KR102058205B1 - 증강현실 구현을 위한 광학계 및 이를 포함한 장치 - Google Patents

Abstract

증강현실 구현을 위한 광학계 및 이를 포함한 장치를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 입사되는 입사면의 형상에 따라 광을 굴절시키는 정도가 상이한 비구면으로 형성되며, 광을 입사받아 집속시키는 렌즈와 입사되는 위치에 따라 광을 반사시키는 각도가 상이한 비구면으로 형성되며, 상기 렌즈에서 집속된 광을 반사시키는 미러렌즈부 및 상기 렌즈를 통과한 광은 통과시키고, 상기 미러렌즈부에서 반사된 광은 재반사시키는 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치를 제공한다.

Description

증강현실 구현을 위한 광학계 및 이를 포함한 장치{Optical System for Realizing Augmented Reality and Apparatus Including the Same}

본 발명은 증강현실 영상 구현을 위한 광학계와 이를 포함한 증강현실 장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

도 1은 종래의 증강현실 광학장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 안경방식 증강현실 광학장치(100)는 영상 출력부(110), 렌즈부(120), 빔 스플리터(130) 및 미러렌즈부(140)를 포함한다.

영상 출력부(110)는 출력하고자 하는 영상에 대응되는 광을 조사한다.

렌즈부(120)는 광이 조사되는 방향으로 영상 출력부(110)의 전방에서 발산하는 광속들을 1차적으로 집광한다. 영상 출력부(110)에서 출력된 광이 지나치게 분산될 경우, 충분한 양의 광속들이 빔 스플리터(130)로 집속되지 못할 우려가 있어 렌즈부(120)는 광속들의 확산을 방지한다.

렌즈부(120)를 거친 광은 미러렌즈부(140)에서 반사되고 2차적으로 집속되며, 빔 스플리터(103)에서 재 반사되어 사용자의 동공(160)으로 입사된다. 미러렌즈부(140)에서 반사된 광은 사용자의 동공(160)면에서 평행광으로 입사한다. 동공으로 입사된 광속들은 안구의 광학계를 거쳐 망막면상에 결상되고, 결상된 광속들은 사용자에게 이미지로 인식된다. 이러한 동작에 의해, 사용자는 영상 출력부(110)에서 출력된 영상을 빔 스플리터 너머로 보이는 실제 환경 상(像)과 함께 시청함으로써 증강현실 영상을 인식한다.

그러나 종래의 안경방식의 증강현실 광학장치는 다음과 같은 불편이 존재하였다.

종래의 증강현실 광학장치는 동공면으로 입사하는 평면파들의 입사각이 매우 작아 사용자에게 좁은 화각(160)만을 제공할 수 있었다. 사용자에게는 매우 좁은 화각의 증강현실 영상이 제공되기 때문에, 사용자는 시야범위 내 실공간 안에서 구현된 매우 좁은 영역의 증강현실 영상을 시청하게 되므로, 높은 임장감 체험이 어렵다는 단점이 있다. 임장감 제고를 위해서는 증강현실 영상의 화각이 증가되어야 한다. 이를 위해서는 영상 출력부(110), 광학계 구성(120 내지 140) 및 빔 스플리터(130)의 크기가 모두 커져야 하는데, 이러할 경우 전체적인 증강현실 광학장치의 부피가 너무 커져 사용자에 착용이 불편한 문제가 있다.

또한, 사용자에게 제공되는 증강현실 영상은 광학계의 구성 및 특성에 따라 광학적 수차등이 발생할 수 있고, 이는 곧 화질을 저해하는 문제를 일으킨다. 이를 방지하기 위해서는 증강현실 광학장치를 통해 동공으로 입사하는 광선속들의 광경로차가 없어야 하며, 이는 곧 모든 광학계가 이상적인 근축렌즈의 특성을 가져야만 한다. 그러나 실 두께를 지닌 광학계가 이상적인 근축렌즈의 특성을 나타낼 수 없다. 따라서 어떠한 광학계이든지 반드시 광학적 수차는 발생하므로 수차에 의한 화질저하 문제를 완벽히 제거할 수는 없다. 이 뿐만 아니라, 각 광학계간 위치 및 정렬에 따라 광질이 저하되는 문제도 있어, 광학계의 구성 또는 하우징의 처리 문제도 매우 중요하다. 종래의 증강현실 광학장치는 렌즈부(120)와 빔스플리터(130)가 분리되어 있어, 렌즈부(120)나 빔스플리터(130)를 정확한 위치에 정확히 배치시키고, 정확히 배치시킨 후 움직이지 않도록 하는 것에 상당한 어려움이 발생한다. 따라서 종래의 증강현실 광학장치는 전술한 두 가지의 문제를 모두 안고 있어 사용자에게 제공하는 증강현실 영상의 광질이 현저히 떨어지는 문제가 있다.

본 발명의 일 실시예는, 간단한 구성으로도 넓은 화각을 가지며 광학적 수차가 최소화된 영상을 사용자에게 제공하는 증강현실 광학장치 및 이를 포함한 증강현실 장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 입사되는 입사면의 형상에 따라 광을 굴절시키는 정도가 상이한 비구면으로 형성되며, 광을 입사받아 집속시키는 렌즈와 입사되는 위치에 따라 광을 반사시키는 각도가 상이한 비구면으로 형성되며, 상기 렌즈에서 집속된 광을 반사시키는 미러렌즈부 및 상기 렌즈를 통과한 광은 통과시키고, 상기 미러렌즈부에서 반사된 광은 재반사시키는 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈는 상기 빔 스플리터의 일면과 접촉하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미러렌즈부는 상기 렌즈가 접촉하고 있는 반대방향에서 상기 빔 스플리터의 다른 일면과 접촉하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미러렌즈부는 상기 미러렌즈부에서 반사된 후 상기 빔 스플리터에서 재반사된 광들이 평행광의 형태로 사용자의 동공면으로 입사할 수 있도록, 상기 렌즈에서 집속된 광을 반사시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미러렌즈부 및 빔 스플리터는 동일한 굴절률을 갖는 재질로 구현된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈는 상기 미러렌즈부 및 빔 스플리터를 구성하는 재질과 상이한 굴절률을 갖는 재질로 구현되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 증강현실 장치에 있어서, 출력하고자 하는 영상에 대응되는 광을 출력하는 영상 출력부와 상기 증강현실 광학장치와 상기 영상 출력부 및 상기 증강현실 광학장치의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 증강현실 장치 내 각 구성으로 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈는 상기 빔 스플리터의 일면과 접촉하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미러렌즈부는 상기 렌즈가 접촉하고 있는 반대방향에서 상기 빔 스플리터의 다른 일면과 접촉하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미러렌즈부는 상기 미러렌즈부에서 반사된 후 상기 빔 스플리터에서 재반사된 광들이 평행광의 형태로 사용자의 동공면으로 입사할 수 있도록, 상기 렌즈에서 집속된 광을 반사시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미러렌즈부 및 빔 스플리터는 동일한 굴절률을 갖는 재질로 구현된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 렌즈는 상기 미러렌즈부 및 빔 스플리터를 구성하는 재질과 상이한 굴절률을 갖는 재질로 구현되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 넓은 화각을 가지며 광학적 수차가 최소화된 영상을 사용자에게 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 일체형 광학계 방식의 간단한 구성으로 구현이 가능하여, 넓은 화각을 가지며 수차가 최소화된 영상 확보를 위해 부피가 커질 필요가 없는 장점이 있다.

도 1은 종래의 증강현실 광학장치의 구성을 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 장치의 일 구현예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 광학계의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 광학계의 출력화면을 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 장치의 일 구현예를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 장치(200)는 영상 출력부(310), 광학계(320), 제어부(330) 및 전원부(340)를 포함한다.

증강현실 장치(200)는 사용자에 장착되거나 미장착된 상태에서 사용자에 증강현실 영상을 제공한다. 사용자는 증강현실 장치(200)로 시청할 수 있는 실제 환경 상(像)과 증강현실 장치(200)에서 제공되는 증강현실 영상을 함께 시청함으로써, 증강현실을 인식할 수 있다.

영상 출력부(310)는 증강현실 영상에 대응되는 광을 출력한다. 영상 출력부(310)는 외부로부터 유선 또는 USB 등 직접 연결되어 영상을 입력받거나, 별도의 통신부(미도시)를 이용해 무선으로 영상을 입력받을 수 있다. 영상 출력부(310)는 입력받은 영상에 대응되는 광을 출력하여, 사용자가 증강현실 영상을 시청할 수 있도록 한다.

증강현실 광학계(320, 이하에서 '광학계'라 약칭함)는 영상 출력부(310)에서 출력된 광(영상)을 사용자에 전달한다. 광학계(320)는 넓은 화각과 광학적 수차가 최소화된 영상을 제공하도록 구성되며, 사용자는 선명하고 왜곡없는 넓은 화각의 증강현실 영상을 시청할 수 있다. 광학계(320)에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

제어부(330)는 각 구성(310, 320 및 340)의 동작을 제어한다. 제어부(330)는 증강현실 장치(200)의 사용자로부터 각 구성의 동작 제어신호(예를 들어, 증강현실 장치의 온. 오프 등)를 수신할 수 있으며, 이에 따라, 동작하도록 각 구성을 제어할 수 있다.

전원부(340)는 각 구성(310 내지 330)에 각 구성(310 내지 330)이 동작할 수 있도록 하는 전원을 제공한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 광학계의 구성을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계(330)는 렌즈(410), 빔 스플리터(420), 미러렌즈부(430)를 포함한다.

렌즈(410)는 일정한 굴절률을 갖는 재질로 구현되며, 빔 스플리터(420)와 접촉하여 영상 출력부(310)로부터 조사된 광을 집속한다.

렌즈(410)는 빔 스플리터(420) 및 미러렌즈부(430)와 상이한 굴절률을 갖는 재질로 구현된다. 특히, 렌즈(410)는 빔 스플리터(420) 및 미러렌즈부(430)의 재질보다 굴절률이 큰 재질로 구현된다. 굴절률이 상이한 매질들로 광학계가 이루어졌을 경우, 파장대역 별로 초점거리가 상이해지는 색수차의 제어가 용이해진다. 광학계(330)는 색수차를 최소화하기 위한 별도의 구성의 추가나 변형없이도, 빔 스플리터(420) 및 미러렌즈부(430)와 상이한 굴절률, 특히, 그보다 큰 굴절률을 갖는 재질로 구현된 렌즈(410)를 포함함으로써, 간단하면서도 효과적으로 색수차를 제거한다.

렌즈(410)는 빔 스플리터(420)와 접촉하여 영상 출력부(310)로부터 조사된 광을 집속시킨다. 다만, 렌즈(410)는 비구면으로 구현되어, 광을 일괄적으로 집속시키는 것이 아니라 광이 입사되는 위치마다 상이한 정도로 광을 집속시킨다. 렌즈(410)는 중심부분에서는 최소한으로 광을 굴절시키고, 중심으로부터 외곽으로 벗어날수록 보다 많이 광을 굴절시킨다. 종래와 같이, 렌즈가 구면으로 구현될 경우, 렌즈의 구면수차에 의해 렌즈의 외곽으로 입사되는 광은 이상적인 렌즈를 통과하며 가질 광 경로(이하에서, '이상적인 광 경로'라 약칭함)를 갖지 못하고, 충분히 집속되지 못한 광 경로나 과도하게 집속된 광 경로를 갖게 된다. 이 때문에, 구면 렌즈가 사용될 경우, 다양한 위치로 입사되는 광, 특히, 렌즈의 외곽으로 입사되는 광이 이상적인 광 경로에 최대한 근접한 경로로 집속되도록 하기 위해, 구면 렌즈 외에 추가적인 렌즈나 매질을 거치거나 두꺼운 렌즈가 사용되어야만 했다. 예를 들어, 종래의 광학계는 구면렌즈를 빔 스플리터와 떨어뜨려 배치함으로써, 구면렌즈를 거친 광이 구면렌즈와 상이한 매질을 갖는 공기를 거치며 1차적으로 굴절되도록 하고, 공기와 상이한 매질을 갖는 빔 스플리터로 입사되며 2차적으로 굴절되도록 하였다. 그러나 전술한 대로, 구면렌즈와 빔 스플리터가 떨어져 배치되는 경우, 구면렌즈의 광굴절능은 렌즈면 전체에 균일하므로, 근축광의 조건만 수차제어가 가능하여 화각을 증가시킬 시 광학적 수차와 영상왜곡이 크게 발생하므로 선명하고 왜곡없는 증강영상을 구현하기가 어렵다. 뿐만 아니라, 렌즈와 빔 스플리터가 정확히 광축 정렬된 상태를 구성하기가 쉽지 않으며, 이로 인해, 이격된 광학계의 구성일 경우 배치된 위치에서 어느 하나의 광학소자라도 이동하지 않도록 하는 것은 더욱 곤란하다. 또한, 광학계 구성시 요구되는 필수 확보 공간으로 인해광학계 전체의 부피가 커지는 것을 피할 수 없었다. 다른 일 예로, 렌즈를 투과한 광, 특히 렌즈의 외곽으로 입사되어 투가된 광이 충분히 집속되어 빔 스플리터로 입사되기 위해서는 렌즈의 광 굴절률이 증가해야 하며, 이는 곧 부피가 크고 두꺼운 렌즈가 사용되어야만 한다. 뿐만 아니라, 두꺼은 렌즈의 부피를 확보하기 위해서는 일정 거리만큼 빔 스플리터와 떨어져 배치될 수밖에 없다. 사용자에게 선명하고 왜곡없는 증강현실 영상을 제공하기 위해서는 렌즈나 빔 스플리터 등이 세밀히 조정되어 정확한 위치에 배치되어야 하고, 배치된 위치에서 이동하지 말아야 한다. 광학계(330)는 비구면형태로 화각증대를 위한 충분한 광굴절능을 확보할 수 있는 렌즈(410)를 포함하고, 이를 빔 스플리터(420)와 접촉시켜 일체화 한다. 이에 따라, 광학계(330)는 최초에 설계된 광학적 성능을 손쉽게 구현할 수 있으면서도, 광학계 정렬의 문제가 발생하지 않고, 작은 부피로서도 넓은 화각의 영상을 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 즉, 종래의 광학계와 같이, 렌즈와 빔 스플리터 사이에 굴절률이 상이한 매질(공기 또는 별도의 추가 구성)이 포함되지 않더라도, 광학계(320)는 선명하고 왜곡없는 증강영상을 구현할 수 있다.

빔 스플리터(420)는 렌즈(410)를 통과한 광을 투과시키고, 미러렌즈부(430)에서 반사된 광은 재반사시킨다. 빔 스플리터(420)는 일측으로는 렌즈(410)와, 다른 일측으로는 미러렌즈부(430)와 접촉한다. 빔 스플리터(420)는 렌즈(410)를 통과하여 입사(-y축 방향)하는 광은 투과시키고, 미러렌즈부(430)로부터 반사(+y축 방향)된 광은 사용자의 동공(160)이 위치한 방향(-x축 방향)으로 재반사시킨다.

미러렌즈부(430)는 빔 스플리터(420)를 투과한 광을 빔 스플리터(420)로 재반사시킨다.

미러렌즈부(430)는 빔 스플리터(420)와 동일한 굴절률을 갖는 재질로 구현된다. 이에 따라, 빔 스플리터(420)를 투과하여 미러렌즈부(430)로 입사되는 광과 미러렌즈부(430)에서 반사되어 빔 스플리터(420)로 입사하는 광에서 경로 변화나 수차량이 증가 또는 감소하지 않는다. 또한, 전술한 대로, 미러렌즈부(430)와 빔 스플리터(420)는 렌즈(410)보다 낮은 굴절률을 갖는 재질로 구현됨으로써, 마찬가지로, 빔 스플리터(420)나 미러렌즈부(430)로 입사하는 광에서 색수차가 제어된다.

미러렌즈부(430)는 비구면으로 구현되어, 입사되는 광의 위치에 따라 상이한 각도로 광을 반사시킨다. 종래의 광학계 내 미러렌즈부와 같이, 미러렌즈부가 구면으로 구현되었을 경우, 렌즈에 의해 집속되어 입사하는 광이 입사되는 위치에 따라 일정하게 반사된다. 이 때문에, 사용자의 동공으로 영상 출력부에서 출력된 모든 광이 입사하지 않거나, 미러렌즈부(430)와 빔스플리터(420)를 투과한 광의 광학적 수차량이 증가할 수 있다. 반면, 미러렌즈부(430)는 비구면으로 구현됨으로써, 집속된 광이 동공(160)으로 모두 입사되도록 함과 동시에, 동공(160)면 상에서 평행광의 형태로 입사할 수 있도록 반사광의 형태를 구성한다. 미러렌즈부(430)의 외곽에서는 중심부분보다 큰 각도로 중심방향을 향해 광을 반사시킴으로써, 미러렌즈부(430)에서 반사되어 빔 스플리터(420)에서 재반사된 광이 모두 동공(160)으로 입사하도록 한다. 다만, 미러렌즈부(430)는 기 설정된 계수, 특히, 렌즈(410)의 비구면 계수와는 상이한 계수를 갖는 비구면으로 구현됨으로써, 평행광 형태로 동공(160)으로 입사하도록 조절한다. 미러렌즈부(430) 및 빔 스플리터(420)에 반사된 반사광은 동공(160)면을 향해 평행광의 형태로 입사하기 때문에, 사용자는 마치 무한대의 위치에서 증강영상 정보가 입사되는 것처럼 인식하게 되고, 따라서 인식된 증강영상은 주어진 화각 범위만큼의 화면 크기와 매우 심도가 깊고 선명한 화질특성을 갖는다.

추가적으로, 미러렌즈부(430)와 렌즈(410)는 모두 비구면으로 구현되며, 각 구성(410, 430)의 비구면 계수를 각각 조절함으로써, 동공(160)으로 입사하는 광(증강현실 영상)에서 광학적 수차량을 최소화할 수 있다. 특히, 렌즈(410)와 미러부(430)의 비구면 계수가 상이함에 따라, 수차량을 억제할 수 있다. 발생하는 광학적 수차들은 구면수차, 혜성형 수차(Coma), 비점 수차(Astigmatism), 상면만곡(Curvature of Field) 및 왜곡 수차(Distortion) 등이 포함된다. 광학계(320)는 비구면으로 구현되며, 각각 기 설정된 비구면 계수를 갖는 미러렌즈부(430)와 렌즈(410)를 포함함으로써, 별도의 추가적인 구성없이도 간편하게 광학적 수차량을 최소화할 수 있다.

렌즈(410)가 비구면으로 구현되며 종래의 구면으로 구현된 렌즈에 비해 렌즈의 해상력이 현저히 상승함에 따라, 사용자에게 제공되는 증강현실 영상의 화각에 대하여 해상도를 현저히 상승할 수 있다. 렌즈(410)가 비구면의 형상을 갖기 때문에 구면수차의 발생을 최소화하여, 렌즈(410)의 외곽으로 입사되는 광에 대해서도 이상적인 광경로와의 오차를 최소화한다. 즉, 렌즈(410)의 어떠한 위치로 입사되는 광들도 이상적인 광 경로와 최대한 유사한 경로를 갖기 때문에, 사용자는 영상 출력부의 각 픽셀에서 조사되는 광들에 대해서도 서로 구분하여 인식할 수 있다. 따라서 렌즈(410)는 사용자에게 제공되는 증강현실 영상의 해상도를 증가시킨다. 이에 추가적으로 미러렌즈부(430)도 비구면으로 구현될 수 있으며, 미러렌즈부(430)도 렌즈(410)와 마찬가지로 미러렌즈부(430)로 입사되는 광의 경로와 이상적인 광 경로와의 오차를 최소화할 수 있다. 이와 동시에, 광학계(320)는 비구면 형태의 렌즈(410) 또는 렌즈(410)와 미러렌즈부(430)를 포함함으로써, 광 축의 근처로 입사되는 광 뿐만 아니라 렌즈(410)의 외곽으로 입사되는 광 또한 이상적인 광 경로를 갖도록 적절히 집속시킴으로써(과도하거나 덜 집속되지 않도록), 넓은 화각의 영상을 왜곡없이 사용자에게 제공할 수 있다.

빔 스플리터(420)의 일측에는 렌즈(410)가, 다른 일측에는 미러렌즈부(430)가 접촉하는데, 빔 스플리터(420)와 양 구성의 접촉하여 고정시키기 위해 접착 매질(440, 445)이 사용된다. 먼저, 빔 스플리터(420)와 미러렌즈부(430)를 접촉시키고 고정시키는 접착 매질(440)은 빔 스플리터(420) 및 미러렌즈부(430)와 동일한 굴절률을 갖는 매질로 구현된다. 화각 보장 및 수차 발생 억제를 위해 세밀히 조정되어야 하는 광학 특성이 접착 매질(440)에 의해 가변할 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위해 접착 매질(440)은 빔 스플리터(420) 및 미러렌즈부(430)와 동일한 굴절률을 갖는 (양 구성과 동일한) 매질로 구현된다. 반면, 렌즈(410)와 빔 스플리터(420)를 접촉시키고 고정시키는 접착 매질(445)은 빔 스플리터(420)로 입사하는 광들을 투과 또는 반사 형태로 편향시키며, 이들을 일정비율로 조절이 가능한 반투과매질로 구현된다. 다만, 이 경우, 접착 매질(445)의 광학적 성질에 의해 광 경로 변화와 같은 광학 특성이 가변될 수 있다. 이러한 문제를 방지하고자, 접착 매질(445)은 가변하는 광학 특성을 보상하기 위해 기 설정된 두께를 가질 수 있다. 접착 매질(445)이 기 설정된 두께를 가지며 양 구성(410, 420)를 접착시킴으로써, 자신에 의한 광학 특성의 가변을 최소화한다.

또한, 광학계(320)는 동공(160) 내에 평행광과 같은 직선형태로 광을 입사시키기 때문에, 동공(160)과 광학계(320)의 거리(460)가 반드시 근접해야만 할 필요가 없다. 뿐만 아니라, 동공으로 입사하는 평행광의 입사각이 광학계의 화각에 비례하므로, 동공의 위치 이동, 즉, 안구의 회전범위를 충분히 만족시키므로 자연스러운 시청자유도의 확보 및 넓은 화각의 높은 임장감의 제공이 가능하다. 종래의 광학계는 앞서 전술된 광학계의 구성과 이로부터 제한된 광특성의 영향으로 좁은 화각의 증강영상을 제공하므로 시청자유도가 제한되고, 임장감이 낮다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계(320)는 동공(160) 내에 평행광과 같은 직선형태로 광을 입사시키기 때문에, 동공(160)의 위치가 초점거리에 국한되지 않는다. 따라서 사용자가 안경을 썼거나, 증강현실 장치(200)가 반드시 장착형으로 구현되지 않는 등 사용자와 광학계의 거리(460)가 밀착될 수 없는 특별한 사정이 있더라도, 광학계(320)는 사용자가 증강현실 영상을 용이하게 시청할 수 있는 장점을 갖는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 광학계의 출력화면을 도시한 도면이다. 증강현실 장치(200)가 사용자에게 장착되어 사용되는 안경식 HMD 장치로 구현된 경우에서의 실제 출력화면에 해당한다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 증강현실 장치(200)는 수차가 제어된 선명한 화면을 제공하는 동시에, 사용자에게 Full HD 급 해상도를 갖는 고해상도의 증강현실 영상을 제공할 수 있다. 이는 비구면 광학계 구성이 갖는 특성으로써, 광학계(320)가 0.7인치급의 Full HD 해상도 영상을 충분히 표시 할 수 있는 렌즈 해상력을 가지고 있음을 대변한다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 종래의 증강현실 광학장치
110, 310: 영상 출력부
120: 렌즈부
130: 빔 스플리터
140: 미러부
150, 450: 화각
160: 동공
200: 증강현실 장치
320: 광학계
330: 제어부
340: 전원부
410: 렌즈
420: 빔 스플리터
430: 미러부
440, 445: 접착매질
460: 사용자와 광학계간 거리

Claims (12)

1. 입사되는 입사면의 형상에 따라 광을 굴절시키는 정도가 상이한 비구면으로 형성되며, 광을 입사받아 집속시키는 렌즈;
   입사되는 위치에 따라 광을 반사시키는 각도가 상이한 비구면으로 형성되며, 상기 렌즈에서 집속된 광을 반사시키는 미러렌즈부;
   상기 렌즈를 통과한 광은 통과시키고, 상기 미러렌즈부에서 반사된 광은 재반사시키는 빔 스플리터;
   상기 빔 스플리터와 상기 미러렌즈부를 접촉시키고 고정시키며, 광학 특성의 변화 방지를 위해 상기 빔 스플리터 및 상기 미러렌즈부와 동일한 굴절률을 갖는 매질로 구현되는 제1 접착매질; 및
   상기 렌즈와 상기 빔 스플리터를 접촉시키고 고정시키고, 상기 빔 스플리터로 입사하는 광들을 투과 또는 반사 형태로 편향시키며, 광학특성의 변화를 보상하기 위해 기 설정된 두께를 갖도록 구현되는 제2 접착매질을 포함하며,
   상기 렌즈는 상기 빔 스플리터의 일면과 접촉하며, 비구면으로 구현되어 중심부로부터 외곽으로 벗어날수록 광을 굴절시키는 정도가 커지며,
   상기 미러렌즈부는 상기 렌즈가 접촉하고 있는 반대방향에서 상기 빔 스플리터의 다른 일면과 접촉하고, 상기 빔 스플리터와 동일한 굴절률을 갖되 상기 렌즈보다 낮은 굴절률을 갖는 재질로 구현되어 상기 빔 스플리터나 상기 미러렌즈부로 입사하는 광의 색수차를 최소화하며,
   상기 미러렌즈부는 중심부로부터 외곽으로 벗어날수록 광을 굴절시키는 정도가 커지되, 상기 렌즈의 비구면 계수와 상이한 비구면으로 구현됨에 따라 상기 미러렌즈부에서 반사된 후 상기 빔 스플리터에서 재반사된 광들이 평행광의 형태로 사용자의 동공면으로 입사하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 렌즈 및 미러렌즈부는,
   서로 상이한 비구면 계수를 가짐에 따라, 광학적 수차의 발생을 억제하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 광학적 수차는,
   구면수차, 혜성형 수차(Coma), 비점 수차(Astigmatism), 상면 만곡(Curvature of Field) 및 왜곡수차(Distortion) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 렌즈 및 미러렌즈부는,
   비구면으로 구현됨에 따라, 상기 렌즈 및 상기 미러렌즈 각각으로 입사되는 광의 경로와 이상적인 광 경로와의 오차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 증강현실 장치에 있어서,
   출력하고자 하는 영상에 대응되는 광을 출력하는 영상 출력부;
   제1항의 증강현실 광학장치;
   상기 영상 출력부 및 상기 증강현실 광학장치의 동작을 제어하는 제어부; 및
   상기 증강현실 장치 내 각 구성으로 전원을 공급하는 전원부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
   
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