[논문]광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템

김유석; 김태근

doi:10.3807/kjop.2015.26.5.249

[국내논문] 광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템
Binocular Holographic Three-Dimensional Imaging System Using Optical Scanning Holography 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.26 no.5, 2015년, pp.249 - 254

초록
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본 논문에서는 광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템을 제안하였다. 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템을 구현하기 위하여 사람의 두 눈 사이의 거리와 동공의 크기를 고려하여 양안식 3차원 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 설계한 뒤 실제 물체의 홀로그램 정보를 획득하였고 수치적인 신호 처리 후 세기 형태의 공간 광 변조기를 이용하여 광학적인 방법으로 복원하였다. 이를 통하여 광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템의 구현 가능성을 실험적으로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper we propose a binocular holographic three-dimensional (3D) imaging system using optical scanning holography. To realize a binocular 3D holographic imaging system, we could acquire the complex holograms of a real object after designing a holographic display system based on interpupillary distance and pupil size, and these holograms could be optically reconstructed following numerical signal processing with an amplitude spatial light modulator. The proposed binocular 3D holographic imaging system using optical scanning holography was verified experimentally.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 실제 물체의 홀로그램 정보를 스펙클 잡음 없이 획득할 수 있는 광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템을 새롭게 제안하였고 실험을 통하여 구현 가능성을 검증하였다.
본 절에서는 양안식 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 기본적인 구성과 요구 사항에 대해 설명한다.
본 연구에서는 양안식 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 기본 구성과 요구 사항에 대하여 설명하였다. 양안식 3차원 홀로그래픽 디스플레이는 두 개의 공간 광 변조기를 이용하여 양안에 해당하는 홀로그램 영상을 각각 공간 상에 복원하는 구조로 사람의 두 눈 사이의 거리와 동공의 크기, 복원된 홀로그램 영상의 회절 각도, 복원된 홀로그램 영상에서 관찰자까지의 거리 등을 고려하여 시스템을 설계해야 한다.
획득한 실제 물체의 홀로그램 정보를 수치적인 신호 처리 후 세기 형태의 공간 광 변조기를 이용하여 광학적인 방법으로 공간 상에 복원하였다. 본 연구에서는 최초로 광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 새롭게 제안하였고 실험을 통하여 구현 가능성을 검증하였다.

가설 설정

4의 (b)와 같이 물체를 회전하는 실험 셋업을 구성하여 수평 방향으로의 두 시점에서 실제 물체의 홀로그램 정보를 획득하였다. 사람의 두 눈이 양쪽으로 벌어져 있기 때문에 수직 방향에 대한 시점 변화는 동일한 것으로 가정하였다.

제안 방법

최근 이러한 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 방법이 제안되었다 [19, 21]. 새롭게 제안된 방법은 기존의 평판형 디스플레이와 달리 사람이 가지고 있는 두 눈의 동공 크기에 해당하는 영역에만 홀로그램을 디스플레이하여 요구되는 홀로그램 정보의 양과 공간 광 변조기(SLM:Spatial light modulator)의 기술적 한계를 극복하는 방법을 제안한 것이다.
광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템을 구성하기 위해서는 먼저 2절에서 설명하였던 양안식 3차원 홀로그래픽 디스플레이 시스템의 세 가지 요구조건을 충족시키는 시스템 조건을 설정해야 한다. 이후 설정된 조건을 충족시키도록 광 스캐닝 홀로그래피를 이용하여 실제 물체의 홀로그램 정보를 획득한다. 광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템을 구성하기 위하여 Fig.
이후 설정된 조건을 충족시키도록 광 스캐닝 홀로그래피를 이용하여 실제 물체의 홀로그램 정보를 획득한다. 광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템을 구성하기 위하여 Fig. 3과 같이 양안식 3차원 디스플레이 시스템의 조건을 설정하였다.
또한 복원되는 물체의 크기를 3 mm × 3 mm로 설정하여 두 눈의 조망영역을 충족시킬 수 있도록 실험 조건을 설정하였다.
양안식 3차원 홀로그래픽 디스플레이 시스템의 설정 조건에 맞춰 광 스캐닝 홀로그래피를 이용하여 실제 물체의 홀로그램 정보를 -6°의 시점과 +6°의 시점에서 촬영하였다.
본 연구에서는 크기가 3 mm × 3 mm인 ‘S’ 슬라이드 필름을 제작하여 실제 물체로 사용하였으며 파장이 532 nm인 Nd-Yag 레이저를 사용하였다. 두 개의 음향 광 변조기(AOM1, 2)의 변조 주파수는 각각 40 MHz와 40.01 MHz로 설정해 주었다. 구면파를 만드는 렌즈(L1)는 초점 거리가 500 mm인 렌즈를 사용하였으며 빔 확대기(BE1, 2)에서 확대된 빛의 크기는 약 25.
5 mm이고 픽셀 간격이 7 µm, 픽셀 수가 1920×1080인 세기 형태의 공간 광 변조기를 사용하였다. Figure 6과 Fig. 7의 복소 홀로 그램 정보를 배경 잡음과 쌍 영상 잡음 없이 세기 형태의 정보만 표현할 수 있는 공간 광 변조기를 사용하여 광학적인 방법으로 복원하기 위하여 실수 형태의 탈축 홀로그램 정보로 변환하였다. 복소 홀로그램 정보를 실수 형태의 탈축 홀로그램 정보로 변환하는 과정은 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다 [25].
특히 공간 상에 복원된 홀로그램 영상의 회절된 빛은 동공의 크기에 해당하는 조망영역을 충족시켜야 하며 두 개의 공간 광 변조기에서 각각 공간 상에 복원된 홀로그램 영상은 공간적으로 분리되어 해당 눈(좌안과 우안)에서만 관찰되어야 한다. 이와 같은 요구 사항을 고려하여 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템 설계하였고 설계된 조건에 맞춰 광 스캐닝 홀로그래피를 이용하여 실제 물체의 홀로그램 정보를 획득하였다. 획득한 실제 물체의 홀로그램 정보를 수치적인 신호 처리 후 세기 형태의 공간 광 변조기를 이용하여 광학적인 방법으로 공간 상에 복원하였다.
이와 같은 요구 사항을 고려하여 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템 설계하였고 설계된 조건에 맞춰 광 스캐닝 홀로그래피를 이용하여 실제 물체의 홀로그램 정보를 획득하였다. 획득한 실제 물체의 홀로그램 정보를 수치적인 신호 처리 후 세기 형태의 공간 광 변조기를 이용하여 광학적인 방법으로 공간 상에 복원하였다. 본 연구에서는 최초로 광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 새롭게 제안하였고 실험을 통하여 구현 가능성을 검증하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 크기가 3 mm × 3 mm인 ‘S’ 슬라이드 필름을 제작하여 실제 물체로 사용하였으며 파장이 532 nm인 Nd-Yag 레이저를 사용하였다.
01 MHz로 설정해 주었다. 구면파를 만드는 렌즈(L1)는 초점 거리가 500 mm인 렌즈를 사용하였으며 빔 확대기(BE1, 2)에서 확대된 빛의 크기는 약 25.4 mm로 측정되었다. 양안식 3차원 홀로그래픽 디스플레이 시스템의 설정 조건에 맞춰 광 스캐닝 홀로그래피를 이용하여 실제 물체의 홀로그램 정보를 -6°의 시점과 +6°의 시점에서 촬영하였다.
실험에 사용한 공간 광 변조기는 LCoS 타입의 공간 광 변조기로 크기가 15.5 mm × 15.5 mm이고 픽셀 간격이 7 µm, 픽셀 수가 1920×1080인 세기 형태의 공간 광 변조기를 사용하였다.

성능/효과

24 mm이다. 이를 통하여 본 연구에서 구성한 실험 셋업을 이용하여 획득한 실제 물체의 홀로그램을 복원하면 단안의 조망영역을 충족하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안경식 스테레오스코픽 디스플레이 기술의 한계점은?	양안식 3차원 디스플레이 기술은 사람의 두 눈의 좌안에 해당하는 영상과 우안에 해당하는 영상을 서로 구분되도록 디스플레이하여 사람이 3차원 깊이감을 인지하는 디스플레이 기술이다 [1-4]. 여러 종류의 양안식 3차원 디스플레이 기술 중 안경식 스테레오스코픽(stereoscopic) 디스플레이 기술이 가장 먼저 상용화되었지만, 안경식 스테레오스코픽 디스플레이 기술은 수렴-조절 불일치(accommodation-convergence mismatch)의 문제로 장시간 시청할 경우 관찰자가 어지러움을 느끼는 한계점을 가지고 있다 [5, 7]. 하지만 홀로그램 기술은 공간 상에 빛의 분포를 재현하는 기술이기 때문에 이런 문제가 발생하지 않으며 광원의 결맞음 특성을 이용한 기술로 실제 물체의 깊이 정보를 획득할 수 있는 기술이다 [8, 9].
	양안식 3차원 디스플레이 기술이란?	양안식 3차원 디스플레이 기술은 사람의 두 눈의 좌안에 해당하는 영상과 우안에 해당하는 영상을 서로 구분되도록 디스플레이하여 사람이 3차원 깊이감을 인지하는 디스플레이 기술이다 [1-4]. 여러 종류의 양안식 3차원 디스플레이 기술 중 안경식 스테레오스코픽(stereoscopic) 디스플레이 기술이 가장 먼저 상용화되었지만, 안경식 스테레오스코픽 디스플레이 기술은 수렴-조절 불일치(accommodation-convergence mismatch)의 문제로 장시간 시청할 경우 관찰자가 어지러움을 느끼는 한계점을 가지고 있다 [5, 7].
	광 스캐닝 홀로그래피를 이용한 양안식 3차원 홀로그래픽 영상 시스템은 어떤 방법으로 어떤 기술적 한계를 극복하기 위해 제안되었나?	최근 이러한 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 방법이 제안되었다 [19, 21]. 새롭게 제안된 방법은 기존의 평판형 디스플레이와 달리 사람이 가지고 있는 두 눈의 동공 크기에 해당하는 영역에만 홀로그램을 디스플레이하여 요구되는 홀로그램 정보의 양과 공간 광 변조기(SLM:Spatial light modulator)의 기술적 한계를 극복하는 방법을 제안한 것이다.

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