WO2020166785A1 - 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치 Download PDF

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WO2020166785A1
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augmented reality
optical
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optical device
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하정훈
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주식회사 레티널
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    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • the present invention relates to an augmented reality optical device capable of providing an image for augmented reality at a close distance, and more particularly, to sharpen an image for augmented reality having a close focal length rather than an infinite focal length without distortion or interruption. It relates to an optical device for augmented reality that can be provided to a user.
  • Augmented Reality means providing a virtual image or image generated by a computer or the like superimposed on an actual image of the real world, as is well known.
  • an optical system In order to implement such augmented reality, an optical system is required that allows a virtual image or image generated by a device such as a computer to be superimposed on an image of the real world and provided.
  • a technique using optical means such as a prism for reflecting or refracting a virtual image using a head mounted display (HMD) or a glasses-type device is known.
  • HMD head mounted display
  • devices using such conventional optical systems have a problem in that they are inconvenient for users to wear because their configuration is complex and thus their weight and volume are significant, and manufacturing processes are also complex, resulting in a high manufacturing cost.
  • the applicant of the present invention is a device capable of implementing augmented reality by projecting a virtual image onto the retina through the pupil using a reflector having a size smaller than that of a human pupil, as described in Patent Document 1 Has been developed.
  • Patent Document 1 is a diagram showing an optical device for augmented reality as disclosed in Patent Document 1;
  • the image output unit 30 is a means for emitting image light corresponding to an image for augmented reality, and may be implemented as, for example, a small display device.
  • the reflecting unit 20 provides an image for augmented reality by reflecting the image light corresponding to the image for augmented reality emitted from the image output unit 30 toward the pupil of the user.
  • the optical means 10 is a means for transmitting at least a portion of the image light emitted from an actual object, and may be, for example, a spectacle lens, and a reflective unit 20 is embedded therein.
  • the frame portion 40 is a means for fixing and supporting the image output portion 30 and the optical means 10.
  • the reflective part 20 of FIG. 1 is formed to have a size smaller than the size of a human pupil, that is, 8 mm or less, and by forming the reflective part 20 to be smaller than the pupil size as described above, it enters the pupil through the reflective part 20
  • the depth of field for light can be almost infinite, that is, the depth of field can be made very deep.
  • the depth of field refers to the range recognized as being in focus.
  • the focal length for the augmented reality image increases. Therefore, the focal length for the real world while the user gazes at the real world. Regardless of this, the focus of the augmented reality image is always recognized as being correct. This can be seen as a kind of pin hole effect. Accordingly, a clear virtual image can always be provided for an image for augmented reality regardless of whether the user changes the focal length while gazing at a real object existing in the real world.
  • FIG. 2 is a diagram showing another example of an optical device for augmented reality developed by the present applicant.
  • the augmented reality optical device of FIG. 2 has the same advantages as described in FIG. 1, but the image light for augmented reality emitted from the image output unit 30 is reflected from the inner surface of the optical unit 10 to reflect the reflection unit 20. ), and the reflector 20 reflects it toward the pupil 40 to provide an image for augmented reality.
  • the optical device for augmented reality of FIG. 2 has a problem that an image is properly expressed only when the focus of an image for augmented reality is infinite. That is, the image light for augmented reality that is emitted from the image output unit 30 should, in principle, be parallel light in a perfect shape as shown in FIG. 2.
  • 3 and 4 are for explaining a comparison between a case where the image light emitted from the image output unit 30 is parallel light and that is not parallel light.
  • image lights A and B corresponding to the augmented reality image emitted from the image output unit 30 are parallel lights, and these are reflected by the reflecting mirror 50 and then reflected by the optical means 10. Total reflection from the inner surface is transmitted to the reflector 20.
  • FIG. 4 shows that the image lights A and B emitted from the image output unit 30 are not parallel light, and in this case, they are incident on the inner surface of the optical means 10 at different angles through the reflection mirror 50. Therefore, it can be seen that when total reflection on the inner surface of the optical means 10 is not overlapped, as shown in FIG. 3, total reflection proceeds at different angles. Accordingly, in the case of FIG. 4, the image formed by the image light transmitted to the pupil 40 through the reflective portion 20 is shifted or broken. In other words, there is a problem that an image may not be properly formed in the case of an image for augmented reality having an infinite focus, which means that it is difficult to properly express an image for an augmented reality having a close focal length having a focus other than infinity. This problem is referred to as an optical path length matching or optical path length adjusting problem, and in the case of FIG. 4, the optical path length matching becomes incomplete, resulting in an image break.
  • 5 to 7 are actual screens showing an image break.
  • FIG. 5 is a case where the image light (A,B) emitted from the image output unit 30 is not completely parallel light as described in FIG. 4, and that the image of a virtual object (pencil) having a focal length at a short distance is cut off and displayed. Able to know. This means that when the image light corresponding to the virtual object is transmitted through the optical means 10, the image is not naturally connected and is combined in an incomplete state, so that the optical path length registration is incomplete, so that the virtual object (pencil) is partially cut off. I can.
  • FIG. 7 is a case where the focal length is considerably longer than that of FIG. 6.
  • the focal length of the virtual object is close to infinity. Accordingly, the image lights A and B emitted from the virtual object are As shown, since parallel light is incident on the optical means 10, it is possible to provide an image with no distortion and almost no image interruption to the user, which can be seen in an almost complete form of optical path length matching.
  • FIG. 8 shows a conventional configuration for displaying an augmented reality image with a close focal length.
  • a pair of a convex lens and a concave lens are arranged in front of and behind the optical means 10, and the close focal length is With respect to an image for augmented reality (virtual object), the image light is refracted outward through the concave lens after being reflected by the reflecting unit 20.
  • the image of the real object existing in the real world recognized by the user through the optical means 10 may be distorted, but the actual object may be distorted by the convex lens disposed on the outer surface of the optical means 10.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-1660519 (2016.09.29 announcement)
  • the present invention is to solve the above problems, and provides an augmented reality optical device capable of providing a user with an augmented reality image having a close focal length rather than an infinite focal length to a user without distortion or interruption. It is aimed at.
  • the present invention provides an augmented reality optical device capable of providing an image for augmented reality at a close distance, in which at least part of the image light emitted from an actual object is directed toward the pupil of the user's eye.
  • the optical means has a first surface on which image light emitted from an actual object is incident and a second surface on which image light corresponding to an image for augmented reality transmitted through the optical element is emitted, the It provides an optical device for augmented reality capable of providing an image for augmented reality of a close distance, characterized in that the first surface and the second surface have an inclination angle ⁇ so as not to be parallel to each other.
  • the optical element is formed by reflecting means of 8 mm or less.
  • the image lights emitted from any one point of the image exit portion are not parallel to each other.
  • the image light emitted from the image output unit may be reflected by a reflecting mirror disposed on the inner surface of the optical means and then totally reflected at least once or more on the first and second surfaces to be transmitted to the optical element. have.
  • the inclination angle ⁇ is the focal length D of the image for augmented reality corresponding to the image light corresponding to the image for augmented reality emitted from the image output unit and incident from the image output unit to the reflection mirror of the optical means. It may be configured to be set based on the width (S).
  • the inclination angle ⁇ is preferably set based on an equation of tan -1 (S/D).
  • the inclination angle ⁇ has a value in the range of 0.015° to 4.6°.
  • At least one of the first surface and the second surface of the optical means may be formed in a curved surface.
  • first surface and the second surface of the optical means may partially have an inclination angle ⁇ .
  • an augmented reality optical device capable of providing an image for augmented reality having a close focal length rather than an infinite focal length to a user without distortion or interruption.
  • Patent Document 1 is a diagram showing an optical device for augmented reality as disclosed in Patent Document 1;
  • FIG. 2 is a diagram showing another example of an optical device for augmented reality developed by the present applicant.
  • 3 and 4 are for explaining a comparison between a case where the image light emitted from the image output unit 30 is parallel light and that is not parallel light.
  • 5 to 7 are actual screens showing an image break.
  • FIG. 8 shows a conventional configuration for displaying an image for augmented reality with a close focal length.
  • FIG. 9 is a view showing the overall configuration of the augmented reality optical device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 and 11 are diagrams for explaining refraction of image light on an actual object and an effect thereof according to the configuration shown in FIG. 9.
  • FIG. 12 is a view for explaining a process of setting the inclination angle ⁇ of the first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10.
  • FIG. 9 is a view showing the overall configuration of the augmented reality optical device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical device 100 for augmented reality (hereinafter, simply referred to as “optical device 100”) of the present embodiment includes an optical means 10 and an optical element 20.
  • the optical means 10 transmits at least a part of the image light emitted from an actual object toward the pupil 40 of the user's eye, and transmits image light corresponding to the image for augmented reality emitted from the image output unit 30 from the inner surface. It is a means of reflecting at least once and transmitting to the optical element 20.
  • the optical means 10 includes a first surface 11 on which image light emitted from an actual object is incident and a second surface on which image light corresponding to an augmented reality image transmitted through the optical element 20 is emitted. (12), but the first and second surfaces 11 and 12 are disposed to have an inclination angle ⁇ so as not to be parallel to each other.
  • the optical element 20 is disposed inside the optical means 10, and is augmented to the user by transmitting image light corresponding to the image for augmented reality transmitted through the optical means 10 toward the pupil 40 of the user. It performs a function of providing an image for reality.
  • the image light emitted from the real object existing in the real world is transmitted to the pupil 40 of the user through the optical means 10, and the image corresponding to the image light for augmented reality emitted from the image output unit 30 Since the light is transmitted to the user's pupil 40 by the optical means 10 and the optical element 20, the user can receive an image for augmented reality while gazing at an actual object.
  • the image output unit 30 is a means for emitting image light corresponding to an augmented reality image toward the optical means 10, for example, a display device such as a small LCD, or the image light emitted from the display device. It may be a reflecting means or a refracting means that reflects or refracts to transmit toward the optical means 10.
  • the image output unit 30 is a display device that displays an image for augmented reality, or refers to various other means such as reflection or refraction means for finally transmitting the image light emitted from the display device to the optical means 10, and , Since the image output unit 30 itself is not a direct object of the present invention and is known by the prior art, a detailed description thereof will be omitted.
  • the augmented reality image refers to a virtual image displayed on the display device and transmitted to the user's pupil 40 through the optical means 10 and the optical element 20, and is a still image in the form of an image or a moving image. It can be something like
  • the augmented reality image is emitted as image light from the display device and transmitted to the user's pupil 40 by the optical means 10 and the optical element 20, thereby providing a virtual image.
  • the augmented reality service is provided by directly gazing at the image light emitted from the real object existing in the real world.
  • optical element 20 may be formed in a plurality. When formed in a plurality, they may be arranged in a row in the horizontal direction in FIG. 9. In addition, it may be formed in a line in the paper direction in FIG. 9 or in a matrix form by a combination of a horizontal direction and a paper direction.
  • the optical element 20 is preferably formed to have a size smaller than the size of a human pupil, that is, 8 mm or less so that a pinhole effect can be obtained by increasing a depth of field.
  • the optical element 20 may be, for example, a reflective means such as a small mirror or a half mirror, or a diffraction means, and is preferably formed of a reflecting means having a size smaller than the size of a human pupil, that is, 8 mm or less.
  • a reflecting mirror 50 is disposed on the inner surface of the optical means 10, which reflects the image light A and B emitted from the image output unit 30 to the inner surface of the optical means 10 It is a means for allowing the image light (A, B) to be transmitted to the optical element 20 through total reflection.
  • the reflective mirror 50 is required when the image output unit 30 is disposed as shown in FIG. 9, for example, the image lights A and B emitted from the image output unit 30 are directly applied to the optical means 10 It may be omitted if it is disposed at a position such that total reflection can be achieved on the inner surface of the.
  • image lights emitted from any one point on the surface of the image output unit 30 are image lights A and B that are not parallel to each other, as described in FIG. 4 above, and these are reflective mirrors ( After being reflected by 50), the first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10 are totally reflected at least once or more, and then incident on the optical element 20.
  • the image light A and the image light B Is totally reflected on the first surface 11 of the optical means 10 at different angles, and from the point where the first image light A and the image light B meet at the first surface 11 of the optical means 10 The image light A and the image light B are superimposed and transmitted to the optical element 20.
  • the first surface 11 and the second surface are formed to be inclined by an inclination angle ⁇ , incident to the pupil 40 through the first surface 11 of the optical means 10
  • the image of the real world that is, the image light emitted from the real object may be refracted when passing through the optical means 10, which may affect the image of the real object.
  • FIG. 10 and 11 are diagrams for explaining refraction of image light on an actual object and an effect thereof according to the configuration shown in FIG. 9.
  • the emission angle ⁇ s of the image light with respect to the actual object in the front direction of the pupil 40 of the user can be obtained as follows.
  • image light A and image light B that are not parallel to each other emitted from the image output unit 30 are total reflection at one point of the first surface 11 of the optical means 10. Then, when it emits to the second surface 12 of the optical means 10, it has an inclination angle ⁇ c , which satisfies the following relationship.
  • the effect on the image light corresponding to the image for augmented reality is an image of a real object in the real world. This means that it is about four times larger than the effect on light. Accordingly, it means that the image matching effect for the image light corresponding to the image for augmented reality is increased, but the refractive effect on the image light in the real world is not large.
  • FIG. 12 is a view for explaining a process of setting the inclination angle ⁇ of the first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10.
  • the area at which image light corresponding to the virtual object enters the reflection mirror 50 ( S) has the following relationship.
  • ⁇ is an angle between paths of image light incident from the center of the virtual object to the outermost part of the reflective mirror 50, and this is the first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10 It can be set as the inclination angle ⁇ between.
  • the tilt angle ⁇ by calculating tan -1 (S/D), and between the first side 11 and the second side 12 of the optical means 10 as a value approximating the calculated result.
  • the inclination angle ⁇ of can be set.
  • the inclination angle ⁇ between the first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10 can be set based on where the focal length D of the image for augmented reality is placed. do.
  • a person can focus only when it is approximately 125mm or more and cannot focus when it is less than or equal to 125mm.
  • the present invention is characterized in that the augmented reality image, that is, a virtual image, is configured to focus between 3,333 mm and 125 mm.
  • the preferable minimum and maximum values that the inclination angle ⁇ can have can be calculated as follows.
  • the inclination angle ⁇ has a value between 0.017° and 4.574°, and it is sufficient if it is within the range of approximately 0.015° to 4.6°.
  • first surface 11 and the second surface 12 of the optical means 10 are shown to be planar, but at least one of them may be formed in a curved surface.
  • first side 11 and the second side 12 of the optical means 10 are formed in a plane, the first side 11 and the second side 12 are inclined angles ( ⁇ ) with respect to the entire surface.
  • first and second surfaces 11 and 12 may have an inclination angle ⁇ only partially.
  • only the periphery of the pupil 40 may have an inclination angle ⁇ , and the first surface 11 and the second surface 12 may be parallel to the remaining portions.
  • the augmented reality optical device 10 according to the present invention described above has an effect of providing a virtual object having a focal length of a short distance that does not have an infinite focal length to a user as in the case of FIG. 7.

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Abstract

본 발명은, 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 실제 사물로부터 출사된 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키고, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 내면에서 적어도 1회 이상 반사시켜 광학 소자로 전달하는 광학 수단; 및 상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 상기 광학 수단을 통해 전달되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 적어도 하나 이상의 광학 소자를 포함하되, 상기 광학 수단은, 실제 사물로부터 출사된 화상광이 입사하는 제1 면과 상기 광학 소자를 통해 전달되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광이 출사하는 제2 면을 가지되, 상기 제1 면과 제2 면은 서로 평행하지 않도록 경사각(θ)을 가지는 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치
본 발명은 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무한대의 초점 거리가 아닌 근접 초점 거리를 갖는 증강 현실용 화상을 왜곡이나 끊김없이 선명하게 사용자에게 제공할 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.
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 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 화상 출사부(30)는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 출사하는 수단으로서 예컨대 소형 디스플레이 장치로 구현될 수 있다. 반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 동공을 향해 반사시킴으로써 증강 현실용 화상을 제공한다.
광학 수단(10)는 실제 사물로부터 출사된 화상광의 적어도 일부를 투과시키는 수단으로써 예컨대 안경 렌즈일 수 있으며, 그 내부에 반사부(20)가 매립되어 있다. 프레임부(40)는 화상 출사부(30)와 광학 수단(10)을 고정 및 지지하는 수단이다.
도 1의 반사부(20)는, 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성되어 있는데, 이와 같이 반사부(20)를 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 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.
도 2는 본 출원인에 의해 개발된 증강 현실용 광학 장치의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 2의 증강 현실용 광학 장치는, 도 1에서 설명한 바와 같은 장점을 그대로 가지되, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상광이 광학 수단(10) 내면에서 반사되어 반사부(20)로 전달되고, 반사부(20)는 이를 동공(40)을 향해 반사시킴으로써 증강 현실용 화상을 제공하는 것을 특징으로 한다.
그러나, 도 2의 증강 현실용 광학 장치는, 증강 현실용 화상의 초점이 무한대이어야만 제대로 상이 표현된다는 문제점이 있다. 즉, 화상 출사부(30)로부터 출사되는 증강 현실용 화상광은 도 2에 나타낸 바와 같이 원칙적으로 완벽한 형태의 평행광이어야 한다.
도 3 및 도 4는 화상 출사부(30)로부터 출사되는 화상광이 평행광인 경우와 평행광이 아닌 경우를 비교설명하기 위한 것이다.
도 3을 참조하면, 화상 출사부(30)로부터 출사된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광(A,B)들은 평행광이며, 이들은 반사 미러(50)에서 반사된 후 광학 수단(10)의 내면에서 전반사되어 반사부(20)로 전달된다.
이 때, 도 3에 나타낸 바와 같이, 화상광(A,B)들은 광학 수단(10)의 내면에서 반사된 후 서로 중첩됨을 알 수 있다. 따라서, 이러한 경우 반사부(20)에서 반사되어 동공(40)으로 반사될 때 사용자 입장에서는 제대로 맺힌 상을 볼 수 있을 것이다.
한편, 도 4는 화상 출사부(30)로부터 출사되는 화상광(A,B)들은 평행광이 아니며, 이러한 경우 반사 미러(50)를 거쳐 서로 다른 각도를 가지고 광학 수단(10)의 내면에 입사하기 때문에 광학 수단(10)의 내면에서 전반사될 때 도 3에서와 같이 중첩되지 않고 서로 다른 각도로 전반사되어 진행함을 알 수 있다. 따라서, 도 4와 같은 경우에는 반사부(20)를 통해 동공(40)으로 전달되는 화상광에 의해 형성되는 상은 어긋나거나 깨져보이게 된다. 바꾸어 말하면, 무한대의 초점을 갖는 증강 현실용 화상이 아닌 경우에는 상이 제대로 맺히지 않을 수 있다는 문제가 있으며, 이는 무한대가 아닌 초점을 갖는 근접 초점 거리의 증강 현실용 화상을 제대로 표현하기 어렵다는 것을 의미한다. 이러한 문제를 광 경로 길이 정합(optical path length matching) 또는 광 경로 길이 조절(optical path length adjusting) 문제라 하며, 도 4의 경우에는 광 경로 길이 정합이 불완전하게 되어 상 끊김 현상이 발생하게 된다.
도 5 내지 도 7은 상 끊김 현상을 나타낸 실제 화면이다.
도 5는 도 4에서 설명한 바와 같이 화상 출사부(30)로부터 출사되는 화상광(A,B)이 완전한 평행광이 아닌 경우로서, 근거리의 초점 거리를 갖는 가상 사물(연필)의 상이 끊겨서 표시됨을 알 수 있다. 이는 가상 사물에 상응하는 화상광이 광학 수단(10)을 통해 전달될 때 이미지가 자연스럽게 연결되지 않고 불완전한 상태로 결합되어 광 경로 길이 정합이 불완전하므로, 가상 사물(연필)이 부분 부분 끊겨서 제공됨을 알 수 있다.
도 6은 도 5의 경우보다 초점 거리가 약간 길어진 경우로서 이 경우에도 역시 가상 사물의 상은 자연스럽게 연결되지 않고 광 경로 길이 정합이 불완전함을 알 수 있다.
한편, 도 7은 도 6의 경우보다 초점 거리가 상당히 길어진 경우로서 이 경우는 가상 사물의 초점 거리가 무한대에 가까운 것으로 볼 수 있으며 따라서 가상 사물로부터 출사되는 화상광(A,B)들은 도 3에서 나타낸 바와 같이 광학 수단(10)으로 평행광으로 입사하므로 왜곡이 없으며 또한 상 끊김 현상이 거의 없는 상을 사용자에게 제공할 수 있으며, 이는 광 경로 길이 정합이 거의 완전한 형태로 볼 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 도 8과 같은 방법을 생각할 수 있다.
도 8은 근접 초점 거리의 증강 현실용 화상을 표시하기 위한 종래의 구성을 나타낸 것으로서, 도 8에 나타낸 바와 같이 광학 수단(10)의 앞뒤로 볼록 렌즈와 오목 렌즈의 쌍을 배치하고, 근접 초점 거리를 갖는 증강 현실용 화상(가상 사물)에 대해서는 반사부(20)에서 반사된 후 오목 렌즈를 통해 화상광이 바깥쪽으로 굴절되도록 한다. 이 경우, 오목 렌즈만을 사용한다면 사용자가 광학 수단(10)을 통해 인식하는 실제 세계에 존재하는 실제 사물에 대한 상은 왜곡될 수 있으나, 광학 수단(10)의 외면에 배치된 볼록 렌즈에 의해 실제 사물에 대한 상은 안쪽으로 굴절되어 광학 수단(10)으로 입사하고 이후 오목 렌즈를 통해 다시 바깥쪽으로 굴절되기 때문에 실제 세계의 사물에 대한 상은 제대로 형성될 수 있다. 따라서, 도 8과 같은 구조를 사용하면, 근접 초점 거리의 증강 현실용 화상을 제대로 표현할 수 있다.
그러나, 도 8과 같은 구성은, 광학 수단(10)의 외부에 오목 렌즈와 볼록 렌즈와 같은 추가적인 구성을 필요로 하기 때문에 부피가 커지고 장치의 무게가 증가한다는 문제가 있다.
[특허문헌 1] 대한민국 등록특허공보 10-1660519호(2016.09.29 공고)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무한대의 초점 거리가 아닌 근접 초점 거리를 갖는 증강 현실용 화상을 왜곡이나 끊김없이 선명하게 사용자에게 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치에 있어서, 실제 사물로부터 출사된 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키고, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 내면에서 적어도 1회 이상 반사시켜 광학 소자로 전달하는 광학 수단; 및 상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 상기 광학 수단을 통해 전달되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 적어도 하나 이상의 광학 소자를 포함하되, 상기 광학 수단은, 실제 사물로부터 출사된 화상광이 입사하는 제1 면과 상기 광학 소자를 통해 전달되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광이 출사하는 제2 면을 가지되, 상기 제1 면과 제2 면은 서로 평행하지 않도록 경사각(θ)을 가지는 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 광학 소자는, 8mm 이하의 반사 수단으로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 화상 출사부의 어느 한 점으로로부터 출사되는 화상광들은 서로 평행하지 않은 것이 바람직하다.
또한, 상기 화상 출사부로부터 출사된 화상광들은, 상기 광학 수단의 내면에 배치된 반사 미러에 의해 반사된 후 상기 제1 면 및 제2 면에서 적어도 1회 이상 전반사되어 광학 소자로 전달되도록 할 수도 있다.
또한, 상기 경사각(θ)은 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광에 상응하는 증강 현실용 화상의 초점 거리(D)와 상기 화상 출사부로부터 광학 수단의 반사 미러로 입사하는 넓이(S)에 기초하여 설정되도록 구성할 수도 있다.
또한, 상기 경사각(θ)은 tan -1(S/D)의 수식에 기초하여 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 경사각(θ)는 0.015°~ 4.6°범위의 값을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광학 수단의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 어느 하나는 적어도 일부분이 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면은 부분적으로 경사각(θ)을 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 무한대의 초점 거리가 아닌 근접 초점 거리를 갖는 증강 현실용 화상을 왜곡이나 끊김없이 선명하게 사용자에게 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 출원인에 의해 개발된 증강 현실용 광학 장치의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 화상 출사부(30)로부터 출사되는 화상광이 평행광인 경우와 평행광이 아닌 경우를 비교설명하기 위한 것이다.
도 5 내지 도 7은 상 끊김 현상을 나타낸 실제 화면이다.
도 8은 근접 초점 거리의 증강 현실용 화상을 표시하기 위한 종래의 구성을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)의 전체적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 9와 같은 구성에 의한 실제 사물에 대한 화상광의 굴절 및 이로 인한 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)의 경사각(θ)을 설정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(100)의 전체적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 증강 현실용 광학 장치(100, 이하, 간단히 "광학 장치(100)"라 한다)는, 광학 수단(10) 및 광학 소자(20)를 포함한다.
광학 수단(10)은 실제 사물로부터 출사된 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 투과시키고, 화상 출사부(30)로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 내면에서 적어도 1회 이상 반사시켜 광학 소자(20)로 전달하는 수단이다.
또한, 광학 수단(10)은, 실제 사물로부터 출사된 화상광이 입사하는 제1 면(11)과 광학 소자(20)를 통해 전달된 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광이 출사하는 제2 면(12)을 가지되, 상기 제1 면(11)과 제2 면(12)은 서로 평행하지 않도록 경사각(θ)을 가지고 배치된다.
광학 소자(20)는, 광학 수단(10)의 내부에 배치되며, 광학 수단(10)을 통해 전달되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 동공(40)을 향해 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 기능을 수행한다.
즉, 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사되는 화상광은 광학 수단(10)을 통해 사용자의 동공(40)으로 전달되고, 화상 출사부(30)로부터 출사되는 증강 현실용 화상광에 상응하는 화상광은 광학 수단(10) 및 광학 소자(20)에 의해 사용자의 동공(40)으로 전달되므로, 사용자는 실제 사물을 응시하면서 증강 현실용 화상을 제공받을 수 있다.
여기에서, 화상 출사부(30)는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 광학 수단(10)을 향해 출사하는 수단으로서, 예컨대 소형의 LCD와 같은 디스플레이 장치이거나, 디스플레이 장치로부터 출사되는 화상광을 반사 또는 굴절시켜서 광학 수단(10)을 향해 전달하는 반사 수단 또는 굴절 수단일 수 있다.
즉, 화상 출사부(30)는 증강 현실용 화상을 표시하는 디스플레이 장치이거나 이러한 디스플레이 장치로부터 출사된 화상광을 최종적으로 광학 수단(10)으로 전달하는 반사 또는 굴절 수단 등과 같은 기타 다양한 수단을 의미하며, 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.
한편, 증강 현실용 화상이라 함은, 디스플레이 장치에 표시되어 광학 수단(10) 및 광학 소자(20)를 통해 사용자의 동공(40)으로 전달되는 가상 화상을 의미하며, 이미지 형태의 정지 영상이거나 동영상과 같은 것일 수 있다. 이러한 증강 현실용 화상은 디스플레이 장치로부터 화상광으로 출사되어 광학 수단(10) 및 광학 소자(20)에 의해 사용자의 동공(40)으로 전달됨으로써 가상 화상으로서 제공되고, 이와 동시에 사용자는 광학 수단(10)을 통해 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사되는 화상광을 눈으로 직접 응시함으로써 증강 현실 서비스를 제공받게 된다.
한편, 도 9에서 광학 소자(20)는 1개만을 나타내었으나, 복수개로 형성될 수도 있다. 복수개로 형성되는 경우, 도 9에서 가로 방향으로 일렬로 배치될 수 있다. 또한, 도 9에서의 지면 방향으로 일렬로 형성되거나 가로 방향 및 지면 방향의 조합에 의한 행렬 형태로 형성될 수도 있다.
한편, 광학 소자(20)는 앞서 배경 기술에서 설명한 바와 같이, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 광학 소자(20)는 예컨대 소형 미러 또는 하프 미러와 같은 반사 수단이거나 회절 수단 등과 같은 것일 수 있으며, 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하의 반사 수단으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 광학 수단(10)의 내면에는 반사 미러(50)가 배치되어 있는데, 이는 화상 출사부(30)로부터 출사된 화상광(A,B)을 반사시켜 광학 수단(10)의 내면으로 반사시켜서 전반사를 통해 화상광(A,B)가 광학 소자(20)로 전달될 수 있도록 하기 위한 수단이다.
다만, 반사 미러(50)는 도 9와 같이 화상 출사부(30)가 배치된 경우에 필요한 것이며, 예컨대 화상 출사부(30)로부터 출사되는 화상광(A,B)들이 직접 광학 수단(10)의 내면에서 전반사가 이루어질 수 있도록 하는 위치에 배치되는 경우에는 생략될 수 있다.
한편, 도 9에서, 화상 출사부(30)의 표면의 어느 한 점으로부터 출사되는 화상광들은, 앞서 도 4에서 설명한 바와 같이, 서로 평행하지 않은 화상광(A,B)들이며, 이들은 반사 미러(50)에 의해 반사된 후 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 광학 소자(20)로 입사한다.
여기에서, 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)은 서로 평행하지 않도록 경사각(θ)을 가지도록 배치되어 있기 때문에, 화상광(A)와 화상광(B)는 서로 다른 각도를 가지고 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되고 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 처음 화상광(A)와 화상광(B)가 만나는 점부터는 화상광(A)와 화상광(B)는 중첩되어 광학 소자(20)로 전달된다.
한편, 이와 같은 구성에 의하면, 제1 면(11)과 제2 면이 서로 경사각(θ) 만큼 경사지게 형성되어 있으므로, 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 동공(40)으로 입사하는 실제 세계의 영상 즉, 실제 사물로부터 출사된 화상광은 광학 수단(10)을 통과할 때 굴절될 수 있으며, 이는 실제 사물에 대한 상에 영향을 줄 수 있다..
도 10 및 도 11은 도 9와 같은 구성에 의한 실제 사물에 대한 화상광의 굴절 및 이로 인한 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1 면(11)과 제2 면이 경사각(θ)을 가지고 배치되어 있으며, 광학 수단(10)의 굴절률을 n이라 할 때, 실제 사물로부터 출사되는 화상광이 광학 수단(10)으로 입사해서 굴절된 후 출사되는 출사각(θ')은 다음과 같은 관계를 만족한다.
Figure PCTKR2019013628-appb-img-000001
Figure PCTKR2019013628-appb-img-000002
Figure PCTKR2019013628-appb-img-000003
따라서, 사용자의 동공(40) 정면 방향에 대한 실제 사물에 대한 화상광의 출사각(θ s)는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure PCTKR2019013628-appb-img-000004
여기에서, θ가 0에 가까운 값을 가지면 sinθ는 θ로 수렴하고, sin -1(nsinθ)는 nθ로 볼 수 있다. 또한, 유리 재질의 광학 수단(10)인 경우 굴절률 n은 1.5이므로, 결국
Figure PCTKR2019013628-appb-img-000005
가 된다.
이는 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)이 경사각(θ)을 가지고 배치되는 경우, 실제 사물은 동공(40) 정면 방향에 대해
Figure PCTKR2019013628-appb-img-000006
만큼만 굴절된다는 것을 의미한다.
한편, 도 11을 참조하면, 화상 출사부(30)로부터 출사된 서로 평행하지 않은 화상광(A) 및 화상광(B)이 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 한 점에서 전반사된 후 광학 수단(10)의 제2 면(12)으로 출사할 때 경사각(θ c)을 갖는데 이는 다음과 같은 관계를 만족한다.
θ c = 2θ
앞서 설명한 바와 같이, θ는 2θ s이므로, θ c≒ 4θ s가 된다.
이는 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)이 경사각(θ)을 갖는 경우, 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광에 대한 영향이 실제 세계의 실제 사물에 대한 화상광에 미치는 영향보다 4배 정도 크다는 것을 의미한다. 따라서, 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광에 대한 상 맞춤 효과는 커지지만 이에 비해 실제 세계의 화상광에 대한 굴절 효과는 크지 않다는 것을 의미한다.
도 12는 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)의 경사각(θ)을 설정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 비교적 근거리의 초점 거리(D)를 갖는 가상 사물(허상)을 증강 현실용 화상으로 제공하고자 하는 경우, 가상 사물에 상응하는 화상광이 반사 미러(50)로 입사하는 넓이(S)는 다음과 같은 관계를 갖는다.
tanθ ≒ S/D
여기에서, θ는 가상 사물의 중심으로부터 반사 미러(50)의 최외곽으로 입사하는 화상광의 경로들 사이의 각도이며, 이를 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 경사각(θ)으로 설정할 수 있다.
따라서, tan -1(S/D)를 계산함으로써 경사각(θ)을 계산할 수 있고, 이 계산된 결과에 근사한 값으로 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 경사각(θ)을 설정할 수 있다.
즉, 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 경사각(θ)은 증강 현실용 화상의 초점 거리(D)를 어디에 둘 것인가에 기초하여 설정할 수 있음을 의미한다.
일반적으로 사람의 눈의 심도 범위는 ±0.3 디옵터인 것으로 알려져 있다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같은 종래의 무한대 초점 거리를 갖는 구조에서는 초점 거리를 3,333mm(=1/0.3)보다 가깝게 하는 것이 불가능하다. 또한, 사람은 대략 125mm 이상인 경우에만 초점을 맞출 수 있으며 그 이하인 경우에는 초점을 맞출 수 없는 것으로 알려져 있다. 본 발명은 이러한 점을 고려하여, 증강 현실용 화상 즉, 가상 이미지를 3,333mm~125mm 사이에 초점을 둘 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 경사각(θ)가 가질 수 있는 바람직한 최소값과 최대값은 다음과 같이 계산할 수 있다.
최소 경사각(θ)은 S = 3,333mm인 경우이므로, D는 사람의 동공 크기에 상응하므로 1mm~10mm의 범위의 값을 가지고 최소 경사각(θ)인 경우에는 D가 최소값을 가져야 하므로 D = 1mm 라고 하면, tanθ ≒ S/D ≒ 0.017 °가 된다.
최대 경사각(θ)은 S = 125mm인 경우이므로, D는 사람의 동공 크기에 상응하므로 1mm~10mm의 범위의 값을 가지고 최대 경사각(θ)인 경우에는 D가 최대값을 가져야 하므로 D = 10mm 라고 하면, tanθ ≒ S/D ≒ 4.574°가 된다.
따라서 경사각(θ)는 0.017°~ 4.574°사이의 값을 갖는 것이 바람직하며, 대략 0.015°~ 4.6°의 범위 이내라면 충분하다.
한편, 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)은 평면인 것으로 나타내었으나 이들 중 적어도 어느 하나는 적어도 일부분이 곡면으로 형성될 수도 있다.
또한, 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12)은 모두 평면으로 형성되어 있으므로 제1 면(11)과 제2 면(12)은 전체 면에 대해 경사각(θ)을 갖는 것으로 되어 있으나, 제1 면(11)과 제2 면(12)은 부분적으로만 경사각(θ)을 가지도록 해도 된다. 예컨대, 동공(40)의 주변부만을 경사각(θ)을 가지도록 하고 나머지 부분은 제1 면(11)과 제2 면(12)은 평행하도록 할 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 의한 증강 현실용 광학 장치(10)는 무한대의 초점 거리를 갖지 않는 근거리의 초점 거리를 갖는 가상 사물을 도 7의 경우와 같이 사용자에게 제공할 수 있는 효과를 갖는다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며 기타 다양한 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.

Claims (9)

  1. 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치에 있어서,
    실제 사물로부터 출사된 화상광의 적어도 일부를 사용자의 눈의 동공을 향해 투과시키고, 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 내면에서 적어도 1회 이상 반사시켜 광학 소자로 전달하는 광학 수단; 및
    상기 광학 수단의 내부에 배치되며, 상기 광학 수단을 통해 전달되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 증강 현실용 화상을 제공하는 적어도 하나 이상의 광학 소자
    를 포함하되,
    상기 광학 수단은, 실제 사물로부터 출사된 화상광이 입사하는 제1 면과 상기 광학 소자를 통해 전달되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광이 출사하는 제2 면을 가지되, 상기 제1 면과 제2 면은 서로 평행하지 않도록 경사각(θ)을 가지는 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 소자는, 8mm 이하의 반사 수단으로 형성된 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 화상 출사부의 어느 한 점으로로부터 출사되는 화상광들은 서로 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 화상 출사부로부터 출사된 화상광들은, 상기 광학 수단의 내면에 배치된 반사 미러에 의해 반사된 후 상기 제1 면 및 제2 면에서 적어도 1회 이상 전반사되어 광학 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 경사각(θ)은 화상 출사부로부터 출사되는 증강 현실용 화상에 상응하는 화상광에 상응하는 증강 현실용 화상의 초점 거리(D)와 상기 화상 출사부로부터 광학 수단의 반사 미러로 입사하는 넓이(S)에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 경사각(θ)은 tan -1(S/D)의 수식에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 경사각(θ)는 0.015°~ 4.6°범위의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 수단의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 어느 하나는 적어도 일부분이 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면은 부분적으로 경사각(θ)을 갖는 것을 특징으로 하는 근접 거리의 증강 현실용 화상을 제공할 수 있는 증강 현실용 광학 장치.
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