KR20210081517A - 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 반사 수단; 및 상기 반사 수단이 매립되어 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 상기 반사 수단에서 반사된 증강 현실 화상광과 실제 사물 화상광의 적어도 일부가 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고, 상기 반사 수단은, 반사 수단으로 전달되는 증강 현실 화상광을 각각 반사시켜 사용자의 동공으로 전달하도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 크기 4mm 이하의 복수개의 반사부를 포함하고, 상기 반사 수단은, 상기 화상 출사부로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제1 면에 더 가깝도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제1 반사부 그룹과, 상기 화상 출사부로부터의 거리가 멀수록 광학 수단의 제1 면에서 더 멀도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제2 반사부 그룹으로 구성되고, 상기 제2 반사부 그룹과 화상 출사부의 거리는, 상기 제1 반사부 그룹과 화상 출사부의 거리보다 크도록 배치된 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치{OPTICAL DEVICE FOR AUGMENTED REALITY HAVING REFLECTIVE MEANS ARRANGED IN CURVED LINE FOR LIGHT EFFICIENCY}

본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광을 동공에 전달하는 반사 수단을 곡선형으로 배치함으로써 광 효율을 개선할 수 있는 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.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 의한 증강 현실 구현 장치에 사용되는 광학계의 일예를 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 가상의 영상을 제공하기 위한 증강 현실 화상광은 디스플레이 장치(미도시) 등에서 출사되어 광학 수단의 내면에서 반사된 후 사용자의 동공이 위치하는 영역(eye box)으로 입사하도록 하는 구성을 사용하는데, 이 때 광학 수단의 내면(출사 동공, exit pupil)에서 출사되는 증강 현실 화상광은 도 1에 나타낸 바와 같이 아이박스(eye box)로 입사하지 못하여 사용되지 않는 광이 존재하게 되고 이는 광효율을 저하시키는 요인이 된다.

이는 도 2에 나타낸 바와 같이, 광학 수단의 내부에서 전반사가 일어나는 경우, 출사 동공의 모든 곳에서 모든 방향의 광이 출사되기 때문에 광학 수단으로 입사한 증강 현실 화상광들 중에서 일부는 아이박스로 제대로 입사하지만(0으로 표시), 일부는 아이박스 이외의 방향으로 출사(X로 표시)됨을 알 수 있다.

이와 같이, 종래의 증강 현실 광학 장치에 있어서는 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광 중에서 아이박스로 전달되지 못하는 문제가 있어서, 증강 현실 화상광이 동공으로 전달되는 광 효율을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다.

대한민국 등록특허공보 10-1660519호(2016.09.29 공고)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광을 동공에 전달하는 반사 수단을 C자형에 가까운 곡선 배치 구조로 형성함으로써 아이박스로 전달되는 증강 현실 화상광의 광 효율을 개선한 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 반사 수단; 및 상기 반사 수단이 매립되어 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 상기 반사 수단에서 반사된 증강 현실 화상광과 실제 사물 화상광의 적어도 일부가 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고, 상기 반사 수단은, 반사 수단으로 전달되는 증강 현실 화상광을 각각 반사시켜 사용자의 동공으로 전달하도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 크기 4mm 이하의 복수개의 반사부를 포함하고, 상기 반사 수단은, 상기 화상 출사부로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제1 면에 더 가깝도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제1 반사부 그룹과, 상기 화상 출사부로부터의 거리가 멀수록 광학 수단의 제1 면에서 더 멀도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제2 반사부 그룹으로 구성되고, 상기 제2 반사부 그룹과 화상 출사부의 거리는, 상기 제1 반사부 그룹과 화상 출사부의 거리보다 크도록 배치된 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

여기에서, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광은, 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 반사 수단으로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 반사 수단으로 전달될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 반사부 각각은, 사용자의 동공 중심에서 정면 방향으로의 직선에 대해 적어도 45도 이하의 각도를 가질 수 있다.

또한, 상기 반사 수단은 복수개로 구성되고, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 반사 수단은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 배치될 수 있다.

또한, 상기 각 반사 수단은, 각 반사 수단을 구성하는 각각의 반사부들이, 인접하는 반사 수단을 구성하는 반사부들 중 어느 하나와 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 각 반사 수단은, 각 반사 수단을 구성하는 각각의 반사부들이, 인접하는 반사 수단을 구성하는 모든 반사부들과 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하지 않도록 배치될 수 있다.

또한, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 반사부들은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 연장된 바 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는 하프 미러, 굴절 소자 또는 회절 소자 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면에 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅된 것일 수 있다.

또한, 상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부의 표면은 곡면으로 형성될 수 있다.

또한, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는, x축 또는 y축 방향으로의 길이보다 z축 방향으로의 길이가 길게 형성되거나, z축 방향으로의 길이보다 x축 또는 y축 방향으로의 길이가 길게 형성된 것일 수 있다.

또한, 상기 반사부들의 표면은, 광학 수단의 제1 면쪽으로 오목한 오목면 또는 광학 수단의 제1 면쪽으로 볼록한 볼록면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 반사 수단은 복수개로 구성되고, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 각 반사 수단과 광학 수단의 제1 면과의 거리가 모두 동일하지는 않도록 배치되는 반사 수단이 적어도 하나 이상 존재하도록 구성할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광을 동공에 전달하는 반사 수단을 C자형에 가까운 곡선 배치 구조로 형성함으로써 아이박스로 전달되는 증강 현실 화상광의 광 효율을 개선한 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 의한 증강 현실 구현 장치에 사용되는 광학계의 일예를 나타낸 것이다.
도 3은 상기 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 설명한 반사부(21~29)들의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 4 및 도 5에서 설명한 증강 현실용 광학 장치(200)의 사시도를 나타낸 것이다.
도 7은 반사부(21~29)의 배치 구조의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 반사부(21~29)들의 경사각을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 증강 현실 화상광이 광학 수단(30)에서 전반사되는 횟수를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14는 증강 현실용 광학 장치(200)의 전체적인 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(400)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 18은 반사부(21~29)의 표면이 곡면으로 형성된 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 반사부(21~29)의 곡면 형태의 또 다른 예를 나타낸 것이다.
도 20은 증강 현실용 광학 장치(600)를 동공(40)쪽에서 바라 본 정면도이다.
도 21은 증강 현실용 광학 장치(600)를 전술한 바와 같은 z축 방향에서 바라 본 측면도이다.
도 22는 증강 현실용 광학 장치(600)를 전술한 바와 같은 y축 방향에서 바라 본 평면도이다.
도 23은 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(700)의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 화상 출사부(10)의 다양한 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(800)의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 25는 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(900)의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다.

우선, 본 발명의 기본 원리를 상기 특허 문헌 1을 참조하여 간략하게 설명한다.

상기 종래 기술로서 특허 문헌 1에 기재된 기술은 다음과 같은 기존의 광학계를 이용한 증강 현실 구현 장치의 문제점을 해결하기 위한 것이다.

즉, 기존의 증강 현실 구현 장치는, 구성이 복잡하여 무게와 부피가 커지므로 사용자가 착용하기에 불편함이 있고 제조 공정 또한 복잡하여 제조 비용이 높다는 문제점을 해결하기 위한 것이다.

또한, 기존의 증강 현실 구현 장치는, 사용자가 현실 세계를 응시할 때 초점 거리를 변경하는 경우 가상 영상의 초점이 맞지 않게 된다는 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절할 수 있는 프리즘과 같은 구성을 이용하거나 현실 세계에 대한 초점 거리의 변경에 따라 가상 영상의 초점 거리를 변경시킬 수 있는 가변형 초점 렌즈를 전기적으로 제어하는 등의 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 기술 또한 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절하기 위하여 사용자가 별도의 조작을 해야 하거나 별도의 물리적 장치나 프로세서 등과 같은 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다는 점에서 문제가 있다.

따라서, 본 출원인은, 상기 특허 문헌 1을 통해, 사람의 동공보다 작은 크기의 반사부를 이용하여 가상 영상을 동공을 통해 망막에 투영함으로써 부피 및 무게를 현저하게 줄이고 제조 공정을 단순화시킬 수 있으며, 사용자의 초점 거리 변경 여부에 관계없이 항상 선명한 가상 영상을 제공할 수 있는 증강 현실 구현 장치를 제안한 바 있다.

도 3은 상기 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.

도 3의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 화상 출사부(10), 반사부(20) 및 광학 수단(30)을 포함한다.

화상 출사부(10)는 증강 현실용 화상에 상응하는 증강 현실 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 소형 디스플레이 장치로 구현될 수 있다.

반사부(20)는 화상 출사부(10)로부터 출사된 증강 현실 화상광을 사용자의 동공을 향해 반사시킴으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공한다. 반사부(20)는, 화상 출사부(10)로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 동공으로 반사시킬 수 있도록 화상 출사부(10)와 동공 사이에서 적절한 각도를 가지고 광학 수단(30) 내부에 매립되어 배치된다.

광학 수단(30)은 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 투과시키는 수단으로써 예컨대 안경 렌즈일 수 있으며, 광학 수단(30)의 내부에는 반사부(20)가 매립되어 있다.

한편, 프레임부(40)는 화상 출사부(10)와 광학 수단(30)을 고정 및 지지하는 수단으로서, 예컨대 안경 형태로 형성될 수 있다.

도 3의 반사부(20)는, 사람의 평균적인 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성되어 있는데, 이와 같이 반사부(20)를 사람의 평균적인 동공 크기보다 작게 형성함으로써 반사부(20)를 통해 동공으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 심도를 매우 깊게 할 수 있다. 여기서, 심도라 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 그와 관계없이 가상 영상인 증강 현실용 화상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 된다. 이는 일종의 핀홀 효과(pin hole effect)라고 볼 수 있다. 따라서, 도 3에 나타낸 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)는, 사용자가 실제 세계에 존재하는 실제 사물을 응시하면서 초점 거리를 변경하더라도 증강 현실용 화상에 대해서는 항상 선명한 가상 영상을 제공할 수 있다.

본 발명은 이러한 특허 문헌 1에 기재된 바와 같은 기술에 기초한 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 특징으로 하는 바, 이하 도 4 이하를 참조하여 본 발명에 의한 C자형으로 배치된 반사부를 갖는 증강 현실용 광학 장치(200~900)를 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치(200, 이하, 간단히 "증강 현실용 광학 장치(200)"라 한다)는, 반사 수단(20) 및 광학 수단(30)을 포함한다.

화상 출사부(10)는, 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 증강 현실용 화상을 화면에 표시함으로써 화면을 통해 증강 현실 화상광을 출사하는 소형의 LCD와 같은 디스플레이 장치(11)와 디스플레이 장치(11)에서 출사되는 증강 현실 화상광을 시준한 광을 출사하는 콜리메이터(12)로 구성될 수 있다.

콜리메이터(12)는 필수적인 것은 아니며 생략할 수 있다. 또한, 콜리메이터(12)와, 디스플레이 장치(11)로부터 출사되는 증강 현실 화상광을 반사, 굴절 또는 회절시켜서 광학 수단(30)을 향해 전달하는 반사 수단, 굴절 수단 또는 회절 수단 중 적어도 어느 하나의 조합으로 구성되는 기타 다양한 광학 소자를 사용할 수도 있다.

이러한 화상 출사부(10) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.

한편, 증강 현실용 화상이라 함은, 화상 출사부(10)의 디스플레이 장치(11)의 화면에 표시되어 반사 수단(20) 및 광학 수단(30)을 통해 사용자의 동공(40)으로 전달되는 가상 화상을 의미하며, 이미지 형태의 정지 영상이거나 동영상과 같은 것일 수 있다.

이러한 증강 현실용 화상은 화상 출사부(10)에서 증강 현실용 화상에 상응하는 증강 현실 화상광으로 출사되어, 반사 수단(20) 및 광학 수단(30)을 통해 사용자의 동공(40)으로 전달됨으로써 사용자에게 가상 화상을 제공하게 되고, 이와 동시에 사용자는 광학 수단(30)을 통해 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사되는 화상광인 실제 사물 화상광을 눈으로 직접 응시함으로써 증강 현실 서비스를 제공받게 된다.

도 4의 실시예는 광학 수단(30)의 내면에서 1회 전반사되는 구성을 나타내었으므로, 화상 출사부(10)는 도 4에 도시된 바와 같은 위치에 배치되지만, 이는 예시적인 것이며, 전반사 구조를 사용하지 않거나 2회 이상의 전반사를 사용하는 경우 화상 출사부(10)는 증강 현실 화상광을 광학 수단(30)을 통해 반사 수단(20)으로 전달하기 위한 적절한 위치에 배치된다. 어느 경우이거나, 화상 출사부(10)는 후술하는 반사 수단(20)의 위치, 각도 및 동공(40)의 위치를 고려하여 적절한 위치에 배치될 수 있다.

반사 수단(20)은, 화상 출사부(10)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 가상 화상인 증강 현실용 화상을 제공하는 수단이다.

도 4에서, 반사 수단(20)은 복수개의 반사부(21~29)를 포함하며, 도면 부호 20은 이러한 복수개의 반사부(21~29) 전체를 통칭하는 것으로 한다.

이러한 반사 수단(20)은, 광학 수단(30)의 내부에 매립되어 배치된다.

후술하는 바와 같이, 광학 수단(30)은, 반사 수단(20)에서 반사된 증강 현실 화상광과 실제 사물 화상광의 적어도 일부가 사용자의 동공(40)을 향해 출사되는 제1 면(31)과, 상기 제1 면(31)에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면(32)을 구비하는데, 반사 수단(20)은 이러한 광학 수단(30)의 제1 면(31)과 제2 면(32) 사이의 내부에 매립되어 배치된다.

광학 수단(30)의 제1 면(31)은 사용자가 증강 현실용 광학 장치(100)를 동공(40) 정면에 두었을 때 사용자의 동공(40)쪽을 향하는 면이고, 제2 면(32)은 그 반대면 즉, 실제 세계의 사물을 향하는 면이 되며, 반사 수단(20)은 이러한 광학 수단(30)의 제1 면(31)과 제2 면(32) 사이의 내부 공간에 배치된다.

한편, 도 4의 실시예에서는, 화상 출사부(10)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(30)의 내면에서 1회 전반사된 후 반사 수단(20)으로 전달되는 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 전반사를 사용하지 않고 화상 출사부(10)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(30)의 내부를 통해 반사 수단(20)으로 직접 전달되거나 광학 수단(30)의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 반사 수단(20)으로 전달되도록 할 수도 있다.

한편, 도 4의 실시예에서, 반사 수단(20)은 복수개의 반사부(21~29)를 포함하며, 각각의 반사부들(21~29)은, 반사부들(21~29)로 전달된 증강 현실 화상광을 각각 반사시켜 사용자의 동공(40)으로 전달하도록 화상 출사부(10)와 동공(40)의 위치를 고려하여 광학 수단(30)의 내부에 적절히 배치된다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(10)로부터 출사된 증강 현실 화상광이 광학 수단(30)의 제2 면(32)에서 1회 전반사되어 반사부(21~29)로 전달되는 구성을 사용하는 경우, 화상 출사부(10)로부터 광학 수단(30)의 제2 면(32)으로 입사하는 증강 현실 화상광과 제2 면(32)에서 전반사되어 반사부(21~29)들로 출사하는 증강 현실 화상광 그리고 동공(40)의 위치를 고려하여 반사부(21~29)들의 경사각을 적절하게 배치한다.

한편, 반사부(21~29) 각각은, 앞서 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성된다.

즉, 반사부(21~29) 각각은, 사람의 일반적인 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성되는데, 이에 의해 반사부(21~29) 각각을 통해 동공으로 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, 반사부(21~29) 각각의 크기는, 각 반사부(21~29)의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.

또한, 반사부(21~29) 각각의 크기는, 동공(40)과 반사부(21~29) 사이의 직선에 수직하면서 동공(40)의 중심을 포함하는 평면에 각 반사부(21~29)를 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.

한편, 반사부(21~29)들 각각은 증강 현실 화상광이 다른 반사부(21~29)에 전달되는 것을 차단하지 않도록 배치되어야 한다. 이를 위하여, 본 실시예에서는, 반사부(21~29)를 다음과 같이 구성하여 배치한다.

즉, 본 실시예에서의 반사 수단(20)은, 복수개의 반사부(21~24)로 구성되는 제1 반사부 그룹(20A)과 복수개의 반사부(25~29)로 구성되는 제2 반사부 그룹(20B)에 의해 구성하되, 제2 반사부 그룹(20B)과 화상 출사부(10)의 거리는 제1 반사부 그룹(20A)과 화상 출사부(10)의 거리보다 크도록 광학 수단(30)의 내부에 매립되어 배치한다.

여기에서, 제1 반사부 그룹(20A)을 구성하는 반사부(21~24)들은, 화상 출사부(10)로부터의 거리가 멀수록 광학 수단(30)의 제1 면(31)에 더 가깝도록 광학 수단(30)의 내부에 매립되어 배치되고, 제2 반사부 그룹(20B)을 구성하는 반사부(25~29)들은, 화상 출사부(10)로부터의 거리가 멀수록 광학 수단(30)의 제1 면(31)에서 더 멀도록 광학 수단(30)의 내부에 매립되어 배치된다.

여기에서, 광학 수단(30)의 제1 면(31) 및 제2 면(32) 중 적어도 어느 하나가 곡면으로 형성되거나 동공(40) 중심으로부터 정면 방향으로의 직선에 대한 수직 평면과 평행하지 않고 경사각을 가지도록 형성되는 경우가 있을 수 있으므로, 화상 출사부(10)로부터의 거리가 멀수록 광학 수단(30)의 제1 면(31)에 더 가깝게 배치된다는 것은, 화상 출사부(10)로부터의 거리가 멀수록 동공(40)으로부터 정면 방향으로의 직선에 대한 수직 평면으로서 제1 면(31)과 동공(40) 사이에 존재하는 수직 평면에 더 가깝게 배치되는 것을 의미하고, 마찬가지로 화상 출사부(10)로부터의 거리가 멀수록 광학 수단(30)의 제1 면(32)에서 더 멀도록 배치된다는 것은, 화상 출사부(10)로부터의 거리가 멀수록 동공(40)으로부터 정면 방향으로의 직선에 대한 수직 평면으로서 제1 면(31)과 동공(40) 사이에 존재하는 수직 평면에서 더 멀리 위치하도록 배치된다는 것을 의미한다.

도 5는 도 4에서 설명한 반사부(21~29)들의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 전술한 바와 같이, 반사 수단(20)은 제1 반사부 그룹(20A)과 제2 반사부 그룹(20B)으로 구성되며, 제1 반사부 그룹(20A)은 복수개의 반사부(21~24)로, 제2 반사부 그룹(20B)은 복수개의 반사부(25~29)를 각각 포함한다.

제1 반사부 그룹(20A)을 구성하는 복수개의 반사부(21~24)들과 제2 반사부 그룹(20B)을 구성하는 복수개의 반사부(25~29)들은, 광학 수단(30)의 제1 면(31)과 제2 면(32) 사이의 내부 공간에 배치되어 있으며, 반사부(21~29) 전체의 중심을 가상의 선으로 연결하면 전체적으로 완만한 "C"자 형태의 곡선을 형성하도록 배치되어 있음을 알 수 있다.

한편, 도 4 및 도 5에서는, 제1 반사부 그룹(20A)을 구성하는 각각 반사부(21~24)들은 인접하는 반사부(21~24)들이 연속적으로 구성된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 예컨대, 인접하지 않는 3개의 반사부(21,25,27)로 제1 반사부 그룹(20A)을 구성할 수도 있다. 이는 제2 반사부 그룹(20B)의 경우에도 마찬가지이다.

또한, 제1 반사부 그룹(20A) 및 제2 반사부 그룹(20B)은 복수개로 구성할 수도 있음은 물론이다.

또한, 반사 수단(20)을 구성하는 복수개의 반사부(21~29)들 전부가 제1 반사부 그룹(20A) 및 제2 반사부 그룹(20B) 중 어느 하나에 반드시 포함되어야 하는 것은 아니며, 반사 수단(20)을 구성하는 복수개의 반사부(21~29) 중 일부만으로 제1 반사부 그룹(20A) 및 제2 반사부 그룹(20B)을 구성할 수 있음은 물론이다.

도 6은 도 4 및 도 5에서 설명한 증강 현실용 광학 장치(200)의 사시도를 나타낸 것이다.

도 6을 참조하면, 증강 현실용 광학 장치(200)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 동공(40)에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부(10)로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하면, z축은 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분이 된다. 이 때, z축 방향에서 광학 수단(30)을 보았을 때, 반사부(21~29)들은 도 4 및 도 5에 나타낸 것처럼 보이게 된다.

즉, z축 방향에서 광학 수단(30)을 보았을 때 복수개의 반사부(21~29)들 중, 제1 반사부 그룹(20A)을 구성하는 복수개의 반사부(21~24)는 화상 출사부(10)로부터의 거리가 멀수록 광학 수단의 제1 면(31)에 더 가깝도록 광학 수단(30)의 내부에 매립되어 배치되고, 제2 반사부 그룹(20B)을 구성하는 복수개의 반사부(25~29)는 화상 출사부(10)로부터의 거리가 멀수록 광학 수단의 제1 면(31)에서 더 멀도록 광학 수단(30)의 내부에 매립되어 배치된다.

또한, 제2 반사부 그룹(20B)과 화상 출사부(10)의 거리는, 제1 반사부 그룹(20A)과 화상 출사부(10)의 거리보다 크도록 배치되는데, 이는 도 6의 z축 방향에서 광학 수단(30)을 바라보았을 때 제1 반사부 그룹(20A)이 제2 반사부 그룹(20B)의 위쪽에 배치된다는 것을 의미한다.

도 7은 반사부(21~29)의 배치 구조의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도 7의 (a)는 반사부(21~29)가 도 4 내지 도 6에서 설명한 바와 같은 배치 구조를 갖는 경우를 나타낸 것이고, 도 7의 (b)는 모든 반사부(21~29)가 일직선으로 배치된 경우 즉, 모든 반사부(21~29)들이 화상 출사부(10)로부터의 거리에 관계없이 제1 면(31)과 동일한 거리를 갖도록 배치된 경우를 나타낸 것이다.

도 7의 (b)를 참조하면, 모든 반사부(21~29)가 y축(도 6 참조)을 따라 나란히 배치(즉, 모든 반사부(21~29)가 화상 출사부(10)로부터의 거리에 관계없이 광학 수단(30)의 제2 면(32)과의 거리가 동일하게 배치)되어 있으므로, 아래쪽의 반사부(28,29)에는 광학 수단(30)의 제2 면(32)에서 전반사된 증강 현실 화상광이 제대로 도달하지 않음을 알 수 있다.

이에 비해, 도 7의 (a)를 참조하면, 반사부(24~29)들이 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 배치되기 때문에, 광학 수단(30)의 제2 면(32)에서 전반사된 증강 현실 화상광은 모든 반사부(21~29)에 전달됨을 알 수 있다.

한편, 반사부(21~29)들은, 전술한 바와 같이, 반사부(21~29)로 전달되는 증강 현실 화상광을 각각 반사시켜 사용자의 동공(40)으로 전달하도록 적절한 경사각을 가지고 경사지게 배치되는데, 각 반사부(21~29)들은 사용자의 동공(40) 중심에서 정면 방향으로의 직선에 대해 적어도 45도 이하의 경사각을 가지도록 배치된다.

도 8 및 도 9는 반사부(21~29)들의 경사각을 설명하기 위한 도면이다.

도 8에서는, 설명의 편의를 위하여 하나의 반사부(21)만을 나타내었다. 도 8을 참조하면, 반사부(21)는 사용자의 동공(40)의 중심의 정면 방향으로의 직선에 대해 경사각(θ)를 가지도록 경사지게 배치되는데, 이 경사각은 45도 이하인 것이 바람직하다. 이는 반사부(21)의 경사각(θ)이 45도 이상인 경우에는 반사부(21)로 입사하는 증강 현실 화상광을 동공(40) 방향으로 제대로 전달할 수 없기 때문이다.

도 9의 (a)는 반사부(20)의 경사각(θ)이 45도 이하인 경우이고, 도 9의 (b)는 경사각(θ)이 45도를 초과하는 경우를 각각 나타낸 것이다.

도 9에서, 반사부(20)는 z축 방향에서 보았을 때 직선으로 배치된 형태로 나타내었으나, 이는 단순히 설명의 편의를 위한 것이며 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명한 바와 같은 배치 구조를 갖는 경우에도 마찬가지이다.

도 9의 (a)를 참조하면, 반사부(20)의 경사각(θ)이 45도 이하로 형성되어 있는데, 이 경우 광학 수단(30)의 제2 면(32)(인풋(input) 면)에서 전반사된 증강 현실 화상광이 반사부(20)를 통해 동공(40)으로 수렴하게 됨을 알 수 있다.

도 9의 (a)의 점선은, 광학 수단(30)의 제2 면(32)에서 전반사되어 반사부(20)로 입사하는 증강 현실 화상광을 광학 수단(30)의 제2 면(32) 바깥쪽으로 연장하여 나타낸 것으로, 이 점선은 광학 수단(30)의 제2 면(32) 외부의 한 점에서 만나는 것을 알 수 있으며, 이는 반사부(20)를 통해 동공(40)으로 전달되는 증강 현실 화상광이 동공(40)으로 수렴한다는 것을 의미한다.

한편, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 반사부(20)의 경사각(θ)이 45도를 넘는 경우에는 동공(40)에서 화상광이 출사한 것으로 가정할 때 화상광은 반사부(20)를 통해 수렴하지 않고 발산하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 화상 출사부(10)로부터 증강 현실 화상광이 출사하는 경우를 생각해 보면, 증강 현실 화상광의 광 경로는 동공(40)으로 수렴할 수 없으므로 동일한 위치의 인풋 면을 가질 수 없다는 것을 의미하고, 이는 결국 화상 출사부(10)로부터 출사된 증강 현실 화상광이 광학 수단(30)의 내면에서 전반사된 후 반사부(20)를 통해 동공(40)으로 제대로 전달될 수 없다는 것을 의미한다.

도 9는 증강 현실 화상광이 광학 수단(30)의 제2 면(32)에서 1회 전반사되는 전반사 구조를 사용하는 경우를 예시적으로 나타낸 것이지만, 전반사 구조를 사용하지 않거나 2회 이상의 전반사를 사용하는 경우에도 마찬가지이다.

다시 도 4를 참조하여 광학 수단(30)에 대해 설명한다.

광학 수단(30)은, 복수개의 반사부(21~29)가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 투과시키는 수단이다.

여기에서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 동공(40)을 향해 투과시킨다는 것은 실제 사물 화상광의 빛 투과율이 반드시 100%일 필요는 없다는 의미이다.

광학 수단(30)은, 유리 또는 플라스틱 재질 및 기타 합성 수지재의 렌즈로 형성할 수 있고, 다양한 굴절률 및 투명도를 가질 수 있다.

광학 수단(30)은, 전술한 바와 같이, 반사부(21~29)에서 반사된 증강 현실 화상광과 실제 사물 화상광의 적어도 일부가 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면(31)과, 상기 제1 면(31)에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면(32)을 구비하며, 반사부(21~29)는 제1 면(31)과 제2 면(32) 사이의 내부에 매립되어 배치된다.

제1 면(31)과 제2 면(32)은 서로 평행한 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 서로 평행하지 않도록 구성할 수도 있다. 또한, 제1 면(31)과 제2 면(32) 중 적어도 어느 하나는 곡면으로 형성될 수도 있다. 즉, 제1 면(31) 또는 제2 면(32) 중 어느 하나를 곡면으로 형성하거나 제1 면(31) 및 제2 면(32) 모두를 곡면으로 형성할 수 있다.

여기에서, 상기 곡면은 오목면 또는 볼록면일 수 있는데, 오목면이라 함은, 해당 면을 정면에서 보았을 때 중앙 부분이 가장자리 부분보다 얇게 형성되어 오목하게 된 것을 의미하며, 볼록면이라 함은 해당 면을 정면에서 보았을 때 중앙 부분이 가장자리 부분보다 두껍게 형성되어 볼록하게 돌출된 것을 의미하는 것으로 한다.

또한, 전술한 바와 같이, 화상 출사부(10)로부터 출사되는 증강 현실용 화상광은 광학 수단(30)의 내부에서 전반사되지 않고 반사부(21~29)로 직접 전달되거나 광학 수단(30)의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 반사부(21~29)로 전달될 수 있다.

도 10 내지 도 12는 증강 현실 화상광이 광학 수단(30)에서 전반사되는 횟수를 설명하기 위한 도면으로서, 설명의 편의를 위해 반사부(21~23)는 3개만을 나타내었다.

도 10은 증강 현실 화상광이 광학 수단(30) 내부에서 전반사되지 않는 경우를 나타낸 것이다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(10)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(30) 내부에서 전반사되지 않고 반사부(21~23)에서 반사된 후 동공(40)으로 전달됨을 알 수 있다.

도 11은 증강 현실 화상광이 광학 수단(30) 내부에서 1회 전반사되는 경우를 나타낸 것이다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(10)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(30)의 제2 면(32)에서 1회 전반사된 후 반사부(21~23)로 전달되고, 이후 반사부(21~23)는 이를 다시 반사하여 동공(40)으로 전달됨을 알 수 있다. 도 11은 도 10에 나타낸 바와 같은 광학 수단(30)을 x축 방향에 대해 2등분하고 2등분선을 광학 수단(30)의 제2 면(32)으로 한 경우로 볼 수 있다.

도 12는 증강 현실 화상광이 광학 수단(30) 내부에서 2회 전반사되는 경우를 나타낸 것이다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(10)로부터 출사되는 증강 현실 화상광은 광학 수단(30)의 제1 면(31)에서 전반사되고 이후 제2 면(32)에서 다시 전반사된 후 반사부(21~23)로 전달되고, 이후 반사부(21~23)는 이를 다시 반사하여 동공(40)으로 전달함을 알 수 있다. 도 12는 도 10에 나타낸 바와 같은 광학 수단(30)을 x축 방향에 대해 3등분하고 3등분선 중 동공(40)쪽에 가까운 쪽을 광학 수단(30)의 제2 면(32)으로 한 경우로 볼 수 있다.

도 10 내지 도 12에서, 반사부(21~23)는 z축 방향에서 보았을 때 직선으로 배치된 형태로 나타내었으나, 이는 단순히 설명의 편의를 위한 것이며 도 4 내지 도 9를 참조하여 설명한 바와 같은 배치 구조를 갖는 경우에도 마찬가지이다.

도 13 및 도 14는 증강 현실용 광학 장치(200)의 전체적인 작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 13 및 도 14는, 광학 수단(30)의 내부에서 2회 전반사가 이루어지는 경우를 예시적으로 나타낸 것으로서, 설명의 편의를 위해 반사부(21~25)는 5개만을 나타내었다.

도 13의 (a),(b),(c)를 참조하면, 서로 다른 각도의 증강 현실 화상광이 광학 수단(30)의 제1 면(31) 및 제2 면(32)에서 각각 전반사된 후, 앞서 설명한 바와 같은 경사각 및 배치 구조를 갖는 반사부(21~25)들에 의해 아이박스(eye box)로 전달됨을 알 수 있다.

도 13의 (a)에서는 반사부(21~23)가 사용되고, 도 13의 (b)에서는 반사부(22~24)가 사용되고, 도 13의 (c)에서는 반사부(23~25)들이 사용되며, 이들은 증강 현실 화상광의 광 경로의 입사각 즉, 화상 출사부(10)로부터 출사되는 증강 현실 화상광의 광 경로의 출사각에 각각 상응하여 증강 현실 화상광을 아이박스(eye box)로 전달한다. 이 때, 아이박스(eye box)는, 화상 출사부(10)에서 나오는 그대로의 증강 현실 화상광을 보는데 있어서 사용자의 동공(40)이 위치할 수 있는 최대 공간이라고 볼 수 있으며, 광학 수단(30)의 제1 면(31) 및 제2 면(32)은 인풋 면으로 작용하고 이들을 통해 전반사된 증강 현실 화상광은 반사부(21~25)를 통해 모두 아이박스 방향으로 출사된다.

한편, 도 14는 도 13의 (a),(b),(c)에서 나타낸 증강 현실 화상광을 함께 나타낸 것으로서, 화상 출사부(10)에서 출사된 증강 현실 화상광이 입사 동공(input pupil)으로 기능하는 광학 수단(30)의 상부를 통해 입사되어, 광학 수단(30)의 제1 면(31) 및 제2 면(32)을 통해 2회 전반사된 후, 반사부(21~25)를 통해 반사된 후 출사 동공(exit pupil)으로 작용하는 광학 수단(30)의 제1 면(31)을 통해 아이박스(eye box)로 전달됨을 알 수 있다. 여기에서, 동공(40)이 위치할 수 있는 아이박스(eye box)와 광학 수단(30)간의 거리는 아이릴리프(eye relief)가 된다.

도 13 및 도 14에서 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(10)로부터 출사되어 광학 수단(30)의 제1 면(31) 및 제2 면(32)에서 전반사된 증강 현실 화상광은 전술한 바와 같은 반사부(21~25)의 경사각 구조 및 배치 구조에 의하여 모두 아이 박스(eye box)를 향해 전달되므로, 증강 현실 화상광의 광 효율을 현저하게 개선할 수 있음을 알 수 있다.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)의 구성을 나타낸 도면이다.

도 15의 실시예의 증강 현실용 광학 장치(300)는, 전술한 실시예의 증강 현실용 광학 장치(200)와 기본적인 구성은 동일하되, 복수개의 반사부(21~24)로 구성되는 제1 반사부 그룹(20A) 및 복수개의 반사부(25~29)로 구성되는 제2 반사부 그룹(20B)로 구성되는 반사 수단(20)이 복수개 형성된 것을 특징으로 한다.

여기에서, 복수개의 반사 수단(20)은, 다음과 같은 배치 구조를 갖는다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이, 증강 현실용 광학 장치(300)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 동공(40)에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부(10)로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하면, z축은 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분이 되는데, 여기에서 반사 수단(20)들은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 배치될 수 있다.

여기에서, 각각의 반사 수단(20)은, 각 반사 수단(20)을 구성하는 각각의 반사부(21~29)들이, 인접하는 반사 수단(20)을 구성하는 반사부(21~29)들 중 어느 하나와 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 평행하게 위치하도록 나란히 배치될 수 있다. 따라서, 복수개의 반사 수단(20)들을 z축 방향에서 보았을 때는 도 4 및 도 5에서 나타낸 바와 동일하게 보이게 된다.

도 15의 실시예에 의하면, 도 4 내지 도 14를 참조하여 설명한 바와 같은 작용 효과를 가지면서 시야각과 z축 방향의 아이박스(eye box)를 넓힐 수 있는 장점이 있다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(400)의 구성을 나타낸 도면이다.

도 16의 실시예의 증강 현실용 광학 장치(400)는, 도 15에서 설명한 실시예의 증강 현실용 광학 장치(300)와 같이 반사 수단(20)이 복수개로 구성되지만, 각 반사 수단(20)은, 각 반사 수단(20)을 구성하는 각각의 반사부(21~29)들이, 인접하는 반사 수단(20)을 구성하는 모든 반사부(21~29)들과 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 16에 나타낸 바와 같이, z축의 오른쪽 방향으로부터 서로 인접하는 첫번째 반사 수단(20)의 반사부(21~29)들과 두번째 반사 수단(20)의 반사부(21~29)들을 y축 방향의 위쪽(화상 출사부(10)쪽)으로부터 순서대로 비교해 보면, 첫번째 반사 수단(20)의 각각의 반사부(21~29)들은 두번째 반사 수단(20)의 모든 반사부(21~29)들과 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하지 않도록 배치되어 있음을 알 수 있다. 즉, 첫번째 반사 수단(20)의 반사부(21~29)들과 두번째 반사 수단(20)의 반사부(21~29)들은 z축 방향에서 볼 때 z축에 평행하게 나란히 정렬되어 있지 않고 서로 엇갈리게 배치되어 있음을 알 수 있다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)의 구성을 나타낸 도면이다.

도 17의 실시예의 증강 현실용 광학 장치(500)는, 도 4 내지 도 14를 참조하여 설명한 실시예의 증강 현실용 광학 장치(200)와 기본적으로 동일하되, 각 반사부(21~29)들이 바(bar) 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

여기에서, 각 반사부(21~29)들은, 다음과 같은 배치 구조를 갖는다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이, 증강 현실용 광학 장치(500)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 동공(40)에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부(10)로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하면, z축은 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분이 되며, 여기에서 복수개의 반사부(21~29)들은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 연장된 바(bar) 형태로 형성된다. 본 실시예의 경우에도, 광학 수단(30)을 z축 방향에서 보았을 때 각 반사부(21~29)들의 형태는 도 4 및 도 5에서 나타낸 바와 동일하게 보이게 된다.

본 실시예의 경우, 반사부(21~29)들을 z축 방향에서 보았을 때의 크기는 4mm 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 실시예들에 있어서, 각 반사부(21~29)들의 적어도 일부의 크기는 다른 반사부(21~29)들과 다르게 구성할 수도 있다. 이러한 경우에도, 각 반사부(21~29)들의 크기는 전술한 바와 같이 4mm 이하로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 각 반사부(21~29)들은 동일한 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하지만, 적어도 일부의 반사부(21~29)들의 간격을 다른 반사부(21~29)들의 간격과 다르도록 배치할 수도 있다.

또한, 적어도 일부의 반사부(21~29)들의 x축에 대한 경사각을 다른 반사부(21~29)들과 다르도록 구성할 수도 있다.

또한, 각 반사부(21~29)들의 적어도 일부는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.

또한, 반사부(21~29)들의 적어도 일부는, 반사 수단 이외의 기타 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다.

또한, 반사부(21~29)들의 적어도 일부는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터 등과 같은 광학 소자로 구성될 수 있다.

또한, 반사부(21~29)들 중 적어도 일부는, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면에 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅될 수도 있다.

또한, 반사부(21~29)들 중 적어도 일부의 표면을 곡면으로 형성할 수도 있다. 여기에서, 상기 곡면은 오목면 또는 볼록면일 수 있다.

도 18은 반사부(21~29)의 표면이 곡면으로 형성된 것을 설명하기 위한 도면으로서, 설명의 편의를 위해 하나의 반사부(21)만을 나타내었다.

도 18에 나타낸 바와 같이, 반사부(21)의 표면은 곡면으로 형성되어 있으며, 이 경우, 곡면으로 형성되는 표면은 광학 수단(30)의 제1 면(31)쪽으로 볼록한 볼록면으로 형성될 수 있다. 도 18에서는, 제1 면(31)쪽으로 볼록한 볼록면을 갖는 반사부(21)를 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 제1 면(31)쪽으로 오목한 오목면을 가지도록 반사부(21)를 형성할 수도 있다.

도 19는 반사부(21~29)의 곡면 형태의 또 다른 예를 나타낸 것으로서, 설명의 편의를 위해 하나의 반사부(21)만을 나타내었다.

도 19의 반사부(21)는 곡면으로 형성되되, 반사부(21)를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부(10)로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 반사부(21)의 x축 방향으로의 길이보다 z축 방향으로의 길이가 길게 형성된 것을 특징으로 한다.

즉, 도 19의 반사부(21)는 광학 수단(30)의 내면에서 z축 방향으로 바(bar) 형태로 연장되도록 형성되어, 전체적으로는 원통(cylinder)형 형상의 반사부(21)를 길이 방향으로 절개한 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

도시된 바와 같이, 도 19의 반사부(21)는, z축 방향으로의 길이가 x축 방향의 길이보다 길게 형성되며 또한 광학 수단(30)의 제1 면(31)쪽으로 볼록한 볼록면으로 형성되어 있음을 알 수 있다.

한편, 도 19에서 반사부(21)는 z축 방향으로 연장된 바 형태이지만, x축 또는 y축 방향으로 연장된 바 형태가 되도록, 즉 x축 또는 y축 방향의 길이가 z축 방향의 길이보다 길게 형성할 수도 있다.

또한, 도 19의 반사부(21)는 전체적으로 원통형 형상을 길이 방향으로 절개한 형태로 형성되므로 y축 방향에서 반사부(21)를 보았을 때 직사각형 형태를 가지지만, 이는 예시적인 것이며, y축 방향에서 보았을 때 반사부(21)가 전체적으로 원형, 삼각형, 사각형 등 기타 형태를 가지도록 형성할 수도 있다. 또한, 반사부(21)를 y축 방향에서 보았을 때 x축 방향으로 장축을 갖는 타원형으로 형성할 수도 있다.

또한, 도 19에서는 광학 수단(30)의 제1 면(31)쪽으로 볼록한 볼록면을 갖는 반사부(21)를 나타내었으나 이는 예시적인 것이며, 제1 면(31)쪽으로 오목한 오목면을 가지도록 반사부(21)를 형성할 수도 있음은 물론이다.

또한, 도 17의 실시예에서 설명한 반사부(21~29)를 도 19에 나타낸 바와 같은 형태로 형성할 수도 있다. 이 경우, 도 17의 반사부(21~29)는 광학 수단(30)의 내부에서 z축 방향을 따라 전체적으로 연장되어 하나의 바 형태로 형성되지만, 도 19의 반사부(21)는 도 14의 바 형태의 반사부(21~29)가 z축 방향으로 분할되어 형성된 것으로 볼 수 있다.

도 20 내지 도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(600)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 20은 증강 현실용 광학 장치(600)를 동공(40)쪽에서 바라 본 정면도이고, 도 21은 증강 현실용 광학 장치(600)를 전술한 바와 같은 z축 방향에서 바라 본 측면도이고, 도 22는 증강 현실용 광학 장치(600)를 전술한 바와 같은 y축 방향에서 바라 본 평면도이다.

도 20 내지 도 22에 나타낸 증강 현실용 광학 장치(600)는 도 15의 증강 현실용 광학 장치(300)와 동일하게 반사 수단(20)이 복수개로 구성되지만, 각 반사 수단(20)과 광학 수단(30)의 제1 면(31)과의 거리가 모두 동일하지는 않도록 배치되는 반사 수단(20)이 적어도 하나 이상 존재한다는 점에서 차이가 있다.

즉, 전술한 바와 같이, 증강 현실용 광학 장치(600)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 동공(40)에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부(10)로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단(30)의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 각 반사 수단(20)과 광학 수단(30)의 제1 면(31)과의 거리가 모두 동일하지는 않도록 배치되는 반사 수단(20)이 적어도 하나 이상 존재한도록 반사 수단(20)들이 배치되며, 이는 바꾸어 말하면, 도 21에 나타낸 바와 같이, 복수개의 반사 수단(20) 중 적어도 일부는 z축 방향에서 보았을 때 겹쳐서 보이지 않도록 배치된다는 것을 의미한다.

도 20 내지 도 22의 실시예에서는, 녹색으로 나타낸 2개의 반사 수단(20)과 광학 수단(30)의 제1 면(31)과의 거리, 검은색으로 나타낸 2개의 반사 수단(20)과 광학 수단(30)의 제1 면(31)과의 거리, 붉은 색으로 나타낸 1개의 반사 수단(20)과 광학 수단(30)의 제1 면(31)과의 거리는 서로 상이하도록 배치된다. 여기에서, 녹색으로 나타낸 2개의 반사 수단(20) 각각과 광학 수단(30)의 제1 면(31)과의 거리는 동일하고, 검은색으로 나타낸 2개의 반사 수단(20) 각각과 광학 수단(30)의 제1 면(31)과의 거리는 동일한 것으로 나타내었으나 이는 예시적인 것이며, 모든 반사 수단(20)들과 광학 수단(30)의 제1 면(31)과의 거리를 전부 상이하게 배치할 수도 있음은 물론이다.

도 23은 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(700)의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 화상 출사부(10)의 다양한 구성을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서의 화상 출사부(10)는, 일반적으로는 전술한 바와 같이, 디스플레이 장치(11)와 콜리메이터(12)로 구성되는데, 도 23의 증강 현실용 광학 장치(700)의 화상 출사부(10)의 콜리메이터(12)는, 오목 거울(121)과 빔 스플리터(122)를 조합하여 구현하였다는 점을 특징으로 한다. 도시한 바와 같이, 디스플레이 장치(11)로부터 출사된 증강 현실 화상광은 빔 스플리터(122)에 의해 오목 거울(121)로 전달되고 오목 거울(121)에서 반사된 증강 현실 화상광은 빔 스플리터(122)를 통해 광학 수단(30)의 제2 면(32)으로 입사하고, 전술한 바와 같은 과정을 통해 동공(40)으로 전달된다.

도 24는 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(800)의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.

도 24의 증강 현실용 광학 장치(800)는 도 23의 실시예와 유사하되, 2개의 오목 거울(121)을 서로 대향하도록 배치하여 화상 출사부(10)를 구성했다는 점을 특징으로 한다. 즉, 도 24의 실시예에서는, 디스플레이 장치(11)로부터 출사된 증강 현실 화상광은 빔 스플리터(122)에 의해 2개의 오목 거울(121)에 의하여 광학 수단(30)의 제2 면(32)으로 전달되어 전술한 바와 같은 과정을 통해 동공(40)으로 전달된다.

도 25는 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(900)의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.

도 25의 실시예는 도 23의 실시예와 유사하지만, 화상 출사부(10)에서 출사된 증강 현실 화상광이 보조 반사부(80)를 통해 광학 수단(30)으로 전달된다는 점에서 차이가 있다.

즉, 도 25의 실시예에서는, 디스플레이 장치(11)로부터 출사된 증강 현실 화상광은 빔 스플리터(122)에 의해 오목 거울(121)로 전달되고, 오목 거울(121)에서 반사된 증강 현실 화상광은 빔 스플리터(122)를 통과하여 보조 반사부(80)로 전달되고 보조 반사부(80)에 의해 반사되어 광학 수단(30)의 제2 면(32)으로 전달되어 전술한 바와 같은 과정을 통해 동공(40)으로 전달된다.

도 23 내지 도 25의 실시예는 화상 출사부(10)의 구성을 예시한 것이며, 이외에도 기타 다양한 형태로 화상 출사부(10)를 구성할 수 있음은 물론이다.

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.

예컨대, 상기 실시예들에서는 증강 현실용 광학 장치(200~600)는 화상 출사부(10)와 독립적으로 제조될 수 있으므로 화상 출사부(10)는 증강 현실용 광학 장치(200~600)의 필수 구성 요소는 아닌 것으로 설명하였으나, 도 23 내지 도 25에서 설명한 바와 같이 화상 출사부(10)를 포함하는 일체형의 모듈 형태로 구현하는 것도 가능하다.

100...종래의 증강 현실용 광학 장치
200,300,400,500,600,700,800,900...광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치
10...화상 출사부
20...반사 수단
20A...제1 반사부 그룹
20B...제2 반사부 그룹
21~29...반사부
30...광학 수단
31...광학 수단(30)의 제1 면
32...광학 수단(30)의 제2 면
40...동공
80...보조 반사부

Claims (13)

1. 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치로서,
   화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 반사 수단; 및
   상기 반사 수단이 매립되어 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단
   을 포함하고,
   상기 광학 수단은, 상기 반사 수단에서 반사된 증강 현실 화상광과 실제 사물 화상광의 적어도 일부가 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고,
   상기 반사 수단은, 반사 수단으로 전달되는 증강 현실 화상광을 각각 반사시켜 사용자의 동공으로 전달하도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 크기 4mm 이하의 복수개의 반사부를 포함하고,
   상기 반사 수단은,
   상기 화상 출사부로부터의 거리가 멀수록 상기 광학 수단의 제1 면에 더 가깝도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제1 반사부 그룹과,
   상기 화상 출사부로부터의 거리가 멀수록 광학 수단의 제1 면에서 더 멀도록 상기 광학 수단의 내부에 매립되어 배치되는 반사부들로 구성되는 제2 반사부 그룹으로 구성되고,
   상기 제2 반사부 그룹과 화상 출사부의 거리는, 상기 제1 반사부 그룹과 화상 출사부의 거리보다 크도록 배치된 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실 화상광은, 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 반사 수단으로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 반사 수단으로 전달되는 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 반사부 각각은, 사용자의 동공 중심에서 정면 방향으로의 직선에 대해 적어도 45도 이하의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사 수단은 복수개로 구성되고,
   증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 반사 수단은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 각 반사 수단은, 각 반사 수단을 구성하는 각각의 반사부들이, 인접하는 반사 수단을 구성하는 반사부들 중 어느 하나와 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 각 반사 수단은, 각 반사 수단을 구성하는 각각의 반사부들이, 인접하는 반사 수단을 구성하는 모든 반사부들과 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 위치하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 반사부들은 상기 z축에 평행한 가상의 직선을 따라 연장된 바 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는 하프 미러, 굴절 소자 또는 회절 소자 중 적어도 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는, 증강 현실 화상광을 반사시키는 면의 반대면에 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅된 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부의 표면은 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 복수개의 반사부들 중 적어도 일부는, x축 또는 y축 방향으로의 길이보다 z축 방향으로의 길이가 길게 형성되거나, z축 방향으로의 길이보다 x축 또는 y축 방향으로의 길이가 길게 형성된 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 반사부들의 표면은, 광학 수단의 제1 면쪽으로 오목한 오목면 또는 광학 수단의 제1 면쪽으로 볼록한 볼록면으로 형성된 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
    
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사 수단은 복수개로 구성되고,
    증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 동공에서 정면 방향을 x축이라 하고, 화상 출사부로부터 x축으로의 수직선에 대해 x축을 따라 평행하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 y축이라 하고, 상기 x축 및 y축과 직교하면서 광학 수단의 내면 사이를 지나는 선분을 z축이라 할 때, 상기 각 반사 수단과 광학 수단의 제1 면과의 거리가 모두 동일하지는 않도록 배치되는 반사 수단이 적어도 하나 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 광 효율 개선을 위한 곡선 배치 반사 구조를 갖는 증강 현실용 광학 장치.
    

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