KR20210158526A - 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단; 및 상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 반사부를 포함하고, 상기 반사부는 컨트롤러의 제어 신호에 의해 빛을 반사하는 반사율 및 투과율이 변경되는 상태 변환 광학 소자로 형성된 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치{LIGHTWEIGHT OPTICAL DEVICE FOR AUGMENTED REALITY USING STATE SWITCHABLE OPTICAL ELEMENT}
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상태 변환 광학 소자를 이용하여 증강 현실용 화상을 제공하는 반사부를 구현함으로써, 필요에 따라 반사부의 상태를 완전 거울, 반투명, 투명 상태로 조절할 수 있는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 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 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(20), 화상 출사부(30) 및 프레임부(40)를 포함한다.
광학 수단(10)은 실제 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 투과시키는 수단으로써 예컨대 안경 렌즈일 수 있으며, 그 내부에는 반사부(20)가 매립 배치되어 있다. 또한, 광학 수단(10)은 화상 출사부(30)로부터 출사되어 반사부(20)에 의해 반사된 증강 현실 화상광을 동공으로 전달하도록 투과시키는 기능도 수행한다.
프레임부(40)는 화상 출사부(30)와 광학 수단(10)을 고정 및 지지하는 수단으로서, 예컨대 안경 테와 같은 것일 수 있다.
화상 출사부(30)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(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실 화상광을 사용자의 동공을 향해 반사시킴으로써 사용자가 증강 현실용 화상을 볼 수 있도록 한다.
도 1의 반사부(20)는, 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성되어 있는데, 이와 같이 반사부(20)를 동공 크기보다 작게 형성하면, 반사부(20)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 사용자는 증강 현실용 화상의 초점이 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 변경하더라도 사용자는 증강 현실용 화상에 대해서는 항상 선명한 가상 영상을 볼 수 있다.
그러나, 이러한 구성에서는 반사부(20)가 증강 현실 화상광을 반사시켜 동공으로 전달해야 하기 때문에 반사부(20)의 재질은 빛을 반사하는 재질로 형성되어야 한다. 따라서, 반사부(20)가 작은 크기로 형성되어 있다고 하더라도 외부에서 보았을 때에 눈에 띄지 않을 수 없게 된다. 이로 인하여, 도 1과 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 안경형으로 구현한 경우 이질적인 느낌을 주게 되고 따라서 일반적인 안경으로 활용하기 어렵다는 문제가 있다.
또한, 증강 현실용 광학 장치(100)를 사용하는 사용자의 입장에서도 반사부(20)로 인하여 실제 사물 화상광의 투과율이 다소 낮아진다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1660519호(2016.09.29 공고)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상태 변환 광학 소자를 이용하여 증강 현실용 화상을 제공하는 반사부를 구현함으로써, 필요에 따라 반사부의 상태를 완전 거울, 반투명, 투명 상태로 조절할 수 있는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 상태 변환 광학 소자를 이용하여 실제 사물 화상광의 투과 정도를 조절할 수 있도록 함으로써 증강 현실용 화상이 보다 자연스럽게 인식될 수 있도록 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 상태 변환 광학 소자를 이용한 증강 현실용 광학 장치로서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단; 및 상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 반사부를 포함하고, 상기 반사부는 컨트롤러의 제어 신호에 의해 빛을 반사하는 반사율 및 투과율이 변경되는 상태 변환 광학 소자로 형성된 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 반사부는, 투명 재질로 형성되는 제1 기판; 상기 제1 기판과 대향하여 배치되는 제2 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되는 투명 재질의 제1 전극; 상기 제2 기판 상에 형성되는 투명 재질의 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 함유되는 금속 이온을 포함하는 전해액을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 컨트롤러와 전기적으로 연결되도록 구성된다.
또한, 상기 컨트롤러로부터 제1 전극 및 제2 전극으로 전압이 인가되면, 상기 전해액에 포함된 금속 이온이 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나로 전착되어 금속 박막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 반사부의 반사율 및 투과율은 각각 0~100%의 범위에서 변경될 수 있다.
또한, 상기 반사부는 복수개이며, 반사부 중 적어도 일부의 반사율 및 투과율은 다른 반사부의 반사율 및 투과율과 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상태 변환 광학 소자를 이용한 증강 현실용 광학 장치로서, 실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단; 및 상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 반사부; 및 실제 사물 화상광이 입사하는 상기 광학 수단의 제1 면의 표면 또는 내면에 배치되는 광 투과 조절 수단을 포함하고, 상기 광 투과 조절 수단은, 컨트롤러의 제어 신호에 의해 빛을 반사하는 반사율 및 투과율이 변경되는 상태 변환 광학 소자로 형성된 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 광 투과 조절 수단의 반사율 및 투과율은 각각 0~100%의 범위에서 변경될 수 있다.
또한, 상기 반사부는 컨트롤러의 제어 신호에 의해 빛을 반사하는 반사율 및 투과율이 변경되는 상태 변환 광학 소자로 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사부의 반사율 및 투과율은 각각 0~100%의 범위에서 변경될 수 있다.
또한, 상기 광 투과 조절 수단의 상기 반사부에 상응하는 영역의 반사율 및 투과율이 변경될 수 있다.
또한, 상기 광 투과 조절 수단의 반사부에 상응하는 영역 이외의 영역의 반사율 및 투과율이 변경될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상태 변환 광학 소자를 이용하여 증강 현실용 화상을 제공하는 반사부를 구현함으로써, 필요에 따라 반사부의 상태를 완전 거울, 반투명, 투명 상태로 조절할 수 있는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상태 변환 광학 소자를 이용하여 실제 사물 화상광의 투과 정도를 조절할 수 있도록 함으로써 증강 현실용 화상이 보다 자연스럽게 인식될 수 있도록 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명에 의하면, 반사부의 상태 변환을 이용하여 반사부의 투과율 및 반사율을 조절할 수 있으므로 일반적인 안경에 증강 현실용 광학 장치를 그대로 구현할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 상태 변환 광학 소자를 이용한 증강 현실용 광학 장치(200)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 상태 변환 광학 소자로 형성된 반사부(20)의 일예를 설명하기 위한 도면으로서, 전기 화학적 방식에 의해 반사부(20)를 구성한 경우에 대한 것이다.
도 5는 도 3 및 도 5에서 설명한 바와 같은 원리에 의해 반사부(20)의 반사율이 0%이고, 투과율이 100%인 경우의 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 복수개의 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70)들의 반사율 및 투과율을 다양하게 구성한 경우를 나타낸 것이다.
도 8은 제1 반사부(20)들의 반사율 및 투과율을 0~100% 사이에서 변경된 경우의 증강 현실용 광학 장치(300)를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(400)를 나타낸 도면이다.
도 12는 광 투과 조절 수단(80)의 상태가 변경되는 영역을 부분적으로 조절하는 경우를 설명하기 위한 것이다.
도 13 내지 도 15는 광 투과 조절 수단(80)의 상태가 변경되는 영역을 부분적으로 조절하는 경우의 효과를 설명하기 위한 것이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)를 나타낸 도면이다.
도 17은 도 16의 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치(200)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치(200, 이하 간단히 "증강 현실용 광학 장치(200)"라 한다)는, 광학 수단(10) 및 반사부(20)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, 경량의 증강 현실용 광학 장치(200)를 구현할 수 있도록 경량의 투명한 플라스틱 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 물론, 투명한 유리 재질로 형성될 수도 있다.
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 반사부(20)에서 반사된 증강 현실용 화상에 상응하는 증강 현실 화상광 및 제1 면(11)을 통과한 실제 사물 화상광이 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 출사하는 면이다.
도 2의 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)은 서로 평행하도록 배치되어 있으나 이는 예시적인 것이며 서로 평행하지 않도록 배치될 수도 있음은 물론이다.
한편, 화상 출사부(30)는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 소형의 LCD와 같은 디스플레이 장치일 수 있다. 화상 출사부(30)는 소형 디스플레이 장치에서 출사된 증강 현실 화상광을 평행광으로 출사하는 콜리메이터(collimator)를 더 포함할 수 있다.
이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.
여기에서, 증강 현실용 화상이라 함은, 화상 출사부(30)로부터 출사되어 반사부(20)를 통해 사용자의 동공(50)으로 전달되는 증강 현실용 화상광에 상응하는 가상 화상을 의미하며, 예컨대 이미지 형태의 정지 영상이거나 동영상과 같은 것일 수 있다.
이러한 증강 현실용 화상은 반사부(20)를 통해 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.
반사부(20)는, 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치되며, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공(50)을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 수단이다.
도 2에서, 반사부(20)는 2개 배치된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 1개 또는 3개 이상일 수도 있음은 물론이다.
이러한 반사부(20)는, 화상 출사부(30)로부터 전달되는 증강 현실 화상광을 각각 반사시켜 사용자의 동공(50)으로 전달할 수 있도록 적절한 위치 및 각도를 가지고 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.
즉, 반사부(20)는, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실 화상광을 동공(50)으로 반사시켜 전달할 수 있도록, 화상 출사부(30)와 동공(50)의 위치를 고려하여 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 대해 적절한 경사각을 가지도록 배치된다.
또한, 반사부(20)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, 반사부(20)를 사람의 일반적인 동공 크기보다 작은 크기로 형성함으로써, 반사부(20)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, 반사부(20)의 크기라 함은, 반사부(20)의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 반사부(20)의 크기는, 동공(50)과 반사부(20) 사이의 직선에 수직하면서 동공(50)의 중심을 포함하는 평면에 각 반사부(20)를 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
반사부(20)의 크기는 전술한 바와 같이, 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성하되, 최소 크기는 필요에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 반사부(20)의 크기는 700㎛~4mm의 크기로 형성할 수 있다.
한편, 반사부(20) 각각은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(30)로부터 전달되는 증강 현실 화상광이 다른 반사부(20)에 의해 차단되지 않도록 배치된다.
한편, 반사부(20)들의 크기는 전부 동일할 필요는 없으며, 부분적으로 서로 다르게 할 수도 있다.
또한, 반사부(20) 중 적어도 일부의 표면을 곡면으로 형성할 수도 있다. 여기에서, 상기 곡면은 오목면 또는 볼록면일 수 있다.
또한, 반사부(20) 중 적어도 일부의 광학 수단(10)에 대한 경사각은 다른 반사부(20)와 상이하게 형성할 수 있다.
한편, 도 2의 실시예에서는, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실 화상광이 반사부(20)로 직접 전달되도록 되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 광학 수단(10)의 제1 면(11) 또는 제2 면(12) 중 적어도 어느 하나에서 적어도 1회 전반사된 후 반사부(20)로 전달되도록 할 수도 있다.
한편, 도 2의 실시예에서는, 반사부(20)가 컨트롤러(60)의 제어 신호에 의해 빛을 반사하는 반사율 및 투과율이 변경되는 상태 변환 광학 소자로 형성된 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상태 변환 광학 소자라 함은, 반사율 및 투과율의 조절이 가능해서 완전한 거울, 완전한 투명 유리, 그리고 빛의 일부는 반사되고 다른 일부는 투과되는 반투과 거울로의 변형이 가능한 광학 소자(optical element)를 의미한다.
이러한 상태 변환 광학 소자는, 외부 환경에 따라 태양광의 효과적인 차단과 투과를 해주는 고효율 스마트 윈도우(smart window)의 제조에 쓰일 수 있으며, 자동차용 거울 등에도 유용하게 사용될 수 있으며, 종래 기술에 의해 여러 가지 방식이 알려져 있다.
전기적으로 제어가 가능한 상태 변환 광학 소자로서는, 가변 전기화학 거울(Reversible Electrochemical Mirror) 또는 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal) 거울 등이 알려져 있다.　
가변 전기화학 거울은 투명한 두 전극 사이에 금속 이온이 있는 투명한 전해질을 삽입하여 전압의 차이를 이용해서 금속 이온이 투명한 전극에 전기화학적으로 증착되는 정도를 제어함으로써 반사성과 투과성의 정도를 제어할 수 있는 방식이다.
콜레스테릭 액정 거울은 투명한 전극 사이에 있는 콜레스테릭 액정의 배열 구조를 전극 사이의 전압 차이를 이용해서 제어함으로써 반사성과 투과성을 조절하는 방식이다.
본 발명은 이러한 상태 변환 광학 소자를 이용하여 반사부(20)를 형성함으로써 반사부(20)의 반사율 및 투과율을 가변적으로 조절하여 필요에 따라 증강 현실 화상광 및 실제 사물 화상광에 대한 반사율 및 투과율을 변경할 수 있는 점을 특징으로 한다.
도 3 및 도 4는 상태 변환 광학 소자로 형성된 반사부(20)의 일예를 설명하기 위한 도면으로서, 전기 화학적 방식에 의해 반사부(20)를 구성한 경우에 대한 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 반사부(20)는 제1 기판(21), 제1 전극(22), 제2 전극(23), 제2 기판(24), 전해액(25) 및 스페이서(26,27)을 포함한다.
제1 기판(21)과 제2 기판(24)은 투명한 유리나 플라스틱 등의 수지재로 형성되며, 서로 이격되어 대향하여 배치된다.
제1 전극(22) 및 제2 전극(23) 또한 투명 재질로 형성되며, 컨트롤러(60)와 전기적으로 연결되어 있다. 제1 전극(22) 및 제2 전극(23)과 컨트롤러(60)는 투명 재질의 배선으로 연결된다.
전해액(25)은 예컨대 은(Ag) 및 구리(Cu) 등의 금속 이온을 포함하는 투명 전해질로 구성될 수 있다.
스페이서(26,27)는 제1 전극(22)과 제2 전극(23) 사이에 형성되어 전해액(25)을 함유하기 위한 공간을 제공한다.
도 3의 상태는 컨트롤러(60)로부터 전원이 인가되지 않은 경우로서, 이러한 경우 전해액(25)은 투명한 상태로 외부로부터 입사하는 빛을 그대로 통과시킨다. 즉, 이 경우 반사부(20)의 반사율은 0%이고 투과율은 100%라고 할 수 있다.
이러한 상태에서, 컨트롤러(60)로부터 제어 신호 즉, 전압이 제1 전극(22)과 제2 전극(23) 사이에 인가되면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전해액(25)에서 전기화학적인 환원반응이 일어나서 전해액(25)에 포함되어 있는 금속 이온이 제1 전극(22)으로 전착되어 금속 박막(28)을 형성하게 된다.
따라서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 외부로부터의 빛은 금속 박막(28)에 의해 반사된다. 이 상태는 반사부(20)의 반사율은 100%이고, 투과율은 0%라고 할 수 있으며, 따라서 반사부(20)는 완전한 거울로 작용하게 된다.
이 때, 컨트롤러(60)에 의해 인가되는 전압을 조절하면 반사율 및 투과율을 0~100% 범위에서 조절할 수 있으며, 이 경우 반사부(20)는 빛의 일부를 반사하고 일부는 투과시키는 하프 미러(half mirror) 즉, 반투명 거울로 작용하게 된다.
도 5는 도 3 및 도 5에서 설명한 바와 같은 원리에 의해 반사부(20)의 반사율이 0%이고, 투과율이 100%인 경우의 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 것이다.
도 5에서 반사부(20)는 점선으로 나타내었으나 이는 실제 반사부(20)가 보이는 형태를 나타낸 것이 아니라 투명한 반사부(20)를 표시하기 위한 것이다.
앞서 설명한 바와 같이, 상태 변환 광학 소자로 형성된 반사부(20)에 컨트롤러(60)로부터 전압이 인가되면 반사부(20)의 반사율은 0%, 투과율은 100%가 되며, 이 때 반사부(20)는 증강 현실 화상광을 반사할 수 없는 상태가 된다. 따라서, 반사부(20)를 지나는 실제 사물 화상광은 반사부(20)를 그대로 투과하여 동공(50)으로 전달될 수 있다. 따라서, 이러한 경우에는 화상 출사부(30)에서 증강 현실 화상광을 반드시 출사해야 하는 것은 아니다.
도 5와 같은 경우에는, 반사부(20)의 투과율이 100%가 되기 때문에 증강 현실용 광학 장치(200)의 사용자나 외부 사용자는 반사부(20)를 볼 수 없는 상태가 되며, 증강 현실용 광학 장치(200)가 안경형으로 구현된 경우 증강 현실 화상을 출사하지 않는 상태로 일반적인 안경의 용도로 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)를 나타낸 것이다.
도 6은 도 2 내지 도 5에서 설명한 실시예와 기본적인 구성은 동일하지만, 콜리메이터의 기능을 수행하는 제2 반사부(70)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다. 따라서, 도 6의 실시예에서는, 화상 출사부(30)에 콜리메이터와 같은 구성은 필요없다.
도 6 이하에서는 제2 반사부(70)와 구별하기 위해서 도 2 내지 도 5에서의 반사부(20)는 제1 반사부(20)로 칭하는 것으로 한다.
제2 반사부(70)는, 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치되며, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실 화상광을 제1 반사부(20)으로 전달하는 수단이다.
도 6의 실시예에서는, 화상 출사부(30)에서 출사된 증강 현실 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사된 후 제2 반사부(70)로 전달되고, 제2 반사부(70)에서 반사된 증강 현실 화상광은 평행광의 형태로 복수개의 제1 반사부(20)로 전달되고, 복수개의 제1 반사부(20)에서 각각 반사된 증강 현실 화상광은 동공(50)으로 전달된다.
제2 반사부(70)는, 도 6에 나타난 바와 같이, 제1 반사부(20)을 사이에 두고 화상 출사부(30)와 대향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다. 또한, 제2 반사부(70)는, 제1 반사부(20)을 향해 증강 현실용 화상광을 반사시킬 수 있도록 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 내부에 매립되어 배치된다.
즉, 제2 반사부(70)는, 화상 출사부(30)로부터 출사되어 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 입사하는 증강 현실 화상광을 제1 반사부(20)로 반사시켜 전달할 수 있도록, 화상 출사부(30), 제1 반사부(20) 및 동공(50)의 상대적인 위치를 고려하여 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 광학 수단(10)의 내부의 적절한 위치에 배치된다.
도 6의 실시예에서, 복수개의 제1 반사부(20)는 광학 수단(10)의 측면에서 보았을 때 아래쪽으로부터 위쪽으로 갈수록 제2 면(12)에 더 가깝도록 배치되어 있고, 증강 현실 화상광이 입사하는 제2 반사부(70)의 표면이 제1 면(11)을 향하도록 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70)는 증강 현실용 광학 장치(300)를 사용자가 착용한 상태에서의 상호 위치에 따라 다른 방식으로 배치할 수도 있음은 물론이다.
제2 반사부(70)는 콜리메이터의 기능을 수행하기 때문에 증강 현실 화상광이 입사하는 면이 오목하게 형성된 것이 바람직하며, 제2 반사부(70)의 폭 방향의 크기 또한 사람의 일반적인 동공의 크기보다 작은 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
여기에서, 제2 반사부(70)의 폭 방향이란, 도 6에 나타낸 바와 같이 광학 수단(10)을 측면에서 바라 보았을 때의 제2 반사부(70)의 길이를 의미한다.
또한, 제2 반사부(70)는, 사용자가 동공(50)을 통해 제2 반사부(70)를 가급적 거의 인식할 수 없도록 하기 위하여 사용자가 동공(50)을 통해 정면에서 보았을 때의 두께를 매우 얇게 하는 것이 바람직하다
도 6의 실시예에서, 제1 반사부(20)와 제2 반사부(70) 모두를 앞서 설명한 바와 같은 상태 변환 광학 소자로 형성할 수 있다. 물론, 제1 반사부(20)만을 상태 변환 광학 소자로 형성하거나 제2 반사부(70)만을 상태 변환 광학 소자로 형성할 수도 있음은 물론이다.
한편, 복수개의 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70) 중 적어도 일부의 반사율 및 투과율은 다른 반사부(20,70)의 반사율 및 투과율과 상이하게 형성할 수 있다. 즉, 복수개의 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70)의 반사율 및 투과율을 모두 동일하지 않도록 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 복수개의 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70)들의 반사율 및 투과율을 다양하게 구성한 경우를 나타낸 것이다.
도 7 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 광학 수단(10)의 측면에서 보았을 때 제1 반사부(20)들이 나란히 배열되어 있고, 제2 반사부(70)의 표면도 평면 형태로 나타내는 경우가 있으나, 이는 이러한 구성에 한정되는 것이 아니고 설명의 편의를 위해 단순화시킨 형태라는 점을 유의해야 한다.
도 7에서, 실선은 반사율이 100%이고 투과율이 0%인 상태를 의미하고, 점선은 반사율이 0%이고 투과율이 100%인 상태를 의미한다.
도 7에 나타낸 바와 같이 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70)들의 반사율 및 투과율을 선택적으로 조절할 수 있으므로, 예컨대 제1 반사부(20) 중 특정 부분에만 증강 현실 화상을 제공해야 하는 경우 해당 제1 반사부(20)만을 완전 거울 형태로 상태 전환시키고 다른 제1 반사부(20)들은 투명한 상태를 유지하여 실제 사물 화상광에 대한 투과율을 높일 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 사용자는 실제 사물 화상광을 보다 잘 인식할 수 있고 외부 사용자도 최소화된 제1 반사부(20)를 인식하기 때문에 어색함을 덜 느끼게 된다.
한편, 제1 반사부(20)들의 반사율 및 투과율은 앞서 설명한 바와 같이 0~100% 사이에서 변경될 수 있다. 예컨대, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 전기 화학적 방법에 의한 경우에는 컨트롤러(60)에 의해 전압의 크기를 조절함으로써 제1 반사부(20)들의 반사율 및 투과율을 필요에 따라 0~100% 사이에서 조절할 수 있다. 물론, 제2 반사부(70)에 대해서도 마찬가지이다.
도 8은 제1 반사부(20)들의 반사율 및 투과율을 0~100% 사이에서 변경된 경우의 증강 현실용 광학 장치(300)를 나타낸 것이다.
도 8에서 실선은 완전 반사 거울, 격자 무늬는 반거울, 점선은 투명 상태를 각각 의미한다.
도 8의 좌측의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제1 반사부(20)의 반사율을 100%로 하고 투과율을 0%라고 하면, 제1 반사부(20)는 불투명하게 되고 이는 제1 반사부(20)는 완전 반사 거울로 작용함을 의미한다.
또한, 도 8의 가운데의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제1 반사부(20)의 반사율을 예컨대 50%로 하고 투과율을 50%라고 하면, 제1 반사부(20)는 반투명하게 되고 이는 제1 반사부(20)가 반거울로 작용함을 의미한다.
또한, 도 8의 우측의 (c)에 나타낸 바와 같이, 제1 반사부(20)의 반사율을 0%로 하고 투과율을 100%라고 하면, 제1 반사부(20)는 완전 투명하게 된다는 것을 의미한다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(400)를 나타낸 도면이다.
도 9 내지 도 11의 증강 현실용 광학 장치(400)는, 도 6에서 설명한 증강 현실용 광학 장치(300)와 기본적으로 동일하지만, 광학 수단(10)의 제1 면(11) 위에 앞서 설명한 바와 같은 상태 변환 광학 소자로 형성된 광 투과 조절 수단(80)이 추가적으로 배치되었다는 점에서 차이가 있다.
따라서, 광 투과 조절 수단(80)의 상태를 앞서 설명한 바와 같이 조절함으로써 외부 광인 실제 사물 화상광에 대한 불투명 상태(도 9), 반투명 상태(도 10), 완전 투명 상태(도 11)를 조절할 수 있는 장점이 있다.
도 9 내지 도 11에서 제1 반사부(20)는 상태 변환 광학 소자로 형성될 수도 있으며 상태 변환 광학 소자가 아닌 반사율 100%의 일반적인 반사 수단으로 형성될 수도 있다.
제1 반사부(20)가 상태 변환 광학 소자로 형성된 경우, 광 투과 조절 수단(80)과는 독립적으로 상태가 조절될 수 있음은 물론이다.
또한, 도 9 내지 도 11에서 광 투과 조절 수단(80)은 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 표면에 배치되어 있으나, 제1 면(11)의 내면에 배치될 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 11의 실시예에서, 광 투과 조절 수단(80)은 제1 면(11)의 전체 크기에 상응하도록 형성되어 있으나, 필요에 따라서는 제1 면(11)의 일부 영역의 크기에 상응하도록 형성될 수도 있다.
또한, 광 투과 조절 수단(80) 자체는 제1 면(11)의 전체 크기에 상응하도록 형성하고, 상태가 변경되는 영역을 부분적으로 조절하도록 구성할 수도 있다. 이 경우, 상태가 변경되는 영역은 제1 반사부(20)의 상태에 따라 결정될 수 있다.
도 12는 광 투과 조절 수단(80)의 상태가 변경되는 영역을 부분적으로 조절하는 경우를 설명하기 위한 것이다.
도 12를 참조하면, 복수개의 제1 반사부(20) 중 위로부터 2개의 제1 반사부(20)가 불투명 상태(반사율 100%, 투과율 0%)인 경우, 광 투과 조절 수단(80)의 전체 영역 중에서 불투명 상태인 제1 반사부(20)에 상응하는 영역(81)의 상태를 반투명 상태로 조절하고, 나머지 영역은 투명 상태로 조절할 수 있다.
이는 증강 현실용 화상이 복수개의 제1 반사부(20) 중에서 일부만을 사용하여 동공(50)으로 제공되는 경우, 사용되는 제1 반사부(20)에 상응하는 광 투과 조절 수단(80)의 영역(81)을 다소 어둡게 한 반투명 상태로 하면, 증강 현실용 화상과 실제 사물 화상광이 모두 잘 보이게 된다는 원리에 기초한 것이다.
도 13 내지 도 15는 광 투과 조절 수단(80)의 상태가 변경되는 영역을 부분적으로 조절하는 경우의 효과를 설명하기 위한 것이다.
도 13은, 제1 반사부(20) 중에서 위로부터 2개의 제1 반사부(20A)가 불투명 상태(반사율 100%, 투과율 0%)이고, 아래로부터 2개의 제1 반사부(20B)가 투명 상태(반사율 0%, 투과율 100%)인 경우를 나타낸 것이고, 이 때 사용자는 실제 사물 화상광에 겹쳐서 도 13의 좌측에 나타낸 바와 같이 "LetinAR"이라는 증강 현실용 화상을 제공받게 된다. 이 경우에는, 실제 세계의 사물은 잘 보이지만, 외부 광이 너무 밝기 때문에 증강 현실용 화상은 상대적으로 잘 보이지 않게 된다.
도 14는 도 13과 같은 상태에서 광 투과 조절 수단(80)를 반투명 상태로 변경시켜서 실제 세계 화상광이 덜 투과되도록 한 경우이다. 이 때 사용자는 도 14의 좌측에 나타낸 바와 같이 증강 현실용 화상을 제공받게 되는데, 상대적으로 증강 현실용 화상은 도 13의 경우보다 더 잘 보이지만 실제 세계 사물은 어둡게 보이게 된다.
도 15는 도 13과 같은 상태에서, 광 투과 조절 수단(80)의 전체 영역 중에서 불투명 상태인 제1 반사부(20A)에 상응하는 영역(81)만을 반투명 상태로 변경시킨 경우를 나타낸 것이다. 이 경우, 도 14의 경우에 비해 증강 현실용 화상 및 실제 세계 사물 모두 잘 보이게 됨을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)를 나타낸 도면이다.
도 16의 실시예는, 도 12의 실시예와 유사하지만 광 투과 조절 수단(80)의 상태가 변경되는 영역을 모든 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70)에 상응하는 영역 이외의 영역으로 미리 설정해 둔다는 점에서 차이가 있다.
도 17은 도 16의 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(500)의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 17의 좌측 도면은 광 투과 조절 수단(80)가 없는 상태의 증강 현실용 광학 장치(500)의 정면도이고, 도 17의 가운데 도면은 광 투과 조절 수단(80)의 정면도이다.
도 17의 좌측 도면에 나타낸 바와 같이, 외부에서 광 투과 조절 수단(80)가 없는 상태의 증강 현실용 광학 장치(500)를 바라 보면, 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70)가 잘 보이기 때문에 상대적으로 어색한 느낌을 줄 수 있다.
도 17의 가운데 도면에 나타낸 바와 같이, 광 투과 조절 수단(80)의 상태가 변경되는 영역을 모든 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70)에 상응하는 영역 이외의 영역으로 설정해 둠으로써, 광 투과 조절 수단(80)와 광학 수단(10)이 결합된 상태의 정면도는 도 17의 우측 도면에 나타낸 바와 같이 보이게 된다.
따라서, 외부에서 증강 현실용 광학 장치(500)을 바라볼 때에도 전체적으로 균일하게 보여서 제1 반사부(20) 및 제2 반사부(70)가 크게 두드러져 보이지 않기 때문에 어색하지 않다는 장점이 있다.
이상에서, 본 발명에 의한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
예컨대, 상태 변환 광학 소자는 전기 화학적 원리에 기초하여 설명하였으나, 이외에도 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal) 기술에 의한 것도 본 발명에 적용할 수 있음은 물론이다. 또한, 전기 화학적 방식이 아닌 기타 다른 기술에 의한 상태 변환 광학 소자도 사용할 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명은, 상기 실시예에서 설명한 반사부(또는 제1 반사부)(20) 및 제2 반사부(70)의 배치 구조는 예시적인 것이며 이에 한정되지 않음은 물론이다.
100...증강 현실용 광학 장치
200, 300, 400, 500...상태 변환 광학 소자를 이용한 증강 현실용 광학 장치
10...광학 수단
20...반사부, 제1 반사부
30...화상 출사부
40...프레임부
50...동공
60...컨트롤러
70...제2 반사부
80...광 투과 조절 수단

Claims (11)

  1. 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치로서,
    실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단; 및
    상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 반사부
    를 포함하고,
    상기 반사부는 컨트롤러의 제어 신호에 의해 빛을 반사하는 반사율 및 투과율이 변경되는 상태 변환 광학 소자로 형성된 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는,
    투명 재질로 형성되는 제1 기판;
    상기 제1 기판과 대향하여 배치되는 제2 기판;
    상기 제1 기판 상에 형성되는 투명 재질의 제1 전극;
    상기 제2 기판 상에 형성되는 투명 재질의 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 함유되는 금속 이온을 포함하는 전해액
    을 포함하고,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 컨트롤러와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨트롤러로부터 제1 전극 및 제2 전극으로 전압이 인가되면, 상기 전해액에 포함된 금속 이온이 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나로 전착되어 금속 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부의 반사율 및 투과율은 각각 0~100%의 범위에서 변경되는 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 반사부는 복수개이며, 반사부 중 적어도 일부의 반사율 및 투과율은 다른 반사부의 반사율 및 투과율과 상이한 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  6. 상태 변환 광학 소자를 이용한 증강 현실용 광학 장치로서,
    실제 사물 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키는 광학 수단; 및
    상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 화상 출사부로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광인 증강 현실 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 반사시켜 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 반사부; 및
    실제 사물 화상광이 입사하는 상기 광학 수단의 제1 면의 표면 또는 내면에 배치되는 광 투과 조절 수단
    을 포함하고,
    상기 광 투과 조절 수단은, 컨트롤러의 제어 신호에 의해 빛을 반사하는 반사율 및 투과율이 변경되는 상태 변환 광학 소자로 형성된 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 광 투과 조절 수단의 반사율 및 투과율은 각각 0~100%의 범위에서 변경되는 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 반사부는 컨트롤러의 제어 신호에 의해 빛을 반사하는 반사율 및 투과율이 변경되는 상태 변환 광학 소자로 형성된 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 반사부의 반사율 및 투과율은 각각 0~100%의 범위에서 변경되는 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 광 투과 조절 수단의 상기 반사부에 상응하는 영역의 반사율 및 투과율이 변경되는 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 광 투과 조절 수단의 반사부에 상응하는 영역 이외의 영역의 반사율 및 투과율이 변경되는 것을 특징으로 하는 상태 변환 광학 소자를 이용한 경량 증강 현실용 광학 장치.
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