https://www.hypervision.ai/apple-vp-optics-insights
Apple Vision Pro(AVP)는 맞춤형 카타디옵틱 렌즈와 함께 제공됩니다. 카타디옵틱 광학은 망원경의 크기를 줄이기 위해 거울 세트가 광학 경로를 접는 망원경에서 잘 알려져 있습니다. VR 팬케이크 렌즈의 경우에도 카타디옵틱 방식을 사용하여 광학 경로를 접어서 매우 컴팩트한 렌즈 모듈을 만들 수 있습니다. 차이점은 망원경은 조리개와 구멍이 줄어든 거울로 매우 좁은 시야각(FoV)을 제공하는 반면, 넓은 FoV 팬케이크 렌즈에는 편광 조작을 위한 요소가 있다는 점입니다. 팬케이크 모듈은 단일 렌즈 요소(PICO 4에서 구현된 것처럼) 또는 다중 렌즈(Quest Pro에서 구현된 것처럼)를 기반으로 할 수 있습니다{Quest Pro 및 Pico 4 광학에 대한 링크를 추가할 예정입니다}. 간단하게 설명하기 위해 아래 그림과 같이 두 개의 렌즈 요소를 기반으로 한 회로도를 사용하겠습니다:
위의 계획에서 가장 까다로운 구성 요소는 선형 편광을 원형으로 변경하는 리타더#2(쿼터 웨이브 플레이트 - QWP라고도 함)입니다. QWP는 전면 렌즈와 후면 렌즈 사이에 내장되어 있기 때문에 변형이 불가능하고 평평하게 유지되어야 하므로 팬케이크 모듈 설계에 제약이 따릅니다. 따라서 시중에 출시된 팬케이크 모듈 솔루션은 평평한 표면이 하나 이상 있어 VR 광학 설계 최적화에 제약을 받는다는 한계가 있었습니다. 하지만 AVP 옵틱스에서는 이러한 제한이 해결되었습니다.
AVP 팬케이크 모듈의 3소자를 언뜻 보면 두 소자의 수직과 수평 측면 두께가 큰 차이를 보이는 것이 눈에 띕니다. (1)의 그림에서 볼 수 있듯이 디스플레이에 가까운 렌즈 소자의 측면 두께가 상단 두께보다 훨씬 큽니다. 반대로 중간 렌즈 요소는 (2)와 같이 상단 두께가 측면 두께보다 훨씬 큽니다. AVP 광학이 회전 대칭을 이룬다고 가정했을 때 이를 어떻게 설명할 수 있을까요? Facebook 특허 US20180120579A1을 잘 알고 있기 때문에 답을 알 수 있었습니다.
https://patents.google.com/patent/US20180120579A1/en
청구항 6. 청구항 1의 HMD로서, 상기 후면 곡면 광학 소자의 후면 제2 표면은 오목한 원통형 표면 프로파일을 갖고, 상기 전면 곡면 광학 소자의 전면 제2 표면은 상기 후면 곡면 광학 소자의 오목한 원통형 표면 프로파일과 일치하는 볼록한 원통형 표면 프로파일을 갖고, 상기 전면 제2 표면과 후면 제2 표면은 접착 요소로 서로 결합되어 있는 것.
페이스북의 US20180120579A1 특허는 QWP(140) 변형에 대한 제한을 해결하는 방법을 알려줍니다. 위의 그림과 오른쪽에서 청구항 6에서 볼 수 있듯이, QWP(140)는 두 개의 원통형 표면 사이에 매립되어 평평한 QWP(140) 박막이 도 4c의 표면(404 및 416) 사이(또는 렌즈(104 및 106) 사이)에 원통형으로 롤링된다. 평평한 박막의 원통형 롤링은 박막의 변형을 방지하여 QWP(140)의 선형에서 원형 편광 변환 특성을 보존합니다.
애플 비전 프로 옵틱
다음으로 생각한 것은 애플이 MR 헤드셋 출시를 몇 년 동안 미루면서 이미 공개된 특허를 출원했을 것이라는 점입니다(출원 후 출원 중인 특허가 웹에 표시되는 데는 약 18개월이 걸립니다). 실제로 Apple은 광학 솔루션에 대한 여러 특허를 출원했으며, 2017년 2월부터 우선권을 가지고 있으며 마지막 출원 US20210132349A1은 AVP 출시 사진에 표시된 내용을 잘 설명합니다.
청구항 7. 청구항 1에 정의된 헤드 마운트 디스플레이로서, 상기 제2 표면은 원통형으로 오목하고, 상기 제3 표면은 원통형으로 볼록한 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이.
청구항 8, 청구항 1에 정의된 헤드 마운트 디스플레이로서, 상기 제2 표면 및 제3 표면은 결합된 원통형 표면이다.
US20210132349A1 특허의 청구항과 그림은 QWP 28이 렌즈 26과 32의 S6과 S7 표면 사이에 원통형으로 말려 있다는 증거입니다. 실제로 렌즈 26과 32는 편광을 변환하는 독특한 기능을 가진 단일 요소 렌즈를 생성하고 있습니다. 이러한 방식으로 APV는 QWP 적층을 위해 평평한 표면을 가져야 하는 다른 팬케이크 렌즈의 한계를 극복했습니다.
시야각(FoV) 추정치
고지 사항: 보고된 AVP의 수평 시야각은 100° - 110° 사이입니다. 아래 모델링 및 분석에서는 희망적인 구현을 통해 보고된 것보다 더 큰 FoV를 얻을 수 있음을 보여줍니다.
AVP 팬케이크 광학의 장점은 눈 근처의 표면이 오목하여 상대적으로 콤팩트한 광학 장치를 구현할 수 있고, 큰 FoV를 구현할 수 있다는 점입니다. 렌즈와 uDisplay의 웹 사진을 분석하고 대략적인 치수를 파악하여 다음과 같은 가정을 했습니다:
- 동공간 거리(IPD) 65mm(기본값) 및 조정 가능 예상; 리뷰에 따르면 3가지 위치가 있습니다.
- 눈부심 방지(ER) 12mm. 얼굴 인터페이스가 넓지만 안경을 사용할 수 없으므로 ER은 12mm 이하입니다.
- 왼쪽과 오른쪽 시각 모듈 사이에 약간의 기울기가 있습니다 - 5°로 가정했습니다(이보다 조금 더 클 수도 있음).
- u디스플레이 활성 영역: 27.6 x 22.8mm.
위의 가정을 고려하여 아래 그림과 같이 모델링을 수행했습니다:
주변 FoV(똑바로 응시하는 눈의 측정값)와 회전 FoV(중심을 벗어난 가상 자극을 응시할 때 눈의 최대 회전을 나타내는 값)를 구분하는 것이 중요합니다. 눈 회전의 편안한 영역은 +/-30°이며, 시행 시 눈은 50°까지 회전할 수 있습니다. 동공 위치가 안구 회전 중심보다 렌즈에 8mm 더 가까운 단순한 기하학적 구조로 인해 주변부 시야(왼쪽 눈의 경우 표시)가 회전 시야(오른쪽 눈의 경우 표시)보다 자연스럽게 더 큽니다. 따라서 수평 회전 단안 시야각은 42°(비강) + 50°(측두부) = 92°이고 수평 양안 시야각은 측두부의 두 배이므로 2 x 50° = 100°입니다. 그러나 모든 마케팅 수치는 주변 시야각에 대해 이야기하고 있으며 이는 다음 단락에 나와 있습니다.
위 모델에서 측정한 주변 시야각에 대한 결과는 다음과 같습니다:
- 수평: 비강 50°+측두 60° => 합계: 단안 수평 50+60° = 110°; 양안 수평 2x60° = 120°;
- 스테레오 오버랩: 2x50° = 100°
- 수직: 상단 45°+하단 45°, 따라서 수직 FoV = 90°
가정된 디스플레이 치수의 종횡비를 기준으로 FoV를 대략적으로 확인해 보겠습니다: 27.6 : 22.8 = 1.21이고, 단안 가로 : 세로는 110° : 90° = 1.22입니다. 따라서 가정은 의미가 있습니다.
요약하자면, 가정된 (그리고 희망적인) FoV(H x V)는 120° x 90°입니다.
PPD 추정
PPD 계산을 위해 다음과 같은 가정을 합니다:
- 화각별 디스플레이 중심으로부터의 선형 오프셋
- 7.395um의 픽셀 크기, 정사각형 피치, 두 개의 디스플레이당 23Mpx로 가정한 종횡비 기준.
가정 (2)와 uDisplay 치수를 적용하면 해상도는 3,732 x 3083이 됩니다. 올바른 가로 해상도는 표준 1,920의 두 배인 3,840일 가능성이 높습니다.
해상도 + 가정 (1) + 가정된 FoV를 고수하고 수직 FoV와 해상도를 사용하여 계산된 PPD는 3,083픽셀/90° ~ 34[ppd]입니다. PPD가 비선형적일 수 있다는 점을 고려하면 중앙 스위트 스팟에 대한 결과는 +/- 10% 차이가 날 수 있습니다. 또한 실제 FoV와 해상도 종횡비가 다를 수 있으며, 낮은 FoV와 높은 픽셀 수 + 비선형성의 경우 실제 PPD는 40[ppd]에 달할 수 있습니다.
레이 트레이싱과 아이박스
잘 설계된 팬케이크 렌즈의 장점 중 하나는 엣지 투 엣지 선명도이며 AVP도 그렇게 될 것으로 예상됩니다. 큰 아이박스는 눈의 시각 및 광학 중심축을 잘못 정렬할 수 있는 가능성과 공칭과 다른 ER을 제공합니다. 일반적으로 팬케이크 렌즈는 비구면 또는 프레넬 렌즈에 비해 더 큰 아이박스를 제공합니다. 그러나 픽셀이 매우 작고(AVP의 경우처럼 7.4um) 배율이 매우 강한 u디스플레이용으로 설계된 팬케이크 렌즈는 아이박스에 충분한 자원이 없으므로 시각 및 광학 축이 잘 정렬되어야 합니다. 리뷰에 따르면 IPD를 조정할 수 있는 위치가 3단계로 나뉘는데, 이는 IPD를 지속적으로 조절하는 것보다 열등할 수 있다고 합니다.
고속 LCD를 기반으로 하는 팬케이크 광학은 픽셀이 2배에서 3배 더 커지고 있으며, 이에 따라 아이박스가 더 잘 설계될 수 있습니다. 아이박스에 대한 더 정확한 가정을 위해 나중에 AVP 렌즈를 레이트레이싱할 수 있습니다. 레이 트레이싱 이후에는 애플리케이션 노트에 자료를 정리할 예정입니다. 연락처 정보와 의견을 남겨주시면 받아보실 수 있습니다.
