KR20210113970A - 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자로 전달하는 반사 수단; 상기 반사 수단으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 회절 소자; 및 상기 반사 수단 및 회절 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 상기 회절 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고, 상기 반사 수단 및 회절 소자는 각각 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치{COMPACT OPTICAL DEVICE FOR AUGMENTED REALITY USING DIFFRACTIVE ELEMENT}

본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회절 소자를 이용하여 가상 영상을 사용자의 동공에 전달함으로써 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트형 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 제공하는 것을 의미한다. 즉, 현실 세계의 시각 정보에서 확장된(augmented) 가상 영상 정보를 사용자에게 동시에 제공하는 기술을 의미한다.

이러한 증강 현실을 구현하기 위해서는, 컴퓨터와 같은 디바이스에 의해 생성되는 가상 영상을 현실 세계의 영상에 겹쳐서 제공할 수 있는 광학계가 필요하다. 그러나, 종래의 광학계를 이용한 장치는 구성이 복잡하여 무게와 부피가 상당하므로 사용자가 착용하기에 불편함이 있고 제조 공정 또한 복잡하므로 제조 비용이 높다는 문제가 있다.

또한, 종래의 장치들은, 사용자가 현실 세계를 응시할 때 초점 거리를 변경하게 되면 가상 영상의 초점이 맞지 않게 된다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절할 수 있는 프리즘을 이용한 기술 또는 초점 거리의 변경에 따라 가변형 초점 렌즈를 전기적으로 제어하는 등의 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 기술 또한 초점 거리를 조절하기 위하여 사용자가 별도의 조작을 해야 하고 초점 거리의 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(선행 기술 문헌 1 참조).

도 1은 선행 기술 문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)의 측면도를 나타낸 것이다.

도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는 광학 수단(10), 반사부(20) 및 화상 출사부(30)를 포함한다.

광학 수단(10)은 실제 세계의 사물로부터 출사된 화상광인 실제 사물 화상광을 투과시키는 한편 반사부(20)에서 반사된 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 출사하는 기능을 수행하는 수단이다.

광학 수단(10)의 내부에는 반사부(20)가 매립 배치되어 있다. 이러한 광학 수단(10)은 예컨대 안경 렌즈와 같은 투명 재질로 형성될 수 있으며, 안경테와 같은 프레임(미도시)에 의해 고정될 수 있다.

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 평행광으로 시준하기 위한 콜리메이터(collimator)를 구비할 수 있다

반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 반사시켜 사용자의 동공(40)을 향해 전달하는 수단이다.

도 1의 반사부(20)는 사람의 동공보다 작은 크기로 형성된다. 사람의 일반적인 동공의 크기는 4~8mm 정도인 것으로 알려져 있으므로, 반사부(20)는 8mm 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 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, 심도(Depth of Field)라 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, 반사부(20)를 동공보다 작은 크기로 형성함으로써, 사용자가 실제 사물에 대한 초점 거리를 변경하더라도 사용자는 항상 선명한 가상 영상을 관찰할 수 있다.

한편, 본 출원인은 도 1과 같은 증강 현실용 광학 장치(100)의 기본 원리에 기초하여 복수개의 반사부를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(200)를 개발한 바 있다(선행 기술 문헌 2 참조).

도 2는 선행 기술 문헌 2에 개시된 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도를 나타낸 것이다.

도 2의 증강 현실용 광학 장치(200)는 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 기본적으로 동일하되, 반사부(20)가 복수개의 반사 모듈(21~25)로 구성되며, 각 반사 모듈(21~25)들은 입사하는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 측면에서 보았을 때 완만한 "C"자의 곡선 형태를 이루도록 배치된다는 점에서 차이가 있다.

또한, 도 2의 증강 현실용 광학 장치(200)는 내장 콜리메이터로 작용하는 반사 수단(70)을 더 포함하며, 화상 출사부(30)에서 출사한 가상 영상 화상광은 반사 수단(70)에 의해 반사 모듈(21~25)들로 전달된다는 점에서도 차이가 있다.

이러한 도 2의 증강 현실용 광학 장치(200)는 넓은 시야각을 제공하고 광효율을 개선하는 한편, 화상 출사부(30)에 콜리메이터를 사용할 필요가 없기 때문에 장치의 전체적인 크기, 두께, 무게 및 부피를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 복수개의 반사 모듈(21~25)을 광학 수단(10) 내부에 정밀하게 배치해야 하므로 제조 공정이 까다롭다는 문제가 있다. 또한, 복수개의 반사 모듈(21~25)들이 광학 수단(10) 내부에서 도 2에 나타낸 바와 같이 좌우 방향으로 공간을 점유하게 되므로 이로 인한 폼 팩터가 제한적이라는 문제도 있다.

더욱이, 복수개의 반사 모듈(21~25)이 광학 수단(10) 내부에 이격되어 배치되기 때문에 가상 영상의 휘도 분포를 균일하게 하기 위해서 반사 모듈(21~25)들의 위치 및 형상 그리고 화상 출사부(30)에서 나오는 가상 영상의 보정 과정이 추가적으로 필요하다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1660519호(2016.09.29 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-2248606호(2021.05.06. 공고)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 회절 소자를 이용하여 가상 영상을 사용자의 동공에 전달함으로써 폼 팩터를 보다 현저하게 줄일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 제조 공정을 단순화시킴으로써 제조 비용을 줄이는 동시에 제조 과정에서의 효율성을 높일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 가상 영상의 광균일도를 향상시켜 가상 영상을 선명하게 제공할 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자로 전달하는 반사 수단; 상기 반사 수단으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 회절 소자; 및 상기 반사 수단 및 회절 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 상기 회절 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고, 상기 반사 수단 및 회절 소자는 각각 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

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

또한, 상기 반사 수단에서 반사된 가상 영상 화상광은 회절 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 회절 소자로 전달될 수 있다.

또한, 상기 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사 수단의 반사면은, 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 반사 수단의 반사면은 오목하게 형성된 곡면일 수 있다.

또한, 상기 반사 수단은, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 회절 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자일 수 있다.

또한, 상기 회절 소자 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다.

또한, 상기 회절 소자는 단일 평면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 회절 소자는, 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 안쪽에 배치될 수 있다.

또한, 상기 광학 수단의 내부에는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간은 회절 소자가 배치되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하는 면인 제2 면을 가질 수 있다.

또한, 상기 내부 공간은 진공 상태일 수 있다.

또한, 상기 내부 공간은 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전될 수 있다.

또한, 상기 회절 소자는 곡면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 회절 소자는 서로 이격된 복수개의 회절 모듈로 구성될 수 있다.

또한, 상기 회절 모듈들은 측면에서 보았을 때 하나의 단일 직선상에 위치하지 않도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 회절 모듈들은 정면에서 보았을 때 서로 간격을 가지지 않는 것으로 보이도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 회절 소자는 측면에서 보았을 때 광학 수단의 제1 면 및 제2 면과 평행하지 않도록 경사지게 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자로 전달하는 반사 수단; 상기 반사 수단으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 회절 소자; 및 상기 반사 수단 및 회절 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 상기 회절 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고, 상기 반사 수단은 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치되고, 상기 회절 소자는 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 외부에 배치된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

여기에서, 상기 회절 소자와 이격되어 회절 소자를 덮도록 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 외부에 형성되는 표면 커버를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 표면 커버와 회절 소자 사이에는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에는 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질이 충전될 수 있다.

또한, 상기 표면 커버의 표면은 곡면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 회절 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자일 수 있다.

또한, 상기 회절 소자 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다.

또한, 상기 회절 소자는 단일 평면으로 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자로 전달하는 복수개의 반사 수단; 상기 복수개의 반사 수단 각각으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 복수개의 회절 소자; 및 상기 복수개의 반사 수단 및 복수개의 회절 소자가 각각 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 복수개의 광학 수단을 포함하고, 상기 복수개의 광학 수단 각각은, 상기 복수개의 회절 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고, 상기 복수개의 반사 수단은 상기 복수개의 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 각각 매립 배치되고, 상기 복수개의 회절 소자 각각은 복수개의 광학 수단의 제2 면의 외부에 각각 배치되고, 상기 복수개의 광학 수단은, 각 광학 수단의 제1 면이 동공쪽으로 향하고 각 광학 수단의 제2 면이 실제 사물쪽을 향하도록 사용자의 동공에서 정면 방향으로 적층 배치되고, 상기 복수개의 회절 소자 각각은 서로 다른 파장 대역에 상응하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달하는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자로 전달하는 반사 수단; 상기 반사 수단으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 복수개의 회절 소자; 및 상기 반사 수단 및 복수개의 회절 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 광학 수단은, 상기 복수개의 회절 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고, 상기 반사 수단은 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치되고, 상기 복수개의 회절 소자들은 사용자의 동공에서 정면 방향으로 상기 광학 수단의 제2 면의 외부에 적층 배치되고, 상기 복수개의 회절 소자 각각은, 서로 다른 파장 대역에 상응하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달하는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

여기에서, 상기 회절 소자 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 회절 소자를 이용하여 가상 영상을 사용자의 동공에 전달함으로써 폼 팩터를 보다 현저하게 줄일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 제조 공정을 단순화시킴으로써 제조 비용을 줄이는 동시에 제조 과정에서의 효율성을 높일 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 가상 영상의 광균일도를 향상시켜 가상 영상을 선명하게 제공할 수 있는 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.

특히, 회절 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 할 수 있기 때문에, 복수개의 반사 모듈 대신 이러한 회절 소자를 사용함으로써 투명도를 높여 투시 영상의 밝기를 보다 더 확보하고, 광학 합성기 구조가 외부에서 관찰되지 않기 때문에 제품의 외관이 일반 안경과 유사한 심미성이 더 좋은 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 선행 기술 문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 2는 선행 기술 문헌 2에 개시된 증강 현실용 광학 장치(200)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 회절 소자를 이용한 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 3은 사시도, 도 4는 정면도, 도 5는 도 3의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(600)의 사시도이다.
도 9는 도 8의 A-A′선을 따른 단면도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(700)를 나타낸 것으로서, 도 10은 사시도 및 도 11은 도 10의 A-A′선을 따른 단면도이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(800)를 나타낸 것으로서, 도 12는 사시도, 도 13은 정면도 및 도 14는 도 12의 A-A′선을 따른 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(900)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1000)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1100)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 18 내지 도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1200)를 나타낸 것으로서, 도 18은 사시도, 도 19는 정면도 및 도 20은 도 18의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1300)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1400)의 단면도를 나타낸 것이다.

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

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 3은 사시도, 도 4는 정면도, 도 5는 도 3의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예의 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(300, 이하 간단히 "광학 장치(300)"라 한다)는, 광학 수단(10), 반사 수단(70) 및 회절 소자(20)를 포함한다.

광학 수단(10)은 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 수단이다. 또한, 광학 수단(10)에는 반사 수단(70) 및 회절 소자(20)가 배치된다.

광학 수단(10)은 회절 소자(20)를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 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)을 구비한다.

또한, 광학 수단(10)은 광학 수단(10)의 저면인 제3 면(13)과 광학 수단(10)의 상면인 제4 면(14)을 포함할 수 있다. 여기에서, 제4 면(14)은 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광이 입사하는 면인 것으로 정의한다.

반사 수단(70)은 화상 출사부(30)로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자(20)로 전달하는 수단으로서, 광학 수단(10) 내부에 매립 배치된다.

즉, 반사 수단(70)은 도 5에 도시된 바와 같이 광학 수단(10)의 제1 면(11) 내지 제4 면(14)과 각각 이격되어 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다.

여기에서, 화상 출사부(30)는, 가상 영상(virtual image)을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단으로서, 예컨대 소형의 LCD, OLED, LCoS 등과 같이 종래 알려져 있는 마이크로 디스플레이 장치일 수 있다.

이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다. 다만, 본 발명에서의 화상 출사부(30)는 콜리메이터와 같은 구성은 포함하지 않는다

도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서는, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사되어 반사 수단(70)으로 전달되는 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서의 전반사 없이 반사 수단(70)으로 직접 전달될 수 있다. 또는, 광학 수단(10)의 내면에서 2회 이상 전반사되어 반사 수단(70)으로 전달될 수도 있음은 물론이다.

또한, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서, 반사 수단(70)에서 반사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 회절 소자(20)로 전달되는 것으로 나타내었으나 이 또한 예시적인 것이며 전반사 없이 또는 2회 이상의 전반사를 통해 회절 소자(20)로 전달될 수도 있다.

한편, 화상 출사부(30)는, 마이크로 디스플레이 장치와 결합하는 반사 수단, 굴절 수단 및 회절 수단 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 구성되는 광학 소자를 더 포함할 수 있다.

도 3 내지 도 5에서, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 상면 위쪽에 배치된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 기타 다른 위치에 배치될 수도 있음은 물론이다.

반사 수단(70)은 입사하는 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 반사시켜 회절 소자(20)로 전달한다. 따라서, 반사 수단(70)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 시준된 평행광 또는 초점 거리가 의도된 화상광이다.

반사 수단(70)은, 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(30)와 대향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.

도 5에 나타난 바와 같이, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 가상 영상 화상광을 출사하고, 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사된 가상 영상 화상광은 반사 수단(70)으로 전달된다. 그리고, 반사 수단(70)에서 반사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 다시 전반사된 후 회절 소자(20)로 전달되고 회절 소자(20)는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달한다.

따라서, 반사 수단(70)은, 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 입사하는 가상 영상 화상광을 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향해 출사하고 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사된 증강 현실 화상광이 회절 소자(20)로 전달될 수 있도록, 화상 출사부(30), 회절 소자(20) 및 동공(40)의 상대적인 위치를 고려하여 광학 수단(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 사이의 광학 수단(10)의 내부의 적절한 위치에 배치된다.

이를 위하여, 도 3 내지 도 5의 실시예에서는, 반사 수단(70)은 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사 수단(70)의 반사면(71)이 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.

여기에서, 상기 반사면(71)의 중심으로부터 수직 방향으로의 직선과 광학 수단(10)의 제1 면(11)은 서로 평행하지 않도록 경사지게 배치될 수 있다.

이러한 배치 구조에 의하여, 반사 수단(70)이 가상 영상 화상광을 제1 면(11)을 향하도록 출사하는 한편, 실제 사물로부터 출사되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 잡광이 동공(40) 쪽으로 전달되는 것을 차단할 수 있다.

다만, 이는 예시적인 것이며, 반사 수단(70)의 반사면(71)이 광학 수단(10)의 제2 면(11)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치될 수도 있음은 물론이다.

한편, 반사 수단(70)의 반사면(71)은 곡면으로 형성된다. 예컨대, 반사 수단(70)의 반사면(71)은 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이 광학 수단(10)의 제1 면(11) 방향으로 오목하게 형성된 오목 거울일 수 있다. 이러한 구성에 의하여 반사 수단(70)은 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광을 시준시키는 콜리메이터(collimator)로서의 역할을 수행할 수 있고, 따라서 화상 출사부(30)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용할 필요가 없다.

또한, 반사 수단(70)은, 사용자가 가급적 인식할 수 없도록 하기 위하여 사용자가 동공(40)을 통해 정면을 바라 보았을 때의 두께가 얇게 보이도록 하는 것이 바람직하다

또한, 반사 수단(70)은 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.

또한, 반사 수단(70)은 반사 수단 이외의 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다.

또한, 반사 수단(70)은 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.

또한, 반사 수단(70)의 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사면(71)의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.

한편, 반사 수단(70)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 동공(40)에서 정면 방향으로 광학 수단(10)을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부(30)에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 반사 수단(70)은, 정면에서 바라볼 때 전체적으로 완만한 "U"자의 바(bar) 형태로 형성될 수 있다. 이에 의하여, 반사 수단(70)의 콜리메이터로서의 기능이 향상될 수 있다.

한편, 도 4에서는 정면에서 보았을 때의 반사 수단(70)의 길이가 회절 소자(20)의 길이보다 다소 작게 나타나 있으나, 이는 예시적인 것이며 반사 수단(70)의 전체적인 길이는, 회절 소자(20)의 길이에 상응하도록 연장 형성될 수도 있다.

다음으로, 회절 소자(20)에 대해 설명한다.

회절 소자(20)는, 반사 수단(70)으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 수단이다.

또한, 회절 소자(20)는 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달한다.

도 3 내지 도 5의 실시예에서, 회절 소자(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다. 즉, 회절 소자(20)는 광학 수단(10)의 제1 면(11), 제2 면(12), 제3 면(13) 및 제4 면(14)과 각각 이격되어 광학 수단(10)의 내부 공간에 배치되며, 반사 수단(70)으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 전달한다.

또한, 회절 소자(20)는, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달한다. 따라서, 사용자에게 가상 영상과 실제 사물이 겹쳐진 증강 현실 영상을 제공할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서, 회절 소자(20, Diffractive Element)란, 입사하는 가상 영상 화상광을 회절 현상을 통해 굴절 또는 반사시키는 광학 소자(Optical Element)를 의미한다. 즉, 회절 소자는 빛의 회절 현상을 이용하여 여러 가지 광학적 기능을 제공하는 광학 소자라 할 수 있다.

회절 소자는 수차(aberration)가 없는 점대점(point-to-point) 이미지 및 평판형 구조가 가능하며 비구면과 같은 수차 조절이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 회절소자는 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 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. 따라서, 앞서 배경 기술에서 설명한 바와 같은 종래의 반사 모듈 대신 이러한 회절 소자를 사용함으로써 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 회절 소자(20)는 반사형 회절 소자와 투과형 회절 소자로 구분될 수 있다. 도 3 내지 도 5의 실시예는 반사형 회절 소자를 이용한 경우이다.

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.

이러한 회절 소자, 반사형 회절 소자 및 투과형 회절 소자의 기본적인 구성이나 특성 자체는 종래 기술에 의해 알려져 있으므로 여기서는 상세 설명은 생략한다.

한편, 회절 소자(20)는 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 정면에서 보았을 때 직사각형의 평면 형상으로 형성되는 것이 바람직하지만, 이는 예시적인 것이며, 원형, 타원형 등 기타 다른 형태로 형성될 수도 있음은 물론이다.

또한, 회절 소자(20)는 후술하는 바와 같이 곡면으로 형성될 수도 있다.

또한, 회절 소자(20)는 단일 평면으로 형성된다. 따라서, 도 2에서 나타낸 바와 같은 복수개의 반사 모듈(21~25)을 사용한 광학 장치(200)에 비해 가상 영상의 휘도 분포를 균일하게 할 수 있다는 장점을 갖는다.

또한, 배경 기술에서 설명한 바와 같이, 복수개의 반사 모듈(21~25)을 사용한 광학 장치(200)와는 달리 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 좌우 방향으로 거의 공간을 차지하지 않기 때문에 광학 수단(10) 및 광학 장치(300)의 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있다.

회절 소자(20)의 크기는 회절 소자(20)에 의해 동공(40)으로 전달되는 가상 영상의 크기 및 시야각 등의 여러가지 조건에 의해 요구되는 출사 동공(exit pupil) 영역에 상응하는 크기의 하나의 단일 평면 또는 곡면으로 형성할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 회절 소자(20)는 정면에서 보았을 때 동공(40)보다 큰 크기를 가지도록 형성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 회절 소자(20)는 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하기 때문에, 동공(40)보다 큰 크기를 갖는 단일 평면으로 형성하더라도 실제 사물 화상광은 회절 소자(20)를 통과하여 동공(40)으로 전달될 수 있다.

따라서, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서의 가상 영상 및 실제 사물 화상광의 광 경로 등의 구체적인 구성과 이로 인한 효과는 도 2의 광학 장치(200)와는 전혀 상이하다는 것을 알 수 있다. 이러한 점은 후술하는 실시예에서도 마찬가지이다.

한편, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서는, 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사된 후 회절 소자(20)로 전달되는 것으로 나타내었으나, 회절 소자(20)가 투과형 회절 소자인 경우 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 후 회절 소자(20)로 전달되도록 할 수도 있음은 물론이다. 이 또한 후술하는 실시예에 모두 적용될 수 있다.

한편, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)에서, 회절 소자(20) 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다. 이 또한 후술하는 실시예에 모두 적용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)의 단면도를 나타낸 것이다.

도 6의 광학 장치(400)는, 도 3 내지 도 5의 실시예의 광학 장치(300)와 동일하되, 회절 소자(20)가 광학 수단(10)의 제2 면(12)의 안쪽에 배치되었다는 점에서 차이가 있다.

또한, 반사 수단(70)의 반사면(71)이 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향하도록 경사지게 배치되어 있으며, 반사 수단(70)에서 반사된 가상 영상 화상광은 전반사 없이 회절 소자(20)로 직접 전달된다는 점에서도 차이가 있다.

한편, 투과형 회절 소자를 사용하는 경우, 회절 소자(20)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 안쪽에 배치될 수 있다. 다만, 이 경우에는, 반사 수단(70)의 방향 또한 그에 상응하도록 변경할 필요가 있다.

한편, 도 6에서는 가상 영상 화상광은 화상 출사부(30)에서 출사되지만 화상 출사부(30)는 생략하였음을 유의해야 한다. 이는 이하의 실시예에서도 마찬가지이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)의 단면도를 나타낸 것이다.

도 7의 광학 장치(500)는, 도 3 내지 도 5의 실시예의 광학 장치(300)와 기본적으로 동일하되, 회절 소자(20)가 투과형 회절 소자이고 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사가 이루어진다는 점에서 차이가 있다.

즉, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 반사 수단(70)으로 전달되고, 반사 수단(70)에서 반사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 다시 전반사되어 회절 소자(20)로 전달되며 이후 회절 소자(20)를 투과하여 동공(40)으로 전달된다. 따라서, 반사 수단(70)의 반사면(71)은 제2 면(12)을 향하도록 경사지게 배치된다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(600)를 나타낸 것으로서, 도 8은 광학 장치(600)의 사시도이고, 도 9는 도 8의 A-A′선을 따른 단면도이다.

도 8 및 도 9의 광학 장치(600)는, 도 3 내지 도 5의 실시예의 광학 장치(300)와 동일하지만, 회절 소자(20)가 광학 수단(10)의 내부 공간(50)에 배치된다는 점에서 차이가 있다.

내부 공간(50)은 광학 수단(10) 내부에 형성되는 공간으로서, 회절 소자(20)가 배치되는 제1 면(51)과, 상기 제1 면(51)에 대향하는 면인 제2 면(52)을 갖는다.

도시된 바와 같이, 상기 제1 면(51)과 제2 면(52)은 서로 이격되어 형성됨으로써 광학 수단(10) 내부에서 내부 공간(50)을 제공한다.

내부 공간(50)은 광학 수단(10) 제조시에 형성되는 공간이므로, 제1 면(51)과 제2 면(52)은 광학 수단(10)의 재질과 동일한 재질을 갖는다.

또한, 제1 면(51)에는 회절 소자(20)가 배치되기 때문에, 제1 면(51)은 회절 소자(20)의 형태 및 크기에 상응하는 형태 및 크기를 갖는다.

도 8 및 도 9의 광학 장치(600)에서는, 반사형 회절 소자를 사용하였으므로, 반사 수단(70)에서 반사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제1 면(11)에서 전반사되어 내부 공간(50)의 제1 면(51)을 통해 회절 소자(20)로 전달된다. 따라서, 내부 공간(50)의 제1 면(51)은 가상 영상 화상광이 입사하는 면으로 작용한다.

한편, 상기 내부 공간(50)은 진공 상태일 수 있다.

또한, 내부 공간(50)은 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전될 수 있다.

예컨대, 광학 수단(10)이 유리나 플라스틱 재질로 형성된 경우, 그 굴절률은 1.5 내외이므로, 내부 공간(50)에는 이와 다른 값의 굴절률을 갖는 매질이 충전될 수 있다.

예컨대, 굴절률이 1.0003 정도인 공기 또는 1에 가까운 값을 갖는 공기 이외의 기타 기체로 내부 공간(50)을 채울 수 있다.

한편, 매질로서는 액체를 사용할 수도 있다. 예컨대, 물은 1.33 정도의 굴절률을 가지므로, 내부 공간(50)을 물로 채울 수도 있다. 이외에도, 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 기타 액체를 매질로 사용할 수도 있다.

또한, 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 고체를 매질로 사용할 수도 있다.

이외에도, 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 기타 다양한 물질을 매질로 사용할 수 있다.

한편, 내부 공간(50)에는 전압 차이, 온도 및 압력 등의 조건 중 적어도 어느 하나에 따라 굴절률이 변화하는 상변화 물질이 충전될 수도 있다.

예컨대, 홀로그램 메모리, 광 저장 장치등에 사용되는 상변화 물질은 에너지를 가한 이후 결정화시키는 과정에서 온도나 압력 등과 같은 조건에 따라 굴절률이 달라지는 특성을 갖는다.

광 저장 장치에 사용되는 대표적인 물질로 GeSbTe(GST)로 대표되는 Sb2Se3, Ge2Sb2Te5 와 TeOx(0＜x＜2)등이 있고, 이러한 물질들은 레이저를 이용하여 고온으로 가열한 이후, 급격히 냉각시키면 비결정상으로 변화하고, 서서히 냉각시키면 결정상으로 변화하는데, 이 때 결정상과 비결정상의 굴절률의 차이가 발생한다.

홀로그램 메모리 등에 사용되는 대표적인 물질로는 아크릴레이트계 공중합체 등이 있고, 레이저를 통한 노광에 의해 굴절률이 변화하게 된다.

이러한 상변화 물질을 내부 공간(50)에 채우고, 상변화 물질의 조건에 따른 굴절률 변화를 이용하여 메타 물질과 광학 수단(10)의 굴절률 차이에 의해 내부 공간(50)에서의 굴절 조건을 조절할 수 있다.

또한, 전기적 또는 화학적 방법에 의해 굴절률이 변경될 수 있는 기타 메타 물질을 매질로 사용할 수도 있다.

한편, 내부 공간(50)에 충전되는 매질은 투명재 또는 반투명재로 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 내부 공간(50)에는 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질이 충전되므로, 이러한 매질의 성질을 적절히 이용하면 실제 사물 화상광에 대한 시력 보정 기능을 제공할 수 있다. 예컨대, 내부 공간(50)에 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질을 충전하고 내부 공간(50)의 제2 면(52)에 곡률을 가지도록 하면 내부 공간(50)이 일종의 시력 보정 렌즈처럼 작용하게 된다.

또한, 매질을 적절히 선택하면 외부 광이 밝은 경우 내부 공간(50)이 일종의 썬글라스처럼 작용할 수도 있다.

한편, 도 8 및 도 9의 광학 장치(600)에서는, 반사형 회절 소자를 예로 들어 설명하였으나, 투과형 회절 소자를 사용할 수도 있음은 물론이다. 투과형 회절 소자를 사용하는 경우, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 반사 수단(70)으로 전달되고, 반사 수단(70)에서 반사된 가상 영상 화상광은 내부 공간(50)의 제2 면(52)을 통해 입사하여 회절 소자(20)로 전달된다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(700)를 나타낸 것으로서, 도 10은 사시도 및 도 11은 도 10의 A-A′선을 따른 단면도이다.

도 10 및 도 11의 광학 장치(700)는, 도 3 내지 도 5의 실시예의 광학 장치(300)와 기본적으로 동일하지만, 회절 소자(20)로서 투과형 회절 소자를 사용하였으며, 회절 소자(20)가 평면이 아닌 굴곡면이라는 점에서 차이가 있다. 또한, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사가 이루어진다는 점에서도 차이가 있다.

도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 회절 소자(20)는 측면에서 보았을 때 서로 평행하지 않은 2개의 직선이 연결된 형태로 보이도록 중간 부분이 굴곡되어 완만한 "L"자 형태로 보이도록 형성되어 있음을 알 수 있다.

다만, 이는 예시적인 것이며, 회절 소자(20)는 측면에서 보았을 때 완만한 "C"자 형태의 곡면으로 형성될 수도 있다.

도 12 내지 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(800)를 나타낸 것으로서, 도 12는 사시도, 도 13은 정면도 및 도 14는 도 12의 A-A′선을 따른 단면도이다.

도 12 내지 도 14의 광학 장치(800)는 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)와 유사하지만, 회절 소자(20)가 단일 평면이 아닌 복수개의 회절 모듈(21,22,23)로 형성되어 있다는 점에서 차이가 있다.

도시된 바와 같이, 회절 소자(20)는 3개의 회절 모듈(21,22,23)로 구성되고, 회절 모듈(21,22,23)들은 도 14에 나타낸 바와 같이 측면에서 보았을 때 서로 이격되어 배치되어 있음을 알 수 있다.

상기 회절 모듈(21,22,23)들 각각은 앞서 설명한 바와 같이 단일 평면 또는 곡면으로 형성될 수 있다.

또한, 각각의 회절 모듈(21,22,23)들은 측면에서 보았을 때 하나의 단일 직선상에 위치하지 않도록 배치된다.

또한, 상기 회절 모듈(21,22,23)들은 정면에서 바라보았을 때 도 13에 나타낸 바와 같이 광학 수단(10)의 내부에서 서로 약간의 간격을 두고 배치되어 있으나, 회절 모듈(21,22,23)들은 실제 사물 화상광을 투과시켜 동공(40)으로 전달하기 때문에 정면에서 보았을 때 서로 간격을 가지지 않는 것으로 보이도록 배치될 수도 있다. 물론, 이 경우에도 각각의 회절 모듈(21,22,23)들은 측면에서 보았을 때 하나의 단일 직선상에 위치하지 않도록 배치된다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(900)의 단면도를 나타낸 것이다.

도 15의 광학 장치(900)는, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)와 기본적으로 동일하되, 측면에서 보았을 때 회절 소자(20)가 광학 수단(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12)과 평행하지 않도록 경사지게 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1000)의 단면도를 나타낸 것이다.

도 16의 광학 장치(1000)는, 도 10 내지 도 15의 광학 장치(700~900)의 회절 소자(20)를 결합한 형태이다. 즉, 회절 소자(20)는 복수개의 회절 모듈(21,22,23)로 구성되고, 회절 모듈(21,22,23)들 중 적어도 일부는 곡면으로 형성되는 한편, 회절 모듈(21,22,23)들 중 적어도 일부는 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12)과 평행하지 않도록 경사지게 배치되어 있다는 점을 특징으로 한다.

한편, 도 10 내지 도 16의 광학 장치(700~1000)에서는, 회절 소자(20)로서 반사형 회절 소자를 사용한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 투과형 회절 소자를 사용할 수도 있음은 물론이다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1100)의 단면도를 나타낸 것이다.

도 17의 광학 장치(1100)는 도 6의 광학 장치(400)와 유사하지만, 회절 소자(20)가 광학 수단(10)의 제2 면(12)의 외부에 부착되어 배치된다는 점에서 차이가 있다.

도 17의 광학 장치(1100)는 반사형 회절 소자를 사용한 경우를 나타낸 것이지만, 회절 소자(20)로서 투과형 회절 소자를 사용하는 경우, 회절 소자(20)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 외부에 부착되어 배치될 수 있다.

도 18 내지 도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1200)를 나타낸 것으로서, 도 18은 사시도, 도 19는 정면도 및 도 20은 도 18의 A-A′선을 따른 단면도를 나타낸 것이다.

도 18 내지 도 20의 광학 장치(1200)는 도 17의 광학 장치(1100)와 동일하되, 표면 커버(60)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다.

표면 커버(60)는, 도시된 바와 같이, 회절 소자(20)와 이격되어 회절 소자(20)를 덮는 형태로 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 형성된다.

표면 커버(60)는 실제 세계의 사물로부터의 실제 사물 화상광을 투과시켜야 하므로 광학 수단(10)과 동일한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

여기에서, 표면 커버(60)와 회절 소자(20) 사이에 형성되는 내부 공간에는 앞서 설명한 바와 같이 광학 수단(10)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질을 충전할 수도 있다.

이와 같은 표면 커버(60)를 배치함으로써, 회절 소자(20)의 오염이나 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 표면 커버(60)를 평면이 아닌 곡면으로 형성하면 표면 커버(60)와 회절 소자(20) 사이의 공간이 렌즈처럼 작용할 수 있으므로 실제 사물 화상광에 대한 시력 보정 기능을 제공할 수 있다. 또한, 표면 커버(60)와 회절 소자(20) 사이의 공간에 적절한 매질을 채움으로써 외부 광이 밝은 곳으로 나가면 색이 변하는 썬글라스와 같은 기능을 수행할 수도 있다.

도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1300)의 단면도를 나타낸 것이다.

도 21의 광학 장치(1300)는, 도 3 내지 도 5의 광학 장치(300)와 유사하지만, 복수개의 회절 소자(20A,20B,20C), 복수개의 광학 수단(10A,10B,10C) 및 복수개의 반사 수단(70A,70B,70C)을 포함한다는 점에서 차이가 있다.

여기에서, 복수개의 광학 수단(10A,10B,10C) 각각은, 복수개의 회절 소자(20A,20B,20C)를 통해 전달되는 파장이 다른 각각의 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공(40)을 향해 출사되는 제1 면(11A,11B,11C)과, 상기 제1 면(11A,11B,11C)에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면(12A,12B,12C)을 구비한다.

또한, 복수개의 광학 수단(10A,10B,10C)은, 각 광학 수단(10A,10B,10C)의 제1 면(11A,11B,11C)이 동공(40)쪽으로 향하고 각 광학 수단(10A,10B,10C)의 제2 면(12A,12B,12C)이 실제 사물쪽을 향하도록 사용자의 동공(40)에서 정면 방향으로 적층 배치된다.

즉, 복수개의 광학 수단(10A,10B,10C)들은 회절 소자(20A,20B,20C)를 사이에 두고 동공(40)에서 정면 방향으로 서로 이격되어 적층 배치된다.

또한, 복수개의 회절 소자(20A,20B,20C) 각각은 복수개의 광학 수단(10A,10B,10C)의 제2 면(12A,12B,12C)의 외부에 각각 배치되머, 각각의 회절 소자(20A,20B,20C)들은 각각의 반사 수단(70A,70B,70C)에서 반사되어 전달되는 가상 영상 화상광 중에서 서로 다른 파장 대역에 상응하는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달한다.

예컨대, 회절 소자(20A)는 적색(R) 계열의 파장 대역에 상응하는 가상 영상 화상광을, 회절 소자(20B)는 녹색(G) 계열의 파장 대역에 상응하는 가상 영상 화상광을, 회절 소자(20C)는 청색(B) 계열의 파장 대역에 상응하는 가상 영상 화상광을 각각 동공(40)으로 전달할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 다양한 파장 대역의 가상 영상 화상광에 각각 대응하는 복수개의 회절 소자 및 광학 수단을 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(1400)의 단면도를 나타낸 것이다.

도 22의 광학 장치(1400)는, 도 21의 광학 장치(1300)와 유사하지만, 단일 광학 수단(10)을 사용하였으며, 복수개의 회절 소자(20A,20B,20C)들은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 순차적으로 적층되어 배치된다는 점에서 차이가 있다.

도 22의 광학 장치(1400)에서, 복수개의 회절 소자(20A,20B,20C)들은 사용자의 동공(40)에서 정면 방향으로 광학 수단(10)의 제2 면(12)의 외부에 적층 배치된다.

이와 같은 구성에 의하면, 다양한 파장 대역의 가상 영상 화상광에 대응하는 복수개의 회절 소자를 하나의 광학 수단을 사용하여 동공(40)으로 전달할 수 있는 장점이 있다.

이상에서, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 첨부한 청구범위에 의해 파악되는 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능하다는 점을 유의해야 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 회절 소자(20)는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자로 형성될 수 있으며, 이는 회절 소자(20)의 위치를 적절히 선택하기만 하면 전술한 모든 실시예에 적용할 수 있다.

또한, 회절 소자(20) 대신 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 사용할 수 있으며, 이 또한 전술한 모든 실시예에 적용할 수 있다.

또한, 상기 실시예들에서, 동공(40)으로 입사하는 가상 영상 화상광은 동공(40)에서 정면 방향에 평행한 것으로 나타내었으나, 이는 설명의 편의를 위해 예시적으로 나타낸 것임을 유의해야 한다. 실제 화상 출사부(30)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 다양한 각도 및 방향을 가질 수 있으며, 반사 수단(70) 및 회절 소자(20)를 통해 동공(40)으로 전달되는 가상 영상 화상광 또한 다양한 다른 각도 및 방향을 가질 수 있으며, 반사 수단(70) 및 회절 소자(20)를 적절히 배치함으로써 화상 출사부(30)에서 출사하는 가상 영상 화상광의 방향 및 각도에 따라 모든 시야(FOV) 각도를 커버할 수 있다는 점을 유의해야 한다.

100, 200 ... 종래의 증강 현실용 광학 장치
300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400 ... 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치
10...광학 수단
20...회절 소자
30...화상 출사부
40...동공
50...내부 공간
60...표면 커버
70...반사 수단

Claims (28)

1. 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서,
   화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자로 전달하는 반사 수단;
   상기 반사 수단으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 회절 소자; 및
   상기 반사 수단 및 회절 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
   을 포함하고,
   상기 광학 수단은, 상기 회절 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고,
   상기 반사 수단 및 회절 소자는 각각 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 반사 수단으로 직접 전달되거나, 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 반사 수단으로 전달되는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사 수단에서 반사된 가상 영상 화상광은 회절 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 회절 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사 수단의 반사면은, 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사 수단의 반사면은 오목하게 형성된 곡면인 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사 수단은, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 회절 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자인 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 회절 소자 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용한 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 회절 소자는 단일 평면으로 형성된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 회절 소자는, 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 안쪽에 배치된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 수단의 내부에는 내부 공간이 형성되고,
    상기 내부 공간은 회절 소자가 배치되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하는 면인 제2 면을 갖는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 내부 공간은 진공 상태인 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 내부 공간은 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질로 충전된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 회절 소자는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
15. 청구항 1에 있어서,
    상기 회절 소자는 서로 이격된 복수개의 회절 모듈로 구성된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 회절 모듈들은 측면에서 보았을 때 하나의 단일 직선상에 위치하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
17. 청구항 15에 있어서,
    상기 회절 모듈들은 정면에서 보았을 때 서로 간격을 가지지 않는 것으로 보이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
18. 청구항 1에 있어서,
    상기 회절 소자는 측면에서 보았을 때 광학 수단의 제1 면 및 제2 면과 평행하지 않도록 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
19. 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서,
    화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자로 전달하는 반사 수단;
    상기 반사 수단으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 회절 소자; 및
    상기 반사 수단 및 회절 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
    을 포함하고,
    상기 광학 수단은, 상기 회절 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고,
    상기 반사 수단은 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치되고,
    상기 회절 소자는 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 외부에 배치된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
20. 청구항 19에 있어서,
    상기 회절 소자와 이격되어 회절 소자를 덮도록 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면의 외부에 형성되는 표면 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
21. 청구항 20에 있어서,
    상기 표면 커버와 회절 소자 사이에는 내부 공간이 형성되고,
    상기 내부 공간에는 상기 광학 수단의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질이 충전된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
22. 청구항 20에 있어서,
    상기 표면 커버의 표면은 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
23. 청구항 19에 있어서,
    상기 회절 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자인 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
24. 청구항 19에 있어서,
    상기 회절 소자 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용한 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
25. 청구항 19에 있어서,
    상기 회절 소자는 단일 평면으로 형성된 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
26. 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서,
    화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자로 전달하는 복수개의 반사 수단;
    상기 복수개의 반사 수단 각각으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 복수개의 회절 소자; 및
    상기 복수개의 반사 수단 및 복수개의 회절 소자가 각각 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 복수개의 광학 수단
    을 포함하고,
    상기 복수개의 광학 수단 각각은, 상기 복수개의 회절 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고,
    상기 복수개의 반사 수단은 상기 복수개의 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 각각 매립 배치되고,
    상기 복수개의 회절 소자 각각은 복수개의 광학 수단의 제2 면의 외부에 각각 배치되고,
    상기 복수개의 광학 수단은, 각 광학 수단의 제1 면이 동공쪽으로 향하고 각 광학 수단의 제2 면이 실제 사물쪽을 향하도록 사용자의 동공에서 정면 방향으로 적층 배치되고,
    상기 복수개의 회절 소자 각각은 서로 다른 파장 대역에 상응하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달하는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
27. 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치로서,
    화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광을 회절 소자로 전달하는 반사 수단;
    상기 반사 수단으로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하며, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 복수개의 회절 소자; 및
    상기 반사 수단 및 복수개의 회절 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
    을 포함하고,
    상기 광학 수단은, 상기 복수개의 회절 소자를 통해 전달되는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 구비하고,
    상기 반사 수단은 상기 광학 수단의 제1 면과 제2 면 사이의 내부에 매립 배치되고,
    상기 복수개의 회절 소자들은 사용자의 동공에서 정면 방향으로 상기 광학 수단의 제2 면의 외부에 적층 배치되고,
    상기 복수개의 회절 소자 각각은, 서로 다른 파장 대역에 상응하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달하는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.
28. 청구항 26 또는 27에 있어서,
    상기 회절 소자 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용한 것을 특징으로 하는 회절 소자를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치.

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