特表 2021-524067 拡張現実ディスプレイ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2021-524067(P2021-524067A)

(43)【公表日】2021年9月9日

(54)【発明の名称】拡張現実ディスプレイ装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20210813BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20210813BHJP

   G02B 5/32 20060101ALI20210813BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20210813BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/02 Z

   G02B5/18

   G02B5/32

   H04N5/64 511A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2021-514267(P2021-514267)

(86)(22)【出願日】2019年5月17日

(85)【翻訳文提出日】2021年1月14日

(86)【国際出願番号】KR2019005904

(87)【国際公開番号】WO2019221539

(87)【国際公開日】20191121

(31)【優先権主張番号】10-2018-0056717

(32)【優先日】2018年5月17日

(33)【優先権主張国】KR

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】520451094

【氏名又は名称】プラゼン カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＰＲＡＺＥＮ ＣＯ．，ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】100121728

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 勝守

(74)【代理人】

【識別番号】100165803

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100170900

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 渉

(72)【発明者】

【氏名】ギム ヒギョン

【テーマコード（参考）】

2H199

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H199CA24

2H199CA25

2H199CA27

2H199CA44

2H199CA46

2H199CA47

2H199CA50

2H199CA59

2H199CA66

2H199CA84

2H199CA85

2H199CA87

2H199CA97

2H249AA03

2H249AA04

2H249AA07

2H249AA08

2H249AA13

2H249AA14

2H249AA18

2H249AA26

2H249AA50

2H249AA60

2H249AA64

2H249CA01

2H249CA05

2H249CA06

2H249CA15

2H249CA17

2H249CA22

(57)【要約】

拡張現実ディスプレイ装置を開示する。本実施例の一側面によれば、マイクロディスプレイと、前記マイクロディスプレイの後段に配置され、複数の球面または非球面レンズの組み合わせで構成されるリレーレンズアレイと、前記リレーレンズアレイの後段に配置されるコンバイナーと、前記コンバイナーから透過された画像光が投射され、画像が形成される透明または半透明の基板と、前記リレーレンズアレイを構成する部品、前記コンバイナーまたは前記基板のいずれかの面上に付着して、前記マイクロディスプレイから出射される画像光を反射、透過、または屈折させるコーティングまたはフィルムとを含み、前記リレーレンズアレイから出射された画像光を前記基板に向かって側面に投影し、前記リレーレンズアレイと一緒に超短焦点画像を具現する、拡張現実ディスプレイ装置を提供する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マイクロディスプレイと、
前記マイクロディスプレイの後段に配置され、複数の球面または非球面レンズの組み合わせで構成されるリレーレンズアレイと、
前記リレーレンズアレイの後段に配置されるコンバイナーと、
前記コンバイナーから透過された画像光が投射され、画像が形成される透明または半透明の基板と、
前記リレーレンズアレイを構成する部品、前記コンバイナーまたは前記基板のいずれかの面上に取り付けられて、前記マイクロディスプレイから出射される画像光を反射、透過または屈折させるコーティングまたはフィルムとを含み、
前記コンバイナーは、前記リレーレンズアレイから出射された画像光を前記基板に向かって側面に投影し、前記リレーレンズアレイと一緒に超短焦点画像を具現する、拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項2】

前記リレーレンズアレイは、光パスの切り替え素子として少なくとも一つのプリズムまたはミラーを含む、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項3】

前記コンバイナーは、凹面、凸面または平面鏡またはプリズムであることを特徴とする、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項4】

前記リレーレンズアレイを構成する部品、前記コンバイナーまたは前記基板の少なくとも一つの面は、非球面または自由曲面であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項5】

前記コーティングまたはフィルムは、前記リレーレンズアレイを構成する部品、前記コンバイナーまたは前記基板の一つの面に付着される透明または半透明の膜であることを特徴とする、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項6】

前記コーティングまたはフィルムは、ホログラフィックまたは回折光学効果を与えるパターン構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項7】

前記マイクロディスプレイは、ＯＬＥＤ、マイクロＬＥＤ、ＤＭＤ、ＬＣＯＳ、レーザービーム走査方式のディスプレイのいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の拡張現実感ディスプレイ装置。

【請求項8】

前記リレーレンズアレイは、電界によってスイッチング可能な液晶、ポリマーまたはエレクトリック・カー（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｋｅｒｒ）効果に基づいた素子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項9】

前記リレーレンズアレイは、回折光学レンズ効果を活用した光学素子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項10】

前記リレーレンズアレイは、回折光学レンズ効果を利用したネマチック（Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶、スメクチック（Ｓｍｅｃｔｉｃ）液晶、フェロエレクトリック（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）液晶、コレステリック（Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ）液晶、リオトロピック（Ｌｙｏｔｒｏｐｉｃ）液晶のうちの一つに実装されたレンズを含むことを特徴とする、請求項９に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項11】

前記拡張現実ディスプレイ装置は、左眼と右眼の両眼視差を与える方式で時分割駆動され、３Ｄ立体イメージを具現するディスプレイ駆動ボードと駆動ソフトウェアをさらに含むことを特徴とする、請求項１又は１０に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項12】

前記拡張現実ディスプレイ装置は、左眼と右眼に対してそれぞれ複数実装されることを特徴とする、請求項１１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項13】

前記拡張現実ディスプレイ装置は、前記左眼に設置された複数のデバイスを介して投影された画像が、一つの画像に合成されて左眼に形成される画像の大きさを二倍に増加させ、右眼に設置された複数のデバイスを介して投影された画像が、一つの画像に合成されて右眼に形成される画像の大きさを二倍に増加させることを特徴とする、請求項１２に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項14】

前記基板に付着されるコーティングまたはフィルムは、電気光学的に透過率の調整が可能な素材であることを特徴とする、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項15】

前記電気光学的に透過率の調整が可能な素材は、液晶物質であることを特徴とする、請求項１４に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項16】

前記基板に付着されるコーティングまたはフィルムは、ネマチック（Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶、スメクチック（Ｓｍｅｃｔｉｃ）液晶、フェロエレクトリック（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）液晶、コレステリック（Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ）液晶、リオトロピック（Ｌｙｏｔｒｏｐｉｃ）液晶のうちの一つに実装されていることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項17】

前記拡張現実ディスプレイ装置は、６０度以上の視野角を有することを特徴とする、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【請求項18】

前記拡張現実ディスプレイ装置は、左眼と右眼に対してそれぞれ一つずつ実装されることを特徴とする、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、拡張現実ディスプレイ装置に関するものであり、より詳細には、映像を表示するにあたってウェーブガイド等を使用せずに直接目の前に投射する方式を採用することにより、広い視野角を確保し、より大画面を具現することができる拡張現実ディスプレイ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

この部分に記述された内容は、単に本実施例の背景情報を提供するだけで従来技術を構成するものではない。

【0003】

拡張現実技術は、現実世界と仮想イメージを同時に表示する技術として、現実世界に仮想物体を重ねる（Ｏｖｅｒｌａｐ）技術である。現実世界の物体とリアルタイムで重なる仮想の画像が非常に高いリアル感を持つ場合には、着用者は現実世界のイメージと仮想的に具現された画像を区別するのが難しいくらいまで達することができ、これを目的とした技術は複合現実（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＭＲ）とも呼ばれる。拡張現実技術は、現実環境と仮想環境を融合する複合型仮想現実システム（Ｈｙｂｒｉｄ ＶＲ ｓｙｓｔｅｍ）であって、現在、多くの国で研究と開発が活発に行われている。

【0004】

現実の世界を仮想世界に補完してくれる概念である拡張現実技術は、コンピュータグラフィックスなどで作られた仮想イメージなどの情報を現実環境に重ねて投影する方法で具現される。仮想イメージは、現実環境の特定の要素の視覚的な効果を増強させたり、現実の世界に関連する情報を表示してくれる役割をする。このような拡張現実技術は、眼鏡やヘルメットのように着用可能な機器（Ｗｅａｒａｂｌｅ Ｄｅｖｉｃｅ）に搭載されたディスプレイなどに適用される。拡張現実メガネのような機器は、現在のスマートフォンのすべての機能を含んでいることはもちろんであり、これに加えて、着用者の視覚情報認知能力を最大化する機能を持つようになる。今後すべてのコンピュータのインタフェースが拡張現実ディスプレイになるという見通しを持ってアップル、グーグル、フェイスブックなどの主要なグローバル企業が莫大な規模の投資をしながら開発を進めている。

【0005】

世界の主要ＩＴ企業は、拡張現実ディスプレイ装置の広い活用範囲と発展の可能性を確信して市場の先取りのために多大な投資をしているが、それはまだ目に見える成果は微々たるものであることが知られている。既存の拡張現実ディスプレイ装置が持っている問題は、次のとおりである。

【0006】

拡張現実ディスプレイ装置では、没入感の増大と十分な情報伝達のために視野に十分な大きさの画面を表示することが要求される。現実感と没入感が最大化されるためには、拡張現実メガネから出力される画像の視野角が１２０度程度のレベルがなければならない。これは人の両眼視野角に該当する。しかし、拡張現実メガネが広い視野角を実現して着用者に出力する画面の大きさを大きくする場合には、機器の大きさに応じて大きくなるトレードオフ（Ｔｒａｄｅ Ｏｆｆ）の関係が存在する。拡張現実メガネのような身体着用型機器（Ｗｅａｒａｂｌｅ Ｄｅｖｉｃｅ）の最近の傾向は、機器のサイズが従来の一般的なメガネ（着用型機器）と比較してあまり差が出ない程度に小型化されている。機器のサイズが大きくなると、もはやウェアラブル機器としての利点を失うことになって、消費者から容易に無視されることになる。しかし、現在までに拡張現実関連の産業界や学界では、広い視野角を提供していながらも、快適に身体着用が可能なほどに発達した拡張現実ディスプレイ装置を提供していないのが実情である。これは光学設計技術の欠如に起因する。現在、最も先進的な拡張現実メガネ（Ｇｌａｓｓ）として評価されているマイクロソフト（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ）社のホロレンズも視野角が５０度のレベルにとどまるのが実情である。

【0007】

マイクロソフト社の拡張現実ディスプレイ装置をはじめとするマジックリープ（Ｍａｇｉｃｌｅａｐ）社などは、拡張現実ディスプレイ装置内に含むディスプレイ光学システムの大きさを小さくするために、マイクロディスプレイの画像をウェーブガイド素子を利用して伝達する方式の光学系を使用してきた。このウェーブガイド方式の光学系は、機器の小型化にはある程度有利な面があるが、視野角を物理的に５０度レベル以上に大きくすることができないという限界がある。ウェーブガイド方式の光学系を含む拡張現実ディスプレイ装置では、物理的にウェーブガイド素子の屈折率が大きくなるほど視野角が増加するが、素子の屈折率が大きくなるほど素子の素材価格が上昇する。したがってウェーブガイド方式の光学系を含む拡張現実ディスプレイ装置が広い視野角を持つためには、高屈折ウェーブガイド素材が使用されるしかなく、拡張現実ディスプレイ装置全体の価格が上昇するという問題がある。併せて、ウェーブガイド方式の光学系を含む拡張現実ディスプレイ装置では、ウェーブガイドを利用してマイクロディスプレイの画像光を伝達する過程で、深刻な画像の劣化が発生することになる。これを補うために、マイクロディスプレイの画像がウェーブガイドに入射する位置と着用者の眼球に光が出力される位置で、ウェーブガイドの表面に回折光学素子またはホログラフィック光学素子がパターニングされるが、パターニングプロセスは非常に複雑であり、多くの工程を必要とし、併せて部品価格の上昇を誘発する。

【0008】

このように、従来の拡張現実ディスプレイ装置が有する問題点が明らかにも関わらず、これまでの光学技術は、これを克服できていない。つまり、これまでは、技術的に没入感を最大限にさせるように広い視野角を実現しながらも、着用者が目の前でコンパクトに身に着けることができるようにするのに必要な小型の拡張現実用光学モジュールが開発されていないのが現状である。これは、拡張現実ディスプレイ装置と関連サービス産業の普及にも大きな障害になっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の一実施例は、ウェーブガイド光学素子を使用せずに投射面に仮想環境を直接投影するので、広い視野角を実現しながらも軽量化された拡張現実ディスプレイ装置を提供することに目的がある。

【0010】

本発明の一実施例は、着用者の没入感を最大限にするように、広い視野角を持つ大画面を提供しながらも、光学モジュールの大きさとそれに伴う装置全体の大きさが小型化されてコンパクトな着用感を提供する拡張現実ディスプレイ装置を提供することを目的とする。

【0011】

また、本発明の一実施例は、高価な光学素子を使用せず、仮想環境を提供して製造コストを大幅に削減した拡張現実ディスプレイ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の一側面によれば、マイクロディスプレイと、前記マイクロディスプレイの後段に配置されて複数の球面または非球面レンズの組み合わせで構成されるリレーレンズアレイと、前記リレーレンズアレイの後段に配置されるコンバイナーと、前記コンバイナーから透過された画像光が投影されて画像が形成される透明または半透明の基板と、前記リレーレンズアレイ構成部品、コンバイナーまたは基板のいずれかの面上に付着され、マイクロディスプレイから出射される画像光を反射、透過、または屈折させるコーティングまたはフィルムとを含み、前記コンバイナーは、前記リレーレンズアレイから出射された画像光を前記基板に向かって側面に投影し、前記リレーレンズアレイと一緒に超短焦点画像を具現する、拡張現実ディスプレイ装置を提供する。

【0013】

本発明の一側面によれば、前記リレーレンズアレイは、光パスの切り替え素子として少なくとも１つのプリズムまたはミラーを含むことを特徴とする。

【0014】

本発明の一側面によれば、前記コンバイナーは凹面、凸面または平面ミラーまたはプリズムであることを特徴とする。

【0015】

本発明の一側面によれば、前記リレーレンズアレイ構成部品、コンバイナーまたは基板の少なくとも一つの面は、非球面または自由曲面であることを特徴とする。

【0016】

本発明の一側面によれば、前記コーティングまたはフィルムは、前記リレーレンズアレイ構成部品、コンバイナーまたは基板のいずれかの面に付着される透明または半透明な膜であることを特徴とする。

【0017】

本発明の一側面によれば、前記コーティングまたはフィルムは、ホログラフィックまたは回折光学効果を与えるパターン構造を有することを特徴とする。

【0018】

本発明の一側面によれば、前記マイクロディスプレイはＯＬＥＤ、マイクロＬＥＤ、ＤＭＤ、ＬＣＯＳ、レーザービーム走査方式のディスプレイのいずれかであることを特徴とする。

【0019】

本発明の一側面によれば、前記リレーレンズアレイは、電界によってスイッチング可能な液晶、ポリマーまたはエレクトリック・カー（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｋｅｒｒ）効果に基づく素子を含むことを特徴とする。

【0020】

本発明の一側面によれば、前記リレーレンズアレイは、回折光学レンズ効果を活用した光学素子を含むことを特徴とする。

【0021】

本発明の一側面によれば、前記リレーレンズアレイは、回折光学レンズ効果を活用するネマチック（Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶、スメクチック（Ｓｍｅｃｔｉｃ）液晶、フェロエレクトリック（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）液晶、コレステリック（Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ）液晶、リオトロピック（Ｌｙｏｔｒｏｐｉｃ）液晶のうちの一つに実装されたレンズを含むことを特徴とする。

【0022】

本発明の一側面によれば、前記拡張現実ディスプレイ装置は、左眼と右眼に対してそれぞれ一つずつ実装されることを特徴とする。

【0023】

本発明の一側面によれば、前記拡張現実ディスプレイ装置は、左眼と右眼の両眼視差を与える方式で時分割駆動され、３Ｄ立体画像を実現するディスプレイ駆動ボードと駆動ソフトウェアをさらに含むことを特徴とする。

【0024】

本発明の一側面によれば、前記拡張現実ディスプレイ装置は、左眼と右眼に対してそれぞれ複数実装されることを特徴とする。

【0025】

本発明の一側面によれば、前記拡張現実ディスプレイ装置は、前記左眼のために設けられた複数のデバイスを介して投影された画像が一つの画像に合成されて左眼に形成される画像の大きさを倍増させ、右眼のために設けられた複数のデバイスを介して投影された画像が一つの画像に合成されて右眼に形成される画像の大きさを倍増させることを特徴とする。

【0026】

本発明の一側面によれば、前記基板に付着されるコーティングまたはフィルムは、電気光学的に透過率の調整が可能な素材であることを特徴とする。

【0027】

本発明の一側面によれば、前記電気光学的に透過率調整が可能な材料は、液晶物質であることを特徴とする。

【0028】

本発明の一側面によれば、前記基板に付着されるコーティングまたはフィルムはネマチック（Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶、スメクチック（Ｓｍｅｃｔｉｃ）液晶、フェロエレクトリック（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）液晶、コレステリック（Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ）液晶、リオトロピック（Ｌｙｏｔｒｏｐｉｃ）液晶のうちの一つに実装されていることを特徴とする。

【0029】

本発明の一側面によれば、前記拡張現実ディスプレイ装置は、６０度以上の視野角を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0030】

以上で説明したように、本発明の一側面によると、ウェーブガイド光学素子を使用せずに投射面に仮想環境を直接投影するので、広い視野角を実現しながらも、装置の軽量化をすることができる利点がある。

【0031】

本発明の一側面によると、着用者の没入感を最大限にするように広い視野角を持つ大画面を提供しながらも、光学モジュールの大きさとそれに伴う装置全体の大きさが小型化されてコンパクトな着用感を感じるようにするという利点がある。

【0032】

また、本発明の一側面によると、拡張現実画像の実現のために使用された高価な光学素子を使用せず、仮想環境を提供しているため、拡張現実ディスプレイ装置の製造コストを大幅に削減することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】図１は従来のウェーブガイド光学素子（ＬＯＥ）の構成および動作を説明するための図である。

【図2】図２は従来のウェーブガイド光学素子を介してビューアに表示される画像を示す図である。

【図3】図３は本発明の一実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置の構成を示した図である。

【図4】図４は本発明の一実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置を両眼に実装した実装例を示す図である。

【図5】図５は本発明の一実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置の構成を具体的に示す図である。

【図6】図６は本発明の一実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置が単眼に実装された実装例を示す図である。

【図7】図７は本発明の第１の実施例に係る光学モジュールの構成を示す図である。

【図8】図８は本発明の第２の実施例に係る光学モジュールの構成を示す図である。

【図9】図９は本発明の第１の実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置が両眼に実装された実装例を示す図である。

【図10】図１０は本発明の第２の実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置が両眼に実装された実装例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

本発明は様々な変更を加えることができ、いくつかの実施例を有することができる。ここでは特定の実施例を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施例について限定するものではなく、本発明の思想と技術の範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解されるべきである。各図面を説明しながら類似の参照符号を類似の構成要素について使用した。

【0035】

第１、第２、Ａ、Ｂなどの用語は、様々な構成要素を説明するために使用することができるが、上記構成要素は、上記の用語によって限定されてはならない。上記の用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別するためにのみ使用される。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく、第１の構成要素は、第２の構成要素として命名されることができ、同様に第２の構成要素も第１構成要素として命名することができる。および／またはという用語は、複数の関連する記載された項目の組み合わせまたは複数の関連する記載された項目のうちいずれかの項目を含んでいる。

【0036】

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか、「接続されて」いると言及されたときは、その他の構成要素に直接連結されているか、または接続されているかもしれないが、中に他の構成要素が存在することもできると理解されるべきである。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか「直接接続されて」いると言及されたときは、中に他の構成要素が存在しないと理解されるべきである。

【0037】

本出願で使用される用語は、単に特定の実施例を説明するために使用されたことで、本発明を限定する意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに別の方法で意味ない限り、複数の表現を含んでいる。本出願で、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

【0038】

別の方法で定義されていない限り、技術的または科学的な用語を含めてここで使用されるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を持っている。

【0039】

一般的に使用される辞典に定義されているような用語は、関連技術の文脈上持つ意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本出願から明らかに定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されない。

【0040】

また、本発明の各実施例に含まれる各構成、コース、工程または方法などは、技術的に相互矛盾しない範囲内で共有することができる。

【0041】

図１は、従来技術による光ガイド光学素子の構成と動作を説明するための図である。

【0042】

図１を参照すると、光ガイド光学素子（ＬＯＥ：Ｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ、１００）は、透明なウェーブガイドと入射する角度によって光を部分的に反射させるミラーアレイで構成されている。マイクロディスプレイから出た画像（Ｉ）は、平面鏡を経て光ガイド光学素子（１００）の中に入射される。このとき、平面鏡は反射された画像がウェーブガイドの外に透過されず、ウェーブガイドの中に全反射して進行するように角度を調節する。全反射されてウェーブガイドの中で進行する画像は、ミラーアレイを通過されるが、ミラーアレイに入射される角度に応じてミラーアレイを透過したり、部分的にミラーアレイから反射されることもある。反射された画像は、ウェーブガイドの外に透過されて、着用者の眼球に入ることになる。ウェーブガイドがメガネの形で製造され、内部にミラーアレイが含まれると、光ガイド光学素子は、一般的な眼鏡の形のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に具現されることができ、重さや大きさ、デザインの面で有利なヘッドマウントディスプレイに具現されることができる。また、このような形のメガネは、小型のマイクロディスプレイと比較すると、より広い視野角を得ることができるほか、色収差が発生せず、鮮明で明るい映像を得ることができるという長所がある。しかし、光ガイド光学素子が使用される場合には、光ガイド光学素子によって具現されている映像の大きさには制限が存在するしかない。その点は、図２に示されている。

【0043】

図２は、従来のウェーブガイド光学素子を介してビューアに表示される映像を示す図である。

【0044】

図２から確認できるように、光ガイド光学素子を経てビューアに表示される映像の大きさが非常に小さいことが分かる。つまり、画像ソースであるマイクロディスプレイで生成された画像がウェーブガイドの内部で全反射されて側面に移動することになり、側面に移動した画像が鏡に反射され、人の視界に入ってくるため、実際に画像が結ばれるところは鏡が設置された場所に限定される。したがって、図２に示すように、視野角が２５°〜４０°と非常に狭く形成されていることが分かる。このように、狭い視野角では、ユーザーが現実感と没入感を感じるには限界がある。事実上、着用者の現実感と没入感を提供するために、拡張現実ディスプレイ装置は、人の視野角である１００°以上の視野角を実現することができなければならない。

【0045】

図３は、本発明の一実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置の構成を示した図である。

【0046】

図３を参照すると、本発明の一実施例に係る拡張現実グラス装置（３００）は、メガネの脚部に装着された光学モジュール（３１０）、コンバイナー（図示せず）、眼鏡の基板（３２０）と基板の一面に付着された選択的反射コーティングフィルム（３３０）を含んでいる。

【0047】

一方、光学モジュール（３１０）は、マイクロディスプレイ（３１１）、リレーレンズアレイ（Ｒｅｌａｙ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ）や反射ミラーなどを含んでなる。リレーレンズアレイは、１つ以上の球面レンズ、１つ以上の非球面または自由曲面レンズを含み、必要に応じて、液晶レンズを含むこともある。

【0048】

リレーレンズアレイを構成する１つ以上の球面レンズ、１つ以上の非球面または自由曲面レンズは球面、非球面または自由曲面などの特殊な幾何学的数式で記述される構造を持つ構成要素を意味する。リレーレンズアレイは、これらの構成要素を含むことで、マイクロディスプレイ（３１１）から出射された画像光が基板を通過して、目に伝達される過程で発生する可能性のある画像の光学収差と歪みを最小化し、光学分解能（ＭＴＦ）を最大化し、ＡＲグラス光学モジュールの大きさを小型化することができる。

【0049】

コンバイナー（Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）を構成する反射ミラーまたはプリズムの少なくとも一つの面は、球面、非球面または自由曲面などの特殊な幾何学的数式で記述される構造を持つことができ、マイクロディスプレイ（３１１）から出射された画像光が基板を通過して目に伝達される過程で発生する可能性のある画像の光学収差と歪みを最小化し、光学分解能（ＭＴＦ）を最大化し、ＡＲグラス光学モジュールの大きさを小型化することができる。

【0050】

マイクロディスプレイ（３１１）は、拡張現実画像の画像光を発生させ、発生させた画像光をリレーレンズモジュールに入射させる。レンズモジュールに入射した光は、モジュールを構成するレンズ及びパス変換素子を通過しながら光学収差と歪みが最小化になるように変調されてコンバイナーに伝達される。リレーレンズアレイを通過する過程で、変調された画像光は、反射ミラーまたはプリズムからなるコンバイナーを通過しながらコンバイナーに形成された凹面または凸面構造や幾何学的な非球面構造により光学収差と歪みがさらに減少するように、２次変調される。コンバイナーを通過した画像光は、コンバイナーの側面方向に反射されてＡＲグラス着用者の眼球の前方に位置する基板に投影される。

【0051】

基板（３２０）は、半透明または透明な素材で構成され、基板の両面は非球面または自由曲面から構成される。リレーレンズアレイとコンバイナーを通過しながら１次と２次変調された画像光は、基板を経て、３次変調され、光学収差と歪みがさらに減少されて光学的分解能（ＭＴＦ）が最大化される。

【0052】

ここでの変調とは、波動特性を有する光の波長、位相または進行方向などの特性が光学部品との相互作用によって変化する現象を意味する。これらの変調は、光が各光学要素を通りながら順次発生し、光学系全体の最終的な収差の減少は、本発明を構成するリレーレンズ、コンバイナー及び基板など、すべての光学要素の組み合わせによって行われる。

【0053】

基板（３２０）には、選択的反射コーティング膜（３３０）が塗布されていて、基板に到達した画像光が基板（３２０）を通過して反射コーティング膜（３３０）から部分反射される。基板に到達した画像光は、反射コーティング膜（３３０）で一部が反射されて、着用者は、基板の前方の物体を見ることができるだけでなく、基板（３２０）によって反射された画像を重畳して同時に見ることができるようになる。

【0054】

リレーレンズアレイを構成する部品、コンバイナーまたは基板のいずれかの面上にコーティングまたはフィルムが付着される。これにより、リレーレンズアレイは、マイクロディスプレイから出射された画像光が各光学面を通過する間に光反射、屈折または回折などの追加補正効果を誘導して、効果的に光収差と歪みを制御して、光の分解能を向上させることができる。

【0055】

図３に見られるように、このような拡張現実光学系によって具現された画像は、着用者の立場から見ると、１２０°以上の視野角で具現される。広視野角で具現された画像は、人の視野角に近く、基板から反射された画像が視野のほぼすべてをカバーして非常に自然な像になる。広視野角で具現された画像は、人の自然な視野角とほぼ同じ水準を持つため、投影された画像は、ユーザーの視野全体をカバーし、それによって現実感と没入感を最大化させることができる。従来技術ではウェーブガイド方式の光学系により具現されている視野角が５０度レベルであるのに対し、本発明の一実施例に係る光学モジュールは、これより２倍以上に近い視野角を実現することが可能である。本発明では、リレーレンズアレイ、コンバイナー、基板とそれぞれの光学要素表面に付加される光学コーティングまたはフィルムにより複数回、重畳された光学変調過程が起きるように構成されている。このような複数の変調過程は、マイクロディスプレイから出射された拡張現実画像光が光学収差と歪みを最小化し、光学的分解能を最大化するため、光学モジュールは、大きさが最小化され、広視野角の実現が可能である。

【0056】

図４は、本発明の一実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置を両眼に実装した実装例を示す図である。

【0057】

図４には、図３に示した光学モジュールをメガネの両方の足の部分に装着して、両眼の基板それぞれに投射する拡張現実ディスプレイ装置の実装例が示されている。前述したように、それぞれの基板には、人の視野角と同程度の１２０°の視野角が具現され、これを両眼に適用することにより、３次元（３Ｄ）立体画像が具現されることができる。

【0058】

図５は、本発明の一実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置の構成を具体的に示した図である。

【0059】

図５を参照すると、本発明の一実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置は、ＬＣＯＳ、ＯＬＥＤまたはＤＭＤなどのマイクロディスプレイと、プロジェクションレンズモジュールまたはプロジェクションレンズモジュールを構成するスイッチング可能な液晶レンズと、非球面ミラーと、平らな形の半透過性基板とを含んでいる。

【0060】

図５に図示された液晶レンズ（ＬＣ ｌｅｎｓ）は、液晶を材料として使用して作成されたレンズである。液晶は光学的異方性と誘電体の異方性を持つ異方性物質である。液晶物質に電極を配置した後、電界を加え、部分的に屈折率を可変させて、「焦点の深さ」（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｆｏｃｕｓ）の調整が可能なレンズが形成される。電界が液晶レンズに印加される場合には、液晶レンズの屈折率が可変することにより、液晶レンズは、「焦点の深さ」（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｆｏｃｕｓ）を調整することができる。

【0061】

このようにコンバイナーに含まれている液晶レンズは、焦点距離を調節して立体感をより一層効果的に具現することができ、一つのレンズを使用して、複数の球面および／または非球面レンズを交換することができるようになる。

【0062】

上述したように、拡張現実ディスプレイ装置は、液晶レンズを含むことにより、焦点距離を調節して立体感をより効果的に実現することができ、一つのレンズを使用して、複数の球面および／または非球面レンズを交換することができる。

【0063】

リレーレンズアレイに含まれる液晶レンズは、一般的な単純な焦点可変型レンズまたは回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）の形態で具現されることができる。リレーレンズアレイを構成する液晶レンズは、従来のガラスやプラスチック素材からなるレンズを交換して使用することができる。液晶レンズは、複数のガラスまたはプラスチックレンズの組み合わせで可能だった光の屈折や回折機能をより少ない本数にも可能で、複数のガラスまたはプラスチックレンズを交換する場合には、光学系の小型化、軽量化、および低価格化が可能となる。

【0064】

図６は、本発明の一実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置が単眼に実装された実装例を示す図である。

【0065】

図６を参照すると、拡張現実ディスプレイ装置は、リレーレンズアレイ（Ｒｅｌａｙ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ）から出てきた画像光が、コンバイナー反射ミラーを通過した後、基板に投影される構造を持つことができる。

【0066】

図７は本発明の第１の実施例に係る光学モジュールの構成を示す図である。

【0067】

図７を参照すると、リレーレンズアレイ（Ｒｅｌａｙ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ）は、球面レンズ、非球面レンズ、光パスの変換ミラーまたはプリズムと各構成部品の表面に形成された光学コーティングを含んでいる。コンバイナー（Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）は、凹面ミラーまたは凸面ミラーからなる。コンバイナー（Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）の役割をする反射ミラーと基板は、ディスプレイの光学性能を向上させ光学系のサイズを小さくするように球面、非球面または自由曲面構造を持つことができる。コンバイナー（Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）反射ミラーと基板の表面には、ディスプレイの光学性能を向上させ、光学系のサイズを小さくするために貢献する光学コーティングまたは光学フィルムが設置されることができる。

【0068】

図８は本発明の第２の実施例に係る光学モジュールの構成を示す図である。

【0069】

図８を参照すると、リレーレンズアレイ（Ｒｅｌａｙ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ）は、球面レンズ、非球面レンズ、光パスの切り替えミラー、またはプリズムと各構成部品の表面に形成された光学コーティングを含んでいる。図８に図示されたコンバイナーは複数の幾何学的構造を有するプリズムからなる。コンバイナーの役割をするプリズムの少なくとも一面とミラーと基板は、ディスプレイの光学性能を向上させ、光学系の大きさを小さくすることができるように球面、非球面または自由曲面構造を持つことができる。コンバイナー反射ミラーと基板の表面には、ディスプレイの光学性能を向上させ、光学系のサイズの縮小に貢献する光学コーティングまたは光学フィルムが設置されることができる。

【0070】

図９は、本発明の第１の実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置が両眼に実装された実装例を示す図である。

【0071】

図９を参照すると、拡張現実ディスプレイ装置は、二つの光学系を含んで、基板に投影された画像を一つの画像に合成することにより、左眼に形成される画像の大きさを２倍に増加させることができる。

【0072】

図１０は、本発明の第２の実施例に係る拡張現実ディスプレイ装置が両眼に実装された実装例を示す図である。

【0073】

図１０を参照すると、左眼と右眼の前方に位置する各基板に投影された画像は、拡張現実メガネまたはＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）装置を駆動するためのソフトウェア装置によって、それぞれの目に１つの画像に合成され、左眼と右眼に形成されている画像の大きさをそれぞれ２倍に増大させる。

【0074】

以上の説明は、本実施例の技術思想を例示的に説明したものに過ぎないものであり、本実施例の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本実施例の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正や変形が可能である。したがって、本実施例は、本実施例の技術思想を限定するためのではなく説明するためのものであり、このような実施例により、本実施例の技術思想の範囲が限定されるものではない。本実施例の保護範囲は次の請求の範囲によって解釈されるべきであり、その同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本実施例の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

【0075】

本特許出願は、２０１８年０５月１７日韓国に出願した特許出願番号第１０−２０１８−００５６７１７号の米国特許法１１９（ａ）条（３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１９（ａ））に基づいて優先権を主張すると、そのすべての内容は、参考文献として本特許出願に併合される。さらに、本特許出願は、米国以外の国でも上記と同じ理由で優先権を主張すると、そのすべての内容は、参考文献として本特許出願に併合される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【国際調査報告】