AR 설계 및 시뮬레이션 (Lumerical, Zemax, Speos)

< Augmented Realty 설계 워크플로우 >

 

 

□ 증강 현실(AR)이란?

증강현실(Augmented Reality)은 현실 세계에 디지털 정보를 실시간으로 덧입히는 기술입니다. 스마트폰, 태블릿, AR 안경 등의 카메라 및 센서가 장착된 장치를 통해 사용자는 실제 환경과 가상의 콘텐츠(이미지, 텍스트, 오디오 등)를 동시에 보고, 상호작용할 수 있습니다. 교육, 게임, 의료, 소매, 제조 등 다양한 산업에서 몰입감과 정보 전달력을 높이는 도구로 활용되고 있습니다.

 

 

■ 증강 현실의 작동 방식

AR은 세 가지 핵심 요소로 구성되어 작동합니다:

• 입력 장치
  • 카메라 및 센서(GPS, 가속도계, 자이로스코프, 적외선 등)가 주변 환경의 데이터를 수집합니다.
    
• 처리 소프트웨어
  • 수집된 데이터를 분석하여 어떤 디지털 정보를 어디에 배치할지 결정합니다.
• 디스플레이
  • 스마트폰, AR 글래스, 헤드업 디스플레이(HUD), 프로젝터 등을 통해 디지털 정보가 현실에 중첩되어 보입니다.

 

 

■ AR의 유형

□ 마커 기반 AR

• QR 코드, 로고 등 사전 정의된 마커에 반응
• 구현이 간단하고 비용이 저렴
• 예: SnapChat 필터

 

□ 마커 없는 AR

• 마커 없이 센서와 AI 기반 인식으로 작동
• 위치 기반, 사물 인식, 패턴 분석 가능
• 예: Pokemon Go, 실외 내비게이션

 

□ 세부 유형

• 프로젝션 기반 AR: 현실 표면에 정보 투영 (예: 가상 키보드)
• 중첩 AR: 실제 이미지 위에 정보를 추가 (예: X-ray 영상 중첩)
• 위치 기반 AR: GPS 정보로 콘텐츠 제공 (예: 건물 스캔)
• 아웃라인 AR: 물체 윤곽 및 치수 인식 (예: 실내 측량)

 

 

■  AR vs VR 

항목	증강 현실 (AR)	가상 현실 (VR)
현실과의 관계	현실에 디지털 정보 추가	현실과 완전히 분리된 가상 공간
장치	스마트폰, AR 글래스 등	VR 헤드셋 필수
사용 사례	실내 디자인, 쇼핑, 내비게이션	가상 여행, 몰입형 게임
몰입도	현실 기반 부분적 몰입	전면 몰입형 가상 경험

 

 

 

□ Ansys Optics AR설계 워크플로우

< Augmented Realty 설계 워크플로우 >

 

■ Ansys 소프트웨어 특징

1. Zemax OpticStudio 

: 투사 렌즈를 설계하고 "Export Optical Design to Speos" (.odx) 기능을 사용하여 Zemax에서 Speos로 광학 시스템을 내보냅니다.

2. Lumerical RCWA 또는 FDTD

: 회절 격자 표면을 모델링하여 특정 회절 차수로 빛을 산란시키고, 이를 .json 파일로 저장하여 Speos에서 사용할 수 있도록 합니다.

3. Speos 

: Optical Design Exchange (.odx) 기능을 통해 투사 렌즈 모델을 정밀하게 통합하고, .json 파일을 통해 소자 간 결합을 위한 아차원 회절 격자 구조를 포함하여 시스템 수준 분석을 수행합니다. GPU/CPU 연산을 통해 정확한 비순차 광선 추적과 함께 스펙트럼 복사 조도 및 복사 휘도 맵과 같은 광학적 결과를 생성합니다. 인간의 시지각 요소를 반영하여 AR 시스템의 성능을 검증합니다.

 

 

■ 시뮬레이션 워크플로우 상세설명

1. 렌즈 설계 단계 (Zemax OpticStudio)

• 투사 렌즈(Projection Lens) 설계
• 시야(FOV), 수차(aberration), 색수차 조정 등 수행
• 최종 설계를 .ODX 파일로 내보내 Speos와 연동 가능

 

2. 회절 격자 시뮬레이션 (Lumerical RCWA 또는 FDTD)

• Grating 구조 파라미터: 주기, 높이, 형상, 재질 설정
• 빛의 입사각, 파장별 회절 차수 효율 계산
• 결과를 JSON 포맷으로 저장 (각 파장, 각도, 차수별 회절 효율 포함)

 

3. 전체 광학 시스템 통합 (Ansys Speos)

• Zemax ODX 파일로부터 렌즈 시스템 불러오기
• Lumerical JSON 파일로부터 Grating 속성 불러오기
• 전체 시스템 내에서 광선 추적(Ray Tracing) 수행
  • Non-Sequential 방식
  • 스펙트럼 기반 복사 조도 및 복사도 계산
  • GPU 또는 CPU 병렬 처리 기반

 

4. 출력 분석 및 인간 인식 기반 평가

• Observer View Point 설정: 사용자 눈 위치에서의 시야 조정
• Radiance & Irradiance Map 시각화
  • 이미지 왜곡, 흐림, 광 손실 확인 가능
• Human Vision Lab:
  • 눈의 광학적 성능 기반 인지 가능성 분석
  • 시인성(legibility), 대비(contrast), 선명도(sharpness) 평가

 

 

■ 특징 및 장점 요약

• Zemax – Lumerical – Speos 통합 워크플로우로 정밀 설계 및 실현 가능성 분석
• Sub-Wavelength 구조의 RCWA 기반 회절 격자를 실제 렌즈 시스템과 연결해 전체 성능 분석 가능
• GPU 기반 광선 추적을 활용한 고속 시뮬레이션
• 인간 시각 기반 평가로 실제 사용성 검증 가능
• 단일 플랫폼에서 나노~매크로 스케일 통합