[논문]자연광 홀로그래픽 카메라 기술

홍지수

자연광 홀로그래픽 카메라 기술 원문보기

홍지수 (전자부품연구원)

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문제 정의

본고에서는 조명에 전혀 제약을 받지 않으면서도 직접적으로 홀로그램 정보를 기록할 수 있는 자가간섭 (Self-Interference) 홀로그래피 기술에 대해 소개하고, 이를 이용하여 마치 일반적인 카메라와 같이 이용할 수 있는 홀로그래픽 카메라의 구현 가능성에 대해 논해보고자 한다. 실제로 이 기술을 이용하여 작년에는 일반적 야외 풍경에 대해 홀로그램 정보를 기록하는 역사적인 연구가 이루어졌다.
실제로 이 기술을 이용하여 작년에는 일반적 야외 풍경에 대해 홀로그램 정보를 기록하는 역사적인 연구가 이루어졌다. 이외에도 조명의 제약을 없앰으로써 형광 현미경, 천체망원경 등의 영역까지 홀로 그래피 기술의 영역을 확장할 수 있었음을 살펴보고, 최근의 개발 현황에 대해 소개하고자 한다.

제안 방법

위상 핀홀을 이용한 자가간섭 기반 단층 촬영 기술의 개념도. 18권4호 광학과 기술 | 21림6과 같은 구성을 이용하여 기존의 자가간섭 홀로그피 시스템과 유사하게 대상 물체로부터의 파면을 두 개의 광경로로 나누고, 두 개의 광경로가 서로 다른 곡률을 가진 렌즈 (혹은 거울)에 의해서 반사된 후 두 개의 파면이 동일한 넓이로 겹치는 지점에 이미지 센서를 위치시킨다. 이 때 두 개의 광경로는 출력 렌즈로부터 서로 다른 거리에 대상 물체에 대한 초점을 맺게 되는데, 출력 렌즈에 가까운 초점면에 위상핀홀을 위치시키면, 이 핀홀에 초점을 맺는 성분만이 이미지 센서 상에서 핀홀의 phase-shifting에 따라 변화하는 간섭 무늬를 만들게 된다.

성능/효과

하지만 이와 같은 방법은 단층 촬영을 위해 3차원 공간의 xyz 좌표별로 스캐닝을 해야하므로 촬영 시간을 줄일 수 있는 연구가 더 필요하다고 보인다.6. 결론본고에서는 자가간섭이라는 방법을 이용하여 홀로그래픽 카메라 연구에 있어서 중요한 첫발을 떼었음을 살펴보았다. 특히 이를 통해 자연광을 조명으로 하는 야외 풍경에 대한 복소 홀로그램을 처음으로 기록한 매우 중요한 연구 결과가 보고되었다.
다수의 점광원으로 이루어진 물체의 경우 각 점광원에서 발생된 파면은 점광원의 위치에 따라 수평 이동 혹은 링의 간격이 변조된 프레넬 링 형태의 간섭 무늬들을 생성하며, 점광원간 공간적 간섭성이없으므로 이들 간섭 무늬들이 더해지는 형태로 전체 물체의 간섭 무늬가 생성된다. 결과적으로 촬영하고자 하는 대상에 점광원의 수가 많을수록 각 프레넬 링 패턴의 DC가 계속 더해져서 매우 큰 DC를 가지게 되는데, phase-shifting의 도입으로 이러한 DC를 제거할 수 있게 되었다. 두 개의 거울 중 하나를 piezo등을 통해 움직여 3단계 혹은 4단계 phase-shifting된 영상을 얻을 수 있는데, 이들을 조합하면 DC 항이제거된 복소 홀로그램을 얻을 수 있다.

후속연구

또한 홀로그래픽 카메라가 실현된다면 실사 홀로그램 콘텐츠를 쉽게 확보할 수 있어 홀로그래픽 디스플레이 활성화에도 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 또한 앞서 살펴본 바와 같이 홀로그래피를 도입할 수 없었던 다양한 분야에 홀로그래피 기술을 도입할 수 있는 길을 열었기에 앞으로 다양한 응용기술들이 개발될 것으로 예상한다. 하지만 자가간섭 홀로그래픽 이미징 기술은 공간적비간섭성으로 물체의 점광원 수가 많아질수록 이미지 센서 비트심도(Bit depth)의 대부분이 DC 항에 의해 사용되고 정작 중요한 간섭 무늬 정보는 매우 적은 비트심도를 통해 표현되게 되는데, 이는 결과적으로 복원 되는 영상의 대비(contrast)가 떨어지는 효과로 나타난다.
자가간섭 홀로그래피 기술은 조명에 아무런 제약이 없기 때문에 이를 이용하여 마치 일반적인 디지털 카메라처럼 이용할 수 있는 홀로그래픽 카메라의 실현 가능성을 엿볼 수 있다. 또한 홀로그래픽 카메라가 실현된다면 실사 홀로그램 콘텐츠를 쉽게 확보할 수 있어 홀로그래픽 디스플레이 활성화에도 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 또한 앞서 살펴본 바와 같이 홀로그래피를 도입할 수 없었던 다양한 분야에 홀로그래피 기술을 도입할 수 있는 길을 열었기에 앞으로 다양한 응용기술들이 개발될 것으로 예상한다.
하지만 자가간섭 홀로그래피 기술을 이용함으로써 비간섭 광원에 의한 물체나 자체 발광하는 물체에 대해서도 그림3과 같은 구성을 이용하여 홀로그래픽 적응광학 기술을 적용할 수 있는 가능성이 확인되었다 [19]. 앞으로 이를 이용하여 천체망원경 등에서 더욱 좋은 품질의 영상을 얻을 수 있을 것으로 기대가 되고 있다. 4.
따라서 대상 물체의 3차원 공간상의 핀홀에 대응되는 한 점만이 phase-shifting에 의해서 유효한 값으로 측정이 되며, 이 위상핀홀의 위치를 xyz 방향으로 스캐닝함으로써 대상 물체에 대한 단층 영상을 얻을 수 있다. 하지만 이와 같은 방법은 단층 촬영을 위해 3차원 공간의 xyz 좌표별로 스캐닝을 해야하므로 촬영 시간을 줄일 수 있는 연구가 더 필요하다고 보인다.6.
하지만 렌즈 어레이를 이용한 수차 정보 측정은 근본적으로 얻어지는 수차 정보의 해상도가 떨어지는 단점이 있었다. 홀로그래픽 적응광학은 guide-star로부터의 파면의 복소 홀로그램을 기록하여 이로부터 수차의 복소 홀로그램 정보를 얻는 것으로써, 이미지 센서 전체의 해상도를 이용하여 수차의 정보를 측정하기 때문에 더욱 정확한 수차 정보를 얻을 수 있으며, 결과적으로 수차에 의한 왜곡의 보상 후에 더욱 좋은 품질의 영상을 얻을 수 있다고 기대할 수 있다. 하지만 기존의 홀로그래픽 적응광학의 경우 홀로그램 정보의 기록을 위해 레이저를 사용하여야 하기 때문에 적응광학의 시초가 되었던 천체망원경이나 형광 현미경 등 자체 발광하는 물체에 대한 이미징 기술에는 적용할 수 없었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

홀로그램이란?

이와 같이 홀로그래픽 디스플레이의 미래에 대해서는 어느정도 예상되는 바가 있으나, 이에 대응하는 홀로그램 콘텐츠를 생성하기 위한 홀로그래픽 카메라의 경우 최근까지 그 윤곽조차 보이지 않았었다. 홀로그램은 물체광에 별도의 기준광을 간섭시켜 파동 광학 영역의 정보인 파면의 진폭과 위상 정보를 모두 기록함으로써 복원 과정을 통해 3차원 영상을 재구성하거나 세포 등 투명한 물체를 위상 정보를 이용하여 가시화 할 수 있는 기술이다. 하지만 명확한 간섭무늬를 얻기 위해서는 공간적 시간적 간섭성이 필요하고 이를 가능하게 하는 광원이 레이저와 같이 충분히 긴 가 간섭 거리를 갖는 가간섭광원이다.

홀로그래픽 디스플레이 기술 진행 상황은?

또한 기하 광학에서 파동 광학으로 확장되어 가는 광학 연구의 위계를 보아도 당연한 흐름이라 할 수 있다. 완전한 3차원 영상을 보여줄 수 있는 홀로그래픽 디스플레이는 필름에 기록 및 재생을 하는 아날로그 홀로그램을 통해 기본적인 이론에 대해서는 이미 수십년전에 거의 완성되었고, 그 이후는 디지털 홀로그래픽 디스플레이를 통해 동영상을 보여주기 위한 연구가 진행되고 있다. 디지털 장치를 통해 아날로그 홀로그램에 필적하는 수준의 3차원 동영상을 보여주기 위해서는 아날로그 필름과 유사한 수준의 정보량을 처리해야하기 때문에 제반 기기들의 제한된 성능을 극복하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있으나, 디스플레이 기술 및 컴퓨터 처리 용량의 비약적인 발달로 디지털 홀로그래픽 디스플레이를 통한 3차원 동영상의 재생도 최근 가시적인 성과를 보이고 있다 [1].

의미있는 홀로그램 영상을 얻기 위해서는 무엇이 필요한가?

홀로그램은 물체광에 별도의 기준광을 간섭시켜 파동 광학 영역의 정보인 파면의 진폭과 위상 정보를 모두 기록함으로써 복원 과정을 통해 3차원 영상을 재구성하거나 세포 등 투명한 물체를 위상 정보를 이용하여 가시화 할 수 있는 기술이다. 하지만 명확한 간섭무늬를 얻기 위해서는 공간적 시간적 간섭성이 필요하고 이를 가능하게 하는 광원이 레이저와 같이 충분히 긴 가 간섭 거리를 갖는 가간섭광원이다. 가버는 홀로그램의 원리를 최초로 제안하였으나 [2] 가간섭 광원의 부재로 의미있는 홀로그램 영상을 획득할 수 없었다.

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