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문제 정의
- 수차가 보정된 HOE에서도 Bragg 각이 만족되지 않는 FOV(Field Of View)의 끝 부분에서는 회절효율은 상당히 떨어지게 된다. 본 연구에서는 수차가 적으면서 동시에 넓은 FOV에 걸쳐 높은 회절효율을 갖는 소자를 만들기 위해, 수차가 보정된 홀로그래픽 소자의 격자 함수를 매개 홀로그램을 사용하여 고효율의 최종 홀로그램에 전달하도록 하였다.
제안 방법
- 관찰자의 눈이 홀로그램을 통해 보게 되는 디스플레이 평면에서의 상점의 크기와 모양을 벡터 광선 추적법을 사용하여 각각의 시야각에 대해 계산하였다. 그림 3과 그림 4에 각각 보정되기 전의 홀로그램과 수차가 보정된 후 홀로그램의 상점의 형태를 土10º에 해당하는 FOV까지 계산하였다.
- 수차가 적으면서도 넓은 FOV에서 회절효율이 높은 홀로그래픽 HMD 소자를 제작하기 위해, recursive 설계 기술로부터 기록변수들을 얻어 그림 8과 같은 방법으로 수차가 보정된 최적 홀로그램을 제작하였다. 또한 수차가 보정된 최적의 홀로그래픽 소자의 효율을 전체 FOV에 대해 높이기 위해 그림 9와 같은 방법으로 매개 홀로그램을 이용해 최종의 홀로그램을 기록, 제작하였다.
- 벡터 광선추적으로부터 수차가 보정되지 않은 홀로그램에서는 비점수차가, 수차가 보정된 홀로그램에서는 코마가 주된 수차임을 발견하였다. 또한 적은 수차를 가지면서 동시에 넓은 FOV에 걸쳐 높은 회절효율을 갖는 소자를 만들기 위해서 수차가 보정된 홀로그래픽 소자의 격자 함수를 매개 홀로그램에 전송하여 수차는 적고 넓은 FOV에 대해 회절효율이 높은 홀로그래픽 HMD 소자를 제작하였다. 결합파 이론으로부터 수차가 보정된 홀로그램은 약 土5°의 FOV를 나타냈고, 회절효율을 높인 홀로그램에서는 전체 FOV ±10°에서 고른 회절효율을 보였다.
- 수차가 적으면서도 넓은 FOV에서 회절효율이 높은 홀로그래픽 HMD 소자를 제작하기 위해, recursive 설계 기술로부터 기록변수들을 얻어 그림 8과 같은 방법으로 수차가 보정된 최적 홀로그램을 제작하였다. 또한 수차가 보정된 최적의 홀로그래픽 소자의 효율을 전체 FOV에 대해 높이기 위해 그림 9와 같은 방법으로 매개 홀로그램을 이용해 최종의 홀로그램을 기록, 제작하였다.
- 수차가 적은 홀로그래픽 HMD 소자를 설계하기 위하여 recursive 설계 방법을 사용하였고. 이를 통해 비구면 파를 만들기 위한 수차 보정용 홀로그램의 기록 조건을 얻었으며, 이 때 얻은 수차 보정용 홀로그램을 이용하여 수차가 적은 최적의 홀로그램을 기록하였다. 벡터 광선추적으로부터 수차가 보정되지 않은 홀로그램에서는 비점수차가, 수차가 보정된 홀로그램에서는 코마가 주된 수차임을 발견하였다.
- 홀로그래픽 HMD 소자를 제작하기 위한 주요 변수들을 표 1의 왼쪽 열에 나타내었다. 최적의 홀로그래픽 소자를 위한 왜곡된 기준파를 얻기 위해 표 1의 오른쪽 열에 있는 변수들을 사용하여 수차 보정용 홀로그램을 기록한다.
- 또한 그림 11은 수차가 보정된 최적의 홀로그램으로부터 얻어낸 상면에서의 재생상이다. 측정을 위해 칼라 CCD 카메라와 칼라 PCI frame grabber를 사용하였다. 그림 10과 11을 그림 3과 4와 각각 비교해보면 예상했던 대로 수차가 보정되지 않은 홀로그램에서는 주로 비점수차가 많은 경향을 보이고 있으나 수차가 보정된 최적의 홀로그램에서는 비점수차가 상당히 개선되었으며 약간의 코마를 포함하는 것으로 나타났다.
- 홀로그래픽 HMD 소자로 사용하기 위하여 수차를 줄이고 동시에 넓은 FOV에 대하여 회절효율을 높인 개선된 홀로그래픽 HMD 광학소자를 설계 분석하였으며, 이를 제작한 후 실험 결과와 비교하였다. 개선된 홀로그래픽 HMD 소자는 기존의 HMD용 HOE가 가지고 있던 문제점인 수차의 발생과 좁은 FOV를 개선하여 수차가 감소되었고 넓은 FOV에서 회절효율의 증가를 보였다.
대상 데이터
- 기록 매질은 굴절률 변조형 매질인 은염 사진건판(Agfa8E75HD-Plate)을 사용하였다. 기록 매질은 약 100μW/cm2로 노광하였고, 은염 사진건판의 현상은 은염 재생성법(Fixation Free Rehalogenating Bleaching Method: Mod R-10)을 사용 하였다.
- 눈으로부터 거리가 수직으로 76mm의 위치에 놓여 있고, 디스플레이 면으로부터는 35°의 각도를 이루며 100mm의 위치에 놓여있는 홀로그래픽 HMD 소자를 제작, 실험하였다. CCD 카메라로 상점을 촬영한 결과, 수차가 보정되지 않은 홀로그램에서는 주로 비점수차가 많은 경향을 보였으나 수차가 보정된 홀로그램에서는 약간의 코마를 포함하는 것으로 나타났으며, 이는 계산 결과와 일치함을 보였다.
이론/모형
- 기록 매질은 굴절률 변조형 매질인 은염 사진건판(Agfa8E75HD-Plate)을 사용하였다. 기록 매질은 약 100μW/cm2로 노광하였고, 은염 사진건판의 현상은 은염 재생성법(Fixation Free Rehalogenating Bleaching Method: Mod R-10)을 사용 하였다.[12]
- 반사형 홀로그램은 파장 및 각도 선택성이 매우 크므로 응용분야에 맞는 효율특성의 조절이 필요하며 이를 분석하여 홀로그래픽 HMD 소자의 FOV를 결정하게 된다. 본 연구에서 반사형 홀로그램의 회절효율 분석은 Kogelnik의 결합파 이론을 사용하였고, 체적형 홀로그램의 파장 및 각도에 대한 특성 뿐만 아니라 높은 효율을 갖기 위한 매질의 두께 및 굴절률 변조 조건 등을 예측할 수 있다.[11]
- 본 연구에서는 이러한 수차를 최소화하기 위해 recursive 설계 방법을 사용하였다.[5,7] 이 방법에서는 별도의 수차 보정용 홀로그램을 사용하여 비구면 파를 얻어내고 이를 수차가 최적 화된 소자를 기록하기 위한 기준파로 사용한다.
- 수차가 적은 홀로그래픽 HMD 소자를 설계하기 위하여 recursive 설계 방법을 사용하였고. 이를 통해 비구면 파를 만들기 위한 수차 보정용 홀로그램의 기록 조건을 얻었으며, 이 때 얻은 수차 보정용 홀로그램을 이용하여 수차가 적은 최적의 홀로그램을 기록하였다.
성능/효과
- 눈으로부터 거리가 수직으로 76mm의 위치에 놓여 있고, 디스플레이 면으로부터는 35°의 각도를 이루며 100mm의 위치에 놓여있는 홀로그래픽 HMD 소자를 제작, 실험하였다. CCD 카메라로 상점을 촬영한 결과, 수차가 보정되지 않은 홀로그램에서는 주로 비점수차가 많은 경향을 보였으나 수차가 보정된 홀로그램에서는 약간의 코마를 포함하는 것으로 나타났으며, 이는 계산 결과와 일치함을 보였다. 상점의 크기에 있어서도 약 1mm에서 100μm의 크기로 약 10배 정도 작아진 것을 볼 수 있었다.
- 홀로그래픽 HMD 소자로 사용하기 위하여 수차를 줄이고 동시에 넓은 FOV에 대하여 회절효율을 높인 개선된 홀로그래픽 HMD 광학소자를 설계 분석하였으며, 이를 제작한 후 실험 결과와 비교하였다. 개선된 홀로그래픽 HMD 소자는 기존의 HMD용 HOE가 가지고 있던 문제점인 수차의 발생과 좁은 FOV를 개선하여 수차가 감소되었고 넓은 FOV에서 회절효율의 증가를 보였다.
- 또한 적은 수차를 가지면서 동시에 넓은 FOV에 걸쳐 높은 회절효율을 갖는 소자를 만들기 위해서 수차가 보정된 홀로그래픽 소자의 격자 함수를 매개 홀로그램에 전송하여 수차는 적고 넓은 FOV에 대해 회절효율이 높은 홀로그래픽 HMD 소자를 제작하였다. 결합파 이론으로부터 수차가 보정된 홀로그램은 약 土5°의 FOV를 나타냈고, 회절효율을 높인 홀로그램에서는 전체 FOV ±10°에서 고른 회절효율을 보였다.
- 측정을 위해 칼라 CCD 카메라와 칼라 PCI frame grabber를 사용하였다. 그림 10과 11을 그림 3과 4와 각각 비교해보면 예상했던 대로 수차가 보정되지 않은 홀로그램에서는 주로 비점수차가 많은 경향을 보이고 있으나 수차가 보정된 최적의 홀로그램에서는 비점수차가 상당히 개선되었으며 약간의 코마를 포함하는 것으로 나타났다. 또한 상점의 크기를 비교해보면 수차가 보정되지 않은 홀로그램의 경우 대략 1 mm 정도의 크기를 보이는데, 수차가 보정된 홀로그램의 경우 약 100μm 정도의 크기로 약 10배 정도 작아진 것을 볼 수 있었다.
- 그림 10과 11을 그림 3과 4와 각각 비교해보면 예상했던 대로 수차가 보정되지 않은 홀로그램에서는 주로 비점수차가 많은 경향을 보이고 있으나 수차가 보정된 최적의 홀로그램에서는 비점수차가 상당히 개선되었으며 약간의 코마를 포함하는 것으로 나타났다. 또한 상점의 크기를 비교해보면 수차가 보정되지 않은 홀로그램의 경우 대략 1 mm 정도의 크기를 보이는데, 수차가 보정된 홀로그램의 경우 약 100μm 정도의 크기로 약 10배 정도 작아진 것을 볼 수 있었다.
- 본 연구를 통하여 수차가 적으면서도 넓은 FOV를 갖는 홀로그래픽 광학소자를 얻을 수 있음을 확인하였고, 헬멧 장착형 HMD 시스템에 응용될 수 있음을 제시하였다. 앞으로 회절효율을 향상시키기 위하여 은염 사진건판 뿐만 아니라 굴절률 변조가 높은 다른 매질에 대한 연구가 요구되며, 컬러 영 상 디스플레이에 사용하기 위해서 분광대역 및 투과효율 등의 개선에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.
- 상점의 크기에 있어서도 약 1mm에서 100μm의 크기로 약 10배 정도 작아진 것을 볼 수 있었다. 수차가 보정된 홀로그램의 회절효율은 약 60%로 이때의 FOV는 土4°내였으나, 매개 홀로그램을 사용하여 FOV 개선 단계를 거쳐 얻어진 최종의 홀로그램은 전체 FOV가 土10°로 상당히 넓어졌으며 이 범위 안에서 약 50% 이상의 고른 회절효율을 보였다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 수차가 적으면서도 넓은 FOV를 갖는 홀로그래픽 광학소자를 얻을 수 있음을 확인하였고, 헬멧 장착형 HMD 시스템에 응용될 수 있음을 제시하였다. 앞으로 회절효율을 향상시키기 위하여 은염 사진건판 뿐만 아니라 굴절률 변조가 높은 다른 매질에 대한 연구가 요구되며, 컬러 영 상 디스플레이에 사용하기 위해서 분광대역 및 투과효율 등의 개선에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.
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