출처:
https://www.oejournal.org//article/doi/10.29026/oea.2024.230178
초록:
팬케이크 렌즈라고도 하는 카타디옵틱 렌즈 구조는 폼팩터를 줄이기 위해 가상 현실(VR) 디스플레이에 널리 사용되어 왔습니다. 하지만 광학 경로를 세 번 접는 하프 미러(HM)를 사용하면 상당한 광학 손실이 발생합니다. 이론상 최대 광학 효율은 25%에 불과합니다. 이 논문에서는 기존 팬케이크 광학의 고유한 접이식 특성을 유지하면서 이러한 광학 효율의 제약을 극복하기 위해 HM을 비역방향 편광 회전기로 대체하는 이론적으로 손실이 없는 접이식 광학 시스템을 제안합니다. 타당성 실증 실험에서는 상용 패러데이 로테이터(FR)와 반사 편광판을 사용하여 손실이 있는 HM을 대체했습니다. 이론적으로 예측되는 100% 효율은 두 개의 고소멸률 반사 편광판을 사용하면 대략적으로 달성할 수 있습니다. 또한 이미징 시스템에서 마이크로 OLED 패널을 사용하여 고스트 이미지를 평가했습니다. 실제로 광학 장치에 반사 방지 코팅이 되어 있으면 고스트 이미지를 감지할 수 없는 수준까지 억제할 수 있습니다. 유니티의 새로운 팬케이크 광학 시스템은 가볍고 컴팩트한 폼팩터와 낮은 전력 소비로 차세대 VR 디스플레이를 혁신할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
출처:
https://phys.org/news/2024-02-revolutionizing-generation-vr-displays-pancake.html
증강 현실(AR), 가상 현실(VR), 혼합 현실(MR)은 지각의 지평을 넓히고 기존의 평면 패널 디스플레이의 한계를 뛰어넘는 인간과 디지털 간의 심층적인 상호 작용을 이끌어냈습니다.
이러한 발전은 메타버스, 디지털 트윈, 공간 컴퓨팅을 아우르는 흥미진진한 새로운 가능성의 영역을 열었으며, 스마트 교육 및 훈련, 의료, 내비게이션, 게임, 엔터테인먼트, 스마트 제조와 같은 다양한 분야에서 광범위하게 응용되고 있습니다.
AR, VR, MR 디스플레이가 장시간 착용할 수 있는 진정한 웨어러블 디스플레이가 되기 위해서는 작고 세련된 폼 팩터, 가벼운 무게, 낮은 전력 소비가 절실히 필요합니다. 프레넬 렌즈와 굴절 렌즈에 비해 팬케이크 광학이라고도 불리는 편광 기반 폴드 옵틱은 지난 몇 년 동안 애플 비전 프로와 메타 퀘스트 3 등 작고 가벼운 VR 헤드셋을 위한 중요한 혁신으로 떠올랐고, 그 중 하나가 바로 폴드 옵틱입니다.
이러한 팬케이크 광학은 VR 디스플레이의 부피를 크게 줄여 헤드셋의 무게 중심을 개선합니다. 하지만 하프미러를 사용하면 상당한 광학 손실이 발생하여 최대 효율이 25%로 제한됩니다. 따라서 연구자들은 팬케이크 렌즈와 동일한 접이식 기능을 제공하면서도 광학 손실이 없는 새로운 광학 구조를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.
옵토 일렉트로닉 어드밴시스(Opto-Electronic Advances)에 게재된 새로운 논문의 저자들은 광 엔진, 이미징 광학, AR, VR, MR 디스플레이의 전력 소비를 광범위하게 탐구했습니다. 이 논문에서는 VR 및 MR 디스플레이의 부피를 줄이면서도 높은 효율을 유지할 수 있는 획기적인 팬케이크 광학 시스템을 제안합니다.
이 연구의 동기는 시각적으로 인상적일 뿐만 아니라 장시간 사용해도 편안한 웨어러블 VR/MR 헤드셋에 대한 수요가 증가하고 있기 때문입니다. 기존의 팬케이크 옵틱을 사용하는 현재의 VR 헤드셋은 낮은 광학 효율로 인해 헤드셋의 발열이 증가하고 하프 미러로 인한 막대한 광학 손실로 인해 배터리 수명이 짧아지는 등의 문제에 직면해 있습니다.
그림 1 (a-b)에서 볼 수 있듯이, 디스플레이 패널에서 나오는 빛의 약 25%(다른 손실이 없다고 가정)만이 관찰자의 눈에 도달합니다. 그러나 마이크로 디스플레이가 편광되지 않은 빛을 방출하면 최대 광학 효율은 12.5%로 더욱 감소합니다. 사용하지 않은 빛은 헤드셋에 흡수되어 열 효과를 높이거나 미광이 되어 이미지 품질을 떨어뜨릴 수 있습니다.
새로운 팬케이크 광학 시스템은 그림 1(c-d)과 같이 반사 편광판 사이에 패러데이 로테이터라고도 하는 비상호 편광 로테이터를 통합하는 이론적으로 무손실 설계를 도입하여 이 문제를 해결합니다. 이러한 설계에서 비역방향 편광 로테이터는 광 경로를 접는 데 중요한 역할을 합니다.
상호 편광 로테이터(예: 반파판)에 비해 비상호 편광 로테이터는 그림 2와 같이 광파의 전파 방향에 관계없이 선형 편광광을 회전시킵니다. 따라서 비역방향 편광 로테이터를 통한 전진 및 후진 전파의 왕복은 2θ의 순회전을 초래합니다.
그림 3 (a) 및 (b-c)와 같이 레이저 광원과 마이크로 OLED 패널로 예비 실험을 수행하여 광학 효율과 접는 기능을 각각 검증했습니다. 측정된 광학 효율은 약 71.5%로, 반사 방지(AR) 코팅이 되어 있지 않고 사용된 반사 편광판의 성능이 이상적이지 않았기 때문입니다.
고성능 반사 편광판과 AR 코팅을 사용한 후 광학 효율은 93.2%로 개선되어 이론적 예측치에 근접했습니다. 또한 이 새로운 팬케이크 광학 시스템에서 발생할 수 있는 4가지 유형의 고스트 이미지를 분석했습니다. 이러한 고스트 이미지의 근본 원인을 파악하여 이미지 명암비를 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제안합니다. 또한 패러데이 로테이터의 대역폭을 넓혀 풀 컬러 디스플레이를 가능하게 하는 다층 구조가 제안됩니다.
그림 3 (d-f)에 표시된 바와 같이, 광대역 스펙트럼 응답을 달성하기 위해서는 세 가지 시퀀스의 비상호 편광 로테이터와 1/4파장 플레이트가 적절합니다. 마지막으로, 넓은 시야각과 진정한 소형 폼팩터를 달성하기 위해 박막 자기 광학 재료의 몇 가지 가능한 후보를 분석하고 이 기사에서 논의합니다.
전반적으로 이 데모는 새로운 팬케이크 광학 시스템이 가볍고 컴팩트한 폼팩터와 낮은 전력 소비로 차세대 VR 및 MR 디스플레이에 혁신을 일으킬 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 가시광선 영역에서 큰 베르데 상수를 가지면서 자석이 없고 투명도가 높은 박막 패러데이 회전자에 대한 필요성이 대두됨에 따라 향후 차세대 자기 광학 재료 개발이 촉진될 것으로 예상됩니다.
