SCHOTT 도파관: 무게 감소는 증강 현실 및 혼합 현실 발전을 위한 핵심 요소

https://sid.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msid.1316

https://www.reddit.com/r/AR_MR_XR/comments/w7hc30/schott_waveguides_weight_reduction_is_a_key/

초평판, 저밀도, 고굴절률 유리 웨이퍼는 도파관 무게를 절반으로 줄이고 오랫동안 기다려온 증강 현실의 돌파구를 열 수 있게 합니다.

도파관에 적용되는 속성들은 다음과 같은 사용자 경험에 영향을 미칩니다.

사용자 경험 요소	관련 유리 속성
몰입형 경험/시야	고굴절률
배터리의 자율성	더 나은 빛 투과율
착용감	재질의 밀도
이미지 품질	디스플레이 평탄도

성공적인 AR 솔루션을 위해서는 넓은 FoV와 적절한 배터리 수명으로 높은 화질과 완전한 몰입 경험을 제공할 수 있어야 합니다.

첫번째는 굴절률, 후자는 AR 응용 분야에서 오랫동안 유리를 개발하는데에 있어서 중점이 되었던 유리의 투과율입니다.

또한 무게나 부피가 작은 컴팩트한 폼팩터 역시 필수적입니다. 높은 굴절률과 투과 수준을 유지하면서 가장 얇고 평평한 기판을 사용할 수 있는 제조 공정과 결합된 우수한 기계적 특성을 가진 저밀도 유리는 타협 없는 사용자 경험을 위한 모든 중요한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

큰 과제는 두께와 평탄도 사이와 같은 유리 특성 내의 상호 의존성입니다.

투영되는 표면은 착용자의 눈에서 1인치 정도 떨어져있는데, 이것은 높은 FoV를 구현하기 위해서는 큰 제약이 따릅니다.

프로젝터에서 눈으로 빛을 전달하는데에 하드웨어적인 한계가 존재합니다.

최초의 AR 장치는 20도 미만의 수평 FoV로 시작했지만 최신 장치의 수평 FoV는 일반적으로 40도 이상으로 인간이 유지하는 시선의 고정된 초점 영역과 대략 일치합니다. 인간의 양안 시력의 FoV는 120도이며, 이러한 방향성을 가지고 차세대 소비자 AR 시스템을 구동하여 매력적이고 완전한 몰입형 경험을 달성합니다.

AR / VR 디스플레이와 렌즈의 기술과 미래 관점 - https://arca.live/b/vrshits/39074299

지난 글에서 다양한 도파관의 모습, 작동 원리에 대한 이미지들을 모아놨었습니다.

여기에 작성되는 SCHOTT 도파관은 설립자인 Otto Schott가 특수 유리를 발명한 1880년대에 설립된 독일 국제 기술 그룹인 SCHOTT가 개발한 적절한 투과율과 우수한 기계적 특성을 갖춘 고굴절률 저밀도 유리입니다. 후자는 효율적인 웨이퍼 제조 공정을 가능하게 합니다. 따라서 AR 장치에 대해 원하는 이미지 품질을 가능하게 하는 우수한 표면 특성을 가지고 있습니다.

일반적인 도파관의 원리는 위의 이미지와 같습니다. 도파관 내에서 반사를 일으켜, 빛의 경로를 조절하게됩니다.

웨이퍼의 무게를 줄이기 위해서는 간단히 웨이퍼를 얇게만들면 되겠지만, 얇게 만들고 무게가 가벼울수록 원료가 되는 유리의 기계적 특성이 중요해지고, 전파광빔과 유리 표면 간의 상호작용이 많아지기 때문에 장치의 광학적 특성을 유지하는 것이 더 어려워집니다.

얇아질수록 도파관 내에서 발생하는 반사들이 많아지고, 이는 편향 및 표면 산란의 위험이 증가하고 이미지의 품질에 영향을 미칩니다.

SCHOTT의 도파관은 웨이퍼 제조 공정의 상당한 개선으로 60%의 국부적 평탄도가 감소하는 것으로 나타났습니다. 기존 AR 웨이퍼의 총 두께 변화(TTV)에 대한 일반적인 값은 0.5–1 µm 범위이며 일부는 100nm로 감소되었습니다. 표면 거칠기 값은 분명히 나노미터 미만의 수준입니다. 이러한 개발로 인해 기존 광학 특성을 유지하면서 도파관 두께를 절반으로 줄일 수 있습니다.

참고사항:

Lumus(반사 도파관):

최초의 50도 FoV 2D 플랫폼은 두께가 1.7mm, 아이피스당 질량이 10g이었고, 유사한 FoV를 가지는 미래의 제품은 두께가 1.3mm이고 무게가 7.5g입니다. 20~30도 FoV 디자인은 무게가 5g 이하로 나가는 것을 목표로 하고 있습니다.

NIL(회절 도파관):

나노 광자 구조는 반응성 이온 에칭(RIE)과 같은 감산 방법이나 나노 임프린트 리소그래피(NIL)와 같은 첨가 공정을 사용하여 제조되며, 후자는 유리와 일치하는 굴절률을 갖는 수지를 필요로 하고 있습니다.

즉 여기서의 발표에서는 SCHOTT 도파관은 재질에 있어서 발전을 이루었고, 이는 AR의 구현을 좀 더 가볍게 하면서 이미지 퀄리티를 높일 수 있다는 주장을 하고 있습니다.