KR20210049031A - 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실제 사물로부터 출사된 화상광인 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 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 반사부로 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 전반사되어 제1 반사부로 전달되고, 상기 증강 현실 화상광을 반사시키는 제1 반사부의 반사면은, 증강 현실 화상광이 입사하는 방향을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치{OPTICAL DEVICE FOR AUGMENTED REALITY WHICH CAN PREVENT GHOST IMAGES}
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크기, 두께, 무게 및 부피를 현저하게 줄일 수 있으며 고스트 이미지를 효율적으로 차단함으로써 보다 선명한 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 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 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.
도 1은 상기 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(30), 화상 출사부(40) 및 프레임부(60)를 포함한다.
광학 수단(10)은 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 투과시키는 수단으로써 예컨대 안경 렌즈일 수 있으며, 그 내부에 반사부(30)가 매립되어 있다. 또한, 광학 수단(10)은 반사부(30)로부터 반사된 증강 현실 화상광을 동공으로 전달하도록 투과시키는 기능도 수행한다.
프레임부(60)는 화상 출사부(40)와 광학 수단(10)을 고정 및 지지하는 수단으로서, 예컨대 안경 테와 같은 것일 수 있다.
화상 출사부(40)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(30)는 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 동공을 향해 반사시킴으로써 증강 현실용 화상을 제공한다.
도 1의 반사부(30)는, 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성되어 있는데, 이와 같이 반사부(30)를 동공 크기보다 작게 형성하면, 반사부(30)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 변경하는 것과 상관없이 증강 현실용 화상에 대해서는 항상 선명한 가상 영상을 제공할 수 있다.
그러나, 이러한 기술은 화상 출사부(40)에 평행광을 위한 콜리메이터 등과 같은 추가적인 광학 수단이 필요하므로 장치의 크기, 두께 및 부피가 커진다는 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 화상 출사부(40)에 콜리메이터를 사용하지 않고 광학 수단(10) 내부에 오목 거울과 같은 반사부를 매립하여 배치함으로써 콜리메이터의 기능을 수행하도록 하는 방법을 생각할 수 있는데, 이러한 구성에 의하면 화상 출사부(40)의 크기, 두께 및 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 2는 화상 출사부(40)에 콜리메이터가 구비된 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 콜리메이터의 기능을 수행하는 보조 반사부(20)가 내부에 배치된 증강 현실용 광학 장치(100-1)의 측면도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 2의 좌측에 도시된 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는 화상 출사부(40)가 디스플레이 장치(41)와 콜리메이터(42)로 구성되어 있으며, 도 2의 우측의 증강 현실용 광학 장치(100-1)는 화상 출사부(40)가 콜리메이터(42) 없이 디스플레이 장치(41)만으로 구성되어 있음을 알 수 있다.
도 2의 우측의 증강 현실용 광학 장치(100-1)는 화상 출사부(40)에 콜리메이터(42)를 사용하지 않는 대신 광학 수단(10) 내부에 콜리메이터의 기능을 수행할 수 있는 오목 거울 형태의 보조 반사부(20)가 배치되어 있으며, 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실 화상광은 보조 반사부(20)에 의해 반사된 후 반사부(30)로 전달되고, 반사부(30)는 전달된 증강 현실 화상광을 동공으로 전달하게 된다.
이와 같이, 도 2의 우측에 나타낸 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100-1)는 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 같은 기능을 수행하면서도, 화상 출사부(40)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용하지 않기 때문에 도 2의 좌측에 나타낸 바와 같은 외장형 콜리메이터를 사용하는 증강 현실용 광학 장치(100)에 비해 크기, 부피, 두께, 무게 등의 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있는 장점이 있다.
그러나, 도 2의 우측에 나타낸 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100-1)는 고스트 이미지를 발생시키는 의도치 않은 실제 사물 화상광도 동공으로 전달할 수 있다는 문제가 있다.
도 3은 증강 현실용 광학 장치(100-1)에서 고스트 이미지의 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 실제 사물로부터의 화상광인 실제 사물 화상광은 광학 수단(10)을 거쳐 동공으로 직접 전달되는 한편, 보조 반사부(20)에 의해 반사되어 동공으로 전달되는 잡광이 존재하며, 잡광에 의해 동공으로 전달된 실제 사물 화상광은 광학 수단(10)을 거쳐 동공으로 직접 전달된 실제 사물 화상광과 다른 위치에 상이 형성되기 때문에 고스트 이미지를 발생시키게 된다.
따라서, 폼 팩터를 줄이기 위하여 보조 반사부(20)를 사용한 도 2와 같은 내장형 콜리메이터를 사용하는 증강 현실용 광학 장치(100-1)에 있어서 발생할 수 있는 고스트 이미지 문제를 해결할 수 있는 기술이 요망된다.
대한민국 등록특허공보 10-1660519호(2016.09.29 공고)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 크기, 두께, 무게 및 부피를 현저하게 줄일 수 있으며 고스트 이미지를 효율적으로 차단할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 실제 세계의 화상광이 사용자의 동공쪽으로 유출되는 것을 최소화함으로써 시스루(see-through)성을 보다 극대화하는 동시에 선명한 가상 이미지를 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고스트 이미지의 발생을 차단하는 동시에 크기, 두께, 무게 및 부피를 현저하게 줄임으로써 사람이 불편함 없이 착용할 수 있는 안경 형태의 증강 현실 제공 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치로서, 실제 사물로부터 출사된 화상광인 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 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 반사부로 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 전반사되어 제1 반사부로 전달되고, 상기 증강 현실 화상광을 반사시키는 제1 반사부의 반사면은, 증강 현실 화상광이 입사하는 방향을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 제1 반사부는 상기 제2 반사부를 사이에 두고 화상 출사부와 대향하며 광학 수단의 제1 면을 향하도록 상기 광학 수단의 내부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 반사부의 반사면은 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 반사부의 반사면은 증강 현실 화상광이 입사하는 방향 쪽으로 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 반사부의 폭 방향의 길이는 4mm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 반사부는, 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)이거나 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 반사부는, 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 반사부의 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.
또한, 상기 제2 반사부는 상기 제1 반사부로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 동공을 향해 반사시켜 전달할 수 있도록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 경사각을 가지도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부는, 4mm 이하의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부의 크기는, 제2 반사부의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부의 크기는, 사용자의 동공과 제2 반사부 사이의 직선에 수직하면서 동공의 중심을 포함하는 평면에 제2 반사부를 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부는, 복수개로 형성되며, 각각의 제2 반사부는 상기 제1 반사부로부터 전달되는 증강 현실 화상광이 다른 제2 반사부에 의해 차단되지 않도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부들의 크기는 부분적으로 서로 다를 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부들 중 적어도 일부의 제2 반사부들의 간격을 다른 제2 반사부들의 간격과 다르게 배치할 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부들 중 적어도 일부는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러이거나 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부들 중 적어도 일부는 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부들 중 적어도 일부에 대해서, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅한 것일 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부들 중 적어도 일부의 표면을 곡면으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 제2 반사부들 중 적어도 일부의 상기 광학 수단에 대한 경사각은 다른 제2 반사부들과 상이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 실제 사물로부터 출사된 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 렌즈부; 및 상기 렌즈부를 고정하는 프레임부를 포함하는 안경 형태의 증강 현실 제공 장치로서, 상기 렌즈부는 상기한 바와 같은 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치인 것을 특징으로 하는 증강 현실 제공 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 렌즈부의 바깥쪽 또는 안쪽 중 적어도 어느 한쪽에 시력 보정을 위한 굴절능을 갖는 렌즈가 배치될 수 있다.
또한, 상기 렌즈부의 전부 또는 일부를 시력 보정을 위한 굴절능을 갖는 시력 보정 렌즈로 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 크기, 두께, 무게 및 부피를 현저하게 줄일 수 있으며 고스트 이미지를 효율적으로 차단할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 실제 세계의 화상광이 사용자의 동공쪽으로 유출되는 것을 최소화함으로써 시스루(see-through)성을 보다 극대화하는 동시에 선명한 가상 이미지를 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고스트 이미지의 발생을 차단하는 동시에 크기, 두께, 무게 및 부피를 현저하게 줄임으로써 사람이 불편함 없이 착용할 수 있는 안경 형태의 증강 현실 제공 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 상기 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2는 화상 출사부(30)에 콜리메이터가 구비된 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 콜리메이터의 기능을 수행하는 보조 반사부가 내부에 배치된 증강 현실용 광학 장치(100-1)의 측면도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 3은 증강 현실용 광학 장치(100-1)에서 고스트 이미지의 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치(200)의 구성을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4는 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도, 도 5는 증강 현실용 광학 장치(200)의 정면도 및 도 6은 증강 현실용 광학 장치(200)의 사시도를 각각 나타낸 것이다.
도 7은 제1 반사부(20)가 고스트 이미지를 차단하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(200)를 이용하여 구현한 증강 현실 제공 장치(300)의 일실시예를 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치(200, 이하 간단히 "증강 현실용 광학 장치(200)"라 한다)의 구성을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4는 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도, 도 5은 증강 현실용 광학 장치(200)의 정면도 및 도 6은 증강 현실용 광학 장치(200)의 사시도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예의 증강 현실용 광학 장치(200)는, 광학 수단(10), 제1 반사부(20), 제2 반사부(30)를 포함한다.
광학 수단(10)은, 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 투과시키는 수단이다.
여기에서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 동공(50)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(30)에서 반사된 증강 현실 화상광 및 제1 면(11)을 통과한 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 출사하는 면이다.
화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 내부를 통해 제1 반사부(20)로 전달되거나 광학 수단(10)의 내면에서 전반사되어 제1 반사부(20)로 전달될 수 있다.
도 4 내지 도 6의 실시예는 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광이 광학 수단(10)의 내면(제1 면(11))에서 전반사되어 제1 반사부(20)로 전달되는 전반사 구조를 설명한 것임을 유의해야 한다.
전반사 구조를 사용하지 않는 경우, 즉 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광이 제1 반사부(20)로 직접 전달되는 경우는, 화상 출사부(40)를 제1 반사부(20)의 각도를 고려하여 적절한 위치(예컨대, 도 4에서 광학 수단(10) 외부의 제1 반사부(20)로 입사하는 화살표의 연장선상의 적절한 위치)에 배치하는 방식에 의해 이루어질 수 있다.
광학 수단(10)의 내면에서 전반사되는 전반사 구조를 사용하는 경우, 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(40)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 제1 반사부(20)로 전달되고, 제1 반사부(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 제2 반사부(30)에서 반사되어 제2 면(12)을 통해 동공(50)으로 출사한다.
여기에서, 화상 출사부(40)는 증강 현실 화상광을 출사하는 수단이다. 화상 출사부(40)는, 전술한 바와 같이 증강 현실 화상광을 제1 반사부(20)로 출사하거나 광학 수단(10)의 제1 면(11) 쪽으로 출사하며, 예컨대 소형의 LCD와 같은 디스플레이 장치일 수 있다. 이러한 화상 출사부(40) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예에서의 화상 출사부(40)는 앞서 발명의 배경이 되는 기술 부분에서 설명한 바와 같이 콜리메이터와 같은 구성은 포함하지 않는다
한편, 증강 현실용 화상이라 함은, 화상 출사부(40), 광학 수단(10), 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(30)를 통해 사용자의 동공(50)으로 전달되는 가상 화상을 의미하며, 이미지 형태의 정지 영상이거나 동영상과 같은 것일 수 있다.
이러한 증강 현실용 화상은 화상 출사부(40), 광학 수단(10), 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(30)에 의해 사용자의 동공(50)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.
제1 반사부(20)는, 광학 수단(10)의 내부에 배치되며, 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실 화상광을 제2 반사부(30)로 전달하는 수단이다.
전술한 바와 같이, 화상 출사부(40)는 제1 반사부(20) 또는 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 증강 현실 화상광을 출사한다. 전반사 구조를 사용하는 경우, 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사된 증강 현실 화상광은 제1 반사부(20)로 전달되며, 제1 반사부(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 제2 반사부(30)로 전달되고, 제2 반사부(30)에서 다시 반사되어 동공(50)을 향해 출사된다. 전반사 구조가 아닌 경우, 화상 출사부(40)에서 출사된 증강 현실 화상광은 제1 반사부(20)로 직접 전달되고 제1 반사부(20)에서 반사된 증강 현실 화상광은 제2 반사부(30)로 전달되고 제2 반사부(30)에서 다시 반사되어 동공(50)을 향해 출사한다.
제1 반사부(20)는, 제2 반사부(30)를 사이에 두고 화상 출사부(40)와 대향하며 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 배치된다.
또한, 제1 반사부(20)는 제2 반사부(30)를 향해 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 반사시킬 수 있도록 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 내부에 배치된다. 즉, 제1 반사부(20)는 화상 출사부(40)로부터 출사된 증강 현실 화상광 또는 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 반사되어 전달되는 증강 현실 화상광을 제2 반사부(30)로 반사시켜 전달할 수 있도록 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 광학 수단(10)의 내부에 배치된다.
또한, 제1 반사부(20)는, 증강 현실 화상광을 반사시키는 제1 반사부(20)의 반사면(21)이 증강 현실 화상광이 입사하는 방향을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 배치된다. 그리고, 제1 반사부(20)의 반사면(21)은 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 배치된다. 이러한 구성에 의하여, 제1 반사부(20)는 실제 사물로부터 출사되는 실제 사물 화상광 중에서 고스트 이미지를 발생시키는 잡광이 제2 반사부(30)로 전달되지 않고 걸러내는 기능을 수행할 수 있다.
한편, 제1 반사부(20)의 반사면(21)은 곡면으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 반사부(20)의 반사면(21)은 증강 현실 화상광이 입사하는 방향인 광학 수단(10)의 제1 면(11) 쪽으로 오목하게 형성된 오목 거울일 수 있으며, 이러한 경우 제1 반사부(20)가 화상 출사부(40)에서 출사된 증강 현실 화상광을 시준시키는 콜리메이터(collimator)로서의 역할을 수행할 수 있고, 따라서 화상 출사부(40)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용할 필요가 없다는 것을 의미한다.
도 7은 제1 반사부(20)가 고스트 이미지를 차단하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 실제 사물로부터 출사되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 실제 사물 화상광(잡광)은 제1 반사부(20)로 입사하는데, 전술한 바와 같이, 제1 반사부(20)는 증강 현실 화상광이 입사하는 방향인 제1 면(11)을 향하도록 배치되어 있으므로, 제1 반사부(20)의 반사면(21)에서 반사된 실제 사물 화상광(잡광)은 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사하고, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 다시 전반사되어 화상 출사부(40) 방향으로 전달됨을 알 수 있다. 따라서, 실제 사물로부터 출사되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 잡광인 실제 사물 화상광은 광학 수단(10) 내부에서 소멸되고, 동공(50)쪽으로 유출되지 않음을 알 수 있다.
다만, 이러한 원리는 제1 반사부(20)에서 반사된 실제 사물 화상광(잡광)이 광학 수단(10)의 외부로 유출되지 않기 위한 기본적인 원리를 설명한 것으로서, 실제로는 광학 수단(10)의 형태, 굴절률, 눈과 제1 반사부(20)의 위치, 동공 크기 및 아이릴리프(eye relief) 등을 고려하여 제1 반사부(20)에 반사되어 동공으로 들어오는 외부광(잡광)을 최소화 시킬 수 있도록 제1 반사부(20)의 위치와 방향이 적절히 조절되어야 한다.
한편, 후술하는 바와 같이 제2 반사부(30)의 크기는 사람의 일반적인 동공의 크기인 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성되는데, 이러한 점을 고려하여 제1 반사부(20)의 폭 방향의 길이는 제2 반사부(30)의 크기에 상응하도록 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
여기에서, 제1 반사부(20)의 폭 방향이란, 도 4 내지 도 6에서 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 방향을 의미한다.
또한, 제1 반사부(20)는, 사용자가 동공(50)을 통해 제1 반사부(20)를 가급적 거의 인식할 수 없도록 하기 위하여 정면에서 보았을 때 그 두께를 매우 얇게 하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 반사부(20)는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.
또한, 제1 반사부(20)는 반사 수단 이외의 기타 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 제1 반사부(20)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 제1 반사부(20)의 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.
다시 도 4 내지 도 6을 참조하여 제2 반사부(30)에 대해 설명한다.
제2 반사부(30)는, 광학 수단(10)의 내부에 배치되며, 제1 반사부(20)로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 수단이다.
제2 반사부(30)는, 제1 반사부(20)로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 동공(50)을 향해 반사시켜 전달할 수 있도록 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 대해 경사각을 가지고 배치된다.
제2 반사부(30)는, 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, 제2 반사부(30)는, 사람의 일반적인 동공 크기보다 작은 크기로 형성되는데, 이에 의해 제2 반사부(30)를 통해 동공(50)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, 제2 반사부(30)의 크기라 함은, 제2 반사부(30)의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 제2 반사부(30)의 크기는, 동공(50)과 제2 반사부(30) 사이의 직선에 수직하면서 동공(50)의 중심을 포함하는 평면에 제2 반사부(30)를 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
한편, 제2 반사부(30)는, 복수개로 형성될 수 있는데, 이 때 제2 반사부(30) 각각은, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 반사부(20)로부터 전달되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광이 다른 제2 반사부(30)에 의해 차단되지 않도록 배치된다.
이 경우에도 각각의 제2 반사부(30)의 크기는 8mm 이하, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성된다.
또한, 제2 반사부(30)들의 크기는 전부 동일할 필요는 없으며, 부분적으로 서로 다르게 할 수도 있다.
또한, 각각의 제2 반사부(30)들은 동일한 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하지만, 적어도 일부의 제2 반사부(30)들의 간격을 다른 제2 반사부(30)들의 간격과 다르게 배치할 수도 있다.
또한, 제2 반사부(30)들 중 적어도 일부는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.
또한, 제2 반사부(30)들 중 적어도 일부는, 반사 수단 이외의 기타 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 제2 반사부(30)들 중 적어도 일부는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 구성될 수 있다.
또한, 제2 반사부(30)들 중 적어도 일부에 대해서, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.
또한, 제2 반사부(30)들 중 적어도 일부의 표면을 곡면으로 형성할 수도 있다. 여기에서, 상기 곡면은 오목면 또는 볼록면일 수 있다.
또한, 제2 반사부(30)들 중 적어도 일부의 광학 수단(10)에 대한 경사각은 다른 제2 반사부(30)들과 상이하게 형성할 수 있다.
도 8 및 도 9는 앞에서 설명한 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(200)를 이용하여 구현한 안경 형태의 증강 현실 제공 장치(300)의 일실시예를 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 증강 현실 제공 장치(300)는 종래의 전체적으로 렌즈부(310)와 상기 렌즈부(310)를 고정하는 프레임부(320)로 구성되는 안경 형태로 형성되고, 렌즈부(310)를 앞서 설명한 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(200)로 구현한 것을 특징으로 한다.
이 경우, 렌즈부(310)는 앞서 설명한 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(200)의 광학 수단(10)에 상응하며, 렌즈부(310) 내부에 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(30)가 전술한 바와 같은 방식으로 배치된다.
프레임부(320)는 렌즈부(310)의 주위를 둘러쌓는 형태의 종래 알려져 있는 안경 형태로 구성될 수 있으며, 화상 출사부(40)는 앞서 설명한 바와 같이 프레임부(320)의 적절한 위치에 배치될 수 있다. 이 경우, 예컨대 증강 현실 제공 장치(300)를 사용자가 귀에 걸칠 수 있도록 하는 프레임부(320)의 다리부(321)의 단부에 스마트폰이나 컴퓨터 등과 유선 또는 무선 형태로 연결될 수 있도록 하는 연결 포트를 형성하고, 상기 연결 포트 및 프레임부(320) 내부에 형성된 케이블을 통해 화상 출사부(40)로 증강 현실용 화상에 상응하는 이미지나 동영상 데이터를 전송하여 화상 출사부(40)가 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 출사할 수 있도록 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(200)에 의하면, 장치의 전체적인 크기, 두께, 부피를 현저하게 줄이는 동시에 고스트 이미지의 발생을 최소화할 수 있으므로 증강 현실 제공 장치(300) 또한 이러한 장점을 그대로 가질 수 있다. 따라서, 종래 기술에 비하여 복잡한 구성을 필요로 하지 않고 착용감이 뛰어난 증강 현실 제공 장치(300)를 제공할 수 있다.
한편, 도 8 및 도 9와 같은 증강 현실 제공 장치(300)에 있어서, 굴절 이상을 갖는 사용자를 위하여, 소정의 굴절능을 갖는 시력 보정 렌즈를 렌즈부(310)의 바깥쪽 또는 안쪽 중 적어도 어느 한쪽에 배치하거나, 렌즈부(310)(광학 수단(10)) 자체의 전부 또는 일부를 소정의 굴절능을 갖는 시력 보정 렌즈로 형성할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 사용자의 시력에 따라 시력 보정 효과를 추가적으로 제공할 수 있는 장점이 있다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며 기타 다양한 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.
예컨대, 앞서 설명한 바와 같이, 도 4 내지 도 6의 실시예에서는, 전반사 구조를 사용하는 경우를 도면을 참조하여 설명하였으나, 화상 출사부(40)를 적절히 배치함으로써 증강 현실 화상광이 화상 출사부(40)로부터 전반사 없이 제1 반사부(20)로 전달되는 것도 가능함은 물론이다.
100...종래의 증강 현실용 광학 장치
200...고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치
10...광학 수단
11...광학 수단(10)의 제1 면
12...광학 수단(10)의 제2 면
20...제1 반사부
21...제1 반사부(20)의 반사면
30...제2 반사부
300...증강 현실 제공 장치
310...렌즈부
320...프레임부
321...다리부
40...화상 출사부
50...동공

Claims (22)

  1. 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치로서,
    실제 사물로부터 출사된 화상광인 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 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 반사부로 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 전반사되어 제1 반사부로 전달되고,
    상기 증강 현실 화상광을 반사시키는 제1 반사부의 반사면은, 증강 현실 화상광이 입사하는 방향을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반사부의 반사면은 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 반사부의 반사면은 증강 현실 화상광이 입사하는 방향 쪽으로 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반사부의 폭 방향의 길이는 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반사부는, 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)이거나 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터로 형성된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반사부는, 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반사부의 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅한 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 반사부는 상기 제1 반사부로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 동공을 향해 반사시켜 전달할 수 있도록 상기 광학 수단의 제2 면에 대해 경사각을 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 반사부는, 4mm 이하의 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 반사부의 크기는, 제2 반사부의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이인 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 반사부의 크기는, 사용자의 동공과 제2 반사부 사이의 직선에 수직하면서 동공의 중심을 포함하는 평면에 제2 반사부를 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이인 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 반사부는, 복수개로 형성되며, 각각의 제2 반사부는 상기 제1 반사부로부터 전달되는 증강 현실 화상광이 다른 제2 반사부에 의해 차단되지 않도록 배치된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 반사부들의 크기는 부분적으로 서로 다른 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 반사부들 중 적어도 일부의 제2 반사부들의 간격을 다른 제2 반사부들의 간격과 다르게 배치한 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 반사부들 중 적어도 일부는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러이거나 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터로 형성된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 반사부들 중 적어도 일부는 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성된 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 반사부들 중 적어도 일부에 대해서, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅한 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 반사부들 중 적어도 일부의 표면을 곡면으로 형성한 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 반사부들 중 적어도 일부의 상기 광학 수단에 대한 경사각은 다른 제2 반사부들과 상이하게 형성한 것을 특징으로 하는 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치.
  20. 실제 사물로부터 출사된 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 렌즈부; 및 상기 렌즈부를 고정하는 프레임부를 포함하는 안경 형태의 증강 현실 제공 장치로서,
    상기 렌즈부는 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 의한 고스트 이미지 차단 기능을 갖는 증강 현실용 광학 장치인 것을 특징으로 하는 증강 현실 제공 장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 렌즈부의 바깥쪽 또는 안쪽 중 적어도 어느 한쪽에 시력 보정을 위한 굴절능을 갖는 렌즈가 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실 제공 장치.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 렌즈부의 전부 또는 일부를 시력 보정을 위한 굴절능을 갖는 시력 보정 렌즈로 형성한 것을 특징으로 하는 증강 현실 제공 장치.
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