KR20200053441A - 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 증강 현실용 광학 장치로서, 가시광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단; 및 상기 광학 수단의 표면 또는 내부에 배치되어 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시키는 반사부를 구비하고, 상기 반사부는, 점대칭 형상 이외의 모양을 나타내는 비대칭 형상으로 형성되고, 상기 점대칭 형상은, 상기 반사부의 평면의 특정한 점을 중심으로 반사부를 회전시킬 때 모든 회전 각도에 대해 항상 동일한 형상이 되도록 하는 특정한 점이 존재하는 형상이고, 상기 비대칭 형상은, 점대칭 형상이 아닌 형상인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

증강 현실용 광학 장치{OPTICAL DEVICE FOR AUGMENTED REALITY}
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 형상의 반사부 및 이들의 배치 구조를 이용하여 증강 현실 화상을 사용자에게 제공할 수 있도록 하는 증강 현실용 광학 장치에 관한 것이다.
증강 현실(Augmented Reality, AR)이라 함은, 주지된 바와 같이, 현실 세계의 실제 영상에 컴퓨터 등에 의해 생성되는 가상의 영상이나 이미지를 겹쳐서 제공하는 것을 의미한다.
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. 이에 의하면, 안경 형태로 증강 현실 구현 장치를 구성하고, 안경 렌즈의 표면이나 내부에 반사부를 배치하여 디스플레이부에서 생성되는 가상 영상을 반사시켜 동공을 통해 망막에 상이 맺히도록 하기 때문에, 심도(Depth of Field)를 증가시켜서 일종의 핀홀(pin hole) 효과를 제공함으로써 사용자가 실제 세계를 응시하면서 초점 거리를 변경하는 것과 상관없이 항상 선명한 가상 영상을 제공할 수 있다. 그러나, 이러한 본 출원인의 기술은 원형의 점대칭 형상의 반사부를 이용하기 때문에 중심부의 밝기와 주변부의 밝기 차이가 비교적 크기 때문에 광균일도가 고르지 못하다는 한계가 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1660519호(2016.09.29 공고)
본 발명은 상기한 바와 같은 한계점을 해결하기 위한 것으로서, 동공보다 작은 다양한 형상의 반사부를 이용함으로써 심도를 깊게 함으로써 핀홀 효과를 발생시키는 동시에 광균일도를 향상시킬 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 복수개의 반사부를 적절하게 배치함으로써 광균일도를 향상시키고 시야각을 넓힐 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 증강 현실용 광학 장치로서, 가시광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단; 및 상기 광학 수단의 표면 또는 내부에 배치되어 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시키는 반사부를 구비하고, 상기 반사부는, 점대칭 형상 이외의 모양을 나타내는 비대칭 형상으로 형성되고, 상기 점대칭 형상은, 상기 반사부의 평면의 특정한 점을 중심으로 반사부를 회전시킬 때 모든 회전 각도에 대해 항상 동일한 형상이 되도록 하는 특정한 점이 존재하는 형상이고, 상기 비대칭 형상은, 점대칭 형상이 아닌 형상인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 반사부의 크기는 8mm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사부의 크기는, 반사부의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 상기 반사부의 크기는, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 상기 반사부의 크기는, 사용자가 반사부 방향을 응시할 때 동공으로부터 반사부 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 상기 반사부의 면적은, 16π(mm2) 이하일 수 있다.
또한, 상기 반사부의 면적은, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 면적일 수 있다.
또한, 상기 반사부의 면적은, 사용자가 반사부 방향을 응시할 때 동공으로부터 반사부 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 면적일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 증강 현실용 광학 장치로서, 가시광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단; 및 상기 광학 수단의 표면 또는 내부에 배치되어 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시키는 반사부를 구비하고, 상기 반사부의 중심부에는 상기 화상 출사부로부터 출사된 화상광을 통과시키는 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 동공보다 작은 다양한 형상의 반사부를 이용함으로써 심도를 깊게 함으로써 핀홀 효과를 발생시키는 동시에 광균일도를 향상시킬 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 복수개의 반사부를 적절하게 배치함으로써 광균일도를 향상시키고 시야각을 넓힐 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)를 설명하기 위한 도면으로서, 증강 현실용 광학 장치(100)를 사용자의 정면에 두고 바라봤을 때의 평면도이다.
도 2는 점대칭 형상과 비대칭 형상의 반사부(20)의 평면도를 예시적으로 나타낸 것으로서, 도 2(a)는 점대칭 형상의 예이고 도 2(b)는 비대칭 형상의 예이다.
도 3은 반사부(20)가 점대칭 형상의 하나인 원형으로 구성된 경우의 광학 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 반사부(20)가 비대칭 형상의 하나인 삼각형으로 구성된 경우의 광학 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 반사부(20)이 비대칭 형상의 하나인 사각형으로 구성된 경우의 광학 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 반사부(20)를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 반사부(20)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 반사부(20)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 반사부(20)를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은, 본 발명의 일실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)를 설명하기 위한 도면으로서, 증강 현실용 광학 장치(100)를 사용자의 정면에 두고 바라봤을 때의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10) 및 반사부(20)를 구비하며, 반사부(20)가 광학 수단(10)의 표면 또는 내부에 배치되어 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 반사시킴으로써 증강 현실용 화상을 사용자에게 제공하되, 상기 반사부(20)가 점대칭 형상 이외의 모양을 나타내는 비대칭 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
도 1에서, 화상 출사부(30)는, 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 반사부(20)를 향해 출사하는 수단으로서, 예컨대 소형의 LCD와 같은 디스플레이 장치일 수 있다.
디스플레이 장치는 증강 현실용 화상을 화면에 표시하는 수단으로서, 반사부(20)에서 증강 현실용 화상을 반사시켜서 사용자의 동공(50)으로 투사할 수 있도록 빛을 발광하는 방식에 의해 증강 현실용 화상을 표시하고, 표시된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광이 디스플레이 장치로부터 출사되어 반사부(20)로 전달된다.
한편, 화상 출사부(30)는 상기한 바와 같은 디스플레이 장치로부터 출사되는 화상광을 반사 또는 굴절시켜서 반사부(20)로 전달하는 반사 수단 또는 굴절 수단일 수 있다. 이 경우, 디스플레이 장치로부터 출사되는 화상광은 반사부(20)로 직접 출사되지 않고 반사 수단 또는 굴절 수단을 거쳐서 반사부(20)로 전달된다.
또한, 화상 출사부(30)는 디스플레이 장치로부터 출사되는 화상광을 시준된 평행광으로서 출사하는 콜리메이터(collimatior)일 수도 있다. 또는, 이러한 콜리메이터를 반사 수단 또는 굴절 수단과 디스플레이 장치에 배치할 수도 있다.
즉, 화상 출사부(30)는 증강 현실용 화상을 표시하는 디스플레이 장치이거나 이러한 디스플레이 장치로부터 출사된 화상광을 최종적으로 반사부(20)로 전달하는 반사 또는 굴절 수단 등과 같은 다양한 수단을 의미한다.
여기에서, 증강 현실용 화상이라 함은, 디스플레이 장치에 표시되는 화상으로서 반사부(20)에 의해 사용자의 동공을 통해 제공되는 가상 화상을 의미하며, 이미지 형태의 정지 영상이거나 동영상과 같은 것일 수 있다. 이러한 증강 현실용 화상은 디스플레이 장치로부터 화상광으로 출사되어 반사부(20)를 통해 사용자의 동공을 통해 가상 화상으로서 제공되고, 이와 동시에 사용자는 눈으로 직접 실제 세계의 영상을 제공받음으로써 증강 현실 서비스를 제공받게 된다.
한편, 도 1에서 화상 출사부(30)는 사용자가 정면을 응시할 때를 기준으로 우측면에 배치되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 상부, 하부, 대각선 상하 방향 등에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)를 포함하는 증강 현실 구현 장치가 예컨대 안경 형태로 구현된 경우 화상 출사부(30)는 안경 프레임의 적절한 위치에 배치될 수 있다.
디스플레이 장치는, 외부의 별도 영상 재생 장치로부터 영상 신호를 입력받아서 단순히 화상을 표시하는 기능만을 가질 수도 있고, 자체적으로 프로세서, 메모리 등을 구비하여 화상을 저장하고 재생하는 기능을 갖는 장치와 일체로 형성될 수도 있다.
디스플레이 장치 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 또한 화면에 화상을 표시할 수 있는 종래 알려져 있는 장치를 사용할 수 있으므로 이에 대한 상세 설명은 생략한다.
광학 수단(10)은, 가시 광선의 적어도 일부를 투과시키는 렌즈일 수 있으며, 그 내부 또는 표면에는 반사부(20)가 일렬로 배치된다.
여기에서, 가시 광선의 적어도 일부를 투과시킨다는 것은, 가시 광선의 투과율이 0~100%의 범위라는 의미이다. 이러한 광학 수단(10)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(100)가 사용자의 눈의 동공(50) 정면 방향에 위치한다고 가정할 때, 동공(50)을 통해 현실 세계의 영상을 인식하면서 화상 출사부(30)로부터 출사하는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 반사부(20)에 의해 반사시켜 동공(50)으로 출사함으로써 현실 세계의 영상과 증강 현실용 화상을 겹쳐서 제공하여 증강 현실 서비스를 제공할 수 있도록 한다.
광학 수단(10)은 도 1에 나타낸 바와 같이 예컨대 사각형의 렌즈 모듈 형태로 구현하고 이러한 렌즈 모듈을 안경 형태의 증강 현실 구현 장치에 착탈 가능하게 결합시키거나, 본 발명에 의한 광학 장치(100)를 포함하는 증강 현실 구현 장치가 안경 형태로 구현되는 경우 안경 렌즈의 형태로 구현될 수도 있다.
도 1에서, 반사부(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립된 형태로 나타나 있으나, 이는 예시적인 것이며, 사용자의 동공(50)쪽의 광학 수단(10)의 표면에 배치될 수도 있다.
프레임부(40)는 화상 출사부(30)와 광학 수단(10)을 고정 및 지지하는 수단으로서, 증강 현실용 광학 장치(100)가 안경 형태로 구성되는 경우 안경테 등과 같은 것일 수 있다. 도 1의 경우에는, 광학 수단(10)는 프레임부(40)의 일단부에서 결합 지지되고, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)과 결합되는 프레임부(50)에 배치될 수 있다.
다음으로, 반사부(20)에 대해 설명한다.
도 1의 실시예의 반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 상기 증강 현실용 화상을 제공하는 기능을 수행하는데, 이러한 반사부(20)는 광학 수단(10)의 표면 또는 내부에 배치되며, 점대칭 형상 이외의 모양을 나타내는 비대칭 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 반사부(20)는, 점대칭 형상이 아닌 비대칭 형상으로 형성되어, 화상 출사부(30)로부터 방사되는 화상광을 동공(50)을 향해 반사시킴으로써, 증강 현실용 화상과 실제 세계의 영상을 겹쳐서 제공할 수 있으며 이에 의해 사용자에게 증강 현실 서비스를 제공할 수 있다.
이를 위하여 반사부(20)는 화상 출사부(30)와 동공(50) 사이에서 적절한 각도를 가지도록 배치된다. 도 1의 실시예에서는, 반사부(20)는, 화상 출사부(30)가 측면에 배치되어 있으므로 화상 출사부(30)로부터 출사된 화상광을 사용자의 동공(50)을 향해 반사시킬 수 있도록 사용자가 정면을 응시할 때 동공(50)의 정면 방향인 시축에 대해 대략 45도 정도로 경사지게 배치되어 있다. 화상 출사부(30)가 프레임부(50)의 다른 곳에 배치된다면, 해당 위치로부터 동공(50) 방향으로 화상광을 반사할 수 있는 적절한 각도를 가지도록 배치될 것이다.
여기에서, 점대칭 형상은, 반사부(20)의 평면의 특정한 점을 중심으로 반사부(20)를 회전시킬 때 모든 회전 각도에 대해 항상 동일한 형상이 되도록 하는 특정한 점이 존재하는 형상이고, 비대칭 형상은, 점대칭 형상이 아닌 형상 즉, 반사부(20)의 평면의 특정한 점을 중심으로 반사부(20)를 회전시킬 때 모든 회전 각도에 대해 항상 동일한 형상이 되도록 하는 특정한 점이 존재하지 않는 형상인 것으로 정의한다.
예컨대, 원형은 원의 중심점을 기준으로 회전시킬 때 모든 회전 각도에 대해 항상 동일한 형상이 되기 때문에 점대칭 형상이다. 또한, 도넛 형태의 내부에 홀이 형성된 원형 또한 점대칭 형상이다.
한편, 정삼각형은 중심을 기준으로 120도, 240도, 360도 회전시키면 원래의 형상과 동일하게 되지만 이들 이외의 각도에서는 원래의 형상과 동일한 형상이 아니기 때문에 모든 각도에 대해 항상 동일한 형상이라고 볼 수 없다. 따라서, 정삼각형은 본 발명에서는 점대칭 형상이 아닌 비대칭 형상인 것으로 분류된다.
또한, 정사각형은, 중심점을 기준으로 90도씩 회전시킬 때 마다 원래의 형상과 동일하게 되지만 이 또한 이들 이외의 각도에서는 원래의 형상과 동일한 형상이 아니기 때문에 본 발명에서는 점대칭 형상이 아닌 비대칭 형상인 것으로 분류한다.
도 2는 점대칭 형상과 비대칭 형상의 반사부(20)의 평면도를 예시적으로 나타낸 것으로서, 도 2(a)는 점대칭 형상의 예이고 도 2(b)는 비대칭 형상의 예이다.
도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 점대칭 형상의 예로서는 원형과 도넛 형상이 있으며, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 비대칭 형상의 예로서는 삼각형, 사각형, 타원형, 오각형, 육각형 및 기타 비정형적인 형태를 들 수 있다.
도 2에 나타낸 반사부(20)의 형태는 예시적인 것이며, 이들 이외에도 기타 다른 형태도 본 발명에 적용할 수 있다.
다음으로, 반사부(20)의 형상에 따른 광학 특성을 설명한다.
도 3은 반사부(20)가 점대칭 형상의 하나인 원형으로 구성된 경우의 광학 특성을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같은 원형의 반사부(20)을 미세한 크기의 단위 미러들로 분할하고, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이 각각의 단위 미러들로부터 반사된 빛의 광량(311,312)을 구하고, 각각의 단위 미러들로부터 반사된 빛의 광량을 중첩시키면 도 3의 (c)에 나타낸 바와 같은 밝기 분포(300)를 얻을 수 있다.
도 3의 (c)에 나타낸 밝기 분포(300)는 화상 출사부(30)에서 출사된 화상광이 원형의 반사부(20)에 의해 반사되었을 때 사용자의 동공(30)에 도달하는 실제 광량을 의미하는 것으로서, 중심부(301)에는 밝은 영역이 형성되고 주변부(302)는 중심부(301)보다 상대적으로 어두운 영역이 형성되며, 중심부(301)와 주변부(302)의 바깥 가장자리의 광량은 비교적 큰 차이가 있음을 알 수 있다.
이는 원형의 반사부(20)는 중심부(301)의 밝기는 매우 양호하지만 주변부(302)는 중심부(301)에 비해 어둡게 보이고 그 밝기 차이가 크다는 것을 의미한다. 즉, 광균일도가 고르지 않다는 것을 의미한다.
도 4는 반사부(20)가 비대칭 형상의 하나인 삼각형으로 구성된 경우의 광학 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서와 마찬가지로, 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같은 삼각형의 반사부(20)를 미세한 크기의 단위 미러들로 분할하고, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 각각의 단위 미러들로부터 반사된 빛의 광량(311,312)을 구하고, 각각의 단위 미러들로부터 반사된 빛의 광량을 중첩시키면 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같은 밝기 분포(300)를 얻을 수 있다.
도 4의 (c)에 나타낸 밝기 분포(300) 또한 중심부(301)에는 밝은 영역이 형성되고 주변부(302)는 중심부(301)보다 상대적으로 어두운 영역이 형성되지만, 중심부(301)와 주변부(302)의 바깥 가장자리의 광량은 도 3의 원형의 반사부(20)에 비해 그 차이가 상대적으로 크지 않음을 알 수 있다.
이는 삼각형의 반사부(20)는 중심부(301)의 밝기가 원형의 반사부(20)의 중심부의 밝기보다 다소 낮을 수는 있으나 주변부(302)가 중심부(301)에 비해 어둡게 보이는 정도가 원형의 반사부(20)의 경우보다 덜하다는 것을 의미한다. 따라서, 도 4에 나타낸 바와 같은 삼각형 즉, 비대칭 형상의 경우에는 중심부(301)와 주변부(302)의 밝기 차이가 점대칭 형상의 경우보다 크지 않아서 반사부(20)의 전체 영역에 대해 비교적 고른 밝기 분포를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
도 5는 반사부(20)이 비대칭 형상의 하나인 사각형으로 구성된 경우의 광학 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4에서와 마찬가지로, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같은 사각형의 반사부(20)를 미세한 크기의 단위 미러들로 분할하고, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이 각각의 단위 미러들로부터 반사된 빛의 광량(311,312)을 구하고, 각각의 단위 미러들로부터 반사된 빛의 광량을 중첩시키면 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같은 밝기 분포(300)를 얻을 수 있다.
도 5의 (c)에 나타낸 밝기 분포(300) 또한 중심부(301)에는 밝은 영역이 형성되고 주변부(302)는 중심부(301)보다 상대적으로 어두운 영역이 형성되지만, 중심부(301)와 주변부(302)의 바깥 가장자리의 광량은 도 3의 원형의 반사부(20)에 비해 그 차이가 상대적으로 크지 않으며, 도 4의 삼각형의 반사부(20)의 경우와 마찬가지로 중심부(301)와 주변부(302)의 밝기 차이가 점대칭 형상의 경우보다 크지 않아서 반사부(20)의 전체 영역에 대해 비교적 고른 밝기 분포를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 점대칭 형상이 아닌 비대칭 형상의 반사부(20)를 사용하는 경우, 점대칭 형상의 반사부(20)의 경우에 비해 반사부(20)의 전체 영역에 대해 고른 밝기 분포를 얻을 수 있어서 중심부와 주변부의 밝기 차이가 크지 않은 가상 영상을 사용자에게 제공할 수 있는 효과가 있다. 즉, 광균일도가 고르게 분포된 가상 영상을 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 반사부(20)의 크기는 사람의 동공 크기보다 작은 것이 바람직하다. 일반적으로, 사람의 동공 크기(직경)는 평균적으로 2~8mm 범위인 것으로 알려져 있으며, 따라서 본 발명에서의 반사부(20)는 그 크기가 8mm 이하가 되도록 형성된다.
이와 같이 반사부(20)가 동공 크기 보다 작게 형성되는 경우 반사부(20)를 통해 동공으로 입사하는 빛에 대한 심도(Field of Depth)를 매우 깊게 할 수 있다. 여기서, 심도라 함은, 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위를 말한다. 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.
이와 같이 반사부(20)를 동공 크기보다 작게 하는 기본적인 구성 및 효과에 대해서는 상기 [특허 문헌 1]에 상세히 개시되어 있으므로 여기에서는 이에 대해서는 상세 설명은 생략한다.
여기에서, 반사부(20)의 크기라 함은, 반사부(20)의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
한편, 도 1에 나타낸 바와 같이, 반사부(20)가 사용자의 동공(50)의 정면에 위치하는 경우에는, 반사부(20)의 크기는, 사용자가 정면을 응시할 때 동공(50)으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부(20)의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 반사부(20)가 사용자의 동공(50) 정면 방향이 아닌 측면이나 상하 방향에 배치될 수 있는데, 이 경우 반사부(20)의 크기는, 사용자가 반사부(20) 방향을 응시할 때 동공(50)으로부터 반사부(20) 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부(20)의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 반사부(20)의 면적은, 사람의 동공(30)의 면적보다 작도록 형성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 사람의 동공이 원 형상이라고 할 때, 동공의 직경은 2~8mm이고 반지름은 1~4mm라고 할 수 있으며, 따라서 동공의 면적은 π·r2의 수식에 의하여 최대 16π(mm2)이므로, 반사부(20)의 면적을 16π(mm2) 이하의 값을 가지도록 형성할 수 있다.
한편, 도 1에 나타낸 바와 같이, 반사부(20)가 사용자의 동공(50)의 정면에 위치하는 경우에는, 반사부(20)의 면적은, 사용자가 정면을 응시할 때 동공(50)으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 반사부(20)를 투영한 정사영의 면적일 수 있다.
또한, 반사부(20)가 사용자의 동공(50) 정면 방향이 아닌 측면이나 상하 방향에 배치될 수 있는데, 이 경우 반사부(20)의 면적은, 사용자가 반사부(20) 방향을 응시할 때 동공(50)으로부터 반사부(20) 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부(20)의 정사영의 면적일 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 반사부(20)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 6의 (a)는 증강 현실용 광학 장치(100)를 사용자가 실제 세계를 응시할 때를 기준으로 나타낸 평면도이고, 도 6의 (b)는 화상 출사부(30)쪽에서 반사부(20)를 바라보았을 때의 형상을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 반사부(20)가 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)로 구성되고, 도시된 바와 같이, 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)은 화상 출사부(30)의 중심으로부터 수직 방향으로 나란히 앞뒤로 소정의 간격을 두고 배치된다. 즉, 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)는 화상 출사부(20)의 중심으로부터 수직 방향으로 출사되는 증강 현실용 화상의 화상광과 동일한 선상에 배치된다.
또한, 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)는, 화상 출사부(30)의 중심부에서 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b) 쪽을 바라보았을 때 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이 서로 일부분만이 겹쳐서 보이도록 배치된다. 즉, 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)는, 화상 출사부(30)의 중심부에서 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b) 쪽을 바라보았을 때 전체가 겹쳐 보이지 않도록 배치된다.
도 6에서 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)는 모두 삼각형 형상이고 이들은 서로 180도 회전 관계에 있다.
이와 같이 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)를 배치하면, 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)에서 반사되어 사용자의 동공(50)에 입사되는 화상광은 도 6의 (b)와 같이 나타낼 수 있다.
도 6의 (b)에서 검은색 부분은 제1 반사부(20a)과 제2 반사부(20b)가 서로 겹치는 영역으로서 제2 반사부(20b)에 화상광이 전달되지 않는 영역이다. 제2 반사부(20b)는 겹치는 영역에 대해서는 화상광을 동공(50)으로 반사할 수 없으나 이 영역에 상응하는 화상광은 제1 반사부(20a)에 의해 동공(50)으로 전달될 수 있다. 따라서, 전체적으로는 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같은 별 형태의 증강 현실용 화상을 사용자의 동공(50)에 투영할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 반사부(20)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7의 (a)는 증강 현실용 광학 장치(100)를 사용자가 실제 세계를 응시할 때를 기준으로 나타낸 평면도이고, 도 7의 (b)는 화상 출사부(30)쪽에서 반사부(20)를 바라보았을 때의 형상을 나타낸 도면이다.
도 7 또한 도 6의 실시예와 기본적인 구성은 동일하되, 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)의 형상이 가로 방향 및 세로 방향으로 배치된 직사각형 형상이라는 점에서 차이가 있다.
도 7의 경우에도 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)에서 반사되어 사용자의 동공(50)에 입사되는 화상광은 도 7의 (b)와 같이 나타낼 수 있는데, 도 7의 (b)에서 검은색 부분은 제1 반사부(20a)과 제2 반사부(20b)이 서로 겹쳐서 제2 반사부(20b)에 화상광이 전달되지 않는 영역을 나타낸 것이다. 제2 반사부(20b)은 겹치는 영역에 대해서는 화상광을 동공(50)으로 반사할 수 없으나 이 영역에 상응하는 화상광은 제1 반사부(20a)에 의해 동공(50)으로 전달될 수 있다. 따라서, 전체적으로는 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같은 별 형태의 증강 현실용 화상을 사용자의 동공(50)에 투영할 수 있다.
도 6 및 도 7의 실시예에서, 제1 반사부(20a)과 제2 반사부(20b)는 서로 소정의 각도를 회전시킬 때 동일한 형상이 되는 관계에 있지만 이에 한정되는 것이 아니며 제1 반사부(20a)과 제2 반사부(20b)는 화상 출사부(30)에서 반사부(20a,20b) 쪽을 바라보았을 때 일부분만이 겹치기만 하면 서로 다른 형상이어도 상관없다. 즉, 제1 반사부(20a)과 제2 반사부(20b)는 어느 하나를 회전시키더라도 서로 동일한 형상이 되지 않는 관계에 있어도 무방하다. 예컨대, 제1 반사 부(20a)은 삼각형 형상으로 하고, 제2 반사부(20b)은 직사각형 형상으로 구성할 수도 있다.
또한, 도 6 및 도 7의 실시예에서, 반사부(20)는 2개인 것으로 설명하였으나, 전술한 바와 같이 서로 완전히 겹치지 않는 형태라면 3 이상의 반사부(20)로 구성할 수도 있음은 물론이다.
도 6 및 도 7의 실시예와 같은 구성에 의하면, 화상 출사부(30)로부터 반사부(20)쪽으로의 방향으로 반사부(20)를 확장 배치할 수 있으므로, 그만큼 시야각을 넓힐 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 6 및 도 7의 실시예에서, 제1 반사부(20a)과 제2 반사부(20b)의 간격은 사용자의 눈의 동공(50)의 크기보다 작은 8mm 이하인 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 반사부(20)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 반사부(20)에는 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이 중심부에 관통공(11)이 형성되어 화상 출사부(30)로부터 출사된 화상광을 반사시키지 않고 그대로 통과시키는 것을 특징으로 한다.
도 3 내지 도 5에서 설명한 바와 마찬가지로, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같은 도넛 형태의 원형의 반사부(20)를 미세한 크기의 단위 미러들로 분할하고, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이 각각의 단위 미러들로부터 반사된 빛의 광량(311,312)을 구하고, 각각의 단위 미러들로부터 반사된 빛의 광량을 중첩시키면 도 8의 (c)에 나타낸 바와 같은 밝기 분포(300)를 얻을 수 있다.
도 8의 (c)에 나타낸 밝기 분포(300)를 참조하면, 중심부(301)와 주변부(302)의 밝기 차이가 매우 작다는 것을 알 수 있는데, 이는 중심부에 형성된 관통공(11)은 화상 출사부(30)로부터 출사되는 화상광을 반사하지 않기 때문이다.
따라서, 도 8의 도넛 형태의 원형 반사부(20)은 중심부(301)와 주변부(302)의 밝기 차이가 크지 않아서 반사부(20)의 전체 영역에 대해 비교적 고른 밝기 분포를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 8에서는 도넛 형태의 원형의 반사부(20)를 예로 들어서 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 중심부 영역에 디스플레이부(20)로부터의 화상광을 반사하지 않는 관통공(11)이 형성되기만 하면 도 1 내지 도 5에서 설명한 비대칭 형상의 반사부(20)에도 적용할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 반사부(20)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 9의 (a)는 증강 현실용 광학 장치(100)를 사용자가 실제 세계를 응시할 때를 기준으로 나타낸 평면도이고, 도 9의 (b)는 화상 출사부(30)쪽에서 반사부(20)를 바라보았을 때의 형상을 나타낸 도면이다.
도 9 또한 도 6 및 도 7의 실시예와 유사하지만, 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)가 도 8에 나타낸 바와 같이 중심부에 관통공(11)이 형성되어 있다는 점에서 차이가 있다. 즉, 도 9의 실시예에서는, 화상 출사부(30)에서 반사부(20) 쪽을 바라보았을 때 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이 도넛 형태가 되도록 배치된다.
이와 같이 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)를 배치하게 되면, 제1 반사부(20a) 및 제2 반사부(20b)에 의해 반사되어 사용자의 동공(50)에 입사되는 화상광은 도 9의 (b)와 같이 나타나는데, 도 9의 (b)에서 검은색 부분은 제1 반사부(20a)의 관통공(11)에 의해 제2 반사부(20b)로 화상 출사부(30)로부터의 화상광이 직접 전달되는 영역이다. 제1 반사부(20a)의 외부 가장자리 영역에 의해 화상광이 제2 반사부(20b)로 직접 전달될 수 없으나 이 영역에 상응하는 화상광은 제1 반사부(20a)에 의해 동공(50)으로 전달될 수 있다. 따라서, 전체적으로는 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같은 증강 현실용 화상을 사용자의 동공(50)에 투영할 수 있다.
이상에서, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
100...증강 현실용 광학 장치
10...광학 수단
20...반사부
30...화상 출사부
40...프레임부
50...동공

Claims (9)

  1. 증강 현실용 광학 장치로서,
    가시광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단; 및
    상기 광학 수단의 표면 또는 내부에 배치되어 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시키는 반사부
    를 구비하고,
    상기 반사부는, 점대칭 형상 이외의 모양을 나타내는 비대칭 형상으로 형성되고,
    상기 점대칭 형상은, 상기 반사부의 평면의 특정한 점을 중심으로 반사부를 회전시킬 때 모든 회전 각도에 대해 항상 동일한 형상이 되도록 하는 특정한 점이 존재하는 형상이고, 상기 비대칭 형상은, 점대칭 형상이 아닌 형상인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부의 크기는 8mm 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반사부의 크기는, 반사부의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 반사부의 크기는, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 반사부의 크기는, 사용자가 반사부 방향을 응시할 때 동공으로부터 반사부 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부의 면적은, 16π(mm2) 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 반사부의 면적은, 사용자가 정면을 응시할 때 동공으로부터 정면 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 면적인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 반사부의 면적은, 사용자가 반사부 방향을 응시할 때 동공으로부터 반사부 방향에 대해 수직하는 평면에 투영된 반사부의 정사영의 면적인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  9. 증강 현실용 광학 장치로서,
    가시광선의 적어도 일부를 투과시키는 광학 수단; 및
    상기 광학 수단의 표면 또는 내부에 배치되어 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시키는 반사부
    를 구비하고,
    상기 반사부의 중심부에는 상기 화상 출사부로부터 출사된 화상광을 통과시키는 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
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