Near-eye displays with wide field of view using anisotropic optical elements

Abstract

Near-eye display is considered as a promising display technique to realize augmented reality by virtue of its high sense of immersion and user-friendly interface. Among the important performances of near-eye display, a field of view is the most crucial factor for providing a seamless and immersive experience for augmented reality. In this dissertation, a transmissive eyepiece is devised instead of a conventional reflective eyepiece and it is discussed how to widen the field of view without loss of additional system performance. In order to realize the transmissive eyepiece, the eyepiece should operate lens to virtual information and glass to real-world scene. Polarization multiplexing technique is used to implement the multi-functional optical element, and anisotropic optical elements are used as material for multi-functional optical element.

To demonstrate the proposed idea, an index-matched anisotropic crystal lens has been presented that reacts differently depending on polarization. With the combination of isotropic material and anisotropic crystal, the index-matched anisotropic crystal lens can be the transmissive eyepiece and achieve the large field of view.

Despite the large field of view by the index-matched anisotropic crystal lens, many problems including form factor still remain to be solved. In order to overcome the limitations of conventional optics, a metasurface is adopted to the augmented reality application. With a stunning optical performance of the metasurface, a see-through metasurface lens is proposed and designed for implementing wide field of view near-eye display.

The proposed novel eyepieces are expected to be an initiative study not only improving the specification of the existing near-eye display but opening the way for a next generation near-eye display.

근안 디스플레이는 높은 몰입감과 사용자 친화적인 인터페이스로 인해 증강 현실을 구현하는 가장 효과적인 기술로 최근 활발한 연구가 계속되고 있다. 이러한 근안 디스플레이의 중요한 성능 중 시야각은 매끄럽고 몰입감 있는 경험을 사용자에게 전해줌으로써 가장 중요한 광학적 평가지표 중에 하나이다. 본 논문에서는 기존의 반사형 아이피스 (eyepiece) 를 대신하는 투과형 아이피스를 제안한다. 이러한 투과형 아이피스를 구현하기 위해서는 외부 정보에 대해서는 투명한 유리와 같이 투과시키며, 동시에 가상 정보는 렌즈로 작동하여 먼 거리에 띄울 수 있는 광학소자를 개발하여야 한다.

이러한 투과형 아이피스를 구현하기 위해서 편광에 따라 다르게 반응하는 굴절률 정합 이방성 결정 렌즈 (index-matched anisotropic crystal lens) 를 제안하였다. 이방성 결정 구조 (anisotropic crystal)로 이루어진 렌즈와 이를 둘러싼 등방성 물질 (isotropic crytal) 로 이루어진 굴절률 정합 이방성 결정 렌즈는 편광에 따라 다르게 작동한다. 이러한 투과형 아이피스는 기존의 근안 디스플레이에 비해 넓은 시야각을 제공할 수 있지만 이방성 결정 구조의 낮은 굴절률 차이로 인해 시스템의 크기가 커지는 단점을 가지고 있다.

본 논문에서는 이러한 단점을 개선하기 위해 메타 표면을 증강 현실 디스플레이 분야에 적용하였다. 메타 표면의 기존 광학 소자를 능가하는 놀라운 광학 성능을 이용하여 넓은 시야각을 가지는 근안 디스플레이를 구현하기 위해 투명 메타 렌즈를 제안하였다. 편광에 따라 다르게 반응하는 투명 메타렌즈는 넓은 시야각과 경량화 시스템 구현이 가능하며 이를 입증하기 위해 투명 메타렌즈의 설계 방법 뿐 아니라 실제 구현을 통한 가능성을 입증하였다.

이러한 새로운 아이피스에 대한 개념은 기존의 근안 디스플레이의 사양 개선에 유용하게 사용될 뿐 아니라 차세대 근안 디스플레이를 위한 선도적인 역할을 할 것으로 기대된다.