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WO2023128168A1 - 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치 - Google Patents

내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치 Download PDF

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Publication number
WO2023128168A1
WO2023128168A1 PCT/KR2022/015362 KR2022015362W WO2023128168A1 WO 2023128168 A1 WO2023128168 A1 WO 2023128168A1 KR 2022015362 W KR2022015362 W KR 2022015362W WO 2023128168 A1 WO2023128168 A1 WO 2023128168A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical element
optical
augmented reality
image light
pupil
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/015362
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
Application filed by 주식회사 레티널 filed Critical 주식회사 레티널
Publication of WO2023128168A1 publication Critical patent/WO2023128168A1/ko

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    • 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
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • 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
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    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic
    • 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
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • the present invention relates to an optical device for augmented reality, and more particularly, to a compact augmented reality capable of reducing a form factor while widening an eyebox and a field of view (FOV) by using a built-in collimator and a negative refraction optical element. It is about an optical device for use.
  • a compact augmented reality capable of reducing a form factor while widening an eyebox and a field of view (FOV) by using a built-in collimator and a negative refraction optical element. It is about an optical device for use.
  • AR augmented reality
  • An apparatus for realizing such augmented reality requires an optical combiner that enables simultaneous observation of virtual images and real images in the real world.
  • an optical synthesizer a half mirror method and a holographic/diffractive optical element (HOE/DOE) method are known.
  • the semi-mirror method has a problem in that the transmittance of the virtual image is low and it is difficult to provide a comfortable fit because the volume and weight are increased to provide a wide viewing angle.
  • a technology such as a so-called LOE (Light guide Optical Element) in which a plurality of small half mirrors are placed inside a waveguide has also been proposed, but this technology also has a half mirror of a virtual image inside the waveguide. Since it has to pass through several times, the manufacturing process is complicated, and there is a limit in that light uniformity may be lowered due to errors in manufacturing.
  • LOE Light guide Optical Element
  • the holographic/diffractive optical element method generally uses a nanostructured grating or a diffraction grating, and since they are manufactured in a very precise process, they have limitations in that the manufacturing cost is high and the yield for mass production is low. In addition, due to the difference in diffraction efficiency according to the wavelength band and the incident angle, it has limitations in terms of color uniformity and low sharpness of the image. Holographic/diffractive optical elements are often used with waveguides such as the LOEs described above, and thus still suffer from the same problems.
  • 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 of FIG. 1 includes an optical unit 10 , a reflection unit 20 and an image output unit 30 .
  • the optical means 10 functions to transmit real object image light, which is image light emitted from objects in the real world, through the pupil 40 and emit virtual image image light reflected by the reflector 20 into the pupil 40. It is a means of carrying out Inside the optical means 10, the reflector 20 is buried and disposed.
  • the optical means 10 may be formed of, for example, a transparent resin material such as a spectacle lens, and may be fixed by a frame (not shown) such as a spectacle frame.
  • the image emitting unit 30 is a means for emitting virtual image light, which displays a virtual image on a screen and outputs a virtual image image light corresponding to the displayed virtual image from a micro display device and a micro display device 31.
  • a collimator for collimating image light into parallel light may be provided.
  • the reflector 20 is a means for reflecting the virtual video image light emitted from the image emitter 30 and transmitting it toward the pupil 40 of the user.
  • the reflector 20 of FIG. 1 is formed to have a smaller size than a human pupil. Since it is known that the size of a typical human pupil is about 4 to 8 mm, the reflector 20 is preferably formed to a size of 8 mm or less, more preferably 4 mm or less. As a result, the depth of field for the light incident to the pupil 40 through the reflector 20 can be made almost infinite, that is, very deep.
  • the depth of field refers to a range recognized as being in focus.
  • the range of the focal length of the virtual image correspondingly widens. Therefore, even if the user changes the focal length of the real world while gazing at the real world, it is recognized that the focus of the virtual image is always correct regardless of this. This can be regarded as a kind of pinhole effect.
  • the reflector 20 by forming the reflector 20 to have a smaller size than the pupil 40, the user can always observe a clear virtual image even if the user changes the focal length of the real object.
  • the present applicant has developed a compact optical device 200 for augmented reality using a plurality of reflectors and a built-in collimator based on the basic principle of the optical device 100 for augmented reality as shown in FIG. 1 (prior art). see Literature 2).
  • FIG. 2 to 4 are views showing an optical device 200 for augmented reality based on the technology disclosed in Prior Art Document 2, wherein 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. It consists of modules 21 to 29 and is disposed inside the optical means 10 in the form of an array, and the collimator 80 is placed inside the optical means 10 to emit from the image ejection unit 30. The difference is that the virtual video image light is transferred to the reflection modules 21 to 29 by the collimator 80.
  • the optical device 200 for augmented reality of FIGS. 2 to 4 does not need to include the collimator in the image output unit 30 unlike FIG. 1 .
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected on the inner surface of the optical means 10 and then transferred to the collimator 80.
  • the virtual image image light reflected in 80 is totally reflected again on the inner surface of the optical means 10 and transmitted to the plurality of reflection modules 21 to 29, and the plurality of reflection modules 21 to 29 enter the virtual image image.
  • the light is reflected and transmitted to the pupil 40 .
  • the optical device 200 for augmented reality provides a wide viewing angle and improves light efficiency, and uses a built-in collimator 80 inside the optical means 10 without using a collimator in the image output unit 30, the device It has the advantage of being able to reduce the overall size, thickness, weight and volume of
  • an eyebox in the horizontal direction (x-axis direction) of the optical device 200 for augmented reality having this configuration depends on the length of the collimator 80 in the horizontal direction.
  • FIG. 5 and 6 are views for explaining an eyebox in the horizontal direction of the optical device 200 for augmented reality
  • FIG. 5 is a plan view of the optical device 200 for augmented reality
  • FIG. 6 is equivalent to FIG. It shows the optics.
  • the virtual video image light emitted from three points (A, B, C) to the image emitting unit 30 is transmitted to the pupil 40 through the collimator 80 and the reflecting unit 20.
  • the overlapping area is indicated by hatching.
  • the overlapped area indicated by this hatched line corresponds to the maximum eyebox area in the x-z plane.
  • the length of the eyebox in the horizontal direction is d2, which can be expressed by the following equation by the proportional expression of the triangle.
  • d2 d1-2(y1+y2)tan(FOV/2)
  • d1 is the length of the collimator 80
  • FOV is the viewing angle
  • y1 is the distance from the collimator 80 to the exit pupil, that is, the reflector 20
  • y2 is the distance from the reflector 20 to the pupil 40, that is, eye relief am.
  • the length d2 of the eyebox in the horizontal direction is determined according to the length d1 of the collimator 80 .
  • the length of the collimator 80 should be increased in order to widen the eyebox in the horizontal direction in the optical device 200 for augmented reality.
  • the longer the length of the collimator 80 the more complicated the design and the more complicated the manufacturing process.
  • the probability of generating a ghost image increases and the probability of blocking real object image light also increases.
  • the aesthetic feeling is not good. Therefore, it is necessary to minimize the length of the collimator 80 as much as possible.
  • the present invention is to solve the above problems, using a built-in collimator and a negative refractive optical element, compact augmented reality optics that can reduce the form factor while widening the eyebox and field of view (FOV) It aims to provide a device.
  • the present invention can simplify the design and manufacturing process by adjusting the length of the collimator built into the optical means to obtain a desired eye box and viewing angle, minimize the occurrence of ghost images and increase the transmission efficiency of real object image light.
  • Another object is to provide an optical device for augmented reality.
  • the present invention is a compact augmented reality optical device using a negative refractive optical element, which converts virtual video image light emitted from an image output unit into collimated parallel light and transmits light to a second optical element.
  • a first optical element that transmits;
  • a second optical element that transmits the virtual video image light transmitted from the first optical element to a third optical element;
  • a virtual image is provided to the user by passing the virtual image image light transmitted from the second optical element toward the pupil of the user's eye, and the real object image light emitted from the object in the real world is transmitted through the pupil of the user's eye.
  • An optical device for augmented reality characterized in that the optical element is a negative refraction optical element that refracts virtual video image light in a direction symmetrical to the refracting direction of light having a positive refractive index and the normal line of the emission surface.
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit is directly transferred to the first optical element through the inside of the optical means, or is totally reflected at least once on the inner surface of the optical means, and then the first optical element. can be forwarded to
  • the virtual video image light converted into collimated parallel light by the first optical element may be directly transmitted to the second optical element or may be transmitted to the second optical element after being totally reflected at least once on an inner surface of the optical means.
  • the optical means includes a first surface through which the virtual video image light and the real object image light transmitted through the third optical element are emitted toward the user's pupil, and the first surface is opposite to the first surface and the real object image light is incident.
  • the first optical element is a reflecting means for reflecting and emitting incident virtual video image light, and the reflecting surface of the first optical element reflects the first surface or the second surface of the optical means. It can be placed facing up.
  • the reflective surface of the first optical element may be a concave curved surface.
  • the first optical element may be formed to extend closer to the image output unit toward both left and right ends from the central portion when the optical means is viewed from the pupil toward the front direction.
  • the second optical element may be buried inside the optical means.
  • the second optical element may be composed of a plurality of optical modules arranged in a matrix form when viewed from the front.
  • the second optical element may be a reflection means for reflecting and radiating incident virtual video image light.
  • the third optical element may refract incident light in a horizontal direction when a user looks at the optical means.
  • the third optical element may be disposed in the optical means between the second optical element and the pupil of the user's eye.
  • the optical means includes a first surface through which the virtual video image light and the real object image light transmitted through the third optical element are emitted toward the user's pupil, and the first surface is opposite to the first surface and the real object image light is incident.
  • the third optical element may be disposed on an inner surface or an outer surface of the first surface of the optical means, or may be disposed between the second optical element and the second surface of the optical means. .
  • the second optical element may be a diffractive element.
  • the second optical element may be a reflection type diffraction element or a transmission type diffraction element.
  • the second optical element may be a holographic optical element (HOE).
  • HOE holographic optical element
  • the second optical element may be a diffraction element formed in a single plane.
  • a compact augmented reality optical device using a negative refractive optical element wherein a first optical device converts virtual video image light emitted from an image output unit into collimated parallel light and transfers the light to a second optical element.
  • an optical device for augmented reality, characterized in that it is a negative refraction diffraction element that refracts virtual video image light in a direction symmetrical with respect to the refractive direction of light having a refractive index of and the normal line of the exit surface.
  • a compact augmented reality optical device capable of reducing a form factor while widening an eyebox and a field of view (FOV) by using a built-in collimator and a negative refractive optical element.
  • the present invention can simplify the design and manufacturing process by adjusting the length of the collimator built into the optical means to obtain a desired eye box and viewing angle, minimize the occurrence of ghost images and increase the transmission efficiency of real object image light.
  • An optical device for augmented reality may be provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical device 100 for augmented reality as described in Prior Art Document 1.
  • FIG. 2 to 4 are views showing an optical device 200 for augmented reality based on the technology disclosed in Prior Art Document 2, wherein FIG. 2 is a side view, FIG. 3 is a perspective view, and FIG. 4 is a front view.
  • FIG. 5 and 6 are views for explaining an eyebox in the horizontal direction of the optical device 200 for augmented reality
  • FIG. 5 is a plan view of the optical device 200 for augmented reality
  • FIG. 6 is equivalent to FIG. It shows the optics.
  • FIG. 7 to 9 are views for explaining an embodiment of an optical device 300 for compact augmented reality using a built-in collimator and a negative refractive optical element according to the present invention, FIG. 7 is a perspective view, FIG. 8 is a front view, 9 is a side view;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the principle of a negative refractive optical element.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an eye box of the optical device 300, and shows an equivalent optical system for a plan view of the optical device 300. Referring to FIG.
  • 13 and 14 are diagrams for explaining a change in viewing angle according to a negative refractive constant.
  • FIG. 15 shows a side view of an optical device 400 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 shows a side view of an optical device 500 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 to 9 are views for explaining an embodiment of an optical device 300 for compact augmented reality using a built-in collimator and a negative refractive optical element according to the present invention, FIG. 7 is a perspective view, FIG. 8 is a front view, 9 is a side view;
  • a compact augmented reality optical device 300 (hereinafter simply referred to as "optical device 300") using a built-in collimator and a negative refractive optical element of the present embodiment includes an optical means 10, It includes a first optical element 80 , a second optical element 20 and a third optical element 50 .
  • the optical means 10 is a means for transmitting real object image light emitted from objects in the real world to the pupils 40 of the user's eyes.
  • the first optical element 80 , the second optical element 20 , and the third optical element 50 are disposed inside the optical means 10 .
  • the optical means 10 includes a first surface 11 through which virtual video image light and real object image light transmitted through the third optical element 50 are emitted toward the user's pupil 40, and the first surface ( 11) and has a second surface 12 on which real object image light is incident.
  • the optical means 10 may include a third surface 13, which is a surface on which the virtual video image light is incident, and a fourth surface 14, which is a surface opposite to the third surface 13.
  • the image emitting unit 30 is means for displaying a virtual image and emitting virtual image light corresponding to the virtual image. Since the function of the collimator in the present invention is performed by the first optical element 80 built in the optical means 10 as described later, the image output unit 30 is a small-sized LCD, OLED, LCoS, or micro LED. It may be implemented as a conventionally known micro display device, such as the like.
  • the virtual image means an image for augmented reality, and may be an image or a video. Since the image output unit 30 itself is not a direct object of the present invention and is known in the prior art, a detailed description thereof will be omitted.
  • the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 is totally reflected by the second surface 12 of the optical means 10 to the first optical element 80.
  • this is exemplary and may be transmitted directly to the first optical element 80 without total reflection on the inner surface of the optical means 10 .
  • the total reflection may be transmitted to the first optical element 80 after being totally reflected twice or more on the inner surface of the optical means 10 .
  • the image output unit 30 is shown as being disposed on the upper surface of the optical means 10, that is, above the third surface 13, but this is exemplary and may be disposed in other positions. Of course there is.
  • the image output unit 30 is disposed apart from the third surface 13 of the optical means 10, but this is exemplary and may be disposed to contact the third surface 13. Of course it can.
  • the first optical element 80 converts incident virtual video image light into collimated parallel light and transmits it to the second optical element 20 . Accordingly, the virtual video image light emitted from the first optical element 80 is collimated parallel light or image light for which the focal length is intended.
  • the first optical element 80 may be embodied as a reflector that emits collimated parallel light while reflecting incident virtual video image light.
  • the first optical element 80 may be formed of a material having a high reflectance of 100% or close to 100%, such as a metal material.
  • the first optical element 80 is disposed and buried inside the optical means 10 so as to face the image output unit 30 .
  • the image emitting unit 30 emits virtual video image light toward the second surface 12 of the optical means 10, and the second surface 12 of the optical means 10 emits total reflection.
  • the resulting virtual video image light is transferred to the first optical element 80.
  • the virtual video image light converted into collimated parallel light by the first optical element 80 and emitted is totally reflected again by the second surface 12 of the optical means 10 and transmitted to the second optical element 20. do.
  • the second optical element 20 transmits incident virtual video image light to the pupil 40 through the third optical element 50 .
  • the first optical element 80 emits the virtual video image light that is totally reflected from the second surface 12 of the optical means 10 and incident toward the second surface 12 of the optical means 10, and
  • the image output unit 30, the second optical element 20, and the third optical element 30 allow augmented reality image light totally reflected by the second surface 12 of the means 10 to be transferred to the second optical element 20.
  • the element 50 and the pupil 40 it is disposed at an appropriate position inside the optical means 10 between the first face 11 and the second face 12 of the optical means 10.
  • the reflection surface 81 of the first optical element 80 that reflects the virtual video image light is the second optical element 80 of the optical means 10. It is disposed embedded inside the optical means 10 so as to face the face 12 .
  • a straight line in a vertical direction from the center of the reflection surface 81 and the second surface 12 of the optical means 10 may be inclined so as not to be parallel to each other.
  • the first optical element 80 emits virtual video image light toward the second surface 12
  • miscellaneous light emitted from a real object and capable of generating a ghost image is emitted from the pupil 40. It has the advantage of being able to block transmission to the side.
  • the reflective surface 81 of the first optical element 80 may be disposed buried inside the optical means 10 so as to face the first surface 11 of the optical means 10.
  • the reflective surface 81 of the first optical element 80 may be formed as a curved surface.
  • the reflecting surface 81 of the first optical element 80 may be a concave mirror concavely formed in the direction of the second surface 12 of the optical means 10 as shown in FIGS. 7 to 9 .
  • the first optical element 80 is built into the optical means 10 and can serve as a built-in collimator for collimating virtual video image light emitted from the image output unit 30, and thus It is not necessary to use a structure such as a collimator for the image output unit 30.
  • the first optical element 80 has a thin thickness when the user looks at the front through the pupil 40 so that the user cannot recognize it as much as possible.
  • the first optical element 80 may be configured with a means such as a half mirror that partially reflects light.
  • the first optical element 80 may be formed of a refraction element or a diffraction element other than a reflective element, or a combination of at least one of them.
  • the first optical element 80 may be formed of an optical element such as a notch filter that selectively transmits light according to a wavelength.
  • a surface opposite to the reflective surface 81 reflecting virtual image light of the first optical element 80 may be coated with a material that does not reflect light but absorbs it.
  • the image output unit 30 moves toward both left and right ends from the central portion.
  • the first optical element 80 may be formed in a generally gentle "U" bar shape. Accordingly, the function of the first optical element 80 as a collimator can be improved.
  • the second optical element 20 performs a function of transferring virtual video image light transmitted from the first optical element 80 to the third optical element 50 .
  • the second optical element 20 is buried inside the optical means 10 . That is, the second optical element 20 is spaced apart from the first surface 11, the second surface 12, the third surface 13, and the fourth surface 14 of the optical means 10, respectively, and the optical means ( 10) is placed in the inner space.
  • the second optical element 20 may include a plurality of optical modules arranged in a matrix form when viewed from the front, as shown in FIGS. 7 to 9 , in order to widen the viewing angle.
  • the second optical element 20 is collectively referred to as a plurality of optical modules.
  • the second optical element 20 is preferably a reflection means for reflecting and emitting incident virtual video image light.
  • the second optical element 20 may be formed of a material having a high reflectance of 100% or close to 100%, such as a metal material.
  • the virtual video image light emitted from the first optical element 80 is totally reflected by the second surface 12 of the optical means 10, and then 2 is transmitted to the optical element 20.
  • the plurality of optical modules constituting the second optical element 20 transmit the virtual video image light incident along the optical path to the third optical element 50 so that the first surface ( 11) and the second surface 12 to have an appropriate inclination angle.
  • each of the plurality of optical modules constituting the second optical element 20 has a size smaller than the size of a human pupil, that is, 8 mm or less, to obtain a pinhole effect by deepening the depth of field.
  • the depth of field for the light incident to the pupil 40 via the third optical element 50 by the optical modules can be made almost infinite, that is, the depth of field can be made very deep. Even if the focal length of the real world is changed while gazing at the real world, a pinhole effect may be generated, in which the focus of the virtual image is always recognized as correct regardless of this.
  • each optical module is defined as the maximum length between any two points on the edge boundary line of each optical module.
  • each optical module is between any two points on the edge boundary line of the orthographic projection of each optical module on a plane perpendicular to the straight line between the pupil 40 and the optical module and including the center of the pupil 40. can be of maximum length.
  • the size of the optical modules is preferably larger than at least 0.3 mm.
  • each of the optical modules may have a circular shape.
  • the optical modules may be formed in an elliptical shape so that the optical modules appear circular when viewed from the pupil 40 .
  • each of the plurality of optical modules is preferably arranged so that the virtual video image light transmitted from the first optical element 80 is not blocked by other optical modules.
  • the plurality of optical modules are arranged in a line on a vertical line when viewing the optical device 300 from the side, as shown in FIG. .
  • the second optical element 20 may be arranged in a matrix form in which the height of each column is sequentially staggered when viewed from the front, but this is also exemplary, and the height of each column Of course, it may be arranged in other forms, such as making all the same or making only some columns the same height.
  • the second optical element 20 may be configured with a means such as a half mirror that partially reflects and partially transmits light.
  • the second optical element 20 may be formed of any one of a refractive optical element, a diffractive optical element (DOE), and a holographic optical element (HOE).
  • DOE diffractive optical element
  • HOE holographic optical element
  • the second optical element 20 may be formed of an optical element such as a notch filter that selectively transmits light according to a wavelength.
  • the second optical element 20 may be composed of a polarization filter that polarizes and emits light.
  • the third optical element 50 performs a function of providing a virtual image to the user by transferring the virtual image image light transmitted from the second optical element 20 toward the pupil 40 of the user's eye.
  • the third optical element 50 functions to transmit real object image light emitted from objects in the real world to the pupil 40 of the user's eye through the first surface 11 of the optical means 10. also perform
  • the third optical element 50 is arranged in the optical means 10 between the second optical element 20 and the pupil 40 . 7 to 9, the third optical element 50 is disposed on the inner surface of the first surface 11 of the optical means 10, but this is exemplary, and the first surface of the optical means 10 ( 11), of course, may be disposed on the outer surface. In addition, it may be disposed spaced apart from the inner surface of the first surface 11 of the optical means 10.
  • the third optical element 50 may be disposed between the second optical element 20 and the second surface 12 of the optical means 10 .
  • the third optical element 50 is shown as being formed in a rectangular planar shape when viewed from the front, but this is exemplary and may be formed in other shapes such as circular, elliptical, etc. am.
  • the third optical element 50 may be formed in a single plane. Therefore, as shown in FIG. 9, the form factor of the optical means 10 and the optical device 300 can be kept small because they occupy little space in the left-right direction (z-axis direction) of the optical means 10 when viewed from the side. can
  • the third optical element 50 is characterized in that it is a negative refractive optical element.
  • the negative refractive optical element refers to an optical element that refracts incident light in a direction symmetrical with respect to a general refractive direction of light having a positive refractive index and a normal line of an emission surface.
  • the general direction of refraction of light means a direction of refraction according to Snell's law.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the principle of a negative refractive optical element.
  • incident light L i is incident from a medium 1 having a refractive index n 1 to a medium 2 having a refractive index n 2 .
  • Incident light (L i ) has an angle of ⁇ 1 with respect to the normal (z) of the exit surface (x).
  • the light (L 1 ) emitted from the emission surface (x) having a refractive direction having a general positive refractive index has an angle of ⁇ 2p with respect to the normal (z) of the emission surface (x). .
  • the light (L 2 ) is refracted at an angle of ⁇ 2n with respect to the normal (z) of the emission surface (x), which is symmetrical to the light (L 1 ) with respect to the normal (z) of the emission surface (x).
  • ⁇ 2p and ⁇ 2n form an angle having the same magnitude and opposite directions around the normal (z).
  • the phenomenon of refracting the incident light (L i ) in a direction symmetrical to the general refractive direction of light having a positive refractive index and the normal of the exit surface is called a negative refraction phenomenon
  • an optical element that generates such a negative refraction phenomenon is a negative refraction phenomenon. It is called a refractive optical element.
  • n when smaller than 0 can be defined as a negative refractive constant.
  • Such a negatively refractive optical element may be formed of a metamaterial having a negative refractive index in a specific wavelength band. Also, the negative refractive optical element may be formed with an array of micromirrors.
  • FIG. 10 shows the negative refraction phenomenon according to the difference in refractive index of the medium along the x-axis to show the principle of negative refraction, but this is exemplary and the negative refraction element has its own negative refraction regardless of the refractive index of the surrounding medium. Since it may have a constant, incident light may be emitted in a negative direction according to a negative refractive constant.
  • the incident light L i is only in the x-axis direction.
  • a negative refractive optical element exhibiting negative refraction is used.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an eye box of the optical device 300, and shows an equivalent optical system for a plan view of the optical device 300. Referring to FIG.
  • FIG. 11 is the same as FIG. 6 , except that a third optical element 50 is additionally disposed.
  • the virtual video image light entering the third optical element 50 is negatively refractive in the x-axis direction as described above. Due to the phenomenon, it is refracted in a direction symmetrical to the direction having a positive refractive index in the x-z plane. Accordingly, an eyebox area as shown in FIG. 11 can be obtained.
  • the entire eyebox area of the x-z plane of the optical device 300 is a hatched area, and the length of the eyebox in the horizontal direction (x-axis direction) is d2.
  • the length d2 of the eyebox in the horizontal direction can be expressed by the following formula.
  • d2 d1-2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)
  • d1 is the length of the first optical element 80
  • FOV represents the viewing angle
  • y1 is the distance from the first optical element 80 to the exit pupil, that is, the second optical element 20
  • y2 is the distance from the second optical element 20 to the pupil 40, that is, , eye relief.
  • ABS represents an absolute value symbol.
  • first optical element 80 in order to obtain a desired length d2 of the eyebox in the horizontal direction, it means that a shorter first optical element 80 can be employed than the case of FIG. 6 in which a negatively refractive optical element is not used.
  • the horizontal length d1 of the first optical element 80 can be calculated by the following formula.
  • d1 d2 + 2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)
  • the horizontal eyebox and field of view (FOV) of the optical device 300 may be increased, the overall form factor of the optical device 300 may be remarkably reduced.
  • n is the negative refractive constant as described above, and when n is less than -1, the angle of refraction ( ⁇ 2 ) is smaller than the angle of incidence ( ⁇ 1 ), and when n is -1, the angle of refraction ( ⁇ 2 ) is It has the same magnitude as the angle of incidence ( ⁇ 1 ). In addition, when n is greater than -1 and less than 0, the angle of refraction ( ⁇ 2 ) is greater than the angle of incidence ( ⁇ 1 ).
  • 13 and 14 are diagrams for explaining a change in viewing angle according to a negative refractive constant.
  • FIG. 14 shows a case where the negative refractive constant is -1 ⁇ n ⁇ 0, and the angle of view (FOV, ⁇ 2 ) in the eyebox at this time is the angle of view between the image output unit 30 and the first optical element 80. greater than ( ⁇ 1 ).
  • FIG. 15 shows a side view of an optical device 400 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device 400 of FIG. 15 is the same as the optical device 300 of FIGS. 7 to 9 , but shows a case in which the diffraction element 60 is used as the second optical element 20 .
  • the diffractive element means an optical element that refracts or reflects incident virtual video image light through a diffraction phenomenon. That is, the diffractive element may be referred to as an optical element that provides various optical functions by using a diffraction phenomenon of light.
  • the diffractive element has advantages in that a point-to-point image without aberration and a planar structure are possible, and aberration control such as an aspherical surface is possible.
  • the diffractive element has a very thin thickness of several ⁇ m, it is advantageous to reduce the volume and weight of the optical system because it plays a role similar to a general lens, prism, or mirror having a thickness of several mm.
  • the diffractive element operates as a refracting or reflecting element only for light that matches the design wavelength band of the nanostructure due to the wavelength-dependent characteristics of the diffraction phenomenon, and is a window that simply passes light in other wavelength bands. play a role Therefore, by using such a diffractive element, the transparency is increased to secure more brightness of the perspective image, and since the optical synthesizer structure is not observed from the outside, an optical device for augmented reality with better aesthetics similar to general glasses is provided. There are advantages to being able to do it.
  • Such a diffraction element can be divided into a reflection-type diffraction element and a transmission-type diffraction element.
  • the optical device 400 of FIG. 15 is a case in which a transmissive diffractive element is used.
  • a reflective diffraction element refers to a diffraction element using a property of reflecting light incident from a specific direction and position
  • a transmission type diffraction element refers to a diffraction element using a property of transmitting light incident from a specific direction and position. means small.
  • the diffractive element 60 is preferably formed in a rectangular planar shape when viewed from the front, but this is exemplary, and may be formed in other shapes such as circular, elliptical, etc., of course. Also, the diffractive element 60 may be formed in a curved surface.
  • the diffraction element 60 is formed in a single plane. Therefore, it has the advantage of being able to uniform the luminance distribution of the virtual image, and since it takes up almost no space in the left and right directions of the optical means 10 when viewed from the side, the form factor of the optical device 400 can be remarkably reduced. there is.
  • the size of the diffractive element 60 is an exit pupil required by various conditions such as the size and viewing angle of the virtual image transmitted to the pupil 40 by the diffractive element 60 and the third optical element 50. It can be formed as one single flat or curved surface with a size corresponding to the area. Considering this point, the diffractive element 60 may be formed to have a larger size than the pupil 40 when viewed from the front.
  • the diffraction element 60 transmits real object image light emitted from objects in the real world to the pupil 40 of the user's eye through the third optical element 50, the pupil Even when formed as a single plane having a size greater than (40), real object image light may pass through the diffraction element 60 and be transmitted to the pupil 40.
  • a holographic optical element may be used instead of the diffraction element 60 .
  • FIG. 16 shows a side view of an optical device 500 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is an optical element in which the diffractive element 60 as described in FIG. 15 and the third optical element 50, which is a negative refractive optical element described with reference to FIGS. 7 to 15, are formed as a single structure, This is referred to as the second optical element 70 in FIG. 16 .
  • the second optical element 70 in FIG. 16 transmits the virtual video image light emitted from the image emitting unit 30 and transmitted through the first optical element 80 to the pupil 40 of the user's eye.
  • a diffractive element that transmits real object image light emitted from objects in the real world to the pupil 40 of the user's eye, wherein the direction of refraction of light having a positive refractive index and the direction symmetrical with respect to the normal of the emission surface It can be referred to as a negative refraction diffraction element that refracts virtual video image light.
  • the diffractive element 60 and the second optical element 70 having the characteristics of the negative refractive optical element the luminance distribution of the virtual image can be made more uniform while the form factor can be more remarkably reduced.

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Abstract

본 발명은, 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자; 상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자로 전달하는 제2 광학 소자; 상기 제2 광학 소자로부터 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 제3 광학 소자; 및 상기 제1 광학 소자, 제2 광학 소자 및 제3 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 제3 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.

Description

내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치
본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용하여 아이박스(eyebox) 및 시야각(FOV)을 넓게 할 수 있으면서도 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트 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 동시에 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) 방식이 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 이른바 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 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 도파로(waveguide)와 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 하거나 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(선행 기술 문헌 1 참조).
도 1은 선행 기술 문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
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 동공(40)으로 투과시키는 한편 반사부(20)에서 반사된 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 출사하는 기능을 수행하는 수단이다. 광학 수단(10) 내부에는 반사부(20)가 매립 배치되어 있다.
광학 수단(10)은 예컨대 안경 렌즈와 같은 투명 수지(resin)재로 형성될 수 있으며, 안경테와 같은 프레임(미도시)에 의해 고정될 수 있다.
화상 출사부(30)는 가상 영상 화상광을 출사하는 수단으로서, 가상 영상을 화면에 표시하고 표시된 가상 영상에 상응하는 가상 영상 화상광을 출사하는 마이크로 디스플레이 장치와 마이크로 디스플레이 장치(31)로부터 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 바람직하게는 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하의 크기로 형성한다. 이에 의해 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 동공(40)보다 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 반사부 및 내장 콜리메이터를 이용한 컴팩트형 증강 현실용 광학 장치(200)를 개발한 바 있다(선행 기술 문헌 2 참조).
도 2 내지 도 4는 선행 기술 문헌 2에 개시된 바와 같은 기술에 기초한 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 모듈(21~29)로 구성되어 어레이(array) 형태로 광학 수단(10) 내부에 배치된다는 점과, 콜리메이터(80)를 광학 수단(10) 내부에 배치하여 화상 출사부(30)에서 출사한 가상 영상 화상광은 콜리메이터(80)에 의해 반사 모듈(21~29)들로 전달된다는 점에서 차이가 있다.
이와 같이 콜리메이터(80)를 광학 수단(10) 내부에 배치함으로써, 도 2 내지 도 4의 증강 현실용 광학 장치(200)는 도 1과는 달리 화상 출사부(30)에 콜리메이터를 포함할 필요가 없으며, 화상 출사부(30)는 마이크로 디스플레이 장치만으로 구성할 수 있다.
도 2 내지 도 4의 증강 현실용 광학 장치(200)에서는, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사된 후 콜리메이터(80)로 전달되고, 콜리메이터(80)에서 반사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 다시 전반사되어 복수개의 반사 모듈(21~29)로 전달되고, 복수개의 반사 모듈(21~29)들은 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 동공(40)으로 전달한다.
이러한 증강 현실용 광학 장치(200)는 넓은 시야각을 제공하고 광효율을 개선하는 한편, 화상 출사부(30)에 콜리메이터를 사용하지 않고 광학 수단(10) 내부에 내장 콜리메이터(80)를 사용하기 때문에 장치의 전체적인 크기, 두께, 무게 및 부피를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
한편, 이러한 구성의 증강 현실용 광학 장치(200)에서의 가로 방향(x축 방향)의 아이박스(eyebox)는 콜리메이터(80)의 가로 방향의 길이에 의존한다.
도 5 및 도 6은 증강 현실용 광학 장치(200)의 가로 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 증강 현실용 광학 장치(200)의 평면도이고, 도 6은 도 5에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6에서, 화상 출사부(30)에 3개의 점(A,B,C)에서 출사한 가상 영상 화상광은 콜리메이터(80) 및 반사부(20)를 거쳐 동공(40)으로 전달되며, 이들이 겹치는 영역을 빗금으로 나타내었다. 이 빗금으로 나타낸 겹침 영역이 x-z 평면의 최대 아이박스 영역에 해당한다.
이 때, 가로 방향(x축 방향)의 아이박스의 길이는 d2이고, 이는 삼각형의 비례식에 의해 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
d2 = d1-2(y1+y2)tan(FOV/2)
여기에서, d1은 콜리메이터(80)의 길이이며, FOV는 시야각이다. 또한, y1은 콜리메이터(80)에서 출사 동공(exit pupil) 즉, 반사부(20)까지의 거리이고, y2는 반사부(20)에서 동공(40)까지의 거리 즉, 아이릴리프(eye relief)이다.
y1과 y2는 고정된 값이므로, 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)는 콜리메이터(80)의 길이(d1)에 따라 결정됨을 알 수 있다.
이는 증강 현실용 광학 장치(200)에서 가로 방향의 아이박스를 넓히기 위해서는 콜리메이터(80)의 길이를 길게 해야 한다는 것을 의미한다. 그러나, 콜리메이터(80)의 길이가 길수록 설계가 복잡해지고 제조 공정 또한 복잡해진다는 문제가 있다. 또한, 콜리메이터(80)의 길이가 길어질수록 고스트 이미지가 발생할 확률이 높아지고 실제 사물 화상광을 차단할 확률도 높아진다는 문제가 있다. 또한, 외관상으로도 두드러지기 때문에 심미감도 좋지 않다. 따라서, 콜리메이터(80)의 길이를 가능한 한 최소화시킬 필요가 있다.
[선행기술문헌]
[선행기술문헌 1] 대한민국 공개특허공보 10-2018-0028339호(2018.03.16 공개)
[선행기술문헌 2] 대한민국 등록특허공보 10-2200144호(2021.01.08 공고)
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로서, 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용하여 아이박스(eyebox) 및 시야각(FOV)을 넓게 할 수 있으면서도 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 원하는 아이박스 및 시야각을 얻기 위하여 광학 수단에 내장되는 콜리메이터의 길이를 조절함으로써 설계 및 제조 공정을 단순화시킬 수 있으며, 고스트 이미지의 발생을 최소화하고 실제 사물 화상광의 전달 효율을 높일 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자; 상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자로 전달하는 제2 광학 소자; 상기 제2 광학 소자로부터 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 제3 광학 소자; 및 상기 제1 광학 소자, 제2 광학 소자 및 제3 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 제3 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 광학 소자로 직접 전달되거나, 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 제1 광학 소자로 전달될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자에서 시준된 평행광으로 변환된 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 제2 광학 소자로 전달될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단은 상기 제3 광학 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 가지며, 상기 제1 광학 소자는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단이고, 상기 제1 광학 소자의 반사면은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자의 반사면은 오목하게 형성된 곡면일 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 소자는, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 상기 광학 수단의 내부에 매립 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 광학 모듈들로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단일 수 있다.
또한, 상기 제3 광학 소자는, 사용자가 광학 수단을 바라볼 때 가로 방향으로 입사광을 굴절시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 제3 광학 소자는, 상기 제2 광학 소자와 사용자의 눈의 동공 사이에서 광학 수단에 배치될 수 있다.
또한, 상기 광학 수단은 상기 제3 광학 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 가지며, 상기 제3 광학 소자는 상기 광학 수단의 제1 면의 안쪽 면 또는 바깥쪽 면에 배치되거나, 상기 제2 광학 소자와 상기 광학 수단의 제2 면 사이에 배치될 수 있다.
또한, 사용자의 눈의 동공에서 관찰되는 가로 방향의 아이박스의 길이를 d2라고 할 때, 상기 제1 광학 소자의 가로 방향의 길이(d1)는 d1 = d2+2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)의 수식에 의해 계산(여기에서, FOV는 시야각, y1은 제1 광학 소자에서 제2 광학 소자까지의 거리, y2는 제2 광학 소자에서 동공까지의 거리임)될 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 회절 소자일 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자일 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)일 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 소자는 단일 평면으로 형성된 회절 소자일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자; 상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달하고, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제2 광학 소자; 및 상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단을 포함하고, 상기 제2 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용하여 아이박스(eyebox) 및 시야각(FOV)을 넓게 할 수 있으면서도 폼 팩터를 줄일 수 있는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 원하는 아이박스 및 시야각을 얻기 위하여 광학 수단에 내장되는 콜리메이터의 길이를 조절함으로써 설계 및 제조 공정을 단순화시킬 수 있으며, 고스트 이미지의 발생을 최소화하고 실제 사물 화상광의 전달 효율을 높일 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 선행 기술 문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 선행 기술 문헌 2에 개시된 바와 같은 기술에 기초한 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.
도 5 및 도 6은 증강 현실용 광학 장치(200)의 가로 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 증강 현실용 광학 장치(200)의 평면도이고, 도 6은 도 5에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300)의 일실시예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 사시도, 도 8은 정면도, 도 9는 측면도이다.
도 10은 음굴절 광학 소자의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 광학 장치(300)의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(300)의 평면도에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 12는 음굴절 상수에 따른 음굴절 현상을 나타낸 것이다.
도 13 및 도 14는 음굴절 상수에 따른 시야각의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)의 측면도를 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300)의 일실시예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 사시도, 도 8은 정면도, 도 9는 측면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예의 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300, 이하 간단히 "광학 장치(300)"라 한다)는, 광학 수단(10), 제1 광학 소자(80), 제2 광학 소자(20) 및 제3 광학 소자(50)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) 내부에는 제1 광학 소자(80), 제2 광학 소자(20) 및 제3 광학 소자(50)가 배치된다.
광학 수단(10)은 제3 광학 소자(50)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 갖는다.
또한, 광학 수단(10)은 가상 영상 화상광이 입사하는 면인 제3 면(13)과 상기 제3 면(13)에 대향하는 면인 제4 면(14)을 포함할 수 있다.
화상 출사부(30)는, 가상 영상(virtual image)을 표시하고 가상 영상에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단이다. 본 발명에서 콜리메이터의 기능은 후술하는 바와 같이 광학 수단(10)에 내장되는 제1 광학 소자(80)에 의해 수행되기 때문에, 화상 출사부(30)는, 소형의 LCD, OLED, LCoS, 마이크로 LED 등과 같이 종래 알려져 있는 마이크로 디스플레이 장치로 구현될 수 있다.
여기에서, 가상 영상이란 증강 현실용 화상을 의미하며, 이미지 또는 동영상일 수 있다. 이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.
도 7 내지 도 9의 광학 장치(300)에서는, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 제1 광학 소자(80)로 전달되는 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 광학 수단(10)의 내면에서의 전반사 없이 제1 광학 소자(80)로 직접 전달될 수 있다. 또한, 광학 수단(10)의 내면에서 2회 이상 전반사되어 제1 광학 소자(80)로 전달될 수도 있음은 물론이다.
또한, 도 7 내지 도 9에서, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 상면 즉, 제3 면(13) 위쪽에 배치된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 기타 다른 위치에 배치될 수도 있음은 물론이다.
또한, 도 7 내지 도 9에서, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 제3 면(13)과 이격되어 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며 제3 면(13)과 접촉하도록 배치될 수도 있음은 물론이다.
제1 광학 소자(80)는, 입사하는 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자(20)로 전달하는 기능을 수행한다. 따라서, 제1 광학 소자(80)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 시준된 평행광 또는 초점 거리가 의도된 화상광이다.
제1 광학 소자(80)는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시키면서 시준된 평행광으로 출사하는 반사 수단으로 구현될 수 있다. 예컨대, 금속재 등과 같이 100% 또는 100%에 거의 근접하는 높은 반사율을 갖는 재질로 제1 광학 소자(80)를 형성할 수 있다.
제1 광학 소자(80)는, 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(30)와 대향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.
도 9에 나타난 바와 같이, 화상 출사부(30)는 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 가상 영상 화상광을 출사하고, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 가상 영상 화상광은 제1 광학 소자(80)로 전달된다. 그리고, 제1 광학 소자(80)에서 시준된 평행광으로 변환되어 출사한 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 다시 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달된다. 제2 광학 소자(20)는 입사하는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자(50)를 통해 동공(40)으로 전달한다.
따라서, 제1 광학 소자(80)는, 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 입사하는 가상 영상 화상광을 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사하고 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 증강 현실 화상광이 제2 광학 소자(20)로 전달될 수 있도록, 화상 출사부(30), 제2 광학 소자(20), 제3 광학 소자(50) 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 7 내지 도 9의 실시예에서는, 제1 광학 소자(80)는 가상 영상 화상광을 반사시키는 제1 광학 소자(80)의 반사면(81)이 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치된다.
여기에서, 상기 반사면(81)의 중심으로부터 수직 방향으로의 직선과 광학 수단(10)의 제2 면(12)은 서로 평행하지 않도록 경사지게 배치될 수 있다.
이러한 배치 구조에 의하면, 제1 광학 소자(80)가 가상 영상 화상광을 제2 면(12)을 향하도록 출사하는 한편, 실제 사물로부터 출사되어 고스트 이미지를 발생시킬 수 있는 잡광이 동공(40) 쪽으로 전달되는 것을 차단할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 이는 예시적인 것이며, 제1 광학 소자(80)의 반사면(81)이 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 향하도록 광학 수단(10)의 내부에 매립되어 배치될 수도 있음은 물론이다.
한편, 제1 광학 소자(80)의 반사면(81)은 곡면으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 광학 소자(80)의 반사면(81)은 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이 광학 수단(10)의 제2 면(12) 방향으로 오목하게 형성된 오목 거울일 수 있다. 이러한 구성에 의하여 제1 광학 소자(80)는 광학 수단(10)에 내장되어 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광을 시준시키는 내장 콜리메이터(collimator)로서의 역할을 수행할 수 있고, 따라서 화상 출사부(30)에 콜리메이터와 같은 구성을 사용할 필요가 없다.
또한, 제1 광학 소자(80)는, 사용자가 가급적 인식할 수 없도록 하기 위하여 사용자가 동공(40)을 통해 정면을 바라 보았을 때의 두께가 얇게 보이도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 제1 광학 소자(80)는 빛을 부분적으로 반사시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.
또한, 제1 광학 소자(80)는 반사 수단 이외의 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성하거나, 이들 중 적어도 하나의 조합으로 형성할 수도 있다.
또한, 제1 광학 소자(80)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 제1 광학 소자(80)의 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사면(81)의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.
한편, 제1 광학 소자(80)는, 도 8에 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, 제1 광학 소자(80)는, 정면에서 바라볼 때 전체적으로 완만한 "U"자의 바(bar) 형태로 형성될 수 있다. 이에 의하여, 제1 광학 소자(80)의 콜리메이터로서의 기능이 향상될 수 있다.
제2 광학 소자(20)는, 제1 광학 소자(80)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자(50)로 전달하는 기능을 수행한다.
제2 광학 소자(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다. 즉, 제2 광학 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 배치된다.
제2 광학 소자(20)는, 시야각을 넓히기 위하여, 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 광학 모듈들로 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 제2 광학 소자(20)는 복수개의 광학 모듈들 전체를 통칭하여 부르는 것으로 한다.
제2 광학 소자(20)는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단인 것이 바람직하다. 예컨대, 금속재 등과 같이 100% 또는 100%에 거의 근접하는 높은 반사율을 갖는 재질로 제2 광학 소자(20)를 형성할 수 있다.
도 7 내지 도 9의 광학 장치(300)에서는, 전술한 바와 같이, 제1 광학 소자(80)에서 출사한 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달된다.
따라서, 제2 광학 소자(20)를 구성하는 복수개의 광학 모듈들은 이러한 광 경로에 따라 입사하는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자(50)로 전달할 수 있도록 광학 수단(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12)에 대해 적절한 경사각을 가지도록 배치된다.
제2 광학 소자(20)를 구성하는 복수개의 광학 모듈들 각각은, 앞서 설명한 바와 같이, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과(pinhole effect)를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하, 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
이에 의하여, 광학 모듈들에 의해 제3 광학 소자(50)를 거쳐 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 거의 무한대에 가깝게 즉, 심도를 매우 깊게 할 수 있고, 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 하는 핀홀 효과(pinhole effect)를 발생시킬 수 있다.
여기에서, 각각의 광학 모듈의 크기라 함은, 각 광학 모듈의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 각각의 광학 모듈의 크기는, 동공(40)과 광학 모듈 사이의 직선에 수직하면서 동공(40)의 중심을 포함하는 평면에 각 광학 모듈을 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.
다만, 광학 모듈들의 크기가 지나치게 작은 경우에는 회절(diffraction) 현상이 커지기 때문에, 광학 모듈들의 크기는 적어도 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 광학 모듈들 각각의 형상은 원형일 수 있다.
또한, 동공(40)에서 광학 모듈들을 바라보았을 때 원형으로 보이도록 광학 모듈들을 타원형으로 형성할 수도 있다.
한편, 복수개의 광학 모듈들 각각은, 제1 광학 소자(80)로부터 전달되는 가상 영상 화상광이 다른 광학 모듈들에 의해 차단되지 않도록 배치되는 것이 바람직하다. 복수개의 광학 모듈들은 도 9에 나타낸 바와 같이 광학 장치(300)를 측면에서 보았을 때 수직선상에 일렬로 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 사선이나 기타 완만한 곡선 형태로 배치될 수도 있음은 물론이다.
또한, 제2 광학 소자(20)는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 정면에서 보았을 때 각 열(column)의 높이가 순차적으로 엇갈리는 행렬 형태로 배치될 수 있으나, 이 또한 예시적인 것이며, 각 열의 높이를 모두 동일하게 하거나 일부 열만의 높이만을 동일하게 하는 등 기타 다른 형태로 배치할 수도 있음은 물론이다.
한편, 제2 광학 소자(20)는, 빛을 부분적으로 반사시키고 부분적으로 투과시키는 하프 미러(half mirror)와 같은 수단으로 구성할 수도 있다.
또한, 제2 광학 소자(20)는 굴절 소자(Refractive Optical Element), 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element, DOE) 및 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE) 중 어느 하나로 형성될 수도 있다.
또한, 제2 광학 소자(20)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.
또한, 제2 광학 소자(20)는 빛을 편광시켜 출사하는 편광 필터로 구성할 수도 있다.
다음으로, 제3 광학 소자(50)에 대해 설명한다.
제3 광학 소자(50)는 제2 광학 소자(20)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)을 향해 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 기능을 수행한다. 또한, 제3 광학 소자(50)는 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 기능도 수행한다.
제3 광학 소자(50)는 제2 광학 소자(20)와 동공(40) 사이에서 광학 수단(10)에 배치된다. 도 7 내지 도 9에서는, 제3 광학 소자(50)는 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 안쪽 면에 배치되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 바깥쪽 면에 배치될 수도 있음은 물론이다. 또한, 광학 수단(10)의 제1 면(11)의 안쪽 면과 이격되어 배치될 수도 있다.
또한, 제3 광학 소자(50)는 제2 광학 소자(20)와 광학 수단(10)의 제2 면(12) 사이에 배치될 수도 있다.
도 7 내지 도 9의 실시예에서 제3 광학 소자(50)는 정면에서 보았을 때 직사각형의 평면 형상으로 형성된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 원형, 타원형 등 기타 다른 형태로 형성될 수도 있음은 물론이다.
또한, 제3 광학 소자(50)는 단일 평면으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 좌우 방향(z축 방향)으로 거의 공간을 차지하지 않기 때문에 광학 수단(10) 및 광학 장치(300)의 폼 팩터를 작게 유지할 수 있다.
한편, 본 발명에서, 제3 광학 소자(50)는 음굴절 광학 소자(negative refractive optical element)인 것을 특징으로 한다.
음굴절 광학 소자란, 양의 굴절률(positive refractive index)을 갖는 일반적인 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 입사광을 굴절시키는 광학 소자를 의미한다.
여기에서, 일반적인 빛의 굴절 방향이란 스넬의 법칙(Snell's law)에 따르는 굴절 방향을 의미한다.
도 10은 음굴절 광학 소자의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 입사광(Li)은 굴절률 n1인 매질 1에서 굴절률 n2인 매질 2로 입사한다. 입사광(Li)은 출사면(x)의 법선(z)에 대해 θ1의 각도를 갖는다.
이 때, 스넬의 법칙에 따라 일반적인 양의 굴절률을 갖는 굴절 방향을 가지고 출사면(x)에서 출사하는 빛(L1)은 출사면(x)의 법선(z)에 대해 θ2p의 각도를 갖는다.
한편, 빛(L2)은 출사면(x)의 법선(z)에 대해 θ2n의 각도를 가지며 굴절되어 출사하는데 이는 출사면(x)의 법선(z)에 대해 빛(L1)과 대칭이다. 즉, θ2p와 θ2n은 크기가 같고 방향이 법선(z)를 중심으로 반대인 각도를 이룬다.
이와 같이 입사광(Li)을 양의 굴절률을 갖는 일반적인 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 굴절시키는 현상을 음굴절 현상이라 하고, 이러한 음굴절 현상을 발생시키는 광학 소자를 음굴절 광학 소자라 한다.
이를 스넬의 법칙에 따라 표현하면 다음과 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2022015362-appb-img-000001
(
Figure PCTKR2022015362-appb-img-000002
)
Figure PCTKR2022015362-appb-img-000003
(
Figure PCTKR2022015362-appb-img-000004
)
여기에서, 매질 2와 매질 1의 굴절률 비율(n2/n1)을 n이라 하면, 상기 수식은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2022015362-appb-img-000005
(
Figure PCTKR2022015362-appb-img-000006
)
Figure PCTKR2022015362-appb-img-000007
(
Figure PCTKR2022015362-appb-img-000008
)
여기에서, 0보다 작을 때의 n을 음굴절 상수라고 정의할 수 있다.
이러한 음굴절 광학 소자는 특정 파장 대역에서 음의 굴절률을 갖는 메타 물질로 형성될 수 있다. 또한, 음굴절 광학 소자는 마이크로 미러의 어레이로도 형성될 수 있다.
또한, 도 10은 음굴절의 원리를 나타내기 위해서 x축을 경계로 매질의 굴절률 차이에 따른 음굴절 현상을 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며 음굴절 소자는 주위 매질의 굴절률과 상관 없이 그 자체의 음굴절 상수를 가질 수 있어서 입사된 빛을 음의 방향으로 음굴절 상수에 따라 내보낼 수도 있다.
본 발명에서는 사용자가 광학 수단(10)을 바라 보았을 때의 가로 방향 즉, 도 7 내지 도 9에서의 x축 방향으로의 음굴절 현상을 이용하기 때문에 입사광(Li)에 대해 x축 방향으로만 음굴절 현상을 나타내는 음굴절 광학 소자를 사용한다.
도 11은 광학 장치(300)의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(300)의 평면도에 대한 등가 광학계를 나타낸 것이다.
도 11과 도 6을 비교해 보면, 도 11은 도 6과 동일하되 제3 광학 소자(50)가 추가로 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 음굴절 광학 소자인 제3 광학 소자(50)가 배치되어 있기 때문에 제3 광학 소자(50)로 입사하는 가상 영상 화상광은 전술한 바와 같은 x축 방향으로의 음굴절 현상으로 인하여 x-z 평면에서 양의 굴절률을 갖는 방향과 대칭되는 방향으로 굴절된다. 따라서, 도 11과 같은 아이박스 영역을 얻을 수 있다.
도 11에서, 광학 장치(300)의 x-z 평면의 전체 아이박스 영역은 빗금으로 나타낸 영역이고, 가로 방향(x축 방향)의 아이박스 길이는 d2이다. 여기에서, 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
d2 = d1-2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)
여기에서, d1은 제1 광학 소자(80)의 길이이며, FOV는 시야각을 나타낸다. 또한, y1은 제1 광학 소자(80)에서 출사 동공(exit pupil) 즉, 제2 광학 소자(20)까지의 거리이고, y2는 제2 광학 소자(20)에서 동공(40)까지의 거리 즉, 아이릴리프(eye relief)이다. 또한, ABS는 절대값 기호를 나타낸다.
이러한 수식을 도 5 및 도 6에서 설명한 수식과 비교해 보면, 동일한 제1 광학 소자(80)의 길이(d1)에 대해서 음굴절 광학 소자를 사용한 도 11의 경우에 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)를 더 크게 할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 원하는 가로 방향의 아이박스의 길이(d2)를 얻기 위해서 음굴절 광학 소자를 사용하지 않는 도 6의 경우에 비해서 보다 작은 길이의 제1 광학 소자(80)를 채택할 수 있음을 의미한다.
이 경우, 제1 광학 소자(80)의 가로 방향의 길이(d1)는 다음과 같은 수식에 의해 계산할 수 있다.
d1 = d2 + 2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)
따라서, 이러한 음굴절 광학 소자를 제3 광학 소자(50)로 사용함으로써, 동일한 아이박스 영역을 유지하면서도 제1 광학 소자(80)의 길이를 작게 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 동일한 제1 광학 소자(80)의 길이를 유지하는 경우 음굴절 광학소자를 사용함으로써 더 넓은 아이박스 영역을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 광학 장치(300)의 가로 방향의 아이박스 및 시야각(FOV)을 증가시킬 수 있으므로 광학 장치(300)의 전체적인 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있다.
도 12는 음굴절 상수에 따른 음굴절 현상을 나타낸 것이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 음굴절 상수(n)에 따라 입사광(Li)이 서로 다른 각도를 가지고 출사됨을 알 수 있다.
여기에서, n은 앞서 설명한 바와 같은 음굴절 상수이며, n이 -1보다 작은 경우 굴절각(θ2)은 입사각(θ1)보다 크기가 작아지고, n이 -1인 경우 굴절각(θ2)은 입사각(θ1)과 크기가 같다. 또한, n이 -1보다 크고 0보다 작은 경우에는 굴절각(θ2)은 입사각(θ1)보다 크기가 커진다.
도 13 및 도 14는 음굴절 상수에 따른 시야각의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 음굴절 상수 n=-1인 경우로서, 이 때의 아이박스에서의 시야각(FOV,θ2)은 화상 출사부(30)와 제1 광학 소자(80) 사이의 시야각(θ1)과 같다.
한편, 도 14는 음굴절 상수 -1<n<0인 경우로서, 이 때의 아이박스에서의 시야각(FOV,θ2)은 화상 출사부(30)와 제1 광학 소자(80) 사이의 시야각(θ1)보다 크다.
이와 같이, 본 발명의 광학 장치(300)에 의하면, 음굴절 상수를 조절함으로써 보다 넓은 시야각(FOV)을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 15의 광학 장치(400)는 도 7 내지 도 9의 광학 장치(300)와 동일하되, 제2 광학 소자(20)로서 회절 소자(60)를 사용한 경우를 나타낸 것이다.
여기에서, 회절 소자(Diffractive element)란, 입사하는 가상 영상 화상광을 회절 현상을 통해 굴절 또는 반사시키는 광학 소자를 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, 회절 소자는 수㎛의 매우 얇은 두께를 갖지만, 수mm의 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, 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 소자는 반사형 회절 소자와 투과형 회절 소자로 구분될 수 있다. 도 15의 광학 장치(400)는 투과형 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(60)는 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(60)는 곡면으로 형성될 수도 있다.
또한, 회절 소자(60)는 단일 평면으로 형성된다. 따라서, 가상 영상의 휘도 분포를 균일하게 할 수 있다는 장점을 가지며, 측면에서 보았을 때 광학 수단(10)의 좌우 방향으로 거의 공간을 차지하지 않기 때문에 광학 장치(400)의 폼 팩터를 현저하게 줄일 수 있다.
회절 소자(60)의 크기는 회절 소자(60) 및 제3 광학 소자(50)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 고려하되, 회절 소자(60)는 정면에서 보았을 때 동공(40)보다 큰 크기를 가지도록 형성할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 회절 소자(60)는 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 제3 광학 소자(50)를 통해 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하기 때문에, 동공(40)보다 큰 크기를 갖는 단일 평면으로 형성하더라도 실제 사물 화상광은 회절 소자(60)를 통과하여 동공(40)으로 전달될 수 있다.
한편, 도 15의 실시예에서, 회절 소자(60) 대신 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용할 수도 있다.
기타 구성들은 앞서 설명한 실시예와 동일하므로, 상세 설명은 생략한다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)의 측면도를 나타낸 것이다.
도 16의 실시예는, 도 15에서 설명한 바와 같은 회절 소자(60)와 도 7 내지 도 15를 참조하여 설명한 음굴절 광학 소자인 제3 광학 소자(50)를 단일 구조체로 형성한 광학 소자이며, 이를 도 16에서는 제2 광학 소자(70)라고 부르기로 한다.
즉, 도 16에서의 제2 광학 소자(70)는, 화상 출사부(30)로부터 출사되어 제1 광학 소자(80)를 통해 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하고, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 회절 소자로서, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 회절 소자라고 할 수 있다.
이와 같이, 회절 소자(60)와 음굴절 광학 소자의 특성을 갖는 제2 광학 소자(70)를 사용함으로써, 가상 영상의 휘도 분포를 보다 균일하게 하는 한편 폼 팩터를 보다 현저하게 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
기타 구성들은 도 7 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 동일하므로 상세 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 기타 다양한 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.

Claims (18)

  1. 내장 콜리메이터 및 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서,
    화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자;
    상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제3 광학 소자로 전달하는 제2 광학 소자;
    상기 제2 광학 소자로부터 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 제3 광학 소자; 및
    상기 제1 광학 소자, 제2 광학 소자 및 제3 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
    을 포함하고,
    상기 제3 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화상 출사부로부터 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 광학 수단의 내부를 통해 상기 제1 광학 소자로 직접 전달되거나, 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 상기 제1 광학 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자에서 시준된 평행광으로 변환된 가상 영상 화상광은 제2 광학 소자로 직접 전달되거나 상기 광학 수단의 내면에서 적어도 1회 이상 전반사된 후 제2 광학 소자로 전달되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 수단은 상기 제3 광학 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 가지며,
    상기 제1 광학 소자는, 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단이고, 상기 제1 광학 소자의 반사면은 상기 광학 수단의 제1 면 또는 제2 면을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 광학 소자의 반사면은 오목하게 형성된 곡면인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는, 동공에서 정면 방향을 향해 광학 수단을 바라보았을 때, 중앙 부분에서 좌우의 양 단부쪽으로 갈수록 화상 출사부에 더 가깝도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 상기 광학 수단의 내부에 매립 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는, 정면에서 보았을 때 행렬 형태로 배치되는 복수개의 광학 모듈들로 구성되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 출사하는 반사 수단인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 광학 소자는, 사용자가 광학 수단을 바라볼 때 가로 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 광학 소자는, 상기 제2 광학 소자와 사용자의 눈의 동공 사이에서 광학 수단에 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 수단은 상기 제3 광학 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 가지며,
    상기 제3 광학 소자는 상기 광학 수단의 제1 면의 안쪽 면 또는 바깥쪽 면에 배치되거나, 상기 제2 광학 소자와 상기 광학 수단의 제2 면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    사용자의 눈의 동공에서 관찰되는 가로 방향의 아이박스의 길이를 d2라고 할 때, 상기 제1 광학 소자의 가로 방향의 길이(d1)는 d1 = d2+2ABS(y1-y2)tan(FOV/2)의 수식에 의해 계산(여기에서, FOV는 시야각, y1은 제1 광학 소자에서 제2 광학 소자까지의 거리, y2는 제2 광학 소자에서 동공까지의 거리임)되는 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 반사형 회절 소자 또는 투과형 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 단일 평면으로 형성된 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
  18. 음굴절 광학 소자를 이용한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서,
    화상 출사부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 시준된 평행광으로 변환하여 제2 광학 소자로 전달하는 제1 광학 소자;
    상기 제1 광학 소자로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달하고, 실제 세계의 사물로부터 출사한 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하는 제2 광학 소자; 및
    상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 배치되며, 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공을 향해 전달하는 광학 수단
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    상기 제2 광학 소자는, 양의 굴절률을 갖는 빛의 굴절 방향과 출사면의 법선에 대해 대칭되는 방향으로 가상 영상 화상광을 굴절시키는 음굴절 회절 소자인 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치.
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