증강 현실 광학이란 무엇인가?

증강 현실(AR)을 구현하기 위해 광학 시스템은 사용자 눈앞에 위치한 투명 디스플레이에 디지털 이미지를 투사하여 가상 정보를 실제 환경에 오버레이합니다. 이는 헤드 마운트 디스플레이(HMD), 태블릿과 같은 핸드형 디바이스 또는 앞유리와 같은 장착형 디스플레이 등 다양한 유형의 디스플레이를 통해 구현할 수 있습니다.

AR 헤드셋 및 장착형 디스플레이

일반적인 AR 광학 시스템은 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.

• 광원: 유기 발광 다이오드(OLED) 또는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 마이크로 디스플레이가 증강 이미지를 생성합니다. 양안 HMD는 각 눈에 하나씩 두 개의 디스플레이를 사용하여 입체시를 통해 3D 효과를 만듭니다. 홀로그래픽 HMD는 공간 광 변조기(SLM)를 사용하여 고급 이미지 투사를 위한 변조된 코히어런트 광을 생성합니다.
• 수신기: 사용자의 눈은 실제 이미지와 증강 이미지를 모두 수신합니다.
• 광학 요소: 렌즈와 결합기는 마이크로 디스플레이의 빛과 실제 환경의 빛을 혼합하여 결합된 이미지를 사용자의 눈에 투사합니다. 예를 들어, AR 안경에서 마이크로 디스플레이 이미지는 빔 형성 렌즈, 프리즘 및 처방 렌즈를 포함한 일련의 광학 부품을 통과한 후 시청자를 위한 실제 장면과 병합됩니다.

그림 1. 처방 AR 개략도:

(a) AR 빔 경로를 보여주는 측면도. 처방 렌즈는 시력 교정 및 AR 이미지의 도파 역할을 합니다. 빔 형성 렌즈는 인커플링 프리즘을 통해 처방 렌즈로 들어가는 마이크로 디스플레이의 광선을 굴절시켜 렌즈에서 일정 거리에 확대된 가상 이미지를 생성합니다.

(b) 처방 AR 시스템의 기하학적 파라미터.

(c) 광학 부품의 3D 다이어그램.

허가하에 재인쇄되었습니다. © The Optical Society.

광학 수차는 다른 광학 시스템과 마찬가지로 AR HMD의 이미지 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 색수차, 구면 수차, 코마, 비점수차, 상면 만곡 및 왜곡과 같은 수차는 투사된 이미지에 흐림 또는 왜곡을 유발할 수 있습니다. 이러한 수차를 최소화하고 시각적 선명도를 향상시키기 위해서는 신중한 설계와 최적화가 필수적입니다.

AR 광학 장치를 설계하려면 전문 소프트웨어 도구와 여러 엔지니어링 분야의 전문 지식이 결합되어야 합니다. 광학 엔지니어는 소프트웨어를 사용하여 이미징 시스템을 생성 및 최적화하고, 미광을 분석하며, 회절 광학 요소를 설계합니다. 기계 엔지니어는 시스템을 배치하고 열 및 구조 분석을 수행하기 위해 CAD 도구가 필요합니다. 전기 엔지니어는 시선 추적을 구현하고 광학 시스템으로 전송되는 신호를 관리하는 데 참여할 수도 있습니다.

워크플로

광학 시스템:

• CODE V 광학 설계 소프트웨어를 사용하여 광학 시스템을 통해 광선을 추적하고, 헤드 마운트 디스플레이에 표시된 것처럼 수차를 줄이고, 왜곡을 줄이며, 해상도를 높이도록 시스템을 최적화할 수 있습니다. CODE V에서 모델링된 자동차 헤드업 디스플레이(HUD)용 증강 현실 광학 장치에도 사용할 수 있습니다(다음 섹션 참조). 그런 다음 형상을 LightTools로 내보냅니다.
• LightTools 조명 설계 소프트웨어는 조명, 미광 및 고스트 이미지를 모델링할 수 있습니다. LightTools를 사용하여 조명 균일성을 최적화할 수도 있습니다.

광자 설계 소프트웨어를 사용하여 회절 격자 설계:

회절 격자는 빛을 도파관 플레이트로 결합시키고, 플레이트에서 눈으로 빛을 결합시킵니다. 광학 시스템이 좋은 이미지를 생성하려면 회절 격자를 적절하게 설계해야 합니다. 회절 격자의 설계 및 최적화를 위해 회절 각도, 임의의 차수 또는 차수 조합의 효율과 같은 요소를 기반으로 회절 격자를 최적화할 수 있습니다.

• RSoft DiffractMOD RCWA는 횡방향 주기 장치의 회절 특성을 엄격하게 계산하는 데 매우 효율적인 도구입니다.
• RSoft FullWAVE FDTD는 필요한 경우 횡방향 주기 장치의 회절 특성을 엄격하게 계산하는 또 다른 강력한 도구입니다.
• RSoft CAD 환경의 RSoft MOST 최적화 기능은 RSoft FullWAVE 또는 RSoft DiffractMOD를 사용하여 회절 격자를 최적화하는 편리한 방법을 제공합니다.

회절 격자를 구축한 후, 양방향 산란 분포 함수(BSDF) 정보 및 레이아웃 파일을 LightTools로 직접 내보내 표면 속성을 정의할 수 있습니다. 모든 회절 특성은 RSoft BSDF 파일에 포함되어 있으며, 이 파일에는 박막 또는 패턴과 같은 표면이 빛을 어떻게 산란시키는지에 대한 정보가 들어 있습니다.

헤드업 디스플레이(HUD)는 디스플레이의 이미지로 운전자의 시야를 증강시킵니다. 앞유리를 통과하는 광선을 모델링하고 투영된 이미지의 품질을 평가하려면 소프트웨어가 필요합니다.

CODE V는 광범위한 광기계 시스템 설계 과제를 해결하기 위한 HUD 설계 분야에서 강력한 애플리케이션 기능을 제공합니다. 엔지니어는 이 광학 설계 소프트웨어를 CAD 시각화 및 광선 추적에 사용할 수 있습니다. CODE V는 새로운 자유곡면을 지원하여 소형 앞유리-결합기 시스템에 더 큰 설계 자유도를 제공합니다. 이러한 표면은 시청자의 눈에서 디스플레이 해상도가 증가하고(고밀도 디스플레이 픽셀) 폼 팩터가 축소됨에 따라 수차 제어를 개선합니다.

설계 완료 후, 최종 시스템 성능을 공칭 기준과 실제 시스템의 구축된 성능에 대해 확인하는 것이 중요합니다. 이를 위해 LightTools는 시청자 시뮬레이션을 위한 논리적인 다음 단계입니다. LightTools에서 디스플레이 이미지를 나타내는 스펙트럼 색상 객체로부터의 역방향 광선 추적은 시청자를 위한 투영된 HUD 이미지(모델 장면에)를 보여줍니다. LightTools 시뮬레이션은 또한 시스템 내의 미광 이미지 또는 반사로 인한 예상치 못한 문제를 밝혀내는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 엔지니어는 LightTools CAD 가져오기 및 측정 도구를 사용하여 다음을 결정할 수 있습니다:

• 아이박스-앞유리 거리
• 앞유리 입사각 근사치
• 앞유리-대시보드 거리

실제 광학 시스템 성능에 대한 LightTools 시뮬레이션은 키사이트 설계 엔지니어링 제품 사용자들의 업무에 훌륭한 자산입니다.

증강 현실(AR)과 가상 현실(VR) 광학 장치의 주요 차이점은 실제 환경과 상호 작용하는 방식입니다. VR 광학 장치는 전체 시각 환경을 시뮬레이션하여 사용자를 완전히 가상 세계에 몰입시킵니다. 이와 대조적으로 AR 광학 장치는 실제 환경을 캡처하고 그 위에 디지털 정보를 오버레이하여 시각적 디스플레이를 통해 시뮬레이션된 요소와 실제 요소를 혼합합니다.

AR에서 디스플레이는 일반적으로 투명하여 사용자가 실제 세계와 디지털 증강 기능을 동시에 볼 수 있습니다. 반면에 VR 디스플레이는 시뮬레이션된 환경만 제공하여 실제 세계를 차단합니다.

AR 및 VR 광학 장치의 주요 차이점은 다음과 같습니다:

• 디스플레이 요구 사항: AR은 실외 또는 수술실과 같은 밝은 환경에서 가시성을 확보하기 위해 고휘도 디스플레이가 필요합니다.
• 광학 정밀도: 시스루 AR 헤드 마운트 디스플레이(HMD)의 경우, 최적의 선명도를 위해 실제 이미지와 가상 이미지 간의 각도 차이인 각도 정합 오류를 1~3분각 미만으로 유지해야 합니다.
• 설계 고려 사항: AR HMD는 종종 컴팩트한 폼 팩터를 유지하면서 넓은 시야(FOV)를 달성하기 위해 접힌 광학 설계를 사용합니다. 이러한 장치는 가상 장면에서 반사된 빛과 실제 세계에서 투과된 빛을 병합하는 광학 결합기를 통합해야 합니다. 설계자는 일반적으로 프로토타이핑을 위해 빔 스플리터를 사용하며, 홀로그램 광학 요소(HOE)는 특정 파장에 대해 더 얇고 평평한 솔루션을 제공합니다.

이러한 예시는 증강 현실 광학 기술이 상황 인식을 향상하고 의사 결정을 개선하며 더 상호작용적인 경험을 창출함으로써 광범위한 산업을 어떻게 변화시키고 있는지 보여줍니다.

• 운전용 헤드업 디스플레이(HUD): 운전자를 돕기 위해 앞유리에 실시간 정보를 제공합니다.
• 수술 지원: 의료 수술 중 절차 지침 및 유용한 데이터를 중첩하여 표시합니다.
• 전투 지원: 군인에게 향상된 상황 인식 및 표적 정보를 제공합니다.