가상 현실 광학이란 무엇인가?

가상 현실 광학의 정의

가상 현실(VR) 광학은 사용자에게 몰입형 시각 경험을 제공하는 VR 시스템 내의 특수 구성 요소를 포함합니다. 예시는 다음과 같습니다.

• 장면 시뮬레이션을 위한 원시 데이터를 캡처하는 카메라
• 데이터 송수신을 위해 장갑 및 의류에 사용되는 광섬유
• 3D 인식을 생성하는 헤드 마운트 디스플레이(HMD)
• 몰입형 및 반몰입형 프로젝션 디스플레이
• 사용자와 눈의 움직임을 추적하는 센서.

현재 가장 주목받는 가상 현실 광학은 근안 디스플레이라고도 알려진 헤드 마운트 디스플레이(HMD)입니다.

가상 현실이 작동하려면 HMD 내부에 눈앞의 디스플레이에 이미지를 투사하는 광학 시스템이 있어야 합니다.

이 광학 시스템에서 HMD는 광원(디스플레이), 수신기(눈) 및 광학 요소(렌즈)를 포함합니다.

• HMD의 광원은 유기 발광 다이오드(OLED) 또는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 마이크로 디스플레이입니다. 양안 HMD는 일반적으로 각 눈에 별도의 이미지를 제공하고 입체시를 통해 3D 인식을 생성하는 두 개의 디스플레이를 가집니다. 홀로그래픽 HMD에서 광원은 공간 광 변조기(SLM)에서 변조된 가간섭성 광입니다.
• HMD의 수신기는 사용자의 눈입니다.
• 광학 요소는 광원에서 빛을 모아 3D 가상 세계의 렌더링을 생성합니다. 이상적인 VR HMD는 3D 인식을 위한 조절 단서를 지원하면서 넓은 시야(FOV) 내에서 고해상도 이미지를 제공할 수 있어야 하며, 컴팩트한 폼 팩터로 넓은 아이박스(출사 동공)를 가져야 합니다 [2].

그림 1. VR HMD의 구조. 출처: https://news.skhynix.com/the-world-shaped-by-semiconductors-virtual-reality-in-glasses/. [3]

HMD의 가장 중요한 요구 사항 중 하나는 우수한 인체 공학적 설계로, 이는 장시간 사용에도 헤드셋을 편안하게 착용하고 볼 수 있어야 함을 의미합니다. 편안하게 착용하려면 헤드셋이 컴팩트하고 가벼워야 합니다. 이상적으로는 무게와 크기가 안경 한 쌍을 넘지 않아야 합니다. 편안하게 보려면 헤드셋이 사용자의 머리 위치와 시선 지점을 기반으로 적절한 시점을 제공해야 합니다. 또한 헤드셋은 적절한 아이 클리어런스, 자연스러운 눈 움직임을 허용할 만큼 충분히 큰 동공 크기, 적절한 동공 간 거리(IPD), 낮은 발산 및 수직 발산(dipvergence)을 가져야 합니다.

HMD의 주요 광학 설계 제약 조건은 동공(아이박스) 크기, 아이 클리어런스, 발산, 수직 발산(dipvergence) 및 IPD입니다 (그림 2 참조).

시야(FOV)의 중요성

VR HMD의 중요한 설계 목표는 인간 시각 시스템의 이미지 특성과 일치시키는 것입니다. 사람 눈의 FOV는 눈 회전과 머리 움직임을 고려할 때 수직으로 약 120도, 수평으로 거의 360도입니다. 양쪽 눈에 물체가 보이는 양안 FOV는 약 114도입니다 [5].

그림 3. 시야 다이어그램. 출처: https://www.electrooptics.com/analysis-opinion/meeting-optical-design-challenges-mixed-reality. [6]

설계 시 수차 고려

HMD에서 수차가 이미지 품질에 미치는 영향은 다른 광학 시스템과 유사합니다. 축상 색수차, 구면 수차, 코마 수차, 비점 수차, 상면 만곡과 같은 수차는 흐림을 유발합니다. 왜곡, 코마 수차, 측면 색수차와 같은 수차는 왜곡을 유발합니다. VR HMD 광학 설계에서 수차 제어는 중요합니다.

HMD 설계 시 기타 요인

HMD 설계의 발전은 비구면, 회절 광학 소자(DOE), 홀로그래픽 광학 소자(HOE), 가변 렌즈 및 플라스틱 광학을 활용합니다.

• 비구면은 렌즈 수차를 제어하고 소자 수를 줄이는 데 도움이 됩니다.
• DOE는 양의 렌즈에서 음의 색수차 분산을 갖는 흥미로운 분산 특성을 제공합니다.
• HOE는 폼 팩터가 작고 빔 스플리터처럼 작동할 수 있습니다.
• 가변 렌즈는 깊이 범위를 확장할 수 있습니다.
• 플라스틱 부품은 저렴하고 가볍습니다.

이러한 고급 기술을 사용하여 VR 디바이스의 아이박스 크기와 FOV를 개선할 수 있지만, 이는 종종 폼 팩터를 저해합니다. 이 문제를 완화하기 위한 새로운 개발 방향에는 시선 추적 통합 HMD, 다중/가변 초점 디스플레이, 오클루전 디스플레이, 홀로그래픽 디스플레이 및 라이트 필드 디스플레이가 포함됩니다.

광학 설계 소프트웨어는 VR 광학 설계를 위한 중요한 도구입니다. 고품질 VR 광학 시스템 설계에는 여러 유형의 소프트웨어가 필요합니다.

• 광학 엔지니어는 이미징 시스템을 생성 및 최적화하고, 광 경로의 미광을 분석하며, 회절 광학 소자를 설계하기 위한 소프트웨어가 필요합니다.
• 기계 엔지니어는 시스템 레이아웃을 그리고 열 및 구조 분석을 수행하기 위한 CAD 패키지가 필요합니다.
• 전기 엔지니어는 시선 움직임을 추적하고 광학 시스템으로 신호를 보내기 위한 소프트웨어가 필요할 수 있습니다.

키사이트는 AR/VR 디바이스를 시뮬레이션하기 위한 완벽한 도구 세트를 제공합니다.

광학 설계 소프트웨어를 사용하여 광학 시스템을 설계하는 워크플로우는 다음과 같습니다.

• CODE V 광학 설계 소프트웨어는 광학 시스템을 통해 광선을 추적하고, 수차를 줄이기 위해 시스템을 최적화하며, 왜곡을 줄이고 해상도를 높일 수 있습니다.
• LightTools 조명 설계 소프트웨어는 조명, 미광 및 고스트 이미지를 모델링할 수 있습니다. LightTools는 또한 조명 균일성을 최적화할 수 있습니다. 미광은 이미지 아티팩트와 밝은 점을 유발할 수 있습니다.

회절 격자는 빛을 도파관 플레이트로 결합하고 플레이트에서 눈으로 빛을 결합합니다. 광학 시스템이 좋은 이미지를 생성하도록 격자를 적절하게 설계해야 합니다. 회절 각도, 효율성 등을 기반으로 어떤 순서 또는 순서 조합으로든 격자를 설계하고 최적화할 수 있습니다.

격자를 설계하려면 키사이트 RSoft 포토닉 디자인 도구를 사용할 수 있습니다.

• DiffractMOD RCWA는 횡방향 주기 디바이스의 회절 특성을 엄격하게 계산하는 매우 효율적인 도구입니다.
• FullWAVE FDTD는 횡방향 주기 디바이스의 회절 특성을 엄격하게 계산하는 또 다른 강력한 도구입니다.
• RSoft CAD Environment의 MOST 최적화는 FullWAVE 또는 DiffractMOD를 사용하여 격자를 최적화하는 편리한 방법을 제공합니다.

격자가 구축되면 양방향 산란 분포 함수(BSDF) 정보와 레이아웃 파일을 LightTools로 직접 내보내 표면 속성을 정의할 수 있습니다. RSoft BSDF 파일에는 표면(박막, 패턴 등)이 모든 회절 특성을 포함하여 빛을 어떻게 산란시키는지에 대한 정보가 포함되어 있습니다.

VR에서는 디스플레이가 시뮬레이션된 환경만 출력하면 됩니다. 증강 현실(AR)에서는 디스플레이가 시뮬레이션된 환경과 실제 환경을 결합하기 위해 투명한 경우가 많습니다.

VR 및 AR 광학에는 몇 가지 차이점이 있습니다.

• 첫째, AR은 특히 실외 및 수술실과 같은 밝은 환경에서 고휘도 디스플레이를 필요로 합니다.
• 둘째, AR용 시스루 HMD의 경우 딥버전스(dipvergence)는 1~3분각 미만이어야 합니다.
• 마지막으로, 시스루 HMD는 넓은 FOV와 컴팩트한 폼 팩터를 구현하기 위해 종종 접이식 디자인을 따릅니다. 시스루 HMD는 가상 장면에서 반사된 빛과 실제 물체에서 투과된 빛을 결합하기 위해 광학 결합기를 통합해야 합니다. 프로토타이핑에서는 종종 빔 스플리터를 결합기로 사용합니다. HOE는 얇고 평평하며 특정 파장에 대한 빔 스플리터처럼 기능할 수 있으므로 결합기의 폼 팩터를 줄일 수 있습니다.

• 교육 및 훈련: 군사 비행 시뮬레이션 및 전장 전투 훈련, 수술 및 응급 시나리오를 위한 의료 훈련, 환자 교육에 VR을 통합하여 개인이 절차를 경험하고 예상되는 상황을 이해하도록 돕습니다. VR은 또한 교실 환경이나 역사적 장면을 재현하여 원격 학습을 지원하고 박물관에서 몰입형 경험을 제공합니다.
• 엔지니어링: VR은 3D 설계 및 가상 프로토타이핑을 지원하여 엔지니어가 물리적 개발 전에 제품을 시각화하고 개선할 수 있도록 합니다.

• 사회적 상호 작용 및 상거래: VR은 동료 또는 고객과의 가상 상호 작용을 가능하게 하고, 온라인 쇼핑을 위한 전시실을 제공하며, 부동산 투어를 위한 3D 경험을 제공합니다.
• 엔터테인먼트: VR은 사용자를 대화형 환경에 몰입시켜 게임 경험과 관광을 향상시킵니다.
• 의료 재활 및 원격 수술: VR은 심리적 노출 치료, 알츠하이머병과 같은 질환의 재활, 원격 수술 절차를 지원합니다.