利用全反射的紧凑型增强现实用光学装置的制作方法

1.本发明涉及一种增强现实用光学装置，更详细地，涉及一种通过将执行准直器的功能的辅助反射部配置于光学机构内部，并利用光学机构的内面上的全反射将增强现实图像光传递至反射部，能够减小装置的尺寸、宽度、体积和重量，并且能够使鬼像的发生最少化的利用全反射的紧凑型增强现实用光学装置。


背景技术：

2.如所周知，增强现实(ar，augmented reality)是一种在现实世界的实际影像上叠加由计算机等提供的虚拟的影像或图像来提供的技术。
3.为了实现这样的增强现实，需要一种能够将由诸如计算机的设备生成的虚拟的影像或图像叠加在现实世界的影像上来提供的光学系统。作为这样的光学系统，使用诸如利用hmd(head mounted display，头戴式显示器)或眼镜型装置来反射或折射虚拟影像的棱镜等光学机构的技术为人所知。
4.然而，这些利用以往的光学系统的装置的问题在于，由于结构复杂，重量和体积相当大，用户佩戴起来不方便，并且制造工艺也复杂，因而制造成本较高。
5.此外，以往的装置的局限性在于，当用户在注视现实世界时改变焦距时，虚拟影像会失焦。为了解决该问题，提出了诸如利用能够调节虚拟影像的焦距的棱镜等结构，或者根据焦距的变更对可变焦透镜进行电控制等技术。然而，这种技术也存在用户需要进行单独的操作来调节焦距，或者需要用于控制焦距的单独的处理器等硬件和软件的问题。
6.为了解决这种现有技术的问题，如专利文献1所记载，本技术人曾开发一种能够通过利用尺寸小于人的瞳孔的反射部将虚拟影像通过瞳孔投影到视网膜来实现增强现实的装置。
7.图1是示出如专利文献1所公开的增强现实用光学装置100的图。
8.图1的增强现实用光学装置100包括光学机构10、反射部20、图像出射部30以及框架部40。
9.光学机构10是使作为从实际事物射出的图像光的实际事物图像光的至少一部分透过的机构，例如可以是眼镜镜片，在其内部埋设配置有反射部30。此外，光学机构10还执行以向瞳孔传递的方式透射从反射部20反射的增强现实图像光的功能。
10.框架部40是固定和支撑图像出射部30和光学机构10的机构，例如可以是眼镜架等。
11.图像出射部30是射出作为与增强现实用图像相应的图像光的增强现实图像光的机构，例如可以具备将增强现实用图像显示于屏幕以放射增强现实图像光的小型显示装置、以及用于将从显示装置放射的图像光准直成平行光的准直器(collimator)。
12.反射部20通过朝向用户的瞳孔反射与从图像出射部30射出的增强现实用图像相应的图像光来提供增强现实用图像。
13.图1的反射部20形成为小于人的瞳孔尺寸的尺寸，即8mm以下，当这样将反射部30
形成得小于瞳孔尺寸时，可以使通过反射部20入射至瞳孔的光的景深接近无限远，即，使景深很深。
14.这里，景深(depth of field)是指被识别为对焦的范围，景深变深意味着增强现实用图像的焦距也变深，因而即使用户在注视实际世界时改变实际世界的焦距，增强现实用图像的焦点也会与此无关地始终被识别为对焦。这可以看作是一种针孔效应(pin hole effect)。因此，即使用户在注视存在于实际世界中的实际事物时改变焦距，对于增强现实用图像，用户也始终可以看到清晰的虚拟影像。
15.然而，这种技术的局限性在于，由于需要在图像出射部30中使用用于平行光的的准直器等额外的光学机构，因此装置的尺寸、厚度和体积增大。
16.专利文献1：韩国授权专利公报10-1660519号(2016.09.29公告)


技术实现要素：

17.技术问题
18.本发明旨在解决如上所述的问题，其目的在于，提供一种通过将执行准直器的功能的辅助反射部配置于光学机构内部，且利用光学机构的内面上的全反射将增强现实图像光传递至反射部，能够减少装置的尺寸、宽度、体积和重量的利用全反射的紧凑型增强现实用光学装置。
19.此外，本发明的另一目的在于，提供一种能够使在利用全反射的情况下可能会产生的鬼像最少化的紧凑型增强现实用光学装置。
20.技术方案
21.为了解决如上所述的课题，本发明提供一种利用全反射的紧凑型增强现实用光学装置，包括：光学机构，其使实际事物图像光的至少一部分朝向用户的眼睛的瞳孔透过；第一反射部，其配置于所述光学机构的内部，并且将作为与从图像出射部射出的增强现实用图像相应的图像光的增强现实图像光传递至第二反射部；以及第二反射部，其配置于所述光学机构的内部，并且通过朝向用户的眼睛的瞳孔反射而传递从所述第一反射部传递的增强现实图像光来为用户提供增强现实用图像，所述光学机构具有实际事物图像光入射的第一面、以及通过所述第二反射部传递的增强现实图像光和实际事物图像光朝向用户的眼睛的瞳孔射出的第二面，反射所述第一反射部的增强现实图像光的反射面以朝向所述光学机构的第一面的方式配置，从所述图像出射部射出的增强现实图像光在所述光学机构的第一面全反射而被传递至第一反射部，并被所述第一反射部反射而朝向所述光学机构的第一面射出，并在所述光学机构的第一面全反射而被传递至所述第二反射部，所述第二反射部以朝向用户的眼睛的瞳孔反射而传递在所述第一面全反射而传递的增强现实图像光的方式配置于所述光学机构的内面。
22.其中，所述第一反射部的反射面可以相对于所述第一光学机构的第一面凹陷地形成。
23.此外，优选所述第一反射部的宽度方向的长度为4mm以下。
24.此外，可以形成有多个所述第二反射部，每个第二反射部被配置为以能够朝向瞳孔反射而传递从所述第一反射部射出并在光学机构的第一面全反射而传递的增强现实图像光的方式相对于所述光学机构的第二面具有倾斜角。
25.此外，优选每个所述第二反射部形成为具有4mm以下的尺寸。
26.此外，每个所述第二反射部可以被配置为使得从所述第一反射部射出并在光学机构的第一面全反射而传递的增强现实图像光不会被别的第二反射部遮挡。
27.此外，优选所述利用全反射的紧凑型增强现实用光学装置还包括：鬼像图像光吸收部，其配置在所述图像出射部与第一反射部之间，以吸收从图像出射部射出的增强现实图像光中产生鬼像的鬼像图像光。
28.此外，优选所述鬼像图像光吸收部以吸收从图像出射部射出并被直接传递至第一反射部而产生鬼像的增强现实图像光的至少一部分的方式配置在光学机构的内部中的图像出射部与第一反射部之间。
29.此外，所述鬼像图像光吸收部可以配置在直接连接射出产生鬼像的增强现实图像光的图像出射部的一点与第一反射部的反射面的某一点的虚拟的直线上。
30.此外，所述鬼像图像光吸收部可以由不反射光的光吸收材质形成。
31.此外，所述鬼像图像光吸收部的与图像出射部对向的面可以形成为由光吸收材质形成的涂层面。
32.发明的效果
33.根据本发明，可以提供一种通过将执行准直器的功能的辅助反射部配置于光学机构内部，且利用光学机构的内面上的全反射将增强现实图像光传递至反射部，能够减少装置的尺寸、宽度、体积和重量的利用全反射的紧凑型增强现实用光学装置。
34.此外，本发明可以提供一种能够使在利用全反射的情况下可能会产生的鬼像最少化的紧凑型增强现实用光学装置。
附图说明
35.图1是示出如专利文献1所公开的增强现实用光学装置100的图。
36.图2示出本发明的一实施例的利用全反射的紧凑型增强现实用光学装置200的侧视图。
37.图3和图4是用于说明图2的实施例的增强现实用光学装置200的效果的图。
38.图5示出本发明的另一实施例的增强现实用光学装置300的侧视图。
39.图6和图7是用于说明鬼像图像光吸收部70的功能的图。
40.图8至图10示出用户实际所见的正常增强现实用图像和鬼像。
具体实施方式
41.下面参照附图对本发明的实施例进行详细描述。
42.图2示出本发明的一实施例的利用全反射的紧凑型增强现实用光学装置200的侧视图。
43.图2的实施例的利用全反射的紧凑型增强现实用光学装置200(以下简称为“增强现实用光学装置200”)包括光学机构10、第一反射部50以及第二反射部20。
44.光学机构10是使作为从实际事物射出的图像光的实际事物图像光的至少一部分朝向用户的眼睛的瞳孔60透过的机构。
45.这里，使实际事物图像光的至少一部分朝向瞳孔60透过是指，实际事物图像光的
透光率并非必须为100％。
46.光学机构10具备被配置为彼此对向的第一面11和第二面12。第一面11是实际事物图像光入射的面的，第二面12是与由第二反射部20反射的增强现实用图像相应的增强现实图像光和通过了第一面11的实际事物图像光朝向用户的眼睛的瞳孔60射出的面。
47.在图2的实施例中，光学机构10的第一面11和第二面12形成为彼此平行，但这是示例性的，显然也可以配置为彼此不平行。
48.在图2的实施例中，从图像出射部30射出的增强现实图像光在光学机构10的第一面11全反射而被传递至第一反射部50，由第一反射部50反射的增强现实图像光朝向第一面11射出并在第一面11再全反射而传递至第二反射部20。第二反射部20被构成为反射所入射的增强现实图像光并通过光学机构10的第二面12向瞳孔60射出。
49.这里，第二反射部20由多个第二反射部21、22、23构成，在本说明书中，第二反射部20是对多个第二反射部21、22、23的统称。关于第二反射部20的详细结构将后述。
50.另一方面，图像出射部30是射出与增强现实用图像相应的图像光的增强现实图像光的机构，例如可以是诸如小型的lcd的显示装置。
51.由于这样的图像出射部30本身不是本发明的直接的目的，并且在现有技术中是已知的，因而这里省略详细描述。但是，如在前文中发明的背景的技术部分中所描述的，本实施例中的图像出射部30不包括诸如准直器的结构。
52.另一方面，“增强现实用图像”是指通过图像出射部30、光学机构10、第一反射部50以及第二反射部20传递至用户的瞳孔60的虚拟图像(virtual image)，例如可以是图像形式的静止影像或视频。
53.这样的增强现实用图像通过经由图像出射部30、光学机构10、第一反射部50以及第二反射部20被传递至用户的瞳孔60来作为虚拟图像提供给用户，与此同时，用户可以通过光学机构10接收从存在于实际世界中的实际事物射出的实际事物图像光，由此接受增强现实服务。
54.接下来，对第一反射部50进行描述。
55.第一反射部50被埋设配置于光学机构10的内部，是将与从图像出射部30射出的增强现实图像相应的增强现实图像光传递至第二反射部20的机构。
56.在图2的实施例中，如前所述，图像出射部30朝向光学机构10的第一面11射出增强现实图像光，在光学机构10的第一面11全反射的增强现实图像光被传递至第一反射部50。
57.之后，由第一反射部50反射的增强现实图像光朝向光学机构10的第一面11射出，并在光学机构10的第一面全反射而被传递至第二反射部20。此外，第二反射部20反射所入射的增强现实图像光而朝向瞳孔60射出。
58.如图2所示，第一反射部50以隔着第二反射部20与图像出射部30对向的方式埋设配置于光学机构10的内部。
59.此外，第一反射部50以能够朝向光学机构10的第一面11反射增强现实用图像光的方式埋设配置在光学机构10的第一面11与第二面12之间的内部空间的适当的位置。
60.即，考虑图像出射部30、第二反射部20以及瞳孔60的相对的位置，第一反射部50以能够将从图像出射部30射出并在光学机构10的第一面11全反射而入射的增强现实图像光再朝向光学机构10的第一面11反射的方式配置在光学机构10的第一面11与第二面12之间
的光学机构10的内部的适当的位置。
61.在图2的实施例中，第一反射部50以使反射增强现实图像光的第一反射部50的反射面51朝向实际事物图像光入射的面，即光学机构10的第一面11的方式埋设配置于光学机构10的内部。
62.此外，第一反射部50的反射面51可以由相对于光学机构10的第一面11凹陷地形成的凹面镜形成。由此，第一反射部50可以执行作为对从图像出射部30射出的增强现实图像光进行准直的准直器(collimator)的作用，因此无需在图像出射部30中使用诸如准直器的构件，从而可以减小装置的整体的尺寸和体积。
63.另一方面，如后所述，第二反射部20的尺寸形成为作为人的一般的瞳孔的尺寸的8mm以下，更优选地形成为4mm以下，考虑到这一点，第一反射部50的宽度方向的长度以与第二反射部20的尺寸相应的方式形成为8mm以下，更优选地形成为4mm以下。
64.这里，第一反射部50的宽度方向是指在图2中光学机构10的第一面11与第二面12之间的方向。
65.此外，对于第一反射部50，为了让用户在通过瞳孔60尽可能几乎无法识别到第一反射部50，优选使用户通过瞳孔60从正面看时的厚度很薄。
66.此外，第一反射部50以配置为诸如部分地反射光的半反射镜(half mirror)的机构。
67.此外，第一反射部50也可以由除反射机构以外的其他折射元件或衍射元件形成。
68.此外，第一反射部50也可以由诸如根据波长选择性地透射光的陷波滤波器(notch filter)等的光学元件形成。
69.此外，第一反射部50的反射增强现实图像光的反射面51的相反面也可以涂覆有不反射光而吸收光的材质。
70.接下来，对第二反射部20进行描述。
71.第二反射部20埋设配置于光学机构10的内部，是通过朝向用户的眼睛的瞳孔60反射而传递通过第一反射部50和光学机构10的第一面11传递的增强现实图像光来为用户提供增强现实用图像的机构。
72.可以形成有至少一个第二反射部20。在图2中，第二反射部20由3个第二反射部21、22、23形成。
73.多个第二反射部21、22、23以能够将从第一反射部50射出并在光学机构10的第一面11全反射而传递的增强现实图像光分别反射而传递至用户的瞳孔60的方式埋设配置于光学机构10的内部。
74.如前所述，由于从图像出射部30射出的增强现实图像光在光学机构10的第一面11全反射而被传递至第一反射部50，由第一反射部50反射的增强现实图像光朝向光学机构10的第一面11射出后在第一面11再全反射而被传递至第二反射部20，考虑到第一反射部50和瞳孔60的位置和光学机构10的第一面11的位置，构成第二反射部20的多个反射部21、22、23被配置为相对于光学机构10的第二面12具有适当的倾斜角。
75.如在前文中发明的背景技术中所描述的，多个反射部21、22、23分别形成为尺寸小于人的瞳孔的尺寸，即为8mm以下，优选地4mm以下，以便通过提高加深景深来获得针孔效应。
76.即，多个反射部21、22、23分别形成为尺寸小于人的一般的瞳孔的尺寸，由此，可以使通过各反射部21、22、23入射至瞳孔60的光的景深(depth of field)接近无限远，即，使得景深很深，从而，即使用户在注视实际世界时改变实际世界的焦距，也可以产生增强现实用图像的焦点与此无关地始终被识别为对焦的针孔效应(pin hole effect)。
77.这里，多个反射部21、22、23各自的尺寸被定义为意指各反射部21、22、23的边缘边界上任意两点之间的最大长度。
78.此外，多个反射部21、22、23各自的尺寸可以是，将各反射部21、22、23投影到垂直于瞳孔60与反射部21、22、23之间的直线并且包括瞳孔60的中心的平面上的正投影的边缘边界线上的任意的两点之间的最大长度。
79.此外，如果使多个反射部21、22、23的尺寸过小，则可能会由于衍射效应而使得增强现实用图像不清晰，因而有必要形成为具有适当的尺寸以上。例如，可以使多个反射部21、22、23的尺寸大于约50μm至700μm。
80.另一方面，多个反射部21、22、23分别以使得通过第一反射部50和光学机构10的第一面11传递的增强现实图像光不被别的反射部21、22、23遮挡的方式考虑第一反射部50和第一面11的位置而适当地配置。
81.例如，如图2所示，可以以当从光学机构10的侧面观察时由上至下地靠近光学机构10的第二面12的方式配置多个反射部21、22、23。
82.通过这样的结构，如图2所示，从图像出射部30的某一点a射出的增强现实图像光在光学机构10的第一面11全反射而被传递至第一反射部50，由执行准直器的功能的第一反射部50反射的增强现实图像光作为平行光朝向光学机构10的第一面11射出。
83.此外，可以看出，在光学机构10的第一面11全反射的增强现实图像光被传递至由多个第二反射部21、22、23构成的第二反射部20，作为由各个第二反射部21、22、23反射的平行光的增强现实图像光通过瞳孔60被传递至用户的视网膜的一点a`以形成像。
84.另一方面，多个反射部21、22、23的尺寸不必全都相同，可以彼此部分地不同。
85.此外，优选多个反射部21、22、23隔开相同的间距配置，但可以将至少一部分的反射部21、22、23的间距配置得与别的反射部21、22、23的间距不同。
86.此外，多个第二反射部21、22、23中的至少一部分也可以由诸如部分地反射光的半反射镜(half mirror)的机构构成。
87.此外，多个第二反射部21、22、23中的至少一部分也可以由除反射部以外的其他折射元件或衍射元件形成。
88.此外，多个第二反射部21、22、23中的至少一部分可以由诸如根据波长选择性地透射光的陷波滤波器(notch filter)等的光学元件构成。
89.此外，对于多个第二反射部21、22、23中的至少一部分，也可以在反射增强现实图像光的面的相反面上涂覆有不反射光而吸收光的材质。
90.此外，也可以将多个第二反射部21、22、23中的至少一部分的表面形成为曲面。这里，所述曲面可以是凹面或凸面。
91.此外，多个第二反射部21、22、23中的至少一部分相对于光学机构10的倾斜角可以形成得与其他第二反射部21、22、23不同。
92.图3和图4是用于说明图2的实施例的增强现实用光学装置200的效果的图，在图3
和图4中，为了便于说明，示例性地示出了仅配置有一个第二反射部20的情况。
93.图3和图4的(a)示出了由第一反射部50反射的增强现实图像光被直接传递至第二反射部20的情况，图3和图4的(b)示出了如图2所描述的结构，即，由第一反射部50反射的增强现实图像光在光学机构10的第一面11全反射而被传递至第二反射部20的情况。
94.首先，参照图3可见，图3的(a)中的用户所见的第一反射部50的尺寸w1远大于图3的(b)中的用户所见的第一反射部50的尺寸w2。因此，在图3的(b)的情况下，第一反射部50几乎不被用户识别，因而可见透视(see-through)功能相较于图3的(a)的情况显著增加。
95.另一方面，参照图4可见，由于图4的(b)中的相对于第一反射部50的增强现实图像光的入射角和反射角小于图4的(a)中的相对于第一反射部50的增强现实图像光的入射角和反射角，因此可以提高光学性能，并使图4的(b)中的光学机构10的宽度h2也小于图4的(a)中的光学机构10的宽度h1，从而可以减小光学机构10的厚度。由此可见，图4的(b)的情况相较于(a)的情况可以减小整个装置的尺寸和体积，并且有利于提高整体的光学性能。
96.图5示出本发明的另一实施例的增强现实用光学装置300的侧视图。
97.图5的实施例的增强现实用光学装置300与在图2至图4中描述的增强现实用光学装置200相同，但不同之处在于还包括鬼像图像光吸收部70。
98.由于图5的实施例中的其他结构与在前文中图2至图4所描述的增强现实用光学装置200相同，因此将省略详细描述，并将仅对鬼像图像光吸收部70进行描述。
99.鬼像图像光吸收部70配置在图像出射部30与第一反射部50之间，以执行吸收从图像出射部30射出的增强现实图像光中产生鬼像的鬼像图像光的功能。
100.图6和图7是用于说明鬼像图像光吸收部70的功能的图。
101.首先，图6示出了在图2至图4所描述的实施例的增强现实用光学装置200中产生鬼像的情况，这里，为了便于说明，仅示出一个第二反射部20。
102.参照图6，如在前文中图2至图4所描述的，从图像出射部30的任意一点a射出的增强现实图像光l1、l2中的增强现实图像光l1在光学机构10的第一面11全反射而入射至第一反射部50。
103.然后，由第一反射部50反射的增强现实图像光l1再向光学机构10的第一面11射出，并在这里再全反射之后被传递至第二反射部20，由第二反射部20反射的增强现实图像光l1通过瞳孔60被传递至视网膜以形成正常的像a`。
104.另一方面，从图像出射部30的任意一点a射出的增强现实图像光l1、l2中用虚线表示的增强现实图像光l2被直接传递至第一反射部50，并在这里反射而向光学机构10的第一面11射出，并在这里全反射之后被传递至第二反射部20，并且再由第二反射部20反射而通过瞳孔60被传递至视网膜以形成像b。该像b形成在视网膜中不同于所述像a`的位置，成为形成鬼像的原因。
105.另一方面，图7示出了在具有多个第二反射部21、22、23的增强现实用光学装置200中产生鬼像的情况，在该情况下，同样地，从图像出射部30的任意一点a射出的增强现实图像光l1、l2中的增强现实图像光l1经由如在前文中图2至图4所描述的光路而被传递至视网膜的一个点以形成为像a`，但用虚线表示的增强现实图像光l2在视网膜中不同于形成像a的位置的位置上形成像b，由此可以看出形成了鬼像。
106.即，鬼像由从图像出射部30的任意一点射出的增强现实图像光中被直接传递至第
一反射部50并经由第一反射部、光学机构以及第二反射部中的至少一个而通过瞳孔在视网膜上形成像的增强现实图像光生成。
107.换言之，鬼像是指，将像形成在与在经由基于设计增强现实用光学装置200时的意图的光路的正常的增强现实图像光视网膜上形成像的位置不同的位置上的图像。
108.鬼像图像光吸收部70可以通过不反射而吸收这种产生鬼像的增强现实图像光以防止被传递至第二反射部20来使鬼像最少化。
109.基于如前所述的原理，通过将鬼像图像光吸收部70配置于光学机构10的内部，如图5所示，使其吸收从图像出射部30射出并被直接传递至第一反射部50而可能产生鬼像的增强现实图像光l2，由此增强现实图像光l2不会被传递至第二反射部20和瞳孔60。
110.图8至图10示出了用户实际所见的正常增强现实用图像和鬼像。
111.图8是显示没有鬼像的正常增强现实用图像的状态，图9示出了鬼像显示于顶部的状态。图10示出了通过如图5至图7所描述的鬼像图像光吸收部70使鬼像最少化而显示给用户的状态。
112.为了执行这样的功能，优选鬼像图像光吸收部70以吸收从图像出射部30射出并被直接传递至第一反射部50而产生鬼像的增强现实图像光的至少一部分的方式配置在光学机构10的内部中的图像出射部30与第一反射部50之间。
113.此外，优选鬼像图像光吸收部70配置在直接连接射出产生鬼像的增强现实图像光的图像出射部30的一点与第一反射部50的反射面51的某一点的虚拟的直线上。
114.此外，优选鬼像图像光吸收部70以图像出射部30为基准相较于第二反射部20配置在下侧。
115.优选这样的鬼像图像光吸收部70可以由不反射光的光吸收材质形成。例如，鬼像图像光吸收部70的与图像出射部30对向的面可以形成为由光吸收材质形成的涂层面。
116.这里，光吸收材质是指具有不反射光的性质的材质，由光吸收材质形成是指用由具有不反射光而吸收光的性质的材质制成的涂料等涂覆鬼像图像光吸收部70的表面或由光吸收材质形成鬼像图像光吸收部70本身。由于这样的光吸收材质以及由光吸收材质制成的涂料在现有技术中是已知的，并且不是本发明的直接目的，因而将省略对其的详细描述。
117.尽管上文中参照本发明的优选实施例对本发明的结构进行了说明，但本发明显然不限于上述实施例，可以在本发明的范围内实施多样的修改和变形。