weight of the device are reduced by disposing an auxiliary reflecting unit performing the function of a collimator inside the optical means, and transmitting the augmented reality image light to the reflecting unit using total reflection from the inner surface of the optical means. It is possible to provide a compact optical device for augmented reality using total reflection that can be reduced.
  • the present invention may provide a compact optical device for augmented reality capable of minimizing a ghost image that may occur when total reflection is used.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an optical device 100 for augmented reality as disclosed in Patent Document 1. Referring to FIG.
  • FIG. 2 shows a side view of an optical device 200 for a compact augmented reality using total reflection according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are diagrams for explaining the effect of the optical device 200 for augmented reality according to the embodiment of FIG. 2 .
  • FIG 5 is a side view of an optical device 300 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are diagrams for explaining the function of the ghost image light absorption unit 70 .
  • FIG. 2 shows a side view of an optical device 200 for a compact augmented reality using total reflection according to an embodiment of the present invention.
  • the compact optical apparatus 200 for augmented reality using total reflection of the embodiment of FIG. 2 (hereinafter simply referred to as "optical apparatus 200 for augmented reality") includes an optical means 10 , a first reflector 50 and A second reflector 20 is included.
  • the optical means 10 is a means for transmitting at least a part of the real object image light, which is the image light emitted from the real object, toward the pupil 60 of the user's eyes.
  • transmitting at least a portion of the real object image light toward the pupil 60 means that the light transmittance of the real object image light does not necessarily have to be 100%.
  • the optical means 10 has a first surface 11 and a second surface 12 arranged to face each other.
  • the first surface 11 is the surface on which the real object image light is incident
  • the second surface 12 is the augmented reality image light corresponding to the augmented reality image reflected by the second reflector 20
  • the first surface ( 11) is the surface on which the image light of the real object that has passed through is emitted toward the pupil 60 of the user's eye.
  • the first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10 are formed to be parallel to each other, but this is exemplary and may be arranged not to be parallel to each other.
  • the augmented reality image light emitted from the image output unit 30 is totally reflected on the first surface 11 of the optical means 10 and transmitted to the first reflection unit 50 , and the first reflection
  • the augmented reality image light reflected by the part 50 is emitted toward the first surface 11 , is totally reflected again on the first surface 11 , and is transmitted to the second reflector 20 .
  • the second reflection unit 20 is configured to reflect the incident augmented reality image light and output it to the pupil 60 through the second surface 12 of the optical means 10 .
  • the second reflection unit 20 includes a plurality of second reflection units 21 , 22 , and 23 , and in this specification, the second reflection unit 20 includes a plurality of second reflection units 21 , 22 . ,23) are collectively referred to as A detailed configuration of the second reflection unit 20 will be described later.
  • the image output unit 30 is a means for emitting augmented reality image light that is image light corresponding to an image for augmented reality, and may be, for example, a display device such as a small LCD.
  • 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 in the present embodiment does not include a configuration such as a collimator as described above in the technical part that is the background of the invention.
  • the term “augmented reality image” is transmitted to the user's pupil 60 through the image output unit 30 , the optical means 10 , the first reflector 50 and the second reflector 20 . It means a virtual image that is used, and may be, for example, a still image in the form of an image or a moving image.
  • This augmented reality image is transmitted to the user's pupil 60 via the image output unit 30, the optical means 10, the first reflector 50 and the second reflector 20, thereby providing the user as a virtual image.
  • the user can receive the augmented reality service by receiving the real object image light emitted from the real object existing in the real world through the optical means 10 .
  • the first reflection unit 50 is disposed to be embedded in the optical means 10 , and transmits the augmented reality image light corresponding to the augmented reality image emitted from the image output unit 30 to the second reflection unit 20 . It is a means of conveying
  • the image output unit 30 emits the augmented reality image light toward the first surface 11 of the optical means 10 , and the first surface of the optical means 10 .
  • the augmented reality image light totally reflected in ( 11 ) is transmitted to the first reflecting unit ( 50 ).
  • the augmented reality image light reflected by the first reflecting unit 50 is emitted toward the first surface 11 of the optical means 10 and is totally reflected from the first surface of the optical means 10 to the second reflecting unit ( 20) is transmitted.
  • the second reflector 20 reflects the incident augmented reality image light and emits it toward the pupil 60 .
  • the first reflection unit 50 is disposed to be embedded in the optical means 10 so as to face the image output unit 30 with the second reflection unit 20 interposed therebetween.
  • the first reflecting unit 50 is the first surface 11 and the second surface of the optical means 10 so as to reflect the image light for augmented reality toward the first surface 11 of the optical means (10) (12) It is placed buried in an appropriate position in the internal space between.
  • the first reflection unit 50 transmits the augmented reality image light emitted from the image output unit 30 and totally reflected by the first surface 11 of the optical unit 10 to the first surface of the optical unit 10 .
  • the first surface 11 of the optical means 10 and the first surface 11 of the optical means 10 in consideration of the relative positions of the image output unit 30, the second reflection unit 20, and the pupil 60 so as to be reflected back toward (11). It is arranged in a suitable position inside the optical means (10) between the two faces (12).
  • the first reflecting unit 50 is the surface on which the reflecting surface 51 of the first reflecting unit 50 that reflects the augmented reality image light is incident on the real object image light, that is, the optical means ( 10) is disposed to be embedded in the interior of the optical means 10 to face the first surface (11).
  • the reflection surface 51 of the first reflection unit 50 may be formed of a concave mirror concave with respect to the first surface 11 of the optical means 10 .
  • the first reflection unit 50 can serve as a collimator for collimating the augmented reality image light emitted from the image output unit 30, and thus the image output unit 30 is provided as a collimator. There is no need to use a configuration, thereby reducing the overall size and volume of the device.
  • the size of the second reflecting unit 20 is 8 mm or less, which is the size of a human pupil, and more preferably 4 mm or less.
  • the size of the first reflecting unit 50 The length in the width direction is formed to be 8 mm or less, more preferably 4 mm or less, to correspond to the size of the second reflection unit 20 .
  • the width direction of the first reflection unit 50 means a direction between the first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10 in FIG. 2 .
  • the first reflector 50 has a thickness when the user sees the first reflector 50 through the pupil 60 from the front so that the user cannot recognize the first reflector 50 through the pupil 60 as little as possible. It is desirable to make it very thin
  • the first reflector 50 may be configured as a means such as a half mirror that partially reflects light.
  • the first reflecting unit 50 may be formed of other refractive elements or diffractive elements other than the reflecting means.
  • the first reflector 50 may be formed of an optical element such as a notch filter that selectively transmits light according to a wavelength.
  • the opposite surface of the reflective surface 51 that reflects the augmented reality image light of the first reflective unit 50 may be coated with a material that does not reflect light but absorbs it.
  • the second reflector 20 is disposed to be embedded in the optical means 10 , and the augmented reality image light transmitted through the first reflector 50 and the first surface 11 of the optical means 10 . It is a means for providing an image for augmented reality to the user by reflecting and transmitting the to the pupil 60 of the user's eyes.
  • At least one second reflection unit 20 may be formed.
  • the second reflection unit 20 is formed of three second reflection units 21 , 22 , and 23 .
  • the plurality of second reflection units 21 , 22 , and 23 reflect the augmented reality image light emitted from the first reflection unit 50 and transmitted through total reflection on the first surface 11 of the optical means 10 , respectively. It is embedded in the interior of the optical means 10 to be delivered to the user's pupil (60).
  • the augmented reality image light emitted from the image output unit 30 is totally reflected on the first surface 11 of the optical means 10 and transmitted to the first reflection unit 50, and the first reflection unit ( Since the augmented reality image light reflected in 50 is emitted toward the first surface 11 of the optical means 10 and then totally reflected back on the first surface 11 and transmitted to the second reflection unit 20, the second 2
  • the plurality of reflection units 21 , 22 , and 23 constituting the reflection unit 20 are the positions of the first reflection unit 50 and the pupil 60 and the positions of the first surface 11 of the optical means 10 . It is arranged to have an appropriate inclination angle with respect to the second surface 12 of the optical means 10 in consideration of the.
  • Each of the plurality of reflective parts 21, 22, and 23 is smaller than the human pupil size, that is, 8 mm or less, so as to obtain a pinhole effect by deepening the depth, as described in the description of the background of the invention above. In most cases, it is formed to be less than 4 mm.
  • each of the plurality of reflection units 21 , 22 , and 23 is formed to have a size smaller than the normal pupil size of a person, whereby light incident into the pupil 60 through each of the reflection units 21 , 22 , 23 .
  • each of the plurality of reflection units 21 , 22 , and 23 is defined as the maximum length between any two points on the boundary line of the edge of each reflection unit 21 , 22 , and 23 .
  • each of the plurality of reflection units 21 , 22 , and 23 is perpendicular to the straight line between the pupil 60 and the reflection units 21 , 22 , 23 and is each on a plane including the center of the pupil 60 . It may be the maximum length between any two points on the edge boundary of the orthographic projection projected by the reflectors 21 , 22 , and 23 .
  • the size of the plurality of reflection parts 21, 22, and 23 may be greater than approximately 50 ⁇ m to 700 ⁇ m.
  • each of the plurality of reflection units 21 , 22 , 23 is a reflection unit 21 , in which the augmented reality image light transmitted through the first surface 11 of the first reflection unit 50 and the optical means 10 is different. 22 and 23), the positions of the first reflective part 50 and the first surface 11 are taken into consideration so as to be appropriately disposed.
  • the plurality of reflection units 21 , 22 , and 23 when viewed from the side of the optical means 10 , the plurality of reflection units 21 , 22 , and 23 come closer to the second surface 12 of the optical means 10 from the bottom to the top. ) can be placed.
  • the augmented reality image light emitted from any one point A of the image output unit 30 is totally reflected on the first surface 11 of the optical means 10 and first
  • the augmented reality image light transmitted to the reflection unit 50 and reflected by the first reflection unit 50 performing the function of a collimator is emitted toward the first surface 11 of the optical means 10 as parallel light .
  • the augmented reality image light totally reflected from the first surface 11 of the optical means 10 is transmitted to the second reflection unit 20 composed of a plurality of second reflection units 21 , 22 , and 23 , respectively. It can be seen that the augmented reality image light, which is parallel light reflected from the second reflectors 21, 22, and 23 of
  • the sizes of the plurality of reflection units 21 , 22 , and 23 do not all need to be the same, and may be partially different from each other.
  • the plurality of reflection units 21 , 22 , and 23 are disposed at the same distance from each other, but at least some of the reflection units 21 , 22 , and 23 are spaced apart from each other by the other reflection units 21 , 22 , 23 . It may be arranged differently from the spacing between them.
  • At least some of the plurality of second reflection units 21 , 22 , and 23 may be configured as a means such as a half mirror for partially reflecting light.
  • At least some of the plurality of second reflection units 21 , 22 , and 23 may be formed of other refractive elements or diffractive elements other than the reflection unit.
  • At least some of the plurality of second reflection units 21 , 22 , and 23 may be formed of an optical element such as a notch filter that selectively transmits light according to a wavelength.
  • the opposite surface of the surface that reflects the augmented reality image light may be coated with a material that does not reflect light but absorbs light.
  • the surface of at least a portion of the plurality of second reflection units 21 , 22 , and 23 may be formed as a curved surface.
  • the curved surface may be a concave surface or a convex surface.
  • the angle of inclination of at least a portion of the plurality of second reflection units 21 , 22 , and 23 with respect to the optical means 10 may be different from that of other second reflection units 21 , 22 , and 23 .
  • FIGS. 3 and 4 are views for explaining the effect of the optical device 200 for augmented reality according to the embodiment of FIG. 2 .
  • FIGS. 3 and 4 only one second reflector 20 is disposed for convenience of explanation. The case is shown as an example.
  • FIGS. 3 and 4 (a) show a case in which the augmented reality image light reflected by the first reflecting unit 50 is directly transmitted to the second reflecting unit 20, and in FIGS. 3 and 4 (b) is the same configuration as described in FIG. 2 , that is, the augmented reality image light reflected by the first reflecting unit 50 is totally reflected on the first surface 11 of the optical means 10 and transmitted to the second reflecting unit 20 . case is indicated.
  • the size W1 of the first reflecting unit 50 shown to the user in FIG. 3A is the first reflecting unit 50 shown to the user in FIG. 3B (b). 50) is much larger than the size W2. Accordingly, in the case of (b) of FIG. 3 , since the first reflector 50 is hardly recognized by the user, the see-through function can be significantly increased compared to the case of (a) of FIG. 3 . It can be seen that there is
  • the incident angle and reflection angle of the augmented reality image light with respect to the first reflector 50 in FIG. 4B are augmented with respect to the first reflector 50 in FIG. 4A . Since it is smaller than the incident angle and reflection angle of the actual image light, the optical performance is improved, and the width h2 of the optical means 10 in FIG. 4B and the width h1 of the optical means 10 in FIG. 4A It can be seen that the thickness of the optical means 10 can be reduced by making it smaller. Therefore, it can be seen that the case of (b) of FIG. 4 can reduce the overall size and volume of the device and that it is advantageous to increase the overall optical performance compared to the case of (a).
  • FIG 5 is a side view of an optical device 300 for augmented reality according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 300 for augmented reality of the embodiment of FIG. 5 is the same as the optical device 200 for augmented reality described with reference to FIGS. 2 to 4 except that it further includes a ghost image light absorbing unit 70 . .
  • FIG. 5 other configurations are the same as those of the optical device 200 for augmented reality described with reference to FIGS. 2 to 4 , and thus a detailed description will be omitted, and only the ghost image light absorbing unit 70 will be described.
  • the ghost image light absorption unit 70 is disposed between the image output unit 30 and the first reflection unit 50 , and generates a ghost image among the augmented reality image light emitted from the image output unit 30 . function to absorb
  • 6 and 7 are diagrams for explaining the function of the ghost image light absorption unit 70 .
  • FIG. 6 shows a case in which a ghost image is generated in the optical device 200 for augmented reality according to the embodiment described with reference to FIGS. 2 to 4 .
  • only one second reflector 20 is displayed for convenience of explanation. did
  • the augmented reality image light L1 is as described above with reference to FIGS. 2 to 4 . Likewise, it is totally reflected from the first surface 11 of the optical means 10 and is incident on the first reflector 50 .
  • the augmented reality image light L1 reflected by the first reflection unit 50 is again emitted to the first surface 11 of the optical means 10 and is totally reflected there again and then to the second reflection unit 20 .
  • the augmented reality image light L1 transmitted and reflected by the second reflector 20 is transmitted to the retina through the pupil 60 to form a normal image A′.
  • the augmented reality image light L2 indicated by a dotted line among the augmented reality image lights L1 and L2 emitted from an arbitrary point A of the image output unit 30 is transmitted directly to the first reflection unit 50 . and reflected here, exits to the first surface 11 of the optical means 10, is totally reflected here, is transmitted to the second reflector 20, is reflected by the second reflector 20 again, and is reflected in the pupil 60 ) through the retina to form an image (B).
  • This image (B) is formed in a position different from that of the image (A') on the retina and acts as a reason for forming a ghost image.
  • FIG. 7 shows a case in which a ghost image is generated in the optical device 200 for augmented reality having a plurality of second reflection units 21 , 22 , and 23 , and even in this case, any Among the augmented reality image lights L1 and L2 emitted from a point (A) of A ⁇ ), but the augmented reality image light L2 indicated by a dotted line forms an image B at a location different from the position where the image A is formed on the retina, thereby forming a ghost image.
  • the ghost image is directly transmitted to the first reflection unit 50 among the augmented reality image light emitted from an arbitrary point of the image output unit 30 , and is selected from among the first reflection unit, the optical means, and the second reflection unit. generated by augmented reality image light that passes through at least one and forms an image on the retina through the pupil.
  • the ghost image refers to an image in which the normal augmented reality image light passing through the optical path according to the intended design of the optical device 200 for augmented reality forms an image at a location different from the position where the image is formed on the retina. do.
  • the ghost image light absorbing unit 70 absorbs the augmented reality image light that generates such a ghost image without reflecting it, and prevents the ghost image from being transmitted to the second reflecting unit 20 .
  • the ghost image light absorbing unit 70 By disposing the ghost image light absorbing unit 70 inside the optical means 10 based on the principle as described above, as shown in FIG. ) to absorb the augmented reality image light L2 that can be transmitted directly to generate a ghost image, and thus the augmented reality image light L2 is not transmitted to the second reflector 20 and the pupil 60 .
  • FIG. 8 is a state in which an image for normal augmented reality without a ghost image is displayed
  • FIG. 9 is a state in which a ghost image is displayed on the top
  • FIG. 10 illustrates a state in which a ghost image is minimized by the ghost image light absorption unit 70 as described with reference to FIGS. 5 to 7 and displayed to the user.
  • the ghost image light absorption unit 70 absorbs at least a portion of the augmented reality image light emitted from the image output unit 30 and transmitted directly to the first reflection unit 50 to generate a ghost image. It is preferably disposed between the image output unit 30 and the first reflection unit 50 inside the optical means 10 .
  • the ghost image light absorption unit 70 is a point of the image output unit 30 from which the augmented reality image light generating the ghost image is emitted and any one point of the reflective surface 51 of the first reflection unit 50 . It is preferable to be arranged on an imaginary straight line directly connecting
  • the ghost image light absorbing unit 70 is preferably disposed below the second reflecting unit 20 with respect to the image output unit 30 as a reference.
  • the ghost image light absorbing unit 70 is preferably formed of a light absorbing material that does not reflect light.
  • a surface of the ghost image light absorbing unit 70 opposite to the image emitting unit 30 may be formed of a coated surface formed of a light absorbing material.
  • the light absorbing material means a material having a property of not reflecting light
  • being formed of a light absorbing material means absorbing ghost image light with a paint made of a material having a property of not reflecting light but absorbing light
  • the surface of the part 70 is coated or the ghost image light absorbing part 70 itself is formed of a light absorbing material.
  • a light absorbing material and a paint made of the light absorbing material are known in the prior art and are not the direct object of the present invention, so detailed description thereof will be omitted.

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Abstract

본 발명은 실제 사물 화상광을 동공을 향해 투과시키는 광학 수단; 상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광을 제2 반사부로 전달하는 제1 반사부; 및 상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 상기 제1 반사부로부터의 증강 현실 화상광을 동공을 향해 반사시켜 전달하는 제2 반사부를 포함하고, 상기 광학 수단은 실제 사물 화상광이 입사하는 제1 면과 증강 현실 화상광 및 실제 사물 화상광이 동공을 향해 출사하는 제2 면을 가지고, 상기 제1 반사부의 증강 현실 화상광을 반사시키는 반사면은 상기 광학 수단의 제1 면을 향하도록 배치되고, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 상기 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 제1 반사부로 전달되고, 상기 제1 반사부에 의해 반사되어 상기 광학 수단의 제1 면을 향해 출사되고, 상기 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 상기 제2 반사부로 전달되고, 상기 제2 반사부는 상기 제1 면에서 전반사되어 전달되는 증강 현실 화상광을 동공을 향해 반사시켜 전달하도록 상기 광학 수단의 내면에 배치되는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콜리메이터의 기능을 수행하는 보조 반사부를 광학 수단 내부에 배치하고 광학 수단의 내면에서의 전반사를 이용하여 증강 현실 화상광을 반사부로 전달함으로써, 장치의 크기, 폭, 부피와 무게를 줄일 수 있으며, 또한 고스트 이미지의 발생을 최소화할 수 있는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치에 관한 것이다.
증강 현실(AR, Augmented Reality)이라 함은, 주지된 바와 같이, 현실 세계의 실제 영상에 컴퓨터 등에 의해 제공되는 가상의 영상이나 이미지를 겹쳐서 제공하는 기술이다.
이러한 증강 현실을 구현하기 위해서는, 컴퓨터와 같은 디바이스에 의해 생성되는 가상의 영상이나 이미지를 현실 세계의 영상에 겹쳐서 제공할 수 있도록 하는 광학계를 필요로 한다. 이러한 광학계로서는 HMD(Head Mounted Display)나 안경형의 장치를 이용하여 가상 영상을 반사 또는 굴절시키는 프리즘 등과 같은 광학 수단을 사용하는 기술이 알려져 있다.
그러나, 이러한 종래의 광학계를 이용한 장치들은, 그 구성이 복잡하여 무게와 부피가 상당하므로 사용자가 착용하기에 불편함이 있고 제조 공정 또한 복잡하므로 제조 비용이 높다는 문제가 있다.
또한, 종래의 장치들은, 사용자가 현실 세계를 응시할 때 초점 거리를 변경하는 경우 가상 영상의 초점이 맞지 않게 된다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절할 수 있는 프리즘과 같은 구성을 이용하거나 초점 거리의 변경에 따라 가변형 초점 렌즈를 전기적으로 제어하는 등의 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 기술 또한 초점 거리를 조절하기 위하여 사용자가 별도의 조작을 해야 하거나 초점 거리의 제어를 위한 별도의 프로세서 등과 같은 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다는 점에서 문제가 있다.
이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 사람의 동공보다 작은 크기의 반사부를 이용하여 가상 영상을 동공을 통해 망막에 투영함으로써 증강 현실을 구현할 수 있는 장치를 개발한 바 있다.
도 1은 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10), 반사부(20), 화상 출사부(30) 및 프레임부(40)를 포함한다.
광학 수단(10)은 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 투과시키는 수단으로써 예컨대 안경 렌즈일 수 있으며, 그 내부에는 반사부(30)가 매립 배치되어 있다. 또한, 광학 수단(10)은 반사부(20)로부터 반사된 증강 현실 화상광을 동공으로 전달하도록 투과시키는 기능도 수행한다.
프레임부(40)는 화상 출사부(30)와 광학 수단(10)을 고정 및 지지하는 수단으로서, 예컨대 안경 테와 같은 것일 수 있다.
화상 출사부(30)는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 증강 현실용 화상을 화면에 표시하여 증강 현실 화상광을 방사하는 소형 디스플레이 장치와 디스플레이 장치로부터 방사되는 화상광을 평행광으로 시준하기 위한 콜리메이터(collimator)를 구비할 수 있다.
반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 동공을 향해 반사시킴으로써 증강 현실용 화상을 제공한다.
도 1의 반사부(20)는, 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성되어 있는데, 이와 같이 반사부(30)를 동공 크기보다 작게 형성하면, 반사부(20)를 통해 동공으로 입사하는 빛에 대한 심도를 거의 무한대에 가깝게 즉, 심도를 매우 깊게 할 수 있다.
여기서, 심도(Depth of Field)라 함은, 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위를 말하는데, 심도가 깊어지게 되면 증강 현실용 화상에 대한 초점 거리도 깊어진다는 것을 의미하고 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 증강 현실용 화상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 된다. 이는 일종의 핀홀 효과(pin hole effect)라고 볼 수 있다. 따라서, 사용자가 실제 세계에 존재하는 실제 사물을 응시하면서 초점 거리를 변경하더라도 사용자는 증강 현실용 화상에 대해서는 항상 선명한 가상 영상을 볼 수 있다.
그러나, 이러한 기술은 화상 출사부(30)에 평행광을 위한 콜리메이터 등과 같은 추가적인 광학 수단을 사용해야 하기 때문에, 장치의 크기, 두께 및 부피가 커진다는 한계가 있다.
[특허문헌 1]
대한민국 등록특허공보 10-1660519호(2016.09.29 공고)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 콜리메이터의 기능을 수행하는 보조 반사부를 광학 수단 내부에 배치하되 광학 수단의 내면에서의 전반사를 이용하여 증강 현실 화상광을 반사부로 전달함으로써, 장치의 크기, 폭, 부피와 무게를 줄일 수 있는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전반사를 이용하는 경우 발생할 수 있는 고스트 이미지를 최소화할 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단; 상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 제2 반사부로 전달하는 제1 반사부; 및 상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 상기 제1 반사부로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 제2 반사부를 포함하고, 상기 광학 수단은, 실제 사물 화상광이 입사하는 제1 면과 상기 제2 반사부를 통해 전달되는 증강 현실 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공을 향해 출사하는 제2 면을 가지고, 상기 제1 반사부의 증강 현실 화상광을 반사시키는 반사면은 상기 광학 수단의 제1 면을 향하도록 배치되고, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 상기 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 제1 반사부로 전달되고, 상기 제1 반사부에 의해 반사되어 상기 광학 수단의 제1 면을 향해 출사되고, 상기 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 상기 제2 반사부로 전달되고, 상기 제2 반사부는, 상기 제1 면에서 전반사되어 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달하도록 상기 광학 수단의 내면에 배치되는 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 제1 반사부의 반사면은 상기 제1 광학 수단의 제1 면에 대해 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 반사부의 폭 방향의 길이는 4mm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 반사부는 복수개로 형성되며, 제2 반사부 각각은, 상기 제1 반사부로부터 출사되어 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 전달되는 증강 현실 화상광을 동공을 향해 반사시켜 전달할 수 있도록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 경사각을 가지도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부 각각은 4mm 이하의 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 반사부 각각은, 상기 제1 반사부로부터 출사되어 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 전달되는 증강 현실 화상광이 다른 제2 반사부에 의해 차단되지 않도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 화상 출사부와 제1 반사부 사이에 배치되어, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광 중에서 고스트 이미지를 발생시키는 고스트 화상광을 흡수하는 고스트 화상광 흡수부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고스트 화상광 흡수부는 화상 출사부로부터 출사되어 제1 반사부로 직접 전달되어 고스트 이미지를 발생시키는 증강 현실 화상광의 적어도 일부를 흡수하도록 광학 수단의 내부에서 화상 출사부와 제1 반사부 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고스트 화상광 흡수부는, 고스트 이미지를 발생시키는 증강 현실 화상광이 출사되는 화상 출사부의 한 점과 제1 반사부의 반사면의 어느 한 점을 직접 연결한 가상의 직선상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 고스트 화상광 흡수부는 빛을 반사하지 않는 광 흡수 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 고스트 화상광 흡수부의 화상 출사부와 대향하는 면은 광 흡수 재질로 형성된 코팅면으로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 콜리메이터의 기능을 수행하는 보조 반사부를 광학 수단 내부에 배치하되 광학 수단의 내면에서의 전반사를 이용하여 증강 현실 화상광을 반사부로 전달함으로써, 장치의 크기, 폭, 부피와 무게를 줄일 수 있는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 전반사를 이용하는 경우 발생할 수 있는 고스트 이미지를 최소화할 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 실시예의 증강 현실용 광학 장치(200)의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7은 고스트 화상광 흡수부(70)의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 사용자에게 실제 보여지는 정상 증강 현실용 화상과 고스트 이미지를 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 2의 실시예의 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(200, 이하, 간단히 "증강 현실용 광학 장치(200)"라 한다)는, 광학 수단(10), 제1 반사부(50) 및 제2 반사부(20)를 포함한다.
광학 수단(10)은, 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공(60)을 향해 투과시키는 수단이다.
여기에서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 동공(60)을 향해 투과시킨다는 것은 실제 사물 화상광의 빛 투과율이 반드시 100%일 필요는 없다는 의미이다.
광학 수단(10)은, 서로 대향하도록 배치된 제1 면(11)과 제2 면(12)을 구비한다. 제1 면(11)은 실제 사물 화상광이 입사하는 면이고, 제2 면(12)은 제2 반사부(20)에서 반사된 증강 현실용 화상에 상응하는 증강 현실 화상광 및 제1 면(11)을 통과한 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공(60)을 향해 출사하는 면이다.
도 2의 실시예에서 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)은 서로 평행하도록 형성되어 있으나, 이는 예시적인 것이며 서로 평행하지 않도록 배치될 수도 있음은 물론이다.
도 2의 실시예에서는, 화상 출사부(30)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 제1 반사부(50)으로 전달되고, 제1 반사부(50)에서 반사된 증강 현실 화상광은 제1 면(11)을 향해 출사되어 제1 면(11)에서 다시 전반사되어 제2 반사부(20)로 전달된다. 제2 반사부(20)는 입사하는 증강 현실 화상광을 반사시켜 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 통해 동공(60)으로 출사하도록 구성되어 있다.
여기에서, 제2 반사부(20)는, 복수개의 제2 반사부(21,22,23)로 구성되며, 본 명세서에서 제2 반사부(20)는 복수개의 제2 반사부(21,22,23)를 통칭하는 것으로 한다. 제2 반사부(20)의 상세 구성에 대해서는 후술한다.
한편, 화상 출사부(30)는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 소형의 LCD와 같은 디스플레이 장치일 수 있다.
이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예에서의 화상 출사부(30)는 앞서 발명의 배경이 되는 기술 부분에서 설명한 바와 같이 콜리메이터와 같은 구성은 포함하지 않는다.
한편, "증강 현실용 화상"이라 함은, 화상 출사부(30), 광학 수단(10), 제1 반사부(50) 및 제2 반사부(20)를 통해 사용자의 동공(60)으로 전달되는 가상 화상(virtual image)을 의미하며, 예컨대 이미지 형태의 정지 영상이거나 동영상과 같은 것일 수 있다.
이러한 증강 현실용 화상은 화상 출사부(30), 광학 수단(10), 제1 반사부(50) 및 제2 반사부(20)를 거쳐 사용자의 동공(60)으로 전달됨으로써 사용자에게 가상 화상으로서 제공되고, 이와 동시에 사용자는 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사되는 실제 사물 화상광을 광학 수단(10)을 통해 전달받음으로써 증강 현실 서비스를 제공받을 수 있게 된다.
다음으로, 제1 반사부(50)에 대해 설명한다.
제1 반사부(50)는, 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치되며, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실 화상에 상응하는 증강 현실 화상광을 제2 반사부(20)로 전달하는 수단이다.
도 2의 실시예에서는, 전술한 바와 같이, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 증강 현실 화상광을 출사하고, 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사된 증강 현실 화상광은 제1 반사부(50)로 전달된다.
이후, 제1 반사부(50)에서 반사된 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 출사하고 광학 수단(10)의 제1 면에서 전반사되어 제2 반사부(20)로 전달된다. 또한, 제2 반사부(20)는 입사하는 증강 현실 화상광을 반사시켜 동공(60)을 향해 출사시킨다.
제1 반사부(50)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제2 반사부(20)를 사이에 두고 화상 출사부(30)와 대향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.
또한, 제1 반사부(50)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 증강 현실용 화상광을 반사시킬 수 있도록 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 내부 공간의 적절한 위치에 매립 배치된다.
즉, 제1 반사부(50)는 화상 출사부(30)로부터 출사되어 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 입사하는 증강 현실 화상광을 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 다시 반사시킬 수 있도록, 화상 출사부(30), 제2 반사부(20) 및 동공(60)의 상대적인 위치를 고려하여 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 광학 수단(10)의 내부의 적절한 위치에 배치된다.
도 2의 실시예에서, 제1 반사부(50)는 증강 현실 화상광을 반사시키는 제1 반사부(50)의 반사면(51)이 실제 사물 화상광이 입사하는 면, 즉, 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.
또한, 제1 반사부(50)의 반사면(51)은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에 대해 오목하게 형성된 오목 거울로 형성할 수 있다. 이에 의하면, 제1 반사부(50)가 화상 출사부(30)에서 출사된 증강 현실 화상광을 시준시키는 콜리메이터(collimator)로서의 역할을 수행할 수 있고, 따라서 화상 출사부(30)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용할 필요가 없어서 장치의 전체적인 크기 및 부피를 줄일 수 있다.
한편, 후술하는 바와 같이 제2 반사부(20)의 크기는 사람의 일반적인 동공의 크기인 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성되는데, 이러한 점을 고려하여 제1 반사부(50)의 폭 방향의 길이는 제2 반사부(20)의 크기에 상응하도록 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성한다.
여기에서, 제1 반사부(50)의 폭 방향이란, 도 2에서는 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 방향을 의미한다.
또한, 제1 반사부(50)는, 사용자가 동공(60)을 통해 제1 반사부(50)을 가급적 거의 인식할 수 없도록 하기 위하여 사용자가 동공(60)을 통해 정면에서 보았을 때의 두께를 매우 얇게 하는 것이 바람직하다
또한, 제1 반사부(50)는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.
또한, 제1 반사부(50)는 반사 수단 이외의 기타 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 제1 반사부(50)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 제1 반사부(50)의 증강 현실 화상광을 반사시키는 반사면(51)의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.
다음으로, 제2 반사부(20)에 대해 설명한다.
제2 반사부(20)는, 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치되며, 제1 반사부(50) 및 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공(60)을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 수단이다.
제2 반사부(20)는 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 도 2에서는 제2 반사부(20)는 3개의 제2 반사부(21,22,23)로 형성되어 있다.
복수개의 제2 반사부(21,22,23)는, 제1 반사부(50)로부터 출사되어 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 전달되는 증강 현실 화상광을 각각 반사시켜 사용자의 동공(60)으로 전달할 수 있도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.
전술한 바와 같이, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 제1 반사부(50)로 전달되고, 제1 반사부(50)에서 반사된 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 출사된 후 제1 면(11)에서 다시 전반사되어 제2 반사부(20)로 전달되기 때문에, 제2 반사부(20)를 구성하는 복수개의 반사부(21,22,23)들은 제1 반사부(50) 및 동공(60)의 위치와 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 위치를 고려하여 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 대해 적절한 경사각을 가지도록 배치된다.
복수개의 반사부(21,22,23) 각각은, 앞서 발명의 배경이 되는 기술에서 설명한 바와 같이, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성된다.
즉, 복수개의 반사부(21,22,23) 각각은, 사람의 일반적인 동공 크기보다 작은 크기로 형성되는데, 이에 의해 각 반사부(21,22,23)를 통해 동공(60)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 증강 현실용 화상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 하는 핀홀 효과(pin hole effect)를 발생시킬 수 있다.
여기에서, 복수개의 반사부(21,22,23) 각각의 크기라 함은, 각 반사부(21,22,23)의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 복수개의 반사부(21,22,23) 각각의 크기는, 동공(60)과 반사부(21,22,23) 사이의 직선에 수직하면서 동공(60)의 중심을 포함하는 평면에 각 반사부(21,22,23)를 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 복수개의 반사부(21,22,23)의 크기를 너무 작게 하면 회절 효과로 인하여 증강 현실용 화상이 선명하지 않을 수 있으므로 적절한 크기 이상으로 형성할 필요가 있다. 예컨대, 복수개의 반사부(21,22,23)의 크기는 대략 50㎛ 내지 700㎛보다는 크게 할 수 있다.
한편, 복수개의 반사부(21,22,23) 각각은 제1 반사부(50) 및 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 전달되는 증강 현실 화상광이 다른 반사부(21,22,23)들에 의해 차단되지 않도록 제1 반사부(50)와 제1 면(11)의 위치를 고려하여 적절하게 배치한다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 광학 수단(10)의 측면에서 보았을 때 아래쪽으로부터 위쪽으로 갈수록 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 가까와지도록 복수개의 반사부(21,22,23)를 배치할 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(30)의 어느 한 점(A)에서 출사한 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 제1 반사부(50)로 전달되고, 콜리메이터의 기능을 수행하는 제1 반사부(50)에 의해 반사된 증강 현실 화상광은 평행광으로 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 출사한다.
또한, 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사된 증강 현실 화상광은 복수개의 제2 반사부(21,22,23)로 구성되는 제2 반사부(20)로 전달되고, 각각의 제2 반사부(21,22,23)에서 반사된 평행광인 증강 현실 화상광들은 동공(60)을 통해 사용자의 망막의 한 점(A`)으로 전달되어 상을 형성함을 알 수 있다.
한편, 복수개의 반사부(21,22,23)들의 크기는 전부 동일할 필요는 없으며, 부분적으로 서로 다르게 할 수도 있다.
또한, 복수개의 반사부(21,22,23)들은 서로 동일한 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하지만, 적어도 일부의 반사부(21,22,23)들의 간격을 다른 반사부(21,22,23)들의 간격과 다르게 배치할 수도 있다.
또한, 복수개의 제2 반사부(21,22,23) 중 적어도 일부는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.
또한, 복수개의 제2 반사부(21,22,23) 중 적어도 일부는, 반사부 이외의 기타 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 복수개의 제2 반사부(21,22,23) 중 적어도 일부는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 구성될 수 있다.
또한, 복수개의 제2 반사부(21,22,23) 중 적어도 일부에 대해서, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.
또한, 복수개의 제2 반사부(21,22,23) 중 적어도 일부의 표면을 곡면으로 형성할 수도 있다. 여기에서, 상기 곡면은 오목면 또는 볼록면일 수 있다.
또한, 복수개의 제2 반사부(21,22,23) 중 적어도 일부의 광학 수단(10)에 대한 경사각은 다른 제2 반사부(21,22,23)와 상이하게 형성할 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 2의 실시예의 증강 현실용 광학 장치(200)의 효과를 설명하기 위한 도면으로서, 도 3 및 도 4에서는 설명의 편의를 위하여 제2 반사부(20)가 하나만 배치된 경우를 예시적으로 나타내었다.
도 3 및 도 4의 (a)는 제1 반사부(50)에서 반사된 증강 현실 화상광이 제2 반사부(20)로 직접 전달되는 경우를 나타낸 것이고, 도 3 및 도 4의 (b)는 도 2에서 설명한 바와 같은 구성 즉, 제1 반사부(50)에서 반사된 증강 현실 화상광이 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 제2 반사부(20)로 전달되는 경우를 나타낸 것이다.
우선, 도 3을 참조하면, 도 3의 (a)에서의 사용자에게 보여지는 제1 반사부(50)의 크기(W1)는 도 3의 (b)에서의 사용자에게 보여지는 제1 반사부(50)의 크기(W2)보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 3의 (b)의 경우, 제1 반사부(50)는 사용자에게 거의 인식되지 아니하므로, 시쓰루(see-through) 기능이 도 3의 (a)의 경우보다 현저하게 증가될 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 도 4의 (b)에서 제1 반사부(50)에 대한 증강 현실 화상광의 입사각 및 반사각은 도 4의 (a)에서의 제1 반사부(50)에 대한 증강 현실 화상광의 입사각 및 반사각보다 작기 때문에 광학 성능을 높이고 도 4의 (b)에서의 광학 수단(10)의 폭(h2) 또한 도 4의 (a)에서의 광학 수단(10)의 폭(h1)보다 작게 할 수 있어서 광학 수단(10)의 두께를 줄일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 도 4의 (b)의 경우가 (a)의 경우보다 장치 전체의 크기 및 부피를 줄일 수 있으며 전체적인 광학 성능을 높이는데 유리함을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 5의 실시예의 증강 현실용 광학 장치(300)는 도 2 내지 도 4에서 설명한 증강 현실용 광학 장치(200)와 동일하되, 고스트 화상광 흡수부(70)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다.
도 5의 실시예에서 다른 구성들은 앞서 도 2 내지 도 4에서 설명한 증강 현실용 광학 장치(200)와 동일하므로 상세 설명은 생략하고, 고스트 화상광 흡수부(70)에 대해서만 설명하기로 한다.
고스트 화상광 흡수부(70)는 화상 출사부(30)와 제1 반사부(50) 사이에 배치되어, 화상 출사부(30)로부터 출사되는 증강 현실 화상광 중에서 고스트 이미지를 발생시키는 고스트 화상광을 흡수하는 기능을 수행한다.
도 6 및 도 7은 고스트 화상광 흡수부(70)의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 도 6은 도 2 내지 도 4에서 설명한 실시예의 증강 현실용 광학 장치(200)에서 고스트 이미지가 발생하는 경우를 나타낸 것으로서, 여기에서는 설명의 편의를 위하여 제2 반사부(20)를 하나만 표시하였다.
도 6을 참조하면, 화상 출사부(30)의 임의의 한 점(A)에서 출사한 증강 현실 화상광(L1,L2) 중에서 증강 현실 화상광(L1)은 앞서 도 2 내지 도 4에서 설명한 바와 같이, 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 제1 반사부(50)로 입사한다.
그리고, 제1 반사부(50)에서 반사된 증강 현실 화상광(L1)은 다시 광학 수단(10)의 제1 면(11)으로 출사하고 여기에서 다시 전반사된 후 제2 반사부(20)로 전달되고, 제2 반사부(20)에서 반사된 증강 현실 화상광(L1)은 동공(60)을 통해 망막으로 전달되어 정상적인 상(A`)을 형성한다.
한편, 화상 출사부(30)의 임의의 한 점(A)에서 출사한 증강 현실 화상광(L1,L2) 중에서 점선으로 나타낸 증강 현실 화상광(L2)는 제1 반사부(50)로 직접 전달되고 여기에서 반사되어 광학 수단(10)의 제1 면(11)으로 출사하고 여기에서 전반사된 후 제2 반사부(20)로 전달되며, 다시 제2 반사부(20)에서 반사되어 동공(60)을 통해 망막으로 전달되어 상(B)을 형성한다. 이 상(B)는 망막에서 상기 상(A`)와는 다른 위치에 형성되어 고스트 이미지를 형성하는 이유로 작용하게 된다.
한편, 도 7은 복수개의 제2 반사부(21,22,23)를 갖는 증강 현실용 광학 장치(200)에서 고스트 이미지가 발생하는 경우를 나타낸 것으로서, 이 경우에도 화상 출사부(30)의 임의의 한 점(A)에서 출사한 증강 현실 화상광(L1,L2) 중에서 증강 현실 화상광(L1)은 앞서 도 2 내지 도 4에서 설명한 바와 같은 광 경로를 거쳐서 망막의 한 점으로 전달되어 상(A`)을 형성하지만, 점선으로 나타낸 증강 현실 화상광(L2)은 망막에서 상(A)가 형성된 위치와 다른 곳에 상(B)을 형성하며, 이에 의해 고스트 이미지가 형성됨을 알 수 있다.
즉, 고스트 이미지는, 화상 출사부(30)의 임의의 한 점으로부터 출사된 증강 현실 화상광 중에서 제1 반사부(50)로 직접 전달되어, 제1 반사부, 광학 수단 및 제2 반사부 중 적어도 어느 하나를 거쳐 동공을 통해 망막에 상을 형성하는 증강 현실 화상광에 의해 생성된다.
바꾸어 말하면, 고스트 이미지는, 증강 현실용 광학 장치(200)의 설계시에 의도한 바에 따른 광 경로를 거친 정상적인 증강 현실 화상광이 망막에서 상을 형성하는 위치와 다른 곳에 상을 형성하는 이미지를 의미한다.
고스트 화상광 흡수부(70)는 이와 같은 고스트 이미지를 발생시키는 증강 현실 화상광을 반사시키지 않고 흡수하도록 하여 제2 반사부(20)로 전달되지 않도록 함으로써 고스트 이미지를 최소화할 수 있도록 한다.
전술한 바와 같은 원리에 기초하여 고스트 화상광 흡수부(70)를 광학 수단(10) 내부에 배치함으로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 화상 출사부(30)로부터 출사되어 제1 반사부(50)로 직접 전달되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 증강 현실 화상광(L2)을 흡수하도록 함으로써, 증강 현실 화상광(L2)은 제2 반사부(20) 및 동공(60)으로 전달되지 않게 된다.
도 8 내지 도 10은 사용자에게 실제 보여지는 정상 증강 현실용 화상과 고스트 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 고스트 이미지가 없는 정상 증강 현실용 화상이 표시된 상태이고, 도 9는 고스트 이미지가 상부에 표시된 상태를 나타낸 것이다. 도 10은 도 5 내지 도 7에서 설명한 바와 같은 고스트 화상광 흡수부(70)에 의해 고스트 이미지가 최소화되어 사용자에게 표시되는 상태를 나타낸 것이다.
이러한 기능을 수행하기 위해, 고스트 화상광 흡수부(70)는 화상 출사부(30)로부터 출사되어 제1 반사부(50)로 직접 전달되어 고스트 이미지를 발생시키는 증강 현실 화상광의 적어도 일부를 흡수하도록 광학 수단(10)의 내부에서 화상 출사부(30)와 제1 반사부(50) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 고스트 화상광 흡수부(70)는 고스트 이미지를 발생시키는 증강 현실 화상광이 출사되는 화상 출사부(30)의 한 점과 제1 반사부(50)의 반사면(51)의 어느 한 점을 직접 연결한 가상의 직선상에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 고스트 화상광 흡수부(70)는, 화상 출사부(30)를 기준으로 제2 반사부(20)보다 아래쪽에 배치하는 것이 바람직하다.
이러한 고스트 화상광 흡수부(70)는 빛을 반사하지 않는 광 흡수 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 고스트 화상광 흡수부(70)의 화상 출사부(30)와 대향하는 면은 광 흡수 재질로 형성된 코팅면으로 형성될 수 있다.
여기에서, 광 흡수 재질이라 함은 빛을 반사하지 않는 성질을 갖는 재질을 의미하며, 광 흡수 재질로 형성된다는 것은, 빛을 반사하지 않고 흡수하는 성질을 갖는 재질로 된 도료 등으로 고스트 화상광 흡수부(70)의 표면을 코팅하거나 고스트 화상광 흡수부(70) 자체를 광 흡수 재질로 형성한다는 것을 의미한다. 이러한 광 흡수 재질 및 광 흡수 재질로 된 도료는 종래 기술에 의해 알려져 있으며 본 발명의 직접적인 목적은 아니므로 이에 대해서는 상세 설명은 생략한다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 구성을 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.

Claims (11)

  1. 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서,
    실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단;
    상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 제2 반사부로 전달하는 제1 반사부; 및
    상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 상기 제1 반사부로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 제2 반사부
    를 포함하고,
    상기 광학 수단은, 실제 사물 화상광이 입사하는 제1 면과 상기 제2 반사부를 통해 전달되는 증강 현실 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공을 향해 출사하는 제2 면을 가지고,
    상기 제1 반사부의 증강 현실 화상광을 반사시키는 반사면은 상기 광학 수단의 제1 면을 향하도록 배치되고,
    상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 상기 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 제1 반사부로 전달되고, 상기 제1 반사부에 의해 반사되어 상기 광학 수단의 제1 면을 향해 출사되고, 상기 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 상기 제2 반사부로 전달되고,
    상기 제2 반사부는, 상기 제1 면에서 전반사되어 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달하도록 상기 광학 수단의 내면에 배치되는 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반사부의 반사면은 상기 제1 광학 수단의 제1 면에 대해 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반사부의 폭 방향의 길이는 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 반사부는 복수개로 형성되며, 제2 반사부 각각은, 상기 제1 반사부로부터 출사되어 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 전달되는 증강 현실 화상광을 동공을 향해 반사시켜 전달할 수 있도록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 경사각을 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 반사부 각각은 4mm 이하의 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 반사부 각각은, 상기 제1 반사부로부터 출사되어 광학 수단의 제1 면에서 전반사되어 전달되는 증강 현실 화상광이 다른 제2 반사부에 의해 차단되지 않도록 배치된 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 화상 출사부와 제1 반사부 사이에 배치되어, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광 중에서 고스트 이미지를 발생시키는 고스트 화상광을 흡수하는 고스트 화상광 흡수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고스트 화상광 흡수부는 화상 출사부로부터 출사되어 제1 반사부로 직접 전달되어 고스트 이미지를 발생시키는 증강 현실 화상광의 적어도 일부를 흡수하도록 광학 수단의 내부에서 화상 출사부와 제1 반사부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 고스트 화상광 흡수부는, 고스트 이미지를 발생시키는 증강 현실 화상광이 출사되는 화상 출사부의 한 점과 제1 반사부의 반사면의 어느 한 점을 직접 연결한 가상의 직선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 고스트 화상광 흡수부는 빛을 반사하지 않는 광 흡수 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 고스트 화상광 흡수부의 화상 출사부와 대향하는 면은 광 흡수 재질로 형성된 코팅면으로 형성된 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
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