Computational Volumetric Near-Eye Displays Providing Accommodation in Wide Depth of Field

Abstract

디스플레이 플랫폼을 통해 가상 이미지를 접하기 시작한 이래, 사람은 더 몰입감과 현실감 있는 가상 세계 경험을 추구해왔다. 최근 디스플레이 산업은 근안 디스플레이 플랫폼이 그 수요를 충족하는 차세대 기술이 될 것으로 기대하고 있다. 근안 디스플레이는 사용자가 가상 및 실제 세계 속 컴퓨터 생성 이미지와 상호작용할 수 있게 하며, 깊이 인식의 생리적 자극을 주어 더 큰 몰입감과 현실감을 느끼게 한다. 그러나 오늘날의 근안 디스플레이는 초점 조절 기능이 없어, 실제와 같은 경험을 제공하는 궁극의 디스플레이에 미치지 못한다. 초점 조절 기능이 없는 경우 사용자는 컴퓨터 생성 이미지에서 시각적 피로도를 느끼거나 부자연스러움을 인지할 수 있다. 초점 조절은 자연스러운 3차원 경험을 위해 중요한 기능이나, 몇 가지 기술적 문제로 그동안의 초점 조절 구현은 실용적이지 않았다. 일반적으로 초점 조절 구현에는 해상도, 프레임 수, 시청 영역, 혹은 신호 대 잡음비가 희생되었다. 본 논문에서는 초점 조절이 가능하면서도 디스플레이 성능의 희생을 최소화하는 혁신적 기술들을 탐색한다. 또한 초점 조절이 가능한 3차원 디스플레이에 내재된 트레이드 관계들을 완화하는 계산적 방법론들을 고안 및 적용한다. 계산적 방법론들을 통해 제한된 자원을 활용하여 최적의 디스플레이 성능을 달성한다. 본 논문은 초점 조절이 가능한 새로운 방식의 체적 근안 디스플레이를 제안하며, 이를 토모그래픽 근안 디스플레이라 한다. 토모그래픽 근안 디스플레이는 백라이트와 가변 초점 렌즈의 빠른 동기화를 통해 초점 조절 근안 디스플레이의 고질적 문제를 해결한다. 둘째로, 토모그래픽 디스플레이의 시청 경험 최적화를 위한 효율적 계산 방법론들을 소개한다. 포비에티드 망막 최적화는 망막의 시신경 분포를 고려하여 중심 해상도 손실 없이 시청 영역을 확장한다. 마지막으로, 소형 토모그래픽 근안 디스플레이 구현을 위해 실용적 접근법들에 대해 논의한다. 소형 백라이트 모듈로 발광 다이오드 어레이나 미세전자기계시스템 스캐닝 미러가 사용된다. 소형 백라이트 모듈에 수반되는 한계 극복을 위한 도전적 방법론으로, 스페클 저감 홀로그래픽 디스플레이와 토모그래픽 기법을 결합한 새로운 디스플레이도 함께 소개한다. 결론으로 초점 조절 3차원 디스플레이 고유의 기술적 과제에 대한 실질적인 해결법을 탐색하고자 한다. 제안한 접근 방식들이 궁극의 디스플레이를 향한 보다 혁신적인 방법에 영감을 줄 것으로 기대한다.

Since people started to see virtual imagery through display platforms, there has been a desire to experience a more immersive and realistic virtual world. The desire has drawn significant efforts to realize the ultimate display system that delivers the same experience from the real one. These days, the display industry believes near-eye display platforms are next-generation technologies to realize the dream. Through these platforms, users can interact with the computer-generated imagery surrounded by virtual or real worlds. It allows users to feel more immersion and realism with the physiological stimulation of depth perception. However, state-of-the-art near-eye displays are still far from the ultimate display system because of the absence of accommodation (focus cue). Without accommodation, users might feel visual fatigues or recognize artificiality from the computer-generated imagery. It makes providing accommodation important for the ultimate 3D experience. However, the focus cue reproduction has not been practical because of several technical challenges. The focus cue reproduction usually involves sacrifices in the resolution, frame rate, eye box, or signal-to-noise ratio. This dissertation aims to investigate break-through technologies that minimize the sacrifice of display performance while providing accommodation. The dissertation also conceives and applies various computational approaches to alleviate the trade-off relationship inherent in 3D displays with focus cues. The computational approaches allow us to achieve optimal display performance utilizing the restricted resources. This dissertation presents a new family of volumetric near-eye displays providing focus cues, which is called tomographic near-eye displays. With the fast synchronization of a backlight and a focus-tunable lens, tomographic near-eye displays resolve the troublesome trade-off in near-eye displays providing accommodation. Second, the dissertation introduces efficient computational approaches to optimize display performance of tomographic near-eye displays. Considering the foveated acuity of human vision, a foveated retinal optimization extends the eye-box without sacrificing foveal resolution. Lastly, feasible approaches are discussed to implement compact tomographic near-eye displays. A light-emitting diode array or micro electro mechanical systems scanning mirror is employed for a compact backlight module. a venturesome method is also introduced combining tomographic synthesis with speckle reduced holographic displays to compensate limitations of the compact backlight module. In conclusion, the dissertation endeavors to investigate practical solutions for the technical challenges inherent in 3D displays providing accommodation. The author believes the proposed approaches would inspire more innovative methods towards the ultimate displays.