[143]알파글래스의 개발과정으로 알아보는 ar 스마트글래스 광학 시스템

1. 알파글래스의
개발과정으로 알아보는
AR 스마트글래스 광학 시스템
이준희
㈜더알파랩스

2. CONTENTS
1. 광학계란 무엇인가?
2. 중요한 것은 크기
3. 저비용 Wave Guide Combiner
4. Telescopic Collimator Design
5. 다음은 무엇인가?

3. 1.
광학계란 무엇인가?

4. 1.1 계기
상상했던 것과 너무 달랐던 AR 스마트글래스
어쩌다가 이런걸 개발하게 되었나

5. 1.2 상상했던 것들

6. 1.3 일반 구조
- 이미지를 투영하는 Combiner(Beam Splitter)
- 이미지를 조절하는 Collimator(Magnifier)
- 이미지를 만들어내는 μDisplay(LCoS, OLEDoS, DLP...)
Combiner + Collimator + Display

7. 1.4 청사진
안경과 같은 사이즈를 가진 스마트글래스

8. 2.
중요한 것은 크기

9. 2.1 The bigger is the better
넓은 화면 ≠넓은 디바이스
홀로그램이 뭔지는 모르겠으나
확실히 지금의 평판 디스플레이보단 좋다!

10. 2.1 크기
어떻게 크게 보일까?
눈 앞의 손가락과 저 멀리 비행기 중 어떤 것이 더 클까?

11. 2.2 각배율
만약 사물이 멀리 있다면, 크기는 어떻게 느낄까?
Infinity Focus 에서의 Angular Magnification

12. 2.3 Field of View
사용자가 보는 화면의 ‘크기’
HMD, HUD, AR Smart Glasses 에서 말하는 FOV는 곧 스크린의 크기
해상도라고 묻지 말라

13. 2.4 주어진 크기
스마트폰 체감의 스크린 사이즈를 구현하기 위한 숫자들

14. 2.5 기초 조건
FOV(Diagonal) = 30도
Max. Diameter = 20mm
Eye Relief Distance = 20 ~ 40 mm
Eye Box = 10mm x 10mm
Exit Pupil = 22.8mm x 19.6mm (4:3)
Budget = 약 4천만원 !!
목표로 하는 디바이스를 위한 조건들

15. 3.
저비용 Wave Guide Combiner

16. 3.1 Total Internal Reflection
Wave Guide = 내부전반사 원리를 이용한 광학 소자

17. 3.2 Google Glass의 경우
- PBS(Polarizing Beam Splitter)
- Cube 형태로 2D로 늘리면 3D로 부피가 증가
가장 단순하고 효과적인 PBS

18. 3.2 Hololens의 경우
DOE(Diffraction Optical Element)가 활용된 WG

19. 3.2 Hololens의 경우
- 빛의 파장에 의존
- 스타트업이 현실적으로 할 수 없는 시도
DOE(Diffraction Optical Element)가 활용된 WG

20. 3.3 2차원 파이프 Wave Guide
- 저비용으로 만들 수 있는 PBS에 가까운, Reflection Wave Guide
- 수평면 뿐만 아니라 동시에 수직면도 내부전반사를 시키자
Tangential Plane TIR + Sagittal Plan TIR

21. 3.3 2차원 파이프 Wave Guide
Prototype
- 당시 전 재산을 부어 만들었지만...

22. 3.3 2차원 파이프 Wave Guide
1. 너무 많은 Fletch Rays = 조절 하기 어려운 Ghost Images
2. 대각선 부분에서 제멋대로인 밝기
3. 계약서의 소중함...
Problems

23. 3.4 값비싼 가르침...
1. 남들이 안 하는데는 다 이유가 있다
2. 심플하게 생겼다고 설계가 심플하지는 않다
Reason!

24. 3.5 1차원 Wave Guide
- 수평면과 수직면을 다르게 확장할 수 있을까?
- 원하는 FOV를 위한 반사면의 개수는?
- WG 내에서 진행 각도는?
Sagittal Plan TIR + XEYM Telecentric System

25. 3.5 Lumus의 경우
2D Expansion

26. 3.5 Lumus의 경우
- 수직 확장 WG + 수평 확장 WG
- 많은 반사면으로 인해 급격히 떨어지는 밝기
2D Expansion

27. 3.5 1차원 Wave Guide
수직면과 수평면의 이미지를 각각 조절

28. 3.5 1차원 Wave Guide
X-axis Expansion, Y-axis Magnification
Expansion
Magnification

29. 3.5 1차원 Wave Guide
Boundary Condition
Image Stop
d
θi
ε
θt
n1=1.0
n2=1.5
HFOV=15°
l=3
𝜃" = 41.8°
𝜃( = ε
d = ?
ε = ?n1
n2
l
𝜃(*(+= 𝜃( −
-./0
+1
𝜃(*23= 𝜃( +
-./0
+1
𝜃5 = 2𝜃(
𝜃5*(+ = 2𝜃( −
-./0
+1
𝜃5*23 = 2𝜃( +
-./0
+1
0 < 𝜃(*(+
𝜃5*(+ > 𝜃"
Fletch Ray가 발생하지 않는 최적의 구경과 각도

30. 3.5 1차원 Wave Guide
Boundary Condition
Image Stop
d
θi
ε
θt
n1=1.0
n2=1.5
HFOV=15°
l=3
𝜃" = 41.8°
𝜃( = ε
d = ?
ε = ?n1
n2
l
𝜃(*(+= 𝜃( −
-./0
+1
𝜃(*23= 𝜃( +
-./0
+1
𝜃5 = 2𝜃(
𝜃5*(+ = 2𝜃( −
-./0
+1
𝜃5*23 = 2𝜃( +
-./0
+1
0 < 𝜃(*(+
𝜃5*(+ > 𝜃"
Fletch Ray가 발생하지 않는 최적의 구경과 각도

31. 3.5 1차원 Wave Guide
첫번째 반사면과 마지막 반사면에서의 빛의 밝기를 동일하도록
단계별로 다른 반사율을 적용
Gradient Reflection
100%
50%
50%
25%
25%
12.5%
12.5%
100% 75%
25%25%
50%
25%
25%

32. 3.6 결과
여기까지 대략 3천만원 가량 소모...

33. 4.
Telescopic Collimator Design

34. 4.1 이전의 Collimators
- 기존 시스템에서의 Collimator = 돋보기
- 디스플레이 크기에 의존적 = 정비례하는 조리개 구경
기존 시스템에서의 Collimator

35. 4.2 망원경과 Collimator
망원경 구조를 접목한 길고 가느다란 형태
- 구경 조리개가 작아 부피가 작다
- 작은 조리개로 밝기가 떨어진다

36. 4.2 Telescope for Collimator
작은 조리개로 인한 상대적 밝기
디스플레이의 FOV 필터 렌즈
- 디스플레이 또한 가지고 있는 FOV
- 수치상으로는 떨어지지만 체감은?

37. 4.2 망원경과 Collimator
하지만 다소 길다...
- 안경에서 50mm 이상 떨어진 부분은?
- 숨길 수 있는가?

38. 4.3 Toroidal Cylindrical Lens
- 광 축 각각의 다른 곡률을 가지는 렌즈(ex. 도넛)
2개의 다른 곡률을 가진 렌즈

39. 4.3 Toroidal Cylindrical Lens
- 흔하지 않은 렌즈(다들 잘 모른단다...) = 비싸다, 성능보장 안됨
- 중국이라면 더더욱...
하지만 이해시키기도 힘든 렌즈...

40. 4.4 단순하게
- 스펙을 조금 낮추고, FOV 30 -> 28
- Toroidal에서 양면 Cylindrical Lens 2매로
조금 더 단순한(저렴한) 형태로

41. 4.5 마침내!!
현재의 Prototype

42. 4.5 구동영상
현재의 Prototype

43. 5.
다음은 무엇인가?

44. 5.1 영웅의 조건
기존 디스플레이 경험과 비슷한 수준의 FOV
기존 안경과 비교하여 납득할 만한 디자인과 사이즈
이상적인 디바이스의 조건

45. 5.2 Vuzix의 경우
회절광학계를 적극 사용한 곡률을 가진 스마트글래스

46. 5.3 Magic Leap의 경우
...잘 모르지만 성공했으면 좋겠습니... 성공해야만 합니다

47. 5.4 Alpha Labs의 경우
비용 따윈 고려하지 않은 설계
Optical Fiber + Multi Insert WG + Matrix WG

48. 5.4 Alpha Labs의 경우
- Display 에서 부터 Combiner 까지 광섬유를 이용한 전달
- High Brightness
Optical Fiber

49. 5.4 Alpha Labs의 경우
- Row -> Column, 마치 Transposed Matrix 처럼
Matrix WG for Display

50. 5.4 Alpha Labs의 경우
- 2개 이상의 삽입부를 가지는 WG
- 임계각을 두 배로 늘릴 수 있다
- 비용은 모르겠지만, 밝기는 약 2배
Multi Insert WG

51. 5.5 기대 스펙
FOV 90°
최소한 기대되는 스펙은...
~ 10mm3 Curved

52. 5.5 What I dreaming
영화 허
비서의 역할 항상 옆에 있고 준비되어 있고 알아서 먼저 다가온다
중간자

53. Thank you

54. • http://global.epson.com/innovation/engineer/moverio.html
• http://www.tomshardware.co.uk/vive-rift-playstation-vr-comparison,review-33556-3.html
• http://doc-ok.org/?p=1414
• http://hsimed.gtri.gatech.edu/guidelines/wd_video.php
• http://www.epd.gov.hk/eia/register/report/eiareport/eia_1782009/HTML/EIA%20Report/Section10.htm
• http://hsimed.gtri.gatech.edu/guidelines/wd_video.php
• https://medium.com/@somospostpc/a-comprehensive-look-at-smartphone-screen-size-statistics-and-trends-e61d77001ebe
• http://advances.sciencemag.org/content/1/7/e1500391.full
• http://www.ledzs.com/upLoad/product/month_1704/201704081020066557.jpg
• http://patentimages.storage.googleapis.com/US20130070338A1/US20130070338A1-20130321-D00000.png
• http://www.kguttag.com/2016/10/27/armr-combiners-part-2-hololens/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction_grating
• https://en.wikipedia.org/wiki/Total_internal_reflection
• https://c3metrics.com/wp-content/uploads/2017/01/galileo-H.jpeg
• (US2003165017A1)Substrate-guided optical beam expander
• Meng-Che Tsai, Tsung-Xian Lee, "Design of an ultra-thin near-eye display with geometrical waveguide and freeform optics", Proc. SPIE 10126, Advances in Display
Technologies VII, 101260R (16 February 2017); doi: 10.1117/12.2253301; http://dx.doi.org/10.1117/12.2253301
• https://uploadvr.com/waveguides-smartglasses/
• https://www.slideshare.net/StudioSFO/mobile-augmented-reality
• US20170038593A1, Near-Eye Display With Self-Emitting Microdisplay Engine
• http://www.kguttag.com/2016/11/20/magic-leap-separating-magic-and-reality/
• https://vrwiki.wikispaces.com/Magic+Leap
• T. Schowengerdt, Brian & S. Johnston, Richard & Melville, C & J. Seibel, Eric. (2012). 47.4: Invited Paper: 3D Displays using Scanning Laser Projection. SID Symposium
Digest of Technical Papers. 43. . 10.1002/j.2168-0159.2012.tb05863.x.