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Improve Your AR/VR Design Simulations with Optical Scattering Measurements
광학 산란 측정으로 AR/VR 설계 시뮬레이션을 향상하는 방법
증강/가상 현실(AR/VR) 광학과 같은 진화하는 최신 기술에서 설계자는 설계 시뮬레이션에 광 산란을 포함하여 시스템의 재료 특성을 평가하는 것이 중요할 수 있습니다.
이 포스팅에서는 Synopsys 광학 측정 시스템을 사용하여 양방향 산란 분포 함수(BSDF) 및 총 통합 산란(TIS) 측정을 통해 AR/VR 설계를 개선할 수 있는 방법에 대한 예제를 제공합니다.
What Is the Difference Between AR and VR Systems?
AR과 VR 시스템의 차이점
AR 시스템은 가상 이미지 또는 텍스트를 실제 환경과 결합하여 시각적 디스플레이에 표시합니다.
AR 시스템의 예는 다음과 같습니다:
- 헬리콥터 조종사를 위한 헬멧 장착 디스플레이 (Helmet-mounted displays (HMDs) for helicopter pilots)
- 자동차 헤드업 디스플레이 (Head-up displays (HUDs) in vehicles)
- 게임 및 엔터테인먼트 (Game and entertainment systems)
VR 시스템은 게임용 몰입형 디스플레이와 같은 전체 시각 환경을 시뮬레이션합니다.
AR/VR System Goals and Challenges
AR/VR 시스템 설계 목표와 현재 어려운 점
AR/VR 기술은 다음과 같은 특정 성능 요구 사항을 충족해야 합니다.
- 자율성 (Autonomy)
- 편안함 (Comfort)
- 인체공학 (Ergonomics)
- 몰입감 (Immersion)
- 가격 (Price)
- 설계 프로세스 (Design process)
또한 AR/VR 애플리케이션의 광학 성능은 시스템 및 프로토타입을 개발하는 동안 다음과 같은 분야에서 어려움을 겪을 수 있습니다:
- 해상도 (Resolution)
- 이미지 퀄리티 (Image quality)
- 아이박스 크기 (Eye box size)
- 밝기 (Brightness)
- 효율성 (Efficiency)
- 투명도 (Transparency (AR))
AR/VR 애플리케이션에 사용되는 재질의 광학적 특성을 파악해야 하는 경우, Synopsys는 설계 프로젝트의 모든 평평한 표면을 특성화할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
Benefits of Optical Measurements for AR/VR Systems
AR/VR 시스템 측정을 통해 얻을 수 있는 것
AR/VR 시스템을 통해 이미지 외관을 검증하고 정량화하는 것은 성능 요구 사항의 수와 범위를 고려할 때 까다로운 작업일 수 있습니다. 설계자는 프로토타이핑 전에 사실적인 제품 시뮬레이션을 통해 비용과 생산 시간을 줄일 수 있습니다.
Synopsys 측정 솔루션을 사용하면 제품 시뮬레이션의 물리적 사실감을 강화하는 데이터를 얻으실 수 있습니다. Synopsys의 측정 솔루션은 재질의 광학적 특성을 측정하여 평가에 도움을 줄 수 있습니다:
- 재질의 투명도 (Material transmission)
- 방사체의 방향성 (Emitter directivity)
- 광학 면 품질 (Optical surface quality)
- 미광 (Stray light)
- 빔 스플리터 성능 (Beam splitter performance)
Synopsys 툴로 재질의 광학적 특성을 측정한 후에는 데이터를 설계 소프트웨어로 가져와 제품 시뮬레이션 및 가상 프로토타입에 포함 및 적용할 수 있습니다.
How to Characterize an Optical Surface
광학 면 특성화 방법
광학 설계 과정에서 정확한 시뮬레이션 결과는 정확한 광학 특성에 의존합니다. 광선의 에너지와 방향이 어떻게 변하는지는 광학적 특성에 따라 결정됩니다. 따라서 사용할 재료의 광학적 특성을 최대한 정확하게 파악하는 것이 중요합니다. BSDF는 표면에서 빛이 산란되는 방식을 특징짓는 수학적 함수입니다. 이 데이터를 사용하여 광학 시스템의 표면 거칠기를 모델링할 수 있습니다.
Synopsys는 BSDF를 측정할 수 있는 여러 장비를 제공합니다:
정확한 설계 시뮬레이션을 위한 또 다른 유용한 측정 데이터는 Total Integrated Scattering (TIS)입니다. TIS는 표면 또는 광학 요소의 난반사 및 투과에 의해 입사광 방향에서 벗어나 산란된 빛의 양을 나타냅니다. 이는 빛이 표면에 입사할 때 입사 광력에 대한 난반사 및 투과 광력의 비율과 같습니다.
BSDF와 TIS 사이에는 직접적인 상관관계가 있으며, 전체 각도 공간에서 BSDF를 적분하여 TIS를 계산할 수 있습니다. TIS는 Synopsys TIS Pro 를 사용하여 직접 측정할 수도 있습니다.
Application Example: Head-Up Display
적용분야 예제 : 헤드업 디스플레이
헤드업 디스플레이에는 방사체 (emitter) 에서 반사되어 주변 환경에서 전송되는 두 개의 서로 다른 이미지를 결합하는 광학 요소인 컴바이너 (combiner) 가 포함될 수 있습니다. 헤드업 디스플레이 설계에서 가장 신경써야할 과제는 표면에서 반사되거나 투과되는 빛의 양을 특성화하는 것입니다. 이 매개변수는 파장의 함수이기도 합니다.
CODE V에서 최적화된 헤드업 디스플레이의 광선 경로 시뮬레이션
LightTools에서 이미지 시뮬레이션 된 헤드업 디스플레이
OLED 디스플레이를 컴바이너와 함께 사용하는 경우 설계자는 컴바이너의 스펙트럼 투과율이 OLED의 광선 방출과 일치하는지 확인해야 합니다.
이 예에서는 헤드업 디스플레이에서 Beam splitter 로 사용할 수 있는 두 가지 앞 유리 Windshield 코팅을 비교합니다. 코팅을 특성화하기 위해 Synopsys TIS Pro에서 얻은 TIS 값을 사용합니다.
이 두 코팅을 측정한 결과, Global TIS는 약 14%입니다. 그러나 이 둘은 동일한 파장에서 반사되지 않습니다. 이 데이터는 Synopsys TIS Pro를 사용하여 측정할 수 있습니다.
두 개의 서로 다른 Beam splitter 의 Spectrum TIS
Blackbody emitting source를 사용한 두 가지 코팅의 반사 비교
흑체 소스를 RGB OLED 소스로 교체하면 반사 및 투과 값이 달라집니다. 다음 그림에서 볼 수 있듯이 Beam splitter 2는 표면 반사율이 좋지 않으므로 사용해서는 안 됩니다.
RGB OLED emitting source를 사용한 두 가지 코팅의 반사 비교
설계자가 이 예시와 같이 빔 스플리터 스펙트럼 반사율을 정량화하고 설계 시뮬레이션에 데이터를 사용할 수 있도록 Synopsys TIS Pro를 사용할 수 있습니다.
Application Example: VR System
적용분야 예제 : VR 시스템
이 예시는 매우 간단한 광학 VR 시스템을 보여줍니다. 이 어셈블리에는 두 개의 디스플레이, 두 개의 렌즈와 하우징이 포함되어 있습니다. VR 시스템에서는 미광 분석을 수행하여 사용자 경험에 영향을 줄 수 있는 눈부심이나 시각 효과를 확인하는 것이 중요합니다. 효과적인 미광 분석은 정확한 시뮬레이션 모델에서 시작됩니다.
VR 시스템의 LightTools 시뮬레이션
미광 효과를 올바르게 시뮬레이션하고 모든 광 경로에서 전달되는 광량을 평가하려면 각 표면의 광학적 특성이 필요합니다. 광학적 특성은 일반적으로 어둡고 확산성이며, 양방향 반사율 분포 함수(BRDF) 값은 Synopsys Mini-Diff V2 또는 Synopsys REFLET 180S 를 사용하여 측정할 수 있습니다. BSDF 설명을 완성하는 TIS 값은 Synopsys TIS Pro로 측정할 수 있습니다.
이 예시에서는 LightTools에서 VR 시스템의 BRDF 및 TIS 데이터를 사용하여 미광 분석을 수행했습니다.
LightTools에서 진행한 관심 영역 밖의 디스플레이에서 방출되는 광선 시뮬레이션
디스플레이의 각도 지향성도 시뮬레이션에 중요합니다. 이는 렌즈에 의해 수집된 필드 외부로 방출되는 빛의 양을 나타냅니다. 렌즈 시스템에 의해 수집되지 않은 빛은 하우징에 반사되어 사용자가 관찰하는 최종 이미지에 원치 않는 결점을 생성할 수 있습니다. 다음 그림은 두 개의 서로 다른 디스플레이에 대한 각도 방출을 보여줍니다. 왼쪽은 빔이 오른쪽보다 좁습니다. 오른쪽은 하우징에 의해 더 많은 빛이 반사되어 더 많은 미광을 생성합니다.
VR 모델의 우측 단면, 디스플레이가 왼쪽보다 더 넓은 원뿔 각도로 빛을 방출합니다.
시뮬레이션 모델을 올바르게 설정하면 미광 문제를 해결할 수 있는 솔루션을 찾기가 더 쉬워집니다.
Application Example: AR System
적용분야 예제 : AR 시스템
AR 시스템에도 이전 예시와 같이 미광 시뮬레이션이 필요할 수 있습니다. 또한 일부 광학 시스템에서는 여러 개의 격자를 사용하여 Light Guide 에서 빛을 주입하고 추출합니다.
LightTools로 설계한 AR 시스템 그림(왼쪽)
그리고 RSoft Photonic Device Tools로 설계한 회절 구조(오른쪽)
격자는 확산 또는 회절 패턴을 생성하며, 이 패턴은 Synopsys Mini-Diff 로 특성화할 수 있습니다. BSDF 측정을 얻기 위해 제품의 회절 영역에 Synopsys Mini-Diff V2를 배치하고 회절 패턴을 스캔합니다. 이 특성 분석은 실제 제품과 시뮬레이션을 비교하여 생산 시 결함을 감지하는 데 사용할 수 있습니다.
Conclusion
결론
AR/VR 은 여러 기술이 혼합되어 있기 때문에 까다롭습니다. 필요한 재질과 표면에 따라 AR/VR의 프로토타이핑 및 시뮬레이션에 있어 몇가지 과제를 설명했습니다.
Synopsys 광학 산란 측정 장비는 정밀하고 정확한 AR/VR 광학 설계에 필수적일 수 있습니다. 앞서 살펴본 바와 같이 BSDF 및 TIS 측정은 개별 구성 요소의 광학적 동작을 검증하는 데 도움이 됩니다.
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- Synopsys TIS Pro introduction video
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