[학위논문]홀로그래픽 광학 소자를 이용한 3차원 공간 재현 방법 및 그 응용에 관한 연구 A method for contents representing on 3-dimensional free-space by using designed holographic optical elements and its applications원문보기
본 논문에서는 플로팅 홀로그램 디스플레이에 HOE(holographic optical element)를 적용하여 다중의 이미징 레이어를 형성함으로써, 관찰자에게 공간감과 입체감이 확장된 이미징 공간을 제공하는 방법을 제안한다. 이러한 방법은 두 개의 하프미러를 45도로 설치하고 상부에 ...
본 논문에서는 플로팅 홀로그램 디스플레이에 HOE(holographic optical element)를 적용하여 다중의 이미징 레이어를 형성함으로써, 관찰자에게 공간감과 입체감이 확장된 이미징 공간을 제공하는 방법을 제안한다. 이러한 방법은 두 개의 하프미러를 45도로 설치하고 상부에 LED 디스플레이 패널을 위치하여 두 개의 플로팅 홀로그램 이미징 레이어를 구성한 후, 전면의 하프미러에 홀로그래픽 렌즈의 역할을 하는 HOE를 부착하여 이를 통해 이미지를 재생하여 총 세 개의 이미징 레이어를 형성함으로 이루어진다. 논문에서 제안되는 3차원 공간 디스플레이 시스템의 자세한 내용은 다음과 같다.
제 2장 플로팅 홀로그램 플로팅 홀로그램은 투과와 반사의 성질을 동시에 갖는 하프미러와 같은 매질을 45도의 각도로 위치하고 디스플레이 패널을 통해 이미지를 입사하여 이미징 공간을 형성한다. 그러나 다중의 이미징 레이어를 갖는 플로팅 홀로그램을 구성하기 위해서는 하프미러를 추가해야하는 물리적 확장이 필요하다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 플로팅 홀로그램 디스플레이 시스템에 홀로그래픽 간섭에 의해 제작된 HOE를 적용한다.
제 3장 홀로그램과 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 본 디스플레이 시스템에 적용되는 HOE는 홀로그래픽 렌즈 역할을 하는 광학 소자로써, 기록 시에 사용한 동일 파장대의 광원으로 영상을 디스플레이하면 HOE에 의해 빛이 회절되어 디스플레이 하고자 하는 영상을 재현할 수 있다. 기존의 DOE(diffractive optical element)는 유리 등의 재료에 회절 패턴을 양각으로 가공하여 제작되지만 HOE는 필름 형태의 포토폴리머(photopolymer)가 홀로그램 기록 매질로 이용되며 기존의 DOE를 대치하는 여러 장점을 가진다. 그러므로 이러한 HOE를 플로팅 홀로그램의 구조에 적용하여 이미징 공간을 확장할 수 있다.
제 4장 플로팅 홀로그램과 HOE를 혼합 구성한 3차원 공간 디스플레이 제안된 3차원 공간 디스플레이 시스템은 45도로 설치된 두 개의 하프미러와 상부에 LED 디스플레이 패널을 위치시키고, 전면의 하프미러에 부착되는 HOE와 HOE 재생을 위한 레이저 빔 프로젝터로 구성된다. 홀로그래픽 렌즈 역할을 하는 HOE를 제작하기 위해서 기록 시 물체빔과 참조빔의 각도를 45도로 설정한다. 또한 디퓨저와 HOE와의 거리 442mm는 기록 시 참조빔의 path length, 재생되는 이미지와 HOE와의 거리 1560mm는 물체빔의 path length로 설정한다. HOE를 얇은 렌즈라고 가정하면 thin lens eqaution을 통해 제작된 HOE의 초점거리는 344.4mm, 배율은 3.5배임을 구할 수 있다. 그러므로 재생 시에 참조빔의 역할을 하는 레이저 빔 프로젝터에서 투사된 빔은 투과 스크린의 이미지가 HOE와 442mm의 거리일 때 HOE에서 1560mm의 거리에서 이미지 결상면을 가지며, 배율에 따라 3.5배 커진 이미지가 관찰된다.
제 5장 실험 및 결과 디스플레이 시스템의 거리 및 입사각에 대한 조건을 만족시키는 HOE를 제작하기 위해 레이저의 빛을 polarization beam splitter를 이용하여 두 개의 광 경로로 나누어 기록한다. 기록 시에 사용된 레이저는 500mW의 intensity를 갖는 green laser와 red laser이며, 각 레이저를 통해 red 및 green 용 단색 HOE 2개와 두 레이저를 동시에 사용한 1개의 HOE를 제작한다. 본 실험에서 사용된 포토폴리머는 Bayfol® HX200이며 30mJ/〖cm〗^2의 기록 적정 노출 에너지를 가지고 있으므로, 기록 시 물체빔과 참조빔의 광량을 1mW, 1.5mW로 설정한다. 이러한 과정으로 기록된 HOE에 기록 시 사용한 파장대의 빛을 입사하였을 때 해당 파장대의 색이 나타난다. 660nm의 red laser와 532nm의 green laser를 동시에 사용하여 기록한 HOE에 백색광을 참조광으로 투사했을 때, wavelength selectivity에 의해 재생된 이미지에서 빨강과 녹색이 분리되어 보이는 색수차(chromatic aberration)가 발생함을 관찰할 수 있다. 이러한 multi-color HOE를 통한 이미지 재생 시의 색수차가 발생하지 않게 하기 위해서는 기록에 사용한 레이저와 재생 시에 사용되는 레이저의 wavelength를 일치시켜야 한다. 제안된 3차원 공간 디스플레이 시스템이 형성하는 세 개의 이미징 레이어의 간격은 625mm이다. 그러므로 디스플레이 시스템의 500mm 앞에서 관찰자가 위치할 때 첫 번째 이미징 레이어의 심도는 1125mm이며 두 번째 이미징 레이어의 심도는 1750mm, 마지막 세 번째 이미징 레이어의 심도는 2375mm가 된다. 형성되는 각 이미징 레이어가 625mm의 동일한 간격을 갖기 때문에 각 이미징 레이어에 같은 크기의 이미지를 투사하더라도 관찰되는 이미지는 절반의 비율로 작아지게 된다. 디스플레이의 전면에서 관찰되는 이미지를 촬영한 후 각 이미지의 크기를 측정하였을 때, 이는 절반의 비율을 되므로 각 이미징 레이어가 동일 간격에 형성되고 각 이미징 레이어에서 재생되는 이미지를 통하여 관찰자에게 입체감을 전달할 수 있음이 확인된다.
본 논문에서는 플로팅 홀로그램 디스플레이에 HOE(holographic optical element)를 적용하여 다중의 이미징 레이어를 형성함으로써, 관찰자에게 공간감과 입체감이 확장된 이미징 공간을 제공하는 방법을 제안한다. 이러한 방법은 두 개의 하프미러를 45도로 설치하고 상부에 LED 디스플레이 패널을 위치하여 두 개의 플로팅 홀로그램 이미징 레이어를 구성한 후, 전면의 하프미러에 홀로그래픽 렌즈의 역할을 하는 HOE를 부착하여 이를 통해 이미지를 재생하여 총 세 개의 이미징 레이어를 형성함으로 이루어진다. 논문에서 제안되는 3차원 공간 디스플레이 시스템의 자세한 내용은 다음과 같다.
제 2장 플로팅 홀로그램 플로팅 홀로그램은 투과와 반사의 성질을 동시에 갖는 하프미러와 같은 매질을 45도의 각도로 위치하고 디스플레이 패널을 통해 이미지를 입사하여 이미징 공간을 형성한다. 그러나 다중의 이미징 레이어를 갖는 플로팅 홀로그램을 구성하기 위해서는 하프미러를 추가해야하는 물리적 확장이 필요하다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 플로팅 홀로그램 디스플레이 시스템에 홀로그래픽 간섭에 의해 제작된 HOE를 적용한다.
제 3장 홀로그램과 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 본 디스플레이 시스템에 적용되는 HOE는 홀로그래픽 렌즈 역할을 하는 광학 소자로써, 기록 시에 사용한 동일 파장대의 광원으로 영상을 디스플레이하면 HOE에 의해 빛이 회절되어 디스플레이 하고자 하는 영상을 재현할 수 있다. 기존의 DOE(diffractive optical element)는 유리 등의 재료에 회절 패턴을 양각으로 가공하여 제작되지만 HOE는 필름 형태의 포토폴리머(photopolymer)가 홀로그램 기록 매질로 이용되며 기존의 DOE를 대치하는 여러 장점을 가진다. 그러므로 이러한 HOE를 플로팅 홀로그램의 구조에 적용하여 이미징 공간을 확장할 수 있다.
제 4장 플로팅 홀로그램과 HOE를 혼합 구성한 3차원 공간 디스플레이 제안된 3차원 공간 디스플레이 시스템은 45도로 설치된 두 개의 하프미러와 상부에 LED 디스플레이 패널을 위치시키고, 전면의 하프미러에 부착되는 HOE와 HOE 재생을 위한 레이저 빔 프로젝터로 구성된다. 홀로그래픽 렌즈 역할을 하는 HOE를 제작하기 위해서 기록 시 물체빔과 참조빔의 각도를 45도로 설정한다. 또한 디퓨저와 HOE와의 거리 442mm는 기록 시 참조빔의 path length, 재생되는 이미지와 HOE와의 거리 1560mm는 물체빔의 path length로 설정한다. HOE를 얇은 렌즈라고 가정하면 thin lens eqaution을 통해 제작된 HOE의 초점거리는 344.4mm, 배율은 3.5배임을 구할 수 있다. 그러므로 재생 시에 참조빔의 역할을 하는 레이저 빔 프로젝터에서 투사된 빔은 투과 스크린의 이미지가 HOE와 442mm의 거리일 때 HOE에서 1560mm의 거리에서 이미지 결상면을 가지며, 배율에 따라 3.5배 커진 이미지가 관찰된다.
제 5장 실험 및 결과 디스플레이 시스템의 거리 및 입사각에 대한 조건을 만족시키는 HOE를 제작하기 위해 레이저의 빛을 polarization beam splitter를 이용하여 두 개의 광 경로로 나누어 기록한다. 기록 시에 사용된 레이저는 500mW의 intensity를 갖는 green laser와 red laser이며, 각 레이저를 통해 red 및 green 용 단색 HOE 2개와 두 레이저를 동시에 사용한 1개의 HOE를 제작한다. 본 실험에서 사용된 포토폴리머는 Bayfol® HX200이며 30mJ/〖cm〗^2의 기록 적정 노출 에너지를 가지고 있으므로, 기록 시 물체빔과 참조빔의 광량을 1mW, 1.5mW로 설정한다. 이러한 과정으로 기록된 HOE에 기록 시 사용한 파장대의 빛을 입사하였을 때 해당 파장대의 색이 나타난다. 660nm의 red laser와 532nm의 green laser를 동시에 사용하여 기록한 HOE에 백색광을 참조광으로 투사했을 때, wavelength selectivity에 의해 재생된 이미지에서 빨강과 녹색이 분리되어 보이는 색수차(chromatic aberration)가 발생함을 관찰할 수 있다. 이러한 multi-color HOE를 통한 이미지 재생 시의 색수차가 발생하지 않게 하기 위해서는 기록에 사용한 레이저와 재생 시에 사용되는 레이저의 wavelength를 일치시켜야 한다. 제안된 3차원 공간 디스플레이 시스템이 형성하는 세 개의 이미징 레이어의 간격은 625mm이다. 그러므로 디스플레이 시스템의 500mm 앞에서 관찰자가 위치할 때 첫 번째 이미징 레이어의 심도는 1125mm이며 두 번째 이미징 레이어의 심도는 1750mm, 마지막 세 번째 이미징 레이어의 심도는 2375mm가 된다. 형성되는 각 이미징 레이어가 625mm의 동일한 간격을 갖기 때문에 각 이미징 레이어에 같은 크기의 이미지를 투사하더라도 관찰되는 이미지는 절반의 비율로 작아지게 된다. 디스플레이의 전면에서 관찰되는 이미지를 촬영한 후 각 이미지의 크기를 측정하였을 때, 이는 절반의 비율을 되므로 각 이미징 레이어가 동일 간격에 형성되고 각 이미징 레이어에서 재생되는 이미지를 통하여 관찰자에게 입체감을 전달할 수 있음이 확인된다.
In this paper, a method of providing an expanded imaging space to the observer by applying HOE(holographic optical element) to floating hologram to configure multi-imaging layers is proposed. This method consists of installing two half mirrors at 45 degrees, positioning the LED display panel at the ...
In this paper, a method of providing an expanded imaging space to the observer by applying HOE(holographic optical element) to floating hologram to configure multi-imaging layers is proposed. This method consists of installing two half mirrors at 45 degrees, positioning the LED display panel at the top to form two floating hologram imaging layers, attaching a HOE act as a holographic lens to the front half mirror, and reconstructing images to form a total of three image layers. Details of the 3D volumetric display system proposed in this paper are as follows.
Chapter 2. Floating hologram The floating hologram is located at an angle of 45 degrees in a medium such as a half mirror with both transmission and reflection properties and, incurred an image using a display panel to form an imaging space. However, in order to construct a floating hologram with multiple imaging layers, it is necessary to add a physical extension to which the half mirror should be added. To overcome this disadvantage, designed HOE manufactured by holographic technology is applied to the floating hologram display system.
Chapter 3. Holograms and holographic optical element The HOE applied to the display system is an optical element serving as a holographic lens, and when an image is displayed as a light source in the same wavelength band used for recording, light is diffracted by the HOE and image to be displayed is reconstructed. Conventional DOE(diffractive optical element) are manufactured by embossing diffraction patterns on a material such as glass, but HOE has various advantages in that a film-type photopolymer is used as a hologram recording medium and replaces the conventional DOE. Therefore, it is possible to expand the imaging space by applying such HOE to the structure of the floating hologram.
Chapter 4. 3D volumetric display consists of floating hologram and HOE The proposed 3D volumetric display system consists of two half mirrors installed at 45 degrees and an LED display panel located at the top, a HOE attached to the half mirror on the front, and a laser beam projector for image reconstruction by HOE. In order to manufacture a HOE serving as a holographic lens, the angle between the object beam and the reference beam is set to 45 degrees during recording. In addition, the distance between the diffuser and the HOE is set to the path length of the reference beam at the time of recording, and the distance between the reconstructed image and the HOE is set to the path length of the object beam. Assuming that the HOE is a thin lens, it can be found that the focal length of the HOE through thin lens evaluation is 344.4mm and the magnification is 3.5 times. Therefore, the beam projected from the laser beam projector, which acts as a reference beam during reconstruction, has an imaging plane at a distance of 1560mm from HOE when the image of the transmissive type screen is 442mm from HOE, and an image 3.5 times larger according to magnification is observed.
Chapter 5. Experiments and results In order to manufacture the designed HOE that satisfies the conditions for the distance and angle of incidence of the display system, the light of the laser is divided into two optical paths by using a polarization beam splitter. The lasers used in recording are Green Laser and Red Laser with an intensity of 500mW, and using each laser, two monochromatic HOEs of red and green and one multi-color HOE recorded using both lasers at the same time are manufactured. Since the photopolymer used in this experiment is Bayfol® HX200 and has a record appropriate exposure energy of 30mJ/〖cm〗^2, the amount of light of the object beam and the reference beam are set to 1mW and 1.5 mW when recording. When light in the wavelength band used for recording is incident on the HOE recorded in this process, the color of the wavelength band appears. When white light is projected as reference light on HOE recorded using a 660nm red laser and a 532nm green laser at the same time, it can be observed that chromatic aberration occurs in which red and green appear separated from the image reconstructed by wavelength selectivity. To prevent chromatic aberration during image reconstruction through multi-color HOE, the wavelength of the laser used for recording and the laser used for reconstruction must be matched. The interval between the three imaging layers formed by the proposed 3D volumetric display system is 625mm. Therefore, when the observer is located 500mm in front of the display system, the depth of the first imaging layer is 1125mm, the depth of the second imaging layer is 1750mm, and the depth of the last third imaging layer is 2375mm. Since each imaging layer formed has the same interval of 625mm, even if an image of the same size is projected onto each imaging layer, the observed image is reconstructed at a ratio of half. When the size of each image is measured after taking an image observed from the front of the display, it is confirmed that each imaging layer is formed at the same interval and a 3D effect can be delivered to the observer through the image displayed at each imaging layer.
In this paper, a method of providing an expanded imaging space to the observer by applying HOE(holographic optical element) to floating hologram to configure multi-imaging layers is proposed. This method consists of installing two half mirrors at 45 degrees, positioning the LED display panel at the top to form two floating hologram imaging layers, attaching a HOE act as a holographic lens to the front half mirror, and reconstructing images to form a total of three image layers. Details of the 3D volumetric display system proposed in this paper are as follows.
Chapter 2. Floating hologram The floating hologram is located at an angle of 45 degrees in a medium such as a half mirror with both transmission and reflection properties and, incurred an image using a display panel to form an imaging space. However, in order to construct a floating hologram with multiple imaging layers, it is necessary to add a physical extension to which the half mirror should be added. To overcome this disadvantage, designed HOE manufactured by holographic technology is applied to the floating hologram display system.
Chapter 3. Holograms and holographic optical element The HOE applied to the display system is an optical element serving as a holographic lens, and when an image is displayed as a light source in the same wavelength band used for recording, light is diffracted by the HOE and image to be displayed is reconstructed. Conventional DOE(diffractive optical element) are manufactured by embossing diffraction patterns on a material such as glass, but HOE has various advantages in that a film-type photopolymer is used as a hologram recording medium and replaces the conventional DOE. Therefore, it is possible to expand the imaging space by applying such HOE to the structure of the floating hologram.
Chapter 4. 3D volumetric display consists of floating hologram and HOE The proposed 3D volumetric display system consists of two half mirrors installed at 45 degrees and an LED display panel located at the top, a HOE attached to the half mirror on the front, and a laser beam projector for image reconstruction by HOE. In order to manufacture a HOE serving as a holographic lens, the angle between the object beam and the reference beam is set to 45 degrees during recording. In addition, the distance between the diffuser and the HOE is set to the path length of the reference beam at the time of recording, and the distance between the reconstructed image and the HOE is set to the path length of the object beam. Assuming that the HOE is a thin lens, it can be found that the focal length of the HOE through thin lens evaluation is 344.4mm and the magnification is 3.5 times. Therefore, the beam projected from the laser beam projector, which acts as a reference beam during reconstruction, has an imaging plane at a distance of 1560mm from HOE when the image of the transmissive type screen is 442mm from HOE, and an image 3.5 times larger according to magnification is observed.
Chapter 5. Experiments and results In order to manufacture the designed HOE that satisfies the conditions for the distance and angle of incidence of the display system, the light of the laser is divided into two optical paths by using a polarization beam splitter. The lasers used in recording are Green Laser and Red Laser with an intensity of 500mW, and using each laser, two monochromatic HOEs of red and green and one multi-color HOE recorded using both lasers at the same time are manufactured. Since the photopolymer used in this experiment is Bayfol® HX200 and has a record appropriate exposure energy of 30mJ/〖cm〗^2, the amount of light of the object beam and the reference beam are set to 1mW and 1.5 mW when recording. When light in the wavelength band used for recording is incident on the HOE recorded in this process, the color of the wavelength band appears. When white light is projected as reference light on HOE recorded using a 660nm red laser and a 532nm green laser at the same time, it can be observed that chromatic aberration occurs in which red and green appear separated from the image reconstructed by wavelength selectivity. To prevent chromatic aberration during image reconstruction through multi-color HOE, the wavelength of the laser used for recording and the laser used for reconstruction must be matched. The interval between the three imaging layers formed by the proposed 3D volumetric display system is 625mm. Therefore, when the observer is located 500mm in front of the display system, the depth of the first imaging layer is 1125mm, the depth of the second imaging layer is 1750mm, and the depth of the last third imaging layer is 2375mm. Since each imaging layer formed has the same interval of 625mm, even if an image of the same size is projected onto each imaging layer, the observed image is reconstructed at a ratio of half. When the size of each image is measured after taking an image observed from the front of the display, it is confirmed that each imaging layer is formed at the same interval and a 3D effect can be delivered to the observer through the image displayed at each imaging layer.
Keyword
#플로팅 홀로그램 홀로그래픽 광학 소자 3차원 공간 디스플레이 Floating hologram holographic optical element 3D volumetric display
학위논문 정보
저자
이완중
학위수여기관
원광대학교 일반대학원
학위구분
국내석사
학과
전자공학과
지도교수
강훈종
발행연도
2022
총페이지
p67
키워드
플로팅 홀로그램 홀로그래픽 광학 소자 3차원 공간 디스플레이 Floating hologram holographic optical element 3D volumetric display
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