목적 : 본 연구는 착용자의 몰입감과 편의성을 고려한 소형·고성능 Head-Mounted Display (HMD) 광학계를 구현하기 위해, 프리즘 기반의 비구면 광학계를 설계하고 그 성능을 분석하였다. 방법 : Code V 소프트웨어를 이용해 광학계를 설계하였으며, 설계 목표는 대각선 시야각 40°, 전체 시스템 두 께 약 11 mm, 조리개 크기 4 mm, ERF 15 mm 조건 하에서 0.01 mm 이하의 RMS 스팟 크기와 50 cycles/mm 에서 0.4 이상의 MTF 값을 확보하는 것이다. 총 10개 면으로 구성된 시스템은 3개의 프리즘과 1개의 디스플레이 로 이루어졌으며, 프리즘은 9개의 광학 면을 형성하고, 10번 면은 디스플레이 면이다. 5개의 비구면 면을 적용하였 으며, 비축 구조와 광로 접힘 기법을 통해 소형화와 고해상도를 동시에 달성하도록 구성되었다. 결과 : 최종 설계된 광학계는 중심부 스팟 크기 0.005 mm, 전체 평균 0.01 mm 이하로 유지되었으며, 50 cycles/mm 기준 MTF는 0.4를 달성하여 고주파 성능이 우수함을 입증하였다. 왜곡률은 최대 +2.8%로 확인되어 기존 연구 대비 향상된 왜곡 특성을 보였다. 광학 성능은 중심부뿐만 아니라 주변 시야에서도 안정적으로 유지되었 으며, 전체 시스템 두께는 11 mm로 소형화가 가능함을 입증하였다. 결론 : 본 연구는 프리즘과 비구면 요소만을 활용해 구조적 단순화와 광학적 고해상도를 동시에 달성한 사례로, 향후 웨어러블 디스플레이 및 초소형 AR 용 HMD 개발에 적용 가능한 경량화 설계 전략으로 활용될 수 있다.

Purpose : This study aims to design a compact and high-performance head-mounted display (HMD) optical system that enhances user immersion and wearing comfort. The system is based on a prism structure incorporating aspheric elements. Methods : The optical system was designed using Code V software. The target specifications included a diagonal field of view of 40°, a total system thickness of approximately 11 mm, an eye relief (ER) of 15 mm, and an aperture size of 4 mm. The optical performance goals were to achieve a Root-Mean-Square (RMS) spot size smaller than 0.01 mm and a Modulation Transfer Function (MTF) of 0.4 or higher at 50 cycles/mm. The system consists of a total of 10 surfaces, including three prisms and one display panel. The prisms form nine optical surfaces, and the 10th surface corresponds to the display. Five of the optical surfaces were designed as aspheric to minimize aberrations. A folded off-axis layout was adopted to achieve both compactness and high imaging performance. Results : The final design demonstrated an RMS spot size of less than 0.005 mm at the center and an average of less than 0.01 mm across the full field. The MTF was maintained at 0.4 at 50 cycles/mm, confirming high-resolution imaging. The distortion rate was maintained within +2.8%, outperforming several existing designs. Uniform optical performance was maintained across the full field of view, and the total system thickness was successfully reduced to approximately 11 mm. Conclusion : This study presents a prism- and asphere-based optical design that achieves structural simplification and compactness while maintaining high-resolution performance. The proposed approach can serve as an effective lightweight design strategy for future wearable displays and miniature HMD systems.

Abstract
Ⅰ. 서 론
Ⅱ. 재료 및 방법
    1. 재료
    2. 연구 방법
Ⅲ. 결 과
    1. 설계 결과
    2. MTF(Modulation Transfer Function)
    3. 왜곡수차(Distortion)
    4. 스팟 다이어그램(Spot Diagram)
Ⅳ. 고 찰
Ⅴ. 결 론
References
요 약

• Byung-Ho Ha(Dept. of Optometry, Daegu Catholic University, Professor, Gyeongbuk) | 하병호 (대구가톨릭대학교 안경광학과, 교수, 경북)
• Joon-Beom Eom(Dept. of Optometry, Daegu Catholic University, Student, Gyeongbuk) | 엄준범 (대구가톨릭대학교 안경광학과, 학생, 경북)
• Dae-Gyu Lee(Dept. of Optometry, Daegu Catholic University, Student, Gyeongbuk) | 이대규 (대구가톨릭대학교 안경광학과, 학생, 경북)
• Kwang-Su Kim(Dept. of Optometry, Daegu Catholic University, Professor, Gyeongbuk) | 김광수 (대구가톨릭대학교 안경광학과, 교수, 경북)
• Seong-Ryul Lee(Dept. of Optometry, Gimhae University, Professor, Gyeongnam) | 이성률 (김해대학교 안경광학과, 교수, 경남)
• Ki-Hong Kim(Dept. of Optometry, Daegu Catholic University, Professor, Gyeongbuk) | 김기홍 (대구가톨릭대학교 안경광학과, 교수, 경북) Corresponding author