[논문 리뷰] Air Mounted Eyepiece: Design Methods for Aerial Optical Functions of Near-Eye and See-Through Display using Transmissive Mirror Device

Yoichi Ochiai, Kazuki Otao외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 11.

Advanced Optical Imaging Technologies참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 공기 중에 부착된 아크릴 렌즈(AME)라는 새로운 근안형 투과형 디스플레이를 제안한다. 이 디스플레이는 투과성 거울 장치(TMD)를 사용하여 머리에 착용하는 디스플레이 렌즈의 실제 공기 중 상을 눈 앞에 투사함으로써, 물리적 안경 없이 넓은 시야각을 제공한다. MDCRA를 갖춘 TMD를 활용함으로써, 왜곡되지 않은 넓은 시야각의 광학 투과형 이미징을 실현하여 증강현실 및 혼합현실 경험을 향상시키며, 자동차 및 의료 시스템 응용 분야에서의 편의성과 안전성을 높인다.

ABSTRACT

We propose a novel method to implement an optical see-through head mounted display which renders real aerial images with a wide viewing angle, called an Air Mounted Eyepiece (AME). To achieve the AMD design, we employ an off-the-shelf head mounted display and Transmissive Mirror Device (TMD) which is usually used in aerial real imaging systems. In the proposed method, we replicate the function of the head mounted display (HMD) itself, which is used in the air by using the TMD and presenting a real image of eyepiece in front of the eye. Moreover, it can realize a wide viewing angle 3D display by placing a virtual lens in front of the eye without wearing an HMD. In addition to enhancing the experience of mixed reality and augmented reality, our proposed method can be used as a 3D imaging method for use in other applications such as in automobiles and desktop work. We aim to contribute to the field of human-computer interaction and the research on eyepiece interfaces by discussing the advantages and the limitations of this near-eye optical system.

연구 동기 및 목표

• 가상의 안경 없이 넓은 시야각을 갖춘 투과형 증강현실 디스플레이를 개발하기 위해.
• 기존의 반사 거울 및 웨이브가이드 기반의 광학 투과형 HMD에서 발생하는 좁은 시야각과 이미지 왜곡 등의 제약을 극복하기 위해.
• TMD를 사용해 HMD 렌즈의 실제 공기 중 상을 공기 중에 투사함으로써, 물리적 착용이 없는 몰입형 근안형 디스플레이 경험을 가능하게 하기 위해.
• 항공 영상에 널리 사용되는 TMD를 근안형 디스플레이 응용 분야에 활용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 안전성과 시야 확보가 핵심인 자동차 및 의료 분야에서의 응용을 지원하기 위해.

제안 방법

• 투과성 거울 장치(TMD)에 마이크로 이중면 반사구조 배열(MDCRA)을 통합하여, 단일 렌즈 VR 디스플레이의 실제 공기 중 상을 눈 앞에 형성한다.
• HMD의 렌즈가 TMD에 대해 초점이 맞춰지도록 위치시킴으로써, 눈 위치에 이미지를 공기 중으로 투사하는 광학 시스템을 구성한다.
• TMD 시스템에 의해 생성된 수직 및 수평으로 뒤집힌 이미지를 보정하기 위해 디지털 이미지 반전 기법을 적용한다.
• TMD와 눈 사이의 거리를 최소화함으로써 전통적인 반사 거울이나 볼록 거울의 제약을 피하고 넓은 시야각을 달성한다.
• 상용 HMD와 TMD를 활용함으로써 빠른 프로토타이핑과 기존 디스플레이 사양과의 호환성을 확보한다.
• 2차 반사 영향을 억제하고 시야각을 좁히지 않기 위해 투명 필터를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TMD를 사용해 HMD 렌즈의 실제 왜곡 없는 공기 중 상을 눈 앞에 투사함으로써, 물리적 착용이 없는 HMD를 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 제안된 AME 방법은 기존 반사 거울 또는 볼록 거울 기반의 투과형 HMD보다 더 넓은 시야각을 확보할 수 있는가?
• RQ3 AME 시스템은 전체 투과 기능을 유지하면서도 이미지 품질을 유지하고 왜곡을 방지할 수 있는가?
• RQ4 AME 시스템의 해상도와 시야각은 TMD의 거울 피치와 HMD 사양에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 AME는 자동차나 의료 응용 분야처럼 안전이 핵심인 비착용형 환경에 효과적으로 적용될 수 있는가?

주요 결과

• AME 시스템은 눈 앞에 VR 디스플레이 렌즈의 실제 공기 중 상을 성공적으로 투사하여, 물리적 착용 없이도 HMD 경험을 재현한다.
• 상용 오culus DK2 HMD를 사용하여 최대 110°의 시야각을 달성하였으며, 이는 기존 반사 거울 기반 시스템의 좁은 시야각을 크게 초월한다.
• TMD가 실제 이미지의 빛장 정보를 유지할 수 있기 때문에, 볼록 거울이나 반사 거울과 달리 투과 시야에서 왜곡이 발생하지 않는다.
• 편광 필터를 사용함으로써 2차 반사 영향이 효과적으로 억제되어 넓고 선명한 시야각을 유지한다.
• 공기 중 상의 해상도는 TMD의 거울 피치에 따라 달라지며, 더 미세한 피치가 더 높은 해상도의 이미징을 가능하게 한다.
• 이 방법은 기존의 HMD와 TMD와 호환되어 실생활 응용 분야에서의 빠른 프로토타이핑과 확장성을 확보할 수 있다.