AR용 도파관 디스플레이는 영상 광학계의 빛을 얇은 투명 기판으로 전달하고 눈 앞에서 꺼내 가상 영상을 보게 하는 구조입니다. 핵심은 영상 생성, 입사 결합, 내부 전달, 동공 확장과 출사 결합입니다. 모든 제품이 같은 격자나 굴절률을 쓰는 것은 아닙니다.
1. 영상원과 투사 광학계
영상원에서 나온 빛을 광학계가 필요한 각도와 파면으로 준비합니다. 도파관은 보통 그 빛을 전달하는 수동 광학 부품이지 자체적으로 모든 화소를 발광시키는 화면이 아닙니다.
영상원의 해상도만으로 눈에서 보이는 해상도가 결정되지 않습니다. 투사계, 도파관의 수차와 색 정합, 눈의 위치를 포함해 평가해야 합니다. 외부 장면을 통과시키면서 영상을 더하는 광학 투과형에서는 주변 밝기도 대비에 영향을 줍니다.
2. 빛을 기판 안으로 결합
프리즘, 회절 격자 등으로 빛을 유도 가능한 방향으로 바꿉니다. 회절형과 기하광학적 반사 구조는 같은 제조법이 아니며, 모든 도파관이 300–500 nm 피치의 격자를 요구하지 않습니다.
회절은 파장과 입사 방향에 따라 달라집니다. RGB를 함께 전달하려면 색별 효율과 각도, 편광을 검토합니다. 특정 결합기의 효율을 영상원에서 눈까지의 전체 효율로 읽으면 안 됩니다.
3. 전반사로 내부 전달
단순한 투명 매질 경계에서 n1 > n2이고 법선 기준 입사각이 임계각보다 크면 전반사가 가능합니다. θc = arcsin(n2/n1)입니다.
공기 쪽 굴절률을 1로 보면 기판 n = 1.5에서 약 41.8°, n = 1.8에서 약 33.7°, n = 2.0에서 30°입니다. 따라서 고굴절 기판에도 공통으로 41°를 적용할 수 없습니다. 접착층이나 클래딩이 있으면 그 굴절률을 사용해야 합니다.
이상적인 전반사 경계 자체에는 반사할 때마다 15–30% 손실이 생기지 않습니다. 실제로는 흡수, 표면 산란, 의도한 출사와 다른 결합 손실 등을 따로 계산합니다. 전반사와 격자의 회절은 구분되는 현상입니다.
4. 동공 확장과 아이박스
출사 동공을 여러 위치로 분배해 눈을 놓을 수 있는 영역인 아이박스를 만듭니다. 한 방향 또는 두 방향의 확장은 구조마다 다릅니다. 예를 들어 Lumus는 프리즘과 두 배열의 반사면을 이용한 입사·확장·출사를 설명합니다.
아이박스를 넓히면 같은 입력 광량을 더 넓은 영역에 배분해야 하므로 밝기와 균일도 설계가 중요합니다. 아이박스 크기와 FoV는 다른 양입니다. FoV는 영상의 각도 범위이고, 아이박스는 눈 위치의 허용 공간입니다.
5. 눈 방향으로 출사하고 영상을 결합
출사 구조가 광량과 방향을 조정해 눈으로 보냅니다. 위치별 밝기, 색 균일도와 고스트 영상, 외부로 새는 빛을 함께 검토합니다.
시선 추적은 입력이나 렌더링 제어에 쓰일 수 있지만, 그 기능만으로 광학 초점이나 디옵터가 자동 변경되는 것은 아닙니다. 가변 초점에는 해당 기능을 구현하는 별도 광학·제어 구성이 필요합니다.
팬케이크 광학계와 금속 도파관의 차이
팬케이크 광학계는 접힌 광로와 편광 등을 활용하는 별도 구조입니다. 얇은 도파관 안에서 내부 반사한다는 이유로 모든 AR 도파관을 팬케이크 렌즈라고 부르지 않습니다.
마이크로파 금속 도파관과 광 도파관은 모두 전자기파를 안내하지만 재료, 주파수, 경계조건과 결합 방식이 다릅니다. WR-90의 치수나 금속 플랜지 공식을 AR 유리 기판에 그대로 적용할 수 없습니다.
제품 자료에서 확인할 지표
| 지표 | 비교 조건 |
|---|---|
| FoV | 수평·수직·대각 중 무엇인지. |
| 아이박스 | 눈 거리와 허용 위치. |
| 밝기·효율 | 입력 기준, 색과 측정 위치. |
| 화질 | 각도 해상도, 균일도와 고스트. |
| 투과·기구 | 외부 장면, 전체 두께와 적층. |
출처: 광 도파관의 원리, 전반사와 임계각, Lumus의 반사형 도파관 설명. 한 업체의 성능 수치를 전체 방식의 공통 보장으로 해석하지 마십시오.
