用于增强现实的光学装置的制作方法

本发明涉及一种用于增强现实的光学装置，涉及一种能够利用反射结构和小型反射部给用户提供增强现实图像的用于增强现实的光学装置。

背景技术：

众所周知，增强现实(augmentedreality，ar)是指，将通过计算机等生成的虚拟的影像或图像叠加在现实世界的实际影像并提供。

为了实现这种增强现实，需要一种光学系统，所述光学系统可以将通过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并提供。众所周知，作为这种光学系统，有使用通过使用头戴式显示器(hmd，headmounteddisplay)或眼镜型装置反射或折射虚拟影像的棱镜等的光学单元的技术。

然而，使用这种现有光学系统的装置具有如下问题：由于其结构复杂并且重量和体积相当大，因此用户不方便佩戴，并且制造工艺也复杂，从而制造成本高。

另外，现有装置具有在用户凝视现实世界时变更焦距的情况下，虚拟影像不聚焦的局限性。为了解决这种问题，提出了使用如能够调节虚拟影像的焦距的棱镜的构件或根据焦距的变更来电气控制可变焦点透镜等的技术。然而，这些技术也存在如下问题：为了调节焦距，用户需要进行另外的操作或需要用于控制焦距的另外的处理器等硬件和软件。

为了解决如上所述的现有技术问题，如专利文献1所记载，本申请人开发了一种装置，所述装置能够通过使用比人的瞳孔小的反射部来通过瞳孔将虚拟影像投影到视网膜，从而实现增强现实。据此，以眼镜形式构成增强现实实现装置，在眼镜透镜的表面或内部设置反射部并通过反射从显示部生成的虚拟影像来通过瞳孔将影像投影到视网膜，因此通过增加景深(depthoffield)并提供一种针孔(pinhole)效果，从而与当用户凝视实际世界时变更焦距无关地，可以始终提供清晰的虚拟影像。然而，由于本申请人的这种技术使用小型的反射部，因此具有视野狭窄的局限性。

[专利文献1]

韩国授权专利第10-1660519号(2016.09.29公告)

技术实现要素：

发明要解决的问题

为了解决如上所述的问题，本发明的目的在于提供一种用于增强现实的光学装置，所述用于增强现实的光学装置能够通过使用反射结构和比瞳孔小的反射部来提供增强现实图像。

尤其，本发明的另一目的在于，提供一种用于增强现实的光学装置，所述用于增强现实的光学装置能够通过使用反射结构和比瞳孔小的反射部来扩大视角，提高光学均匀性，并且能够减小装置的厚度和体积。

另外，本发明的另一目的在于，提供一种用于增强现实的光学装置，所述用于增强现实的光学装置使用反射结构和多个反射部，各反射部之间的距离形成为小于瞳孔尺寸，从而具有宽广的视角而不会中断增强现实的图像。

另外，本发明的另一目的在于，提供一种用于增强现实的光学装置，所述用于增强现实的光学装置通过使用比瞳孔小的多个反射部来加深景深，从而能够产生针孔效果的同时，扩大视角并增加眼动范围(eyebox)。

另外，本发明的目的在于，提供一种光学装置，其利用反射结构和多个反射部，且各反射部形成于非连续的平面上，从而具有宽视角和宽眼动范围，且厚度薄。

另外，本发明的又一目的在于，提供一种光学装置，其利用反射结构和多个反射部，且各反射部设置成躲避到达彼此的光，从而不挡光，使最大的光传递到眼睛，从而具有高光效率。

另外，本发明的又一目的在于，提供一种光学装置，其利用反射结构和多个反射部，通过反射部的设置，无需额外增加光量，也保持规定的最大光，并且能够使用更多的反射部，因此以保持高光效率的状态具有更宽的视野、眼动范围。

用于解决问题的手段

为了解决如上所述的问题，本发明提供一种用于增强现实的光学装置，其特征在于，包括：光学单元，用于使可见光的至少一部分透射，反射部，设置在所述光学单元的内部，以及图像出射部，将与增强现实图像对应的图像光朝向所述光学单元的内表面射出；从所述图像出射部射出的与增强现实图像对应的图像光在所述光学单元的内表面反射至少1次并传递到所述反射部，所述反射部使传递的所述图像光朝向用户的眼睛的瞳孔反射，从而向用户提供增强现实图像。

其中，优选地，所述反射部的尺寸为8mm以下。

另外，所述反射部的尺寸可以是反射部的边界线上的任意两点之间的最大长度。

另外，所述反射部的尺寸可以是，当用户凝视正面时，反射部投影到经过瞳孔并垂直于正面方向的平面上的正射影的边界线上的任意两点之间的最大长度。

另外，所述反射部的面积可以具有16πmm²以下的值。

另外，所述反射部的可以面积是，当用户凝视正面时，反射部投影到经过瞳孔并垂直于正面方向的平面上的正射影的面积。

根据本发明的另一方面，提供一种用于增强现实的光学装置，其特征在于，包括：光学单元，用于使可见光的至少一部分透射，多个反射部，设置在所述光学单元的内部，以及图像出射部，将与增强现实图像对应的图像光朝向所述光学单元的内表面射出；从所述图像出射部射出的与增强现实图像对应的图像光在所述光学单元的内表面反射至少1次，并且被部分地分离并传递到多个反射部，所述多个反射部使传递的所述图像光朝向用户的眼睛的瞳孔反射，从而向用户提供增强现实图像。

其中，在将用于增强现实的光学装置置于用户的正面而观察时，所述多个反射部可以沿第一方向并排设置，所述第一方向为平行于光学单元的内表面且经过图像出射部的方向。

另外，可以在作为垂直于所述第一方向的方向的第二方向上进一步设置多个反射部。

另外，靠近所述图像出射部的反射部可以设置成不遮挡入射到设置在所述反射部的后方的反射部的图像光。

另外，靠近所述图像出射部的反射部可以设置成部分地遮挡入射到设置在所述反射部的后方的反射部的图像光。

另外，所述反射部与光学单元的内表面形成的角度可以设置成与在光学单元的内表面反射并经过反射部的图像光与光学单元的内表面形成的角度相等。

另外，所述多个反射部中的每一者可以设置成与相邻的反射部的距离为8mm以下。

另外，相邻的所述反射部之间的距离可以是，当用户凝视正面时，反射部投影到经过瞳孔并垂直于正面方向的平面上的正射影的边界线上的点之间的最小值。

发明效果

根据本发明，能够提供一种用于增强现实的光学装置，其能够通过使用反射结构和比瞳孔小的反射部来提供增强现实图像。

尤其，本发明能够提供一种用于增强现实的光学装置，其能够通过使用反射结构和比瞳孔小的反射部来扩大视角，提高光学均匀性，并且能够减小装置的厚度和体积。

另外，根据本发明，能够提供一种用于增强现实的光学装置，其利用反射结构和多个反射部，各反射部之间的距离形成为小于瞳孔尺寸，从而具有宽广的视角而不会中断增强现实的图像。

另外，根据本发明，能够提供一种用于增强现实的光学装置，其通过使用比瞳孔小的多个反射部来加深景深，从而能够产生针孔效果的同时，扩大视角并增加眼动范围(eyebox)。

另外，根据本发明，能够提供一种光学装置，其利用反射结构和多个反射部，且各反射部形成于非连续的平面上，从而具有宽视角和宽眼动范围，且厚度薄。

另外，根据本发明，能够提供一种光学装置，其利用反射结构和多个反射部，且各反射部设置成躲避到达彼此的光，从而不挡光，使最大的光传递到眼睛，从而具有高光效率。

另外，根据本发明，能够提供一种光学装置，其利用反射结构和多个反射部，通过反射部的设置，无需额外增加光量，也保持规定的最大光，并且能够使用更多的反射部，因此以保持高光效率的状态具有更宽的视野、眼动范围。

附图说明

图1是示出本申请人开发的如所述专利文献1中公开的用于增强现实的光学装置的图。

图2是用于说明本发明一实施例的用于增强现实的光学装置100的结构的图。

图3是示出本发明的另一实施例的用于增强现实的光学装置200的图。

图4是示出本发明的又一实施例的用于增强现实的光学装置300的图。

图5是示出本发明的又一实施例的用于增强现实的光学装置400的图。

图6是示出本发明的又一实施例的用于增强现实的光学装置500的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。

首先，参照图1，对本发明的用于增强现实的光学装置的基本原理进行说明。

图1是示出本申请人开发的所述专利文献1中公开的用于增强现实的光学装置的图。

参照图1，图像出射部30是用于射出与增强现实图像对应的图像光的单元，例如可以实现为小型显示装置。反射部20朝向用户的瞳孔反射从图像出射部30射出的图像光来提供增强现实图像。

光学单元10是用于使可见光的至少一部分透射的单元，例如可以是眼镜透镜，反射部20嵌入其内部。框架部40是固定并支撑图像出射部30和光学单元10的单元。

图1的反射部20形成为小于人的瞳孔尺寸的尺寸，即，形成为8mm以下，如上所述，当反射部20形成为小于瞳孔尺寸时，可以使通过反射部20入射到瞳孔的光的景深接近无限大，即，能够使景深非常深。这里，景深是指，被识别为焦点对准的范围。景深越深，增强现实图像的焦距也越深，因此，即使用户凝视实际世界的同时更改对实际世界的焦距，与此无关，增强现实图像的焦点始终被识别为是正确的。这可以看作是一种针孔效果(pinholeeffect)。

本申请人考虑到若使用如上所述的比瞳孔小的尺寸的反射部20，则可以加深景深的事实，提出所述专利文献1中公开的技术，使用这种使用反射部20的结构具有通过加深景深来获得如针孔效果的优点，但也有视野狭窄的局限性。

以下，对本发明的用于增强现实的光学装置100进行更详细的说明。

图2是用于说明本发明一实施例的用于增强现实的光学装置100的结构的图，图2的(a)和(b)分别示出将用于增强现实的光学装置100置于用户的正面时的俯视图和主视图。

参照图2，用于增强现实的光学装置100的特征在于，其具备光学单元10、反射部20以及图像出射部30，从所述图像出射部30射出的与增强现实图像对应的图像光在所述光学单元10的内表面反射至少1次并传递到所述反射部20，所述反射部20使传递的所述图像光朝向用户眼睛的瞳孔40反射，从而向用户提供增强现实图像。

图像出射部30是将与增强现实图像对应的图像光朝向光学单元10的内表面射出的单元，例如可以为小型lcd等显示装置。

显示装置是用于在屏幕上显示增强现实图像的单元，通过以能够在反射部20反射增强现实图像以投射到用户的瞳孔40的方式来发射光的方式来显示增强现实图像。显示于显示装置的与增强现实图像对应的图像光朝向光学单元10的内表面射出，在光学单元10的内表面反射至少1次后传递到反射部20。

另一方面，图像出射部30可以是反射或折射从如上所述的显示装置射出的图像光并传递至光学单元10的内表面的反射单元或折射单元。在这种情况下，从显示装置射出的图像光不直接射出到光学单元10的内表面，而是经过反射单元或折射单元传递至光学单元10的内表面。

另外，图像出射部30可以是将从显示装置射出的图像光作为准直的平行光射出的准直仪。

或者，图像出射部30还可以将准直仪与反射单元或者折射单元和显示装置组合使用。在使用准直仪的情况下，从图像出射部30射出的图像光成为准直的平行光。

也就是说，图像出射部30可以由将从用于显示增强现实图像的显示装置射出的图像光朝向光学单元10的内表面射出的显示装置、反射单元、折射单元或者准直仪等单元或它们的组合来构成。

优选地，这种图像出射部30设置成相对于光学单元10的内表面倾斜，以便图像光能够在光学单元10的内表面反射至少1次并传递到反射部20。

另一方面，本发明中，从图像出射部30射出的图像光在光学单元10的内表面反射是指，实现图像光在光学单元10的内表面全部反射的全反射(totalreflection)。这指，与根据光学单元10的折射率和光学单元10的外部(空气)的折射率而确定的用于产生全反射的临界角相比，入射到光学单元10的内表面的图像光的入射角需要更大，以免图像光从光学单元10的内部透射到外部。因此，设置图像出射部30，以使在图像出射部30的表面和光学单元10的内表面中，从图像出射部30射出的图像光相对于首先到达的光学单元10的内表面的垂直方向的角度(入射角)能够比根据光学单元10的折射率和光学单元10的外部(空气)的折射率而确定的用于产生全反射的临界角大。

另一方面，其中，增强现实图像，作为显示在显示装置的图像，是指通过反射部20通过用户的瞳孔提供的虚拟图像，并且可以是图像形态的静止影像或视频。这种增强现实图像从显示装置以图像光射出，并且通过光学单元10的内表面和反射部20通过用户的瞳孔40作为虚拟图像提供，与此同时，用户通过光学单元10用眼直接识别实际世界的影像，从而能够接收增强现实服务。

另一方面，在图2中，以用户凝视正面时为基准，图像出射部30设置在右侧，但不限于此，也可以设置在上部、下部、对角线上下方向等。例如，当包括根据本发明的用于增强现实的光学装置100的增强现实实现装置以例如眼镜形式实现时，图像出射部30可以设置在眼镜框架的适当的位置。

显示装置可以仅具有从外部另设的影像播放装置接收影像信号并简单地显示图像的功能，也可以与具有通过自带处理器、存储器等来存储并播放图像的功能的装置形成为一体。

显示装置本身不是本发明的直接目的，并且可以使用能够将图像显示在屏幕的已知的装置，因此将省略其详细说明。

光学单元10可以是使可见光的至少一部分透射的单元，例如可以是透镜，并且反射部20设置在光学单元10的内部。

这里，使可见光的至少一部分透射是指，可见光的透射率在0～100％的范围内。如图2所示，当假定光学装置100位于用户的眼睛的瞳孔40正面方向时，这样的光学单元10使现实世界影像即可见光透射并传递到瞳孔40，通过反射部20使与增强现实图像对应的图像光反射至瞳孔40，从而能够将通过光学单元10的现实世界影像和通过反射部20的增强现实图像叠加并提供给用户。因此用户能够接收增强现实服务。

另外，如前所述，从图像出射部30射出的与增强现实图像对应的图像光在光学单元10的内表面反射至少1次并传递到反射部20。

如图2所示，可以以四边形的透镜模块形式实现光学单元10，并且将这种透镜模块可拆卸地结合在眼镜形式的增强现实实现装置，或者当包括根据本发明的用于增强现实的光学装置100的增强现实实现装置以眼镜形式实现时，可以以眼镜透镜的形式实现光学单元10。

反射部20设置在光学单元10的内部，发挥使从图像出射部30射出的与增强现实图像对应的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔40反射的功能。此时，从图像出射部30射出的与增强现实图像对应的图像光在光学单元10的内表面反射至少1次并传递到所述反射部20，反射部20使通过光学单元10的内表面传递的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔40反射。

如图2所示，反射部20朝向瞳孔40反射从图像出射部30射出的与增强现实图像对应的图像光，重叠并提供增强现实图像和实际世界的影像，从而可以提供增强现实服务。即，反射部20可以朝向用户的眼睛的瞳孔40反射从图像出射部30射出的图像光，来向用户提供显示在显示装置的增强现实图像。

为此，反射部20设置成在光学单元10的内表面与瞳孔40之间具有适当的角度。

优选地，设置成具有当反射部20位于用户的瞳孔40正面时，入射到反射部20的中心的图像光被反射并入射到瞳孔40中心的角度。

例如，在图2中，假定当用户凝视正面时反射部20位于瞳孔40的正面方向且图像出射部30位于瞳孔正面方向的右侧，在这种情况下，如图2的(a)所示，反射部20具有约45度的倾斜度并且向瞳孔40正面方向外侧倾斜地设置。

另一方面，在图2的实施例中，如图1所述，反射部20的尺寸优选小于人的瞳孔尺寸，即，优选为8mm以下。

这里，反射部20的尺寸是指，反射部20的边界线上的任意两点之间的最大长度。

此外，反射部20的尺寸可以是当用户凝视正面时，反射部20投影到经过瞳孔40并且垂直于正面方向的平面上的正射影的边界线上的任意两点之间的最大长度。

另外，反射部20也可以不设置在用户的瞳孔40正面方向的中心部，在这种情况下，反射部20的尺寸也可以是当用户凝视反射部20方向时，反射部20投影到经过瞳孔40并且垂直于反射部20方向的平面上的正射影的边界线上的任意两点之间的最大长度。

另外，在图2的实施例中，反射部20的面积优选形成为小于人的瞳孔40的面积。例如，当人的瞳孔为圆形时，瞳孔的直径可为2～8mm，半径可为1～4mm，因此根据π·r²的公式，瞳孔的面积最大为16πmm²，从而可以将反射部20的面积形成为具有16πmm²以下的值。

这里，反射部20的面积可以是当用户凝视正面时，将反射部20投影到经过瞳孔40并且垂直于正面方向的平面上而形成的正射影的面积。

另外，反射部20也可以不设置在用户的瞳孔40正面方向的中心部，在这种情况下，反射部20的面积可以是当用户凝视反射部20方向时，反射部20投影到经过瞳孔40并且垂直于反射部20方向的平面上的正射影的面积。

图3是示出本发明的另一实施例的用于增强现实的光学装置200的图，图3的(a)和(b)分别示出将用于增强现实的光学装置200置于用户的正面时的俯视图和主视图。

图3的实施例与图2的实施例基本相同，不同点在于设置有多个反射部20。

根据图3的实施例，其特征在于，从图像出射部30射出的与增强现实图像对应的图像光在光学单元10的内表面反射至少1次，反射的图像光部分地分离并传递到多个反射部20，多个反射部20使传递的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔40反射，从而向用户提供增强现实图像。

在图3的实施例中，反射部20在光学单元10的内部沿横向(第一方向)设置，这是因为图像出射部30位于右侧面。若图像出射部30位于上部，则反射部20在光学单元10的内部沿竖向设置。

即，设置多个反射部20的方向即第一方向是指，将用于增强现实的光学装置200置于用户的正面观察时，平行于光学单元10的内表面并且经过图像出射部30的方向。

另一方面，如图3的(b)所示，可以沿垂直于所述第一方向的方向即第二方向进一步设置多个反射部20。该情况下，沿第二方向设置的反射部20分别形成反射部组20a、20b。

另一方面，在图3的实施例中，靠近图像出射部30的反射部20设置成不遮挡入射到设置在其后方的反射部20的图像光。这可通过适当调整图像出射部30的角度、反射部20之间的距离和角度以及光学单元10的厚度(图3的(a)中的竖向厚度)来实现。例如，可以固定光学单元10的厚度和反射部20的距离以及角度，并调整来自图像出射部30的图像光入射到光学单元10的内表面的入射角。

图4是示出本发明的又一实施例的用于增强现实的光学装置300的图，图4的(a)和(b)分别示出将用于增强现实的光学装置300置于用户的正面时的俯视图和主视图。

图4的实施例与图3的实施例基本相同，其特征在于，靠近图像出射部30的反射部20设置成部分地遮挡入射到设置在其后方的反射部20的图像光。该情况下，一部分图像光被前方的反射部20遮挡而不传递到位于后方的反射部20，然而被遮挡的图像光相对于入射的图像光的比率非常少时不成大问题。因此，根据图像出射部30的角度、反射部20间的距离和角度以及光学单元10的厚度等条件，而在不可避免的情况下，如图4，靠近图像出射部30的反射部20也可设置成部分地遮挡入射到设置在其后方的反射部20的图像光。

图5是示出本发明的又一实施例的用于增强现实的光学装置400的图，图5的(a)和(b)分别示出用于增强现实的光学装置400置于用户的正面时的俯视图和主视图。

图5与图3和图4的实施例类似，其特征在于，反射部20与光学单元10的内表面形成的角度与在光学单元10的内表面反射并经过反射部20的图像光与光学单元10的内表面形成的角度相等。

根据图5的实施例，通过使相对于光学单元10的内表面的反射部20的倾斜角与经过反射部20的图像光相对于光学单元10的内表面的倾斜角相同，能够使靠近图像出射部30的反射部20不会遮挡入射到设置在其后方的反射部20的图像光。

图6是示出本发明的又一实施例的用于增强现实的光学装置500的图，图6的(a)和(b)分别示出用于增强现实的光学装置500置于用户的正面时的俯视图和主视图。

图6的实施例是组合图3的实施例和图5的实施例的实施例，其特征在于，使反射部20与光学单元10的内表面形成的角度与在光学单元10的内表面反射并经过反射部20的图像光与光学单元10的内表面形成的角度相等，且设置成靠近图像出射部30的反射部20不会遮挡入射到设置在其后方的反射部20的图像光。

另一方面，本发明中，其特征在于，多个反射部20中的每一者设置成与相邻的反射部20的距离d小于人的瞳孔40尺寸。

通常，人的瞳孔尺寸(直径)平均在2～8mm范围内，因此，本发明的多个反射部20中的每一者优选设置成与相邻的反射部20的距离d为8mm以下。

这里，反射部20之间的距离d(或间距d)可以是当从正面看多个反射部20时，相邻的反射部20的边界线上的点之间的最小值。

另外，反射部20之间的距离d(或间距d)也可以是，当用户凝视正面时，反射部20投影到经过瞳孔40并垂直于正面方向的平面上的正射影的边界线上的点之间的最小值。

另外，反射部20也可以不设置在用户的瞳孔正面方向的中心部，在这种情况下，反射部20之间的距离d(或间距d)可以是，当用户凝视反射部20方向时，反射部20投影到经过瞳孔40并垂直于反射部20方向的平面上的正射影的边界线上的点之间的最小值。

另一方面，多个反射部20之间的距离d优选为全部相同，但不必一定相同，根据需求，可以部分地改变距离d。

另一方面，本发明中，如前所述优选多个反射部20的尺寸也小于人的瞳孔尺寸。即，如图2的实施例中所说明，优选多个反射部20各自的尺寸为8mm以下。

另一方面，优选多个反射部20各自的尺寸均相等，但不必一定相同，根据需要也可以部分不同。

另外，本发明中，如前所述，优选多个反射部20的面积也形成为小于人的瞳孔40的面积。

另一方面，优选多个反射部20各自的面积也均相等，但不必一定相同，根据需要也可以部分不同。

以上，对本发明的实施例进行了说明，但本发明不限于所述实施例，可以在基于权利要求书以及附图的本发明的范围内实施各种修改以及变形。

例如，反射部20为多个时，所述实施例中，对以俯视图为基准观察反射部20时，设置在同一平面的情况进行了说明，但也可以设置在不同平面，以立体形态实现。