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정밀모형안을 이용한 Head Mounted Display용 렌즈계 설계
Lens system design for head mounted display using schematic eyes 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.14 no.3, 2003년, pp.236 - 243  

박성찬 (단국대학교 첨단과학대학 전자물리학전공) ,  안현경 (단국대학교 첨단과학대학 전자물리학전공)

초록
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본 논문에서는 구면수차와 Stiles-Crowford 효과를 고려하여 인간의 눈을 모델링한 정밀모형안과 등가인 렌즈모듈 모형안의 설계에 관하여 논의하였고, 렌즈모듈 모형안을 적용한 Head Mounted Display(HMD)용 광학계를 설계 및 평가하였다. HMD용 광학계에서 요구되는 소형화, 고성능 및 고해상도 등의 필수조건들을 만족시키기 위해 회절광학소자와 비구면을 이용하여 색수차와 단색수차를 보정하였다. SVGA급 480,000화소를 갖는 0.47 인치 micro-display, 플라스틱 hybrid 렌즈, 그리고 렌즈모듈 모형안으로 HMD용 광학계를 구성하였다. 설계된 광학계의 초점거리는 31.25 mm, FOV는 24H$\times$18V$\times$30D degrees, 그리고 전장길이는 59.1 mm이다. 결과적으로, 사용자가 편안함을 느낄 수 있는 HMD에 유용한 광학계를 얻었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We discussed the design of lens module schematic eyes equivalent to finite model eyes, which are used to model the human eye based on spherical aberration and Stiles-Crowford effect. The optical system for head mounted display (HMD) is designed and evaluated using lens module schematic eyes. In addi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 현재까지 개발된 HMD 용 광학계는 인간의 눈을 완전한 상을 얻는 이상적인 광학계로 가정하고 설계되었지만, 실제로 눈은 1차 광학적인 특성이외에도 수차특성을 갖고 있으므로 이들을 고려하여 광학계를구성하고 설계하는 것이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 눈의 수차특성를 포함하고 있는 정밀모형안 으로부터 이와 등가인 렌즈모듈 모형안을 설정하고, 이를 이용하여 HMD용 광학계의 설계 및 성능을 평가하는 방법에 대해 논의 하고자 한다. 광학계는 필수적으로 만족시켜야 할 HMD의 기하학적인 구조및 특징을 고려하여 설계되었고, 또한 사용자가 HMD를 착용할 때 발생하는 눈의 상하좌우 이동과 밝기에 따른 동공 크기의 자동변화를 고려하여 평가하였다.
  •  정밀모형안은 4면 이상의 비구면을 가지고, 근축모형안의 광학적인 성질을 포함하며, 근축모형안보다는 상대적으로 큰 망막 상 크기와 수차, 회절, Stiles-Crawford 효과 등에 의한 상의 특성을 예측 할 수 있는 모형안이다. 또한 안구의 시기능을 예측하고, 안광학계 각각의 광학적 요소가 안구 전체의 시기능 변화에 어떠한 영향을 주는지 예상하기 위해 제안된 것이다. 시기능은 단색수차와 색수차, 횡초점이동, 편심, 노안에따른 수정체의 손상, 망막 위치의 불일치, 선명하지 않은 상에의한 눈의 피로나 혼란 등으로 제한을 받게 된다.
  • 본 논문에서는 HMD의 구성요소인 이미지 소스, 광학계, 그리고 사람의 눈 사이에 중요한 상호관계를 논의하였고, HMD 용 광학계에서만 볼 수 있는 기하학적인 구조와 특징을 알아보았다. 즉 FOV, 눈동자 거리, eye motion box, 결상특성, 그리고 디스플레이의 해상도 및 눈의 특성들 사이에 상호관계를이해함으로써 사용자 중심의 HMD를 설계할 수 있는 기본지식을 제공하였다.
  • 광학계의 물체라고 할 수 있는 이미지 소스, 이미지 소스에서 제공되는 영상을 확대된 정립허상으로 만들어 주는 렌즈 부분과 마지막으로 상면이자 광학적 검출기의 역할을 하는 사람의 눈으로 구성되어 있다. 논문에서는 HMD의 구조와 이에 적용되는 기하 광학적이론에 관해 설명하고, 또한 검출기에 해당하는 사람 눈의 기하학적 구조 및 수차 특성을 고려한 정 밀모형안(finite schematic eye)에 관하여 논의하겠다. 현재까지 개발된 HMD 용 광학계는 인간의 눈을 완전한 상을 얻는 이상적인 광학계로 가정하고 설계되었지만, 실제로 눈은 1차 광학적인 특성이외에도 수차특성을 갖고 있으므로 이들을 고려하여 광학계를구성하고 설계하는 것이 요구된다.
  • 그림 6은 제안된 정밀모형안의 구성도이고, 그림 7은 수차특성이다. 본 논문에서는 이러한 특징을 갖는 모형안을 렌즈모듈 개념을 적용하여 단순화하고, 이와 등가인 렌즈모듈 모형안으로 전환하여 이것을 HMD용 광학계 설계에적용하고자 한다.
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참고문헌 (2)

  1. 10.1364/AO.16.001390 

  2. 10.1364/JOSA.62.000972 

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