Virtual Reality Optics

HMD의 가장 중요한 필수 조건 중 하나는 우수한 인체 공학적 디자인입니다. 즉, 헤드셋은 편안하게 착용하고 오래 사용할 수 있어야하며 편안하게 착용하려면 헤드셋이 작고 가벼워야 합니다. 이상적으로는 안경 한 쌍의 무게와 크기를 넘지 않아야 합니다. 헤드셋은 편안하게 볼 수 있도록 사용자의 머리 위치와 시선 지점에 따라 적절한 시점을 제공해야 합니다. 또한 헤드셋은 적절한 눈 간격, 자연스러운 눈 움직임을 허용할 만큼 충분히 큰 동공 크기, 적절한 동공 간 거리(IPD), 낮은 발산을 가져야 합니다.

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

• 사람 눈의 동공 지름은 밝기에 따라 2~8mm입니다. 이상적으로는 동공 크기가 15~18mm이면 자연스러운 눈 움직임이 가능합니다. 이러한 충족 사항은 시선 추적을 통해 감소하거나 다른 시스템 요구 사항을 충족하도록 균형을 맞출 수 있습니다.
• 눈의 간격은 편안함을 위한 중요한 요소로 여겨집니다. 표준 안경의 최소 눈 간격 값은 17mm이며 대부분의 안경에 맞는 눈 간격은 23mm입니다.
• Eye divergence는 최적 값을 초과할 때 불편함을 유발할 수 있는 두 가지 요소입니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 발산은 눈이 동시에 바깥쪽을 향하도록 하여 이미지의 초점을 맞추는 행위입니다. 발산은 눈이 다른 고도에서 움직이도록 하는 행위입니다. 발산은 몇 도 미만이어야 합니다. VR HMD의 경우 발산은 5분에서 10분 미만이어야 합니다.
• IPD는 시각적 편안함과 깊이 인식에 중요합니다. IPD는 눈의 동공 중심 사이의 거리입니다. IPD는 약 55~75mm 범위로 정의되며 개개인에 따라 다릅니다. 64~65mm의 평균값은 종종 엔지니어링 조사에서 고려됩니다.

설계의 수차 고려

HMD의 이미지 품질에 대해 수차가 미치는 영향은 다른 광학 시스템과 유사합니다. 축 색수차, 구면 수차, 코마, 비점 수차 및 필드 곡률과 같은 수차는 흐림 및 블러를 유발합니다. 왜곡, 코마, 측면 색수차와 같은 수차는 뒤틀림을 유발합니다. 수차 제어는 VR HMD 광학 설계에서 중요한 요소입니다.

광학 설계 소프트웨어는 VR 광학 설계를 위해 필요한 중요한 도구입니다. VR 광학 시스템 설계에는 여러 소프트웨어가 필요합니다. 광학 엔지니어는 이미징 시스템을 생성 및 최적화하고, 광학 경로의 미광을 분석하고, 회절 광학 요소를 설계하기 위한 소프트웨어가 필요합니다. 기계 엔지니어는 시스템 레이아웃 그리고 열 및 구조 분석을 수행하기 위해 CAD 패키지가 필요합니다. 또한 VR 시스템은 전기 엔지니어가 눈의 움직임을 추적하고 신호를 광학 시스템으로 전송해야 할 수도 있습니다. Synopsys는 AR/VR 장치를 시뮬레이션할 수 있는 완전한 도구를 제공합니다.

워크 플로우: 

• 광학 설계 소프트웨어를 사용한 광학 시스템 설계:
  • CODE V 광학 설계 소프트웨어는 광학 시스템을 통해 광선을 추적하고 수차 및 왜곡을 줄이며 해상도를 높이기 위해 시스템을 최적화하는 데 사용할 수 있습니다.
  • LightTools 조명 설계 소프트웨어는 조명, 미광 및 고스트 이미지를 모델링할 수 있으며, 빛의 균일도를 최적화하는 데에도 사용할 수 있습니다. 미광은 이미지의 지저분함과 밝은 점을 유발할 수 있습니다.

• RSoft Photonic Device Tools를 사용한 격자 설계

회절 격자는 빛을 도파관 플레이트에 결합하고 플레이트에서 나온 빛을 눈으로 보냅니다. 광학 시스템이 좋은 이미지를 생성할 수 있도록 격자를 적절하게 설계해야 합니다. 격자의 설계 및 최적화를 위해 격자는 모든 차수 또는 차수 조합의 회절 각도, 효율 등에 따라 최적화될 수 있습니다.

• DiffractMOD RCWA는 횡 주기 장치의 회절 특성을 계산하는 매우 효율적인 도구입니다.

• FullWAVE FDTD는 필요할 때 횡 주기 장치의 회절 특성을 계산하는 또 다른 강력한 도구입니다.

• RSoft CAD 환경의 MOST 최적화는 FullWAVE 또는 DiffractMOD로 격자를 최적화하는 편리한 방법을 제공합니다.

격자가 만들어지면 BSDF(Bidirectional Scattering Distribution Function) 정보 및 레이아웃 파일을 LightTools로 직접 내보내 표면 속성을 정의할 수 있습니다. 모든 회절 속성은 표면(박막, 패턴 등)이 빛을 산란시키는 방법에 대한 정보를 포함하는 RSoft BSDF 파일에 포함되어 있습니다.

VR에서 디스플레이는 시뮬레이션 된 환경만 출력하면 됩니다. 증강 현실(AR)에서 디스플레이는 종종 시뮬레이션 환경과 실제 환경을 결합하기 위해 투명하게 보여지기도 합니다.

VR과 AR 광학 사이에는 아래와 같은 몇 가지 차이점이 있습니다.

• 첫째, AR은 특히 실외나 수술실과 같이 밝은 환경에서 고휘도 디스플레이를 필요로 합니다.
• 둘째, AR용 see-through HMD의 발산은 1분에서 3분 미만이어야 합니다.
• 마지막으로, see-through HMD는 넓은 FOV와 컴팩트한 폼 팩터를 구현하기 위해 접힌 설계를 따르는 경우가 많습니다. See-through HMD는 가상 장면의 반사광과 실제 물체의 투과광을 결합하기 위해 광학 결합기를 통합해야 합니다. 프로토타이핑을 위해 빔 스플리터가 결합기로 자주 사용됩니다. 결합기의 폼 팩터를 줄이기 위해 HOE는 얇고 평평하며 특정 파장에 대해 빔 스플리터처럼 기능할 수 있으므로 HOE를 사용할 수 있습니다.