#광학적 아키텍처
광학
=빛의 관련된 형상을 다루는 물리학의 한 분야
네이버 지식백과(학문명백과 : 자연과학)"내가 관심가져하던게 광학이라는 것을 알았다."
헤드마운트 디스플레이의 광학은 3가지 역할을 한다.
1.시준:이미지 소스가 착용자의 눈으로부터 실제 물리적 거리보다 더 멀리에 나타나게 하는 것
2.확대:이미지가 실제 소스보다 더 커 보이게 하는 것
3.전달:이미지 소스부터 착용자의 눈까지,때로는 축을 벗어나는 빛의 패턴
-헤드마운트 디스플레이는 개별적인 구현마다 사용자가 눈에서 몇 센티미터 거리에 있는 평면 패널 어레이에 초점을 맞추게 해주거나,디스플레이 기기의 옆면처럼 축을 벗어난 마이크로디스플레이에서 생생한 이미지를 시야 안으로 전달하는 등의 특별한 광학 설계가 필요하다.
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시스템에 광학 요소가 추가될수록 전체 디스플레이의 크기와 부피는 늘어난다.
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중점은 인간 중심 시스템으로 만들어야한다.우리의 감각 기관은 복잡하고 민감하기에 정확성과 적응이 필수적이다.그렇지 않으면 불편한 느낌과 멀미,전반적으로 형편없는 최종 사용자 경험 등의 문제가 야기된다.
##헤드마운트 디스플레이의 일반적인 기능과 고려 사항,그리고 다양한 광학적 설계
*모든 사용자에게 맞는 헤드마운트 디스플레이는 존재하지않는다.
1.시야
가상 및 증강 현실 애플리케이션의 모든 헤드마운트 디스플레이에서 핵심적인 고려사항은 시야로,이는 두 눈에 보이는 가상 이미지의 총 각 크기로 정의하며,각도로 표현된다.쌍안 디스플레이는 왼쪽 눈과 오른쪽 눈의 다른 시야 중첩의 문제이므로, 때로는 수평 쌍안 시야와 총 시야를 개별 값으로 표현하면 유용하다.
건강한 성인의 경우 입체 영상의 기반이자 심도 인지(대상과의 공간적 관계에 대한 지각을 이르는 말)에 중요한 평균적 수평 쌍안 시야가 120도며, 총 시야는 대략 200도로 측정된다.우리의 수직 시야는 약 130도다.
심도 = 물체의 표면에서 물체 내부의 한 지점까지의 직선거리
2.쌍안 중첩
쌍안 중첩 영역이라고도 알려진 쌍안 시야는 시각 범위 전체에서 두 눈의 단안 시야가 중첩되는 부분이다.인간 시각의 이런 특징은 심도 인지에 극히 중요하다.장면 안에서 물체가 보이는 상대적 각도에 따라 그 물체가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 추정하게 되기 때문이다.
3.동공 간 거리(IPD)
동공 간 거리는 두 눈의 동공 중심 간 거리다.이 수치는 일반 안경부터 스테레오 헤드마운트 디스플레이에 이르는 모든 쌍안 감상 시스템에 극히 중요하다.이 동공 간 거리 설정이 중요한게 눈과 렌즈가 잘 정렬되지 않으면 이미지 왜곡을 초래할 수 있고,그 결과 눈의 피로와 두통이 생겨서 멀미를 일으킬 수 있다.
4.눈동자 거리(EYE RELIEF)
눈의 각막에서부터 가장 가까이 있는 광학 요소 표면까지의 거리를 말한다.눈동자 거리는 사용자가 디스플레이 기기의 전체 감상 각도를 확보할 수 있는 거리를 정의한다.이 수치는 특히 시력 교정용 렌즈와 안경 착용자에게 지극히 중요한 고려 사항인데,안경의 눈동자 거리만도 약12mm이기 때문이다.예를 들어 HTC바이브는 안경 위에 쓸 수 있게끔 사용자의 눈동자 거리 설정을 조정할 수 있지만,
오큘러스 리프트 CV1은 그렇지 않다.눈동자 거리를 조정하면 당연히 사용자가 디스플레이에서 실제로 인식하는 시야에 직접적인 영향을 미친다.
5.사출동(EXIT PUPIL)
광학 시스템이 눈에 전송하는 빛의 반경을 가리킨다.
6.아이 박스
사용자가 기기의 완전한 성능을 경험하려면 동공이 위치해야하는 공간.이 공간은 눈동자 거리와 사출동에 의해 결정된다.
7.동공이 형성하는 옵틱과 동공 외 요소가 형성하는 옵틱
가상 및 증강 현실 디스플레이에서 사용하는 주요 광학 시스템 설계,혹은 아키텍처에는 아래와 같이 두 가지가 있다.
ㄱ.동공이 형성하는 것
EX)DLP DMD, LCoS 마이크로디스플레이의 조합
다양한 디자인 목표에 부합하도록 광학적 경로를 접거나 구부 리는 등 조정이 가능해서 헤드마운트 감상 기기의 전반적인 설 계에서 유연성이 굉장히 커짐
이 아키텍처에서 사용되는 수많은 광학적 요소,빔스플리터,컴 바이너가 있는데
양면 블록,평철,양각 볼록,음각 볼록,평요,양면 오목,프레넬
등의 빔 스플리터(광학 장치 일종)가 있음
반 미러,버그 아이 반사체,프리폼 표면 등의 컴바이너 기술이
있음.여기서 컴바이너는 주로 차량에 쓰이는 헤드업 디스플레 이 속도계 같은건데 디스플레이판으로 조절하면 거기에 시각적 정보같은거임
ㄴ.동공 외 요인이 형성하는 것
Ex)HTC 바이브,오큘러스 리프트,소니 PSVR
단일한 확대경으로 디스플레이 패널에서 나온 빛을 직접 조준
이 요소의 단안 렌즈 광학 디자인은 더 가볍고 컴팩트한 디스 플레이를 만들어낼 수 있다는 장점이 있지만, 아이 박스가 커 서 라이트 필드를 구부리는 과정에서 상당한 왜곡을 일으킨다 는 단점도 있다.이 왜곡을 핀쿠션 왜곡이라하는데 이 효과를 완화시킬려면 이런 감상 기기에 디스플레이된 이미지를 반대의 원통형 왜곡으로 렌더링해서 상쇄해야 한다.
이 현상을 교정하지 못하면 심도 인지가 방해되고, 거리 판단 이 부정확해진다.
8.도파관
내부 반사에 의해 광학 시스템으로 광파(=빛의파동)를 전파하는 물리 구조체
내부 반사?
물체의 두께가 얇은 경우에는 물체에 입사한 전자기파의 일부가 물체 표면에서 반사되고 나머지 전자기파는 물체 내부를 진행하다가다른 계면을 만나서 또 다시 반사를 일으키는데 이걸 내부반사라고함
내부반사가 일어나는 시점부터 디스플레이 기술은 복잡해지는데,주로 이미지 소스에서 나온 후 도파관 안으로 들어와 밖으로 나가는 방법이 그렇다.
기존 상용 증강 디스플레이에서 현재 활용하는 도파관 유형 네가지
ㄱ.홀로그램 도파관
인커플링과 아웃커플링 메커니즘에 홀로그램 광학 요소를 사용 한다.
(ex)소니 스마트 아이글래스 디스플레이
https://roadrunner.tistory.com/282
ㄴ.회절성 도파관
표면 양각을 포함해 때로 나노미터 범위로 측정되는 기능있음
(ex) 마이크로소프트 홀로렌즈,다양한 뷰직스 디스플레이 그리 고 다양한 방위 및 항공 전자 광학 시스템에서 사용됨
https://namu.wiki/w/Microsoft%20HoloLens
ㄷ.편광 도파관
부분 반사하는 편광 표면의 평행한 어레이와 멀티레이어 코팅 을 배열해,보는 사람의 눈을 향해 빛을 직접 비추는 여러 부분 의조합
(ex) 루무스DK-50 AR글래스
편광은 빛의 편광 방향, 곧 빛의 전기장의 방향이 일정하게 고 정되거나 규칙적으로 바뀌는 빛을 말한다.
ㄹ.반사형 도파관
적어도 하나의 준반사 거울이 있는 평평한 단일 라이트 가이드 를 사용함
(ex)엡손 모베리오 제품 라인, 구글 글래스
https://www.youtube.com/watch?v=OstV5Pdfv8I
출처 - 실전 증강 현실(스티븐 옥스타칼니스 지음)
