AR/VR 디스플레이의 빛과 색상 측정: Radiant Vision Systems 인터뷰

https://www.displaysupplychain.com/press-release/measuring-light-and-color-on-ar-vr-displays-interview-with-radiant-vision-systems

제2회 연례 AR/VR 디스플레이 포럼이 이번 주(9월 20-21일)에 개최됩니다. DSCC가 주최하는 이 가상 회의는 증강 현실 및 가상 현실을 위한 디스플레이 기술에 중점을 둡니다.

Radiant Vision Systems는 플래티넘 후원사이며 헤드셋 및 스마트 안경 내부에 있는 디스플레이를 테스트하기 위한 혁신적인 솔루션을 선보일 것입니다. 디스플레이 및 광원에 대한 테스트 및 측정 솔루션을 제공하는 이 회사는 2015년부터 코니카미놀타의 센싱 사업부에 속해 있습니다.

이 인터뷰에서 광학 개발 관리자인 Eric Eisenberg는 AR/VR 디스플레이의 고유한 문제와 Radiant가 이러한 디스플레이를 측정하기 위해 새로운 렌즈를 개발한 이유에 대해 이야기합니다.

Eric Eisenberg, 광학 개발 관리자, Radiant Vision Systems

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앞으로 4문단은 자사의 디스플레이 측정 도구 홍보

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Radiant의 솔루션은 모두 당사의 기본 테스트 플랫폼인 TrueTest™ 자동 육안 검사 소프트웨어를 기반으로 합니다. 이 소프트웨어는 Radiant의 ProMetric® Imaging Colorimeters 및 Photometers 및 기타 조명 측정 제품의 작업을 생산 라인과 통합하여 소비자 전자 제품의 자동 검사를 가능하게 하는 기능이 풍부한 테스트 실행 프로그램입니다. TrueTest는 머신 비전 소프트웨어와 마찬가지로 이미지 처리, 분석 및 데이터 출력에 사용됩니다. 그러나 이 소프트웨어는 당사의 측광 이미징 시스템과 함께 작동하여 빛의 양적 값(예: 휘도 및 색도)을 출력하도록 특별히 설계되었습니다.

이 소프트웨어는 고유한 조명 영역을 등록하기 위한 고급 알고리즘을 제공합니다(즉, 측정 영역을 정의하며 때로는 복잡한 모양일 수 있음). 또한 이미지 왜곡, 빛의 각도 종속성 및 기타 효과를 완화하는 이미지 처리 기술이 포함됩니다. 이 플랫폼은 장치를 검증하는 데 필요한 측정값을 얻을 뿐만 아니라 사용자 정의 허용 오차에 대한 테스트를 실행하고 여러 테스트에 대한 합격/불합격 값을 빠른 순서로 출력할 수 있기 때문에 매우 강력한 도구입니다. 소프트웨어는 장치(예: AR/VR 헤드셋)에 표시되는 테스트 이미지를 제어하고, 카메라 기능을 트리거하고, 이미지 처리 및 분석을 적용하고, 데이터를 출력합니다. 외부 시스템과의 추가 통신을 위한 API 및 SDK도 포함되어 있습니다.

ProMetric/TrueTest 솔루션은 제공되는 기능이 매우 고급스럽고 기능이 매우 광범위하기 때문에 디스플레이 테스트를 위한 최고의 선택 중 하나입니다. 예를 들어, Radiant는 디스플레이의 픽셀 수준 측정과 같은 테스트를 수행하기 위해 최대 61메가픽셀(MP)의 이미징 해상도를 제공하여 단일 이미지에서 모든 하위 픽셀 출력 값을 얻습니다. 이것은 디스플레이 테스트의 효율성과 데이터 정확도를 크게 향상시킵니다. 또한 생산 제조 요구 사항을 충족하는 데 있어 TrueTest의 경우와 같이 인라인 합격/불합격 분석 및 산업 통신에 적용할 수 있는 광 측정 솔루션에 대한 진정한 경쟁자는 없습니다.

마지막으로, 우리는 솔루션의 기능을 적용할 수 있는 방법에 있어 매우 많은 유연성을 가지고 있습니다. Radiant는 특정 응용 프로그램을 해결하기 위해 ProMetric과 TrueTest의 고유한 특징을 함께 패키지하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 모든 ProMetric 카메라는 AR/VR 헤드셋 내부의 이미지를 캡처하도록 설계된 렌즈와 페어링할 수 있으며 TT-ARVR™ 소프트웨어 모듈이라고 하는 헤드셋 디스플레이의 품질을 테스트하기 위해 특별히 TrueTest 기능 제품군을 패키징했습니다. 하나의 기본 플랫폼에서 이렇게 많은 다양성을 제공한다는 것은 정말 흥미로운 일입니다.

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여기서부터 AR/VR에서의 디스플레이 측정과 관련된 인터뷰 시작

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AR/VR 애플리케이션에 대한 조사를 언제 시작했나요? 업계의 변화를 눈치채셨나요?

물론 AR/VR 기술은 실험 단계부터 오랫동안 흥미진진했지만 이러한 시스템의 상용화 및 채택은 5~10년 전 선도적인 소비자 장치 제조업체가 개입할 때까지 시작되지 않았습니다.

적어도 하나의 개념으로서 2014년의 Google Glass는 다른 사람들이 실제 소비자 사용을 위한 헤드셋의 실현 가능성을 고려하도록 자극했습니다.

2016년과 2017년에는 (당시) Facebook의 Oculus Rift, HTC Vive, PlayStation VR 및 Microsoft의 첫 번째 HoloLens를 포함하여 새로운 기술이 급증했습니다.

같은 시기에 Radiant는 헤드셋 내 디스플레이 테스트를 위한 첫 번째 솔루션을 빠르게 개발하기 시작했습니다. 고객은 일반적으로 평면 패널 디스플레이(FPD)에 적용되는 표준 이미징 시스템, 렌즈 및 소프트웨어의 기능을 능가하는 품질 관리 솔루션이 필요했습니다.

헤드셋 내부에서 가까운 거리에서 보기 위한 디스플레이의 고유한 사양과 시각화 매개변수에는 다른 접근 방식이 필요했습니다. 이러한 맥락에서 디스플레이의 진정한 품질을 제대로 이해하려면 사용자의 착용 및 시각 조건을 복제할 수 있는 시스템이 필요하다는 것을 알았습니다.

복잡한 부분은 사람의 눈처럼 헤드셋의 디스플레이에 매우 근접한 시각 요소의 넓은 시야(FOV)를 포착할 수 있는 렌즈를 찾는 것이었습니다. 그러나 상업적으로 이용 가능한 렌즈 중에서는 우리가 필요로 하는 성능을 가진 렌즈가 없었습니다.

VR 헤드셋 내부 사용자의 헤드셋 사출 동공과 입사 동공 사이의 짧은 거리에 관한 그림.

헤드셋 사출 동공 너머로 FOV의 폐색을 초래하는 내부 조리개가 있는 이미징 렌즈(왼쪽)

조리개가 전면에 위치하고 있어 헤드셋 사출 동공 너머의 전체 시야를 캡쳐하기 위해 적절한 위치에 입사동을 배치할 수 있는 이미징 렌즈의 그림(오른쪽)

그래서 Radiant는 AR/VR 렌즈라고 부르는 자체 렌즈를 개발했습니다. 이 렌즈의 두 가지 특징은 광각 FOV 광학(최대 120˚의 전체 각도 수평 FOV를 캡처할 수 있음)과 '다른 광학 구성 요소 및 하우징의 뒤'가 아닌 렌즈의 전면에 있는 조리개입니다.

이 조리개 위치는 정말 중요합니다. 표준 렌즈 조리개의 위치를 보면 인간의 동공을 에뮬레이트하는 렌즈의 광학적 입사 동공을 차단하는 이 모든 구성 요소 구조가 전면에 있습니다. 렌즈 진입 동공은 AR/VR 헤드셋에서 사람의 눈이 있는 위치에 있어야 합니다. 조리개가 전면에 있는 렌즈를 설계함으로써 이제 이미징 시스템의 "눈"을 사용자의 눈 위치에 놓고 사용자가 볼 수 있는 모든 것을 볼 수 있습니다.

전면에 조리개가 있는 Radiant Vision Systems AR/VR 렌즈와 ProMetric Y 이미징 광도계.

현재 Radiant의 성장을 위해 AR/VR이 얼마나 중요합니까?

AR/VR은 Radiant가 지원하는 많은 산업 중 하나이며, 모두 우리의 개발과 성공에 중요한 역할을 합니다. 다른 소비자 전자 산업과 마찬가지로 AR/VR은 성장하고 있으며 Radiant는 이에 따라 성장할 기회가 있습니다.

AR/VR 산업의 흥미로운 점은 새로운 솔루션을 개발하고 새로운 요구 사항을 해결하는데에 기존 이미징 및 소프트웨어 기술을 모두 활용하여 측정 문제를 해결할 수 있다는 것입니다.

AR/VR 디스플레이를 테스트하려면 고유한 헤드셋마다 약간 다른 솔루션이 필요합니다. 이것은 광학 개발 팀에 의해 창의적인 디자인을 위한 많은 기회를 제공할 뿐만 아니라 매우 기본적인 기술을 사용하여 민첩하고 효율적으로 유지하는 방법을 찾았습니다.

최신 AR/VR 디스플레이 테스트 솔루션은 AR/VR 공간의 변화에 부응하기 위해 지속적으로 적응해 온 방법을 보여줍니다. XRE Lens는 특허 출원 중인 발명품에서 파생된 제품으로 기성 부품을 사용하여 완전 맞춤형 렌즈의 시간, 비용 및 복잡성 없이 다양한 "맞춤형" 광학 테스트 시스템 아키텍처를 생성할 수 있습니다.

이것은 시장에 존재하는 테스트 시스템 중에서 유니크합니다.

일반적으로 제조업체의 장치와 사양은 매우 배타적이어서 각 테스트 사례에 대해 기초 광학 시스템을 설계해야 합니다. (이러한 맞춤형 솔루션은 거의 유연하지 않습니다. 제조업체의 요구 사항이 변경되면 전체 테스트 시스템을 다시 설계해야 할 수 있습니다.) 이제 XRE Lens를 사용하여 광학 테스트 시스템 개발 주기를 이전의 일부 수준으로 줄일 수 있습니다.

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메타에서도 광학 시스템의 테스트하기 힘든 특성을 반영하여 내부 연구용 렌즈 시뮬레이터 같은게 있습니다.

한번 바꿀때마다 긴 시간이 소모되는게 적절하지 못했다고 하네요.

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앞으로 시장에 나와 있는 AR/VR 장치의 다양성이 확대되고 이 혁신에서 파생된 XRE 렌즈 및 기타 광학 테스트 기술이 훨씬 더 많이 실현될 것으로 예상합니다.

Radiant Vision Systems의 XRE Lens는 기본적으로 더 많은 장치 폼 팩터를 수용할 수 있도록 접힌 것과 접지 않은 두 가지 구성이 있습니다. (접었다는게 광 경로를 접었다는 것으로 보임)

간단히 말해서 어떤 유형의 테스트를 수행할 수 있습니까?

아주 간단하게 말하자면, 우리는 빛과 색상을 테스트합니다. 조명과 색상의 품질은 당사 시스템으로 측정한 다음 디스플레이의 모든 시각적 요소를 이해하는 데 사용할 수 있습니다. 고객은 휘도(디스플레이의 밝기)와 휘도가 디스플레이 전체에 걸쳐 균일한지 측정하기를 원할 수 있습니다. 당사 시스템은 또한 색도(색상)를 측정하여 디스플레이의 색상 출력이 예상과 일치하고 장치 사양에 따라 올바르게 생성되었는지 테스트할 수 있습니다.

고객 요구 사항에 따라 픽셀 결함, 입자 결함, 디스플레이의 선명도 또는 초점, 대비, 이미지 스틱킹, 렌더링된 이미지의 종횡비의 뒤틀림 및 왜곡과 같은 잠재적으로 바람직하지 않은 다양한 특성도 찾습니다. 이러한 제조업체가 완제품에서 제거하고자하는 결함은 제조 프로세스를 수정 할 수 있는 경우 설계 및 제조 단계에서 수정하여 시각적 품질이 더 높은 제품을 생산할 수 있습니다.

기본적으로 당사의 시스템은 사용자가 기기의 품질에 의문을 제기하거나 잠재적으로 제품 반품을 유도할 수 있는 조명 디스플레이에서 볼 수 있는 모든 시각적 문제를 감지할 수 있습니다.

ProMetric I Imaging Colorimeter를 Radiant Vision Systems의 XRE 렌즈(예시로 사용된 헤드셋: Meta의 Oculus Quest 2)와 페어링하여 캡처한 다양한 헤드셋 내 시각적 분석을 위한 측정 이미지입니다.

디스플레이 자체에서 단일 광학 요소의 성능, 최종 어셈블리의 광학 요소가 결합된 효과에 이르기까지 구성 요소 아키텍처의 모든 단계에서 결함이 발생할 수 있다는 점도 주목할 가치가 있습니다.

이상적인 시나리오에서는 각 구성 요소 단계에서 테스트를 수행하여 결함의 원인을 격리하여 이러한 문제가 더 악화되기 전에 해결할 수 있습니다.

궁극적으로 제조업체는 조립된 헤드셋 아키텍처를 통해 사용자가 디스플레이를 보는 것처럼 디스플레이를 보면서 다양한 디스플레이 출력 상태 및 시각적 품질에 대한 일련의 테스트 또는 완전한 자동화 테스트 시퀀스를 실행할 수 있게 됩니다.

이러한 테스트는 FPD 디스플레이 산업의 일반적인 테스트와 어떻게 다릅니까? AR/VR 디스플레이를 테스트하는 데 특별한 문제가 있습니까? (FPD: 평면 패널 디스플레이)

스마트폰 또는 모니터의 디스플레이와 AR/VR 헤드셋 간의 주요 차이점은 본질적으로 눈과 렌즈의 근접성과 각도 FOV입니다.

눈에 가까운 거리에서 디스플레이를 테스트한다는 것은 스크린도어 효과(투사된 디스플레이 픽셀 사이의 공간이 보이는 것)와 같은 것을 고려해야 한다는 것을 의미합니다.

이는 선명도 및 초점과 같은 품질을 평가하기 위해 디스플레이의 측정된 공간 주파수 또는 밝은 영역과 어두운 영역 간의 변화 측정이 필요한 테스트에 영향을 줄 수 있습니다.

픽셀 사이의 주파수를 선택하면 AR/VR 장치의 광학 성능을 평가하는 MTF(변조 전달 함수) 측정의 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.

AR/VR 디스플레이에 투영된 측정 이미지를 클로즈 업 한것 (왼쪽)

여기서는 디스플레이의 밝은 영역과 어두운 영역 사이의 경계에서 기울어진 가장자리 MTF 분석이 수행됩니다.

라인 확산 기능은 시스템이 디스플레이의 픽셀화와 주파수 변화를 혼동하는 측정에서 산점을 표시합니다. (오른쪽)

AR/VR 헤드셋에 통합된 디스플레이의 이미지도 가상입니다. 즉, 정해진 거리에서만 이미지가 표시되는것이 아닙니다. (초점거리)

우리는 특정 장치에 특정한 광학 거리에서 이미지를 표시하는 가상 디스플레이를 처리할 수 있는 솔루션을 개발해야 합니다.

이 경우 측정에 중요한 것은 가상 평면의 어느 지점에서나 선명한 초점을 보장해야한다는 문제를 해결하는 것입니다.

이 거리는 알려지지 않은 거리이거나 가변 거리일 수 있습니다. (가변 초점 헤드셋의 경우 또는 헤드셋 내부의 릴레이 광학 장치의 허용 오차)

XRE 렌즈의 전자 제어 초점은 이러한 유형의 초점 설정을 훨씬 더 유연하고 정밀하게 하므로 디스플레이가 측정될 때 모양 초점이 맞는지 확인할 수 있습니다.

AR/VR 테스트에서 해결해야 할 또 다른 문제는 광각 FOV 캡처로 인한 이미지 왜곡입니다. 배럴 왜곡("어안" 효과라고도 함)은 모든 광각 FOV 렌즈를 사용하여 촬영한 이미지에서는 일반적으로 발생합니다.

그러나 우리 소프트웨어는 측정된 데이터 포인트의 좌표를 이해하고 분석을 올바르게 적용하기 위해 디스플레이의 정확한 공간 표현 또는 직선 표현에 의존합니다. 이 문제를 해결하기 위해 Radiant의 AR/VR 테스트 시스템은 와이드 FOV 렌즈로 캡처한 이미지에 왜곡 보정을 적용하여 디스플레이 영역 내 포인트의 실제 좌표와 측정 좌표의 적절한 정렬을 보장합니다.

왜곡 보정 전(왼쪽)과 왜곡 보정 후(오른쪽) 와이드 FOV 렌즈를 사용하여 캡처한 측정 이미지.

마지막으로 AR/VR 디스플레이는 기존 FPD에는 없는 시각적 결함(예: 장치의 광학 장치로 인한 헤드셋의 이미지 왜곡 또는 장치의 다른 초점 설정에서의 선명도 저하)을 나타낼 수 있습니다.

가변 초점 헤드셋 또는 foveated optics가 있는 헤드셋에서는 동일한 디스플레이의 두 개 이상의 초점을 설명하고 모든 깊이에서의 정확성을 보장하기 위해 각 포인트 또는 이미지 거리에 분석을 적용해야 합니다.

장치 사용자를 위한 결합된 쌍안 이미지를 생성하기 위해 두 개의 디스플레이(눈당 하나씩)를 사용하는 경우 두 눈의 위치를 측정하고 눈의 시각적 차이를 비교해야 할 수도 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 광학 시스템을 어떻게 설계했습니까? 디스플레이 종류(LCD, OLED 등...)에 따라 달라지나요?

디스플레이 유형은 AR/VR 헤드셋 내에서 시각적 품질을 평가할 때 실제로 영향이 큰 요소는 아닙니다. 예를 들어 스크린도어 효과와 같은 문제는 사용된 기술보다 디스플레이의 해상도와 픽셀 밀도와 훨씬 더 관련이 있습니다. Radiant는 이미지의 스크린도어 픽셀화 효과를 처리하기 위해 소프트웨어에서 새로운 분석 기능을 개발했습니다. 예를 들어, 우리의 새로운 라인 확산 기능 MTF 측정 방법은 디스플레이에서 조명된 픽셀의 단일 라인에 걸친 주파수 변화에 의존하므로 픽셀 간 주파수 문제가 제거됩니다.

MTF 테스트의 라인 확산 기능 방법을 적용하여 디스플레이의 픽셀화에 관계없이 정확한 결과를 보장합니다.

시스템 및 소프트웨어 보정을 통해 정확한 분석이 가능하도록 적절하게 직선인 이미지를 캡처할 수 있습니다. 또한 새로운 XRE 렌즈를 사용하면 시스템의 내부 전자 초점 덕분에 다양한 초점에 적응할 수 있습니다. 이것은 다양한 측정 요구 사항을 충족할 수 있는 유연성을 제공하는 XRE 렌즈의 장점 중 하나입니다. 렌즈는 정확한 초점 깊이를 설정하는 소프트웨어를 사용하여 0.5미터에서 무한대에 이르는 가상 이미지 거리에 초점을 빠르게 맞출 수 있습니다. 전자 초점은 소프트웨어로 제어되기 때문에 완전 자동화된 육안 검사 루틴의 일부로 특정 설정에 맞게 조정할 수도 있습니다. 이것은 시스템이나 구성 요소를 이동하지 않고 수행할 수 있으며 수동 조정 또는 위치 오류를 제거하여 완전히 핸즈프리로 수행할 수 있습니다.

전자 초점 XRE 렌즈의 내부 초점은 초점 변경 중에 구성 요소가 이동하지 않도록 하여 부정확한 입사 동공 위치의 위험을 제거합니다.

지금까지 고객들의 피드백은 어땠나요? 미래의 디스플레이가 테스트하기가 훨씬 더 어려울 것이라고 예상하십니까?

우리는 AR/VR 렌즈와 XRE 렌즈 솔루션에 대해 고객들로부터 정말 긍정적인 반응을 받았습니다. 좋은 점은 이러한 제조업체가 계속해서 경계를 넓히고 우리의 광학 설계를 더욱 발전시키는 데 도움이 되는 귀중한 피드백을 제공한다는 것입니다. 각각의 새로운 측정 프로젝트에 대해 새로운 것을 배우고 하드웨어 또는 소프트웨어 개발 주기에 추가할 수 있는 새로운 기능이 있습니다. 우리는 많은 고객과 긴밀하게 협력하여 특정 요구 사항을 충족하기 위해 테스트 시스템 설계를 최적화하는 방법과 고객이 품질 및 출시 날짜에 대한 목표를 쉽게 달성할 수 있도록 훨씬 더 잘 적응할 수 있는 방법을 배울 수 있어 매우 행운입니다.

AR/VR 장치 전반에 걸친 표준화가 단기간에 이루어지지 않을 것으로 예상하기 때문에 더 많은 헤드셋 다양성을 해결하기 위한 솔루션을 계속 개발할 수 있을 것으로 기대합니다. 미래의 AR/VR 디스플레이는 확실히 더 많은 고유 사양을 통합할 것입니다. 우리는 이미 새로운 팬케이크 광학 및 기타 광학 아키텍처가 근적외선 시선 추적 시스템과 짝을 이루어 적응형 장치 초점을 가능하게 하는 곳을 볼 수 있습니다.

FOV도 계속해서 확장되고 있으므로 우리는 항상 우리 시스템으로 더 넓은 각도 영역을 포착하는 동시에 가까운 눈 위치에서 계속 측정하는 방법을 찾고 있습니다. 우리는 고객이 인간의 시력에 가장 잘 맞는 솔루션으로 디스플레이 출력을 계속 측정할 수 있도록 가능한 한 많은 이미징 해상도를 제공해야 합니다.