The three-dimensional display is implemented in a variety of ways, including polarizing, shutter glass, lenticular lens, HOE, and lens array, to provide stereoscopic images to viewers. Most three-dimensional displays bring problems such as headaches, visual fatigue and dizziness. A person uses two different types of depth information, which are vergence and accommodation. The brain feels unnatural when given vergence and accommodation data shows different depth information. This is called vergence-accommodation conflict(VAC) and this problem should be solved to provide more natural stereoscopic images. This VAC problem also occurs in Virtual Reality(VR) and Augmented Reality(AR) displays and is very serious due to the user’s high concentration. Solutions for this problem are being tried in many directions. Among them, the method of using integral imaging system into AR is currently tried, which allows the provision of natural and comfortable stereoscopic images due to the characteristics of integral imaging without VAC problems. However, the limitation of depth range, a disadvantage of integral imaging, is also maintained and should be solved.
In this dissertation, the aim is to fabricate the electrowetting microlens array and apply them to integral imaging based augmented reality display devices. In order to increase the depth range of integral imaging display, the lens array with variable focal length is required. The electrowetting is a technique that varies the surface tension of fluids through and applied voltage and it can be used in a small-sized element. For proposed AR integral imaging display, a lens array with a small pith of about 1mm is required and this focus variable lens array is fabricated through electrowetting method. As a result, the lens pitch 1mm, the overall size 14 $\times$ 10mm, the wall thickness 100um, the fill factor 73%, the variable range -542~-89D, the response time 13.3ms, optical aberration less than 0.1, and operation voltage 0~60V is fabricated and applied to the proposed integral imaging AR system.
Combining microdisplay panel, electrowetting microlens array, solid microlens array, and eyepiece lens, the focus tunable integral imaging system is conducted on the optical table and the characteristics of this system are tested. Finally, it has a total variable dioptric power of 49~241D and 100% fill factor, which extends the depth range to 20~100cm from original 50~70cm with conventional passive element system. The fabricated display system has 266 $\times$ 200 resolution in a 30cm central depth plane(CDP) and 133 $\times$ 100 resolution in a 90cm CDP and has a viewing angle of about $32.3^\circ$. With configured AR setup, the image test was carried out. Finally, in combination with PC and eye-tracking camera, a focus tunable integral imaging system which recognizes currently being viewed objects and automatically adjusts focus at the same position to provide a clear image at all times.
3차원 디스플레이는 입체 영상을 시청자에게 제공하기 위해 편광, 셔터글래스, 렌티큘러 렌즈, HOE, 렌즈 어레이 등 다양한 방식으로 구현된다. 대부분의 3차원 디스플레이는 두통, 피로감, 현기증 등의 문제를 가져온다. 사람은 양안 시차와 단안 초점 두 가지를 조화롭게 사용하는데 한 종류의 입체 정보만 제공받게 되면 뇌에서 부자연스러움을 느끼게 된다. 이를 수렴-조절 불일치(Vergence Accommodation Conflict, VAC)라고 부르며 보다 자연스러운 입체 영상 제공을 위해서는 이 문제가 해결되어야 한다. 이러한 VAC 문제는 양안시차 방식을 사용하는 가상현실(VR), 증강현실(AR) 디스플레이에서도 발생하며 집중도가 높은 특성상 매우 심각한데, 해결 방안이 여러 방향으로 시도되고 있다. 이 중 집적영상 시스템을 AR에 접목하는 방식이 시도되고 있는데 이는 VAC 문제가 없는 집적영상의 특성으로 인해 자연스럽고 편안한 입체영상의 제공이 가능하다. 하지만 집적영상의 단점인 깊이 표현범위의 제한 역시 유지되는데 이 문제가 해결되어야 한다.
본 논문에서는 전기습윤 방식의 마이크로 렌즈 어레이를 제작하고 집적영상 기반 증강현실 디스플레이 장치에 적용하는 것을 목표로 삼았다. 집적영상 기반 디스플레이에서 깊이를 증대시키기 위해서는 집적에 사용되는 렌즈 어레이에 가변 성능이 들어가야 한다. 전기습윤 방식은 인가된 전압을 통해 유체의 표면장력을 변화시키는 기술로, 특히 작은 크기의 가변 소자 제작에 유리하다. AR 집적영상 디스플레이를 위해서는 약 1mm 크기의 작은 피치를 갖는 렌즈 어레이가 요구되는데 전기습윤 방식을 통해 이러한 초점 가변형 렌즈 어레이 소자를 제작하고 이를 기반으로 집적영상 디스플레이를 구성하였다. 전기습윤 방식을 이용하여 렌즈 피치 1mm, 전체 크기 14 $\times$ 10mm, 격벽 두께 100um, 필 팩터 73%, 가변범위 -542~-89D, 동작속도 13.3ms, 광학 수차 0.1 $\lambda$ 미만, 동작 전압 0~60V를 갖는 렌즈 어레이와 그를 위한 동작 드라이버를 제작하였고, 이를 집적영상 시스템에 접목하였다.
마이크로 디스플레이 패널, 전기습윤 마이크로렌즈 어레이, 고체 마이크로렌즈 어레이, 그리고 접안렌즈를 결합하여 광학 테이블 상에서 초점가변 집적영상 시스템을 완성하였으며, 집적영상의 특성을 시험하였다. 최종적으로 총 가변 디옵터 49~241D와 100% 필 팩터를 가지고 있으며 이를 통해 고체 렌즈 구성 시 50~70cm인 깊이 범위를 20cm~100cm까지 확장하여 기존 집적영상 디스플레이가 제공하지 못하는 넓은 범위의 영상 구현이 가능케 되었다. 제작된 디스플레이는 30cm 중심 깊이 평면(Central Depth Plane, CDP)에서 266 $\times$ 200해상도를, 90cm CDP에서133 $\times$ 100 해상도를 가지며 약 $32.3^\circ$의 시야각을 보인다. 이를 통해 AR 세팅을 구성하고 이미지 시험을 진행하였다. 최종적으로 PC 및 시선 추적 카메라와 결합하여 현재 관측자가 바라보고 있는 물체를 인식하고 자동적으로 초점을 조절하여 항상 뚜렷한 이미지를 제공하는 초점가변 집적영상 시스템을 구성하여 동작하였다.
