KR20210052090A - 증강 현실 장치 - Google Patents

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KR20210052090A
KR20210052090A KR1020190138195A KR20190138195A KR20210052090A KR 20210052090 A KR20210052090 A KR 20210052090A KR 1020190138195 A KR1020190138195 A KR 1020190138195A KR 20190138195 A KR20190138195 A KR 20190138195A KR 20210052090 A KR20210052090 A KR 20210052090A
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light source
image
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reality device
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신봉수
이홍석
이창건
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 개시에 따른 일 실시예는 광원, 상기 광원이 장착되는 부재로서, 3차원 운동하여 상기 광원의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나를 조절함으로써 상기 광원으로부터 방출되는 광의 진행 경로를 변경시키는 광원 이동 델타 로봇, 상기 광원으로부터의 광을 변조시켜 제1 영상을 생성하는 디스플레이 소자 및상기 디스플레이 소자로부터의 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기를 포함하는 증강 현실 장치를 제공한다.

Description

증강 현실 장치{Augmented reality device}
본 개시는 증강 현실 장치에 관한 것이다.
최근 외부의 풍경을 보면서 동시에 원하는 가상 영상을 시각적으로 인식할 수 있도록 해줄 수 있는 장치인 증강 현실 장치(Augmented Reality Device, AR device)에 대한 수요가 증가하고 있다.
일반적으로, 이러한 증강 현실 장치는 특정 신호에 의한 가상 영상을 생성하는 디스플레이 소자와 상기 가상 영상 및 외부 풍경을 동시에 볼 수 있도록 해주는 광결합기(combiner)를 포함한다.
디스플레이 소자로는 실리콘 액정표시장치 (LCoS), 디지털 마이크로미러 디스플레이(DMD) 등의 반사형 디스플레이 소자가 있다. 이러한 반사형 디스플레이 소자는 광원으로부터의 광을 픽셀 별로 변조하여 가상 영상을 만들어 낸다. 반사형 디스플레이 소자는 평판형 구조를 포함할 수 있다. 또한, 광원으로부터의 광을 반사형 디스플레이 소자로 가이딩하는 별도의 광학계(예를 들어, 빔 스플리터)가 더 구비될 필요가 있다. 이에 따라 반사형 디스플레이 소자를 이용하는 증강 현실 장치의 부피가 증가할 수 있다.
광결합기는 빔 스플리터(BS) 및 광학계(예를 들어, 렌즈, 거울 등)를 결합한 형태의 구조를 포함할 수 있다. 다만, 시야각이 커짐에 따라 빔 스플리터와 광학계의 부피가 증가하여 결과적으로 광결합기의 부피가 증가할 수 있다. 나아가, 최근에는 복합적인 광학 특성을 보다 단순한 형태로 구현이 가능한 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 광결합기로 사용하는 것에 대한 연구가 진행되고 있다.
홀로그래픽 광학 소자를 이용한 광결합기는 오목 거울(concave mirror)의 기능을 수행하도록 제작되어서 사용자의 동공위치에 가상 영상이 맺히도록 초점을 형성할 수 있다. 다만, 홀로그래픽 광학 소자를 광결합기로 이용할 경우, 매우 작은 초점 크기에 눈을 정확히 위치시켜야 정확한 영상을 볼 수 있으므로 영상을 볼 수 있는 범위인 아이 박스(eye box)가 매우 좁아질 수 있다.
한편, 최근에는 좁은 공간에서 정밀하고 반복적인 움직임을 통해 다양한 기능을 발휘할 수 있는 델타 로봇에 대한 연구 개발이 이루어지고 있다. 델타 로봇은 75Hz의 주파수로 고속의 반복 운동을 할 수 있다. 이러한 델타 로봇은 수술용 로봇, 제품 조립 산업용 로봇에 적용되고 있다.
본 개시에 따른 다양한 실시예는 광원 이동 델타 로봇의 사용을 통해 증가한 아이 박스를 가지는 증강 현실 장치를 제공하고자 한다.
본 개시에 따른 다양한 실시예는 디스플레이 소자를 대체하는 광원 이동 델타 로봇을 포함하는 증강 현실 장치를 제공하고자 한다.
일 실시예는,
광원, 상기 광원이 장착되는 부재로서, 3차원 운동하여 상기 광원의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나를 조절함으로써 상기 광원으로부터 방출되는 광의 진행 경로를 변경시키는 광원 이동 델타 로봇, 상기 광원으로부터의 광을 변조시켜 제1 영상을 생성하는 디스플레이 소자 및 상기 디스플레이 소자로부터의 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기를 포함하는 증강 현실 장치를 제공한다.
상기 광원 이동 델타 로봇은,
고정 베이스, 상기 고정 베이스로부터 수직 방향으로 이격되어 마련되며, 상기 광원이 장착되는 스테이지, 상기 고정 베이스와 상기 스테이지를 서로 연결하고, 적어도 하나의 관절부를 포함하여 관절 운동을 하도록 구성된 복수 개의 다리부 및상기 복수 개의 다리부 각각에 구동력을 독립적으로 전달하는 구동부를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 다리부는 복수 개의 제1 관절부를 가지는 제1 다리부 및 복수 개의 제2 관절부를 가지는 제2 다리부를 포함할 수 있다.
상기 구동부는,
상기 제1 다리부 및 제2 다리부의 운동 방향이 서로 달라지도록, 상기 제1 관절부 및 상기 제2 관절부를 제어할 수 있다.
상기 복수 개의 다리부는 적어도 3개 이상의 다리부를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 동공의 위치를 감지하는 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 센서로부터의 상기 사용자의 동공의 위치 정보에 따라, 상기 광원 이동 델타 로봇의 구동을 제어하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 광원 및 상기 디스플레이 소자 사이에 마련되어, 상기 광원으로부터의 광의 진행 방향을 변경시켜 상기 광을 상기 디스플레이 소자로 입사시키는 반사 미러를 더 포함할 수 있다.
상기 광원은 복수 개의 광학 소자를 포함하는 광학 소자 패키지가 어레이 형태로 배열되어 형성된 광학 소자 어레이를 포함할 수 있다.
상기 광결합기는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic optical element; HOE)를 포함할 수 있다.
다른 일 실시예는,
광원, 상기 광원이 장착되는 부재로서, 3차원 운동하여 상기 광원의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나를 반복적으로 조절함으로써 제1 영상을 생성하는 광원 이동 델타 로봇, 상기 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기를 포함하는 증강 현실 장치를 제공한다.
상기 광결합기는,
상기 광원으로부터의 광이 입사하는 제1 영역 및 상기 광원으로부터의 광 및 외부로부터의 광을 결합하여 사용자에게 전달하는 제2 영역을 가지며, 상기 광원으로부터의 광의 조사 면적을 확장시키는 빔 확장기를 포함할 수 있다.
상기 빔 확장기는,
상기 광원으로부터의 광이 입사하는 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 포함하는 도광판, 상기 제1 면 또는 제2 면 상의 상기 제1 영역에 마련되고, 상기 광원으로부터의 광이 상기 도광판 내부에서 전반사되어 진행하도록 상기 광을 회절시키는 입력 격자 및 상기 제1 면 또는 제2 면 상의, 상기 제1 영역과 상기 도광판의 수평 방향으로 이격된 상기 제2 영역에 마련되고, 상기 입력 격자에 의해 상기 도광판 내부로 진행한 광을 상기 도광판의 외부를 향하는 방향으로 회절시켜 출력하는 출력 격자를 포함할 수 있다.
상기 빔 확장기는 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 빔 확장기는 수직방향으로 나란하게 순차적으로 배열될 수 있다.
상기 광원 및 상기 광결합기 사이에 마련되어, 상기 광원으로부터의 광을 굴절 및 콜리메이팅시켜 상기 광결합기로 향하게 하는 광 변환 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 출력 격자는 상기 제2 면 방향으로 상기 광을 출력시킬 수 있다.
상기 출력 격자는 상기 도광판으로부터 출력된 광에 의한 제1 영상 및 상기 제1 면의 상기 제2 영역을 통해 입사된 외부로부터의 제2 영상이 결합되어 상기 제2 면 방향으로 진행 하도록 하기 위해, 상기 제2 영상의 광을 투과시키도록 구성될 수 있다.
상기 광결합기는,
상기 광원으로부터의 광의 진행 방향에 대해 기울어져 형성되고, 상기 광원으로부터의 광의 일부는 투과시키고, 나머지 일부는 반사시키는 제1 반사면을 포함하는 빔 스플리터 및 상기 제1 반사면을 투과한 광의 진행 경로 상에 마련되고, 소정의 굴곡을 가진 제2 반사면을 가지며, 상기 빔 스플리터에 의해 투과된 광을 반사시켜 다시 상기 빔 스플리터로 향하게 하는 광학 유닛을 포함할 수 있다.
상기 광원 이동 델타 로봇은, 상기 광학 유닛에 의한 상기 제1 영상의 왜곡을 보정하기 위해 소정의 곡선 궤적을 따라 움직이도록 구성될 수 있다.
상기 증강 현실 장치는,
상기 제2 영상의 광의 진행 경로 상에 배치되어, 상기 제2 영상의 광을 투과시키고, 상기 제1 영상 및 제2 영상과 다른 제3 영상을 생성하여, 상기 제2 영상 및 제3 영상을 상기 광결합기로 전달하는 디스플레이 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 광결합기는 상기 제1 영상, 제2 영상 및 제3 영상을 결합하여 상기 사용자에게 전달하도록 구성될 수 있다.
상기 광결합기는,
상기 광원으로부터의 광의 진행 방향에 대해 기울어져 형성되고, 상기 광원으로부터의 광의 일부는 투과시키고, 다른 일부는 반사시키며, 상기 디스플레이 소자로부터의 상기 제3 영상의 광 및 상기 제2 영상의 광의 일부를 투과시키는 빔 스플리터 및 상기 빔 스플리터를 투과한 상기 광원으로부터의 광의 진행 경로 상에 마련되고, 상기 빔 스플리터에 의해 투과된 광을 반사시켜 다시 상기 빔 스플리터로 향하게 하는 오목 거울을 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 다양한 실시예는 광원 이동 델타 로봇의 사용을 통해 증가한 아이 박스를 가지는 증강 현실 장치를 제공할 수 있다.
본 개시에 따른 다양한 실시예는 디스플레이 소자를 대체하는 광원 이동 델타 로봇을 포함하는 증강 현실 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 증강 현실 장치에 포함된 광원의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 광원 및 광원 이동 델타 로봇의 예시적인 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 광원 이동 델타 로봇의 동작을 간략하게 도시한 것이다.
도 5는 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 1의 증강 현실 장치에 포함될 수 있는 광원의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 8은 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 증강 현실 장치 에 대해 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 증강 현실 장치는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강 현실 장치(1000)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2는 도 1의 증강 현실 장치(1000)에 포함된 광원(100)의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 도 3은 도 1의 광원(100) 및 광원 이동 델타 로봇(200)의 예시적인 구조를 간략하게 도시한 것이다. 도 4는 도 3의 광원 이동 델타 로봇(200)의 동작을 간략하게 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 증강 현실 장치(1000)는 광원(100), 광원(100)이 장착되는 부재로서, 3차원 운동하여 광원(100)의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나를 조절함으로써 광원(100)으로부터 방출되는 광의 진행 경로를 변경시키는 광원 이동 델타 로봇(200), 광원(100)으로부터의 광을 변조시켜 제1 영상을 생성하는 디스플레이 소자(300) 및 디스플레이 소자(300)로부터의 제1 영상 및 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기(400)를 포함할 수 있다.
광원(100)은 가시광 영역의 단색광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 광원(100)은 적색광, 녹색광 및 청색광 중 어느 하나를 방출하는 광학 소자(예를 들어, LED)일 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 광원(100)은 각각 적색광을 방출하는 제1 광학 소자(R), 녹색광을 방출하는 제2 광학 소자(G) 및 청색광을 방출하는 제3 광학 소자(B)를 포함하는 복수 개의 광학 소자를 포함할 수 있다. 광원(100)에 포함된 서로 다른 파장의 광을 방출하는 제1, 제2 및 제3 광학 소자(R, G, B)는 시차를 두고 독립적으로 구동될 수 있다. 이에 따라, 광원(100)으로부터 적색광, 녹색광 및 청색광이 순차적으로 방출되며, 적색광, 녹색광 및 청색광의 조합으로 형성된 제1 영상이 사용자의 동공(10)으로 전달될 수 있다. 또한, 예를 들어, 광원(100)에 포함된 각각의 광학 소자는 레이저 빔을 방출하는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 이 경우, 광원(100)으로부터 방출되는 광은 가간섭성(coherence)을 가질 수 있다.
광원 이동 델타 로봇(200)은 광원(100)이 장착되는 부재이다. 이에 따라, 광원 이동 델타 로봇(200)의 움직임에 따라, 광원(100)도 함께 움직일 수 있다. 후술하는 바와 같이, 광원 이동 델타 로봇(200)의 3차원 운동에 따라, 디스플레이 소자(300)에 대한 광원(100)으로부터의 광의 입사각이 달라질 수 있다.
도 3을 참조하면, 광원 이동 델타 로봇(200)은 고정 베이스(201), 고정 베이스(201)로부터 수직 방향으로 이격되어 마련되며, 광원(100)이 장착되는 스테이지(202)를 포함할 수 있다. 또한, 광원 이동 델타 로봇(200)은 고정 베이스(201)와 스테이지(202)를 서로 연결하는 복수 개의 다리부(203, 205)를 포함할 수 있다. 복수 개의 다리부(203, 205)는 각각 적어도 하나의 관절부(204, 206)를 포함하여 관절 운동을 하도록 구성될 수 있다. 관절 운동이란, 관절부(204, 206)에 의해 서로 연결된 부재들이 서로 간의 각도가 변형되도록 움직이는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 다리부(203, 205)는 복수 개의 제1 관절부(204)를 가지는 제1 다리부(203) 및 복수 개의 제2 관절부(206)를 가지는 제2 다리부(205)를 포함할 수 있다. 복수 개의 제1 관절부(204) 중 하나는 제1 다리부(203)의 일단과 스테이지(202)의 일단 사이에 형성되어, 제1 다리부(203) 및 스테이지(202) 사이에서 관절 운동이 일어날 수 있다. 또한, 복수 개의 제1 관절부(204) 중 다른 하나는 제1 다리부(203) 중간에 형성되어, 제1 다리부(203)가 두 영역으로 나누어진 상태로 관절 운동을 할 수 있다. 나아가, 복수 개의 제1 관절부(204) 중 또 다른 하나는 제1 다리부(203)의 타단과 고정 베이스(201)의 일단 사이에 형성되어, 제1 다리부(203) 및 고정 베이스(201) 사이에서 관절 운동이 일어날 수 있다. 제2 다리부(205)도 제1 다리부(203)의 제1 관절부(204)와 대응되는 위치에 복수 개의 제2 관절부(206)를 포함함으로써, 복수의 영역에서 관절 운동을 할 수 있다. 이처럼, 고정 베이스(201), 제1 다리부(203), 제2 다리부(205) 및 스테이지(202) 사이에서 일어나는 관절 운동에 의해서 스테이지(202)의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나가 조절될 수 있다. 나아가, 밀리 델타 로봇(200)은 고정 베이스(201) 및 스테이지(202)를 서로 연결하는 제3 다리부(미도시)를 더 포함할 수 있고, 제1, 제2 및 제3 다리부의 관절 운동의 조합에 의해서 스테이지(202)의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기의 변화가 더 다양해질 수 있다.
나아가, 광원 이동 델타 로봇(200)은 복수 개의 다리부(203, 205) 각각에 구동력을 독립적으로 전달하는 구동부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 구동부로부터의 구동력은 복수 개의 다리부(203, 205)에 포함된 제1 관절부(204) 및 제2 관절부(206)로 전달될 수 있다. 구동부는 예를 들어, 복수 개의 다리부(203, 205) 각각에 연결된 복수 개의 압전 소자를 포함할 수 있다.
구동부는 제1 다리부(203) 및 제2 다리부(205)의 운동 방향이 서로 같아지도록, 제1 관절부(204) 및 제2 관절부(206)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 구동부는 복수 개의 압전 소자 각각에 동일한 전류를 인가하여, 동일한 구동력이 복수 개의 다리부(203, 205)로 전달되도록 할 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 다리부(203, 205)가 동일한 운동량만큼 구동될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 다리부(203, 205)가 동일한 운동량만큼 구동됨으로써, 광원 이동 델타 로봇(200)이 x축 방향의 중심선(CL1)을 기준으로 상하 진동 운동을 할 수 있다. 다시 말해, 광원 이동 델타 로봇(200)은 복수 개의 다리부(203, 205)의 수직 방향으로의 반복 운동에 의해 z축 방향으로 진동할 수 있고, 이에 따라, 광원 이동 델타 로봇(200)에 장착된 광원(100)의 3차원 공간에서의 z축 상의 좌표가 변경될 수 있다.
한편, 구동부는 제1 다리부(203) 및 제2 다리부(205)의 운동 방향이 서로 달라지도록, 제1 관절부(204) 및 상기 제2 관절부(206)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 구동부는 복수 개의 압전 소자 각각에 서로 다른 전류를 인가하여, 서로 다른 구동력이 복수 개의 다리부(203, 205)로 전달되도록 할 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 다리부(203, 205)가 서로 다른 운동량만큼 구동될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 다리부(203, 205)가 서로 다른 운동량만큼 구동됨으로써, 광원 이동 델타 로봇(200)이 z축 방향의 중심선(CL2)을 기준으로 수평 진동 운동을 할 수 있다. 다시 말해, 광원 이동 델타 로봇(200)은 복수 개의 다리부(203, 205)의 수평 방향으로의 반복 운동에 의해 x축 방향으로 진동할 수 있고, 이에 따라, 광원 이동 델타 로봇(200)에 장착된 광원(100)의 3차원 공간에서의 x축 상의 좌표가 변경될 수 있다. 도 4에는 스테이지(202)가 생략되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다. 또한, 도 4에는 다리부(203, 205)가 각각 하나의 관절부(204, 206)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다.
전술한 바와 같이, 광원 이동 델타 로봇(200)은 제1 및 제2 다리부(203, 205)와는 다른 별도의 제3 다리부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 구동부는 제3 다리부와 연결된 압전 소자를 더 포함할 수 있다. 광원 이동 델타 로봇(200)이 z축 또는 x축 방향으로 진동하는 것과 같이, 구동부의 전류 인가 방식에 따라, 광원 이동 델타 로봇(200)은 y축 방향으로 진동할 수 있다. 이에 따라, 광원 이동 델타 로봇(200)에 장착된 광원(100)의 3차원 공간에서의 y축 상의 좌표가 변경될 수 있다. 제1, 제2 및 제3 다리부의 운동에 따라, 광원 이동 델타 로봇(200)에 장착된 광원(100)의 3차원 공간에서의 x축, y축 및 z축 상의 좌표가 변경될 수 있다. 이에 따라, 광원(100)의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나가 조절되고, 광원(100)으로부터 방출되는 광의 진행 경로가 변경될 수 있다.
디스플레이 소자(300)는 광원(100)으로부터의 광을 변조시켜 제1 영상을 생성할 수 있다. 이하에서는, 제1 영상은 가상 영상으로 지칭될 수 있다. 디스플레이 소자(300)는 반사형 디스플레이 소자일 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 소자(300)는 실리콘 액정표시장치(LCoS) 또는 디지털 마이크로미러 디스플레이(DMD)중 어느 하나를 포함할 수 있다. 디스플레이 소자(300)는 복수 개의 픽셀을 포함한다. 디스플레이 소자(300)의 각각의 픽셀은 외부로부터의 2D 영상신호에 따라 광원(100)으로부터 입사된 광의 광량을 조절함으로써 제1 영상을 생성할 수 있다. 다시 말해, 광원(100)으로부터의 광은 디스플레이 소자(300)에서 픽셀 별로 변조될 수 있다.
광결합기(400)는 디스플레이 소자(300)에 의해 생성된 제1 영상 및 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자의 동공(10)에 제공할 수 있다. 이하에서는, 제2 영상은 실제 영상으로 지칭될 수 있다. 다시 말해, 광결합기(400)는 가상 영상 및 실제 영상을 결합하여 사용자에게 제공할 수 있다.
광결합기(400)는 예를 들어, 홀로그래픽 광학 소자(Holographic optical element; HOE)를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자는 광원(100)으로부터의 광에 의해 재생되는 간섭패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 광학 소자는 서로 다른 입사각의 광에 대응하는 복수 개의 간섭패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원 이동 델타 로봇(200)의 움직임에 따라 광원(100)이 제1 위치에 배치됨으로써 제1 입사각의 광이 홀로그래픽 광학 소자에 입사될 경우, 홀로그래픽 광학 소자의 제1 간섭패턴이 재생되어 제1 수렴점에 가상 영상이 형성될 수 있다. 또한, 예를 들어, 광원 이동 델타 로봇(200)의 움직임에 따라 광원(100)이 제1 위치와 다른 제2 위치에 배치됨으로써 제1 입사각과 다른 제2 입사각의 광이 홀로그래픽 광학 소자에 입사될 경우, 홀로그래픽 광학 소자의 제1 간섭패턴과 다른 제2 간섭패턴이 재생되어 제1 수렴점과 다른 제2 수렴점에 가상 영상이 형성될 수 있다. 이와 같이, 광원 이동 델타 로봇(200)의 움직임에 따라, 광원(100)의 3차원 공간에서의 위치 또는 기울기가 변함에 따라 가상 영상이 형성되는 수렴점이 다양해질 수 있다. 이 경우, 고정된 광원을 이용한 경우에 비해, 증강 현실 장치(1000)의 아이 박스(eye box)가 증가할 수 있다.
상기한 바와 같이, 광결합기(400)는 가상 영상의 광(30)을 사용자에게 제공함과 동시에, 외부로부터의 실제 영상의 광(20)을 투과시켜 사용자의 동공(10)으로 진행하게 할 수 있다. 이와 같이, 광결합기(400)는 가상 영상 및 실제 영상을 결합하여 사용자에게 제공할 수 있다.
도 5는 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치(1010)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 도 5의 증강 현실 장치(1010)의 구성은 센서(510) 및 프로세서(610)를 제외하면, 도 1의 증강 현실 장치(1000)와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 5를 설명함에 있어, 도 1과 중복되는 내용은 생략한다.
도 5를 참조하면, 증강 현실 장치(1010)는 광원(110), 광원(110)이 장착되는 부재로서, 3차원 운동을 하는 광원 이동 델타 로봇(210), 광원(110)으로부터의 광을 변조시켜 제1 영상을 생성하는 디스플레이 소자(310) 및 디스플레이 소자로부터의 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기(410)를 포함할 수 있다. 광결합기(410)는 외부로부터의 실제 영상의 광(21) 및 광원(110)으로부터 방출되어 디스플레이 소자(310)에 의해 변조된 가상 영상의 광(31)을 결합하여 사용자의 동공(11)에 제공할 수 있다. 나아가, 증강 현실 장치(1010)는 사용자의 동공(11)의 위치를 감지하는 센서(510)를 더 포함할 수 있다. 또한, 증강 현실 장치(1010)는 센서(510)로부터 감지된 동공(11)의 위치에 관한 정보에 따라 광원 이동 델타 로봇(210)의 구동을 제어하는 프로세서(610)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 센서(510)는 사용자의 동공(11)의 위치 정보를 프로세서(610)에 송신할 수 있다. 프로세서(610)는 센서(510)가 획득한 동공(11)의 위치 정보를 바탕으로 광원 이동 델타 로봇(210)의 구동을 제어할 수 있다. 프로세서(610)는 광원 이동 델타 로봇(210)에 포함된 구동부를 제어함으로써, 광원 이동 델타 로봇(210)의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 동공(11)이 제1 수렴점에 위치한 경우, 프로세서(610)는 광원(110)으로부터의 광이 상기 제1 수렴점으로 향하도록 하기 위해, 광원(110)의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나가 조절되도록, 광원 이동 델타 로봇(210)을 구동시킬 수 있다. 또한, 사용자의 동공(11)이 상기 제1 수렴점과 다른 제2 수렴점에 위치한 경우, 프로세서(610)는 광원(110)으로부터의 광이 상기 제2 수렴점으로 향하도록 하기 위해, 광원(110)의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나가 조절되도록, 광원 이동 델타 로봇(210)을 구동시킬 수 있다. 이처럼, 동공(11)의 위치에 따라 광원(110)의 위치를 광원 이동 델타 로봇(210)의 움직임을 통해 적절하게 조절함으로써, 가상 영상 생성을 위해 소모되는 전력을 최소화할 수 있다.
프로세서(610)는 예를 들어, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit), 마이크로 프로세서(microprocessor), 그래픽 프로세서(Graphic Processing Unit), ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), 및 FPGAs(Field Programmable Gate Arrays) 중 적어도 하나의 하드웨어를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치(1020)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 도 6의 증강 현실 장치(1020)의 구성은 반사 미러(620)를 제외하면, 도 1의 증강 현실 장치(1000)와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 6을 설명함에 있어, 도 1과 중복되는 내용은 생략한다.
도 6을 참조하면, 증강 현실 장치(1020)는 광원(120), 광원(120)이 장착되는 부재로서, 3차원 운동을 하는 광원 이동 델타 로봇(220), 광원(120)으로부터의 광을 변조시켜 제1 영상을 생성하는 디스플레이 소자(320) 및 디스플레이 소자로부터의 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기(420)를 포함할 수 있다. 광결합기(420)는 외부로부터의 실제 영상의 광(22) 및 광원(120)으로부터 방출되어 디스플레이 소자(320)에 의해 변조된 가상 영상의 광(32)을 결합하여 사용자의 동공(12)에 제공할 수 있다. 나아가, 증강 현실 장치(1020)는 광원(120) 및 디스플레이 소자(320) 사이에 마련되어, 광원(120)으로부터의 광의 진행 방향을 변경시켜 상기 광을 디스플레이 소자(320)로 입사시키는 반사 미러(720)를 더 포함할 수 있다. 한편, 도 6에는 도시되어 있지 않지만, 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 증강 현실 장치(1020)는 사용자의 동공(12)의 위치를 감지하는 센서(510, 도 5 참조) 및 센서(510)로부터 감지된 동공(12)의 위치에 관한 정보에 따라 광원 이동 델타 로봇(210)의 구동을 제어하는 프로세서(610, 도 5 참조)를 더 포함할 수 있다.
광원(120)으로부터의 광이 반사 미러(620)에 의해 반사되어 변경된 진행 경로를 가진 상태로 디스플레이 소자(320)로 입사할 수 있다. 이에 따라, 광원(120)으로부터의 광이 바로 디스플레이 소자(320)를 향하지 않게 구성되더라도, 광원(120)으로부터의 광을 디스플레이 소자(320)로 가이딩할 수 있다. 따라서, 증강 현실 장치(1020)가 반사 미러(620)를 가지는 경우에는, 그렇지 않은 경우에 비하여, 디스플레이 소자(320)와 광원(120)의 상대적 위치를 더욱 자유롭게 구성할 수 있다.
도 7은 도 1의 증강 현실 장치(1000)에 포함될 수 있는 광원(130)의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7을 참조하면, 광원(130)은 복수 개의 광학 소자(R, G, B)를 포함하는 복수 개의 광학 소자 패키지(131)가 어레이 형태로 배열되어 형성된 광학 소자 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 광학 소자 패키지(131)는 적색광을 방출하는 제1 광학 소자(R), 녹색광을 방출하는 제2 광학 소자(G) 및 청색광을 방출하는 제3 광학 소자(B)를 포함할 수 있다. 복수 개의 광학 소자 패키지(131)는 기판(sub) 상에 수평 및 수직 방향으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 이와 같은 복수 개의 광학 소자 패키지(131)를 포함하는 광원(130)을 채택함으로써, 광원 이동 델타 로봇(200, 도 1 참조)의 움직임을 최소화하면서 증강 현실 장치(1000)의 아이 박스를 증가시킬 수 있다.
또한, 각각의 광학 소자 패키지(131)에 포함된 서로 다른 파장의 광을 방출하는 제1, 제2 및 제3 광학 소자(R, G, B)는 시차를 두고 독립적으로 구동될 수 있다. 이에 따라, 광원(130)으로부터 적색광, 녹색광 및 청색광이 순차적으로 방출되며, 적색광, 녹색광 및 청색광의 조합으로 형성된 제1 영상이 사용자의 동공(10, 도 1 참조)으로 전달될 수 있다.
도 8은 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치(1040)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 증강 현실 장치(1040)는 광원(140), 광원(140)이 장착되는 부재로서, 3차원 운동하여 광원(140)의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나를 반복적으로 조절함으로써 제1 영상을 생성하는 광원 이동 델타 로봇(240), 상기 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기(440)를 포함할 수 있다. 나아가, 증강 현실 장치(1040)는, 광원(140)으로부터의 광을 굴절 및 콜리메이팅시켜 광결합기(440)로 향하게 하는 광 변환 렌즈(840)를 더 포함할 수 있다. 광 변환 렌즈(840)는 광원(140) 및 광결합기(440) 사이에 마련될 수 있다.
광원(140) 및 광원 이동 델타 로봇(240)의 구성은 각각 도 1의 광원(100) 및 광원 이동 델타 로봇(200)의 구성과 실질적으로 동일할 수 있다.
광원 이동 델타 로봇(240)은 고속 구동될 수 있다. 광원 이동 델타 로봇(240)의 고속 구동에 의한 반복적인 운동에 의해서, 광원(140)으로부터 방출되는 광은 제1 영상, 즉 가상 영상을 형성할 수 있다. 예를 들어, 광원 이동 델타 로봇(240)은 75Hz의 주파수로 고속 구동될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 광원 이동 델타 로봇(240)은 75Hz보다 높은 주파수로 고속 구동될 수 있다. 이처럼, 광원 이동 델타 로봇(240)의 움직임만으로 가상 영상을 생성함으로써, 증강 현실 장치(1040)는 가상 영상을 생성하기 위해 필요한 별도의 디스플레이 소자를 포함하지 않을 수 있다.
광결합기(440)는 광원(140)으로부터의 광이 입사하는 제1 영역(a1) 및 광원(140)으로부터의 광 및 외부로부터의 광을 결합하여 사용자에게 전달하는 제2 영역(a2)을 가지며, 광원(140)으로부터의 광의 조사 면적을 확장시키는 빔 확장기를 포함할 수 있다. 빔 확장기는 복수 개로 형성되고, 복수 개의 빔 확장기는 수직 방향으로 나란하게 순차적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 빔 확장기는 수직 방향으로 나란히 배열된 제1 빔확장기, 제2 빔 확장기 및 제3 빔 확장기를 포함할 수 있다.
제1 빔 확장기는 광원(140)으로부터의 제1 영상의 광이 입사하는 제1 면(401a) 및 제1 면(401a)과 대향하는 제2 면(401b)을 포함하는 제1 도광판(401), 제1 면(401a) 또는 제2 면(401b) 상의 제1 영역(a1)에 마련되고, 광원(140)으로부터의 광이 제1 도광판(401) 내부에서 전반사되어 진행하도록 광을 회절시키는 제1 입력 격자(404) 및 제1 면(401a) 또는 제2 면(401b) 상의, 제1 영역(a1)과 제1 도광판(401)의 수평 방향으로 이격된 제2 영역(a2)에 마련되고, 제1 입력 격자(404)에 의해 제1 도광판(401) 내부로 진행한 광을 제1 도광판(401)의 외부를 향하는 방향으로 회절시켜 출력하는 제1 출력 격자(407)를 포함할 수 있다. 제1 출력 격자(407)는 예를 들어, 제1 도광판(401)의 제2 면(401b) 방향으로 상기 광을 출력시킬 수 있다.
한편, 광원(140)으로부터의 광이 제1 입력 격자(404)로 입사하도록, 광원(140)이 제1 영역(a1) 상에 배치될 수 있다. 제1 입력 격자(404)에 의해 회절되어 제1 도광판(401) 내부를 전반사하며 진행하여 제2 영역(a2)에 도달한 광은 제1 출력 격자(407)에 의해 제1 도광판(401) 외부로 출력될 수 있다. 이 경우, 제1 출력 격자(407)의 면적은 제1 입력 격자(404)의 면적보다 클 수 있다. 이에 따라, 제1 입력 격자(404)를 통해 회절되어 제1 도광판(401) 내부를 전반사하며 진행한 광은 제1 출력 격자(407)에 의해 조사 면적이 넓어진 상태로 제1 도광판(401) 외부로 출력될 수 있다.
제2 빔 확장기 및 제3 빔 확장기는 각각 제1 빔 확장기와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 빔 확장기는 제2 도광판(402), 제2 도광판(402)의 제1 영역(a1)에 마련된 제2 입력 격자(405) 및 제2 도광판(402)의 제2 영역(a2)에 마련된 제2 출력 격자(408)를 포함할 수 있다. 또한, 제3 빔 확장기는 제3 도광판(403), 제3 도광판(403)의 제1 영역(a1)에 마련된 제3 입력 격자(406) 및 제3 도광판(403)의 제2 영역(a2)에 마련된 제2 출력 격자(409)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 빔 확장기, 제2 빔 확장기 및 제3 빔 확장기는 수직 방향으로 나란히 배열될 수 있다. 이에 따라, 제1 영역(a1)에 마련된 제1 입력 격자(404), 제2 입력 격자(405) 및 제3 입력 격자(406)는 수직 방향으로 나란하게 배열될 수 있다. 또한, 제2 영역(a2)에 마련된 제1 출력 격자(407), 제2 입력 출력 격자(408) 및 제3 출력 격자(409)는 수직 방향으로 나란하게 배열될 수 있다.
제1 빔 확장기는 광원(140)으로부터의 적색광만의 조사 면적을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 빔 확장기에 포함된 제1 입력 격자(404), 제1 출력 격자(407)는 광원(140)으로부터의 광 중, 적색광만을 회절시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 청색광 및 녹색광은 제1 빔 확장기에 포함된 제1 도광판(401) 내부에서 전반사되지 않고, 제1 도광판(401)을 투과할 수 있다. 또한, 제2 빔 확장기는 광원(140)으로부터의 녹색광만의 조사 면적을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 빔 확장기에 포함된 제2 입력 격자(405), 제2 출력 격자(408)는 광원(140)으로부터의 광 중, 녹색광만을 회절시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 적색광 및 청색광은 제2 빔 확장기에 포함된 제2 도광판(402) 내부에서 전반사되지 않고, 제2 도광판(402)을 투과할 수 있다. 나아가, 제3 빔 확장기는 광원(140)으로부터의 청색광만의 조사 면적을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제3 빔 확장기에 포함된 제3 입력 격자(406), 제1 출력 격자(409)는 광원(140)으로부터의 광 중, 청색광만을 회절시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 적색광 및 녹색광은 제3 빔 확장기에 포함된 제3 도광판(403) 내부에서 전반사되지 않고, 제3 도광판(403)을 투과할 수 있다.
한편, 제2 영역(a2)에 수직 방향으로 나란하게 배열된 제1 출력 격자(407), 제2 출력 격자(408) 및 제3 출력 격자(409)는 외부로부터의 실제 영상의 광(24)을 투과시킬 수 있다. 또한, 외부로부터의 실제 영상의 광(24)은 제1, 제2 및 제3 도광판(401, 402, 403)의 제2 영역(a2)을 투과할 수 있다. 따라서, 제2 영역(a2)에 위치한 복수 개의 출력 격자(407, 408, 409)로부터의 가상 영상의 광(34)과 제1, 제2 및 제3 도광판(401, 402, 403)의 제2 영역(a2)을 투과한 외부로부터의 실제 영상의 광(24)이 결합되어 사용자의 동공(14)에 전달될 수 있다.
광 변환 렌즈(840)는 볼록 렌즈일 수 있다. 광 변환 렌즈(840)는 광원(140) 및 광결합기(440) 사이에 마련될 수 있다. 광 변환 렌즈(840)는 광원(140) 및 광결합기(440)의 제1 영역(a1) 사이에 마련될 수 있다. 광원(140)으로부터의 광은 광 변환 렌즈(840)에 의해 변환되어 광결합기(440)로 진행할 수 있다. 예를 들어, 광원(140)으로부터의 광은 광 변환 렌즈(840)를 통해 굴절 및 콜리메이팅되어 평행광 형태로 광결합기(440)를 향해 진행할 수 있다. 광 변환 렌즈(840)에 의해 변환된 광은 푸리에 변환(Fourier transform)된 광으로 지칭될 수 있다. 광 변환 렌즈(840)에 의해 푸리에 변환된 광은 광결합기(440)의 제1 영역(a1)으로 입사할 수 있다. 예를 들어, 광 변환 렌즈(840)에 의해 푸리에 변환된 광은 제1, 제2 및 제3 입력 격자(404, 405, 406)로 입사할 수 있다.
도 9는 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치(1050)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 도 9의 증강 현실 장치(1050)는 도 8의 증강 현실 장치(1040)와 같이, 광원(150), 광원(150)이 장착되는 부재로서, 3차원 운동하여 광원(150)의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나를 반복적으로 조절함으로써 제1 영상을 생성하는 광원 이동 델타 로봇(250), 상기 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기(450)를 포함할 수 있다. 다만, 도 9의 증강 현실 장치(1050)의 광결합기(450)의 구성은 도 8의 증강 현실 장치(1040)의 광결합기(440)와 다른 구성인 바, 이하에서는 도 9를 참조하여 광결합기(450)를 위주로 설명한다.
도 9를 참조하면, 광결합기(450)는 빔 스플리터(451)를 포함할 수 있다. 빔 스플리터(451)는 광원(150)으로부터의 광이 입사하는 제1 입사면(451a)을 포함할 수 있다. 또한, 빔 스플리터(451) 내부에는 광원(150)으로부터의 광의 진행 방향에 대해 기울어져 형성된 제1 광반사면(451c)이 마련될 수 있다. 제1 광 반사면(451c)은 제1 입사면(451a)을 통해 입사한 광원(150)으로부터의 광의 일부는 그대로 투과시키고, 나머지 일부는 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 광 반사면(451c)은 입사광의 50%는 투과, 입사광의 나머지 50%는 반사시킬 수 있다. 또한, 광결합기(450)는 빔 스플리터(451) 하부에 마련된, 제2 광 반사면(452a)을 포함하는 광학 유닛(452)을 더 포함할 수 있다. 빔 스플리터(451)에 의해 투과된 광은 광학 유닛(452)으로 입사할 수 있다. 광학 유닛(452)으로 입사한 광은 제2 광 반사면(452a)에 의해 반사되어 다시 빔 스플리터(451)의 제1 광 반사면(451c)을 향해 진행할 수 있다. 다시 제1 광 반사면(451c)에 입사한 광의 일부는 반사되어 사용자의 동공(15)을 향해 진행할 수 있다. 다시 제1 광 반사면(451c)에 입사한 광의 나머지 일부는 투과될 수 있다. 이처럼 광원(150)으로부터 방출되어 광결합기(450)를 지나 사용자의 동공(15)으로 향하는 광(35)에 의해서, 제1 영상이 사용자에게 제공될 수 있다.
나아가, 빔 스플리터(451)는 외부로부터의 실제 영상의 광이 입사하는 제2 입사면(451b)을 포함할 수 있다. 제1 입사면(451a) 및 제2 입사면(451b)은 서로 수직할 수 있다. 제2 입사면(451b)을 통해 입사한 외부로부터의 실제 영상의 광은 제1 광 반사면(451c)에 입사할 수 있다. 제1 광 반사면(451c)은 외부로부터의 실제 영상의 광(25)의 일부는 그대로 투과시키고, 나머지 일부는 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 광 반사면(451c)은 입사광의 50%는 투과, 입사광의 나머지 50%는 반사시킬 수 있다. 외부로부터의 실제 영상의 광(25) 중에서 제1 반사면(451c)에 의해 투과된 광은 사용자의 동공(15)을 향해 진행할 수 있다. 이처럼 외부로부터의 입사하여 광결합기(450)를 지나 사용자의 동공(15)으로 향하는 광(25)에 의해서, 제2 영상이 사용자에게 제공될 수 있다.
상기한 바와 같이, 광결합기(450)는 광원(150)으로부터의 제1 영상의 광 및 외부로부터의 제2 영상의 광을 결합하여 사용자에게 전달할 수 있다.
한편, 빔 스플리터(451) 하부에 마련된 광학 유닛(452)의 제2 광 반사면(452a)은 광의 진행 방향에 대해 소정의 굴곡을 가진 면일 수 있다. 예를 들어, 제2 광 반사면(452a)은 광원(150)으로부터의 광에 대해 오목한 면을 가질 수 있다. 따라서, 제2 광 반사면(452a)은 오목 거울의 기능을 수행할 수 있다. 이 때, 소정의 굴곡을 가진 제2 광 반사면(452a)에 의해 광이 반사되는 과정에서, 제1 영상에 색수차 등에 의한 왜곡이 생길 수 있다. 이러한 왜곡을 보정되도록 하기 위해, 광원 이동 델타 로봇(250)의 움직임을 제어할 수 있다. 예를 들어, 광원 이동 델타 로봇(250)이 소정의 곡선 궤적(150a)을 따라 이동하도록 구동되는 경우, 제2 광 반사면(452a)에 의한 광원(150)으로부터의 광에 대한 왜곡이 보정될 수 있다. 도 9에는 광원 이동 델타 로봇(250)이 아래로 볼록한 곡선 궤적(150a)을 따라 이동하는 것이 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 곡선 궤적(150a)의 형태를 다양할 수 있다. 예를 들어, 곡선 궤적(150a)의 형태는 위로 볼록한 형태일 수 있다.
도 10은 또 다른 일 실시예에 따른 증강 현실 장치(1060)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 도 10의 증강 현실 장치(1060)는 도 8의 증강 현실 장치(1040)와 같이, 광원(160), 광원(160)이 장착되는 부재로서, 3차원 운동하여 광원(160)의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나를 반복적으로 조절함으로써 제1 영상을 생성하는 광원 이동 델타 로봇(260), 상기 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기(460)를 포함할 수 있다. 다만, 도 10의 증강 현실 장치(1060)의 광결합기(460)의 구성은 도 8의 증강 현실 장치(1040)의 광결합기(440)와 다른 구성이다. 또한, 증강 현실 장치(1060)는 제3 영상을 생성하여 광결합기(440)로 전달하는 디스플레이 소자(360)를 더 포함한다는 점에서 도 8의 증강 현실 장치(1040)와 구성상 차이가 있다. 따라서, 이하에서는 도 10을 참조하여 광결합기(460) 및 디스플레이 소자(360) 위주로 설명한다.
도 10을 참조하면, 광결합기(460)는 빔 스플리터(461)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 빔 스플리터(461)는 광의 일부는 투과시키고 나머지 일부는 반사시키는 다이크로익 미러일 수 있다. 빔 스플리터(461)는 광의 진행 방향에 대해 기울어져 형성될 수 있다. 광원(160)은 예를 들어, 빔 스플리터(461)의 제1 측 방향에 마련될 수 있다. 빔 스플리터(461)는 제1 측 방향에 마련된 광원(160)으로부터의 광의 일부는 그대로 투과시키고, 나머지 일부는 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 빔 스플리터(461)는 입사광의 50%는 투과, 입사광의 나머지 50%는 반사시킬 수 있다. 또한, 광결합기(460)는 빔 스플리터(461) 하부에 마련된, 반사면을 포함하는 광학 유닛(462)을 더 포함할 수 있다. 광학 유닛(462)은 빔 스플리터(461)의 하부에 마련됨으로써, 빔 스플리터(461)를 투과한 광원(160)으로부터의 광의 진행 경로 상에 마련될 수 있다. 광학 유닛(462)은 예를 들어, 오목 거울일 수 있다. 광원(160)으로부터 방출되어 빔 스플리터(461)에 의해 투과된 광은 빔 스플리터(461) 하부에 마련된 광학 유닛(462)으로 입사할 수 있다. 광학 유닛(462)으로 입사한 광은 광학 유닛(462)의 반사면에 의해 반사되어 다시 빔 스플리터(461)를 향해 진행할 수 있다. 다시 빔 스플리터(461)에 입사한 광의 일부는 반사되어 사용자의 동공(16)을 향해 진행할 수 있다. 다시 빔 스플리터(461)에 입사한 광의 나머지 일부는 투과될 수 있다. 이처럼 광원(160)으로부터 방출되어 광결합기(460)를 지나 사용자의 동공(16)으로 향하는 광(36)에 의해서, 제1 영상이 사용자에게 제공될 수 있다.
한편, 광결합기(460)의 제2 측방향으로부터 외부로부터의 실제 영상의 광(26)이 광결합기(460)로 입사할 수 있다. 상기 제1 측 방향 및 제2 측 방향은 서로 수직한 방향일 수 있다. 제2 측 방향으로부터 입사한 외부로부터의 실제 영상의 광(26)은 빔 스플리터(461)로 입사할 수 있다. 빔 스플리터(461)는 외부로부터의 실제 영상의 광(26)의 일부는 그대로 투과시키고, 나머지 일부는 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 빔 스플리터(461)는 입사광의 50%는 투과, 입사광의 나머지 50%는 반사시킬 수 있다. 외부로부터의 실제 영상의 광(26) 중에서 제1 반사면(451c)에 의해 투과된 광은 사용자의 동공(16)을 향해 진행할 수 있다. 이처럼 외부로부터 입사하여 광결합기(460)를 지나 사용자의 동공(16)으로 향하는 광(25)에 의해서, 제2 영상이 사용자에게 제공될 수 있다.
나아가, 증강 현실 장치(1060)는 광결합기(460)의 제2 측 방향에 배치되고, 제1 및 제2 영상과 다른 제3 영상을 생성하여 광결합기로 전달하는 디스플레이 소자(360)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 소자(360)는 유기발광장치(OLED)를 포함할 수 있다. 디스플레이 소자(360)에 의해 생성된 제3 영상의 광은 빔 스플리터(461)로 입사할 수 있다. 제3 영상의 광의 일부는 빔 스플리터(461)를 투과하여 사용자의 동공(16)을 향해 진행할 수 있다. 디스플레이 소자(360)는 외부로부터의 실제 영상의 광(26)의 진행 경로 상에 배치될 수 있다. 디스플레이 소자(360)는 외부로부터의 실제 영상의 광(26)을 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 소자(360)는 투명 유기발광장치를 포함할 수 있다. 이에 따라, 디스플레이 소자(360)가 생성한 제3 영상의 광(46)과 광결합기(460)를 투과한 외부로부터의 실제 영상의 광(26)이 결합되어 빔 스플리터(461)를 투과하여 사용자의 동공(16)을 향해 진행할 수 있다.
상기한 바와 같이, 광원(160)에 의해 생성된 제1 영상의 광(36), 외부로부터의 제2 영상(실제 영상)의 광(26) 및 디스플레이 소자(360)에 의해 생성된 제3 영상의 광(46)이 광결합기(460)를 통해 결합되어 사용자에게 전달될 수 있다. 이 경우, 제1 영상 및 제3 영상은 모두 가상 영상이다. 제1 영상은 광원 이동 델타 로봇(260)의 고속 구동으로 인해 생성된 가상 영상으로서, 원하는 가상 영상 중 해상도가 높은 영역의 가상 영상일 수 있다. 제3 영상은 디스플레이 소자(360)에 의해 생성된 가상 영상으로서, 원하는 가상 영상 중 해상도가 낮은 영역의 가상 영상일 수 있다. 이와 같이, 해상도가 차이가 나는 두 종류의 가상 영상을 생성하여 결합하는 방식을 Foveated 방식이라 할 수 있다. Foveated 방식을 취하면, 가상 영상을 생성하기 위해 필요한 데이터 처리량을 줄이면서도 고화질의 가상 영상을 사용자에게 제공할 수 있다.
상기한 다양한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 예시적인 다양한 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100, 110, 120, 130, 140, 150, 160: 광원
200, 210, 220, 240, 250, 260: 광원 이동 델타 로봇
201: 고정 베이스
202: 스테이지
203, 205: 다리부
204, 206: 관절부
300, 310, 320, 360: 디스플레이 소자
400, 410, 420, 440, 450, 460: 광결합기
452, 462: 광학 유닛
461: 빔 스플리터
510: 센서
610: 프로세서
10, 11, 12, 14, 15, 16: 동공
R, G, B: 광학 소자
1000, 1010, 1020, 1040, 1050, 1060: 증강 현실 장치

Claims (21)

  1. 광원;
    상기 광원이 장착되는 부재로서, 3차원 운동하여 상기 광원의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나를 조절함으로써 상기 광원으로부터 방출되는 광의 진행 경로를 변경시키는 광원 이동 델타 로봇;
    상기 광원으로부터의 광을 변조시켜 제1 영상을 생성하는 디스플레이 소자; 및
    상기 디스플레이 소자로부터의 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기; 를 포함하는 증강 현실 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광원 이동 델타 로봇은,
    고정 베이스;
    상기 고정 베이스로부터 수직 방향으로 이격되어 마련되며, 상기 광원이 장착되는 스테이지;
    상기 고정 베이스와 상기 스테이지를 서로 연결하고, 적어도 하나의 관절부를 포함하여 관절 운동을 하도록 구성된 복수 개의 다리부; 및
    상기 복수 개의 다리부 각각에 구동력을 독립적으로 전달하는 구동부; 를 포함하는 증강 현실 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 다리부는 복수 개의 제1 관절부를 가지는 제1 다리부 및 복수 개의 제2 관절부를 가지는 제2 다리부를 포함하는, 증강 현실 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 구동부는
    상기 제1 다리부 및 제2 다리부의 운동 방향이 서로 달라지도록, 상기 제1 관절부 및 상기 제2 관절부를 제어하는, 증강 현실 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 다리부는 적어도 3개 이상의 다리부를 포함하는, 증강 현실 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 사용자의 동공의 위치를 감지하는 센서를 더 포함하는, 증강 현실 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 센서로부터의 상기 사용자의 동공의 위치 정보에 따라, 상기 광원 이동 델타 로봇의 구동을 제어하는 프로세서를 더 포함하는, 증강 현실 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 광원 및 상기 디스플레이 소자 사이에 마련되어, 상기 광원으로부터의 광의 진행 방향을 변경시켜 상기 광을 상기 디스플레이 소자로 입사시키는 반사 미러를 더 포함하는, 증강 현실 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 광원은 복수 개의 광학 소자를 포함하는 광학 소자 패키지가 어레이 형태로 배열되어 형성된 광학 소자 어레이를 포함하는, 증강 현실 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 광결합기는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic optical element; HOE)를 포함하는, 증강 현실 장치.
  11. 광원;
    상기 광원이 장착되는 부재로서, 3차원 운동하여 상기 광원의 3차원 공간에서의 위치 및 기울기 중 적어도 어느 하나를 반복적으로 조절함으로써 제1 영상을 생성하는 광원 이동 델타 로봇;
    상기 제1 영상 및 상기 제1 영상과 다른, 외부로부터의 제2 영상을 결합하여 사용자에게 전달하는 광결합기; 를 포함하는 증강 현실 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 광결합기는,
    상기 광원으로부터의 광이 입사하는 제1 영역 및 상기 광원으로부터의 광 및 외부로부터의 광을 결합하여 사용자에게 전달하는 제2 영역을 가지며, 상기 광원으로부터의 광의 조사 면적을 확장시키는 빔 확장기; 를 포함하는, 증강 현실 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 빔 확장기는,
    상기 광원으로부터의 광이 입사하는 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 포함하는 도광판;
    상기 제1 면 또는 제2 면 상의 상기 제1 영역에 마련되고, 상기 광원으로부터의 광이 상기 도광판 내부에서 전반사되어 진행하도록 상기 광을 회절시키는 입력 격자; 및
    상기 제1 면 또는 제2 면 상의, 상기 제1 영역과 상기 도광판의 수평 방향으로 이격된 상기 제2 영역에 마련되고, 상기 입력 격자에 의해 상기 도광판 내부로 진행한 광을 상기 도광판의 외부를 향하는 방향으로 회절시켜 출력하는 출력 격자; 를 포함하는, 증강 현실 장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 빔 확장기는 복수 개로 형성되고, 상기 복수 개의 빔 확장기는 수직방향으로 나란하게 순차적으로 배열된, 증강 현실 장치.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 광원 및 상기 광결합기 사이에 마련되어, 상기 광원으로부터의 광을 굴절 및 콜리메이팅시켜 상기 광결합기로 향하게 하는 광 변환 렌즈를 더 포함하는, 증강 현실 장치.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 출력 격자는 상기 제2 면 방향으로 상기 광을 출력시키는, 증강 현실 장치.
  17. 제13 항에 있어서,
    상기 출력 격자는,
    상기 도광판으로부터 출력된 광에 의한 제1 영상 및 상기 제1 면의 상기 제2 영역을 통해 입사된 외부로부터의 제2 영상이 결합되어 상기 제2 면 방향으로 진행 하도록 하기 위해, 상기 제2 영상의 광을 투과시키도록 구성된, 증강 현실 장치.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 광결합기는,
    상기 광원으로부터의 광의 진행 방향에 대해 기울어져 형성되고, 상기 광원으로부터의 광의 일부는 투과시키고, 나머지 일부는 반사시키는 제1 반사면을 포함하는 빔 스플리터; 및
    상기 제1 반사면을 투과한 광의 진행 경로 상에 마련되고, 소정의 굴곡을 가진 제2 반사면을 가지며, 상기 빔 스플리터에 의해 투과된 광을 반사시켜 다시 상기 빔 스플리터로 향하게 하는 광학 유닛; 을 포함하는, 증강 현실 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 광원 이동 델타 로봇은,
    상기 광학 유닛에 의한 상기 제1 영상의 왜곡을 보정하기 위해 소정의 곡선 궤적을 따라 움직이도록 구성된, 증강 현실 장치.
  20. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 영상의 광의 진행 경로 상에 배치되어, 상기 제2 영상의 광을 투과시키고, 상기 제1 영상 및 제2 영상과 다른 제3 영상을 생성하여, 상기 제2 영상 및 제3 영상을 상기 광결합기로 전달하는 디스플레이 소자를 더 포함하며,
    상기 광결합기는 상기 제1 영상, 제2 영상 및 제3 영상을 결합하여 상기 사용자에게 전달하도록 구성된, 증강 현실 장치.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 광결합기는,
    상기 광원으로부터의 광의 진행 방향에 대해 기울어져 형성되고, 상기 광원으로부터의 광의 일부는 투과시키고, 다른 일부는 반사시키며, 상기 디스플레이 소자로부터의 상기 제3 영상의 광 및 상기 제2 영상의 광의 일부를 투과시키는 빔 스플리터; 및
    상기 빔 스플리터를 투과한 상기 광원으로부터의 광의 진행 경로 상에 마련되고, 상기 빔 스플리터에 의해 투과된 광을 반사시켜 다시 상기 빔 스플리터로 향하게 하는 오목 거울; 을 포함하는, 증강 현실 장치.
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