VR 광학계

VR 광학계 관련 공부중입니다.

http://lavalle.pl/vr/

Virtual Reality - LaValle

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 VR 광학계의 두께를 제한하는 원인을 먼저 보고자 한다.

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1. VR 광학계 특성

 

아래와 같이 VR 광학계를 볼록렌즈 하나로 설계한다고 해보자.

VR 렌즈의 기본 도식. 기존 포스팅에 눈을 추가하였다.

 

렌즈를 배치하는 이유는, 패널의 영상을 멀리있는 스크린처럼 보이고자 함이다.

여기서 패널의 상에 해당하는 virtual screen까지의 거리는 일반적으로 1.5m 정도로 설계된다.

그리고, 패널은 HMD 내부에 존재하므로 눈에서 매우 가까운 거리에 존재한다.

즉, 아래와 같은 식이 적용된다.

lens equation에 대입하여 생각해보면 panel은 렌즈의 초점거리에 매우 가까운 곳에 위치해야 함을 알 수 있다.

b가 a에 비해 매우 크므로, a는 f와 유사한 (조금 작은 값을 갖게 된다.

 

패널은 초점 근처에 배치되어야 한다.

https://engineerer.tistory.com/48

눈의 광학 특성 및 VR 렌즈

 

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2. 제약조건 (FoV, 패널크기)

 

눈은 초점거리 부근에 존재해야 한다. (Eyebox)

VR에서 눈은 초점거리 주변에 있어야 전체 image를 다 볼수 있다.

이를 Eyebox라고 한다. Eyebox의 크기 또한 중요한 인자이지만, 복잡하여 다음 포스팅에 다뤄보고자 한다.

VR에서 중요한 display spec이 바로, FoV와 resolution이다.

 

FoV는 위의 그림에서 아래와 같이 유도가 된다.

w는 패널크기 이다.

보통 VR에서 요구하는 FoV 는 100° 이상으로, 여기서 근사를 편하게 하기 위해 90°로 설정해보자.
(여기서 정확한 설계를 해야하는 건 아니니까...)

tan45°=1 이니까, W=2f가 되게된다.

 

VR에서 요구하는 해상도는 일반 폰의 패널 해상도와 비슷하다. 그러므로 패널의 크기는 일반 폰의 display 크기를 생각할수 있다. (마치 gear VR처럼)

S23의 width 는 7cm 정도 된다고 한다. https://www.dxomark.com/samsung-galaxy-s23-display-test/

위의 w=2f로부터, f=3.5cm 정도로 정리가 된다. 즉, VR에 사용되는 렌즈의 초점거리를 3.5cm 수준이 된다.

Samsung Galaxy S23 Display test - DXOMARK

 

위의 결과를 토대로, 처음 그림으로 돌아가면, panel로부터 눈까지 2f의 거리가 필요하며 이는 약 7cm 수준이 되게 된다.

이 값이 VR 기기의 두께를 두껍게 만드는 원인이 되고 있으며, 이를 좁히기 위해 여러 기술이 개발되고 있다.

광경로를 접는 렌즈 (=pancake렌즈 or folded lens) 또한 그 중 하나이다.

 

이상 VR 광학계 소형화의 원인인, 두께를 두껍게 하는 원인을 살펴보았다.

* 광학계의 렌즈 equation에서 FoV / 패널 크기 (from resolution) 를 제약조건으로 넣음으로써 유도가 가능하였다.