Effects of Waveguide-Based Optical See-Through Augmented Reality Displays on Accommodative and Pupillary Responses = 도파관 기반 광학 시스루 증강현실 디스플레이가 조절 및 동공 반응에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

목적. 광학 시스루 증강현실（optical see-through augmented reality, OST-AR） 스마트 안경은 가상 영상을 고정된 먼 초점 거리에 형성하며, 그 뒤의 물리적 장면은 깊이가 달라진다. 근반사의 조절 성분과 동공 성분은 동일한 신경 명령으로부터 서로 다른 정도로 구동될 수 있어, 한 성분이 다른 성분보다 먼 가상 영상을 더 충실히 추종할 수 있다. 본 연구는 먼 초점의 양안 AR 가상 영상을 근거리 및 원거리 물리적 배경에 대해 보면서 조절과 동공을 측정하였고, 동일 거리의 AR 미제시（AR-free） 기준 조건을 함께 두었다.
방법. 건강한 젊은 성인 14명이 참여하였다（평균 연령 24.9 ± 3.2세; 양안 등가구면굴절력 −1.31 ~ +0.50 D）. 각 참가자는 네 조건을 고정된 순서로 시행하였다. 먼저 AR 미제시 기준 두 조건으로 5 m의 원거리 물리적 표적（FN）과 40 cm의 근거리 물리적 표적（NN）을 보았다. 이어 AR 두 조건으로 먼 초점의 가상 영상을 5 m 원거리 물리적 배경（FA）과 40 cm 근거리 물리적 배경（NA）에 대해 보았다. 가상 영상은 먼 초점 거리에 양안으로 제시된 단일 평면 표적이어서 폭주 요구는 일정하게 유지되었다. 오른쪽 눈의 굴절과 동공 직경을 개방시야형 적외선 자동굴절검사기（WAM-5500）로 조건당 12~15초 동안 5 Hz로 연속 기록하였다. 속도 기반 인공물 제거와 PCHIP 보간 후, 각 참가자·조건에 대해 0~13초 구간의 평균 반응을 산출하였다. 대응 비교에는 윌콕슨 부호순위 검정을 사용하였다. NA와 FA의 등가성은 두 일측 검정（TOST）으로 평가하였으며, 경계값은 굴절 ±0.25 D, 동공 직경 ±0.10 mm로 하였다.
결과. 조절은 먼 가상 영상에 대해 주로 순응하였다. 근거리 물리적 배경에 대한 잔여 반응은 작았다: NA − FA = −0.19 D（p = .025）로 AR 미제시 근반사의 약 16%였으며, ±0.25 D 경계 내에서 등가하지 않았다. 동공은 다른 양상을 보였다. 동공의 근반응은 대부분 유지되었다: NA − FA = −0.34 mm（p = .042）로 AR 미제시 근반사의 77.6%였고, 감쇠는 검출되지 않았다（p = .583）. 두 측정 모두 피험자 간 변동이 컸으나 집단 양상은 일관되었다: AR 하에서 조절의 근반응은 대부분 감소한 반면, 동공의 근반응은 그렇지 않았다.
결론. 먼 초점의 AR 가상 영상이 근거리 물리적 배경 위에 놓일 때, 조절은 완전하지는 않으나 주로 먼 가상 요구에 순응하는 반면, 동공 성분은 기준 근반응의 상당 부분을 유지한다. 따라서 근반사의 두 성분은 성분 특이적 기울기（component-specific gradient）를 나타낸다: 각 성분은 물리적 장면의 잔여 근접 단서에 서로 다른 정도로 반응하며, 가상 영상을 단일 협응 단위로서 추종하지는 않는다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose. Optical see-through augmented reality （OST-AR） smart glasses form their virtual image at a fixed far focal distance, even as the physical scene behind it varies in depth. Because the same neural command can drive the accommodative and pupillary components of the near reflex to different degrees, one component may track the far virtual image more faithfully than the other. The present study measured accommodation and the pupil while a far-focused binocular AR virtual image was viewed against a near and a far physical background, alongside matched AR-free baselines.
Methods. Fourteen healthy young adults took part （mean age 24.9 ± 3.2 years; binocular spherical equivalent refraction −1.31 to +0.50 D）. Each completed four conditions in a fixed order. The two AR-free baselines came first: a far physical target at 5 m （FN） and a near physical target at 40 cm （NN）. The two AR conditions followed: the far-focused virtual image on a far physical background at 5 m （FA）, then on a near physical background at 40 cm （NA）. The virtual image was a single planar target presented binocularly at a far focal distance, so its vergence demand stayed constant. Refraction and pupil diameter of the right eye were recorded at 5 Hz with an open-field infrared autorefractor （WAM-5500） for 12 to 15 s per condition. After velocity-based artifact rejection and PCHIP interpolation, the mean response over a 0 to 13 s window was taken for each participant and condition. Paired comparisons used Wilcoxon signed-rank tests. Equivalence of NA and FA was assessed with two one-sided tests （TOST）, using bounds of ±0.25 D for refraction and ±0.10 mm for pupil diameter.
Results. Accommodation complied predominantly with the far virtual image, leaving a small residual near response: NA − FA = −0.19 D （p = .025）, about 16% of the AR-free near reflex and not equivalent within ±0.25 D. The pupil did not follow. Its near response held: NA − FA = −0.34 mm （p = .042）, 77.6% of the AR-free near reflex, with no detectable attenuation （p = .583）. Variability between participants ran high; the group split, even so, was clean: accommodation largely reduced under AR, the pupil not.
Conclusion. When a far-focused AR virtual image is overlaid on a near physical background, accommodation predominantly, but not fully, complies with the far virtual demand, whereas the pupillary component retains a substantial proportion of its baseline near response. The two components of the near reflex therefore exhibit a component-specific gradient: each responds to the residual proximal cues of the physical scene, but to differing degrees, rather than tracking the virtual image as a single synergistic unit.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Optical see-through waveguide AR 1
• 1.2 The near reflex and its components 1
• 1.3 Ocular effects of AR and VR use 3
• 1.4 The present study 4
• 1.5 Study aim 5
• 2. Methods 6
• 2.1 Participants 6
• 2.2 Apparatus and recording setup 7
• 2.3 Stimuli and procedure 8
• 2.4 Data preprocessing 9
• 2.4.1 Cleaning 9
• 2.4.2 Temporal alignment and windowing 10
• 2.4.3 Per-subject summary 10
• 2.5 Statistical analysis 11
• 3. Results 12
• 3.1 Participants and data 12
• 3.2 Accommodative response 13
• 3.3 Pupillary response 14
• 3.4 Individual variability and component comparison 16
• 4. Discussion 18
• 4.1 Predominant but incomplete accommodative response 18
• 4.2 Retention of the pupillary near reflex under task-compliant accommodation 19
• 4.2.1 A scene-embedded disparity–vergence mechanism 19
• 4.2.2 Alternative accounts 20
• 4.2.3 Architectural contrast: Maxwellian view versus waveguide 21
• 4.3 A component-specific gradient in near-reflex responsiveness 22
• 4.4 An independent cohort under a comparable paradigm 22
• 4.5 Individual variability 23
• 4.6 Practical implications 23
• 4.7 Limitations 24
• 5. Conclusion 26
• References 27
• Acknowledgments 32