이전 기사 'AR 회절 도파관이란 무엇입니까?'에서 회절 도파관의 기본 원리를 설명하고 표면 릴리프 격자 도파관과 볼륨 홀로그램 격자 도파관 간의 차이점을 강조했습니다. 오늘은 회절 도파관의 핵심 기능과 최적화 방향에 대해 더 자세히 알아보고 표면 릴리프 격자 기반 회절 도파관이 AR 안경의 주류 디스플레이 기술로 떠오르는 이유에 대해 논의하겠습니다.
01 회절 도파관의 핵심 기능
1. 이미지 아이소메트릭 전송
이전 기사에서 우리는 회절 도파관이 마이크로 프로젝션 시스템(광학 엔진)에서 방출된 빛을 인간의 눈으로 직접 전달하기 위해서는 커플링 인 및 커플링 아웃 과정을 거쳐야 한다는 것을 알고 있습니다. 구체적으로, 광학 엔진에서 방출된 빛은 결합 격자를 통해 평면 도파관으로 들어가 내부 전반사에 의해 내부에서 전파되고 최종적으로 결합 격자를 통해 눈으로 전달됩니다.
이 과정의 가장 중요한 측면은 전체 내부 성찰입니다. 그러나 내부 전반사는 정확히 무엇입니까?
내부 전반사는 빛이 굴절률이 높은 매질에서 굴절률이 낮은 매질로 이동할 때 발생하며 입사각은 임계각보다 크거나 같습니다. 내부 전반사 조건이 충족되면 빛은 외부로 투과되지 않고 반사에 의해 평면 도파관을 통해 지속적으로 전파되어 빛의 방향이 변경될 수 있습니다. 내부 전반사로 인해 발생하는 잘 알려진 자연 현상은 신기루입니다.
일반적으로 AR 안경은 광학 엔진을 사용하여 이미지를 출력합니다. 그러나 광학 엔진을 렌즈 위에 직접 배치하면 사용자의 시야를 가리고 시각적으로 매력적이지 않게 됩니다. 더욱이 광학 엔진에만 의존하면 가상 이미지와 실제 이미지를 병합하는 원하는 효과를 얻을 수 없습니다.
내부 전반사의 원리를 활용하는 회절 도파관은 광학 엔진에서 투사된 이미지의 등각 전송을 수행하여 광학 엔진을 안경의 상단이나 측면에 배치할 수 있습니다. 이 접근 방식은 사용자의 시야 방해를 방지할 뿐만 아니라 회절 도파관의 높은 광 투과율과 얇은 프로필로 인해 AR 안경의 외관을 일반 안경에 더 가깝게 만드는 동시에 원하는 가상 현실 통합 효과를 달성합니다.
회절 도파관은 이미지를 눈으로 전송하는 역할만 담당하며 이미지 자체의 내용에는 영향을 미치지 않습니다. 즉, 이미지 크기를 확대하거나 축소할 수 있는 기능이 없다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.
2. 2차원 동공 확장
표준 광학 디스플레이 솔루션에는 일반적으로 동공 확장 기능이 부족하여 뷰어가 광학 엔진의 출구 동공 크기 범위(즉, 안구 운동 범위) 내의 이미지만 볼 수 있도록 제한됩니다. 예를 들어, 광학 엔진의 출사동 크기가 Φ5mm인 경우 사용자는 Φ5mm 범위 내의 이미지만 볼 수 있습니다. 이는 마치 구멍을 통해 세상을 보는 것과 비슷하여 몰입감과 시각적 경험이 크게 저하됩니다.
이 문제를 해결하기 위해 회절 도파관은 2차원 동공 확장을 달성하여 작은 크기와 넓은 시야를 유지하면서 출사 동공을 확대할 수 있습니다. 이는 양방향으로 안구 운동 범위를 효과적으로 증가시켜 몰입감을 높이고 시각적 경험을 향상시키는 동시에 다양한 동공 간 거리를 수용합니다. 이는 회절 도파관의 두 번째 핵심 기능을 나타냅니다.
2차원 동공 확장을 구현하는 데는 일반적으로 두 가지 접근 방식이 있습니다. 첫 번째는 3개의 1차원 격자(즉, 결합 격자, 굽힘 격자 및 결합 격자)를 사용하는 것입니다. 두 번째 접근 방식은 하나의 1차원 격자(결합 격자)와 하나의 2차원 격자(결합 격자)를 사용합니다.
첫 번째 접근법에서는 광학 엔진에서 방출된 빛이 결합 격자를 통해 도파관에 결합됩니다. 그런 다음 빛은 내부 전반사를 거쳐 굴곡 격자에 부딪히며, 여기서 빛의 일부는 커플링 아웃 격자로 방향이 바뀌고 나머지 빛은 반사를 통해 계속해서 앞으로 전파됩니다. 이 빛은 다시 벤딩 격자에 닿고 다른 부분은 커플링 아웃 격자로 방향이 변경됩니다. 이 과정은 1차원 동공 확장을 달성하기 위해 반복됩니다.
마지막으로, 커플링 아웃 격자에 도달하는 빛의 일부는 눈으로 회절되고 나머지 빛은 반사를 통해 앞으로 계속 전파되어 다시 커플링 아웃 격자와 상호 작용합니다. 이 과정은 1차원 동공 확장의 다른 방향을 초래합니다. 이러한 두 개의 1차원 확장이 결합되면 2차원 동공 확장이 생성됩니다.
두 번째 접근 방식에서는 결합 격자를 사용하여 광학 엔진에서 방출된 빛을 도파관에 결합하는 과정도 시작됩니다. 그런 다음 빛은 내부 전반사를 거쳐 2차원 결합 격자에 부딪힙니다. 이 시점에서 빛의 일부는 눈으로 회절되고 나머지 빛은 분할되어 수평 및 수직 방향의 반사를 통해 앞으로 계속 전파됩니다.
그런 다음 빛은 다시 커플링 아웃 격자와 상호 작용하여 다른 부분이 눈으로 회절됩니다. 이 과정이 반복되어 효과적으로 2차원 동공 확장이 달성됩니다.
위의 내용은 2차원 동공 확장 방식의 물리적 프로세스를 설명합니다. 이에 비해 첫 번째 방식은 회절 도파관의 설계 및 제작 측면에서 상대적으로 간단하지만 전체 렌즈 영역을 더 많이 차지합니다. 반면에 두 번째 방식은 2차원 격자를 사용해야 하기 때문에 설계 및 제조가 더 복잡하여 구현하기가 더 어렵습니다. 그러나 이 접근 방식을 사용하면 전체 구조가 더 콤팩트해져서 렌즈 영역을 줄일 수 있습니다.
2차원 동공 확장을 사용하면 안구 운동 범위를 늘리고 사용자 몰입도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 수평 및 수직 방향 모두에서 광학 엔진의 무게와 크기를 줄여 AR 안경을 더 가볍고 적응력을 높일 수 있습니다.
2차원 동공 확장은 이미지를 여러 번 복제하지만 실제로는 여러 이미지가 아닌 하나의 이미지만 인식한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이는 커플링 아웃 격자에 의해 전달되는 이미지가 실제 이미지가 아닌 가상의 이미지이기 때문이다. 게다가, 인간의 뇌는 자신이 보는 광선의 확장된 가시선을 따라가면서 자신을 속이는 경향이 있습니다. 동공 확장에 의해 생성된 광선은 동일한 가상 이미지의 서로 다른 각도에 해당하므로 눈이 인식하는 확장된 광선의 위치 수에 관계없이 확장된 시선을 기반으로 동일한 이미지로 추적됩니다.
예를 들어, 평면거울을 통해 촛불을 관찰하는 것과 비슷합니다. 촛불의 빛은 거울에 반사되어 눈에 들어오고, 눈은 연장된 광선에 따라 허상을 찾습니다. 다이어그램에 묘사된 세 개의 광선은 회절 도파관의 세 가지 다른 위치에서 확장된 광선으로 이해될 수 있습니다. 다이어그램에서 볼 수 있듯이 이 세 개의 광선을 동시에 보면 모두 동일한 이미지를 가리킵니다.
또한 회절 도파관의 에너지 효율이 낮다는 일반적인 오해가 있습니다. 실제로 이러한 인식은 회절 도파관이 빛 에너지를 여러 부분으로 나누고 각 출사 동공 위치에 균등하게 분배해야 하는 2차원 동공 확장을 달성하는 과정에서 발생합니다. 결과적으로 단위면적당 에너지는 자연스럽게 감소하게 된다. 그러나 회절 도파관에서 나오는 모든 광선을 눈으로 모으는 경우 에너지 효율이 실제로 낮지 않다는 것을 알 수 있습니다.
따라서 회절 도파관의 낮은 에너지 효율이 인식되는 주된 이유는 동공 확장입니다. 그러나 확장은 회절 도파관의 중요한 특징이며 앞서 언급한 것처럼 많은 이점을 제공합니다. 따라서 일정 수준의 동공 확장을 유지하면서 에너지 효율을 극대화하는 것이 필수적이다.
02 회절 도파관의 세 가지 주요 최적화 방향
1. 빛 회절 효율 최적화
앞서 언급했듯이 많은 사람들은 회절 도파관이 에너지 효율이 낮다고 인식하고 있습니다. 이 문제를 해결하려면 일정 수준의 동공 확장을 유지하면서 빛의 회절 효율을 최적화하여 에너지 효율을 향상시키는 것이 필요합니다.
나노 규모 격자의 특징 크기는 빛의 파장과 비슷하기 때문에 전파 중에 빛을 일반 광선이 아닌 전자기파로 처리하는 것이 필수적입니다. 빛이 격자에 닿으면 여러 방향(회절 차수)으로 분할되며, 필연적으로 이 과정에서 빛 에너지의 일부가 손실됩니다.
대부분의 빛 에너지가 회절 도파관에 결합되도록 하기 위해 일반적으로 회절 도파관의 작동 순서로 특정 0이 아닌 회절 차수(전체 내부 반사 조건을 충족하는)를 선택합니다. 격자 주기, 듀티 사이클, 홈 깊이, 측벽 각도 등의 매개변수를 정밀하게 제어함으로써 빛의 회절 효율을 최적화하고 대부분의 빛 에너지를 이 작업 순서에 집중할 수 있습니다. 이는 결과적으로 에너지 효율성을 향상시키고 이미지 밝기를 증가시킵니다.
2. 다양한 입사각에 대한 회절 효율 최적화
격자를 최적화할 때 고려해야 할 또 다른 중요한 요소는 빛의 입사각이 회절 효율에 미치는 영향입니다.
광학 엔진에 의해 투사된 이미지는 밝은 표면을 형성하기 때문에 이 표면의 다양한 위치에서 나온 빛은 다양한 각도로 회절 도파관으로 들어갑니다. 회절 도파관의 경우 입사각이 다르면 회절 효율이 달라져 이미지의 전체 밝기가 일관되지 않게 됩니다.
따라서 특정 회절 차수에 대한 회절 효율을 최적화하는 것 외에도 균일한 밝기를 보장하기 위해서는 다양한 입사각에서 빛에 대한 회절 효율을 최적화하는 것도 필수적입니다.
3. 다양한 파장에 대한 회절 효율 최적화
다양한 색상의 빛은 다양한 파장을 가지며 이는 회절 효율에 영향을 미칩니다. 또한 파장이 다르면 회절 각도도 달라집니다. 즉, 동공 확장 과정에서 서로 다른 색상의 빛과 커플링 아웃 격자의 상호 작용 빈도도 달라집니다. 이 두 가지 요인으로 인해 각 색상의 빛이 동일한 에너지 비율로 눈에 들어오는 것이 어려워져 색상 균일성 문제가 발생합니다. 따라서, 단일층 회절 도파관을 사용하는 이미지에서 우수한 색상 균일성을 달성하는 것은 어렵습니다.
서로 다른 파장의 빛이 동일한 에너지 비율로 방출되도록 하기 위해 일반적으로 회절 도파관의 다층(2개 층 이상) 적층이 사용됩니다. 회절 도파관의 각 층은 특정 파장 범위에 대한 에너지를 제어하고 강화하는 동시에 층 간의 혼선을 억제하도록 최적화되었습니다. 이 접근 방식은 서로 다른 파장의 빛이 궁극적으로 동일한 에너지 비율로 눈에 들어가도록 보장하여 색상 균일성을 개선하고 정상적이고 생생한 이미지를 표시합니다.
03 요약
한편, 회절 도파관은 이미지 등각 전송과 2차원 동공 확장이라는 두 가지 핵심 기능을 가지고 있습니다. 이러한 기능을 바탕으로 AR 글래스를 가볍고 슬림하게 만들면서 더 넓은 범위의 사용자를 수용할 수 있어 강력한 몰입감과 뛰어난 시각적 경험을 제공합니다. 또한, 반도체 공정의 통합은 회절 도파관의 제조 가능성을 향상시켜 AR 안경이 소비자 시장에 진출할 수 있는 견고한 기반을 마련합니다.
반면, AR 안경의 주류 디스플레이 기술인 회절 도파관은 큰 잠재력을 제공하지만 상당한 복잡성도 제시합니다. 회절 효율의 최적화는 회절 차수, 입사각, 파장 등 다양한 측면에서 고려해야 합니다.
지속적인 기술 발전과 추가 성능 최적화를 통해 AR 회절 도파관은 AR 안경을 가정에 도입하여 메타버스 시대에 밝게 빛날 준비가 되어 있습니다.
