[논문]디지털 홀로그램 (CGH) 생성 기술

강훈종; 민병기; 홍성희; 김영민

디지털 홀로그램 (CGH) 생성 기술 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.31 no.2, 2014년, pp.13 - 20

강훈종 (전자부품연구원) , 민병기 ((주)아스텔) , 홍성희 (전자부품연구원) , 김영민 (전자부품연구원)

초록
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본고에서는 수학적 모델을 기반으로 디지털 홀로그램 생성하는 기술에 대해 기술한다. 디지털 홀로그램 생성은 먼저 스칼라 회절에 대한 수학적 모델을 이용하여 생성이 가능하며, 위상 분포를 갖는 디지털 홀로그램 생성 또한 다양한 방법에 의해 실현이 가능하다. 디지털 홀로그램 생성 분야에서 주요 이슈 중에 하나는 높은 계산복잡도를 갖는 디지털 홀로그램 생성을 가속화하는 방법이다. 본고에서는 이와 같이 디지털 홀로그램 생성에 관한 기본 방법 및 가속화 방법 등을 나타낸다.

AI 본문요약
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문제 정의

기하광학보다 좀 더 정확한 모델링이 가능한 광학 모델은 파동광학이다. 공간상에 전파되는 빛의 특성을 scalar wave field에 의해 모델링을 하는 것이다. 원하는 3차원 객체에 대한 광학 정보는 wave field에 의해 전파되기 때문에, 공간상에 전파되는 빛은 scalar wave field에 의해 표현이 가능하다.
실제로, 홀로그래피 또는 홀로그램이라는 용어는 물리적으로 3차원 객체를 광파에 의해 복원하는 모든 방법에 대해서도 사용되어지고 있다. 본 고에서는 이와 같은 홀로그램을 홀로그래픽 디스플레이를 비롯한 홀로그래픽 프린터 등의 디지털 홀로그래피 응용 분야에 활용하기 될 수 있는 디지털 홀로그램 생성 기술에 관해 나타낸다.

가설 설정

단, 참조파은 물체파의의 각도 θε, θη로 입사하는 평면파라고 가정한다.

제안 방법

충분히 떨어져 있다고 생각되는 조건은 수백 m이상이 되는 것도 있지만, 렌즈를 이용하여 초점거리 f의 간격에 물체나 홀로그램을 배치하면, 홀로그램의 기록 및 재생이 가능하다. Fourier 변환에 의해 구해진 물체파에 임의의 참조파 성분을 더해 홀로그램을 계산한다. 2차원 영상을 입력으로 한 경우, 영상의 진폭은 양의 값만을 취하기 때문에 그대로 Fourier 변환을 하면 큰 직류분이 Fourier 스펙트럼의 중심에 나타나 주변의 홀로그램 정보의 다이나믹 레인지를 낮추고 만다.
1408×1058의 해상도를 갖는 3개의 liquid crystal on silicone panels (LCoS)를 풀 칼라 홀로그래픽 디스플레이를 위해 사용을 하였다. 또한 칼라 재생을 위해 백색 광원을 이용하였다. 개인용 컴퓨터(Intel Xeon CPU@3.
또한 홀로그램과 가상 윈도우간의 거리를 증가시킴으로써 계산에 따른 부하를 줄일 수 있다. 빔 프로젝터의 상용 제품의 광원부를 개조하여 Holo-Video라고 불리는 홀로그래픽 디스플레이를 만들었다. 1408×1058의 해상도를 갖는 3개의 liquid crystal on silicone panels (LCoS)를 풀 칼라 홀로그래픽 디스플레이를 위해 사용을 하였다.
이러한 과정을 통해 기존 방법에 비해 전체 연산량을 현저히 감소시켰으며, FFT를 이용함으로써 연산속도를 더욱 가속화 하였다. CGH 연산 방식인 PAS (phase-added stereogram)는 다양한 방법에 의해 더욱 향상된 알고리즘으로 발전하였다[50-56].

대상 데이터

1408×1058의 해상도를 갖는 3개의 liquid crystal on silicone panels (LCoS)를 풀 칼라 홀로그래픽 디스플레이를 위해 사용을 하였다.
그림 4. 서로 다른 깊이의 관점에서 다섯 글자로 이미지를 복원하였다. 그림(a)는 글자W와 D에 초점을 맞추었고, 그림(b)는 글자 R에 초점을 맞추었다.
4 GHz)를 이용하여 홀로그래픽 프린지 패턴을 계산했다. 실험에 3,000 포인트의 데이터를 갖는 객체를 이용했으며, 실시간으로 처리가 가능했다. 본 시스템에 의해 디스플레이 된 광학적 복원 영상을 <그림 4>에 나타내었다.

이론/모형

11)로써 2008년에 개발되었으며, 이 모델은 4개의 고성능 FPGA가 내장되어 있다. 연산 성능 및 효율을 극대화하기 위해 Look-up 테이블을 이용한 근사화 된 Fresnel 알고리즘을 HORN-6의 커널로 이용하였다. 그 결과, 10,000포인트로 구성된 3차원 객체에 대한 디지털 홀로그램을 실시간으로 생성할 수 있었다.

성능/효과

Genetic 알고리즘과 같은 좀 더 완벽한 direct search 방법들을 이용해 상당히 좋은 결과를 얻을 수 있다. 하지만, 응용시스템에 포함되는 많은 변수들이먼저 최적화가 되어야 한다.
연산 성능 및 효율을 극대화하기 위해 Look-up 테이블을 이용한 근사화 된 Fresnel 알고리즘을 HORN-6의 커널로 이용하였다. 그 결과, 10,000포인트로 구성된 3차원 객체에 대한 디지털 홀로그램을 실시간으로 생성할 수 있었다. 또한 광학 및 시뮬레이션에 의한 복원 영상을 <그림 2>에 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Gerchberg-Saxton algorithm이 여러 분야에서 광범위하게 활용되고 있는 이유는 무엇인가?	Gerchberg-Saxton algorithm (iterative Fourier transform algorithm - IFTA)은 일반적으로 여러 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 그것은 소요된 연산 시간에 비해 정확도가 높은 홀로그램 연산이 가능하며, 응용 시스템에 따라 구현 및 확장이 쉽기 때문이다[4][5]. 그 외에도 Fresnel approximation등의 활용도도 높아지고 있다.
	기하광학이 제한된 경우에 적합한 광학적 모델로써 활용될 수 있는 이유는 무엇인가?	기하광학은 비록 완벽하지는 않지만, 광 필드 분포를 표현할 수 있는 간단한 모델이라고 볼 수 있다. 따라서 제한된 경우에 적합한 광학적 모델로써 활용되어질 수 있다.
	파동광학이란 무엇인가?	기하광학보다 좀 더 정확한 모델링이 가능한 광학 모델은 파동광학이다. 공간상에 전파되는 빛의 특성을 scalar wave field에 의해 모델링을 하는 것이다. 원하는 3차원 객체에 대한 광학 정보는 wave field에 의해 전파되기 때문에, 공간상에 전파되는 빛은 scalar wave field에 의해 표현이 가능하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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