Posted by Source: https://doi.org/10.1186/s43074-020-00010-0
Time-multiplexing
Polarization-dependent lens
Polarization-dependent lens들은, Polarization-dependent optical distance들과 동일한 기능을 제공하지만, 대게 더욱 간결한 크기를 가진다.
(a) Birefringent crystal lens(이방성 결정 렌즈, Love et al. [72])
이 렌즈들은 서로 다른 굴절률과 따라서 다른 초점 거리를 가진 s- 및 p-편광 빛을 나타낸다. 네 개의 초점 평면을 생성하며, 고프레임율 디스플레이 패널을 사용하면 깜빡임 없는 다중 초점 3D 장면을 표시할 수 있다.
(b) Pancharatnam-Berry phase lens(PBLs, Yoo et al. [83])
이 렌즈는 공간적으로 변화하는 광학 이방성에 따라 다중 초점 디스플레이를 가능하게 한다. 하지만 큰 Optical power를 가진 PBLs는 유의미한 색상 불량이 발생할 수 있다.
(c) LC Fresnel lens
이 렌즈는 초점 거리를 연속적으로 조정할 수 있지만, 이는 LC 정렬 방향과 평행한 선형 편광 빛에 대해서만 가능하다.
(d) CLC lens(Kobashi et al. [81])
이 렌즈는 원 원형 편광 빛에 대해 반사 방식으로 작동하며, 직교 편광의 빛은 통과하게 된다. 이 렌즈는 제한된 스펙트럼 대역폭에서만 작동하지만, 여러 Thin-film lens를 겹쳐 스펙트럼 범위를 확대하는 것이 가능하다
Continuously tunable lens
(a) Modified birdbath design using a beam splitter(BS) with electrowetting liquid lens(Liu et al. [87])
Beam splitter 앞에 조절 가능한 액체 렌즈(Electrowetting liquid lens)를 사용하여 투시 가능한 이중 초점 HMD 프로토타입을 선보였다. 이 렌즈는 교류 전기장에 의해 광학적 힘을 -5에서 20 Diopter 사이로 변화시킬 수 있다. 그러나 이 시스템의 새로고침 속도는 렌즈의 응답 시간(75ms)에 의해 제한되어 약 7Hz로 제한되었다. 이후 이들의 연속 작업에서는 응답 시간이 9ms인 더 빠른 액체 렌즈가 채택되어 이중 초점의 새로고침 속도를 37.5Hz로 늘렸다.
(b) The DMD is directly synchronized with the tunable lens(Llull et al. [90])
초고속 DMD 디스플레이와 빠른 응답 조절 가능 렌즈를 활용하여 깜박임 없는 다중 초점 디스플레이를 제작했다. 이 렌즈는 2ms 내에 2에서 8 Diopter 사이의 초점 거리를 전환할 수 있으며, 이 프로토타입은 60Hz의 속도로 6개의 초점 평면을 제공할 수 있다.
(c) The lens is constantly driven, and its focal length is tracked in real time by an infrared (IR) optical path constructed by dichroic mirrors (DMs) and a position sensing detector(Chang et al. [92])
초점 평면의 수를 늘리고 프레임 속도를 줄여서 40Hz 새로고침 속도와 함께 40개의 깊이를 가진 grey near-eye display를 선보였다. 이들의 디자인의 핵심 특징은 초점 거리 추적 시스템이 Microsecond 해상도로 실시간 깊이를 정확하게 확보할 수 있도록 해주어, 지속적으로 스윕하는 조절 가능 렌즈와 DMD 디스플레이 사이에 빠르고 정확한 동기화가 가능하다.
(d) The DMD synchronized with the tunable lens is employed as a fast-response pixelated backlight for the LCD panel(Lee et al. [94])
빠른 DMD 백라이트와 조절 가능한 액체 렌즈와 함께 60Hz LCD를 사용하는 Tomographic display를 제안했다. 이 프로토타입에서는 80개의 깊이가 0에서 5.5 Diopter의 초점 범위를 0.07 Diopter 간격으로 점유하며, 이는 스캐닝 가상 이미지 평면이 하나의 깊이에 도달할 때, DMD에 의해 이 깊이 근방의 3D 컨텐츠만 조명된다. Tomographic display의 한계는 LCD의 각 픽셀이 하나의 깊이에 고정되어 있어, 사용자가 하나의 방향에서 다양한 깊이를 관찰해야 하는 반투명한 객체가 있는 3D 장면에 대해 정확한 깊이를 제공하는 것이 불가능하다는 것이다.
Switchable lens
Continuously tunable lens 외에도, discrete optical powers를 스위치 할 수 있는 addressable lenses는 sequential 방식으로 다중 초점 디스플레이 시스템을 구축하는 데 사용될 수 있다.
(a) Addressable PBLs made of LCs(Zhan et al. [95])
Pancharatnam-Berry phase Lens(PBLs)를 이용해 제작하였으며, 이를 바탕으로 4단계 다중 초점 헤드 마운트 디스플레이(HMD) 프로토타입을 구축했다. 이 렌즈는 저점성의 LC(Liquid Crystal) 소재를 사용하 응답 시간이 0.5ms로 매우 빠르며, 0.5와 1.5 Diopter의 Optical power를 가지고 있다. 이 렌즈는 빠른 LCD와 함께 사용되어 네 개의 다른 깊이에 대해 60Hz의 깜박임 없는 콘텐츠를 제공할 수 있다.
(b) Multifocal freeform lenses with a patterned shutter(Wang et al. [96])
네 개의 영역으로 구성된 Freeform singlet을 디자인하고 제작하였고, 각 영역은 독립적인 Optical power를 가지고 있다. 이 Freeform singlet에는 독립적으로 제어할 수 있는 4개의 전극 패턴을 가진 맞춤형 LC 셔터가 부착되어 있어 4개의 초점 길이를 가진 스위치 가능한 렌즈를 구현하였다. LC 셔터는 투명 상태와 어두운 상태 사이를 2.5ms 내에 전환할 수 있어, 스위치 가능한 Freeform singlet이 전체 비율로 네 개의 초점 길이를 스캔할 수 있게 했다.
Tunable reflector
다중 초점 디스플레이 시스템을 위해 개발되고 이용되는 Reflective optical parts가 있다. 반사 요소를 사용하면 일반적으로 디스플레이 시스템의 크기가 커지지만, Tunable reflector가 see-through combiner로 구성되어 있다면 적절한 Optical see-through 기능을 할 수 있다.
(a) Deformable mirrors with vibrating with the air pressure from a loudspeaker(Traub [97])
1967년에 Mylar membrane을 사용한 조절 가능한 미러를 활용하였으며, 이 미러는 늘어날 수 있는 곡선형 미러로서 원형 프레임 위에 팽팽하게 고정되어 있었고, 스피커로 구동되어 곡률을 변경하고 따라서 초점 거리를 변경하였다. 이 연구는 다중 초점 디스플레이의 실현 가능성을 입증했다.
(b) work as tunable reflective optical elements for multifocal system(Neil et al. [99])
1997년 프로그래밍 가능한 Reflective Fresnel zone plate를 생성하는 Ferroelectric liquid crystal(FLC)을 SLM(Spatial Light Modulator)로 사용하는 다중 초점 디스플레이를 개발했다. 두 개의 FLC SLM을 사용했는데, 하나는 2D 이미지를 생성하고, 다른 하나는 Active fresnel zone plate로 작동하는데 사용했다. 이들은 개념 증명의 일환으로, 45 cm, 90 cm 및 무한대에 위치한 세 개의 초점 평면에서 60 Hz로 흑백이 아닌 두 레벨 회색 3D 장면을 표시했다.
(c) Deformable mirrors can be driven electrically(McQuaide et al. [100])
전기로 구동되는 변형 가능한 Membrane mirror를 사용하여 다중/변경 가능한 초점 평면을 제공하는 것이 가능하다는 것을 증명했다. 이들이 사용한 막 미러는 알루미늄으로 코팅된 실리콘 질화물 얇은 막으로 만들어져 있으며, 전압이 전극에 가해지면, 막면이 이차원적 모양으로 변한다. 전압을 0[V]부터 300[V]까지 변화시키면, 막의 Optical Power는 0에서 1 Diopter로 연속적으로 조정될 수 있다. 이들은 0에서 3 Diopter의 작동 초점 범위를 달성했으며, Autorefractor를이용하여 동시에 눈의 조절 반응을 측정함으로써 그 정확성을 입증했다.
(d) Deformable mirrors(Hu and Hua [102–104])
DMD 디스플레이와 변형 가능한 Membrane mirror를 사용한 “새욕조(birdbath)” 배열을 특징으로 하는 시스템을 최초로 시연했다. 이 디자인에서는, 1kHz의 주파수로 동작하는 주소 지정 가능한 거울이 60Hz의 콘텐츠를 가진 최대 16개의 초점 평면을 지원할 수 있지만, 실제로는 0에서 3까지의 Diopter를 균일하게 차지하는 6개의 초점 평면을 시연했다.