대부분 다 아는 내용이겠지만.
요약:
장점:
프레넬 렌즈와 비교했을때 왜곡이 적다. (그로 인해서 렌즈의 선명한 부분 또한 넓다.)
프레넬 렌즈와 비교했을때, 색 수차가 거의 없다.
두께를 40%가량 줄일 수 있다. (더 줄일 수 있는 여지가 있음)
프레넬 렌즈에 존재하던 갓-레이 현상이 사라진다.
전체 렌즈 시스템의 두께가 얇기에 무게 또한 가볍고, 무게 중심 또한 개선할 수 있고, 차지하는 부피가 얇은 만큼 거기에 다른 부품을 추가할 수 있다.
단점:
가격이 비싸다.
고스팅 현상이 발생 할 수 있다.
광 효율이 낮다. (더 높은 밝기가 요구되고, 이에따라 더 높은 소비전력이 필요)
제조사마다 편차가 있다.
팬케이크 렌즈는 어떤 원리로 작동하는가?
우선은 메타가 홀로그램 방식의 렌즈(홀로그래픽적인 옵티컬 요소 ,holographically optical element, HOE)를 구현한 자료에서 관련 방식의 설명이 잘 되어있으므로, 편광에 대한 부분은 해당 자료를 통해 다뤄봅니다.
메타의 홀로그래픽 렌즈 GIF 이미지. (출처: Meta)
대강 좌측이 프레넬 렌즈, 우측이 편광판을 이용한 광학 장치의 동작 원리라고 생각하면 됩니다.
좌측과 우측을 비교했을때 두께의 차이가 있는데, 프레넬 렌즈는 기본적으로 렌즈와 디스플레이 패널 사이의 거리가 '무조건' 어느정도 존재해야합니다.
팬케이크 렌즈와 같이 편광을 이용하게되면 저렇게 프레넬 렌즈에서 필수적인 거리를 '접는 방식'으로 해결 할 수 있습니다.
위에 있던 GIF 이미지의 광학을 사용한 결과물. (출처: Meta)
이를 통해서 부피, 두께를 줄이게 되는 장점이 있습니다.
이 장점이 VR에서 편광 방식의 렌즈가 사용되게 되는 가장 큰 이유입니다.
그것에 대해서는 조금 있다가 다루기로하고, 우선 편광에 대해서 좀 더 다뤄봅시다.
팬케이크 렌즈를 통과하는 빛의 경로 개략도. (출처: IDTechEx)
편광을 통한 팬케이크 렌즈는 이런식으로 동작합니다.
'그나마' 쉽게 말하자면 여러번의 편광을 통해 반사해야할 빛과 반사시키지 않고 통과시킬 빛을 구분하는 식으로 여러번의 반사 및 통과를 통하여 빛의 경로를 접어줍니다.
더 쉽게 말하자면 빛의 각도를 조절해서 빛이 반사 표면에 닿았을때 특정 각도가 나오지 않으면 반사시키고, 특정 각도가 되는 경우 통과시키는 것입니다.
메타의 홀로그래픽 방식에 대한 이미지. (출처: 메타 리얼리티 랩)
해당 이미지를 구글 렌즈 번역으로 돌린 결과.
팬케이크 렌즈는 편광을 활용하여 대략 40%까지 얇아진 대신, 광 효율이 낮고 고스팅이 발생할 수 있으며, 이러한 단점은 제조사의 실력에 따라 정도가 차이납니다.
번역기 이미지 상단의 '폐기물'은 '버려진 빛'이라고 해석하면 되고
중단의 폴 및 정책이라고 된 것은 편광이라고 해석하면 됩니다.
이런식으로 빛이 반사될때마다 빛이 버려지게되어 결과적으로 25%의 빛을 통과시키게 됩니다. (일반적으로 팬케이크 렌즈가 사용된 VR 헤드셋의 광 효율은 10%로 알려져 있습니다. AR 글래스에 사용되는 도파관은 1%에서 0.1%로 알려져 있구요.)
또한 한번 반사될때마다 고스팅을 일으킬 확률 또한 증가하게 됩니다.
그 이유로는: 빛을 올바르게 반사하고 이미지 아티팩트를 방지하려면 빛의 편광 상태를 정밀하게 제어해야 합니다. 안타깝게도 플라스틱 소재는 일반적으로 편광 상태를 교란하는 복굴절이 커서 지금까지 모든 플라스틱 렌즈는 편광 상태의 교란을 극복할 수 없었습니다.
(출처: Kopin)
즉, 팬케이크 렌즈에서 고스팅을 억제하는데에는 필름 설계 또는 광학 설계에 대한 노하우가 적용되어 제조사별 편차가 발생합니다.
프레넬 렌즈와 팬케이크 렌즈의 두께 및 광효율에 대한 비교 (출처: 레딧 r/AR_MR_XR의 유저 u/AR_MR_XR)
결국 프레넬과 비교했을때 두께는 줄어들지만 광효율이 낮아지고 고스팅이 발생하는 트레이드 오프를 가져옵니다.
이를 해결하기 위해 여러 방식들이 논의되고 있으며, 지향성 백라이트 및 회절 편향 필름을 사용한 연구도 있습니다.
지향성 백라이트와 회절 편향 필름으로 광학 효율성을 2배로 - https://arca.live/b/vrshits/50464844
대강의 원리는 이정도면 끝입니다. 이제 이것이 가진 장점들에 대해서 말해봅시다.
팬케이크 렌즈는 얇고 가볍습니다. (또한 가격도 비싸서 당신의 지갑 또한 얇고 가벼워지게 됩니다.)
플라스틱 팬케이크 광학 렌즈의 조립도 및 사진. (출처: Kopin)
팬케이크 렌즈와 프레넬 렌즈의 두께 비교 (출처: 3M)
이렇게 두께가 감소하게 됩니다.
스마트폰에서 3.5mm 이어폰 잭을 제거하고 더 얇은 스마트폰을 설계하거나 샌드위치 방식의 PCB를 통해 공간을 절약하는것처럼 HMD 또한 이렇게 아낀 두께를 통해서 남는 공간에는 추가적인 배터리나 부품들을 추가하는 식으로 더 나은 공간 활용을 기대할 수 있습니다.
또한 무게 중심에서도 장점을 가지게 됩니다.
무게 중심이 개선되어 같은 무게라도 덜 무겁게 느껴집니다.
The Physics Classroom의 Balance Beam을 통해 이미지를 만들었습니다.
대략적인 무게 중심에 대한 예시입니다.
프레넬 렌즈를 사용했을때에는 중심으로부터 조금 더 먼 거리가 필수적으로 요구됩니다.
그로 인해서 무게는 전면으로 치우치게 되고, 안면부의 압박이 심해집니다.
키위 디자인의 컴포트 스트랩. (출처: Kiwi Design)
이를 어떻게든 보완하기 위해서 상단 스트랩을 통해 무게를 머리 상단으로 분산하고, 흘러내리는것을 막기 위해 스트랩을 조이고, 스트랩을 조였을때 압력이 한곳에 뭉치는 것을 방지하기 위해서 후면 패드를 통해 압력을 분산하게 됩니다.
이러한 문제들은 팬케이크 렌즈를 통해 무게 중심을 중간에 가깝게 가져오는 식으로 어느정도나마 해소가 가능합니다.
거리에 따른 무게 중심의 차이
이렇게 무게 중심을 더욱 더 중앙에 가져옴으로써 같은 무게를 가지더라도 체감되는 무게 자체는 줄어들 수 있습니다.
프레넬 렌즈와 구조적으로 다르기때문에 갓-레이가 없으며, 왜곡 또한 비교적 적습니다.
프레넬 렌즈와 플라노 볼록 렌즈의 단면도. (출처: 위키피디아 fresnel lens 문서, 유저 Pko의 그림)
또 다른 장점에는 갓-레이 현상이 없다는 것에 있습니다.
https://www.youtube.com/shorts/9JX0Zdc6MaU?feature=share
프레넬 렌즈는 2번의 렌즈 굴곡을 그대로 가져가면서 렌즈의 두께를 줄이는 구조입니다.
그 결과 렌즈 끝에 있는 돌기에 의해서 빛이 산란되는 단점이 있습니다.
프레넬 렌즈의 절벽 부분은 결국 평평하므로 빛이 산란됩니다. (출처: Sony, 프레넬 렌즈 및 프레넬 렌즈의 제조 방법 특허)
해당 구조를 사용하지 않는 관계로 갓-레이 현상은 발생 할 수 없습니다.
또한 팬케이크 렌즈는 프레넬 렌즈와 비교했을때 구조상 왜곡이 적습니다.
렌즈의 왜곡은 다음과 같이 보여집니다.
그냥 평면 화면을 VR에 사용되는 렌즈를 통해 본 사진들. (출처: SimulaVR)
이런식으로 중앙부는 눌린 형태, 외곽부는 늘어난 형태로 보인다. (출처: SimulaVR)
이러한 왜곡을 우리는 핀쿠션 왜곡이라고 부릅니다.
정상적인 격자무늬, 배럴 디스토션이 가해진 격자무늬, 핀쿠션 디스토션이 가해진 격자무늬. (출처: BIG VISION LLC, https://learnopencv.com/understanding-lens-distortion/)
이러한 핀쿠션 왜곡이 적기때문에 프레넬 렌즈에서 필요한 배럴 디스토션이 적게 적용됩니다. (하지만 이러한 왜곡을 보정하는데 드는 리소스는 그렇게 크지 않기 때문에 큰 이득은 아닙니다!)
배럴 디스토션의 예시. (출처: SimulaVR)
자세한 내용은 VR에 대한 전반적인 이해 (기본, 트래킹, 디스플레이, 광학, 해상도 PPD) - https://arca.live/b/vrshits/78803542 의 내가 보는 시야, 해상도는 어떻게 나타낼까? 섹션에서 자세한 설명 부분을 통해 확인 할 수 있습니다.
왜곡이 적기 때문에 왜곡에 드는 노력이 줄고 렌즈에서 선명한 구역 또한 넓어집니다.
결국 이러한 구조상의 차이에 의해 왜곡이 적고, 반사 표면에서는 색수차가 없고 프레넬 렌즈와 비교했을때 표면이 매끄러워 회절 아티팩트와 미광이 적게 발생하며, 궁극적으로 렌즈 중앙만 선명한 프레넬과 달리 팬케이크 렌즈는 더 넓은 범위가 선명하게 보이게 됩니다. (이를 edge-to-edge 선명도 또는 스윗스팟이라고 부릅니다. 이 용어들의 혼동에 대한 내용 역시 상단의 VR에 대한 전반적인 이해 게시글에서 동일 섹션의 자세한 설명 위에 설명되어 있습니다.)
다만 이러한 균등한 선명도는 결국 중심만 선명한 프레넬 렌즈에 비해 피크 PPD(각도당 픽셀 수)가 낮은 결과를 초래할 수도 있습니다. 이는 마케팅 적으로 불리할 수 있습니다.
자세한 내용은 PPD가 이상적이면서도 허상과 같이 느껴지는 이유 - https://arca.live/b/vrshits/80541943 에서 더 자세하게 확인 할 수 있습니다.
또한 색수차와 왜곡은 프레넬과 비교했을때 줄어들었을뿐, 여전히 어느정도 남아있습니다. 이를 소프트웨어를 사용하거나 추가적인 렌즈를 통하여 해결합니다.
주로 2개의 렌즈를 사용하는 더블렛 구조이며, 추가적인 FOV의 확보를 위해서 3개의 렌즈까지 사용하기도 합니다.
