KR102774699B1

KR102774699B1 - Compact optical device for augmented reality having expanded eyebox

Info

Publication number: KR102774699B1
Application number: KR1020220082076A
Authority: KR
Inventors: 하정훈
Original assignee: 주식회사 레티널
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2025-03-04
Anticipated expiration: 2042-07-04
Also published as: KR20240004035A

Abstract

본 발명은, 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단; 상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제1 광학 수단의 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제1 광학 소자로 전달하는 광 변환부; 상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 광 변환부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 복수개의 제1 광학 소자; 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및 상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자를 포함하고, 상기 복수개의 제1 광학 소자는, 상기 제1 광학 수단 내부에서 제1 방향으로 간격을 두고 배치되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.The present invention comprises: a first optical means through which virtual image light emitted from an image emission unit travels; an optical conversion means embedded in the first optical means and transmitting the virtual image light traveling through the interior of the first optical means to a first optical element; a plurality of first optical elements embedded in the first optical means and transmitting the virtual image light transmitted from the optical conversion means to a second optical means; a second optical means transmitting real object image light emitted from a real object to the pupil of a user's eye and transmitting the virtual image light emitted from the first optical element travels through the interior thereof; And a plurality of second optical elements embedded in the second optical means, which provide a virtual image to the user by transmitting virtual image light traveling through the second optical means to the pupil of the user's eye, wherein the plurality of first optical elements are arranged at intervals in a first direction within the first optical means, and the plurality of second optical elements are arranged at intervals in a second direction within the second optical means. The present invention provides an optical device for augmented reality.

Description

COMPACT OPTICAL DEVICE FOR AUGMENTED REALITY HAVING EXPANDED EYEBOX

본 발명은 증강 현실용 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 확장된 아이박스를 제공하는 동시에 소형 및 경량화에 적합한 컴팩트 증강 현실용 광학 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical device for augmented reality, and more particularly, to a compact optical device for augmented reality that provides an expanded eye-box while being suitable for miniaturization and light weight.

증강 현실(AR, Augmented Reality)이라 함은, 주지된 바와 같이, 현실 세계의 실제 영상에 컴퓨터 등에 의해 제공되는 가상 영상을 겹쳐서 제공함으로써, 현실 세계의 시각 정보에서 확장된(augmented) 가상 영상 정보를 사용자에게 제공하는 기술을 의미한다.Augmented Reality (AR), as is well known, refers to a technology that provides users with augmented virtual image information from the visual information of the real world by superimposing a virtual image provided by a computer, etc., onto an actual image of the real world.

이러한 증강 현실을 구현하기 위한 장치는, 가상 영상을 현실 세계의 실제 영상과 동시에 관찰할 수 있도록 하는 광학 합성기(optical combiner)를 필요로 한다. 이러한 광학 합성기로서는, 반거울(half mirror) 방식과 홀로그래픽/회절 광학 소자(Holographic/Diffractive Optical Elements : HOE/DOE) 방식 등이 알려져 있다.A device for implementing such augmented reality requires an optical combiner that allows virtual images to be observed simultaneously with real images of the real world. Known optical combiners include the half mirror method and the Holographic/Diffractive Optical Elements (HOE/DOE) method.

반거울 방식은, 가상 영상의 투과율이 낮다는 문제점과 넓은 시야각을 제공하기 위해 부피 및 무게가 증가하므로 편안한 착용감을 제공하기 어렵다는 문제점이 있다. 부피와 무게를 줄이기 위하여 복수개의 소형 반거울을 도파로(waveguide) 내부에 배치하는 LOE(Light guide Optical Element) 등과 같은 기술도 제안되고 있으나, 이러한 기술 또한 도파로 내부에서 가상 영상의 화상광이 반거울을 여러번 통과해야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하고 제조상의 오차로 인해 광균일도가 쉽게 낮아질 수도 있는 한계가 있다.The half-mirror method has the problem that the transmittance of the virtual image is low, and it is difficult to provide a comfortable fit because the volume and weight increase to provide a wide field of view. In order to reduce the volume and weight, a technology such as LOE (Light Guide Optical Element) that arranges multiple small half-mirrors inside a waveguide has been proposed. However, this technology also has a limitation in that the manufacturing process is complicated because the image light of the virtual image must pass through the half-mirrors multiple times inside the waveguide, and the light uniformity can easily deteriorate due to manufacturing errors.

또한, 홀로그래픽/회절 광학 소자 방식은, 일반적으로 나노 구조 격자나 회절 격자를 사용하는데, 이들은 매우 정밀한 공정으로 제작되기 때문에 제작 단가가 높고 양산을 위한 수율이 낮다는 한계점을 갖는다. 또한 파장 대역 및 입사 각도에 따른 회절 효율의 차이로 인하여 색상 균일도 측면 및 영상의 선명도가 낮다는 한계점을 갖는다. 홀로그래픽/회절 광학 소자는, 전술한 LOE와 같은 도파로와 함께 사용되는 경우가 많은데, 따라서 마찬가지의 문제점도 여전히 가지고 있다.In addition, the holographic/diffractive optical element method generally uses nano-structured gratings or diffraction gratings, which have limitations in that they are manufactured with a very precise process, resulting in high manufacturing costs and low yields for mass production. In addition, they have limitations in that the color uniformity and image clarity are low due to differences in diffraction efficiency depending on the wavelength band and incidence angle. Holographic/diffractive optical elements are often used together with waveguides such as the LOE described above, and therefore still have the same problems.

또한, 종래의 광학 합성기들은, 사용자가 현실 세계를 응시할 때 초점 거리를 변경하는 경우 가상 영상의 초점이 맞지 않게 된다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 가상 영상에 대한 초점 거리를 조절할 수 있는 프리즘을 이용하거나 전기적으로 초점 거리를 제어할 수 있는 가변형 초점 렌즈를 이용하는 기술이 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 기술 또한 초점 거리를 조절하기 위하여 사용자가 별도의 조작을 해야 하고 또한 초점 거리 제어를 위한 별도의 하드웨어 및 소프트웨어를 필요로 한다는 점에서 문제가 있다.In addition, conventional optical synthesizers have a limitation that the virtual image becomes out of focus when the user changes the focal length while looking at the real world. To solve this problem, a technology has been proposed that uses a prism that can adjust the focal length of the virtual image or a variable focal lens that can electrically control the focal length. However, these technologies also have a problem in that the user must perform a separate operation to adjust the focal length and that separate hardware and software for focal length control are required.

이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 사람의 동공보다 작은 크기의 핀미러(pin mirror) 형태의 반사부를 이용하여 가상 영상을 동공을 통해 망막에 투영하는 기술을 개발한 바 있다(선행기술문헌 1 참조).In order to solve the problems of the prior art, the applicant of the present invention has developed a technology for projecting a virtual image onto the retina through the pupil using a reflector in the form of a pin mirror smaller than the human pupil (see Prior Art Document 1).

도 1은 선행기술문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a drawing showing an optical device (100) for augmented reality as described in prior art document 1.

도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)는, 광학 수단(10) 및 반사부(20)를 포함한다.The optical device (100) for augmented reality of Fig. 1 includes an optical means (10) and a reflector (20).

화상 출사부(30)는 가상 영상 화상광을 출사하는 수단으로서, 예컨대 가상 영상을 화면에 표시하고 표시된 가상 영상에 상응하는 가상 영상 화상광을 출사하는 마이크로 디스플레이 장치와 마이크로 디스플레이 장치로부터 출사하는 화상광을 반사부(20)로 전달하는 광 변환부를 구비할 수 있다. 여기에서, 광 변환부는 가상 영상 화상광이 의도된 광 경로 및 초점 거리를 따라 출사되도록 하는 수단으로서, 예컨대 가상 영상을 확대시킬 수 있도록 입사하는 가상 영상 화상광을 반사하여 출사하는 오목 거울이거나 입사광을 평행광으로 변환하여 출사하는 콜리메이터와 같은 광학 소자일 수 있다.The image emission unit (30) may be provided with a means for emitting virtual image light, for example, a micro display device that displays a virtual image on a screen and emits virtual image light corresponding to the displayed virtual image, and a light conversion unit that transmits the image light emitted from the micro display device to the reflection unit (20). Here, the light conversion unit may be a means for allowing the virtual image light to be emitted along an intended optical path and focal length, for example, a concave mirror that reflects and emits incident virtual image light so as to enlarge the virtual image, or an optical element such as a collimator that converts incident light into parallel light and emits it.

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.The optical means (10) is a means that performs the function of transmitting real object image light, which is image light emitted from an object in the real world, through the pupil (40), while emitting virtual image image light reflected from the reflector (20) through the pupil (40).

광학 수단(10)은 예컨대 안경 렌즈와 같은 투명 수지(resin)재로 형성될 수 있으며, 안경테와 같은 프레임(미도시)에 의해 고정될 수 있다.The optical means (10) may be formed of a transparent resin material, such as a spectacle lens, and may be fixed by a frame (not shown) such as a spectacle frame.

반사부(20)는 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광을 반사시켜 사용자의 동공(40)을 향해 전달하는 수단이다.The reflector (20) is a means for reflecting the virtual image light emitted from the image emitter (30) and transmitting it toward the user's pupil (40).

반사부(20)는 광학 수단(10)의 내부에 매립 배치된다.The reflector (20) is embedded within the optical means (10).

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.The reflective portion (20) of Fig. 1 is formed to have a size smaller than a human pupil. Since the size of a normal human pupil is known to be about 4 to 8 mm, the reflective portion (20) is preferably formed to have a size of 8 mm or less, more preferably 4 mm or less.

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. By forming the reflective portion (20) to be 8 mm or less, the depth of field for light incident on the pupil (40) through the reflective portion (20) can be made almost infinite, that is, very deep.

여기서, 심도라 함은, 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위를 말하는데, 심도가 깊어지면 그에 상응하여 가상 영상에 대한 초점 거리의 범위도 넓어진다. 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점이 항상 맞는 것으로 인식하게 된다. 이는 일종의 핀홀 효과(pinhole effect)라고 볼 수 있다.Here, depth refers to the range recognized as being in focus, and as the depth increases, the range of focal lengths for the virtual image also increases accordingly. Therefore, even if the user changes the focal length for the real world while looking at the real world, the virtual image is always perceived as being in focus regardless. This can be seen as a kind of pinhole effect.

따라서, 사용자가 실제 사물에 대한 초점 거리를 변경하더라도 사용자는 항상 선명한 가상 영상을 관찰할 수 있다.Therefore, even if the user changes the focal length to the real object, the user can always observe a clear virtual image.

도 2 내지 도 4는 선행기술문헌 2에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.FIGS. 2 to 4 are drawings showing an optical device (200) for augmented reality as 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.

도 2 내지 도 4의 증강 현실용 광학 장치(200)는 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)와 기본적인 원리는 동일하되, 시야각 및 아이박스를 넓힐 수 있도록 반사부(20)가 복수개의 반사 모듈로 구성되어 어레이(array) 형태로 광학 수단(10) 내부에 배치된다는 점과, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광이 광학 수단(10) 내면에서 전반사되어 반사부(20)로 전달된다는 점에서 차이가 있다.The optical device (200) for augmented reality of FIGS. 2 to 4 has the same basic principle as the optical device (100) for augmented reality of FIG. 1, but differs in that the reflector (20) is composed of a plurality of reflective modules and is arranged in an array form inside the optical means (10) so as to widen the field of view and eye box, and that the virtual image light emitted from the image emission unit (30) is totally reflected inside the optical means (10) and transmitted to the reflector (20).

도 2 내지 도 4에서 도면 부호 21 내지 26은 도 2에서와 같이 측면에서 보여지는 반사 모듈들만을 표기한 것이며, 반사부(20)는 복수개의 반사 모듈 전체를 통칭한 것이다.In FIGS. 2 to 4, drawing reference numerals 21 to 26 only indicate reflective modules seen from the side as in FIG. 2, and the reflective portion (20) collectively refers to a plurality of reflective modules.

복수개의 반사 모듈들 각각은 전술한 바와 같이 바람직하게는 8mm 이하로, 보다 바람직하게는 4mm 이하의 크기로 형성된다.Each of the plurality of reflective modules is formed to have a size of preferably 8 mm or less, more preferably 4 mm or less, as described above.

도 2 내지 도 4에서, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 광학 수단(10)의 내면에서 전반사된 후 반사 모듈들로 전달되고, 반사 모듈들은 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시켜 동공(40)으로 전달한다.In FIGS. 2 to 4, the virtual image light emitted from the image emission unit (30) is totally reflected on the inner surface of the optical means (10) and then transmitted to the reflection modules, and the reflection modules reflect the incident virtual image light and transmit it to the pupil (40).

따라서, 반사 모듈들은 화상 출사부(30) 및 동공(40)의 위치를 고려하여 도시된 바와 같이 광학 수단(10)의 내부에서 적절한 경사각을 가지도록 배치되어야 한다. Therefore, the reflective modules should be arranged to have an appropriate inclination angle inside the optical means (10) as shown, taking into account the positions of the image emitter (30) and the pupil (40).

이러한 증강 현실용 광학 장치(200)는, 도 1의 증강 현실용 광학 장치(100)에 비해 아이박스를 넓힐 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 증강 현실용 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 가로축 방향(x축 방향)의 아이박스는 화상 출사부(30)에 포함된 광 변환부의 길이에 의해 결정되고, 세로축 방향(y축 방향)의 아이박스는 반사부(21~26)의 배치 구조에 의해 결정된다. This optical device (200) for augmented reality has the advantage of being able to widen the eyebox compared to the optical device (100) for augmented reality of Fig. 1. However, when this optical device (200) for augmented reality is placed in front of the pupil (40), the eyebox in the horizontal axis direction (x-axis direction) is determined by the length of the light conversion unit included in the image output unit (30), and the eyebox in the vertical axis direction (y-axis direction) is determined by the arrangement structure of the reflectors (21 to 26).

따라서, 가로축 방향으로의 아이박스를 확장하기 위해서는 가로축 방향으로의 길이가 보다 긴 광 변환부를 사용해야 하지만, 광 변환부의 길이가 길어질 수록 크기, 무게, 부피 등의 폼 팩터가 커지고, 광경로의 설계가 복잡해진다는 문제가 있다.Therefore, in order to expand the eyebox in the horizontal direction, a longer optical converter must be used in the horizontal direction. However, as the length of the optical converter increases, the form factor such as size, weight, and volume increases, and the design of the optical path becomes more complex.

또한, 증강 현실용 광학 장치(200)는, 화상 출사부(30)가 광 변환부를 포함하기 때문에, 이로 인하여 장치의 소형 및 경량화가 어렵다는 문제도 있다. In addition, the optical device (200) for augmented reality has a problem in that it is difficult to make the device smaller and lighter because the image output unit (30) includes a light conversion unit.

대한민국 공개특허공보 10-2018-0028339호(2018.03.16 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0028339 (Published on March 16, 2018) 대한민국 등록특허공보 10-2192942호(2020.12.18.공고)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2192942 (Publication date: December 18, 2020)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 확장된 아이박스를 제공하는 한편 소형 및 경량화가 가능한 컴팩트한 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a compact optical device for augmented reality that can be made small and lightweight while providing an extended eye-box.

특히, 본 발명은, x축 및 y축의 2차원의 아이박스를 확장시키는 한편 광 변환부의 기능을 수행하는 수단을 광학 수단 내부에 배치함으로써 폼 팩터를 작게 유지할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In particular, the present invention aims to provide an optical device for augmented reality that can maintain a small form factor by expanding a two-dimensional eye-box in the x-axis and y-axis while arranging a means for performing the function of a light conversion unit inside the optical means.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 확장된 아이박스를 갖는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치로서, 화상 출사부로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제1 광학 수단; 상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제1 광학 수단의 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제1 광학 소자로 전달하는 광 변환부; 상기 제1 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 광 변환부로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단으로 출사시키는 복수개의 제1 광학 소자; 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공으로 전달하며, 상기 제1 광학 소자로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 제2 광학 수단; 및 상기 제2 광학 수단 내부에 매립 배치되며, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 복수개의 제2 광학 소자를 포함하고, 상기 복수개의 제1 광학 소자는, 상기 제1 광학 수단 내부에서 제1 방향으로 간격을 두고 배치되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제2 광학 수단 내부에서 제2 방향으로 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 증강 현실용 광학 장치를 제공한다.In order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a compact augmented reality optical device having an extended eye-box, comprising: a first optical means through which virtual image light emitted from an image emission means travels; an optical conversion means embedded in the first optical means and transmitting the virtual image light traveling through the interior of the first optical means to a first optical element; a plurality of first optical elements embedded in the first optical means and transmitting the virtual image light transmitted from the optical conversion means to a second optical means; a second optical means transmitting real object image light emitted from a real object to the pupil of a user's eye and transmitting the virtual image light emitted from the first optical element travels through the interior thereof; And a plurality of second optical elements embedded in the second optical means, which provide a virtual image to the user by transmitting virtual image light traveling through the second optical means to the pupil of the user's eye, wherein the plurality of first optical elements are arranged at intervals in a first direction within the first optical means, and the plurality of second optical elements are arranged at intervals in a second direction within the second optical means. The present invention provides an optical device for augmented reality.

여기에서, 상기 제1 방향은, 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.Here, the first direction may be a direction parallel to any one of the line segments included in a plane perpendicular to the straight line in the frontal direction from the pupil.

또한, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 평행하지 않은 방향일 수 있다.Additionally, the second direction may be a direction that is not parallel to the first direction.

또한, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직할 수 있다.Additionally, the second direction may be perpendicular to the first direction.

또한, 상기 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면은, 증강 현실용 광학 장치를 사용자의 동공 정면에 두었을 때, 사용자의 동공에서 관측될 수 있는 2차원 평면일 수 있다.Additionally, the virtual plane formed by the first direction and the second direction may be a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil when the optical device for augmented reality is placed in front of the user's pupil.

또한, 상기 제2 방향은 동공에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.Additionally, the second direction may be a direction parallel to any one of the line segments perpendicular to the first direction among the line segments included in a plane perpendicular to the straight line in the frontal direction from the pupil.

또한, 상기 제1 광학 수단의 제1 방향의 일단부에는 화상 출사부가 배치될 수 있다.Additionally, an image emission unit may be arranged at one end of the first optical means in the first direction.

또한, 상기 광 변환부는, 상기 화상 출사부와 대향하도록 상기 제1 광학 수단의 내부에 매립되어 배치될 수 있다.Additionally, the light conversion unit may be disposed embedded in the interior of the first optical means so as to face the image emission unit.

또한, 상기 화상 출사부에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제1 광학 수단의 내부에서 전반사되어 상기 광 변환부로 전달되고, 상기 광 변환부에서 출사되는 가상 영상 화상광은 상기 제1 광학 수단의 내부에서 전반사되어 상기 제1 광학 소자로 전달될 수 있다.In addition, the virtual image light emitted from the image emission unit may be totally reflected inside the first optical means and transmitted to the light conversion unit, and the virtual image light emitted from the light conversion unit may be totally reflected inside the first optical means and transmitted to the first optical element.

또한, 상기 광 변환부는, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단일 수 있다.Additionally, the light conversion unit may be a reflective means that reflects incident light.

또한, 상기 광 변환부의 반사면은 상기 제1 광학 수단의 상면을 향하도록 제1 광학 수단의 내부에 매립 배치될 수 있다.Additionally, the reflective surface of the light conversion unit may be embedded in the interior of the first optical means so as to face the upper surface of the first optical means.

또한, 상기 광 변환부의 반사면은 상기 제1 광학 수단의 상면 방향으로 오목하게 형성된 곡면일 수 있다.Additionally, the reflective surface of the light conversion unit may be a curved surface formed concavely toward the upper surface of the first optical means.

또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 상기 광 변환부로부터 출사된 가상 영상 화상광을 상기 제2 광학 수단으로 출사시켜 전달할 수 있도록 상기 제1 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다.Additionally, the plurality of first optical elements may be arranged to be inclined within the first optical means so as to transmit virtual image light emitted from the light conversion unit to the second optical means.

또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 증강 현실용 광학 장치를 동공 정면에 두고 바라 보았을 때 제1 방향에 대해 경사각을 가지는 동시에 측면에서 보았을 때에 상기 제2 방향에 대해 경사각을 가지도록 상기 제1 광학 수단 내부에 배치될 수 있다.Additionally, the plurality of first optical elements may be arranged inside the first optical means so as to have an angle of inclination with respect to the first direction when the optical device for augmented reality is viewed in front of the pupil and at the same time have an angle of inclination with respect to the second direction when viewed from the side.

또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들의 각각의 폭 방향의 길이는 상기 화상 출사부의 폭 방향의 길이에 상응하도록 형성될 수 있다.Additionally, the widthwise length of each of the plurality of first optical elements may be formed to correspond to the widthwise length of the image emission portion.

또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단일 수 있다.Additionally, the plurality of first optical elements may be reflective means for reflecting incident light.

또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수 있다.Additionally, the plurality of first optical elements may be half mirrors that transmit some of the incident light and reflect some of the incident light.

또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성될 수 있다.Additionally, the plurality of first optical elements may be composed of one or a combination of refractive elements, diffractive elements, and holographic optical elements.

또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.Additionally, each of the plurality of first optical elements may be composed of a plurality of optical modules.

또한, 상기 복수개의 제1 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 측면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.Additionally, each of the plurality of first optical elements may be composed of a plurality of optical modules arranged so as to be spaced apart from each other and appear in an array form when the optical device for augmented reality is viewed from the side.

또한, 상기 복수개의 광학 모듈의 크기는 4mm 이하일 수 있다.Additionally, the size of the plurality of optical modules may be 4 mm or less.

또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자 각각은, 상기 제2 광학 수단 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 상기 제2 광학 수단 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다.Additionally, each of the plurality of second optical elements may be arranged to be inclined within the second optical means so as to transmit virtual image light traveling through the second optical means to the pupil.

또한, 상기 제2 광학 수단은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공을 향해 출사되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면을 가지고, 상기 제1 광학 소자에서 출사된 가상 영상 화상광은 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자로 전달되고, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 상기 제2 광학 수단의 제2 면에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단의 내부에서 경사각을 가지고 배치될 수 있다.In addition, the second optical means has a first surface through which virtual image image light and real object image light are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite to the first surface and through which real object image light is incident, and the virtual image image light emitted from the first optical element is totally reflected by the second surface of the second optical means and transmitted to a plurality of second optical elements, and the plurality of second optical elements can be arranged at an inclined angle within the second optical means so as to transmit the virtual image image light that is totally reflected by the second surface of the second optical means to the pupil.

또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자는, 상기 제1 방향으로 연장 형성되는 바(bar) 형상일 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may be formed in a bar shape extending in the first direction.

또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 정면에서 보았을 때의 높이가 4mm 이하일 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may have a height of 4 mm or less when viewed from the front.

또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.Additionally, each of the plurality of second optical elements may be composed of a plurality of optical modules.

또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들 각각은, 증강 현실용 광학 장치를 정면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈로 구성될 수 있다.Additionally, each of the plurality of second optical elements may be composed of a plurality of optical modules arranged in an array form so as to be spaced apart from each other when the optical device for augmented reality is viewed from the front.

또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단일 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may be reflective means for reflecting incident light.

또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may be half mirrors that transmit some of the incident light and reflect some of the incident light.

또한, 상기 복수개의 제2 광학 소자들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성될 수 있다.Additionally, the plurality of second optical elements may be composed of one or a combination of refractive elements, diffractive elements, and holographic optical elements.

또한, 상기 제1 광학 수단과 제2 광학 수단은 일체로 형성될 수 있다.Additionally, the first optical means and the second optical means may be formed integrally.

본 발명에 의하면, 확장된 아이박스를 제공하는 한편 소형 및 경량화가 가능한 컴팩트한 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.According to the present invention, a compact optical device for augmented reality can be provided that provides an expanded eyebox while being small and lightweight.

특히, 본 발명은, x축 및 y축의 2차원의 아이박스를 확장시키는 한편 광 변환부를 광학 수단 내부에 배치함으로써 폼 팩터를 작게 유지할 수 있는 증강 현실용 광학 장치를 제공할 수 있다.In particular, the present invention can provide an optical device for augmented reality that can maintain a small form factor by expanding a two-dimensional eye box in the x-axis and y-axis while arranging a light conversion unit inside an optical means.

도 1은 선행기술문헌 1에 기재된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 선행기술문헌 2에 개시된 바와 같은 증강 현실용 광학 장치(200)를 나타낸 도면으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 사시도이고, 도 4는 정면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 사시도이고, 도 6은 정면도이고, 도 7은 측면도이다.
도 8은 제1 광학 소자(60)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 제2 광학 소자(20)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 2 내지 도 4의 종래의 광학 장치(200)에서의 제1 방향(x축 방향)으로의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 정면도이다.
도 11은 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)에서의 제1 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 동공(40)에서 도 7의 A 방향으로 바라보았을 때의 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 12는 사시도이고, 도 13은 정면도이고, 도 14는 측면도이다.
도 15 내지 도 17는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 15는 사시도이고, 도 16은 정면도이고, 도 17은 측면도이다.FIG. 1 is a drawing showing an optical device (100) for augmented reality as described in prior art document 1.
FIGS. 2 to 4 are drawings showing an optical device (200) for augmented reality as 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.
FIGS. 5 to 7 are drawings for explaining an optical device (300) for augmented reality according to one embodiment of the present invention, wherein FIG. 5 is a perspective view, FIG. 6 is a front view, and FIG. 7 is a side view.
Figure 8 is a drawing for explaining the arrangement structure of the first optical element (60).
Figure 9 is a drawing for explaining the arrangement structure of the second optical element (20).
FIG. 10 is a drawing for explaining the eye box in the first direction (x-axis direction) of the conventional optical device (200) of FIGS. 2 to 4, and is a front view when the optical device (200) is placed in front of the pupil (40).
FIG. 11 is a drawing for explaining the eye box in the first direction in the optical device (300) of FIGS. 5 to 7, and is a drawing when the optical device (300) is placed in front of the pupil (40) and viewed from the pupil (40) in the direction A of FIG. 7.
FIGS. 12 to 14 are drawings for explaining an optical device (400) according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 12 is a perspective view, FIG. 13 is a front view, and FIG. 14 is a side view.
FIGS. 15 to 17 are drawings for explaining an optical device (500) according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 15 is a perspective view, FIG. 16 is a front view, and FIG. 17 is a side view.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 확장된 아이박스를 갖는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 사시도이고, 도 6은 정면도이고, 도 7은 측면도이다.FIGS. 5 to 7 are drawings for explaining a compact augmented reality optical device (300) having an extended eye-box according to one embodiment of the present invention, wherein FIG. 5 is a perspective view, FIG. 6 is a front view, and FIG. 7 is a side view.

다만, 도 7에서 설명의 편의를 위해 화상 출사부(30)는 투명한 것으로 나타내었다.However, for convenience of explanation in Fig. 7, the image emission part (30) is shown as transparent.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 확장된 아이박스를 갖는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치(300, 이하 간단히 "광학 장치(300)"라 한다)는, 제1 광학 수단(50), 광 변환부(70), 제1 광학 소자(60), 제2 광학 수단(10) 및 제2 광학 소자(20)를 포함한다.Referring to FIGS. 5 to 7, a compact augmented reality optical device (300, hereinafter simply referred to as “optical device (300)”) having an extended eye-box includes a first optical means (50), a light conversion unit (70), a first optical element (60), a second optical means (10), and a second optical element (20).

제1 광학 수단(50)은, 화상 출사부(30)로부터 출사한 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 수단으로서, 도파관(waveguide)으로서의 기능을 수행한다.The first optical means (50) is a means through which virtual image light emitted from the image emission unit (30) travels, and functions as a waveguide.

제1 광학 수단(50) 내부에는, 후술하는 바와 같이 복수개의 제1 광학 소자(60)들이 매립 배치된다.Inside the first optical means (50), a plurality of first optical elements (60) are embedded and arranged as described below.

또한, 제1 광학 수단(50)의 내부에는 광 변환부(70)가 매립 배치된다.Additionally, a light conversion unit (70) is embedded inside the first optical means (50).

제1 광학 수단(50)은 도시된 바와 같이 대체로 직육면체 형상을 가질 수 있으며, 투명한 수지재나 유리 소재로 형성될 수 있다.The first optical means (50) may have a generally rectangular hexahedral shape as illustrated, and may be formed of a transparent resin material or glass material.

제1 광학 수단(50)의 일단부에는 도시된 바와 같이 화상 출사부(30)가 배치된다.As shown, an image emission unit (30) is arranged at one end of the first optical means (50).

화상 출사부(30)는, 가상 영상(virtual image)에 상응하는 화상광인 가상 영상 화상광(virtual image light)을 출사하는 수단이다. 여기에서, 가상 영상이란 사용자에게 제공되는 증강 현실용 화상을 의미하며, 이미지 또는 동영상일 수 있다.The image emission unit (30) is a means for emitting virtual image light, which is image light corresponding to a virtual image. Here, the virtual image means an image for augmented reality provided to a user, and may be an image or a video.

화상 출사부(30)는, 소형의 LCD, OLED, LCoS, 마이크로 LED 등과 같이 종래 알려져 있는 가상 영상을 표시하는 디스플레이부를 포함한다. 다만, 본 발명의 광학 장치(300)에서는 광 변환부(70)가 제1 광학 수단(50) 내부에 배치되기 때문에 화상 출사부(30)에는 앞서 배경 기술에서 설명한 도 2 내지 도 4에서와 같은 기능을 수행하는 광 변환부가 포함되지 않는다.The image output unit (30) includes a display unit that displays a virtual image, such as a small LCD, OLED, LCoS, micro LED, etc., which are known in the art. However, in the optical device (300) of the present invention, since the light conversion unit (70) is arranged inside the first optical means (50), the image output unit (30) does not include a light conversion unit that performs the same function as that described in FIGS. 2 to 4 in the background art.

한편, 화상 출사부(30)는, 디스플레이부와 결합하는 반사 수단, 굴절 수단 및 회절 수단 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 구성되는 광학 소자를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the image emission unit (30) may further include an optical element composed of a combination of at least one of a reflection means, a refractive means, and a diffraction means coupled with the display unit.

이러한 화상 출사부(30) 자체는 본 발명의 직접적인 목적이 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세 설명은 생략한다.Since this image emission unit (30) itself is not a direct object of the present invention and is known through prior art, a detailed description thereof is omitted here.

가상 영상 화상광은 화상 출사부(30)로부터 출사되어 제1 광학 수단(50)의 내부에서 전반사되어 광 변환부(70)로 전달될 수 있다. 도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 광 변환부(70)로 전달된다.The virtual image image light may be emitted from the image emission unit (30), totally reflected inside the first optical means (50), and transmitted to the light conversion unit (70). In the embodiments of FIGS. 5 to 7, the virtual image image light is totally reflected on the upper surface (51) of the first optical means (50) and transmitted to the light conversion unit (70).

이 경우, 화상 출사부(30)의 표면이 제1 광학 수단(50)의 상면(51)을 향하도록 경사지게 배치되고, 화상 출사부(30)가 배치되는 제1 광학 수단(50)의 일단부도 화상 출사부(30)의 경사각에 상응하도록 경사지게 형성될 수 있다.In this case, the surface of the image emission unit (30) is arranged to be inclined so as to face the upper surface (51) of the first optical means (50), and one end of the first optical means (50) on which the image emission unit (30) is arranged can also be formed to be inclined so as to correspond to the inclination angle of the image emission unit (30).

다만, 이는 예시적인 것이며, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 전반사 없이 또는 2회 이상의 전반사를 통해 광 변환부(70)로 전달될 수 있다. 이러한 경우, 화상 출사부(30)와 제1 광학 수단(50)의 형상 및 경사각은 다른 형태 및 배치 구조를 가질 수 있음은 물론이다.However, this is an example, and the virtual image light emitted from the image emission unit (30) may be transmitted to the light conversion unit (70) without total reflection or through two or more total reflections. In this case, it goes without saying that the shape and inclination angle of the image emission unit (30) and the first optical means (50) may have different shapes and arrangement structures.

광 변환부(70)는, 제1 광학 수단(50) 내부에 매립 배치되며, 제1 광학 수단(50)의 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 제1 광학 소자(60)로 전달하는 수단이다.The optical conversion unit (70) is embedded in the first optical means (50) and is a means for transmitting virtual image light traveling through the interior of the first optical means (50) to the first optical element (60).

광 변환부(70)는, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 화상 출사부(30)와 대향하도록 제1 광학 수단(50)의 내부에 매립되어 배치될 수 있다.The light conversion unit (70) can be placed embedded in the interior of the first optical means (50) so as to face the image emission unit (30), as shown in FIGS. 5 to 7.

전술한 바와 같이, 화상 출사부(30)로부터 출사된 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 광 변환부(70)로 전달될 수 있으며, 광 변환부(70)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 내부에서 전반사되어 제1 광학 소자(60)로 전달될 수 있다. As described above, the virtual image light emitted from the image emission unit (30) can be totally reflected on the upper surface (51) of the first optical means (50) and transmitted to the light conversion unit (70), and the virtual image light emitted from the light conversion unit (70) can be totally reflected inside the first optical means (50) and transmitted to the first optical element (60).

도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 광 변환부(70)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 제1 광학 소자(60)로 전달된다.In the embodiments of FIGS. 5 to 7, the virtual image light emitted from the light conversion unit (70) is totally reflected on the upper surface (51) of the first optical means (50) and transmitted to the first optical element (60).

광 변환부(70)는 이러한 광 경로에 기초하여 화상 출사부(30) 및 제1 광학 소자(60)의 상대적인 위치에 따라 제1 광학 수단(50)의 내부에서 적절한 경사각을 가지고 배치된다.The light conversion unit (70) is positioned with an appropriate inclination angle inside the first optical means (50) based on the relative positions of the image emission unit (30) and the first optical element (60) along this optical path.

한편, 광 변환부(70)에서 출사되는 가상 영상 화상광은 초점 거리가 의도된 화상광으로서, 예컨대 광 변환부(70)는 입사하는 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사 수단일 수 있다. 바람직하게는, 광 변환부(70)는 가상 영상이 확대되도록 가상 영상 화상광을 반사하여 출사하는 오목 거울이다.Meanwhile, the virtual image light emitted from the light conversion unit (70) is image light with an intended focal length, and for example, the light conversion unit (70) may be a reflecting means that reflects the incident virtual image light. Preferably, the light conversion unit (70) is a concave mirror that reflects and emits the virtual image light so that the virtual image is enlarged.

이 경우, 광 변환부(70)의 반사율은 100% 또는 이에 근접한 높은 값을 갖는 예컨대 금속 재질의 완전 미러(full mirror)인 것이 바람직하지만, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러(half mirror)일 수도 있다.In this case, it is preferable that the light conversion unit (70) be a full mirror, for example, made of metal, having a reflectivity of 100% or a high value close thereto, but it may also be a half mirror that transmits part of the incident light and reflects part of it.

광 변환부(70)가 반사 수단인 경우, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 가상 영상 화상광을 반사시키는 반사면(71)이 제1 광학 수단(50)의 상면(51)을 향하도록 제1 광학 수단(50)의 내부에 매립되어 배치될 수 있다.When the light conversion unit (70) is a reflective means, as shown in FIGS. 5 to 7, a reflective surface (71) that reflects the virtual image light can be embedded and placed inside the first optical means (50) so as to face the upper surface (51) of the first optical means (50).

여기에서, 상기 반사면(71)의 중심으로부터 수직 방향으로의 직선과 제1 광학 수단(50)의 상면(51)은 서로 평행하지 않도록 경사지게 배치될 수 있다.Here, the straight line in the vertical direction from the center of the reflective surface (71) and the upper surface (51) of the first optical means (50) can be arranged at an angle so as not to be parallel to each other.

한편, 광 변환부(70)의 반사면(71)은 곡면으로 형성될 수 있다. 예컨대, 광 변환부(70)의 반사면(71)은 도시된 바와 같이 제1 광학 수단(50)의 상면(51) 방향에 대해 오목하게 형성될 수 있다.Meanwhile, the reflective surface (71) of the light conversion unit (70) may be formed as a curved surface. For example, the reflective surface (71) of the light conversion unit (70) may be formed concavely with respect to the upper surface (51) of the first optical means (50) as illustrated.

한편, 광 변환부(70)는 입사하는 가상 영상 화상광을 평행광으로 변환하여 출사하는 콜리메이터로 구현될 수도 있다.Meanwhile, the light conversion unit (70) may be implemented as a collimator that converts the incident virtual image light into parallel light and then emits it.

또한, 광 변환부(70)는, 반사 수단 이외의 굴절 소자 또는 회절 소자로 형성할 수도 있다. 또는, 반사 수단, 굴절 소자 및 회절 소자 중 적어도 2 이상의 조합에 의해 구성될 수도 있다.In addition, the light conversion unit (70) may be formed by a refractive element or a diffractive element other than a reflective means. Alternatively, it may be formed by a combination of at least two of a reflective means, a refractive element, and a diffractive element.

또한, 광 변환부(70)는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 노치 필터(notch filter) 등과 같은 광학 소자로 형성할 수도 있다.Additionally, the light conversion unit (70) may be formed of an optical element such as a notch filter that selectively transmits light according to wavelength.

또한, 광 변환부(70)의 반사면(71)의 반대면을 빛을 반사하지 않고 흡수하는 재질로 코팅할 수도 있다.Additionally, the opposite surface of the reflective surface (71) of the light conversion unit (70) may be coated with a material that absorbs light rather than reflecting it.

한편, 광 변환부(70)는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 도 7의 A로 나타낸 방향에서 바라보았을 때, 중앙 부분이 오목하게 형성되어 전체적으로 완만한 "U"자의 바(bar) 형태로 형성될 수 있다.Meanwhile, the light conversion unit (70), as shown in FIG. 11, may be formed in a concave central portion when viewed from the direction indicated by A in FIG. 7, such that the entire unit may be formed in a gentle “U” shaped bar shape.

한편, 광 변환부(70)는 도 7에 나타낸 바와 같이 측면에서 바라 보았을 때 그 길이가 제1 광학 소자(60)의 길이에 상응하거나 이보다 약간 길게 형성되는 것이 바람직하다.Meanwhile, as shown in Fig. 7, it is preferable that the light conversion unit (70) be formed so that its length corresponds to or is slightly longer than the length of the first optical element (60) when viewed from the side.

한편, 복수개의 제1 광학 소자(60)는, 제1 광학 수단(50) 내부에 매립 배치되며, 광 변환부(70)로부터 전달되는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 출사시키는 수단이다.Meanwhile, a plurality of first optical elements (60) are embedded in the first optical means (50) and are a means for emitting virtual image light transmitted from the light conversion unit (70) to the second optical means (10).

복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 제1 광학 수단(50) 내부에서 제1 방향으로 간격을 두고 배치된다.A plurality of first optical elements (60) are arranged at intervals in the first direction inside the first optical means (50).

여기에서, 제1 방향은, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때 관측될 수 있는 가상의 선분에 평행한 방향일 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 평행한 방향을 제외한 임의의 방향일 수 있다.Here, the first direction may be a direction parallel to an imaginary line segment that can be observed when the optical device (300) is placed in front of the pupil (40), as shown in FIGS. 5 to 7. In other words, the first direction may be any direction except a direction parallel to a straight line in the front direction in the pupil (40).

또한, 제1 방향은, 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 것이 바람직하다. 도 5 내지 도 7의 실시예에서 제1 방향은 x축 방향에 해당한다.In addition, it is preferable that the first direction is a direction parallel to any one of the line segments included in a plane perpendicular to the straight line in the front direction in the pupil (40). In the embodiments of FIGS. 5 to 7, the first direction corresponds to the x-axis direction.

복수개의 제1 광학 소자(60)들은 이러한 제1 방향으로 간격을 두고 배치되는데, 반드시 제1 방향에 평행한 직선을 따라 나란히 정렬되어 배치되어야 하는 것은 아니라는 점을 유의해야 한다. 즉, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은 제1 방향으로 서로 이격되어 배치되기만 하면 충분하다. 이에 대해서는 도 8을 참조하여 설명한다.It should be noted that the plurality of first optical elements (60) are arranged at intervals in the first direction, but do not necessarily have to be arranged side by side along a straight line parallel to the first direction. That is, it is sufficient that the plurality of first optical elements (60) are arranged at intervals from each other in the first direction. This will be described with reference to FIG. 8.

도 8은 제1 광학 소자(60)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.Figure 8 is a drawing for explaining the arrangement structure of the first optical element (60).

도 8은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 바라본 정면도로서, 제1 방향과 제1 광학 소자(60)만을 나타낸 것이다.Figure 8 is a front view of the optical device (300) placed in front of the pupil (40), showing only the first direction and the first optical element (60).

우선, 도 8의 (a)를 참조하면, 광학 장치(300)를 정면에 두고 바라 보았을 때 복수개의 제1 광학 소자(60) 각각의 중심이 제1 방향(x축 방향)에 평행한 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.First, referring to (a) of FIG. 8, when the optical device (300) is placed in front and viewed, the centers of each of the plurality of first optical elements (60) can be spaced apart and aligned along a straight line parallel to the first direction (x-axis direction).

또한, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 정면에 두고 바라 보았을 때 복수개의 제1 광학 소자(60) 각각의 중심이 제1 방향에 대해 경사각을 갖는 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.In addition, as shown in (b) of FIG. 8, when the optical device (300) is viewed from the front, the centers of each of the plurality of first optical elements (60) may be spaced apart and aligned along a straight line having an angle of inclination with respect to the first direction.

또한, 도 8의 (c)에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 정면에 두고 바라 보았을 때 복수개의 제1 광학 소자(60) 각각의 중심이 완만한 "C"자 형태의 곡선상에 위치하도록 이격 배치될 수도 있다. 이는 도 6에 도시된 바와 동일하다.In addition, as shown in (c) of Fig. 8, when the optical device (300) is viewed from the front, the centers of each of the plurality of first optical elements (60) may be spaced apart so that they are positioned on a gentle “C” shaped curve. This is the same as that shown in Fig. 6.

이와 같이, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은 제1 방향으로 간격을 두고 배치되기만 하면 충분하고, 반드시 제1 방향에 평행한 직선을 따라 나란히 정렬되어 배치되어야 하는 것은 아니다.In this way, it is sufficient for the plurality of first optical elements (60) to be arranged with spacing in the first direction, and they do not necessarily have to be arranged side by side along a straight line parallel to the first direction.

한편, 복수개의 제1 광학 소자(60)들 중 일부의 제1 광학 소자(60)들만이 이와 같은 배치 구조를 가질 수 있다.Meanwhile, only some of the first optical elements (60) among the plurality of first optical elements (60) may have such an arrangement structure.

이러한 배치 구조 이외에도, 제1 광학 소자(60)는, 화상 출사부(30), 광 변환부(70), 제2 광학 수단(10), 제2 광학 소자(20) 및 동공(40)의 상대적인 위치 관계, 경사각, 전반사 등의 여러가지 조건에 따라 다르게 배치될 수 있음은 물론이다.In addition to this arrangement structure, the first optical element (60) can of course be arranged differently depending on various conditions such as the relative positional relationship, inclination angle, and total reflection of the image emission unit (30), the light conversion unit (70), the second optical means (10), the second optical element (20), and the pupil (40).

또한, 복수개의 제1 광학 소자(60)들의 간격은 모두 동일할 수 있지만, 적어도 일부의 간격을 다르게 할 수도 있음은 물론이다.Additionally, the spacing between the plurality of first optical elements (60) may all be the same, but it is of course possible to make at least some of the spacings different.

한편, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 광 변환부(70)로부터 출사한 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)으로 전달할 수 있도록 제1 광학 수단(50) 내부에서 경사지도록 배치된다. 즉, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은 광 변환부(70)와 제2 광학 수단(10)의 위치를 고려하여 제1 광학 수단(50) 내부에서 경사지게 배치될 수 있다.Meanwhile, a plurality of first optical elements (60) are arranged to be inclined within the first optical means (50) so as to transmit virtual image light emitted from the light conversion unit (70) to the second optical means (10). That is, a plurality of first optical elements (60) can be arranged to be inclined within the first optical means (50) in consideration of the positions of the light conversion unit (70) and the second optical means (10).

도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 전술한 바와 같이, 광 변환부(70)에서 출사된 가상 영상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 복수개의 제1 광학 소자(60)로 전달되고, 제1 광학 소자(60)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사된 후 제2 광학 소자(20)로 전달될 수 있다.In the embodiments of FIGS. 5 to 7, as described above, the virtual image light emitted from the light conversion unit (70) is totally reflected on the upper surface (51) of the first optical means (50) and transmitted to a plurality of first optical elements (60), and the virtual image light emitted from the first optical element (60) can be totally reflected on the second surface (12) of the second optical means (10) and then transmitted to the second optical element (20).

따라서, 도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 이러한 광 경로를 고려하여, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 바라 보았을 때 제1 방향에 대해 경사각을 가지는 동시에 측면에서 보았을 때에는 제2 방향에 대해서도 경사각을 가지도록 제1 광학 수단(50) 내부에 배치될 수 있다.Accordingly, in the embodiments of FIGS. 5 to 7, the plurality of first optical elements (60) may be arranged inside the first optical means (50) so as to have an angle of inclination with respect to the first direction when the optical device (300) is viewed from the front of the pupil (40), while also having an angle of inclination with respect to the second direction when viewed from the side, taking this optical path into consideration.

여기에서, 제2 방향은 후술하는 바와 같이 복수개의 제2 광학 소자(20)가 제2 광학 수단(10)에서 배치되는 방향이다.Here, the second direction is the direction in which a plurality of second optical elements (20) are arranged in the second optical means (10), as described later.

이러한 제2 방향은 제1 방향과 평행하지 않은 방향일 수 있다.This second direction may be a direction that is not parallel to the first direction.

또한, 제2 방향은, 제1 방향에 수직한 방향일 수 있다.Additionally, the second direction may be a direction perpendicular to the first direction.

또한, 제2 방향은, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 증강 현실용 광학 장치(300)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면이 사용자의 동공(40)에서 관측될 수 있는 2차원 평면이 되도록 하는 방향일 수 있다.In addition, the second direction may be a direction in which, when the optical device (300) for augmented reality is placed in front of the user's pupil (40), as shown in FIGS. 5 to 7, a virtual plane formed by the first direction and the second direction becomes a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil (40).

또한, 전술한 바와 같이, 제1 방향은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때, 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있으며, 이 경우 제2 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 상기 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.In addition, as described above, the first direction may be a direction parallel to any one of the line segments included in a plane perpendicular to the straight line in the front direction from the pupil (40) when the optical device (300) is placed in front of the pupil (40), and in this case, the second direction may be a direction parallel to any one of the line segments perpendicular to the first direction from among the line segments included in a plane perpendicular to the straight line in the front direction from the pupil (40).

이를 위하여, 제2 광학 수단(10)의 상면(13)을 측면에서 보았을 때 경사지도록 형성하고, 제1 광학 수단(50)을 제2 광학 수단(10)의 상면(13)에 배치할 수 있다.To this end, the upper surface (13) of the second optical means (10) may be formed to be inclined when viewed from the side, and the first optical means (50) may be placed on the upper surface (13) of the second optical means (10).

이 경우, 복수개의 제1 광학 소자(60)들 각각은 화상 출사부(30)로부터 출사하여 다른 제1 광학 소자(60)들로 전달되는 가상 영상 화상광을 차단하지 않도록 앞서 도 8의 (b) 또는 (c)에 나타낸 바와 같이 화상 출사부(30)로부터 멀어질수록 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에 더 가까워지도록 배치될 수 있다.In this case, each of the plurality of first optical elements (60) may be arranged so as to get closer to the upper surface (51) of the first optical means (50) the farther away from the image emitter (30) as shown in (b) or (c) of FIG. 8 so as not to block the virtual image light emitted from the image emitter (30) and transmitted to other first optical elements (60).

한편, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 예컨대 직사각형 형태로 형성될 수 있으며, 각각의 폭 방향의 길이는 화상 출사부(30)의 폭 방향의 길이에 상응하도록 형성하는 것이 바람직하다.Meanwhile, a plurality of first optical elements (60) may be formed in, for example, a rectangular shape, and it is preferable that each of the widthwise lengths be formed to correspond to the widthwise length of the image emission portion (30).

또한, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 측면에서 보았을 때의 높이가 사람의 평균적인 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 보다 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수도 있다.Additionally, the plurality of first optical elements (60) may be formed to have a height when viewed from the side that is smaller than the average human pupil size, that is, 8 mm or less, more preferably 4 mm or less.

또한, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것이 바람직하다.Additionally, it is preferable that the plurality of first optical elements (60) be reflective means that reflect incident light.

이 경우, 복수개의 제1 광학 소자(60)의 반사율 또한 100% 또는 이에 근접한 높은 값을 갖는 예컨대 금속 재질의 완전 미러(full mirror)인 것이 바람직하지만, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러(half mirror)일 수도 있다.In this case, it is preferable that the plurality of first optical elements (60) are full mirrors, for example, made of metal, having a reflectivity of 100% or a high value close thereto, but they may also be half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of it.

또한, 복수개의 제1 광학 소자(60)들은, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성할 수도 있다.Additionally, the plurality of first optical elements (60) may be composed of one of refractive elements, diffractive elements, and holographic optical elements, or a combination thereof.

제2 광학 수단(10)은, 실제 세계에 존재하는 실제 사물로부터 출사된 실제 사물 화상광을 투과시켜 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달하는 수단이다. 또한, 제2 광학 수단(10)은 제1 광학 소자(60)로부터 출사되는 가상 영상 화상광이 그 내부를 통해 진행하는 도파관으로서의 역할도 수행한다.The second optical means (10) is a means for transmitting real object image light emitted from a real object existing in the real world to the pupil (40) of the user's eye. In addition, the second optical means (10) also functions as a waveguide through which virtual image image light emitted from the first optical element (60) travels.

제2 광학 수단(10) 또한 투명한 수지재나 유리재로 형성될 수 있다.The second optical means (10) can also be formed of a transparent resin material or glass material.

제2 광학 수단(10)은 가상 영상 화상광 및 실제 사물 화상광이 사용자의 동공(40)을 향해 출사되는 제1 면(11)과, 상기 제1 면(11)에 대향하며 실제 사물 화상광이 입사하는 제2 면(12)과, 제1 광학 수단(50)이 배치되는 제3 면(13)을 갖는다.The second optical means (10) has a first surface (11) through which virtual image light and real object image light are emitted toward the user's pupil (40), a second surface (12) facing the first surface (11) and through which real object image light is incident, and a third surface (13) on which the first optical means (50) is arranged.

화상 출사부(30), 광 변환부(70) 및 제1 광학 소자(60)을 통해 제2 광학 수단(10)으로 전달된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제1 면(11)을 통해 동공(40)으로 전달되고, 실제 사물 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12) 및 제1 면(11)을 투과하여 동공(40)으로 전달되기 때문에, 사용자는 가상 영상 화상광과 실제 사물 화상광을 동시에 제공받을 수 있고, 이에 의해 증강 현실 서비스를 제공받을 수 있다.The virtual image light transmitted to the second optical means (10) through the image emitter (30), the light converter (70) and the first optical element (60) is transmitted to the pupil (40) through the first surface (11) of the second optical means (10), and the real object image light is transmitted to the pupil (40) by passing through the second surface (12) and the first surface (11) of the second optical means (10). Therefore, the user can be provided with the virtual image light and the real object image light at the same time, thereby being provided with an augmented reality service.

복수개의 제2 광학 소자(20)는, 제2 광학 수단(10) 내부에 매립 배치되며, 제2 광학 수단(10) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 사용자의 눈의 동공(40)으로 전달함으로써 사용자에게 가상 영상을 제공하는 수단이다.A plurality of second optical elements (20) are embedded in the second optical means (10) and are a means for providing a virtual image to a user by transmitting virtual image light traveling through the second optical means (10) to the pupil (40) of the user's eye.

복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 제2 방향으로 간격을 두고 배치된다.A plurality of second optical elements (20) are arranged at intervals in the second direction.

여기에서, 제2 방향은 앞서 설명한 바와 같이, 제1 방향에 평행하지 않은 방향일 수 있으며, 제1 방향에 수직한 방향일 수도 있다.Here, the second direction may be a direction that is not parallel to the first direction, as described above, or may be a direction that is perpendicular to the first direction.

또한, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 광학 장치(300)를 사용자의 동공(40) 정면에 두었을 때, 제2 방향은, 제1 방향과 제2 방향에 의해 구성되는 가상의 평면이 사용자의 동공(40)에서 관측될 수 있는 2차원 평면이 되도록 하는 방향일 수 있다.In addition, as shown in FIGS. 5 to 7, when the optical device (300) is placed in front of the user's pupil (40), the second direction may be a direction in which a virtual plane formed by the first direction and the second direction becomes a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil (40).

또한, 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때, 제1 방향이 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 어느 하나에 평행한 방향인 경우, 제2 방향은 동공(40)에서 정면 방향의 직선에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 선분 중 어느 하나에 평행한 방향일 수 있다.In addition, when the optical device (300) is placed in front of the pupil (40), if the first direction is a direction parallel to any one of the line segments included in a plane perpendicular to the straight line in the front direction from the pupil (40), the second direction may be a direction parallel to any one of the line segments perpendicular to the first direction among the line segments included in a plane perpendicular to the straight line in the front direction from the pupil (40).

예를 들면, 도 5 내지 도 7의 실시예에서 제1 방향은 x축 방향이므로, 제2 방향은 x축에 수직하면서 동공(40)에서 정면 방향의 직선인 z축에 수직한 평면에 포함되는 선분 중 제1 방향에 수직한 y축에 해당할 수 있다. 따라서, 제1 방향(x축 방향)과 제2 방향(y축 방향)에 의해 구성되는 가상의 평면은 z축에 수직한 2차원의 x-y 평면이 된다.For example, in the embodiments of FIGS. 5 to 7, since the first direction is the x-axis direction, the second direction may correspond to the y-axis that is perpendicular to the first direction among the line segments included in the plane perpendicular to the z-axis, which is a straight line in the front direction from the pupil (40) while being perpendicular to the x-axis. Accordingly, the virtual plane formed by the first direction (x-axis direction) and the second direction (y-axis direction) becomes a two-dimensional x-y plane perpendicular to the z-axis.

이러한 2차원 평면은 반드시 z축에 수직할 필요는 없으며, 사용자의 동공(40)에서 관찰될 수 있기만 하면 x축 또는 y축을 중심으로 약간 회전되더라도 상관없다.This two-dimensional plane does not necessarily have to be perpendicular to the z-axis and may be slightly rotated around the x-axis or y-axis as long as it can be observed from the user's pupil (40).

또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)들이 "제2 방향으로 간격을 두고 배치"된다는 의미는, 앞서 제1 광학 소자(60)에서 설명한 바와 마찬가지로, 복수개의 제2 광학 소자(20)들이 제2 방향에 대해 서로 이격되어 배치되기만 하면 충분하다는 의미이지, 반드시 제2 방향에 평행한 직선상에 나란히 정렬되어 배치되어야 한다는 것이 아니라는 점을 유의해야 한다.In addition, it should be noted that the meaning of the plurality of second optical elements (20) being “spaced apart in the second direction” means that, as described above with respect to the first optical element (60), it is sufficient for the plurality of second optical elements (20) to be spaced apart from each other in the second direction, and does not necessarily mean that they must be arranged side by side in a straight line parallel to the second direction.

도 9는 제2 광학 소자(20)의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.Figure 9 is a drawing for explaining the arrangement structure of the second optical element (20).

도 9는 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두었을 때 측면에서 바라 본 측면도로서, 제2 방향과 제2 광학 소자(20)만을 나타낸 것이다.Figure 9 is a side view when the optical device (300) is placed in front of the pupil (40), showing only the second direction and the second optical element (20).

도 9의 (a)를 참조하면, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 보았을 때 각각의 중심이 제2 방향(y축 방향)에 평행한 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.Referring to (a) of FIG. 9, a plurality of second optical elements (20) may be spaced apart so that their respective centers are aligned along a straight line parallel to the second direction (y-axis direction) when viewed from the side with the optical device (300) placed in front of the pupil (40).

또한, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 보았을 때 각각의 중심이 제2 방향(y축 방향)에 대해 경사각을 갖는 직선을 따라 나란히 정렬되어 위치하도록 이격 배치될 수 있다.In addition, as shown in (b) of FIG. 9, a plurality of second optical elements (20) may be spaced apart from each other so that when the optical device (300) is placed in front of the pupil (40) and viewed from the side, each center is aligned along a straight line having an inclination angle with respect to the second direction (y-axis direction).

또한, 도 9의 (c)에 나타낸 바와 같이, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 광학 장치(300)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 보았을 때 각각의 중심이 완만한 "C"자형의 곡선 상에 위치하도록 이격 배치될 수도 있다. 이는 도 7에 도시된 바와 동일하다.In addition, as shown in (c) of FIG. 9, a plurality of second optical elements (20) may be spaced apart so that each center is positioned on a gentle “C” shaped curve when viewed from the side with the optical device (300) placed in front of the pupil (40). This is the same as that shown in FIG. 7.

여기에서, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 중 일부의 제1 광학 소자(20)들만이 이와 같은 배치 구조를 가질 수 있다.Here, only some of the first optical elements (20) among the plurality of second optical elements (20) may have such an arrangement structure.

이러한 배치 구조 이외에도, 화상 출사부(30), 광 변환부(70), 제1 광학 수단(50), 제1 광학 소자(60), 제2 광학 수단(10) 및 동공(40)의 상대적인 위치 관계, 경사각, 전반사 등의 여러가지 조건에 따라 다르게 배치될 수 있음은 물론이다. In addition to this arrangement structure, it is obvious that the arrangement can be different depending on various conditions such as the relative positional relationship, inclination angle, and total reflection of the image emission unit (30), the light conversion unit (70), the first optical means (50), the first optical element (60), the second optical means (10), and the pupil (40).

또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)들의 간격은 모두 동일할 수 있지만, 적어도 일부의 간격을 다르게 할 수도 있음은 물론이다.Additionally, the spacing between the plurality of second optical elements (20) may all be the same, but it is of course possible to make at least some of the spacings different.

한편, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은 도시된 바와 같이, 제1 방향 즉, x축 방향으로 연장 형성되는 바(bar) 형상일 수 있다.Meanwhile, the plurality of second optical elements (20) may be formed in a bar shape extending in the first direction, i.e., the x-axis direction, as illustrated.

또한, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각은, 제2 광학 수단(10) 내부를 통해 진행하는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단(10) 내부에서 경사지도록 배치될 수 있다. 이 경우, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 제1 광학 수단(50), 제1 광학 소자(60) 및 동공(40)의 상대적인 위치를 고려하여 적절한 경사각을 가지고 제2 광학 수단(10) 내부에 배치될 수 있다.In addition, each of the plurality of second optical elements (20) may be arranged to be inclined within the second optical means (10) so as to transmit virtual image light traveling through the interior of the second optical means (10) to the pupil (40). In this case, the plurality of second optical elements (20) may be arranged within the second optical means (10) with an appropriate inclination angle in consideration of the relative positions of the first optical means (50), the first optical element (60), and the pupil (40).

도 5 내지 도 7의 실시예에서는, 제1 광학 소자(60)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 복수개의 제2 광학 소자(20)로 전달된다. 따라서, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각은 이러한 광 경로를 고려하여 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에서 전반사되어 전달되는 가상 영상 화상광을 동공(40)으로 전달할 수 있도록 제2 광학 수단(10)의 내부에서 경사각을 가지고 배치될 수 있다.In the embodiments of FIGS. 5 to 7, the virtual image light emitted from the first optical element (60) is totally reflected by the second surface (12) of the second optical means (10) and transmitted to the plurality of second optical elements (20). Therefore, each of the plurality of second optical elements (20) may be arranged with an inclination angle within the second optical means (10) so as to transmit the virtual image light, which is totally reflected by the second surface (12) of the second optical means (10), to the pupil (40) in consideration of this optical path.

이 경우, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 각각은 제1 광학 소자(60)들로부터 출사하여 다른 제2 광학 소자(20)들로 전달되는 가상 영상 화상광을 차단하지 않도록 도 9의 (b) 또는 (c)에 나타낸 바와 같이 제1 광학 소자(60)로부터 멀어질수록 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)에 더 가까워지도록 배치될 수 있다.In this case, each of the plurality of second optical elements (20) may be arranged so as to get closer to the second surface (12) of the second optical means (10) the farther away from the first optical element (60), as shown in (b) or (c) of FIG. 9, so as not to block the virtual image light emitted from the first optical elements (60) and transmitted to other second optical elements (20).

한편, 복수개의 제2 광학 소자(20)들은, 도 6에 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때의 높이가 사람의 평균적인 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수 있다.Meanwhile, the plurality of second optical elements (20) may be formed to have a height smaller than the average human pupil size, i.e., 8 mm or less, as shown in FIG. 6, when viewed from the front, and preferably 4 mm or less.

이에 의하여, 동공(40)으로 입사하는 빛에 대한 심도(Depth of Field)를 매우 깊게 할 수 있고, 따라서 사용자가 실제 세계를 응시하면서 실제 세계에 대한 초점 거리를 변경하더라도 이와 관계없이 가상 영상의 초점은 항상 맞는 것으로 인식하게 하는 핀홀 효과를 얻을 수 있다.By this, the depth of field for light entering the pupil (40) can be made very deep, and thus a pinhole effect can be obtained that allows the user to perceive that the focus of the virtual image is always correct regardless of whether the user changes the focal length for the real world while staring at the real world.

다만, 높이가 지나치게 작은 경우에는 회절 현상이 커지기 때문에, 예컨대 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.However, if the height is too small, the diffraction phenomenon becomes large, so it is desirable to make it larger than, for example, 0.3 mm.

또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)는 입사하는 빛을 반사시키는 반사 수단인 것이 바람직하다.Additionally, it is preferable that the plurality of second optical elements (20) be reflective means that reflect incident light.

또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)의 반사율은 100% 또는 이에 근접한 높은 값을 갖는 예컨대 금속 재질의 완전 미러인 것이 바람직하지만, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사시키는 하프 미러일 수도 있다.In addition, it is preferable that the plurality of second optical elements (20) be full mirrors, for example, made of metal, having a reflectivity of 100% or a high value close thereto, but they may also be half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of it.

또한, 복수개의 제2 광학 소자(20)는, 굴절 소자, 회절 소자 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합에 의해 구성할 수도 있다.Additionally, the plurality of second optical elements (20) may be composed of any one of refractive elements, diffractive elements, and holographic optical elements, or a combination thereof.

다음으로, 도 10 및 도 11을 참조하여 광학 장치(300)에 의한 아이박스의 확장 원리에 대해 설명한다.Next, the principle of expansion of the eye box by the optical device (300) is explained with reference to FIGS. 10 and 11.

도 10은 도 2 내지 도 4의 종래의 광학 장치(200)에서의 제1 방향(x축 방향)에 대한 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 광학 장치(200)를 동공(40) 정면에 두었을 때의 정면도이다.FIG. 10 is a drawing for explaining the eye box in the first direction (x-axis direction) of the conventional optical device (200) of FIGS. 2 to 4, and is a front view when the optical device (200) is placed in front of the pupil (40).

도 10의 (a)의 광학 장치(200)를 참조하면, 디스플레이부(31)의 한 점에서 출사된 가상 영상 화상광은 광 변환부(32)를 통해 광학 수단(10)으로 출사되고, 반사부(20)에 의해 반사되어 동공(40)으로 전달된다. 이 때, x축 방향 즉, 제1 방향으로의 아이박스는 광 변환부(32)의 제1 방향의 길이에 의해 결정된다.Referring to the optical device (200) of Fig. 10 (a), virtual image light emitted from a point of the display unit (31) is emitted to the optical means (10) through the light conversion unit (32), reflected by the reflection unit (20), and transmitted to the pupil (40). At this time, the eye box in the x-axis direction, i.e., the first direction, is determined by the length of the light conversion unit (32) in the first direction.

도 10의 (b)의 광학 장치(200)는 다른 조건은 모두 동일하되 광 변환부(32)의 제1 방향의 길이가 도 10의 (a)보다 길다. 따라서, 광 변환부(32)의 길이에 상응하여 반사부(20) 또한 x축 방향(제1 방향)을 따라 보다 많이 배치되어 있으며, 이에 의해 제1 방향의 아이박스는 도 10의 (a)에 비해 넓어진다는 것을 알 수 있다.The optical device (200) of Fig. 10 (b) has a length of the light conversion unit (32) in the first direction longer than that of Fig. 10 (a) except that all other conditions are the same. Accordingly, the reflector (20) is also arranged more along the x-axis direction (first direction) corresponding to the length of the light conversion unit (32), and thus, it can be seen that the eye box in the first direction becomes wider than that of Fig. 10 (a).

이와 같이, 도 2 내지 도 4와 같은 종래의 광학 장치(200)에서는, 제1 방향(x축 방향)으로의 아이박스는 화상 출사부(30)에 포함된 광 변환부(32)의 길이에 의존한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 광 변환부(32)의 길이를 길게 하면, 폼 팩터를 증가시키고 설계가 복잡해지며 제조 과정 또한 복잡하다는 문제를 발생시킨다.As such, in conventional optical devices (200) such as those of FIGS. 2 to 4, it can be seen that the eye box in the first direction (x-axis direction) depends on the length of the light conversion unit (32) included in the image output unit (30). However, if the length of the light conversion unit (32) is increased, the form factor increases, the design becomes complicated, and the manufacturing process also becomes complicated, which causes problems.

한편, 도 10에서 세로축인 y축 방향으로의 아이박스는 y축 방향으로 배치되는 반사부(20)의 개수에 의해 결정된다.Meanwhile, in Fig. 10, the eye box in the y-axis direction, which is the vertical axis, is determined by the number of reflectors (20) arranged in the y-axis direction.

도 11은 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)에서의 제1 방향의 아이박스를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7의 A로 나타낸 방향으로 바라보았을 때의 도면이다.FIG. 11 is a drawing for explaining the eye box in the first direction in the optical device (300) of FIGS. 5 to 7, and is a drawing when viewed in the direction indicated by A in FIG. 7.

도 11을 참조하면, 디스플레이부 즉, 화상 출사부(30)의 한 점에서 출사한 가상 영상 화상광들은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 전반사되어 광 변환부(70)로 전달된다. 그리고, 광 변환부(70)에서 출사한 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서 다시 전반사되어 제1 광학 소자(60)로 전달된다. 이후, 제1 광학 소자(60)는 가상 영상 화상광을 제2 광학 수단(10)의 제2 면(12)을 향해 출사한다.Referring to Fig. 11, virtual image light emitted from one point of the display unit, i.e., the image output unit (30), is totally reflected by the upper surface (51) of the first optical means (50) and transmitted to the light conversion unit (70). Then, the virtual image light emitted from the light conversion unit (70) is totally reflected again by the upper surface (51) of the first optical means (50) and transmitted to the first optical element (60). Thereafter, the first optical element (60) emits the virtual image light toward the second surface (12) of the second optical means (10).

따라서, 화상 출사부(30)에서 출사된 가상 영상 화상광은 제1 광학 수단(50)의 상면(51)에서의 전반사에 의해 광 변환부(70)를 거쳐 복수개의 제1 광학 소자(60)로 전달되기 때문에, 제1 방향(x축 방향)으로 가상 영상 화상광이 복제되고 따라서 제1 방향 즉, x축 방향으로의 아이박스가 확장된다는 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the virtual image light emitted from the image emission unit (30) is transmitted to a plurality of first optical elements (60) through the light conversion unit (70) by total reflection on the upper surface (51) of the first optical means (50), and thus the virtual image light is replicated in the first direction (x-axis direction) and thus the eye box in the first direction, i.e., the x-axis direction, is expanded.

도 11에서도, 세로축인 y축 방향으로의 아이박스는 y축 방향으로 배치되는 제2 광학 소자(20)의 개수에 의해 결정된다. 따라서, 세로축인 y축 방향으로의 아이박스를 동일하게 유지하면서도, 가로축인 x축 방향 즉, 제1 방향으로의 아이박스는 도 11의 광학 장치(300)가 도 10의 광학 장치(200) 보다 넓다는 것을 알 수 있다. Also in Fig. 11, the eye-box in the y-axis direction, which is the vertical axis, is determined by the number of second optical elements (20) arranged in the y-axis direction. Accordingly, while maintaining the eye-box in the y-axis direction, which is the vertical axis, the same, it can be seen that the eye-box in the x-axis direction, which is the horizontal axis, i.e., the first direction, is wider in the optical device (300) of Fig. 11 than in the optical device (200) of Fig. 10.

더욱이, 도 11의 광학 장치(300)는 광 변환부(70)가 제1 광학 수단(50)의 내부에 매립 배치되기 때문에, 화상 출사부(30)에 광 변환부를 사용할 필요가 없다. 따라서, 광학 장치(300)의 전체적인 폼 팩터를 작게 할 수 있고, 이에 의해 x축 및 y축 방향으로의 2차원의 아이박스를 확장시키는 한편 소형 및 경량화가 가능한 광학 장치(300)를 제공할 수 있다.Furthermore, since the optical device (300) of FIG. 11 has the light conversion unit (70) embedded in the interior of the first optical means (50), there is no need to use the light conversion unit in the image output unit (30). Accordingly, the overall form factor of the optical device (300) can be made small, and thereby an optical device (300) that can expand a two-dimensional eye box in the x-axis and y-axis directions while being compact and lightweight can be provided.

도 12 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 장치(400)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 12는 사시도이고, 도 13은 정면도이고, 도 14는 측면도이다.FIGS. 12 to 14 are drawings for explaining an optical device (400) according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 12 is a perspective view, FIG. 13 is a front view, and FIG. 14 is a side view.

도 12 내지 도 14의 광학 장치(400)는, 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)와 기본적인 원리는 동일하되, 복수개의 제1 광학 소자(60)들 각각이 복수개의 핀 포인트 형태의 광학 모듈(61)로 구성된다는 점에서 차이가 있다.The optical device (400) of FIGS. 12 to 14 has the same basic principle as the optical device (300) of FIGS. 5 to 7, but differs in that each of the plurality of first optical elements (60) is composed of a plurality of pinpoint-shaped optical modules (61).

즉, 광학 장치(400)에서, 복수개의 제1 광학 소자(60)들 각각은, 광학 장치(400)를 동공(40) 정면에 두고 측면에서 바라 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈(61)로 구성될 수 있다.That is, in the optical device (400), each of the plurality of first optical elements (60) may be composed of a plurality of optical modules (61) arranged so as to be spaced apart from each other and appear in an array form when the optical device (400) is placed in front of the pupil (40) and viewed from the side.

복수개의 광학 모듈(61)들 각각은, 심도를 깊게 하여 핀홀 효과를 얻을 수 있도록 사람의 동공 크기보다 작은 크기 즉, 8mm 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4mm 이하로 형성될 수 있다.Each of the plurality of optical modules (61) can be formed to a size smaller than the size of a human pupil, that is, 8 mm or less, and preferably 4 mm or less, so as to deepen the depth and obtain a pinhole effect.

복수개의 광학 모듈(61)의 크기는, 각 광학 모듈(61)의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이를 의미하는 것으로 정의한다.The size of a plurality of optical modules (61) is defined as the maximum length between any two points on the edge boundary of each optical module (61).

또한, 각각의 광학 모듈(61)의 크기는, 동공(40)과 광학 모듈(61) 사이의 직선에 수직하면서 동공(40)의 중심을 포함하는 평면에 각각의 광학 모듈(61)을 투영한 정사영의 가장자리 경계선 상의 임의의 두 점 간의 최대 길이일 수 있다.Additionally, the size of each optical module (61) may be the maximum length between any two points on the boundary line of the edge of an orthogonal projection of each optical module (61) onto a plane that is perpendicular to the straight line between the pupil (40) and the optical module (61) and includes the center of the pupil (40).

다만, 크기가 지나치게 작은 경우에는 회절 현상이 커지기 때문에, 예컨대 0.3mm 보다는 크게 하는 것이 바람직하다.However, if the size is too small, the diffraction phenomenon becomes greater, so it is desirable to make it larger than, for example, 0.3 mm.

또한, 복수개의 광학 모듈(61)들 각각의 형상은 원형일 수 있다.Additionally, the shape of each of the plurality of optical modules (61) may be circular.

또한, 동공(40)에서 광학 모듈(61)들을 바라보았을 때 원형으로 보이도록 타원형으로 형성할 수도 있다.Additionally, the optical modules (61) may be formed in an oval shape so that they appear circular when viewed from the pupil (40).

이를 제외하면, 광학 장치(400)의 다른 구성은 앞서 설명한 광학 장치(300)에서와 동일하므로 상세 설명은 생략한다.Except for this, the other configurations of the optical device (400) are the same as those of the optical device (300) described above, so a detailed description is omitted.

도 15 내지 도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광학 장치(500)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 15는 사시도이고, 도 16은 정면도이고, 도 17은 측면도이다.FIGS. 15 to 17 are drawings for explaining an optical device (500) according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 15 is a perspective view, FIG. 16 is a front view, and FIG. 17 is a side view.

도 15 내지 도 17의 광학 장치(500)는, 도 12 내지 도 14의 광학 장치(400)와 동일하되, 복수개의 제2 광학 소자(20) 각각이 핀포인트 형태의 복수개의 광학 모듈(21)로 구성된다는 점에서 차이가 있다.The optical device (500) of FIGS. 15 to 17 is identical to the optical device (400) of FIGS. 12 to 14, but differs in that each of the plurality of second optical elements (20) is composed of a plurality of optical modules (21) in the form of pinpoints.

즉, 복수개의 제2 광학 소자(20)들 각각은, 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때 서로 이격되어 어레이 형태로 보이도록 배치되는 복수개의 광학 모듈(21)로 구성된다.That is, each of the plurality of second optical elements (20) is composed of a plurality of optical modules (21) arranged so as to be spaced apart from each other and appear in an array form when viewed from the front, as illustrated.

이러한 광학 모듈(21)들의 크기 및 형상은 앞서 도 12 내지 도 14에서 설명한 광학 모듈(61)과 마찬가지이므로 이들에 대한 상세 설명은 생략한다.The size and shape of these optical modules (21) are the same as the optical modules (61) described above in FIGS. 12 to 14, so a detailed description thereof is omitted.

다만, 광학 모듈(21)과 광학 모듈(61)의 크기는 동일할 필요는 없으며, 서로 다르게 해도 무방하다.However, the sizes of the optical module (21) and the optical module (61) do not need to be the same and may be different.

한편, 도시하지는 않았으나, 도 5 내지 도 7의 광학 장치(300)에서도 복수개의 제2 광학 소자(20)들을 복수개의 핀 포인트 형태의 광학 모듈(21)로 구성할 수도 있음은 물론이다.Meanwhile, although not illustrated, it is also possible to configure a plurality of second optical elements (20) as a plurality of pin-point-shaped optical modules (21) in the optical device (300) of FIGS. 5 to 7.

이상에서, 본 발명에 의한 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서, 첨부된 청구범위 및 도면에 의해 파악되는 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다는 점을 유의해야 한다.While the present invention has been described above with reference to preferred embodiments according to the present invention, it should be noted that these are exemplary, and that all changes within the equivalent range understood by the appended claims and drawings are included in the scope of the present invention.

예컨대, 상기 실시예들에 있어서, 제1 광학 수단(50)과 제2 광학 수단(10)은 일체로 형성될 수 있다.For example, in the above embodiments, the first optical means (50) and the second optical means (10) may be formed integrally.

또한, 상기 실시예들에서, 제2 광학 수단(10) 내부에서 가상 영상 화상광은 전반사를 통해 제2 광학 소자(20)로 전달되는 것으로 설명하였으나, 전반사 없이 또는 2회 이상의 전반사를 통해 제2 광학 소자(20)로 전달될 수도 있음은 물론이다.In addition, in the above embodiments, it has been described that the virtual image light inside the second optical means (10) is transmitted to the second optical element (20) through total reflection, but it is of course also possible to transmit to the second optical element (20) without total reflection or through two or more total reflections.

100, 200...종래의 증강 현실용 광학 장치
300, 400, 500...확장된 아이박스를 갖는 컴팩트 증강 현실용 광학 장치
10...제2 광학 수단
20...제2 광학 소자
30...화상 출사부
40...동공
50...제1 광학 수단
60...제1 광학 소자
70...광 변환부100, 200...Conventional optical devices for augmented reality
300, 400, 500... Compact Augmented Reality Optical Device with Extended Eyebox
10...Second optical means
20...Second optical element
30...Video output unit
40...pupil
50...first optical means
60...first optical element
70...optical converter

Claims

A compact optical device for augmented reality with an extended eyebox,
A first optical means through which virtual image light emitted from an image emitter travels;
An optical conversion unit embedded within the first optical means and transmitting virtual image light traveling through the interior of the first optical means to the first optical element;
A plurality of first optical elements embedded within the first optical means and emitting virtual image light transmitted from the optical conversion unit to the second optical means;
A second optical means for transmitting real object image light emitted from a real object to the pupil of the user's eye and allowing virtual image light emitted from the first optical element to travel through the interior thereof; and
A plurality of second optical elements are embedded within the second optical means and provide a virtual image to the user by transmitting virtual image light traveling through the second optical means to the pupil of the user's eye.
Including,
The plurality of first optical elements are arranged at intervals in the first direction within the first optical means,
The virtual image light emitted from the image emission unit is totally reflected on the upper surface of the first optical means and transmitted to the light conversion unit, and the virtual image light emitted from the light conversion unit is totally reflected on the upper surface of the first optical means and transmitted to the first optical element.
The above optical conversion unit converts the virtual image light incident from the image output unit into parallel light and emits it to the upper surface of the first optical means,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of second optical elements are arranged at intervals in the second direction inside the second optical means.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the first direction is a direction parallel to any one of the line segments included in a plane perpendicular to a straight line in the frontal direction from the pupil.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the second direction is a direction that is not parallel to the first direction.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the second direction is perpendicular to the first direction.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the virtual plane formed by the first direction and the second direction is a two-dimensional plane that can be observed from the user's pupil when the optical device for augmented reality is placed in front of the user's pupil.

In claim 5,
An optical device for augmented reality, characterized in that the second direction is a direction parallel to any one of the line segments perpendicular to the first direction among the line segments included in a plane perpendicular to the straight line in the frontal direction from the pupil.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that an image emission unit is arranged at one end of the first optical means in the first direction.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the optical conversion unit is disposed embedded in the interior of the first optical means so as to face the image emission unit.

delete

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the above-mentioned light conversion unit is a reflective means that reflects incident light.

In claim 10,
An optical device for augmented reality, characterized in that the reflective surface of the light conversion unit is embedded in the interior of the first optical means so as to face the upper surface of the first optical means.

In claim 11,
An optical device for augmented reality, characterized in that the reflective surface of the light conversion unit is a curved surface formed concavely toward the upper surface of the first optical means.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of first optical elements are arranged to be inclined within the first optical means so as to transmit virtual image light emitted from the light conversion unit to the second optical means.

In claim 13,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of first optical elements are arranged inside the first optical means so as to have an angle of inclination with respect to the first direction when the optical device for augmented reality is viewed from the front of the pupil and an angle of inclination with respect to the second direction when viewed from the side.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the widthwise length of each of the plurality of first optical elements is formed to correspond to the widthwise length of the image emission portion.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of first optical elements are reflective means that reflect incident light.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of first optical elements are half mirrors that transmit some of the incident light and reflect some of the incident light.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of first optical elements are composed of one or a combination of refractive elements, diffractive elements, and holographic optical elements.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that each of the plurality of first optical elements is composed of a plurality of optical modules.

In claim 19,
An optical device for augmented reality, characterized in that each of the plurality of first optical elements is composed of a plurality of optical modules arranged so as to be spaced apart from each other and appear in an array form when the optical device for augmented reality is viewed from the side.

In claim 19,
An optical device for augmented reality, characterized in that the size of the plurality of optical modules is 4 mm or less.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that each of the plurality of second optical elements is arranged to be inclined within the second optical means so as to transmit virtual image light traveling through the interior of the second optical means to the pupil.

In claim 22,
The second optical means has a first surface through which virtual image light and real object image light are emitted toward the user's pupil, and a second surface opposite to the first surface through which real object image light is incident,
The virtual image light emitted from the first optical element is totally reflected on the second surface of the second optical means and transmitted to a plurality of second optical elements,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of second optical elements are arranged at an inclined angle inside the second optical means so as to transmit virtual image light transmitted by being totally reflected on the second surface of the second optical means to the pupil.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of second optical elements are formed in a bar shape extending in the first direction.

In claim 24,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of second optical elements have a height of 4 mm or less when viewed from the front.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that each of the plurality of second optical elements is composed of a plurality of optical modules.

In claim 26,
An optical device for augmented reality, characterized in that each of the plurality of second optical elements is composed of a plurality of optical modules arranged so as to be spaced apart from each other and appear in an array form when the optical device for augmented reality is viewed from the front.

In claim 26,
An optical device for augmented reality, characterized in that the size of the plurality of optical modules is 4 mm or less.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of second optical elements are reflective means that reflect incident light.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of second optical elements are half mirrors that transmit part of the incident light and reflect part of the incident light.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the plurality of second optical elements are composed of one or a combination of refractive elements, diffractive elements, and holographic optical elements.

In claim 1,
An optical device for augmented reality, characterized in that the first optical means and the second optical means are formed integrally.