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KR20230167579A - Hologram-based direct retinal projection-type augmented reality device for expanding FoV by replicating FoV - Google Patents

Hologram-based direct retinal projection-type augmented reality device for expanding FoV by replicating FoV Download PDF

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KR20230167579A
KR20230167579A KR1020220067595A KR20220067595A KR20230167579A KR 20230167579 A KR20230167579 A KR 20230167579A KR 1020220067595 A KR1020220067595 A KR 1020220067595A KR 20220067595 A KR20220067595 A KR 20220067595A KR 20230167579 A KR20230167579 A KR 20230167579A
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reality device
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최광순
손예슬
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한국전자기술연구원
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Abstract

시역 복제로 시역을 확장한 홀로그램 기반 동공 직사형 증강현실 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 증강현실 장치는, 영상을 생성하여 투사하는 투사계, 투사계에서 투사되는 영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키는 복제부, 복제부에서 출광되는 영상들과 현실 세계에서 입사되는 외부광을 결합하는 영상 결합기를 포함한다. 이에 의해, 컴팩트한 장치로 일반 사용자에게 불편함을 주던 동공 허용 영역의 크기를 증대시켜 동공을 자유롭게 움직여도 영상이 잘림없이 관측 가능하므로 사용자의 불편감을 해소하고, 다양한 양안 간격에 대응할 수 있도록 시역 설계 시의 마진을 확보함으로써 대량 생산 시 사용자 맞춤형 디자인의 제한을 벗어나 생산 단가를 절감할 수 있게 된다.A hologram-based pupil direct projection augmented reality device that expands the viewing area by duplicating the viewing area is provided. An augmented reality device according to an embodiment of the present invention includes a projection system that generates and projects an image, a replication unit that copies the image projected from the projection system and emits images with different optical paths, and images emitted from the replication unit. and an image combiner that combines external light incident from the real world. As a result, the compact device increases the size of the pupil tolerance area, which was inconvenient for general users, and allows images to be observed without being cut off even when the pupil moves freely, relieving the user's discomfort and designing the viewing area to accommodate various binocular distances. By securing a margin of , it is possible to reduce production costs by escaping the limitations of customized design during mass production.

Description

시역 복제로 시역을 확장한 홀로그램 기반 동공 직사형 증강현실 장치{Hologram-based direct retinal projection-type augmented reality device for expanding FoV by replicating FoV}Hologram-based direct retinal projection-type augmented reality device for expanding FoV by replicating FoV}

본 발명은 증강현실 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사람이 착용한 상태로 증강현실 콘텐츠 영상을 제공하는 동공 직사형 증강현실 장치에 관한 것이다.The present invention relates to augmented reality technology, and more specifically, to a pupil-direct augmented reality device that provides augmented reality content images while worn by a person.

동공 직사형 증강현실 장치는 컴팩트한 디자인으로 넓은 화각의 영상을 제공할 수 있는 장점이 있지만, 매우 좁은 시역을 한계점으로 가지고 있다. 이는 동공 직사형 증강현실 장치가 개별 픽셀에 해당하는 광선 다발이 한 점(직경 1mm 내외)에 집광되는 구조로 설계되고, 사용자는 해당 집광 지점에 동공을 올바르게 위치시켜야만 전체 증강현실 영상을 관측할 수 있기 때문이다.Direct pupil augmented reality devices have the advantage of providing images with a wide angle of view with a compact design, but have a very narrow viewing area as a limitation. This is a direct-pupil augmented reality device that is designed in a structure in which bundles of light corresponding to individual pixels are concentrated on a single point (about 1 mm in diameter), and the user must correctly position the pupil at the point of concentration to view the entire augmented reality image. Because there is.

하지만 ① 동공의 회전 및 좌우 움직임, ② 사용자마다 다른 좌우안 간의 간격을 고려할 시에, 이러한 제한적인 시역은 증강현실 장치의 범용적 사용을 제한할 수 밖에 없어 기존 동공 직사형 장치의 장점을 유지하면서도 수 mm 이상의 시역을 제공할 수 있는 영상 장치의 개발이 필요하다. However, when considering ① the rotation and left and right movement of the pupil, and ② the gap between the left and right eyes, which differs for each user, this limited viewing range inevitably limits the general use of the augmented reality device, so while maintaining the advantages of the existing direct-pupil device, There is a need to develop an imaging device that can provide a viewing range of several millimeters or more.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 얇은 필름 형태의 홀로그램 렌즈 기반 동공 직사형 증강현실 장치에서 동공 허용 영역인 시역의 크기를 증대시키면서도 종래의 장점인 컴팩트한 광학 구조를 유지할 수 있는 방법을 제공함에 있다.The present invention was created to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to increase the size of the viewing area, which is the pupil tolerance area, in a thin film-type holographic lens-based pupil direct-projection augmented reality device, while also providing compactness, which has the advantage of the prior art. The aim is to provide a method for maintaining an optical structure.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 장치는, 영상을 생성하여 투사하는 투사계; 투사계에서 투사되는 영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키는 복제부; 복제부에서 출광되는 영상들과 현실 세계에서 입사되는 외부광을 결합하는 영상 결합기;를 포함한다.An augmented reality device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a projection system that generates and projects an image; a duplication unit that copies the image projected from the projection system and emits images with different optical paths; It includes an image combiner that combines images emitted from the replica unit with external light incident from the real world.

각기 다른 영상들은, 각기 다른 시역들을 형성할 수 있다.Different images can form different viewing areas.

복제부는, 투사계에서 투사되는 영상 중 일부를 제1 광경로로 출사시키고, 투사계에서 투사되는 영상 중 다른 일부를 제2 광경로로 출사시킬 수 있다.The replica unit may emit a part of the images projected from the projection system through the first optical path, and may emit another part of the images projected from the projection system through the second optical path.

제2 광경로는, 투사계의 출사동으로부터 이격된 제1 지점을 가상의 출사동으로 하는 광경로일 수 있다.The second optical path may be an optical path that uses a first point spaced apart from the exit pupil of the projection system as a virtual exit pupil.

복제부는, 광학 매질; 광학 매질의 일면에 위치하여, 투사계에서 투사되는 영상 중 일부를 제1 광경로로 출광시키고 다른 일부를 반사하고, 제2 부분 반사면에서 반사된 영상을 제2 광경로로 출광시키는 제1 부분 반사면; 및 광학 매질의 일면에 대향하는 타면에 위치하여, 제1 부분 반사면에서 반사된 영상을 제1 부분 반사면으로 반사하는 제2 부분 반사면;을 포함할 수 있다.The replica part is an optical medium; A first part located on one side of the optical medium, emitting part of the image projected from the projection system to the first optical path and reflecting the other part, and emitting the image reflected from the second partial reflection surface to the second optical path. reflective surface; and a second partial reflective surface located on the other surface opposite to one surface of the optical medium, and reflecting the image reflected from the first partial reflective surface to the first partial reflective surface.

제1 광경로로 출광되는 영상에 의해 형성되는 제1 시역과 제2 광경로로 출광되는 영상에 의해 형성되는 제2 시역 간의 이격 거리는, 광학 매질의 두께에 비례할 수 있다.The separation distance between the first viewing area formed by the image emitted through the first optical path and the second viewing area formed by the image emitted through the second optical path may be proportional to the thickness of the optical medium.

제1 부분 반사면은, 출광 영역에 따라 투과율과 반사율이 각기 다를 수 있다.The first partial reflective surface may have different transmittance and reflectance depending on the light output area.

복제부는, 투사계에서 투사되는 영상 중 또 다른 일부를 제3 광경로로 출사시킬 수 있다.The replica unit may emit another part of the image projected from the projection system to the third optical path.

제3 광경로는, 투사계의 출사동으로부터 이격된 제2 지점을 가상의 출사동으로 하는 광경로일 수 있다.The third optical path may be an optical path that uses a second point spaced apart from the exit pupil of the projection system as a virtual exit pupil.

본 발명의 다른 실시예에 따른 증강현실 영상 제공 방법은, 투사계가, 영상을 생성하여 투사하는 단계; 복제부가, 투사계에서 투사되는 영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키는 단계; 및 영상 결합기가, 복제부에서 출광되는 영상들과 현실 세계에서 입사되는 외부광을 결합하는 단계;를 포함한다.A method of providing an augmented reality image according to another embodiment of the present invention includes the steps of a projection system generating and projecting an image; A copying unit duplicating the image projected from the projection system and emitting images with different optical paths; and combining, by an image combiner, images emitted from the replica unit and external light incident from the real world.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 증강현실 광학 장치는, 영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키는 복제부; 및 복제부에서 출광되는 영상들과 현실 세계에서 입사되는 외부광을 결합하는 영상 결합기;를 포함한다.An augmented reality optical device according to another embodiment of the present invention includes a replication unit that copies an image and emits images with different optical paths; and an image combiner that combines images emitted from the replica unit with external light incident from the real world.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 증강현실 영상 제공 방법은, 복제부가, 영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키는 단계; 및 영상 결합기가, 복제부에서 출광되는 영상들과 현실 세계에서 입사되는 외부광을 결합하는 단계;를 포함한다.A method of providing an augmented reality image according to another embodiment of the present invention includes the steps of: a duplication unit duplicating an image and emitting images with different optical paths; and combining, by an image combiner, images emitted from the replica unit and external light incident from the real world.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 별도의 복잡하고 두꺼운 복합 광학 소자 없이, 프로젝터의 출사동공 위치를 광학적으로 복제할 수 있는 소형 광학소자를 추가함으로써, 컴팩트한 장치로 일반 사용자에게 불편함을 주던 동공 허용 영역의 크기를 증대시켜 동공을 자유롭게 움직여도 영상이 잘림없이 관측 가능하므로 사용자의 불편감을 해소할 수 있다.As described above, according to embodiments of the present invention, by adding a small optical element that can optically replicate the exit pupil position of the projector without a separate complex and thick composite optical element, a compact device can be provided to general users. By increasing the size of the pupil tolerance area, which was causing discomfort, the image can be observed without being cut off even when the pupil moves freely, thereby relieving the user's discomfort.

또한 본 발명의 실시예들에 따르면, 다양한 양안 간격에 대응할 수 있도록 시역 설계 시의 마진을 확보함으로써, 대량 생산 시 사용자 맞춤형 디자인의 제한을 벗어나 생산 단가를 절감할 수 있다.In addition, according to embodiments of the present invention, by securing a margin when designing the viewing area to accommodate various binocular distances, it is possible to reduce the production cost by avoiding the limitations of user-customized design during mass production.

도 1은 홀로그램 렌즈 기반의 동공 직사형 증강현실 장치의 구조와 개념을 도시한 도면,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치의 구조와 개념 설명에 제공되는 도면,
도 5는 시역 복제 소자의 상세 구성과 내부에서의 일어나는 광경로 폴딩을 상세히 나타낸 도면,
도 6 및 도 7은 홀로그램 렌즈에서 복제 시역 출사동 위치에 대한 시뮬레이션 결과이다.
Figure 1 is a diagram showing the structure and concept of a holographic lens-based pupil direct projection augmented reality device;
2 to 4 are diagrams provided to explain the structure and concept of a pupil-directed augmented reality device according to an embodiment of the present invention;
Figure 5 is a diagram showing the detailed configuration of the viewing area replication element and the optical path folding that occurs inside;
Figures 6 and 7 are simulation results for the exit pupil position of the duplicate viewing area in the holographic lens.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 홀로그램 렌즈 기반의 동공 직사형 증강현실 장치의 구조와 개념을 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이 동공 직사형 증강현실 장치는 투사계(110)에서 생성하여 투사한 영상 광선 번들을 사용자의 눈 앞에 위치한 홀로그램 렌즈(130)에서 회절시켜 사용자의 동공 위치에 집광시키는 광학 구조로 이루어진다.Figure 1 is a diagram showing the structure and concept of a holographic lens-based direct-pupil augmented reality device. As shown, the pupil direct projection augmented reality device is composed of an optical structure that diffracts the image ray bundle generated and projected by the projection system 110 at the holographic lens 130 located in front of the user's eyes and focuses it at the position of the user's pupil.

홀로그램 렌즈(130)는 투사계(110)의 영상을 사용자의 동공으로 반사하는 한편, 현실 세계로부터 입사되는 외부광을 투과시켜 투사계(110)의 영상과 결합시키는 영상 결합기(Image combiner)로 기능한다.The holographic lens 130 functions as an image combiner that reflects the image of the projection system 110 to the user's pupil, while transmitting external light incident from the real world and combining it with the image of the projection system 110. do.

도 1에 도시된 동공 직사형 증강현실 장치는 복잡한 광학 구조 없이 넓은 시야각의 영상을 제공할 수 있다는 장점이 있으나, 통상적으로 투사계(110)에서 출광되는 광선 번들의 빔폭이 매우 작고(1mm 이내) 집광되는 특성으로 인하여, 해당 집광지점이 아닌 곳에서는 영상 관측이 불가능하다.The pupil-directed augmented reality device shown in Figure 1 has the advantage of being able to provide images with a wide viewing angle without a complicated optical structure, but the beam width of the light bundle emitted from the projection system 110 is usually very small (within 1 mm). Due to the nature of condensing light, it is impossible to observe images from places other than the point of concentration.

특히 증강현실 장치가 사용자의 머리에 이미 고정되어 있는 상황에서는, 집광지점의 직경이 1mm 수준일 경우 단순한 시선 이동에 따른 동공 회전에 대해서도 영상 관측이 불가하거나 관측되는 영상이 잘려 보이는 등의 문제점이 발생한다.In particular, in a situation where the augmented reality device is already fixed to the user's head, if the diameter of the light collection point is about 1 mm, problems such as not being able to observe the image or the observed image being cut off even when the pupil rotates due to simple gaze movement occur. do.

또한 사용자마다 서로 다른 양안 간격에 대응하기 어렵기 때문에, 개별 사용자의 양안 간격을 측정하여 그에 맞도록 개인별로 최적화하는 별도의 커스텀 과정이 요구됨에 따라, 양산 및 사업화에 있어 생산 단가 상승을 가져올 수 있다. In addition, because it is difficult to respond to different binocular distances for each user, a separate custom process is required to measure the binocular distance of each user and optimize it accordingly, which may lead to an increase in production costs in mass production and commercialization. .

이에 따라 본 발명의 실시예에서는 시역 복제를 통해 시역을 확장하는 동공 직사형 증강현실 장치를 제시한다.Accordingly, an embodiment of the present invention presents a pupil-direct augmented reality device that expands the viewing area through viewing area replication.

구체적으로 홀로그램 렌즈(130)를 이용하면서도 관측 가능한 동공 허용 영역을 증대시키기 위해, 하나의 투사계(110)에서 출광되는 영상 광선을 분할 및 광경로 조정함으로써 마치 다수의 투사계에서 나오는 영상 광선 처럼 복제하여, 증강현실 장치의 출사동 위치를 복제 개수 만큼 늘려주는 것이다.Specifically, in order to increase the permissible pupil area that can be observed while using the holographic lens 130, the image rays emitted from one projection system 110 are divided and the optical path is adjusted to replicate image rays as if they were coming from multiple projection systems. Thus, the exit pupil position of the augmented reality device is increased by the number of copies.

홀로그램 렌즈는 서로 다른 방향에서 입광하는 두 광파(기준빔 및 신호빔)의 간섭 패턴을 기록매질(예: 포토폴리머, 광굴절폴리머, 실버할라이드 등)에 기록함으로써 제작된다. 이 때 기록된 간섭 패턴은 홀로그래픽 기록매질 내에 주기적으로 반복되는 형태의 체적 격자(Volume grating)을 형성하며, 추후 재생 단계에서 입광하는 투사빔이 체적 격자의 브래그 조건(Bragg condition)을 만족할 경우 회절 현상을 통하여 재생빔을 출력한다.A holographic lens is manufactured by recording the interference pattern of two light waves (reference beam and signal beam) coming from different directions on a recording medium (e.g. photopolymer, photorefractive polymer, silver halide, etc.). The interference pattern recorded at this time forms a periodically repeating volume grating within the holographic recording medium, and if the incident beam meets the Bragg condition of the volume grating in the later reproduction stage, it will be diffracted. A reproduced beam is output through the phenomenon.

만일 입사하는 광이 기록된 체적 격자의 브래그 조건에서 특정 조건 이내로 편차를 보일 경우에는, 효율 저하는 크지 않으면서도 회절광의 방향을 튜닝할 수 있다.If the incident light deviates from the Bragg condition of the recorded volume grating within a certain condition, the direction of the diffracted light can be tuned without significant decrease in efficiency.

이에 따라 본 발명의 실시예에서는 이러한 홀로그램 렌즈의 Off-Bragg 조건을 활용하여 시역을 복제하며, 해당 Off-Bragg 조건을 만족하는 투사계의 위치 조건을 단일 투사계로도 만족시킬 수 있는 방법을 제시한다.Accordingly, in an embodiment of the present invention, the viewing area is replicated by utilizing the Off-Bragg condition of the holographic lens, and a method is presented in which the position condition of the projection system that satisfies the Off-Bragg condition can be satisfied even with a single projection system. .

이는 하나의 투사계에서 출광된 광선다발을 마치 복수의 서로 다른 위치에 존재하는 투사계 배열(array)에서 출광한 것처럼 모사할 수 있는 추가 광학 소자의 도입을 통해 구현될 수 있다.This can be implemented through the introduction of an additional optical element that can simulate a bundle of light emitted from one projection system as if it were emitted from an array of projection systems existing at a plurality of different positions.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치의 구조와 개념 설명에 제공되는 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치는, 투사계(도 2에는 미도시), 시역 복제 소자(120) 및 홀로그램 렌즈(130)를 포함하여 구성된다.Figure 2 is a diagram provided to explain the structure and concept of a pupil-directed augmented reality device according to an embodiment of the present invention. The pupil direct projection augmented reality device according to an embodiment of the present invention includes a projection system (not shown in FIG. 2), a viewing area replication element 120, and a hologram lens 130.

본 발명의 실시예에 따른 동공 직사형 증강현실 장치는 도 1에 도시된 장치에서 투사계(110)의 앞단에 소형 광학소자인 시역 복제 소자(120)를 추가하여 시역을 복제할 수 있도록 하였다.The pupil-directed augmented reality device according to an embodiment of the present invention is capable of replicating the viewing area by adding a viewing area replication element 120, a small optical element, to the front of the projection system 110 in the device shown in FIG. 1.

시역 복제 소자(120)는 투사계에서 투사되는 영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키기 위한 소자이며, 이하에서 자세히 설명한다.The viewing area duplication element 120 is an element for duplicating an image projected from a projection system and emitting images with different optical paths, and will be described in detail below.

도 2에 도시된 바와 같이, '투사계의 출사동(210)'(실제 투사계에서 원본 시역의 영상이 출사되는 출사동이므로, 이하 '원본 시역 출사동(210)'으로 표기)에서 출발한 광선(220)은 시역 복제 소자(120)로 입광한 뒤, 일부는 출광되고 일부는 부분 반사되어 시역 복제 소자(120)의 내부에서 광경로 폴딩을 겪게 된다.As shown in Figure 2, starting from the 'exit pupil 210 of the projection system' (since it is an exit pupil from which the image of the original viewing area is actually emitted in the projection system, hereinafter referred to as 'original viewing area exit pupil 210') After the light ray 220 enters the viewing area duplication element 120, some of it goes out and some of it is partially reflected and undergoes optical path folding inside the viewing area duplicating element 120.

구체적으로 원본 출사동(210)에서 출발한 광선(220) 중 일부(230)는 시역 복제 소자(120)에서 반사하지 않고 바로 출광하여 홀로그램 렌즈(130)에 입광 후 회절하여 원본 시역을 형성한다.Specifically, some 230 of the light rays 220 departing from the original exit pupil 210 do not reflect from the viewing area replication element 120 and exit directly, enter the hologram lens 130, and then diffract to form the original viewing area.

그리고 도 3에 도시된 바와 같이 원본 출사동(210)에서 출발한 광선(220) 중 시역 복제 소자(120)에서 바로 출광하지 않은 광선(320)은 시역 복제 소자(120)의 내부에서 2차례 반사한 후 출광(330)하여, 홀로그램 렌즈(130)에 입광 후 회절하여 원본 시역의 주변에 복제 시역을 형성하게 된다.And, as shown in FIG. 3, among the light rays 220 originating from the original exit pupil 210, the light ray 320 that does not directly exit the viewing area replication element 120 is reflected twice inside the viewing area replicating element 120. After that, the light exits 330, enters the hologram lens 130, and then diffracts to form a duplicate viewing area around the original viewing area.

이 광선(330)은 윈본 시역을 형성한 광선(230)과 홀로그램 렌즈(130)로 입광한 방향과 위치가 다르기 때문에 원본 시역과 다른 위치에 복제 시역을 형성하게 되는 것이다.Since the direction and position of the light ray 330 entering the hologram lens 130 are different from the light ray 230 forming the original viewing area, a duplicate viewing area is formed at a different location from the original viewing area.

도 4에는 복제 시역에 대한 가상의 출사동을 표시하였는데, 복제 시역에 표시될 영상이 출사되는 것으로 모사한 가상의 출사동이므로 '복제 시역 출사동(310)으로 표기하였다.In Figure 4, a virtual exit pupil for the duplicate viewing area is displayed. Since it is a virtual exit pupil that simulates the image to be displayed in the duplicate viewing area, it is indicated as 'replicated viewing area exit pupil 310.

도 5에는 시역 복제 소자(120)의 상세 구성과 내부에서의 일어나는 광경로 폴딩을 상세히 나타내었다. 도시된 바와 같이 시역 복제 소자(120)는 직면 형태의 광학 매질(121)의 양면에 부분 반사면들(122,123)을 코팅 또는 접합하여 구현할 수 있다. Figure 5 shows in detail the detailed configuration of the viewing area replication element 120 and the optical path folding that occurs inside. As shown, the viewing area replication device 120 can be implemented by coating or bonding partial reflection surfaces 122 and 123 to both sides of the optical medium 121 in a facing form.

원본 출사동(410)에서 출광한 우측 한계광선(420)의 경우, 광학 매질(121)로 입광한 후에 부분 반사면(123)에서 일부가 출광되어 원본 영상의 우측 한계광선(421)을 형성한다. 한편 부분 반사면(123)에서 반사된 나머지 광선은 부분 반사면(122)에서 반사된 후 부분 반사면(123)에서 출광되어 복제 영상의 우측 한계광선(425)를 형성한다.In the case of the right limit ray 420 emitted from the original exit pupil 410, after entering the optical medium 121, part of it is emitted from the partial reflection surface 123 to form the right limit ray 421 of the original image. . Meanwhile, the remaining ray reflected from the partially reflective surface 123 is reflected from the partially reflective surface 122 and then exits the partially reflective surface 123 to form the right limit ray 425 of the duplicate image.

한편 원본 출사동(410)에서 출광한 좌측 한계광선(430)의 경우, 광학 매질(121)로 입광한 후에 부분 반사면(123)에서 일부가 출광되어 원본 영상의 좌측 한계광선(431)을 형성한다. 한편 부분 반사면(123)에서 반사된 나머지 광선은 부분 반사면(122)에서 반사된 후 부분 반사면(123)에서 출광되어 복제 영상의 좌측 한계광선(435)를 형성한다.Meanwhile, in the case of the left limit ray 430 emitted from the original exit pupil 410, after entering the optical medium 121, part of it is emitted from the partial reflection surface 123 to form the left limit ray 431 of the original image. do. Meanwhile, the remaining ray reflected from the partially reflective surface 123 is reflected from the partially reflective surface 122 and then exits the partially reflective surface 123 to form the left limit ray 435 of the duplicate image.

한편 부분 반사면(123)에서 광선이 균일하게 출광될 수 있도록 영역에 따라 투과율/반사율이 각기 다른 부분 반사면들을 연결하여 어레이로 구현하거나 영역에 따라 투과율/반사율을 각기 다르게 적용한 홀로그래픽 반사면을 제작하여 구현할 수 있다.Meanwhile, so that light can be emitted uniformly from the partial reflective surface 123, partial reflective surfaces with different transmittances/reflectances depending on the area are connected to form an array, or a holographic reflective surface with different transmittances/reflectances depending on the area is created. It can be manufactured and implemented.

또한 원본 영상(421~431)과 복제 영상(425~435)의 출광 위치 편차로 인하여, 홀로그램 렌즈(130)에서 회절되어 형성되는 원본 시역과 복제 시역은 서로 이격되는데, 이격 거리는 광학 매질(121)의 두께 d에 비례한다. 이는 광학 매질(121)의 두께 d를 조절하여 원본 시역과 복제 시역 간의 이격 거리를 조정할 수 있음을 의미한다.In addition, due to the difference in the position of the output light between the original images (421 to 431) and the duplicate images (425 to 435), the original viewing area and the duplicate viewing area formed by diffraction from the holographic lens 130 are separated from each other, and the separation distance is determined by the optical medium 121. is proportional to the thickness d. This means that the separation distance between the original viewing area and the duplicate viewing area can be adjusted by adjusting the thickness d of the optical medium 121.

도 6은 홀로그램 렌즈(130)에서 원본 시역(520)의 좌우로 1mm 떨어진 복제 시역들(510,530)을 형성하기 위해 필요한 복제 시역 출사동(610,630)의 위치를 시뮬레이션 한 결과이다. 좌측 복제 시역(510)을 형성하기 위한 좌측 복제 시역 출사동(610)의 위치와 우측 복제 시역(530)을 형성하기 위한 우측 복제 시역 출사동(630)의 위치를 각각 나타내었다.FIG. 6 shows the results of simulating the positions of the duplicate viewing area exit pupil 610 and 630 required to form the duplicate viewing area 510 and 530 1 mm to the left and right of the original viewing area 520 in the hologram lens 130. The positions of the left replication viewing area exit pupil 610 for forming the left replication viewing area 510 and the positions of the right replication viewing area exit pupil 630 for forming the right replication viewing area 530 are shown, respectively.

도 7에는 원본 시역 출사동(620)의 위치를 기준으로 한 좌측 복제 시역 출사동(610)의 상대 위치와 우측 복제 시역 출사동(630)의 상대 위치를 상대 좌표로 각각 나타내었다(단위 mm). In Figure 7, the relative positions of the left duplicate viewing area exit pupil 610 and the right duplicate viewing area exit pupil 630 based on the position of the original viewing area exit pupil 620 are shown in relative coordinates (unit: mm). .

지금까지 시역 복제로 시역을 확장한 홀로그램 기반 동공 직사형 증강현실 장치에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.So far, a hologram-based pupil-directed augmented reality device that expands the viewing area by duplicating the viewing area has been described in detail with a preferred embodiment.

본 발명의 실시예에서는 별도의 복잡하고 두꺼운 복합 광학 소자 없이, 프로젝터의 출사동공 위치를 광학적으로 복제할 수 있는 소형 광학소자를 추가함으로써, 컴팩트한 장치로 일반 사용자에게 불편함을 주던 동공 허용 영역의 크기를 증대시켜 동공을 자유롭게 움직여도 영상이 잘림없이 관측 가능도록 하였다.In an embodiment of the present invention, by adding a small optical element that can optically replicate the exit pupil position of the projector without a separate complex and thick composite optical element, the pupil acceptance area, which was inconvenient to general users, is reduced with a compact device. By increasing the size, the image can be observed without being cut off even when the pupil moves freely.

또한 다양한 양안 간격에 대응할 수 있도록 시역 설계 시의 마진을 확보함으로써 대량 생산 시 사용자 맞춤형 디자인의 제한을 벗어나 생산 단가를 절감할 수 있도록 하였다.In addition, by securing a margin when designing the viewing area to accommodate various binocular spacing, we were able to reduce production costs by escaping the limitations of customized design during mass production.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.In addition, although preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, various modifications can be made by those of ordinary skill in the art, and these modifications should not be understood individually from the technical idea or perspective of the present invention.

110 : 투사계
120 : 시역 복제 소자
121 : 광학 매질
122,123 : 부분 반사면
130 : 홀로그램 렌즈
110: projection system
120: View area replication element
121: optical medium
122,123: Partial reflective surface
130: Holographic lens

Claims (12)

영상을 생성하여 투사하는 투사계;
투사계에서 투사되는 영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키는 복제부;
복제부에서 출광되는 영상들과 현실 세계에서 입사되는 외부광을 결합하는 영상 결합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
A projection system that generates and projects images;
a duplication unit that copies the image projected from the projection system and emits images with different optical paths;
An augmented reality device comprising: an image combiner that combines images emitted from the replica unit with external light incident from the real world.
청구항 1에 있어서,
각기 다른 영상들은,
각기 다른 시역들을 형성하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
In claim 1,
The different videos are,
An augmented reality device characterized by forming different viewing areas.
청구항 1에 있어서,
복제부는,
투사계에서 투사되는 영상 중 일부를 제1 광경로로 출사시키고, 투사계에서 투사되는 영상 중 다른 일부를 제2 광경로로 출사시키는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
In claim 1,
The replication department,
An augmented reality device characterized in that some of the images projected from the projection system are emitted through a first optical path, and other parts of the images projected from the projection system are emitted through a second optical path.
청구항 3에 있어서,
제2 광경로는,
투사계의 출사동으로부터 이격된 제1 지점을 가상의 출사동으로 하는 광경로인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
In claim 3,
The second optical path is,
An augmented reality device characterized in that it is an optical path with a first point spaced apart from the exit pupil of the projection system as a virtual exit pupil.
청구항 3에 있어서,
복제부는,
광학 매질;
광학 매질의 일면에 위치하여, 투사계에서 투사되는 영상 중 일부를 제1 광경로로 출광시키고 다른 일부를 반사하고, 제2 부분 반사면에서 반사된 영상을 제2 광경로로 출광시키는 제1 부분 반사면; 및
광학 매질의 일면에 대향하는 타면에 위치하여, 제1 부분 반사면에서 반사된 영상을 제1 부분 반사면으로 반사하는 제2 부분 반사면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
In claim 3,
The replication department,
optical medium;
A first part located on one side of the optical medium, emitting part of the image projected from the projection system to the first optical path and reflecting the other part, and emitting the image reflected from the second partial reflection surface to the second optical path. reflective surface; and
An augmented reality device comprising: a second partial reflective surface located on the other surface opposite to one surface of the optical medium, and reflecting the image reflected from the first partial reflective surface to the first partial reflective surface.
청구항 5에 있어서,
제1 광경로로 출광되는 영상에 의해 형성되는 제1 시역과 제2 광경로로 출광되는 영상에 의해 형성되는 제2 시역 간의 이격 거리는,
광학 매질의 두께에 비례하는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
In claim 5,
The separation distance between the first viewing area formed by the image emitted through the first optical path and the second viewing area formed by the image emitted through the second optical path is,
An augmented reality device characterized in that it is proportional to the thickness of the optical medium.
청구항 5에 있어서,
제1 부분 반사면은,
출광 영역에 따라 투과율과 반사율이 각기 다른 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
In claim 5,
The first partial reflective surface is,
An augmented reality device characterized by different transmittance and reflectance depending on the light output area.
청구항 4에 있어서,
복제부는,
투사계에서 투사되는 영상 중 또 다른 일부를 제3 광경로로 출사시키는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
In claim 4,
The replication department,
An augmented reality device characterized by projecting another part of the image projected from the projection system to a third optical path.
청구항 8에 있어서,
제3 광경로는,
투사계의 출사동으로부터 이격된 제2 지점을 가상의 출사동으로 하는 광경로인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
In claim 8,
The third optical path is,
An augmented reality device characterized in that it is an optical path with a second point spaced apart from the exit pupil of the projection system as a virtual exit pupil.
투사계가, 영상을 생성하여 투사하는 단계;
복제부가, 투사계에서 투사되는 영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키는 단계; 및
영상 결합기가, 복제부에서 출광되는 영상들과 현실 세계에서 입사되는 외부광을 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 영상 제공 방법.
A projection system generating and projecting an image;
A copying unit duplicating the image projected from the projection system and emitting images with different optical paths; and
An augmented reality image providing method comprising: an image combiner combining images emitted from the replica unit with external light incident from the real world.
영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키는 복제부; 및
복제부에서 출광되는 영상들과 현실 세계에서 입사되는 외부광을 결합하는 영상 결합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 광학 장치.
a duplication unit that copies the image and emits images with different optical paths; and
An augmented reality optical device comprising: an image combiner that combines images emitted from the replica unit with external light incident from the real world.
복제부가, 영상을 복제하여 광경로가 각기 다른 영상들로 출광시키는 단계; 및
영상 결합기가, 복제부에서 출광되는 영상들과 현실 세계에서 입사되는 외부광을 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 영상 제공 방법.
A copying unit duplicating the image and emitting images with different optical paths; and
An augmented reality image providing method comprising: an image combiner combining images emitted from the replica unit with external light incident from the real world.
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