증강 현실 안경은 디지털 이미지와 데이터를 통해 세상을 새롭게 볼 수 있도록 해줍니다. 그러나 구글과 마이크로소프트와 같은 산업의 거물조차도 부피가 크거나 두통을 유발하는 증강 현실 헤드셋을 개발하지 못했습니다. 이제 연구원들은 3D 홀로그램, 인공 지능 및 은폐 망토가 가능하게 하는 물리학과 같은 요소들을 결합하여 안경을 착용할 수 있는 풀 컬러 3D AR 디스플레이를 개발했습니다. 이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 관련 내용을 전합니다.
AR 헤드셋
가상 현실 (VR) 헤드셋은 사용자의 시야를 감싸 실제 세계를 가리지만, 증강 현실 (AR) 헤드셋은 실제 세계 위에 이미지를 겹쳐 혼합 현실을 만듭니다. 잠재적인 응용 프로그램에는 집 수리 및 기타 작업을 위한 원격 지원 또는 지도, 안내 및 목적지에 도달하거나 쇼핑 장소를 찾거나 주변 환경에 대해 더 알아보기 위한 데이터를 표시하는 것이 포함될 수 있습니다.
가능한 응용 프로그램의 범위가 넓어지고 있지만, 증강 현실의 광범위한 채택은 주요 장벽에 직면해 왔습니다. 예를 들어, 편안한 일상적인 사용을 위해 AR 디스플레이는 이전까지 복잡하고 부피가 큰 렌즈 및 기타 광학 장치 배열에 의존해야 했습니다.
“누구나 크고 부피가 큰 헤드셋을 착용하고 싶어하지 않습니다 – 목이 아프고 불편하기 때문입니다,”라고 스탠포드 대학의 전기 공학 부교수인 고든 베츠타인은 말합니다.
또한, 일반적인 3D 디스플레이와 마찬가지로 AR 헤드셋은 각각의 눈에 다른 2D 이미지를 보여주어 깊이의 환상을 만듭니다. 그러나 이 전략은 눈의 피로를 유발할 수 있습니다.
과학자들은 이전에 홀로그램 비디오 디스플레이를 만드는 것을 탐구했습니다. 홀로그램은 본질적으로 3D 장면을 볼 수 있는 2D 창과 같은 이미지입니다.
“우리의 연구를 통해 나는 홀로그라피의 킬러 앱이 될 수 있는 것으로 생각되는 것으로 큰 진전을 이루고 있습니다 – 초박형, 생동감있는, 3D VR/AR 디스플레이가 최종적으로 일반 안경만큼 얇아질 것입니다,”라고 베츠타인은 말합니다. “우리는 아직 그곳에 도달하지 못했지만, 우리의 연구는 이 비전으로의 큰 한 걸음을 내딛습니다.”
새로운 시도
이전에 홀로그래픽 AR 디스플레이를 만드는 시도는 고품질 3D 이미지를 갖춘 조밀한 장치를 생산하는 데 어려움을 겪었습니다. 새로운 연구에서 스탠포드 대학, 홍콩 대학 및 기술 거물인 Nvidia의 연구원들은 광학 메타표면의 도움으로 이러한 문제를 극복했습니다. 이는 빛을 비정상적인 방식으로 굴절시키도록 설계된 구성 요소입니다. 메타표면 및 다른 변형 물질에 대한 연구는 빛, 소리, 열 및 기타 유형의 파동으로부터 물체를 숨길 수 있는 은폐 망토를 비롯한 다른 발견을 이끌어 냈습니다.
광학 메타표면은 그들이 영향을 줄 빛의 파장보다 작은 규모의 반복 패턴을 가진 구조를 포함합니다. 과학자들은 AR 디스플레이에서 복잡하고 거추장스러운 광학을 필요로하는 것을 우회하는 메타표면을 만들었습니다.
새로운 디스플레이는 붉은색, 녹색 및 파란색 레이저 다이오드를 공간 광 조절기에 비춥니다. 이 구성 요소는 빛의 위상을 제어하는 작은 디스플레이로, “본질적으로 작은 3D 홀로그램을 만듭니다,”라고 Wetzstein은 말합니다. 이 홀로그램은 이후 메타표면 그레이팅으로 보내지는데, 이는 220 나노미터 깊이의 홈이 새겨진 납 기반 유리로 만들어졌습니다.
과학자들은 메타표면의 구조를 설계하고 최적화하기 위해 인공지능을 사용했습니다. 이는 연구원들이 원하는 곳에 광을 균일하게 산란시키는데 매우 얇고 효율적이며, 무작위로 광을 제어할 수 없는 방식으로 산란시키지 않습니다, Wetzstein은 말합니다.
다른 인공지능 알고리즘은 3D 이미지를 고품질 홀로그램으로 변환하는 방법을 계산하는 데 사용되었습니다, Wetzstein은 덧붙입니다. 또한, AI는 옵틱, 전자 및 레이저를 포함한 전체 디스플레이를 보정하는 데 도움이 된다고 그는 말합니다.
결과는 표준 안경과 유사한 홀로그래픽 AR 디스플레이로, 풀 컬러 3D 동영상을 표시할 수 있습니다. “우리의 AI 디스플레이는 현재의 AR 디스플레이보다 얇으며, 중요한 것은 각 눈에 3D 이미지를 표시합니다,”라고 Wetzstein은 말합니다. “이로써 디지털 장면에서 눈의 초점을 다른 거리로 맞출 수 있게 되는데, 이는 현재의 어떤 AR 헤드셋에서도 지원되지 않는 기능입니다.” 일반적인 AR 및 VR 디스플레이에서 초점 신호가 부족한 것은 눈의 피로, 이중 시각 및 시각 선명도 저하와 같은 문제를 초래합니다, 그는 덧붙입니다.
새로운 AR 디스플레이는 현재 좁은 시야에만 이미지를 오버레이할 수 있습니다. 각 사람의 눈은 대략 130도의 시야를 제공할 수 있으며, 앞으로 보는 경우 두 눈이 함께 작동할 때 거의 180도의 시야를 제공할 수 있습니다. 하지만 새로운 장치는 보는 사람의 앞에 있는 대략 12도의 호의 구역에만 이미지를 표시할 수 있습니다. 이는 많은 상용 AR 시스템과 비교할 수 있지만, 과학자들은 향후 연구가 이 시야를 개선할 수 있다고 언급합니다 – 예를 들어, 현재 메타표면에 사용된 유리보다 빛을 굴절하는 데 더 뛰어난 소재를 사용함으로써.
그러나 곧 홀로그래픽 AR 안경을 구입할 것을 기대하지 마십시오. Wetzstein은 그들이 개발한 기술이 “대량 생산에 즉시 사용될 준비가 아직 완료되지 않았다”고 경고합니다. “이 개념 증명 기술을 소비자 제품으로 개발하는 데는 몇 년이 걸릴 수도 있습니다.”
마무리
이번 포스팅에서는 두통을 유발하지 않는 AR 헤드셋 개발에 대한 내용을 소개하였습니다. 앞으로 점점 더 많이 사용될 AR 헤드셋의 발전이 기대됩니다.