Ⅰ. 서 론

현대 사회에서 온라인 서비스의 중요성이 점점 증가 하고 있으며, 사용자들은 시간과 공간의 제약 없이 서비스를 이용하기를 원하는 경향이 강해지고 있다.^1,2) 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 다수의 사용자가 불편함 없이 서비스를 이용할 수 있도록 고도의 기술적 기반의 확립이 필수적이다. 특히, 가상 콘텐츠를 사용자의 눈앞에 표현해주는 광학계의 성능은 이러한 서비스를 가능하게 하는 핵심 요소 중 하나이지만, 현재 이 분야의 기술 발전은 여전히 부족한 실정이다.³⁾

이러한 문제를 해결하기 위해 증강현실(AR) 기술을 적용한 스마트글라스와 같은 웨어러블 디바이스가 주목 받고 있다. 스마트글라스는 실시간으로 가상정보를 현실 세계와 결합하여 보여주는 기능을 통해, 가상현실(VR) 및 증강현실(AR)의 핵심 기술로 자리 잡고 있다. 이러한 기기는 주로 입력부와 출력부로 구분되며, 근안 디스플레이(Near-Eye Display, NED) 광학계와 같은 첨단 기술을 통해 사용자의 눈 가까이에 디스플레이 패널을 위치하여 개인화된 영상을 제공한다.⁴⁾

그러나 현재 시장에 나와 있는 스마트글라스는 배터리 수명, 발열, 착용감 등 다양한 문제로 인해 사용자의 불편을 초래하고 있다.⁵⁾ 특히, 사용자가 인지하는 영상의 거리와 실제 초점 거리 사이의 불일치는 눈의 피로를 초래하는 주요한 원인으로 지적되고 있다. 이 같은 문제를 해결하기 위해서는 해상도, 시야각, 아이 릴리프, 투 명도, 디스플레이 밝기 등의 소프트웨어적 요구 조건과 폼팩터, 아이박스 등의 하드웨어적 요구 조건에 최적의 벨런스를 맞춘 설계가 필요하다.^6,7)

본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하고, 소형화 및 경량화를 실현할 수 있으며, 다양한 성능을 향상할 수 있는 최적화된 NED 광학계를 설계하고자 한다. 이를 통해 스마트글라스의 발전 가능성을 탐구하고, 사용자의 편의성을 극대화할 수 있는 새로운 방향을 제시하고자 한다.

Ⅱ. 재료 및 방법

NED 광학계 설계 초기 단계에서는 허상광학계로 도 파관(waveguide) 타입 및 비구면 구성을 적용하였다. 이 과정에서 Code V 소프트웨어를 사용하였으며, 비순 차광학계로 설계하였다. 확대된 정립 허상을 위해, 총 양(+)의 굴절력을 가지는 광학계가 필요했고, 이에 따라 물측 초점의 위치보다 앞쪽에 디스플레이를 위치시켰다. 설계에서 사용된 빛의 파장은 F=486 nm, d=589 nm, C=656 nm이며, 시야각은 60°로 설정하였다. 경량화를 위해 광학계의 총 길이가 60 mm를 넘지 않으며, 아이 박스는 6 mm, 아이릴리프는 22 mm으로 설계하였다. 설계의 정밀도를 높이기 위해 왜곡 수차는 2.5% 이내, 스폿 다이어그램(spot diagram)은 1 mr보다 작게, Modulation transfer function(MTF)는 10% 이내로 설정하였다. 비축 광학계의 효율적인 광학 시스템을 구현하는 것과 설계의 복잡성을 고려하기 위해 이와 같은 설계 방식으로 중점을 두었다. Table 1은 본 연구에서 설계된 NED의 목표 사양을 나타내었다.

Ⅲ. 결 과

1. 설계

Fig. 1은 본 연구에서 설계된 NED의 단면도이다. 이 설계는 기능별로 두 개의 부분으로 나누어져 있으며, 각 부분은 특정한 기능을 가지도록 설계되었다. 첫 번째 부분은 배율 증가, 포커싱 기능 및 수차 감소 기능에 초점 을 맞추고 있다. 착용자에게 높은 해상도의 이미지를 제 공하기 위해 광학계의 성능을 극대화하면서, 더 선명하 고 정확한 이미지를 가지도록 설계하였다. 두 번째 부분 은 렌즈 내부로 통과하는 빛의 손실을 최소화하여, 착용 자의 망막까지 효율적으로 빛이 전달될 수 있도록, waveguide 타입의 광학계를 이용하여 설계하였다.

두 번째 부분 내에 있는 3가지면 또한 각각의 특징을 가지고 있다. 3번 면의 비구면 설계는 수차를 보정하고 이미지의 해상도와 선명도를 높이는 역할을 한다. 4번 면은 광학 소재의 굴절률을 고려하여 설계되었으며, 40.78° 이상의 입사각으로 전반사의 특성을 통해 빛의 손실을 최소화하였다. 5번 면은 3번 면과 동일하게 비구면 구조를 적용하여 왜곡수차를 줄이고, 이를 통해 해상도를 향상하며 광학계의 전체적인 성능을 개선하였다. 이로써 3가지 면을 통해 궁극적으로 착용자에게 더욱 선명하고, 편안한 이미지를 제공할 수 있도록 하였다.

설계한 NED의 총 크기는 y축 방향으로 44 mm, z축 방향으로 60 mm으로써, 휴대성과 사용자의 편의성을 고려해 컴팩트한 사이즈로 유지되며, 최신 광학 기술을 통해 고효율성과 사용자 친화적인 NED가 되도록 하였다. Fig. 1은 이러한 NED의 2차 단면도를 보여준다.

2. Spot diagram

Fig. 2는 본 연구에서 사용된 광학계의 성능을 분석한 결과를 Spot diagram을 통해 시각화하여 나타내었다. Spot diagram은 상면에서 광학계를 통과하는 광선의 분포를 보여주며, 광학 시스템의 수차와 해상도를 평가하는 데 사용된다. 중앙 필드에서의 RMS 값은 0.217로 좁은 영역으로 결상되어 높은 이미지 품질과 선명도를 나타낸다. 시야각의 경우, 60°에서 RMS 값이 0.903으로 넓은 화각에서도 광학계가 우수한 성능을 가지고 있음을 나타낸다. 이 결과는 광학 시스템이 넓은 시야각에서도 높은 이미지 품질을 유지할 수 있음을 보여준다. Spot diagram을 통한 분석은 광학 시스템이 다양한 조건에서 수차를 어떻게 제어하고 이미지 품질을 유지하는 지에 대한 정량적 평가를 나타낸다.

3. MTF

일반적으로 1.0 logMAR(logarithm of the minimum angle of resolution) 시력을 지닌 사람은 대략 30 cycles/mm의 공간 주파수를 구별할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 정보는 눈의 해상력과 관련된 중요한 지표로, 광학 시스템의 설계에 있어서 반드시 고려해야 할 요소이다.¹⁾

Fig. 3은 본 연구에서 설계된 NED 광학계의 MTF 측정값을 그래프로 표현하였다. 설계 목표였던 30 cycles/mm에서 90% 이상의 성능을 달성하도록 하였으며, 실제 측정 결과는 최고 96%의 MTF 값을 나타내었다. 이는 해당 광학계가 우수한 이미지 품질을 제공함을 의미한다. 시야각이 40°일 때는 91%, 60°일 때는 83%의 MTF 값을 나타내는데 이는 시야각이 넓어짐에 따라 MTF 값이 소폭 감소하지만, 평균적으로 90% 이상의 높은 성능을 유지하고 있다는 것을 의미한다.

4. Transverse chromatic aberration plot

Fig. 4는 본 연구에서 설계된 NED 광학계의 횡색수 차를 분석한 결과 그래프로, 광학계의 성능과 설계의 복잡도 사이에 존재하는 균형을 시각적으로 보여준다. 횡색수차는 광학계를 통과하는 다양한 파장의 빛이 이미지 평면에서 서로 다른 지점에 초점을 맞추는 현상을 의미 하며, 이는 광학계가 색상을 얼마나 잘 구분해내는지의 지표로 사용된다.

그래프의 세로축은 광학계 중심축으로부터의 각도를 나타내고, 가로축은 이미지 평면에서 발생하는 색수차에 따른 변위를 보여준다. 분석 결과, 상대적으로 낮은 색 수차 수준이 나타났으며, 이는 광학계가 복잡성을 늘리지 않으면서도 높은 이미지 품질을 제공할 수 있는 균형 잡힌 설계를 하고 있음을 의미한다.

낮은 색수차 수준이 중요한 이유는 이미지의 선명도와 색상 정확성에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 광학 시스템이 다양한 색상의 빛을 같은 초점에 맞출 수 있다면, 사용자는 더욱 선명하고 정확한 색상의 이미지를 볼 수 있게 된다. 이는 고해상도 이미지를 요구하는 광학 응용 분야에서 특히 중요한 성능 지표로 작용한다.

5. Field distortion

본 연구는 해상도 향상에 주목적을 두고 설계가 진행되었다. 광학계의 설계 과정에서 주된 고려 사항 중 하나는 왜곡수차를 최소화하는 것이다. 왜곡수차는 광학계를 통과하는 빛이 상면에 도달했을 때 발생하는 이미지의 변형을 의미하며, 이는 특히 광학계의 주변부에서 더욱 두드러진다.

본 연구에서는 왜곡수차를 측정함으로써 광학계의 효율성을 분석하고, 해당 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 측정 결과, 중심부 30˚의 시야각에서 왜곡수차는 0.71% 였으며, 60˚에서는 2.48%로 측정되었다. 이 측정치는 광학계가 설계 목표치에 부합했음을 보여준다. 일반적으로, 광학계의 시야각이 넓어질수록 왜곡수차는 증가하는 경향이 있어, 특히 넓은 시야각을 요구하는 광학계 설계에서 중요한 고려 사항이다.

Ⅳ. 고 찰

본 연구에서 설계된 NED 광학계는 최신 광학 기술을 통해 고효율성과 시각적 편안함을 제공하며, 특히 이미지의 해상도, 선명도 및 색상 정확성에 중점을 두었다. 이 광학계는 다양한 기능을 수행하는 두 부분으로 나누어져 있으며, 각 부분은 광학계 성능의 극대화를 위해 특정 기능에 초점을 맞추고 있다. 이러한 설계 접근 방식은 Spot diagram, MTF, 횡색수차 분석 및 MTF tolerance 분석을 통해 그 효과가 입증되었다.

Jui 등⁸⁾의 연구에서 자유형 거울(freeform mirror)을 적용한 NED의 시야각이 30°일 때, Spot diagram 분석을 통한 RMS 값은 6.957인 반면, 본 연구에서는 약 6배 향상된 수치를 나타내었다. 이는 본 연구의 광학 시스템이 높은 이미지 품질과 선명도를 유지하며 넓은 시야각에서의 성능이 우수함을 나타낸다.

Dongwei 등⁹⁾의 연구에서는 아이박스 위치에 따른 MTF 분석을 하였으며 20 cycles/mm 기준으로 시야각 39°에서 약 80% 이상의 성능을 달성한 기존의 설계와 달리 본 연구에서의 MTF 분석은 90% 이상의 성능을 달성하여 높은 해상도를 나타내었다.

Ryan 등¹⁰⁾의 연구에서 측정된 횡색수차와 달리, 본 연구에서 수행된 횡색수차 분석은 상대적으로 낮은 색수차 수준을 나타내었다. 이는 광학 시스템이 복잡성을 보이지 않으면서도 높은 품질의 이미지를 제공할 수 있는 균형 잡힌 설계임을 보여주고 색상 구분 능력이 뛰어남을 나타낸다.

Zhenfeng 등¹¹⁾의 연구에서는 도파관 프리즘을 사용 하여 시야각 21.5°에서 왜곡수차가 최대 1.3%까지 감소 했지만, 본 연구에서 수행된 왜곡수차 분석은 더 넓은 시야각으로 낮은 왜곡수차를 나타내었다. 왜곡수차는 해상도 향상에 직접적인 연관이 있다. 낮은 왜곡수차는 이미지의 선명도 및 정확도를 유지하는 데 필수적인 요인이며, 이는 광학 시스템의 전반적인 이미지 품질에 중요한 영향을 미친다. 본 연구에서의 왜곡수차 측정 결과는 광학계의 성능이 목표했던 사양을 충족하였음을 보여주며, 이는 사용자의 시각적 경험을 향상시키고, 향상된 이미지 품질을 출력할 수 있을 것으로 판단된다.

이러한 결과들은 본 광학계가 착용자에게 높은 해상도와 선명한 이미지를 제공하면서도, 빛의 손실을 최소화하고 수차를 효과적으로 감소시킬 수 있는 성능을 가지고 있음을 나타낸다. 따라서, 본 연구의 광학계는 설계 복잡도와 성능 사이의 균형을 잘 유지하며, 고해상도 이미지가 필요한 광학 응용 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Ⅴ. 결 론