WO2024010285A1 - 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치 Download PDF

Info

Publication number
WO2024010285A1
WO2024010285A1 PCT/KR2023/009150 KR2023009150W WO2024010285A1 WO 2024010285 A1 WO2024010285 A1 WO 2024010285A1 KR 2023009150 W KR2023009150 W KR 2023009150W WO 2024010285 A1 WO2024010285 A1 WO 2024010285A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
augmented reality
optical device
pupil
optical means
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/009150
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
하정훈
Original Assignee
주식회사 레티널
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020220082076A external-priority patent/KR20240004035A/ko
Priority claimed from KR1020220090979A external-priority patent/KR20240013445A/ko
Application filed by 주식회사 레티널 filed Critical 주식회사 레티널
Publication of WO2024010285A1 publication Critical patent/WO2024010285A1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/54—Accessories
    • G03B21/56—Projection screens
    • G03B21/60—Projection screens characterised by the nature of the surface
    • G03B21/62—Translucent screens
    • G03B21/625—Lenticular translucent screens

Definitions

  • the present invention relates to an optical device for augmented reality, and more specifically, to an optical device for augmented reality that provides an expanded eye box and is suitable for being compact and lightweight.
  • Augmented Reality refers to virtual image information augmented from visual information in the real world by providing virtual images provided by computers, etc., over real images in the real world. It refers to the technology provided to users.
  • a device for implementing such augmented reality requires an optical combiner that allows virtual images to be observed simultaneously with actual images in the real world.
  • optical synthesizers the half mirror method and the holographic/diffractive optical elements (HOE/DOE) method are known.
  • the semi-mirror method has problems in that the transmittance of the virtual image is low and that it is difficult to provide a comfortable fit because the volume and weight are increased to provide a wide viewing angle.
  • technologies such as LOE (Light guide Optical Element), which places a plurality of small semi-mirrors inside a waveguide, have been proposed, but these technologies also require that the image light of the virtual image travels through the semi-mirrors inside the waveguide.
  • LOE Light guide Optical Element
  • the holographic/diffractive optical device method generally uses nanostructured grids or diffraction gratings, but since these are manufactured through very precise processes, they have limitations in that the manufacturing cost is high and the yield for mass production is low. Additionally, it has limitations in terms of color uniformity and low image clarity due to differences in diffraction efficiency depending on the wavelength band and angle of incidence. Holographic/diffractive optical elements are often used in conjunction with waveguides such as the LOE described above, and therefore still suffer from the same problems.
  • conventional optical synthesizers have a limitation in that the virtual image becomes out of focus when the user changes the focal distance while gazing at the real world.
  • a technology has been proposed that uses a prism that can adjust the focal length of the virtual image or a variable focus lens that can electrically control the focal length.
  • this technology also has problems in that the user must perform separate operations to adjust the focal distance and also requires separate hardware and software for controlling the focal distance.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical device 100 for augmented reality as described in Prior Art Document 1.
  • the optical device 100 for augmented reality in FIG. 1 includes an optical means 10 and a reflection unit 20.
  • the image emitting unit 30 is a means for emitting virtual image image light, for example, a micro display device that displays a virtual image on a screen and emits virtual image image light corresponding to the displayed virtual image, and image light emitted from the micro display device. It may be provided with a light conversion unit that transmits to the reflection unit 20.
  • the light conversion unit is a means for emitting virtual image light along the intended optical path and focal distance, for example, a concave mirror that reflects and emits incident virtual image light to enlarge the virtual image, or is a concave mirror that reflects and emits incident light to enlarge the virtual image. It may be an optical element such as a collimator that converts parallel light and emits it.
  • the optical means 10 transmits real object image light, which is image light emitted from objects in the real world, into the pupil 40, while emitting virtual image image light reflected from the reflector 20 into the pupil 40. It is a means of performing it.
  • the optical means 10 may be formed of a transparent resin material, such as a spectacle lens, and may be fixed by a frame (not shown) such as an eyeglass frame.
  • the reflector 20 reflects the virtual image light emitted from the image emitter 30 and transmits it toward the user's pupil 40.
  • the reflector 20 is embedded and disposed inside the optical means 10.
  • the reflection portion 20 in FIG. 1 is formed in a size smaller than the human pupil. It is known that the general size of a human pupil is about 4 to 8 mm, so the reflection portion 20 is preferably formed to be 8 mm or less, and more preferably 4 mm or less.
  • the depth of field for light incident on the pupil 40 through the reflector 20 can be made close to infinity, that is, very deep.
  • depth refers to the range recognized as being in focus.
  • the range of focal distance for the virtual image correspondingly widens. Therefore, even if the user changes the focal distance to the real world while gazing at the real world, the virtual image is always recognized as being in focus regardless. This can be seen as a kind of pinhole effect.
  • FIGS. 2 to 4 are diagrams showing the optical device 200 for augmented reality as disclosed in prior art document 2, where FIG. 2 is a side view, FIG. 3 is a perspective view, and FIG. 4 is a front view.
  • the optical device 200 for augmented reality of FIGS. 2 to 4 has the same basic principle as the optical device 100 for augmented reality of FIG. 1, but the reflector 20 has a plurality of reflections to widen the viewing angle and eye box. It is composed of modules and disposed inside the optical means 10 in the form of an array, and the virtual image image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected inside the optical means 10 to form a reflecting unit 20. There is a difference in that it is delivered as .
  • reference numerals 21 to 26 indicate only reflection modules seen from the side as in FIG. 2 , and the reflection unit 20 refers to the entire plurality of reflection modules.
  • each of the plurality of reflection modules is preferably formed to have a size of 8 mm or less, and more preferably 4 mm or less.
  • the virtual image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected on the inner surface of the optical means 10 and then transmitted to the reflection modules, and the reflection modules reflect the incident virtual image light. and transmits it to the pupil (40).
  • the reflection modules must be arranged to have an appropriate inclination angle inside the optical means 10 as shown, taking into account the positions of the image emitting unit 30 and the pupil 40.
  • This optical device 200 for augmented reality has the advantage of being able to widen the eye box compared to the optical device 100 for augmented reality in FIG. 1 .
  • the eyebox in the horizontal axis direction is determined by the length of the light conversion unit included in the image emitter 30,
  • the eyebox in the vertical axis direction (y-axis direction) is determined by the arrangement structure of the reflectors 21 to 26.
  • an optical converter with a longer horizontal axis must be used.
  • the form factor such as size, weight, and volume increases, and the design of the optical path becomes more difficult. The problem is that it becomes complicated.
  • the image emitting unit 30 includes a light conversion unit, there is a problem in that it is difficult to make the device smaller and lighter.
  • the purpose of the present invention is to provide a compact optical device for augmented reality that provides an expanded eye box and can be made smaller and lighter.
  • the present invention provides an optical device for augmented reality that can maintain a small form factor by expanding the two-dimensional eye box of the x-axis and y-axis while placing a means for performing the function of the light conversion unit inside the optical means.
  • the purpose is to
  • the present invention aims to provide an optical device for augmented reality having an expanded eye box using a diffractive optical element.
  • the present invention is a compact optical device for augmented reality having an expanded eyebox, comprising: first optical means through which virtual image light emitted from an image emitting unit travels; a light conversion unit embedded in the first optical means and transmitting virtual image light traveling through the inside of the first optical means to the first optical element; a plurality of first optical elements embedded in the first optical means and emitting virtual image light transmitted from the light conversion unit to the second optical means; a second optical means for transmitting real object image light emitted from a real object to the pupil of the user's eye, and through which virtual image image light emitted from the first optical element travels; and a plurality of second optical elements embedded in the second optical means and providing a virtual image to the user by transmitting virtual image light traveling through the second optical means to the pupil of the user's eye.
  • the plurality of first optical elements are arranged at intervals in the first direction inside the first optical means, and the plurality of second optical elements are arranged at intervals in the second direction inside the second optical means.
  • An optical device for augmented reality is provided, characterized in that the optical device is disposed.
  • the first direction may be a direction parallel to any one of line segments included in a plane perpendicular to a straight line in the frontal direction from the pupil.
  • the second direction may be a direction that is not parallel to the first direction.
  • the second direction may be perpendicular to the first direction.
  • the virtual plane formed by the first direction and the second direction may be a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil when the augmented reality optical device is placed in front of the user's pupil.
  • the second direction may be a direction parallel to any one of line segments perpendicular to the first direction among line segments included in a plane perpendicular to a straight line in the frontal direction from the pupil.
  • an image emitting unit may be disposed at one end of the first optical means in the first direction.
  • the light conversion unit may be embedded and disposed inside the first optical means to face the image emitting unit.
  • the virtual image light emitted from the image emitting unit is totally reflected inside the first optical means and transmitted to the light conversion unit, and the virtual image image light emitted from the light converting unit is inside the first optical means. It may be totally reflected and transmitted to the first optical element.
  • the light conversion unit may be a reflection means that reflects incident light.
  • the reflective surface of the light conversion unit may be embedded and disposed inside the first optical means to face the upper surface of the first optical means.
  • the reflective surface of the light conversion unit may be a curved surface that is concavely formed in the direction of the top surface of the first optical means.
  • the plurality of first optical elements may be arranged to be inclined within the first optical means so as to emit and transmit the virtual image light emitted from the light conversion unit to the second optical means.
  • the plurality of first optical elements may have an inclination angle with respect to the first direction when viewed with the augmented reality optical device in front of the pupil and at the same time have an inclination angle with respect to the second direction when viewed from the side. It may be placed inside the optical means.
  • the length of each of the plurality of first optical elements in the width direction may be formed to correspond to the length of the image emitting unit in the width direction.
  • the plurality of first optical elements may be reflection means that reflect incident light.
  • the plurality of first optical elements may be half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of the incident light.
  • the plurality of first optical elements may be any one of a refractive element, a diffractive element, and a holographic optical element, or may be configured by a combination thereof.
  • each of the plurality of first optical elements may be composed of a plurality of optical modules.
  • each of the plurality of first optical elements may be composed of a plurality of optical modules that are arranged to be spaced apart from each other and appear in an array form when the augmented reality optical device is viewed from the side.
  • the size of the plurality of optical modules may be 4 mm or less.
  • each of the plurality of second optical elements may be arranged to be inclined inside the second optical means so as to transmit virtual image light traveling through the inside of the second optical means to the pupil.
  • the second optical means has a first surface on which virtual image image light and real object image light are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite the first surface and on which real object image light is incident,
  • the virtual image light emitted from the first optical element is totally reflected on the second surface of the second optical means and transmitted to a plurality of second optical elements, and the plurality of second optical elements are of the second optical means. It may be arranged at an inclination angle inside the second optical means so that the virtual image light transmitted by total reflection from the second surface can be transmitted to the pupil.
  • the plurality of second optical elements may have a bar shape extending in the first direction.
  • the plurality of second optical elements may have a height of 4 mm or less when viewed from the front.
  • each of the plurality of second optical elements may be composed of a plurality of optical modules.
  • each of the plurality of second optical elements may be composed of a plurality of optical modules arranged to be spaced apart from each other and appear in an array form when the augmented reality optical device is viewed from the front.
  • the size of the plurality of optical modules may be 4 mm or less.
  • the plurality of second optical elements may be reflection means that reflect incident light.
  • the plurality of second optical elements may be half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of it.
  • the plurality of second optical elements may be any one of a refractive element, a diffractive element, and a holographic optical element, or may be configured by a combination thereof.
  • first optical means and the second optical means may be formed integrally.
  • an optical device for eye-box expanded augmented reality using a diffractive optical element comprising: a first optical means through which virtual image light emitted from an image emitter travels through the inside; a first optical element disposed in the first optical means and emitting virtual image light traveling through the inside of the first optical means to the second optical means; a second optical means for transmitting real object image light emitted from a real object to the pupil of the user's eye, and through which virtual image image light emitted from the first optical element travels; and a plurality of second optical elements embedded in the second optical means and providing a virtual image to the user by transmitting virtual image light traveling through the second optical means to the pupil of the user's eye.
  • the first optical element is a diffractive optical element or a holographic optical element, the first optical element extends in a first direction and is disposed in the first optical means, and the plurality of second optical elements are,
  • An optical device for augmented reality is provided, which is disposed at intervals in a second direction within the second optical means.
  • the first direction may be a direction parallel to any one of line segments included in a plane perpendicular to a straight line in the frontal direction from the pupil.
  • the second direction may be a direction that is not parallel to the first direction.
  • the second direction may be perpendicular to the first direction.
  • the virtual plane formed by the first direction and the second direction may be a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil when the augmented reality optical device is placed in front of the user's pupil.
  • the second direction may be a direction parallel to any one of line segments perpendicular to the first direction among line segments included in a plane perpendicular to a straight line in the frontal direction from the pupil.
  • an image emitting unit may be disposed at one end of the first optical means in the first direction.
  • the first optical element may be disposed on the top, bottom, or inside of the first optical means.
  • the first optical element may be disposed in the first optical means to have an inclination angle with respect to the second direction when viewed from the side with the augmented reality optical device in front of the pupil.
  • each of the plurality of second optical elements may be arranged to be inclined inside the second optical means so as to transmit virtual image light traveling through the inside of the second optical means to the pupil.
  • the second optical means has a first surface on which virtual image image light and real object image light are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite the first surface and on which real object image light is incident,
  • the virtual image light emitted from the first optical element is totally reflected on the second surface of the second optical means and transmitted to a plurality of second optical elements, and the plurality of second optical elements are of the second optical means. It may be arranged at an inclination angle inside the second optical means so that the virtual image light transmitted by total reflection from the second surface can be transmitted to the pupil.
  • the plurality of second optical elements may have a plate shape extending in the first direction.
  • the plurality of second optical elements may have a height of 4 mm or less when viewed from the front.
  • each of the plurality of second optical elements may be composed of a plurality of optical modules.
  • each of the plurality of second optical elements may be composed of a plurality of optical modules arranged to be spaced apart from each other and appear in an array form when the augmented reality optical device is viewed from the front.
  • the size of the plurality of optical modules may be 4 mm or less.
  • the plurality of second optical elements may be reflection means that reflect incident light.
  • the plurality of second optical elements may be half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of it.
  • the plurality of second optical elements may be any one of a refractive element, a diffractive element, and a holographic optical element, or may be configured by a combination thereof.
  • first optical means and the second optical means may be formed integrally.
  • the present invention can provide an optical device for augmented reality that can maintain a small form factor by expanding the two-dimensional eye box of the x-axis and y-axis while disposing the light conversion unit inside the optical means.
  • an optical device for augmented reality having an expanded eye box using a diffractive optical element.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical device 100 for augmented reality as described in Prior Art Document 1.
  • FIGS. 2 to 4 are diagrams showing the optical device 200 for augmented reality as disclosed in prior art document 2, where FIG. 2 is a side view, FIG. 3 is a perspective view, and FIG. 4 is a front view.
  • FIGS. 5 to 7 are diagrams for explaining the optical device 300 for augmented reality according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view
  • FIG. 6 is a front view
  • FIG. 7 is a side view.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the arrangement structure of the first optical element 60.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the arrangement structure of the second optical element 20.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the eye box in the first direction (x-axis direction) in the conventional optical device 200 of FIGS. 2 to 4, where the optical device 200 is placed in front of the pupil 40. This is the front view.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the eye box in the first direction in the optical device 300 of FIGS. 5 to 7.
  • the optical device 300 is placed in front of the pupil 40, and the pupil 40 displays the eye box of FIG. 7. This is a drawing when looking in direction A.
  • FIGS. 12 to 14 are diagrams for explaining an optical device 400 according to a modified example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view
  • FIG. 13 is a front view
  • FIG. 14 is a side view.
  • FIGS. 15 to 17 are diagrams for explaining an optical device 500 according to another modified example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view
  • FIG. 16 is a front view
  • FIG. 17 is a side view.
  • FIGS. 18 to 20 are diagrams for explaining an optical device 600 for augmented reality according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a perspective view
  • FIG. 19 is a front view
  • FIG. 20 is a side view.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining the eye box in the first direction in the optical device 600 of FIGS. 18 to 20 when viewed in the direction indicated by A in FIG. 20.
  • FIGS. 22 to 24 are diagrams for explaining an optical device 700 according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a perspective view
  • FIG. 23 is a front view
  • FIG. 24 is a side view.
  • FIGS. 25 to 27 are diagrams for explaining an optical device 800 according to another modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a perspective view
  • FIG. 26 is a front view
  • FIG. 27 is a side view.
  • FIGS. 28 to 30 are diagrams for explaining an optical device 900 according to another modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a perspective view
  • FIG. 29 is a front view
  • FIG. 30 is a side view.
  • FIGS. 5 to 7 are diagrams for explaining an optical device 300 for augmented reality that provides an expanded eye box according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view
  • FIG. 6 is a front view
  • FIG. 7 is a side view.
  • the image emitting unit 30 is shown as transparent for convenience of explanation.
  • the optical device 300 for augmented reality (hereinafter simply referred to as “optical device 300”) providing an expanded eye box includes a first optical means 50, a light conversion unit ( 70), and includes a first optical element 60, a second optical means 10, and a second optical element 20.
  • the first optical means 50 is a means through which the virtual image light emitted from the image emitting unit 30 travels through its interior, and functions as a waveguide.
  • first optical means 50 Inside the first optical means 50, a plurality of first optical elements 60 are embedded and disposed, as will be described later.
  • a light conversion unit 70 is embedded and disposed inside the first optical means 50.
  • the first optical means 50 may have a substantially rectangular parallelepiped shape as shown, and may be made of a transparent resin material or glass material.
  • An image emitting unit 30 is disposed at one end of the first optical means 50 as shown.
  • the image emitting unit 30 is a means for emitting virtual image light, which is image light corresponding to a virtual image.
  • the virtual image refers to an augmented reality image provided to the user and may be an image or video.
  • the image emitting unit 30 includes a display unit that displays conventionally known virtual images such as small LCD, OLED, LCoS, and micro LED. However, in the optical device 300 of the present invention, since the light conversion unit 70 is disposed inside the first optical means 50, the image emitting unit 30 includes the same light as shown in FIGS. 2 to 4 previously described in the background technology. A light conversion unit that performs the function is not included.
  • the image emitting unit 30 may further include an optical element that is combined with the display unit and is composed of a combination of at least one of a reflecting unit, a refracting unit, and a diffractive unit.
  • the virtual image light may be emitted from the image emitter 30, be totally reflected inside the first optical means 50, and be transmitted to the light conversion unit 70. 5 to 7, the virtual image light is totally reflected at the upper surface 51 of the first optical means 50 and transmitted to the light conversion unit 70.
  • the surface of the image emitting unit 30 is disposed inclined so as to face the upper surface 51 of the first optical means 50, and one end of the first optical means 50 on which the image emitting unit 30 is disposed is also It may be formed to be inclined to correspond to the inclination angle of the image emitting unit 30.
  • the virtual image image light emitted from the image emitter 30 may be transmitted to the light conversion unit 70 without total reflection or through total reflection two or more times.
  • the shape and inclination angle of the image emitting unit 30 and the first optical means 50 may have different shapes and arrangement structures.
  • the light conversion unit 70 is embedded in the first optical means 50 and transmits the virtual image light traveling through the inside of the first optical means 50 to the first optical element 60. am.
  • the light conversion unit 70 may be embedded and disposed inside the first optical means 50 to face the image emitting unit 30.
  • the virtual image light emitted from the image emitting unit 30 may be totally reflected in the upper surface 51 of the first optical means 50 and transmitted to the light conversion unit 70, and the light conversion unit ( The virtual image light emitted from 70) may be totally reflected inside the first optical means 50 and transmitted to the first optical element 60.
  • the virtual image light emitted from the light conversion unit 70 is totally reflected at the upper surface 51 of the first optical means 50 and is transmitted to the first optical element 60.
  • the light conversion unit 70 is disposed at an appropriate inclination angle inside the first optical means 50 according to the relative positions of the image emitting unit 30 and the first optical element 60 based on this optical path.
  • the virtual image light emitted from the light conversion unit 70 is image light with an intended focal length, and for example, the light conversion unit 70 may be a reflection means that reflects the incident virtual image light.
  • the light conversion unit 70 is a concave mirror that reflects and emits virtual image light so that the virtual image is enlarged.
  • the reflectance of the light conversion unit 70 is preferably 100% or a high value close to it, such as a full mirror made of metal, but a half mirror that transmits part of the incident light and reflects part of the incident light. It may be a mirror).
  • the reflecting surface 71 that reflects the virtual image light is directed toward the upper surface 51 of the first optical means 50. It may be disposed embedded within the first optical means 50.
  • the straight line in the vertical direction from the center of the reflecting surface 71 and the upper surface 51 of the first optical means 50 may be disposed at an angle so as not to be parallel to each other.
  • the reflective surface 71 of the light conversion unit 70 may be formed as a curved surface.
  • the reflective surface 71 of the light conversion unit 70 may be formed to be concave with respect to the direction of the upper surface 51 of the first optical means 50, as shown.
  • the light conversion unit 70 may be implemented as a collimator that converts the incident virtual image light into parallel light and emits it.
  • the light conversion unit 70 may be formed of a refractive element or diffractive element other than a reflection means. Alternatively, it may be configured by a combination of at least two of a reflecting means, a refractive element, and a diffractive element.
  • the light conversion unit 70 may be formed of an optical element such as a notch filter that selectively transmits light depending on the wavelength.
  • the surface opposite to the reflective surface 71 of the light conversion unit 70 may be coated with a material that absorbs light rather than reflecting it.
  • the light conversion unit 70 has a concave central portion when viewed from the direction indicated by A in FIG. 7, forming an overall shape of a gentle “U” shaped bar. It can be.
  • the length of the light conversion unit 70 when viewed from the side is preferably formed to correspond to or be slightly longer than the length of the first optical element 60.
  • the plurality of first optical elements 60 are embedded inside the first optical means 50 and emit virtual image light transmitted from the light conversion unit 70 to the second optical means 10. It is a means.
  • the plurality of first optical elements 60 are arranged at intervals in the first direction within the first optical means 50 .
  • the first direction may be a direction parallel to a virtual line segment that can be observed when the optical device 300 is placed in front of the pupil 40, as shown in FIGS. 5 to 7.
  • the first direction may be any direction other than the direction parallel to the straight line in the frontal direction at the pupil 40.
  • the first direction is preferably a direction parallel to any one of the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the frontal direction in the pupil 40. 5 to 7, the first direction corresponds to the x-axis direction.
  • the plurality of first optical elements 60 are arranged at intervals in the first direction, but do not necessarily have to be arranged side by side along a straight line parallel to the first direction. That is, it is sufficient for the plurality of first optical elements 60 to be arranged to be spaced apart from each other in the first direction. This will be explained with reference to FIG. 8 .
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the arrangement structure of the first optical element 60.
  • Figure 8 is a front view of the optical device 300 viewed from the front of the pupil 40, showing only the first direction and the first optical element 60.
  • each of the plurality of first optical elements 60 forms a straight line parallel to the first direction (x-axis direction). They may be spaced apart so that they are aligned side by side.
  • each of the plurality of first optical elements 60 are aligned along a straight line having an inclination angle with respect to the first direction. They may be spaced apart so that they are aligned.
  • the plurality of first optical elements 60 it is sufficient for the plurality of first optical elements 60 to be arranged at intervals in the first direction, and they do not necessarily have to be arranged side by side along a straight line parallel to the first direction.
  • only some of the plurality of first optical elements 60 may have this arrangement structure.
  • the first optical element 60 has a Of course, it can be arranged differently depending on various conditions such as positional relationship, inclination angle, and total reflection.
  • the spacing of the plurality of first optical elements 60 may all be the same, but of course, the spacing of at least some of them may be different.
  • the plurality of first optical elements 60 are arranged to be inclined inside the first optical means 50 so as to transmit the virtual image light emitted from the light conversion unit 70 to the second optical means 10. do. That is, the plurality of first optical elements 60 may be arranged at an angle within the first optical means 50 considering the positions of the light conversion unit 70 and the second optical means 10.
  • the virtual image light emitted from the light conversion unit 70 is totally reflected on the upper surface 51 of the first optical means 50 and is formed into a plurality of first optical elements ( 60), and the virtual image image light emitted from the first optical element 60 may be totally reflected by the second surface 12 of the second optical means 10 and then transmitted to the second optical element 20. there is.
  • the plurality of first optical elements 60 are positioned in the first direction when the optical device 300 is viewed from the front of the pupil 40, considering this optical path. It may be disposed inside the first optical means 50 so as to have an inclination angle with respect to the second direction when viewed from the side.
  • the second direction is the direction in which the plurality of second optical elements 20 are arranged in the second optical means 10, as will be described later.
  • This second direction may be a direction that is not parallel to the first direction.
  • the second direction may be perpendicular to the first direction.
  • the second direction is a virtual direction composed of the first direction and the second direction when the optical device for augmented reality 300 is placed in front of the user's pupil 40, as shown in FIGS. 5 to 7.
  • the plane may be oriented so that it becomes a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil 40.
  • the first direction is parallel to any one of the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the front direction from the pupil 40 when the optical device 300 is placed in front of the pupil 40. It may be a direction, and in this case, the second direction may be a direction parallel to any one of the line segments perpendicular to the first direction among the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the frontal direction in the pupil 40.
  • the upper surface 13 of the second optical means 10 may be formed to be inclined when viewed from the side, and the first optical means 50 may be disposed on the upper surface 13 of the second optical means 10. .
  • each of the plurality of first optical elements 60 is configured as shown in (b) of FIG. 8 so as not to block the virtual image light emitted from the image emitting unit 30 and transmitted to the other first optical elements 60. ) or (c), it may be arranged so that the farther away it is from the image emitting unit 30, the closer it is to the upper surface 51 of the first optical means 50.
  • the plurality of first optical elements 60 may be formed, for example, in a rectangular shape, and the length of each in the width direction is preferably formed to correspond to the length of the image emitting unit 30 in the width direction.
  • the plurality of first optical elements 60 may be formed so that the height when viewed from the side is smaller than the average human pupil size, that is, 8 mm or less, more preferably 4 mm or less.
  • the plurality of first optical elements 60 are preferably reflective means that reflect incident light.
  • the reflectance of the plurality of first optical elements 60 is also a high value of 100% or close to it, for example, a full mirror made of metal, but a half mirror that transmits part of the incident light and reflects part of the incident light. It may also be a half mirror.
  • the plurality of first optical elements 60 may be any one of a refractive element, a diffractive element, and a holographic optical element, or may be configured by a combination thereof.
  • the second optical means 10 is a means for transmitting real object image light emitted from real objects existing in the real world to the pupil 40 of the user's eye.
  • the second optical means 10 also serves as a waveguide through which virtual image light emitted from the first optical element 60 travels.
  • the second optical means 10 may also be made of transparent resin or glass.
  • the second optical means 10 has a first surface 11 through which virtual image image light and real object image light are emitted toward the user's pupil 40, and the second optical means 10 faces the first surface 11 and provides real object image light. It has a second surface 12 on which the incident occurs and a third surface 13 on which the first optical means 50 is disposed.
  • the virtual image light transmitted to the second optical means 10 through the image emitter 30, the light conversion unit 70, and the first optical element 60 is transmitted to the first surface of the second optical means 10 ( 11), and the actual object image light is transmitted to the pupil 40 through the second surface 12 and the first surface 11 of the second optical means 10.
  • Users can receive virtual image light and real object image light at the same time, thereby providing augmented reality services.
  • the plurality of second optical elements 20 are embedded inside the second optical means 10 and direct the virtual image light traveling through the inside of the second optical means 10 into the pupil 40 of the user's eye. It is a means of providing virtual images to users by transmitting them.
  • a plurality of second optical elements 20 are arranged at intervals in the second direction.
  • the second direction may be a direction that is not parallel to the first direction, or may be a direction perpendicular to the first direction.
  • the second direction is a virtual plane composed of the first direction and the second direction.
  • the direction may be such that it becomes a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil 40.
  • the first direction is a direction parallel to any one of the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the front direction from the pupil 40
  • the second direction may be a direction parallel to any one of the line segments perpendicular to the first direction among the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the frontal direction in the pupil 40.
  • the first direction is the x-axis direction
  • the second direction is perpendicular to the x-axis and is included in a plane perpendicular to the z-axis, which is a straight line in the frontal direction from the pupil 40.
  • the line segments it may correspond to the y-axis perpendicular to the first direction.
  • the virtual plane formed by the first direction (x-axis direction) and the second direction (y-axis direction) becomes a two-dimensional x-y plane perpendicular to the z-axis.
  • This two-dimensional plane is not necessarily perpendicular to the z-axis, and may be slightly rotated about the x- or y-axis as long as it can be observed from the user's pupil 40.
  • the meaning that the plurality of second optical elements 20 are “arranged at intervals in the second direction” means that, as previously described with respect to the first optical element 60, the plurality of second optical elements 20 are arranged at intervals in the second direction. It should be noted that this means that it is sufficient to just arrange them spaced apart from each other in the two directions, but it does not necessarily mean that they must be arranged side by side on a straight line parallel to the second direction.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the arrangement structure of the second optical element 20.
  • Figure 9 is a side view viewed from the side when the optical device 300 is placed in front of the pupil 40, showing only the second direction and the second optical element 20.
  • the plurality of second optical elements 20 have their respective centers in the second direction (y-axis direction) when viewed from the side with the optical device 300 in front of the pupil 40. They may be spaced apart and aligned side by side along a parallel straight line.
  • the plurality of second optical elements 20 have their respective centers aligned in the second direction (y-axis) when viewed from the side with the optical device 300 in front of the pupil 40. They may be spaced apart so that they are aligned side by side along a straight line having an inclination angle with respect to the direction.
  • the plurality of second optical elements 20 each have a gentle “C” shape when viewed from the side with the optical device 300 in front of the pupil 40. They may be spaced apart so as to be located on the curve of . This is the same as shown in FIG. 7.
  • first optical elements 20 among the plurality of second optical elements 20 may have this arrangement structure.
  • the relative positions of the image emitting unit 30, the light conversion unit 70, the first optical means 50, the first optical element 60, the second optical means 10, and the pupil 40 can be arranged differently depending on various conditions such as relationship, inclination angle, and total reflection.
  • the spacing of the plurality of second optical elements 20 may all be the same, but of course, the spacing of at least some of the plurality of second optical elements 20 may be different.
  • the plurality of second optical elements 20 may have a bar shape extending in the first direction, that is, the x-axis direction.
  • each of the plurality of second optical elements 20 is inclined inside the second optical means 10 so as to transmit the virtual image light traveling through the inside of the second optical means 10 to the pupil 40. can be placed.
  • the plurality of second optical elements 20 have an appropriate inclination angle in consideration of the relative positions of the first optical means 50, the first optical element 60, and the pupil 40, and the second optical means 10 ) can be placed inside.
  • each of the plurality of second optical elements 20 can transmit the virtual image light transmitted by total reflection from the second surface 12 of the second optical means 10 to the pupil 40 in consideration of this optical path. It may be disposed at an inclination angle inside the second optical means 10 so that
  • each of the plurality of second optical elements 20 is shown in FIG. 9 so as not to block the virtual image light emitted from the first optical elements 60 and transmitted to the other second optical elements 20.
  • the further away from the first optical element 60 the closer to the second surface 12 of the second optical means 10.
  • the plurality of second optical elements 20 may be formed so that the height when viewed from the front is smaller than the average human pupil size, that is, 8 mm or less, preferably It can be formed to be less than 4mm.
  • the depth of field for light entering the pupil 40 can be greatly deepened, and therefore, even if the user changes the focal distance to the real world while gazing at the real world, the virtual image remains in focus regardless of this. can achieve a pinhole effect that always recognizes it as correct.
  • the height is too small, the diffraction phenomenon increases, so it is preferable to set it larger than 0.3 mm, for example.
  • the plurality of second optical elements 20 are reflection means that reflect incident light.
  • the plurality of second optical elements 20 have a reflectance of 100% or a high value close to it, such as full mirrors made of metal, for example, but they may also be half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of it.
  • the plurality of second optical elements 20 may be any one of a refractive element, a diffractive element, and a holographic optical element, or may be configured by a combination thereof.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the eye box in the first direction (x-axis direction) in the conventional optical device 200 of FIGS. 2 to 4, where the optical device 200 is placed in front of the pupil 40. This is the front view.
  • the virtual image image light emitted from one point of the display unit 31 is emitted to the optical means 10 through the light conversion unit 32, and is reflected. It is reflected by the unit 20 and transmitted to the pupil 40.
  • the eyebox in the x-axis direction that is, in the first direction, is determined by the length of the light conversion unit 32 in the first direction.
  • the length of the light conversion unit 32 in the first direction is longer than that of FIG. 10(a). Accordingly, corresponding to the length of the light conversion unit 32, the reflector 20 is also arranged more along the x-axis direction (first direction), whereby the eye box in the first direction is shown in (a) of FIG. 10. It can be seen that it is wider than .
  • the eye box in the first direction is equal to the length of the light conversion unit 32 included in the image emitting unit 30. You can see that it depends. However, increasing the length of the light conversion unit 32 increases the form factor, complicates the design, and also complicates the manufacturing process.
  • the eyebox in the y-axis direction which is the vertical axis, is determined by the number of reflectors 20 arranged in the y-axis direction.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the eyebox in the first direction in the optical device 300 of FIGS. 5 to 7 when viewed in the direction indicated by A in FIG. 7 .
  • the virtual image light emitted from one point of the display unit that is, the image emitting unit 30, is totally reflected in the upper surface 51 of the first optical means 50 and is transmitted to the light conversion unit 70. do. Then, the virtual image light emitted from the light conversion unit 70 is totally reflected again on the upper surface 51 of the first optical means 50 and is transmitted to the first optical element 60. Thereafter, the first optical element 60 emits virtual image light toward the second surface 12 of the second optical means 10.
  • the virtual image image light emitted from the image emitting unit 30 passes through the light conversion unit 70 by total reflection on the upper surface 51 of the first optical means 50 and is transmitted to the plurality of first optical elements 60. Since it is transmitted, it can be seen that the virtual image light is copied in the first direction (x-axis direction) and thus the eye box in the first direction, that is, the x-axis direction, is expanded.
  • the eyebox in the y-axis direction which is the vertical axis, is determined by the number of second optical elements 20 arranged in the y-axis direction. Accordingly, while maintaining the same eyebox in the vertical y-axis direction, the eyebox in the horizontal x-axis direction, that is, in the first direction, is larger in the optical device 300 of FIG. 11 than the optical device 200 in FIG. 10. You can see that it is wide.
  • the optical device 300 of FIG. 11 since the light conversion unit 70 is disposed embedded within the first optical means 50, there is no need to use the light conversion unit in the image emitting unit 30. Accordingly, the overall form factor of the optical device 300 can be reduced, thereby expanding the two-dimensional eye box in the x- and y-axis directions, and providing an optical device 300 that can be compact and lightweight. there is.
  • FIGS. 12 to 14 are diagrams for explaining an optical device 400 according to a modified example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view
  • FIG. 13 is a front view
  • FIG. 14 is a side view.
  • the optical device 400 of FIGS. 12 to 14 has the same basic principle as the optical device 300 of FIGS. 5 to 7, but each of the plurality of first optical elements 60 has a plurality of pinpoint-shaped optical devices. The difference is that it is composed of modules 61.
  • each of the plurality of first optical elements 60 is arranged to be spaced apart from each other and appear in an array form when viewed from the side with the optical device 400 in front of the pupil 40. It may be composed of a plurality of optical modules 61.
  • Each of the plurality of optical modules 61 may be formed to have a size smaller than the size of a human pupil, that is, 8 mm or less, and preferably 4 mm or less, to obtain a pinhole effect by increasing the depth of field.
  • the size of the plurality of optical modules 61 is defined to mean the maximum length between any two points on the edge border of each optical module 61.
  • each optical module 61 is determined by projecting each optical module 61 on a plane that includes the center of the pupil 40 and is perpendicular to the straight line between the pupil 40 and the optical module 61. It can be the maximum length between any two points on the edge border of the orthographic projection.
  • the size is too small, the diffraction phenomenon increases, so it is preferable to make it larger than 0.3 mm, for example.
  • each of the plurality of optical modules 61 may have a circular shape.
  • optical modules 61 may be formed in an oval shape so that they appear circular when viewed from the pupil 40.
  • optical device 400 is the same as those of the optical device 300 described above, so detailed description will be omitted.
  • FIGS. 15 to 17 are diagrams for explaining an optical device 500 according to another modified example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view
  • FIG. 16 is a front view
  • FIG. 17 is a side view.
  • the optical device 500 of FIGS. 15 to 17 is the same as the optical device 400 of FIGS. 12 to 14, except that the plurality of second optical elements 20 each include a plurality of optical modules 21 in a pinpoint shape. There is a difference in that it is composed of .
  • each of the plurality of second optical elements 20 is composed of a plurality of optical modules 21 arranged to be spaced apart from each other and appear as an array when viewed from the front.
  • optical module 21 Since the size and shape of these optical modules 21 are the same as those of the optical module 61 previously described in FIGS. 12 to 14, detailed description thereof will be omitted.
  • the sizes of the optical module 21 and the optical module 61 do not need to be the same, and may be different from each other.
  • a plurality of second optical elements 20 may be configured as a plurality of pinpoint-shaped optical modules 21.
  • the second embodiment according to the present invention is similar to the above-described first embodiment, but is characterized by using a diffractive optical element.
  • FIGS. 18 to 20 are diagrams for explaining an optical device 600 for augmented reality that provides an expanded eye box according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a perspective view
  • FIG. 19 is a front view
  • FIG. 20 is a side view.
  • the image emitting unit 30 is shown as transparent for convenience of explanation.
  • the optical device 600 for augmented reality (hereinafter simply referred to as “optical device 600”) that provides an expanded eye box includes a first optical means 50 and a first optical element. (80), and includes a second optical means (10) and a second optical element (20).
  • the first optical means 50 is a means through which the virtual image light emitted from the image emitting unit 30 travels through its interior, and serves as a waveguide.
  • a first optical element 80 is disposed in the first optical means 50 as will be described later.
  • the first optical element 80 is disposed on the upper surface 51 of the first optical means 50.
  • the first optical means 50 may have a substantially rectangular parallelepiped shape as shown, and may be made of a transparent resin material or glass material.
  • An image emitting unit 30 is disposed at one end of the first optical means 50 as shown.
  • the image emitting unit 30 is a means for emitting virtual image light, which is image light corresponding to a virtual image.
  • the virtual image refers to an augmented reality image provided to the user and may be an image or video.
  • the image emitting unit 30 transmits the virtual image light emitted from the display unit and the display unit to display a conventionally known virtual image such as a small LCD, OLED, LCoS, or micro LED to the first optical element 80. It may include a light conversion unit (not shown).
  • the light conversion unit is a means for emitting virtual image light along the intended optical path and focal distance, for example, reflecting and emitting incident virtual image light to enlarge the virtual image. It may be a concave mirror or an optical element such as a collimator that converts incident light into parallel light and emits it.
  • the image emitting unit 30 may be composed of a combination of at least one of a reflecting unit, a refracting unit, and a diffractive unit combined with the display unit and the light conversion unit.
  • the virtual image light may be emitted from the image emitter 30, be totally reflected inside the first optical means 50, and be transmitted to the first optical element 80. 18 to 20, the virtual image light is totally reflected at the upper surface 51 and the lower surface 52 of the first optical means 50 and is transmitted to the first optical element 80.
  • the surface of the image emitting unit 30 is disposed inclined so as to face the upper surface 51 of the first optical means 50, and one end of the first optical means 50 on which the image emitting unit 30 is disposed is also It may be formed to be inclined to correspond to the inclination angle of the image emitting unit 30.
  • the virtual image light emitted from the image emitter 30 may be directly transmitted to the first optical element 80 without total reflection.
  • the shape and inclination angle of the image emitting unit 30 and the first optical means 50 may have different shapes and arrangement structures.
  • the first optical element 80 is disposed in the first optical means 50 and performs the function of emitting virtual image light traveling through the inside of the first optical means 50 to the second optical means 10. do.
  • the first optical element 80 may be formed in the form of a thin plate extending in a first direction as shown and disposed on the first optical means 50 .
  • the normal line of the thin plate may be arranged to face the second surface 20 of the second optical means 10, as will be described later.
  • the first optical element 80 is disposed on the upper surface 51 of the first optical means 50, that is, outside the upper surface 51, but this is an example and is located inside the upper surface 51. It may be deployed.
  • it may be disposed outside or inside the lower surface 52 of the first optical means 50. Additionally, it may be disposed inside the first optical means 50.
  • the first optical means 50 extends in a first direction, where “first direction” refers to the angle observed when the optical device 300 is placed in front of the pupil 40, as shown in FIGS. 18 to 20 It may be in a direction parallel to an imaginary line segment. In other words, the first direction may be any direction other than the direction parallel to the straight line in the frontal direction at the pupil 40.
  • the first direction is preferably a direction parallel to any one of the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the frontal direction in the pupil 40. 18 to 20, the first direction corresponds to the x-axis direction.
  • the first optical element 80 is characterized by being implemented as a diffractive optical element.
  • Diffractive Optical Element refers to an optical element that refracts or reflects incident light through a diffraction phenomenon.
  • a diffractive optical element is an optical element that provides various optical functions by using the diffraction phenomenon of light.
  • Diffractive optical elements have the advantage of enabling aberration-free point-to-point images and a flat structure, and of being able to control aberrations such as aspherical surfaces.
  • the diffractive optical element has a very thin thickness of several ⁇ m, it is advantageous in reducing the volume and weight of the optical system because it plays a role similar to a general lens, prism, or mirror with a thickness of several mm.
  • the diffractive optical element operates as a refracting or reflecting element only for light that matches the design wavelength band of the nanostructure, and in other wavelength bands, it is a window that simply passes light. ) plays a role.
  • Diffractive optical elements can be divided into reflective diffractive optical elements and transmission-type diffractive optical elements.
  • Reflective diffractive elements refer to diffractive elements that utilize the property of reflecting light incident from a specific direction and position, and transmission-type diffractive elements.
  • a diffractive element uses the property of transmitting light incident from a specific direction and position.
  • the virtual image light transmitted from the image emitting unit 30 is copied in the first direction to expand the eye box, while the incident The virtual image light can be transmitted to the second optical means (10).
  • diffractive optical elements Since the basic configuration and characteristics of these diffractive optical elements, reflective diffractive optical elements, and transmission-type diffractive optical elements are known in the prior art, detailed descriptions thereof will be omitted here.
  • the brightness of the perspective image is secured by increasing transparency, and since the optical synthesizer structure is not observed from the outside, the appearance of the product is similar to that of regular glasses, providing an optical device for augmented reality with better aesthetics. There is an advantage to being able to do it.
  • This first optical element 80 is disposed in the first optical means 50 with an appropriate inclination angle so that virtual image light can be transmitted to the second optical means 10 .
  • the virtual image image light emitted from the first optical element 80 implemented as a diffractive optical element is totally reflected by the second surface 12 of the second optical means 10 and then 2 is transmitted to the optical element 20.
  • the first optical element 80 has the optical device 300 in front of the pupil 40 when viewed from the side, as shown in FIG. 20, considering this optical path. Likewise, it may be disposed outside the upper surface 51 of the first optical means 50 so as to have an inclination angle with respect to the second direction.
  • the second direction is a direction in which the plurality of second optical elements 20 are arranged in the second optical means 10, as will be described later.
  • This second direction may be a direction that is not parallel to the first direction.
  • the second direction may be perpendicular to the first direction.
  • the second direction is a virtual direction composed of the first direction and the second direction when the augmented reality optical device 600 is placed in front of the user's pupil 40, as shown in FIGS. 18 to 20.
  • the plane may be oriented so that it becomes a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil 40.
  • the first direction is parallel to any one of the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the front direction from the pupil 40 when the optical device 600 is placed in front of the pupil 40. It may be a direction, and in this case, the second direction may be a direction parallel to any one of the line segments perpendicular to the first direction among the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the frontal direction in the pupil 40.
  • the upper surface 13 of the second optical means 10 is formed to be inclined when viewed from the side, and the first optical means 50 is positioned on the upper surface of the second optical means 10 ( 13) can be placed.
  • the first optical element 80 may have a thin plate shape with a rectangular surface. In this case, it is preferable that the width direction length of the first optical element 80 when viewed from the side is formed to correspond to the width direction length of the image emitting portion 30.
  • the first optical element 80 has a surface on which virtual image light enters and exits extending in the first direction, thereby expanding the eye box for the virtual image light in the first direction.
  • the second optical means 10 is a means for transmitting real object image light emitted from real objects existing in the real world to the pupil 40 of the user's eye.
  • the second optical means 10 also serves as a waveguide through which virtual image light transmitted from the first optical element 80 travels through its interior.
  • the second optical means 10 may also be made of transparent resin or glass.
  • the second optical means 10 has a first surface 11 through which virtual image image light and real object image light are emitted toward the user's pupil 40, and the second optical means 10 faces the first surface 11 and provides real object image light. It has a second surface 12 on which the incident occurs and a third surface 13 on which the first optical means 50 is disposed.
  • the virtual image light transmitted to the second optical means 10 through the image emitting unit 30 and the first optical element 80 passes through the first surface 11 of the second optical means 10 to the pupil 40.
  • the real object image light passes through the second surface 12 and the first surface 11 of the second optical means 10 and is transmitted to the pupil 40, the user Real object image light can be provided at the same time, thereby providing augmented reality services.
  • the plurality of second optical elements 20 are embedded in the second optical means 10 and transmit virtual image light traveling through the second optical means 10 to the pupil 40 of the user's eye. It is a means of providing virtual images to users.
  • the plurality of second optical elements 20 are arranged at intervals in the second direction, and actual object image light is transmitted to the pupil 40 through the space provided by the gap between the second optical elements 20.
  • the second direction may be a direction that is not parallel to the first direction. Additionally, the second direction is preferably perpendicular to the first direction.
  • the second direction is a virtual plane composed of the first direction and the second direction when the optical device 600 is placed in front of the user's pupil 40.
  • the direction may be such that it becomes a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil 40.
  • the first direction is a direction parallel to any one of the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the front direction from the pupil 40
  • the second direction may be a direction parallel to any one of the line segments perpendicular to the first direction among the line segments included in the plane perpendicular to the straight line in the frontal direction in the pupil 40.
  • the first direction is the x-axis direction
  • the second direction is perpendicular to the x-axis and is included in a plane perpendicular to the z-axis, which is a straight line in the frontal direction from the pupil 40. It corresponds to the y-axis perpendicular to the first direction among the line segments. Accordingly, the virtual plane formed by the first direction (x-axis direction) and the second direction (y-axis direction) becomes a two-dimensional x-y plane perpendicular to the z-axis.
  • This two-dimensional plane is not necessarily perpendicular to the z-axis, and may be slightly rotated about the x- or y-axis as long as it can be observed from the user's pupil 40.
  • the meaning that the plurality of second optical elements 20 are “arranged at intervals in the second direction” means that it is sufficient for the plurality of second optical elements 20 to be arranged at intervals from each other in the second direction. It should be noted that this does not necessarily mean that they must be arranged side by side on a straight line parallel to the second direction.
  • the spacing of the plurality of second optical elements 20 may all be the same, but of course, the spacing of at least some of them may be different.
  • the plurality of second optical elements 20 may be formed as thin plates extending in the first direction, that is, the x-axis direction.
  • each of the plurality of second optical elements 20 is inclined inside the second optical means 10 so as to transmit the virtual image light traveling through the inside of the second optical means 10 to the pupil 40. can be placed.
  • the plurality of second optical elements 20 have an appropriate inclination angle in consideration of the relative positions of the first optical means 50, the first optical element 80, and the pupil 40, and the second optical means 10 ) can be placed inside.
  • each of the plurality of second optical elements 20 can transmit the virtual image light transmitted by total reflection from the second surface 12 of the second optical means 10 to the pupil 40 in consideration of this optical path. It may be disposed at an inclination angle inside the second optical means 10 so that
  • each of the plurality of second optical elements 20 is shown in FIG. 9 so as not to block the virtual image light emitted from the first optical elements 80 and transmitted to the other second optical elements 20.
  • the further away from the first optical element 80 the closer to the second surface 12 of the second optical means 10.
  • the plurality of second optical elements 20 may be formed so that the height when viewed from the front is smaller than the average human pupil size, that is, 8 mm or less, preferably It can be formed to be less than 4mm.
  • the depth of field for light entering the pupil 40 can be greatly deepened, and therefore, even if the user changes the focal distance to the real world while gazing at the real world, the virtual image remains in focus regardless of this. can achieve a pinhole effect that always recognizes it as correct.
  • the height is too small, the diffraction phenomenon increases, so it is preferable to set it larger than 0.3 mm, for example.
  • the plurality of second optical elements 20 are reflection means that reflect incident light.
  • the plurality of second optical elements 20 have a reflectance of 100% or a high value close to it, such as full mirrors made of metal, for example, but they may also be half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of it.
  • the plurality of second optical elements 20 may be any one of a refractive element, a diffractive optical element, and a holographic optical element, or may be configured by a combination thereof.
  • a holographic optical element may be used as the first optical element 80 instead of a diffractive optical element. This also applies to all embodiments described later.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the eye box in the first direction (x-axis direction) in the conventional optical device 200 of FIGS. 2 to 4, where the optical device 200 is placed in front of the pupil 40. This is the front view.
  • the virtual image image light emitted from one point of the display unit 31 is emitted to the optical means 10 through the light conversion unit 32, and is reflected. It is reflected by the unit 20 and transmitted to the pupil 40.
  • the eyebox in the x-axis direction that is, in the first direction, is determined by the length of the light conversion unit 32 in the first direction.
  • the length of the light conversion unit 32 in the first direction is longer than that of FIG. 10(a). Accordingly, corresponding to the length of the light conversion unit 32, the reflector 20 is also arranged more along the x-axis direction (first direction), whereby the eye box in the first direction is shown in (a) of FIG. 10. It can be seen that it is wider than .
  • the eye box in the first direction is equal to the length of the light conversion unit 32 included in the image emitting unit 30. You can see that it depends. However, increasing the length of the light conversion unit 32 increases the form factor, complicates the design, and also complicates the manufacturing process.
  • the eyebox in the y-axis direction which is the vertical axis, is determined by the number of reflectors 20 arranged in the y-axis direction.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining the eye box in the first direction in the optical device 600 of FIGS. 18 to 20 when viewed in the direction indicated by A in FIG. 20.
  • the virtual image light emitted from one point of the image emitting unit 30 is totally reflected by the upper surface 51 and the lower surface 52 of the first optical means 50 and is transmitted to the first optical element 80. is passed on. Thereafter, the first optical element 80 emits virtual image light toward the second surface 12 of the second optical means 10.
  • the virtual image light emitted from the image emitting unit 30 is transmitted to the first optical element 80 while being totally reflected on the upper surface 51 and the lower surface 52 of the first optical means 50. It can be seen that the virtual image light is copied in the first direction (x-axis direction) and thus the eyebox in the first direction, that is, the x-axis direction, is expanded.
  • the eyebox in the y-axis direction which is the vertical axis, is determined by the number of second optical elements 20 arranged in the y-axis direction. Therefore, while maintaining the same eyebox in the vertical y-axis direction, the eyebox in the horizontal x-axis direction, that is, in the first direction, is larger in the optical device 600 of FIG. 21 than the optical device 200 in FIG. 10. You can see that it is wide.
  • FIGS. 22 to 24 are diagrams for explaining an optical device 700 according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a perspective view
  • FIG. 23 is a front view
  • FIG. 24 is a side view.
  • the optical device 700 of FIGS. 22 to 24 has the same basic principle as the optical device 600 of FIGS. 18 to 20, but the first optical element 80 is embedded within the first optical means 50. The difference is in how they are arranged.
  • optical device 700 is the same as those of the optical device 600 described above, so detailed description will be omitted.
  • FIGS. 25 to 27 are diagrams for explaining an optical device 800 according to another modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a perspective view
  • FIG. 26 is a front view
  • FIG. 27 is a side view.
  • the optical device 800 of FIGS. 25 to 27 is the same as the optical device 600 of FIGS. 18 to 20, except that the first optical element 80 is located inside the lower surface 52 of the first optical means 50. There is a difference in that it is placed in .
  • the first optical element 80 may be disposed on the lower outer surface of the lower surface 52 of the first optical means 50.
  • optical device 800 is the same as those of the optical device 600 described above, so detailed description will be omitted.
  • FIGS. 28 to 30 are diagrams for explaining an optical device 900 according to another modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a perspective view
  • FIG. 29 is a front view
  • FIG. 30 is a side view.
  • the optical device 900 of FIGS. 28 to 30 is the same as the optical device 600 of FIGS. 18 to 20, except that the plurality of second optical elements 20 each include a plurality of optical modules 21 in a pinpoint form. There is a difference in that it is composed of .
  • each of the plurality of second optical elements 20 is spaced apart from each other and appears in an array form when the optical device 900 is viewed from the front of the pupil 40, as shown. It consists of a plurality of optical modules 21 arranged so as to
  • Each of the plurality of optical modules 21 may be formed to have a size smaller than the size of a human pupil, that is, 8 mm or less, and preferably 4 mm or less, to obtain a pinhole effect by increasing the depth of field.
  • the size of the plurality of optical modules 21 is defined to mean the maximum length between any two points on the edge border of each optical module 21.
  • each optical module 21 is determined by projecting each optical module 21 on a plane that includes the center of the pupil 40 and is perpendicular to the straight line between the pupil 40 and the optical module 21. It can be the maximum length between any two points on the edge border of the orthographic projection.
  • the size is too small, the diffraction phenomenon increases, so it is preferable to make it larger than 0.3 mm, for example.
  • each of the plurality of optical modules 21 may have a circular shape.
  • optical modules 21 may be formed in an oval shape so that they appear circular when viewed from the pupil 40.
  • optical device 900 is the same as those of the optical device 600 described above, so detailed description will be omitted.
  • a plurality of second optical elements 20 may be configured as a plurality of pinpoint-shaped optical modules 21.
  • the first optical means 50 and the second optical means 10 may be formed integrally.
  • the virtual image image light inside the second optical means 10 is transmitted to the second optical element 20 through total reflection, but the virtual image light is transmitted to the second optical element 20 without total reflection or through total reflection two or more times. Of course, it can also be transmitted to the optical element 20.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

본 발명은, 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단; 상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제1 광학 수단의 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제1 광학 소자로 전달하는 광 변환부; 상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 광 변환부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 복수개의 제1 광학 소자; 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및 상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자를 포함하고, 상기 복수개의 제1 광학 소자는 상기 제1 광학 수단 내부에서 제1 방향으로 간격을 두고 배치되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자는 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 확장된 아이박스를 제공하는 동시에 소형 및 경량화에 적합한 증강 현실용 광학 장치에 관한 것이다.
증강 현실(AR, Augmented Reality)이라 함은, 주지된 바와 같이, 현실 세계의 실제 영상에 컴퓨터 등에 의해 제공되는 가상 영상을 겹쳐서 제공함으로써, 현실 세계의 시각 정보에서 확장된(augmented) 가상 영상 정보를 사용자에게 제공하는 기술을 의미한다.
이러한 증강 현실을 구현하기 위한 장치는, 가상 영상을 현실 세계의 실제 영상과 동시에 관찰할 수 있도록 하는 광학 합성기(optical combiner)를 필요로 한다. 이러한 광학 합성기로서는, 반거울(half mirror) 방식과 홀로그래픽/회절 광학 소자(Holographic/Diffractive Optical Elements : HOE/DOE) 방식 등이 알려져 있다.
반거울 방식은, 가상 영상의 투과율이 낮다는 문제점과 넓은 시야각을 제공하기 위해 부피 및 무게가 증가하므로 편안한 착용감을 제공하기 어렵다는 문제점이 있다. 부피와 무게를 줄이기 위하여 복수개의 소형 반거울을 도파로(waveguide) 내부에 배치하는 LOE(Light guide Optical Element) 등과 같은 기술도 제안되고 있으나, 이러한 기술 또한 도파로 내부에서 가상 영상의 화상광이 반거울을 여러번 통과해야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하고 제조상의 오차로 인해 광균일도가 쉽게 낮아질 수도 있는 한계가 있다.
또한, 홀로그래픽/회절 광학 소자 방식은, 일반적으로 나노 구조 격자나 회절 격자를 사용하는데, 이들은 매우 정밀한 공정으로 제작되기 때문에 제작 단가가 높고 양산을 위한 수율이 낮다는 한계점을 갖는다. 또한 파장 대역 및 입사 각도에 따른 회절 효율의 차이로 인하여 색상 균일도 측면 및 영상의 선명도가 낮다는 한계점을 갖는다. 홀로그래픽/회절 광학 소자는, 전술한 LOE와 같은 도파로와 함께 사용되는 경우가 많은데, 따라서 마찬가지의 문제점도 여전히 가지고 있다.
또한, 종래의 광학 합성기들은, 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 프리즘을 이용하거나 전기적으로 초점 거리를 제어할 수 있는 가변형 초점 렌즈를 이용하는 기술이 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 기술 또한 초점 거리를 조절하기 위하여 사용자가 별도의 조작을 해야 하고 또한 초점 거리 제어를 위한 별도의 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다는 점에서 문제가 있다.
이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 사람의 동공보다 작은 크기의 핀미러(pin mirror) 형태의 반사부를 이용하여 가상 영상을 동공을 통해 망막에 투영하는 기술을 개발한 바 있다(선행기술문헌 1 참조).
도 1은 선행기술문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10) 및 반사부(20)를 포함한다.
화상 출사부(30)는 가상 영상 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 가상 영상을 화면에 표시하고 표시된 가상 영상에 상응하는 가상 영상 화상광을 출사하는 마이크로 디스플레이 장치와 마이크로 디스플레이 장치로부터 출사하는 화상광을 반사부(20)로 전달하는 광 변환부를 구비할 수 있다. 여기에서, 광 변환부는 가상 영상 화상광이 의도된 광 경로 및 초점 거리를 따라 출사되도록 하는 수단으로서, 예컨대 가상 영상을 확대시킬 수 있도록 입사하는 가상 영상 화상광을 반사하여 출사하는 오목 거울이거나 입사광을 평행광으로 변환하여 출사하는 콜리메이터와 같은 광학 소자일 수 있다.
광학 수단(10)은 실제 세계의 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광을 동공(40)으로 투과시키는 한편 반사부(20)에서 반사된 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 출사하는 기능을 수행하는 수단이다.
광학 수단(10)은 예컨대 안경 렌즈와 같은 투명 수지(resin)재로 형성될 수 있으며, 안경테와 같은 프레임(미도시)에 의해 고정될 수 있다.
반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 반사시켜 사용자의 동공(40)을 향해 전달하는 수단이다.
반사부(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다.
도 1의 반사부(20)는 사람의 동공보다 작은 크기로 형성된다. 사람의 일반적인 동공의 크기는 4~8mm 정도인 것으로 알려져 있으므로, 반사부(20)는 바람직하게는 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하의 크기로 형성한다.
반사부(20)를 8mm 이하로 형성함으로써, 반사부(20)를 통해 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 매우 깊게 할 수 있다.
여기서, 심도라 함은, 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위를 말하는데, 심도가 깊어지면 그에 상응하여 가상 영상에 대한 초점 거리의 범위도 넓어진다. 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점이 항상 맞는 것으로 인식하게 된다. 이는 일종의 핀홀 효과(pinhole effect)라고 볼 수 있다.
따라서, 사용자가 실제 사물에 대한 초점 거리를 변경하더라도 사용자는 항상 선명한 가상 영상을 관찰할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 선행기술문헌 2에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.
도 2 내지 도 4의 증강 현실용 광학 장치(200)는 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 기본적인 원리는 동일하되, 시야각 및 아이박스를 넓힐 수 있도록 반사부(20)가 복수개의 반사 모듈로 구성되어 어레이(array) 형태로 광학 수단(10) 내부에 배치된다는 점과, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광이 광학 수단(10) 내면에서 전반사되어 반사부(20)로 전달된다는 점에서 차이가 있다.
도 2 내지 도 4에서 도면 부호 21 내지 26은 도 2에서와 같이 측면에서 보여지는 반사 모듈들만을 표기한 것이며, 반사부(20)는 복수개의 반사 모듈 전체를 통칭한 것이다.
복수개의 반사 모듈들 각각은 전술한 바와 같이 바람직하게는 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하의 크기로 형성된다.
도 2 내지 도 4에서, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사된 후 반사 모듈들로 전달되고, 반사 모듈들은 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 동공(40)으로 전달한다.
따라서, 반사 모듈들은 화상 출사부(30) 및 동공(40)의 위치를 고려하여 도시된 바와 같이 광학 수단(10)의 내부에서 적절한 경사각을 가지도록 배치되어야 한다.
이러한 증강 현실용 광학 장치(200)는, 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)에 비해 아이박스를 넓힐 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 증강 현실용 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 가로축 방향(x축 방향)의 아이박스는 화상 출사부(30)에 포함된 광 변환부의 길이에 의해 결정되고, 세로축 방향(y축 방향)의 아이박스는 반사부(21~26)의 배치 구조에 의해 결정된다.
따라서, 가로축 방향으로의 아이박스를 확장하기 위해서는 가로축 방향으로의 길이가 보다 긴 광 변환부를 사용해야 하지만, 광 변환부의 길이가 길어질 수록 크기, 무게, 부피 등의 폼 팩터가 커지고, 광경로의 설계가 복잡해진다는 문제가 있다.
또한, 증강 현실용 광학 장치(200)는, 화상 출사부(30)가 광 변환부를 포함하기 때문에, 이로 인하여 장치의 소형 및 경량화가 어렵다는 문제도 있다.
[선행기술문헌 1] 대한민국 공개특허공보 10-2018-0028339호(2018.03.16 공개)
[선행기술문헌 2] 대한민국 등록특허공보 10-2192942호(2020.12.18.공고)
본 발명은 확장된 아이박스를 제공하는 한편 소형 및 경량화가 가능한 컴팩트한 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, x축 및 y축의 2차원의 아이박스를 확장시키는 한편 광 변환부의 기능을 수행하는 수단을 광학 수단 내부에 배치함으로써 폼 팩터를 작게 유지할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 회절 광학 소자를 이용하여 확장된 아이박스를 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 확장된 아이박스를 갖는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단; 상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제1 광학 수단의 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제1 광학 소자로 전달하는 광 변환부; 상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 광 변환부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 복수개의 제1 광학 소자; 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및 상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자를 포함하고, 상기 복수개의 제1 광학 소자는, 상기 제1 광학 수단 내부에서 제1 방향으로 간격을 두고 배치되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 제1 방향은, 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.
또한, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 평행하지 않은 방향일 수 있다.
또한, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직할 수 있다.
또한, 상기 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면은, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 사용자의 동공에서 관측될 수 있는 2차원 평면일 수 있다.
또한, 상기 제2 방향은 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 수단의 제1 방향의 일단부에는 화상 출사부가 배치될 수 있다.
또한, 상기 광 변환부는, 상기 화상 출사부와 대향하도록 상기 제1 광학 수단의 내부에 매립되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 화상 출사부에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제1 광학 수단의 내부에서 전반사되어 상기 광 변환부로 전달되고, 상기 광 변환부에서 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 제1 광학 수단의 내부에서 전반사되어 상기 제1 광학 소자로 전달될 수 있다.
또한, 상기 광 변환부는, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단일 수 있다.
또한, 상기 광 변환부의 반사면은 상기 제1 광학 수단의 상면을 향하도록 제1 광학 수단의 내부에 매립 배치될 수 있다.
또한, 상기 광 변환부의 반사면은 상기 제1 광학 수단의 상면 방향으로 오목하게 형성된 곡면일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 상기 광 변환부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 상기 제2 광학 수단으로 출사시켜 전달할 수 있도록 상기 제1 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 증강 현실용 광학 장치를 동공 정면에 두고 바라 보았을 때 제1 방향에 대해 경사각을 가지는 동시에 측면에서 보았을 때에 상기 제2 방향에 대해 경사각을 가지도록 상기 제1 광학 수단 내부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들의 각각의 폭 방향의 길이는 상기 화상 출사부의 폭 방향의 길이에 상응하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 측면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 광학 모듈의 크기는 4mm 이하일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자 각각은, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 상기 제2 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고, 상기 제1 광학 소자에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자로 전달되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단의 내부에서 경사각을 가지고 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제1 방향으로 연장 형성되는 바(bar) 형상일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 정면에서 보았을 때의 높이가 4mm 이하일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 정면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 광학 모듈의 크기는 4mm 이하일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 수단과 제2 광학 수단은 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 회절 광학 소자를 이용한 아이박스 확장형 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단; 상기 제1 광학 수단에 배치되며, 상기 제1 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 제1 광학 소자; 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및 상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자를 포함하고, 상기 제1 광학 소자는, 회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자이고, 상기 제1 광학 소자는, 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 광학 수단에 배치되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 제1 방향은, 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.
또한, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 평행하지 않은 방향일 수 있다.
또한, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직할 수 있다.
또한, 상기 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면은, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 사용자의 동공에서 관측될 수 있는 2차원 평면일 수 있다.
또한, 상기 제2 방향은 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 수단의 제1 방향의 일단부에는 화상 출사부가 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는, 상기 제1 광학 수단의 상면, 하면 또는 내부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는, 증강 현실용 광학 장치를 동공 정면에 두고 측면에서 보았을 때 제2 방향에 대해 경사각을 가지도록 제1 광학 수단에 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자 각각은, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 상기 제2 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고, 상기 제1 광학 소자에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자로 전달되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단의 내부에서 경사각을 가지고 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제1 방향으로 연장 형성되는 판 형상일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 정면에서 보았을 때의 높이가 4mm 이하일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 정면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 광학 모듈의 크기는 4mm 이하일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 수단과 제2 광학 수단은 일체로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 확장된 아이박스를 제공하는 한편 소형 및 경량화가 가능한 컴팩트한 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은, x축 및 y축의 2차원의 아이박스를 확장시키는 한편 광 변환부를 광학 수단 내부에 배치함으로써 폼 팩터를 작게 유지할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 회절 광학 소자를 이용하여 확장된 아이박스를 갖는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 선행기술문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 선행기술문헌 2에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 사시도이고, 도 6은 정면도이고, 도 7은 측면도이다.
도 8은 제1 광학 소자(60)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 제2 광학 소자(20)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 2 내지 도 4의 종래의 광학 장치(200)에서의 제1 방향(x축 방향)으로의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 정면도이다.
도 11은 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)에서의 제1 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 동공(40)에서 도 7의 A 방향으로 바라보았을 때의 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 제1 실시예의 변형 실시예에 의한 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 12는 사시도이고, 도 13은 정면도이고, 도 14는 측면도이다.
도 15 내지 도 17는 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 변형 실시예에 의한 광학 장치(500)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 15는 사시도이고, 도 16은 정면도이고, 도 17은 측면도이다.
도 18 내지 도 20은 본 발명의 제2 실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(600)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 18은 사시도이고, 도 19는 정면도이고, 도 20은 측면도이다.
도 21은 도 18 내지 도 20의 광학 장치(600)에서의 제1 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 20의 A로 나타낸 방향으로 바라보았을 때의 도면이다.
도 22 내지 도 24는 본 발명의 제2 실시예의 변형 실시예에 의한 광학 장치(700)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 22는 사시도이고, 도 23은 정면도이고, 도 24는 측면도이다.
도 25 내지 도 27은 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 변형 실시예에 의한 광학 장치(800)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 25는 사시도이고, 도 26은 정면도이고, 도 27은 측면도이다.
도 28 내지 도 30은 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 변형 실시예에 의한 광학 장치(900)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 28은 사시도이고, 도 29는 정면도이고, 도 30은 측면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
[제1 실시예]
도 5 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 의한 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 사시도이고, 도 6은 정면도이고, 도 7은 측면도이다.
다만, 도 7에서 설명의 편의를 위해 화상 출사부(30)는 투명한 것으로 나타내었다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치(300, 이하 간단히 "광학 장치(300)"라 한다)는, 제1 광학 수단(50), 광 변환부(70), 제1 광학 소자(60), 제2 광학 수단(10) 및 제2 광학 소자(20)를 포함한다.
제1 광학 수단(50)은, 화상 출사부(30)로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 수단으로서, 도파관(waveguide)으로서의 기능을 수행한다.
제1 광학 수단(50) 내부에는, 후술하는 바와 같이 복수개의 제1 광학 소자(60)들이 매립 배치된다.
또한, 제1 광학 수단(50)의 내부에는 광 변환부(70)가 매립 배치된다.
제1 광학 수단(50)은 도시된 바와 같이 대체로 직육면체 형상을 가질 수 있으며, 투명한 수지재나 유리 소재로 형성될 수 있다.
제1 광학 수단(50)의 일단부에는 도시된 바와 같이 화상 출사부(30)가 배치된다.
화상 출사부(30)는 가상 영상(virtual image)에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단이다. 여기에서, 가상 영상이란 사용자에게 제공되는 증강 현실용 화상을 의미하며, 이미지 또는 동영상일 수 있다.
화상 출사부(30)는, 소형의 LCD, OLED, LCoS, 마이크로 LED 등과 같이 종래 알려져 있는 가상 영상을 표시하는 디스플레이부를 포함한다. 다만, 본 발명의 광학 장치(300)에서는 광 변환부(70)가 제1 광학 수단(50) 내부에 배치되기 때문에 화상 출사부(30)에는 앞서 배경 기술에서 설명한 도 2 내지 도 4에서와 같은 기능을 수행하는 광 변환부가 포함되지 않는다.
한편, 화상 출사부(30)는 디스플레이부와 결합하는 반사 수단, 굴절 수단 및 회절 수단 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 구성되는 광학 소자를 더 포함할 수 있다.
이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.
가상 영상 화상광은 화상 출사부(30)로부터 출사되어 제1 광학 수단(50)의 내부에서 전반사되어 광 변환부(70)로 전달될 수 있다. 도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 광 변환부(70)로 전달된다.
이 경우, 화상 출사부(30)의 표면이 제1 광학 수단(50)의 상면(51)을 향하도록 경사지게 배치되고, 화상 출사부(30)가 배치되는 제1 광학 수단(50)의 일단부도 화상 출사부(30)의 경사각에 상응하도록 경사지게 형성될 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것이며, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 전반사 없이 또는 2회 이상의 전반사를 통해 광 변환부(70)로 전달될 수 있다. 이러한 경우, 화상 출사부(30)와 제1 광학 수단(50)의 형상 및 경사각은 다른 형태 및 배치 구조를 가질 수 있음은 물론이다.
광 변환부(70)는, 제1 광학 수단(50) 내부에 매립 배치되며, 제1 광학 수단(50)의 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제1 광학 소자(60)로 전달하는 수단이다.
광 변환부(70)는, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(30)와 대향하도록 제1 광학 수단(50)의 내부에 매립되어 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 광 변환부(70)로 전달될 수 있으며, 광 변환부(70)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 내부에서 전반사되어 제1 광학 소자(60)로 전달될 수 있다.
도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 광 변환부(70)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 제1 광학 소자(60)로 전달된다.
광 변환부(70)는 이러한 광 경로에 기초하여 화상 출사부(30) 및 제1 광학 소자(60)의 상대적인 위치에 따라 제1 광학 수단(50)의 내부에서 적절한 경사각을 가지고 배치된다.
한편, 광 변환부(70)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 초점 거리가 의도된 화상광으로서, 예컨대 광 변환부(70)는 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사 수단일 수 있다. 바람직하게는, 광 변환부(70)는 가상 영상이 확대되도록 가상 영상 화상광을 반사하여 출사하는 오목 거울이다.
이 경우, 광 변환부(70)의 반사율은 100% 또는 이에 근접한 높은 값을 갖는 예컨대 금속 재질의 완전 미러(full mirror)인 것이 바람직하지만, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러(half mirror)일 수도 있다.
광 변환부(70)가 반사 수단인 경우, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사면(71)이 제1 광학 수단(50)의 상면(51)을 향하도록 제1 광학 수단(50)의 내부에 매립되어 배치될 수 있다.
여기에서, 상기 반사면(71)의 중심으로부터 수직 방향으로의 직선과 제1 광학 수단(50)의 상면(51)은 서로 평행하지 않도록 경사지게 배치될 수 있다.
한편, 광 변환부(70)의 반사면(71)은 곡면으로 형성될 수 있다. 예컨대, 광 변환부(70)의 반사면(71)은 도시된 바와 같이 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 방향에 대해 오목하게 형성될 수 있다.
한편, 광 변환부(70)는 입사하는 가상 영상 화상광을 평행광으로 변환하여 출사하는 콜리메이터로 구현될 수도 있다.
또한, 광 변환부(70)는, 반사 수단 이외의 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다. 또는, 반사 수단, 굴절 소자 및 회절 소자 중 적어도 2 이상의 조합에 의해 구성될 수도 있다.
또한, 광 변환부(70)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 광 변환부(70)의 반사면(71)의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.
한편, 광 변환부(70)는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 도 7의 A로 나타낸 방향에서 바라보았을 때, 중앙 부분이 오목하게 형성되어 전체적으로 완만한 "U"자의 바(bar) 형태로 형성될 수 있다.
한편, 광 변환부(70)는 도 7에 나타낸 바와 같이 측면에서 바라 보았을 때 그 길이가 제1 광학 소자(60)의 길이에 상응하거나 이보다 약간 길게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 복수개의 제1 광학 소자(60)는, 제1 광학 수단(50) 내부에 매립 배치되며, 광 변환부(70)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 출사시키는 수단이다.
복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 제1 광학 수단(50) 내부에서 제1 방향으로 간격을 두고 배치된다.
여기에서, 제1 방향은, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때 관측될 수 있는 가상의 선분에 평행한 방향일 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 평행한 방향을 제외한 임의의 방향일 수 있다.
또한, 제1 방향은, 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것이 바람직하다. 도 5 내지 도 7의 실시예에서 제1 방향은 x축 방향에 해당한다.
복수개의 제1 광학 소자(60)들은 이러한 제1 방향으로 간격을 두고 배치되는데, 반드시 제1 방향에 평행한 직선을 따라 나란히 정렬되어 배치되어야 하는 것은 아니라는 점을 유의해야 한다. 즉, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은 제1 방향으로 서로 이격되어 배치되기만 하면 충분하다. 이에 대해서는 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 제1 광학 소자(60)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 바라본 정면도로서, 제1 방향과 제1 광학 소자(60)만을 나타낸 것이다.
우선, 도 8의 (a)를 참조하면, 광학 장치(300)를 정면에 두고 바라 보았을 때 복수개의 제1 광학 소자(60) 각각의 중심이 제1 방향(x축 방향)에 평행한 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.
또한, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 정면에 두고 바라 보았을 때 복수개의 제1 광학 소자(60) 각각의 중심이 제1 방향에 대해 경사각을 갖는 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.
또한, 도 8의 (c)에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 정면에 두고 바라 보았을 때 복수개의 제1 광학 소자(60) 각각의 중심이 완만한 "C"자 형태의 곡선상에 위치하도록 이격 배치될 수도 있다. 이는 도 6에 도시된 바와 동일하다.
이와 같이, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은 제1 방향으로 간격을 두고 배치되기만 하면 충분하고, 반드시 제1 방향에 평행한 직선을 따라 나란히 정렬되어 배치되어야 하는 것은 아니다.
한편, 복수개의 제1 광학 소자(60)들 중 일부의 제1 광학 소자(60)들만이 이와 같은 배치 구조를 가질 수 있다.
이러한 배치 구조 이외에도, 제1 광학 소자(60)는, 화상 출사부(30), 광 변환부(70), 제2 광학 수단(10), 제2 광학 소자(20) 및 동공(40)의 상대적인 위치 관계, 경사각, 전반사 등의 여러가지 조건에 따라 다르게 배치될 수 있음은 물론이다.
또한, 복수개의 제1 광학 소자(60)들의 간격은 모두 동일할 수 있지만, 적어도 일부의 간격을 다르게 할 수도 있음은 물론이다.
한편, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 광 변환부(70)로부터 출사한 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 전달할 수 있도록 제1 광학 수단(50) 내부에서 경사지도록 배치된다. 즉, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은 광 변환부(70)와 제2 광학 수단(10)의 위치를 고려하여 제1 광학 수단(50) 내부에서 경사지게 배치될 수 있다.
도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 전술한 바와 같이, 광 변환부(70)에서 출사된 가상 영상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 복수개의 제1 광학 소자(60)로 전달되고, 제1 광학 소자(60)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달될 수 있다.
따라서, 도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 이러한 광 경로를 고려하여, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 바라 보았을 때 제1 방향에 대해 경사각을 가지는 동시에 측면에서 보았을 때에는 제2 방향에 대해서도 경사각을 가지도록 제1 광학 수단(50) 내부에 배치될 수 있다.
여기에서, 제2 방향은 후술하는 바와 같이 복수개의 제2 광학 소자(20)가 제2 광학 수단(10)에서 배치되는 방향이다.
이러한 제2 방향은 제1 방향과 평행하지 않은 방향일 수 있다.
또한, 제2 방향은, 제1 방향에 수직한 방향일 수 있다.
또한, 제2 방향은, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 증강 현실용 광학 장치(300)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면이 사용자의 동공(40)에서 관측될 수 있는 2차원 평면이 되도록 하는 방향일 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 제1 방향은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때, 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있으며, 이 경우 제2 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 상기 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.
이를 위하여, 제2 광학 수단(10)의 상면(13)을 측면에서 보았을 때 경사지도록 형성하고, 제1 광학 수단(50)을 제2 광학 수단(10)의 상면(13)에 배치할 수 있다.
이 경우, 복수개의 제1 광학 소자(60)들 각각은 화상 출사부(30)로부터 출사하여 다른 제1 광학 소자(60)들로 전달되는 가상 영상 화상광을 차단하지 않도록 앞서 도 8의 (b) 또는 (c)에 나타낸 바와 같이 화상 출사부(30)로부터 멀어질수록 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에 더 가까워지도록 배치될 수 있다.
한편, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 예컨대 직사각형 형태로 형성될 수 있으며, 각각의 폭 방향의 길이는 화상 출사부(30)의 폭 방향의 길이에 상응하도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 측면에서 보았을 때의 높이가 사람의 평균적인 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수도 있다.
또한, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것이 바람직하다.
이 경우, 복수개의 제1 광학 소자(60)의 반사율 또한 100% 또는 이에 근접한 높은 값을 갖는 예컨대 금속 재질의 완전 미러(full mirror)인 것이 바람직하지만, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러(half mirror)일 수도 있다.
또한, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성할 수도 있다.
제2 광학 수단(10)은, 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 수단이다. 또한, 제2 광학 수단(10)은 제1 광학 소자(60)로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 도파관으로서의 역할도 수행한다.
제2 광학 수단(10) 또한 투명한 수지재나 유리재로 형성될 수 있다.
제2 광학 수단(10)은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공(40)을 향해 출사되는 제1 면(11)과, 상기 제1 면(11)에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면(12)과, 제1 광학 수단(50)이 배치되는 제3 면(13)을 갖는다.
화상 출사부(30), 광 변환부(70) 및 제1 광학 소자(60)을 통해 제2 광학 수단(10)으로 전달된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 동공(40)으로 전달되고, 실제 사물 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12) 및 제1 면(11)을 투과하여 동공(40)으로 전달되기 때문에, 사용자는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광을 동시에 제공받을 수 있고, 이에 의해 증강 현실 서비스를 제공받을 수 있다.
복수개의 제2 광학 소자(20)는, 제2 광학 수단(10) 내부에 매립 배치되며, 제2 광학 수단(10) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 수단이다.
복수개의 제2 광학 소자(20)들은 제2 방향으로 간격을 두고 배치된다.
여기에서, 제2 방향은 앞서 설명한 바와 같이, 제1 방향에 평행하지 않은 방향일 수 있으며, 제1 방향에 수직한 방향일 수도 있다.
또한, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 제2 방향은, 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면이 사용자의 동공(40)에서 관측될 수 있는 2차원 평면이 되도록 하는 방향일 수 있다.
또한, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향이 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 경우, 제2 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.
예를 들면, 도 5 내지 도 7의 실시예에서 제1 방향은 x축 방향이므로, 제2 방향은 x축에 수직하면서 동공(40)에서 정면 방향의 직선인 z축에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 y축에 해당할 수 있다. 따라서, 제1 방향(x축 방향)과 제2 방향(y축 방향)에 의해 구성되는 가상의 평면은 z축에 수직한 2차원의 x-y 평면이 된다.
이러한 2차원 평면은 반드시 z축에 수직할 필요는 없으며, 사용자의 동공(40)에서 관찰될 수 있기만 하면 x축 또는 y축을 중심으로 약간 회전되더라도 상관없다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)들이 "제2 방향으로 간격을 두고 배치"된다는 의미는, 앞서 제1 광학 소자(60)에서 설명한 바와 마찬가지로, 복수개의 제2 광학 소자(20)들이 제2 방향에 대해 서로 이격되어 배치되기만 하면 충분하다는 의미이지, 반드시 제2 방향에 평행한 직선상에 나란히 정렬되어 배치되어야 한다는 것이 아니라는 점을 유의해야 한다.
도 9는 제2 광학 소자(20)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때 측면에서 바라 본 측면도로서, 제2 방향과 제2 광학 소자(20)만을 나타낸 것이다.
도 9의 (a)를 참조하면, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 보았을 때 각각의 중심이 제2 방향(y축 방향)에 평행한 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.
또한, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 보았을 때 각각의 중심이 제2 방향(y축 방향)에 대해 경사각을 갖는 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.
또한, 도 9의 (c)에 나타낸 바와 같이, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 보았을 때 각각의 중심이 완만한 "C"자형의 곡선 상에 위치하도록 이격 배치될 수도 있다. 이는 도 7에 도시된 바와 동일하다.
여기에서, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 중 일부의 제1 광학 소자(20)들만이 이와 같은 배치 구조를 가질 수 있다.
이러한 배치 구조 이외에도, 화상 출사부(30), 광 변환부(70), 제1 광학 수단(50), 제1 광학 소자(60), 제2 광학 수단(10) 및 동공(40)의 상대적인 위치 관계, 경사각, 전반사 등의 여러가지 조건에 따라 다르게 배치될 수 있음은 물론이다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)들의 간격은 모두 동일할 수 있지만, 적어도 일부의 간격을 다르게 할 수도 있음은 물론이다.
한편, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 도시된 바와 같이, 제1 방향 즉, x축 방향으로 연장 형성되는 바(bar) 형상일 수 있다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각은, 제2 광학 수단(10) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단(10) 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다. 이 경우, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 제1 광학 수단(50), 제1 광학 소자(60) 및 동공(40)의 상대적인 위치를 고려하여 적절한 경사각을 가지고 제2 광학 수단(10) 내부에 배치될 수 있다.
도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 제1 광학 소자(60)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자(20)로 전달된다. 따라서, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각은 이러한 광 경로를 고려하여 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단(10)의 내부에서 경사각을 가지고 배치될 수 있다.
이 경우, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 각각은 제1 광학 소자(60)들로부터 출사하여 다른 제2 광학 소자(20)들로 전달되는 가상 영상 화상광을 차단하지 않도록 도 9의 (b) 또는 (c)에 나타낸 바와 같이 제1 광학 소자(60)로부터 멀어질수록 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 더 가까워지도록 배치될 수 있다.
한편, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 도 6에 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때의 높이가 사람의 평균적인 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수 있다.
이에 의하여, 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 매우 깊게 할 수 있고, 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 하는 핀홀 효과를 얻을 수 있다.
다만, 높이가 지나치게 작은 경우에는 회절 현상이 커지기 때문에, 예컨대 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)는 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것이 바람직하다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)의 반사율은 100% 또는 이에 근접한 높은 값을 갖는 예컨대 금속 재질의 완전 미러인 것이 바람직하지만, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수도 있다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)는, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성할 수도 있다.
다음으로, 도 10 및 도 11을 참조하여 광학 장치(300)에 의한 아이박스의 확장 원리에 대해 설명한다.
도 10은 도 2 내지 도 4의 종래의 광학 장치(200)에서의 제1 방향(x축 방향)에 대한 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 정면도이다.
도 10의 (a)의 광학 장치(200)를 참조하면, 디스플레이부(31)의 한 점에서 출사된 가상 영상 화상광은 광 변환부(32)를 통해 광학 수단(10)으로 출사되고, 반사부(20)에 의해 반사되어 동공(40)으로 전달된다. 이 때, x축 방향 즉, 제1 방향으로의 아이박스는 광 변환부(32)의 제1 방향의 길이에 의해 결정된다.
도 10의 (b)의 광학 장치(200)는 다른 조건은 모두 동일하되 광 변환부(32)의 제1 방향의 길이가 도 10의 (a)보다 길다. 따라서, 광 변환부(32)의 길이에 상응하여 반사부(20) 또한 x축 방향(제1 방향)을 따라 보다 많이 배치되어 있으며, 이에 의해 제1 방향의 아이박스는 도 10의 (a)에 비해 넓어진다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 도 2 내지 도 4와 같은 종래의 광학 장치(200)에서는, 제1 방향(x축 방향)으로의 아이박스는 화상 출사부(30)에 포함된 광 변환부(32)의 길이에 의존한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 광 변환부(32)의 길이를 길게 하면, 폼 팩터를 증가시키고 설계가 복잡해지며 제조 과정 또한 복잡하다는 문제를 발생시킨다.
한편, 도 10에서 세로축인 y축 방향으로의 아이박스는 y축 방향으로 배치되는 반사부(20)의 개수에 의해 결정된다.
도 11은 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)에서의 제1 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7의 A로 나타낸 방향으로 바라보았을 때의 도면이다.
도 11을 참조하면, 디스플레이부 즉, 화상 출사부(30)의 한 점에서 출사한 가상 영상 화상광들은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 광 변환부(70)로 전달된다. 그리고, 광 변환부(70)에서 출사한 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 다시 전반사되어 제1 광학 소자(60)로 전달된다. 이후, 제1 광학 소자(60)는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사한다.
따라서, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서의 전반사에 의해 광 변환부(70)를 거쳐 복수개의 제1 광학 소자(60)로 전달되기 때문에, 제1 방향(x축 방향)으로 가상 영상 화상광이 복제되고 따라서 제1 방향 즉, x축 방향으로의 아이박스가 확장된다는 것을 알 수 있다.
도 11에서도, 세로축인 y축 방향으로의 아이박스는 y축 방향으로 배치되는 제2 광학 소자(20)의 개수에 의해 결정된다. 따라서, 세로축인 y축 방향으로의 아이박스를 동일하게 유지하면서도, 가로축인 x축 방향 즉, 제1 방향으로의 아이박스는 도 11의 광학 장치(300)가 도 10의 광학 장치(200) 보다 넓다는 것을 알 수 있다.
더욱이, 도 11의 광학 장치(300)는 광 변환부(70)가 제1 광학 수단(50)의 내부에 매립 배치되기 때문에, 화상 출사부(30)에 광 변환부를 사용할 필요가 없다. 따라서, 광학 장치(300)의 전체적인 폼 팩터를 작게 할 수 있고, 이에 의해 x축 및 y축 방향으로의 2차원의 아이박스를 확장시키는 한편 소형 및 경량화가 가능한 광학 장치(300)를 제공할 수 있다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 제1 실시예의 변형 실시예에 의한 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 12는 사시도이고, 도 13은 정면도이고, 도 14는 측면도이다.
도 12 내지 도 14의 광학 장치(400)는, 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)와 기본적인 원리는 동일하되, 복수개의 제1 광학 소자(60)들 각각이 복수개의 핀 포인트 형태의 광학 모듈(61)로 구성된다는 점에서 차이가 있다.
즉, 광학 장치(400)에서, 복수개의 제1 광학 소자(60)들 각각은, 광학 장치(400)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 바라 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈(61)로 구성될 수 있다.
복수개의 광학 모듈(61)들 각각은, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수 있다.
복수개의 광학 모듈(61)의 크기는, 각 광학 모듈(61)의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 각각의 광학 모듈(61)의 크기는, 동공(40)과 광학 모듈(61) 사이의 직선에 수직하면서 동공(40)의 중심을 포함하는 평면에 각각의 광학 모듈(61)을 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
다만, 크기가 지나치게 작은 경우에는 회절 현상이 커지기 때문에, 예컨대 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 복수개의 광학 모듈(61)들 각각의 형상은 원형일 수 있다.
또한, 동공(40)에서 광학 모듈(61)들을 바라보았을 때 원형으로 보이도록 타원형으로 형성할 수도 있다.
이를 제외하면, 광학 장치(400)의 다른 구성은 앞서 설명한 광학 장치(300)에서와 동일하므로 상세 설명은 생략한다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 변형 실시예에 의한 광학 장치(500)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 15는 사시도이고, 도 16은 정면도이고, 도 17은 측면도이다.
도 15 내지 도 17의 광학 장치(500)는, 도 12 내지 도 14의 광학 장치(400)와 동일하되, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각이 핀포인트 형태의 복수개의 광학 모듈(21)로 구성된다는 점에서 차이가 있다.
즉, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 각각은, 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈(21)로 구성된다.
이러한 광학 모듈(21)들의 크기 및 형상은 앞서 도 12 내지 도 14에서 설명한 광학 모듈(61)과 마찬가지이므로 이들에 대한 상세 설명은 생략한다.
다만, 광학 모듈(21)과 광학 모듈(61)의 크기는 동일할 필요는 없으며, 서로 다르게 해도 무방하다.
한편, 도시하지는 않았으나, 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)에서도 복수개의 제2 광학 소자(20)들을 복수개의 핀 포인트 형태의 광학 모듈(21)로 구성할 수도 있음은 물론이다.
[제2 실시예]
다음으로, 본 발명에 의한 제2 실시예를 설명한다.
본 발명에 의한 제2 실시예는 전술한 제1 실시예와 유사하되, 회절 광학 소자를 이용한다는 점을 특징으로 한다.
도 18 내지 도 20은 본 발명의 제2 실시예에 의한 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치(600)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 18은 사시도이고, 도 19는 정면도이고, 도 20은 측면도이다.
다만, 도 20에서 설명의 편의를 위해 화상 출사부(30)는 투명한 것으로 나타내었다.
도 18 내지 도 20을 참조하면, 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치(600, 이하 간단히 "광학 장치(600)"라 한다)는, 제1 광학 수단(50), 제1 광학 소자(80), 제2 광학 수단(10) 및 제2 광학 소자(20)를 포함한다.
제1 광학 수단(50)은, 화상 출사부(30)로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 수단으로서, 도파관(waveguide)의 역할을 수행한다.
제1 광학 수단(50)에는 후술하는 바와 같이 제1 광학 소자(80)가 배치된다.
도 18 내지 도 20에서는, 제1 광학 소자(80)는 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 위에 배치되어 있다.
제1 광학 수단(50)은 도시된 바와 같이 대체로 직육면체 형상을 가질 수 있으며, 투명한 수지재나 유리 소재로 형성될 수 있다.
제1 광학 수단(50)의 일단부에는 도시된 바와 같이 화상 출사부(30)가 배치된다.
화상 출사부(30)는, 가상 영상(virtual image)에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단이다. 여기에서, 가상 영상이란 사용자에게 제공되는 증강 현실용 화상을 의미하며, 이미지 또는 동영상일 수 있다.
화상 출사부(30)는, 소형의 LCD, OLED, LCoS, 마이크로 LED 등과 같이 종래 알려져 있는 가상 영상을 표시하는 디스플레이부와 디스플레이부에서 출사되는 가상 영상 화상광을 제1 광학 소자(80)로 전달하는 광 변환부(미도시)를 포함할 수 있다.
배경 기술 항목에서 설명한 바와 같이, 광 변환부는 가상 영상 화상광이 의도된 광 경로 및 초점 거리를 따라 출사되도록 하는 수단으로서, 예컨대 가상 영상을 확대시킬 수 있도록 입사하는 가상 영상 화상광을 반사하여 출사하는 오목 거울이거나 입사광을 평행광으로 변환하여 출사하는 콜리메이터와 같은 광학 소자일 수 있다.
화상 출사부(30)는, 디스플레이부 및 광 변환부 이외에 이들과 결합하는 반사 수단, 굴절 수단 및 회절 수단 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 구성될 수도 있다.
이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.
가상 영상 화상광은 화상 출사부(30)로부터 출사되어 제1 광학 수단(50)의 내부에서 전반사되어 제1 광학 소자(80)로 전달될 수 있다. 도 18 내지 도 20의 실시예에서는, 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 및 하면(52)에서 전반사되어 제1 광학 소자(80)로 전달된다.
이 경우, 화상 출사부(30)의 표면이 제1 광학 수단(50)의 상면(51)을 향하도록 경사지게 배치되고, 화상 출사부(30)가 배치되는 제1 광학 수단(50)의 일단부도 화상 출사부(30)의 경사각에 상응하도록 경사지게 형성될 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것이며, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 전반사 없이 제1 광학 소자(80)로 직접 전달될 수 있다. 이러한 경우, 화상 출사부(30)와 제1 광학 수단(50)의 형상 및 경사각은 다른 형태 및 배치 구조를 가질 수 있음은 물론이다.
제1 광학 소자(80)는, 제1 광학 수단(50)에 배치되며, 제1 광학 수단(50) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 출사하는 기능을 수행한다.
제1 광학 소자(80)는, 도시된 바와 같이 제1 방향으로 연장된 얇은 판(plate) 형태로 형성되어 제1 광학 수단(50)에 배치될 수 있다. 여기에서, 상기 얇은 판의 법선은 후술하는 바와 같이 제2 광학 수단(10)의 제2 면(20)을 향하도록 배치될 수 있다.
도 18 내지 도 20에서 제1 광학 소자(80)는 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 위 즉, 상면(51) 바깥쪽에 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 상면(51) 안쪽에 배치될 수도 있다.
또한, 후술하는 실시예에서와 같이 제1 광학 수단(50)의 하면(52)의 바깥쪽 또는 안쪽에 배치될 수도 있다. 또한, 제1 광학 수단(50)의 내부에 배치될 수도 있다.
제1 광학 수단(50)은 제1 방향으로 연장되는데, 여기에서, "제1 방향"은 도 18 내지 도 20에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때 관측될 수 있는 가상의 선분에 평행한 방향일 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 평행한 방향을 제외한 임의의 방향일 수 있다.
또한, 제1 방향은, 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것이 바람직하다. 도 18 내지 도 20의 실시예에서 제1 방향은 x축 방향에 해당한다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 있어서, 제1 광학 소자(80)는 회절 광학 소자로 구현된 것을 특징으로 한다. 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element, DOE)란, 회절 현상을 통해 입사광을 굴절 또는 반사시키는 광학 소자를 의미한다. 즉, 회절 광학 소자는 빛의 회절 현상을 이용하여 여러 가지 광학적 기능을 제공하는 광학 소자이다.
회절 광학 소자는 수차(aberration)가 없는 점대점(point-to-point) 이미지 및 평판형 구조가 가능하며 비구면과 같은 수차 조절이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 회절 광학 소자는 수 ㎛의 매우 얇은 두께를 갖지만, 수 mm의 두께를 갖는 일반적인 렌즈나 프리즘, 거울과 유사한 역할을 하기 때문에 광학계의 부피와 무게를 줄이는 데 유리하다.
특히, 회절 광학 소자는 회절 현상의 파장 의존적인 특성으로 인하여, 나노 구조물의 설계 파장 대역과 일치하는 빛에 대해서만 굴절 또는 반사 소자로 작동하며, 그 이외의 파장 대역에서는 빛을 단순 통과시키는 창(window) 역할을 한다.
회절 광학 소자는 반사형 회절 광학 소자와 투과형 회절 광학 소자로 구분될 수 있으며, 반사형 회절 소자라 함은 특정 방향과 위치에서 입사하는 광을 반사시키는 성질을 이용한 회절 소자를 의미하며, 투과형 회절 소자라 함은 특정 방향과 위치에서 입사하는 광을 투과시키는 성질을 이용한 회절 소자를 의미한다.
본 발명에서는 이러한 회절 광학 소자를 이용하여 제1 광학 소자(80)를 구현함으로써, 화상 출사부(30)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제1 방향으로 복제하여 아이박스를 확장시키는 한편, 입사하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 전달할 수 있다.
이러한 회절 광학 소자, 반사형 회절 광학 소자 및 투과형 회절 광학 소자의 기본적인 구성이나 특성 자체는 종래 기술에 의해 알려져 있으므로 여기서는 상세 설명은 생략한다.
이러한 회절 광학 소자를 이용하면, 투명도를 높여 투시 영상의 밝기를 보다 더 확보하고, 광학 합성기 구조가 외부에서 관찰되지 않기 때문에 제품의 외관이 일반 안경과 유사한 심미성이 더 좋은 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 제1 광학 소자(80)는, 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 전달할 수 있도록 적절한 경사각을 가지고 제1 광학 수단(50)에 배치된다.
도 18 내지 도 20의 실시예에서는, 회절 광학 소자로 구현된 제1 광학 소자(80)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달된다.
따라서, 도 18 내지 도 20의 실시예에서 제1 광학 소자(80)는, 이러한 광 경로를 고려하여, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 바라 보았을 때 도 20에 나타낸 바와 같이 제2 방향에 대해 경사각을 가지도록 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 바깥쪽에 배치될 수 있다.
여기에서, 제2 방향은, 후술하는 바와 같이, 복수개의 제2 광학 소자(20)가 제2 광학 수단(10)에서 배치되는 방향이다.
이러한 제2 방향은 제1 방향과 평행하지 않은 방향일 수 있다.
또한, 제2 방향은, 제1 방향에 수직한 방향일 수 있다.
또한, 제2 방향은, 도 18 내지 도 20에 나타낸 바와 같이, 증강 현실용 광학 장치(600)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면이 사용자의 동공(40)에서 관측될 수 있는 2차원 평면이 되도록 하는 방향일 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 제1 방향은 광학 장치(600)를 동공(40) 정면에 두었을 때, 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있으며, 이 경우 제2 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 상기 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.
이를 위하여, 도 20에 나타낸 바와 같이, 제2 광학 수단(10)의 상면(13)을 측면에서 보았을 때 경사지도록 형성하고, 제1 광학 수단(50)을 제2 광학 수단(10)의 상면(13)에 배치할 수 있다.
제1 광학 소자(80)는 예컨대 그 표면이 직사각형 형태인 얇은 판 형상일 수 있다. 이 경우, 측면에서 보았을 때의 제1 광학 소자(80)의 폭 방향의 길이는 화상 출사부(30)의 폭 방향의 길이에 상응하도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 광학 소자(80)는 가상 영상 화상광이 입사 및 출사하는 면이 제1 방향으로 연장 형성되어, 가상 영상 화상광에 대한 아이박스를 제1 방향으로 확장시킨다.
제2 광학 수단(10)은 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 수단이다. 또한, 제2 광학 수단(10)은 제1 광학 소자(80)로부터 전달되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 도파관으로서의 역할도 수행한다.
제2 광학 수단(10) 또한 투명한 수지재나 유리재로 형성될 수 있다.
제2 광학 수단(10)은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공(40)을 향해 출사되는 제1 면(11)과, 상기 제1 면(11)에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면(12)과, 제1 광학 수단(50)이 배치되는 제3 면(13)을 갖는다.
화상 출사부(30) 및 제1 광학 소자(80)을 통해 제2 광학 수단(10)으로 전달된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 동공(40)으로 전달되고, 실제 사물 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12) 및 제1 면(11)을 투과하여 동공(40)으로 전달되기 때문에, 사용자는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광을 동시에 제공받을 수 있고, 이에 의해 증강 현실 서비스를 제공받을 수 있다.
복수개의 제2 광학 소자(20)는 제2 광학 수단(10) 내부에 매립 배치되며, 제2 광학 수단(10) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 수단이다.
복수개의 제2 광학 소자(20)들은 제2 방향으로 간격을 두고 배치되며, 실제 사물 화상광은 제2 광학 소자(20)들 사이의 간격에 의한 공간을 통해 동공(40)으로 전달된다.
여기에서, 제2 방향은 앞서 설명한 바와 같이, 제1 방향에 평행하지 않은 방향일 수 있다. 또한, 제2 방향은 제1 방향에 수직한 방향인 것이 바람직하다.
또한, 도 18 내지 도 20에 나타낸 바와 같이, 제2 방향은, 광학 장치(600)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면이 사용자의 동공(40)에서 관측될 수 있는 2차원 평면이 되도록 하는 방향일 수 있다.
또한, 광학 장치(600)를 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향이 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 경우, 제2 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.
예를 들면, 도 18 내지 도 20의 실시예에서 제1 방향은 x축 방향이므로, 제2 방향은 x축에 수직하면서 동공(40)에서 정면 방향의 직선인 z축에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 y축에 해당한다. 따라서, 제1 방향(x축 방향)과 제2 방향(y축 방향)에 의해 구성되는 가상의 평면은 z축에 수직한 2차원의 x-y 평면이 된다.
이러한 2차원 평면은 반드시 z축에 수직할 필요는 없으며, 사용자의 동공(40)에서 관찰될 수 있기만 하면 x축 또는 y축을 중심으로 약간 회전되더라도 상관없다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)들이 "제2 방향으로 간격을 두고 배치"된다는 의미는, 제2 방향에 대해 복수개의 제2 광학 소자(20)들이 서로 이격되어 배치되기만 하면 충분하다는 의미이지, 반드시 제2 방향에 평행한 직선상에 나란히 정렬되어 배치되어야 한다는 것이 아니라는 점을 유의해야 한다.
한편, 제2 광학 소자(20)의 배치 구조는, 제1 실시예의 도 9에서와 마찬가지이므로 상세 설명은 생략한다.
한편, 복수개의 제2 광학 소자(20)들의 간격은 모두 동일할 수 있지만, 적어도 일부의 간격을 다르게 할 수도 있음은 물론이다.
복수개의 제2 광학 소자(20)들은 도시된 바와 같이, 제1 방향 즉, x축 방향으로 연장 형성되는 얇은 판(plate)으로 형성될 수 있다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각은, 제2 광학 수단(10) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단(10) 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다. 이 경우, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 제1 광학 수단(50), 제1 광학 소자(80) 및 동공(40)의 상대적인 위치를 고려하여 적절한 경사각을 가지고 제2 광학 수단(10) 내부에 배치될 수 있다.
도 18 내지 도 20의 실시예에서는, 제1 광학 소자(80)로부터 전달된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자(20)로 전달된다. 따라서, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각은 이러한 광 경로를 고려하여 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단(10)의 내부에서 경사각을 가지고 배치될 수 있다.
이 경우, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 각각은 제1 광학 소자(80)들로부터 출사하여 다른 제2 광학 소자(20)들로 전달되는 가상 영상 화상광을 차단하지 않도록 도 9의 (b) 또는 (c)에 나타낸 바와 같이 제1 광학 소자(80)로부터 멀어질수록 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 더 가까워지도록 배치될 수 있다.
한편, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 도 19에 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때의 높이가 사람의 평균적인 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수 있다.
이에 의하여, 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 매우 깊게 할 수 있고, 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 하는 핀홀 효과를 얻을 수 있다.
다만, 높이가 지나치게 작은 경우에는 회절 현상이 커지기 때문에, 예컨대 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)는 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것이 바람직하다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)의 반사율은 100% 또는 이에 근접한 높은 값을 갖는 예컨대 금속 재질의 완전 미러인 것이 바람직하지만, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수도 있다.
또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)는, 굴절 소자, 회절 광학 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성할 수도 있다.
한편, 도 18 내지 도 20의 광학 장치(300)에서, 제1 광학 소자(80)로서 회절 광학 소자 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다. 이는 후술하는 모든 실시예에서도 마찬가지이다.
다음으로, 도 10 및 도 21을 참조하여 광학 장치(600)에 의한 아이박스의 확장 원리에 대해 설명한다.
도 10은 도 2 내지 도 4의 종래의 광학 장치(200)에서의 제1 방향(x축 방향)에 대한 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 정면도이다.
도 10의 (a)의 광학 장치(200)를 참조하면, 디스플레이부(31)의 한 점에서 출사된 가상 영상 화상광은 광 변환부(32)를 통해 광학 수단(10)으로 출사되고, 반사부(20)에 의해 반사되어 동공(40)으로 전달된다. 이 때, x축 방향 즉, 제1 방향으로의 아이박스는 광 변환부(32)의 제1 방향의 길이에 의해 결정된다.
도 10의 (b)의 광학 장치(200)는 다른 조건은 모두 동일하되 광 변환부(32)의 제1 방향의 길이가 도 10의 (a)보다 길다. 따라서, 광 변환부(32)의 길이에 상응하여 반사부(20) 또한 x축 방향(제1 방향)을 따라 보다 많이 배치되어 있으며, 이에 의해 제1 방향의 아이박스는 도 10의 (a)에 비해 넓어진다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 도 2 내지 도 4와 같은 종래의 광학 장치(200)에서는, 제1 방향(x축 방향)으로의 아이박스는 화상 출사부(30)에 포함된 광 변환부(32)의 길이에 의존한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 광 변환부(32)의 길이를 길게 하면, 폼 팩터를 증가시키고 설계가 복잡해지며 제조 과정 또한 복잡하다는 문제를 발생시킨다.
한편, 도 10에서 세로축인 y축 방향으로의 아이박스는 y축 방향으로 배치되는 반사부(20)의 개수에 의해 결정된다.
도 21은 도 18 내지 도 20의 광학 장치(600)에서의 제1 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 20의 A로 나타낸 방향으로 바라보았을 때의 도면이다.
도 21을 참조하면, 화상 출사부(30)의 한 점에서 출사한 가상 영상 화상광들은 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 및 하면(52)에서 전반사되면서 제1 광학 소자(80)로 전달된다. 이후, 제1 광학 소자(80)는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사한다.
즉, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 및 하면(52)에서의 전반사가 이루어지면서 제1 광학 소자(80)로 전달되기 때문에 제1 방향(x축 방향)으로 가상 영상 화상광이 복제되고 따라서 제1 방향 즉, x축 방향으로의 아이박스가 확장된다는 것을 알 수 있다.
도 21에서도, 세로축인 y축 방향으로의 아이박스는 y축 방향으로 배치되는 제2 광학 소자(20)의 개수에 의해 결정된다. 따라서, 세로축인 y축 방향으로의 아이박스를 동일하게 유지하면서도, 가로축인 x축 방향 즉, 제1 방향으로의 아이박스는 도 21의 광학 장치(600)가 도 10의 광학 장치(200) 보다 넓다는 것을 알 수 있다.
도 22 내지 도 24는 본 발명의 제2 실시예의 변형 실시예에 의한 광학 장치(700)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 22는 사시도이고, 도 23은 정면도이고, 도 24는 측면도이다.
도 22 내지 도 24의 광학 장치(700)는, 도 18 내지 도 20의 광학 장치(600)와 기본적인 원리는 동일하되, 제1 광학 소자(80)가 제1 광학 수단(50) 내부에 매립되어 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다.
이를 제외하면, 광학 장치(700)의 다른 구성은 앞서 설명한 광학 장치(600)에서와 동일하므로 상세 설명은 생략한다.
도 25 내지 도 27은 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 변형 실시예에 의한 광학 장치(800)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 25는 사시도이고, 도 26은 정면도이고, 도 27은 측면도이다.
도 25 내지 도 27의 광학 장치(800)는, 도 18 내지 도 20의 광학 장치(600)와 동일하되, 제1 광학 소자(80)가 제1 광학 수단(50)의 하면(52)의 안쪽에 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다. 여기에서, 제1 광학 소자(80)는 제1 광학 수단(50)의 하면(52)의 아래쪽의 외면에 배치될 수도 있음은 물론이다.
이를 제외하면, 광학 장치(800)의 다른 구성은 앞서 설명한 광학 장치(600)에서와 동일하므로 상세 설명은 생략한다.
도 28 내지 도 30은 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 변형 실시예에 의한 광학 장치(900)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 28은 사시도이고, 도 29는 정면도이고, 도 30은 측면도이다.
도 28 내지 도 30의 광학 장치(900)는, 도 18 내지 도 20의 광학 장치(600)와 동일하되, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각이 핀포인트 형태의 복수개의 광학 모듈(21)로 구성된다는 점에서 차이가 있다.
즉, 광학 장치(900)에서, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 각각은, 도시된 바와 같이, 광학 장치(900)를 동공(40) 정면에 두고 바라 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈(21)로 구성된다.
복수개의 광학 모듈(21)들 각각은, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수 있다.
복수개의 광학 모듈(21)의 크기는, 각 광학 모듈(21)의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 각각의 광학 모듈(21)의 크기는, 동공(40)과 광학 모듈(21) 사이의 직선에 수직하면서 동공(40)의 중심을 포함하는 평면에 각각의 광학 모듈(21)을 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
다만, 크기가 지나치게 작은 경우에는 회절 현상이 커지기 때문에, 예컨대 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 복수개의 광학 모듈(21)들 각각의 형상은 원형일 수 있다.
또한, 동공(40)에서 광학 모듈(21)들을 바라보았을 때 원형으로 보이도록 타원형으로 형성할 수도 있다.
이를 제외하면, 광학 장치(900)의 다른 구성은 앞서 설명한 광학 장치(600)에서와 동일하므로 상세 설명은 생략한다.
한편, 도시하지는 않았으나, 도 22 내지 도 27의 광학 장치(700,800)에서도 복수개의 제2 광학 소자(20)들을 복수개의 핀 포인트 형태의 광학 모듈(21)로 구성할 수도 있음은 물론이다.
이상에서, 본 발명에 의한 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이들은 예시적인 것으로서, 첨부된 청구범위 및 도면에 의해 파악되는 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다는 점을 유의해야 한다.
예컨대, 상기 실시예들에 있어서, 제1 광학 수단(50)과 제2 광학 수단(10)은 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 실시예들에서, 제2 광학 수단(10) 내부에서 가상 영상 화상광은 전반사를 통해 제2 광학 소자(20)로 전달되는 것으로 설명하였으나, 전반사 없이 또는 2회 이상의 전반사를 통해 제2 광학 소자(20)로 전달될 수도 있음은 물론이다.

Claims (52)

  1. 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치로서,
    화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단;
    상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제1 광학 수단의 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제1 광학 소자로 전달하는 광 변환부;
    상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 광 변환부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 복수개의 제1 광학 소자;
    실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및
    상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자
    를 포함하고,
    상기 복수개의 제1 광학 소자는, 상기 제1 광학 수단 내부에서 제1 방향으로 간격을 두고 배치되고,
    상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방향은, 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 평행하지 않은 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직한 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면은, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 사용자의 동공에서 관측될 수 있는 2차원 평면인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 방향은 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 수단의 제1 방향의 일단부에는 화상 출사부가 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 변환부는, 상기 화상 출사부와 대향하도록 상기 제1 광학 수단의 내부에 매립되어 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 화상 출사부에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제1 광학 수단의 내부에서 전반사되어 상기 광 변환부로 전달되고, 상기 광 변환부에서 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 제1 광학 수단의 내부에서 전반사되어 상기 제1 광학 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 변환부는, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 광 변환부의 반사면은 상기 제1 광학 수단의 상면을 향하도록 제1 광학 수단의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 광 변환부의 반사면은 상기 제1 광학 수단의 상면 방향으로 오목하게 형성된 곡면인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 상기 광 변환부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 상기 제2 광학 수단으로 출사시켜 전달할 수 있도록 상기 제1 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 증강 현실용 광학 장치를 동공 정면에 두고 바라 보았을 때 제1 방향에 대해 경사각을 가지는 동시에 측면에서 보았을 때에 상기 제2 방향에 대해 경사각을 가지도록 상기 제1 광학 수단 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제1 광학 소자들의 각각의 폭 방향의 길이는 상기 화상 출사부의 폭 방향의 길이에 상응하도록 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제1 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 복수개의 제1 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 측면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 복수개의 광학 모듈의 크기는 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자 각각은, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 상기 제2 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 제2 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고,
    상기 제1 광학 소자에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자로 전달되고,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단의 내부에서 경사각을 가지고 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  24. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제1 방향으로 연장 형성되는 바(bar) 형상인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 정면에서 보았을 때의 높이가 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  26. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 정면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  28. 청구항 26에 있어서,
    상기 복수개의 광학 모듈의 크기는 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  29. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  30. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  31. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  32. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 수단과 제2 광학 수단은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  33. 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치로서,
    화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단;
    상기 제1 광학 수단에 배치되며, 상기 제1 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 제1 광학 소자;
    실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및
    상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자
    를 포함하고,
    상기 제1 광학 소자는, 회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자이고,
    상기 제1 광학 소자는, 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 광학 수단에 배치되고,
    상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  34. 청구항 33에 있어서,
    청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방향은, 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  35. 청구항 33에 있어서,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 평행하지 않은 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  36. 청구항 33에 있어서,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직한 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  37. 청구항 33에 있어서,
    상기 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면은, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 사용자의 동공에서 관측될 수 있는 2차원 평면인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  38. 청구항 37에 있어서,
    상기 제2 방향은 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  39. 청구항 33에 있어서,
    상기 제1 광학 수단의 제1 방향의 일단부에는 화상 출사부가 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  40. 청구항 33에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는, 상기 제1 광학 수단의 상면, 하면 또는 내부에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  41. 청구항 33에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는, 증강 현실용 광학 장치를 동공 정면에 두고 측면에서 보았을 때 제2 방향에 대해 경사각을 가지도록 제1 광학 수단에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  42. 청구항 33에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자 각각은, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 상기 제2 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  43. 청구항 42에 있어서,
    상기 제2 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고,
    상기 제1 광학 소자에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자로 전달되고,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단의 내부에서 경사각을 가지고 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  44. 청구항 33에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제1 방향으로 연장 형성되는 판 형상인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  45. 청구항 44에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 정면에서 보았을 때의 높이가 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  46. 청구항 33에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  47. 청구항 46에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 정면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  48. 청구항 46에 있어서,
    상기 복수개의 광학 모듈의 크기는 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  49. 청구항 33에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  50. 청구항 33에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  51. 청구항 33에 있어서,
    상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  52. 청구항 33에 있어서,
    상기 제1 광학 수단과 제2 광학 수단은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
PCT/KR2023/009150 2022-07-04 2023-06-29 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치 WO2024010285A1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220082076A KR20240004035A (ko) 2022-07-04 2022-07-04 확장된 아이박스를 갖는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치
KR10-2022-0082076 2022-07-04
KR10-2022-0090979 2022-07-22
KR1020220090979A KR20240013445A (ko) 2022-07-22 2022-07-22 회절 광학 소자를 이용한 아이박스 확장형 증강 현실용 광학 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024010285A1 true WO2024010285A1 (ko) 2024-01-11

Family

ID=89453771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/009150 WO2024010285A1 (ko) 2022-07-04 2023-06-29 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024010285A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170080695A (ko) * 2014-11-11 2017-07-10 루머스 리미티드 초미세 구조체에 의해 보호되는 콤팩트한 헤드 마운트 디스플레이 시스템
KR20180028339A (ko) * 2016-09-08 2018-03-16 주식회사 레티널 광학 장치
US20200183169A1 (en) * 2018-12-10 2020-06-11 Kura Technologies Ar headsets with improved pinhole mirror arrays
KR102192942B1 (ko) * 2019-09-18 2020-12-18 주식회사 레티널 광 효율을 개선한 증강 현실용 광학 장치
US20220091323A1 (en) * 2020-09-23 2022-03-24 Facebook Technologies, Llc Device including diffractive optical element

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170080695A (ko) * 2014-11-11 2017-07-10 루머스 리미티드 초미세 구조체에 의해 보호되는 콤팩트한 헤드 마운트 디스플레이 시스템
KR20180028339A (ko) * 2016-09-08 2018-03-16 주식회사 레티널 광학 장치
US20200183169A1 (en) * 2018-12-10 2020-06-11 Kura Technologies Ar headsets with improved pinhole mirror arrays
KR102192942B1 (ko) * 2019-09-18 2020-12-18 주식회사 레티널 광 효율을 개선한 증강 현실용 광학 장치
US20220091323A1 (en) * 2020-09-23 2022-03-24 Facebook Technologies, Llc Device including diffractive optical element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018155766A1 (ko) 차량용 헤드 업 디스플레이
WO2016080708A1 (en) Wearable device and method for outputting virtual image
WO2021054727A1 (ko) 광 효율을 개선한 증강 현실용 광학 장치
WO2018155958A1 (ko) 차량용 헤드 업 디스플레이
WO2021085960A1 (ko) 고스트 이미지 차단 기능 및 광 시야각을 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치
WO2022080627A1 (ko) 직선 배치 광학 구조를 갖는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치 및 광학 수단의 제조 방법
WO2016122092A1 (en) Electronic system with gaze alignment mechanism and method of operation thereof
WO2013180365A1 (en) Member for cotrolling luminous flux, method for fabricating the member, display device, and light emitting device
WO2018194255A1 (ko) 광 확산 렌즈
WO2016111492A1 (en) Display module and display apparatus having the same
WO2016017885A1 (en) Screen and laser display apparatus using the same
WO2024010285A1 (ko) 확장된 아이박스를 제공하는 증강 현실용 광학 장치
WO2019083143A1 (en) DISPLAY DEVICE
WO2020075982A1 (ko) 테두리 발광형 디스플레이장치 및 이를 구비한 게임기
WO2023063555A1 (ko) 회절 소자를 이용한 콜리메이터를 구비하는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치
WO2022075820A1 (ko) 증강현실장치용 도파로의 회절광학소자 아키텍처
WO2019225928A1 (ko) 카메라, 및 이를 구비하는 단말기
WO2017217800A1 (en) Mems scanner package and scanning projector including the same
WO2024039128A1 (ko) 광학 부재 및 이를 포함하는 웨어러블 장치
WO2013002598A2 (ko) 보는 위치에 따라 색상과 모양이 변하여 보일 수 있는 편광디스플레이 장치
WO2019164380A1 (ko) 웨어러블 글래스 장치
WO2020022680A1 (ko) 광 경로 제어 부재 및 이를 포함하는 표시 장치
WO2022231258A1 (ko) 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈
WO2023287040A1 (ko) 디스플레이 장치
WO2024035110A1 (ko) 프로젝트 장치 및 이를 포함하는 전자 디바이스

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23835752

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1