[학위논문]High-speed light wave control with dynamic aperture for AR/VR visualization and terahertz imaging : AR/VR 시각화 및 테라헤르츠 이미징을 위한 다이나믹 어퍼쳐 기반 고속 광파 제어원문보기
지난 수십 년 동안 광파 변조 기술은 성능, 비용 효율성, 휴대성을 향상하기 위해 다양한 파장 대역의 이미징 시스템, 디스플레이 등 광학 시스템에서 사용되었으며 성장해왔다. 디스플레이 산업에서는 현실 세계와 유사한 생생한 3D 영상을 표현하기 위해 다양하고 복잡한 광학계가 개발되고 있다. 최근 ...
지난 수십 년 동안 광파 변조 기술은 성능, 비용 효율성, 휴대성을 향상하기 위해 다양한 파장 대역의 이미징 시스템, 디스플레이 등 광학 시스템에서 사용되었으며 성장해왔다. 디스플레이 산업에서는 현실 세계와 유사한 생생한 3D 영상을 표현하기 위해 다양하고 복잡한 광학계가 개발되고 있다. 최근 메타버스가 차세대 산업으로 주목받으면서 VR(가상현실), AR(증강현실), MR(혼합현실) 기술이 개발되고 있으며, SR(대체현실)과 확장현실(XR)까지 그 개념이 지속적으로 확장되고 있다. 시청자의 몰입도를 높이려면 고품질 3D 콘텐츠가 필수적이며, 이를 표현하기 위해서는 고도의 디스플레이 기술이 필요하다. 광파 제어는 3D 디스플레이의 필수 기술로 SLM(Spatial Light Modulator)을 이용한 홀로그램 디스플레이, DMD(Digital Micromirror Device)를 이용한 HMD(Head Mounted Display), 홀로그램 광학 소자를 이용한 3차원영상 보정 및 결합 등 다양한 형태로 사용된다. 또한, 이미징 시스템에서는 해상도를 높이고 노이즈를 줄이는 관점에서 광파 제어는 광학 시스템 설계의 핵심 요소일 뿐만 아니라 물체의 형상 정보 측정, 편광 특성 추출, 가변 초점 렌즈 설계, 프린지 패턴 생성 및 홀로그램 생성 등 다양한 분야에 널리 사용된다. 광파 제어는 빛의 진폭, 위상, 주파수, 편광, 빔 조향 등을 전기적으로 또는 광학적으로 제어하는 기술로 액정소자, DMD(Digital Micromirror Device), deformable mirror 등을 이용한 능동제어 방식과 Lensed Aperture, mirror, 회절광학소자 등을 이용한 수동제어 방식이 있다. 본 논문에서는 다양한 광파 제어 방식을 통해 다이나믹 어퍼쳐를 구현한 4가지 광학 시스템에 대한 연구결과를 소개한다. 최근 메타버스 및 비대면 시대의 도래로 증강현실 기술은 HMD 디스플레이를 통해 교육, 미디어 및 여러 산업 분야에서 활용되면서 차세대 글로벌 산업 기술로 빠르게 발전되고 있다. 또한, 증강현실 기술은 컨텐츠 제공뿐만 아니라 사용자와 증강현실 컨텐츠가 상호작용하는 초실감 기술로 발전되고 있다. 초실감 컨텐츠에서 시각을 담당하는 디스플레이는 사용자에게 몰입감 제공 및 고품질의 컨텐츠를 제공하기 위해서는 고도의 광파 제어 기술이 필요하다. 시스템에 사용되는 SLM은 컨텐츠의 품질을 제한한다. 따라서, 주어진 SLM 조건에서 광파 제어 기술을 이용하여 더욱 확장된 3차원 정보를 제공할 수 있는 시스템을 개발하고자 하였다. 3차원 컨텐츠의 품질이 SLM을 구성하는 픽셀의 물리적인 크기에 제한받는 space-bandwidth product 문제를 극복하기 위하여 time-multiplexing 기술을 사용하였다. 홀로그램 이미지를 재생하기 위해 사용되는 푸리에 도메인의 single-sideband filter를 순차적으로 셔터링하여 다이나믹 어퍼쳐를 구성함으로써 3차원 정보를 확장하는 기술을 소개한다. 모바일 삽입형 HMD는 가장 보편적으로 사용되는 HMD 시스템으로 누구나 사용하는 모바일 폰을 디스플레이 기기로 사용함으로써 사용성을 높인 기기이다. 모바일 삽입형 HMD는 모바일 폰과 접안렌즈를 이용하여 양안시차를 제공함으로써 3차원 영상을 표현한다. 일반적으로 디스플레이의 구역을 나누어 양안시차를 제공하는 방식의 3차원 영상은 수렴-초점 불일치 문제가 발생한다. 수렴-초점 불일치는 시청자가 초점을 맞추고 있는 디스플레이 패널의 깊이와 인지하는 3차원 영상의 깊이가 불일치함으로써 어지러움을 유발한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 이중 패널 HMD 시스템이 개발되었다. 후면의 패널을 접안렌즈의 초점거리에 배치함으로써 표현되는 영상을 광학적으로 무한대에 위치시키고 전면패널은 3차원 영상을 표현함으로써 깊이감을 확장하는 방식을 사용했다. 하지만 이 경우, 후면 패널과 전면패널의 영상이 서로 겹침으로써 3차원 인지 요소 중 하나인 가려짐 현상이 표현될 수 없다. 본 논문에서는, 가려짐 현상이 잘 표현될 수 있는 삼중 디스플레이 HMD를 소개한다. 광파의 편광을 제어하는 패널을 추가함으로써 전면패널과 후면 패널의 이미지 간섭을 제거하였다. 전면패널에 표현될 이미지에 따라 동적으로 제어되는 어펴쳐를 생성하는 masking panel을 설계 함으로써 시스템을 구현하였다. 테라헤르츠파(THz wave)는 적외선과 마이크로파(Microwaves) 사이의 대역으로 대략 0.1~10THz 대역의 주파수를 가지는 전자기파로 정의된다. 테라헤르츠 대역의 전자기파는 가시광 대역이 투과하지 못하는 세라믹, 플라스틱, 종이 등과 같은 비분극성 물질을 투과하는 특성이 있으며, 광자 에너지는 수 meV로 매우 낮아 비파괴 특성을 가진다. 이러한 특성을 이용하여 비파괴 투과/반사형 이미징 기술을 기반으로 하는 비파괴 검사 장비를 산업현장에 적용할 수 있으며, 최근 자동차, 배터리, 식품, 의료, 보안 등 산업 전반에 걸쳐 테라헤르츠파를 이용한 이미징 및 비파괴 검사 기술이 활발히 연구되고 있다. 산업현장은 빠른 측정 속도와 정확성, 낮은 가격의 시스템을 요구한다. 본 논문에서는 저가격이며 고속 측정이 가능한 반사형테라헤르츠 이미징 시스템을 소개한다. 테라헤르츠 카메라가 최근 상용화되었으나 가격이 매우 비싸며 측정 면적이 작으므로 산업현장에 적용하기에는 어려움이 있다. 따라서 단일 발생기와 단일 검출기를 이용한 래스터 스캐닝 방식의 테라헤르츠 이미징 시스템을 설계하였다. 고속으로 광파를 조향할 수 있는 폴리곤미러를 설계하고 제작하였으며 텔레센트릭 에프세타 렌즈를 통해 테라헤르츠 이미지를 측정한다. 측정하고자 하는 물체의 유형에 따라 두 가지 형태의 시스템으로 설계하였다. 첫 번째 시스템은 소형의 물체 및 테라헤르츠 태그를 이미징 하기 위한 시스템이며, 두 번째 시스템은 첫 번째 시스템의 테라헤르츠파 검출 효율을 개선하여 생산설비에 적용하거나 대면적의 물체를 측정하기 위한 시스템이다. 실험 결과를 통해 산업현장으로의 적용 가능성을 제시하였다. 본 논문에서는 다양한 광파 제어 기술을 이용하여 광학 시스템들을 설계하여 실험을 통해 기존의 알려진 시스템이 가진 이슈들을 개선할 수 있다는 것을 증명하였다. 본 논문에서 연구된 광파 제어 기술들은 디스플레이와 이미징 시스템뿐만 아니라 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
지난 수십 년 동안 광파 변조 기술은 성능, 비용 효율성, 휴대성을 향상하기 위해 다양한 파장 대역의 이미징 시스템, 디스플레이 등 광학 시스템에서 사용되었으며 성장해왔다. 디스플레이 산업에서는 현실 세계와 유사한 생생한 3D 영상을 표현하기 위해 다양하고 복잡한 광학계가 개발되고 있다. 최근 메타버스가 차세대 산업으로 주목받으면서 VR(가상현실), AR(증강현실), MR(혼합현실) 기술이 개발되고 있으며, SR(대체현실)과 확장현실(XR)까지 그 개념이 지속적으로 확장되고 있다. 시청자의 몰입도를 높이려면 고품질 3D 콘텐츠가 필수적이며, 이를 표현하기 위해서는 고도의 디스플레이 기술이 필요하다. 광파 제어는 3D 디스플레이의 필수 기술로 SLM(Spatial Light Modulator)을 이용한 홀로그램 디스플레이, DMD(Digital Micromirror Device)를 이용한 HMD(Head Mounted Display), 홀로그램 광학 소자를 이용한 3차원 영상 보정 및 결합 등 다양한 형태로 사용된다. 또한, 이미징 시스템에서는 해상도를 높이고 노이즈를 줄이는 관점에서 광파 제어는 광학 시스템 설계의 핵심 요소일 뿐만 아니라 물체의 형상 정보 측정, 편광 특성 추출, 가변 초점 렌즈 설계, 프린지 패턴 생성 및 홀로그램 생성 등 다양한 분야에 널리 사용된다. 광파 제어는 빛의 진폭, 위상, 주파수, 편광, 빔 조향 등을 전기적으로 또는 광학적으로 제어하는 기술로 액정소자, DMD(Digital Micromirror Device), deformable mirror 등을 이용한 능동제어 방식과 Lensed Aperture, mirror, 회절광학소자 등을 이용한 수동제어 방식이 있다. 본 논문에서는 다양한 광파 제어 방식을 통해 다이나믹 어퍼쳐를 구현한 4가지 광학 시스템에 대한 연구결과를 소개한다. 최근 메타버스 및 비대면 시대의 도래로 증강현실 기술은 HMD 디스플레이를 통해 교육, 미디어 및 여러 산업 분야에서 활용되면서 차세대 글로벌 산업 기술로 빠르게 발전되고 있다. 또한, 증강현실 기술은 컨텐츠 제공뿐만 아니라 사용자와 증강현실 컨텐츠가 상호작용하는 초실감 기술로 발전되고 있다. 초실감 컨텐츠에서 시각을 담당하는 디스플레이는 사용자에게 몰입감 제공 및 고품질의 컨텐츠를 제공하기 위해서는 고도의 광파 제어 기술이 필요하다. 시스템에 사용되는 SLM은 컨텐츠의 품질을 제한한다. 따라서, 주어진 SLM 조건에서 광파 제어 기술을 이용하여 더욱 확장된 3차원 정보를 제공할 수 있는 시스템을 개발하고자 하였다. 3차원 컨텐츠의 품질이 SLM을 구성하는 픽셀의 물리적인 크기에 제한받는 space-bandwidth product 문제를 극복하기 위하여 time-multiplexing 기술을 사용하였다. 홀로그램 이미지를 재생하기 위해 사용되는 푸리에 도메인의 single-sideband filter를 순차적으로 셔터링하여 다이나믹 어퍼쳐를 구성함으로써 3차원 정보를 확장하는 기술을 소개한다. 모바일 삽입형 HMD는 가장 보편적으로 사용되는 HMD 시스템으로 누구나 사용하는 모바일 폰을 디스플레이 기기로 사용함으로써 사용성을 높인 기기이다. 모바일 삽입형 HMD는 모바일 폰과 접안렌즈를 이용하여 양안시차를 제공함으로써 3차원 영상을 표현한다. 일반적으로 디스플레이의 구역을 나누어 양안시차를 제공하는 방식의 3차원 영상은 수렴-초점 불일치 문제가 발생한다. 수렴-초점 불일치는 시청자가 초점을 맞추고 있는 디스플레이 패널의 깊이와 인지하는 3차원 영상의 깊이가 불일치함으로써 어지러움을 유발한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 이중 패널 HMD 시스템이 개발되었다. 후면의 패널을 접안렌즈의 초점거리에 배치함으로써 표현되는 영상을 광학적으로 무한대에 위치시키고 전면패널은 3차원 영상을 표현함으로써 깊이감을 확장하는 방식을 사용했다. 하지만 이 경우, 후면 패널과 전면패널의 영상이 서로 겹침으로써 3차원 인지 요소 중 하나인 가려짐 현상이 표현될 수 없다. 본 논문에서는, 가려짐 현상이 잘 표현될 수 있는 삼중 디스플레이 HMD를 소개한다. 광파의 편광을 제어하는 패널을 추가함으로써 전면패널과 후면 패널의 이미지 간섭을 제거하였다. 전면패널에 표현될 이미지에 따라 동적으로 제어되는 어펴쳐를 생성하는 masking panel을 설계 함으로써 시스템을 구현하였다. 테라헤르츠파(THz wave)는 적외선과 마이크로파(Microwaves) 사이의 대역으로 대략 0.1~10THz 대역의 주파수를 가지는 전자기파로 정의된다. 테라헤르츠 대역의 전자기파는 가시광 대역이 투과하지 못하는 세라믹, 플라스틱, 종이 등과 같은 비분극성 물질을 투과하는 특성이 있으며, 광자 에너지는 수 meV로 매우 낮아 비파괴 특성을 가진다. 이러한 특성을 이용하여 비파괴 투과/반사형 이미징 기술을 기반으로 하는 비파괴 검사 장비를 산업현장에 적용할 수 있으며, 최근 자동차, 배터리, 식품, 의료, 보안 등 산업 전반에 걸쳐 테라헤르츠파를 이용한 이미징 및 비파괴 검사 기술이 활발히 연구되고 있다. 산업현장은 빠른 측정 속도와 정확성, 낮은 가격의 시스템을 요구한다. 본 논문에서는 저가격이며 고속 측정이 가능한 반사형 테라헤르츠 이미징 시스템을 소개한다. 테라헤르츠 카메라가 최근 상용화되었으나 가격이 매우 비싸며 측정 면적이 작으므로 산업현장에 적용하기에는 어려움이 있다. 따라서 단일 발생기와 단일 검출기를 이용한 래스터 스캐닝 방식의 테라헤르츠 이미징 시스템을 설계하였다. 고속으로 광파를 조향할 수 있는 폴리곤 미러를 설계하고 제작하였으며 텔레센트릭 에프세타 렌즈를 통해 테라헤르츠 이미지를 측정한다. 측정하고자 하는 물체의 유형에 따라 두 가지 형태의 시스템으로 설계하였다. 첫 번째 시스템은 소형의 물체 및 테라헤르츠 태그를 이미징 하기 위한 시스템이며, 두 번째 시스템은 첫 번째 시스템의 테라헤르츠파 검출 효율을 개선하여 생산설비에 적용하거나 대면적의 물체를 측정하기 위한 시스템이다. 실험 결과를 통해 산업현장으로의 적용 가능성을 제시하였다. 본 논문에서는 다양한 광파 제어 기술을 이용하여 광학 시스템들을 설계하여 실험을 통해 기존의 알려진 시스템이 가진 이슈들을 개선할 수 있다는 것을 증명하였다. 본 논문에서 연구된 광파 제어 기술들은 디스플레이와 이미징 시스템뿐만 아니라 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
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