[논문]360도 테이블탑형 디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술 동향

임용준; 김진웅

360도 테이블탑형 디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술 동향 원문보기

방송과 미디어 = Broadcasting and media magazine, v.24 no.2, 2019년, pp.63 - 72

초록
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디스플레이 소자 평면에서부터 육안으로 관찰 가능한 입체영상 영역까지의 물리적인 거리 조절을 바탕으로 공간상에서 재현될 수 있는 3차원 영상에 대한 기대감은 다양한 형태의 디지털 홀로그래픽 디스플레이를 개발하는 주요한 요인이 되어 왔다. 공간 광 변조기의 픽셀 크기에 의존하는 디지털 홀로그램 영상의 시야각과 픽셀 수에 의존하는 홀로그램 영상 크기로 인한 제약 사항들을 극복하는 방법을 토대로 다수의 시청자가 동일한 3차원 영상을 관찰할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이에 대한 연구가 나타나기 시작하였다. 본 고에서는 테이블 형태의 공간상에서 관찰 가능한 디지털 홀로그램 기술에 관한 연구 동향을 소개하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 360도 모든 방향에서 관찰 가능한 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템의 최근 기술 동향을 소개하였다. 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 구현하기 위한 기본 소자인 SLM의 구조 적인 제약 사항을 극복하기 위한 다양한 연구가 진 행되고 있으며, 기존의 3차원 디스플레이와는 차별 성을 갖는 디스플레이 시스템 개발 연구가 병행되고 있다.
디지털 홀로그램의 구현에 있어서 필요한 홀로그래픽 디스플레이용 SLM의 높은 가격과 다수의 SLM을 이용하게 될 경우에 증가하는 광학 시스템의 복잡도 문제로 인해서, 현재 연구 및 개발 단계에 있는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템에서는 주로 최소 수량의 SLM을 적용하는 시간 다중화 방법에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 아래에서는 최근 발표된 디지털 홀로그래픽 디스플레이 관련된 연구 동향을 소개하고자 한다.

제안 방법

일본 Chiba대학교 연구진은 아래 위로 마주보는 형태의 한 쌍의 포물경을 이용하여 단일 SLM으로 부터 형성되는 디지털 홀로그램을 구현하였다[16]. LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 방식의 SLM을 사용하였으며, 녹색 레이저 광원을 사용하여 단색 홀로그램을 형성하였고, 이를 렌즈와 유사한 방식으로 이미지를 만들어내는 한쌍의 포물경의 위에서 홀로그램 영상이 나타나도록 구성하였다. 재생한 영상은 단색의 홀로그램이며 영상 크기는 1인치 급 이다.
반면, 영국 캠브리지 대학교 Daping Chu 교수 연구팀과 중국 Huawei 社의 연구팀은 적색, 녹색, 청색 레이저 광원을 사용하여 컬러 홀로그래픽 디스플레이를 구현하였다[12]. SLM으로서는 DMD를 적용하였으며, 광격자 구조와 수직방향의 시청각을 확보하기 위한 수직 확산판을 적용하였다. 재현된 영상의 크기는 30mm×60mm이며, 수평 시차 (horizontal parallax)를 갖는 디지털 홀로그램 영상을 구현하였다.
일본 동경 농공대(Tokyo University of Agriculture and Technology, TUAT)의 Yashuhiro Takaki 교수 연구진은 단수의 DMD를 SLM으로 적용한 시간 다중화 방법을 바탕으로 수평 360도에서 홀로그램 영상을 시청할 수 있는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템에 대한 연구를 수행하였다[11]. 개발된 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템에서는 532 nm의 파장을 갖는 녹색 레이저 광원을 이용하여 2인치 크기의 단색 디지털 홀로그램 영상을 성공적으로 재현하였다. 회전하는 스크린은 모터에 의해서 구동되며, Fresnel lens가 회전체에 부착되어 시야창을 형성하고 이를 관찰자가 시청할 수 있게 하였다.
테이블 탑 홀로그래픽 디스플레이 시스템과 재현된 디지털 홀로그램 영상이 <그림 4>에 나타나 있다. 고속 동작이 가능한 DMD(Digital Micro-mirror Device)를 SLM으로 사용하여 수평 360도 방향에서 다수의 시청자가 디지털 홀로그램 영상(정지영상 및 동영상)을 시청할 수 있는 시스템을 구현하였다. 독일 SeeReal 社의 시야창 방식 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템 에서는 관찰자의 동공을 추적하는 부가적인 장치가 필요하였으나, ETRI의 테이블탑형 디지털 홀로그래픽 디스플레이시스템에서는 렌티큘러(lenticular) 렌즈를 적용하여 수직 방향으로 15도 이상의 범위 에서 홀로그램 영상이 시청 가능하도록 구현하였다.
연구진에서는 산란체에 조사하는 레이저 광원을 원하는 형태의 패턴을 형성하기 위해서 SLM을 사용하였으며, 사용한 SLM 상에는 CGH 패턴에 의한 레이저 광원의 위상을 동적으로 제어 하게 된다. 공간상에 형성된 마이크로 버블을 산란 체로 이용하여 체적형 3차원 영상을 형성하였다. 산란체에서 퍼져나가는 영상을 관찰 가능하게 되어 시청할 수 있는 시야각이 넓어지는 장점이 있는 반면, 부족한 영상의 크기를 증대하는 방안이 필요한 것으로 보인다.
DMD SLM에서부터 시야창까지의 광 경로에서 두 개의 포물경이 위치하는데, 이는 최종적으로 나타나는 홀로그램 영상 이미지의 부양감을 가지게 한다. 또한, 홀로그램 영상의 크기는 사용된 SLM의 크기에 의해 결정되며, 두개의 렌즈로 구성되는 4f 광학 계에 의해서 홀로그램 영상을 확대하였다. 이로 인해서, DMD의 요소 픽셀 크기가 확대되어 동일한 비율의 유효 시야각 감소가 발생하지만, 고속으로 동작하는 DMD의 특성을 활용하여 시분할 방식을 통 한 수평 360도 방향의 시야각을 구현하였다.
또한, 일본 Utsunomia 대학의 Yoshio Hayasaki 교수 연구그룹에서는 마이크로 버블을 형성 및 제 어하여 이를 산란체로 사용하고 계산으로 생성한 홀로그램(Computer Generated Hologram, CGH) 패턴을 이용하여 물리적으로 제어된 산란체에 레이 저 광원을 조사하여 3차원 영상을 구현하는데 성공 하였다[15]. 연구진에서는 산란체에 조사하는 레이저 광원을 원하는 형태의 패턴을 형성하기 위해서 SLM을 사용하였으며, 사용한 SLM 상에는 CGH 패턴에 의한 레이저 광원의 위상을 동적으로 제어 하게 된다. 공간상에 형성된 마이크로 버블을 산란 체로 이용하여 체적형 3차원 영상을 형성하였다.
이로 인해서, DMD의 요소 픽셀 크기가 확대되어 동일한 비율의 유효 시야각 감소가 발생하지만, 고속으로 동작하는 DMD의 특성을 활용하여 시분할 방식을 통 한 수평 360도 방향의 시야각을 구현하였다.
재현된 영상의 크기는 30mm×60mm이며, 수평 시차 (horizontal parallax)를 갖는 디지털 홀로그램 영상을 구현하였다.
컬러 디지털 홀로그래픽 디스플레이 구현을 위해 3개의 DMD와, 적색, 녹색 및 청색 레이저 광원을 사용하였다. 파장 660, 532 및 473 nm의 광 섬유 기반의 레이저 결합체를 적용하여 백색 광원을 생성하였으며, 빛의 삼원색을 분리 및 재결합할 수 있는 프리즘과 DMD를 조명하는 전반사 프리즘을 이용하여 컬러 홀로그램을 사용하였다[18]. 이러한 요소기술들을 바탕으로 개발한 3종류의 360도 테이블 탑형 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템에 대한 주요 사항을 <표 3>에 나타내었다.
또한, 일본 Utsunomiya 대학의 Toyohiko Yatagai 교수 연구진은 고속 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD, Digital Micro-mirror Device)를 SLM으로 사용하여 360°의 시청 범위를 제공할 수 있는 홀로그래픽 3차원 디스플레이 시스템을 구성하였다[10]. 회전하는 미러의 고속 동작으로 인해서 다수의 시청자가 홀로그램 영상을 관찰할 수 있는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 구현하였다. 기본적으로 시간 다중화 방법을 바탕으로 360도 방향으로 홀로그램 영상을 형성할 수 있는 기술에 대한 개념을 입증하였다.

대상 데이터

DMD의 고속 동작 속도는 주로 홀로그램의 시간 다중화 및 시야각 확장에 이용된다. 적용한 DMD의 픽셀 간격은 13.7㎛이고, 픽셀 수는 수평 방 향으로 1024개 그리고 수직 방향으로 768개이다. DMD SLM에서부터 시야창까지의 광 경로에서 두 개의 포물경이 위치하는데, 이는 최종적으로 나타나는 홀로그램 영상 이미지의 부양감을 가지게 한다.
컬러 디지털 홀로그래픽 디스플레이 구현을 위해 3개의 DMD와, 적색, 녹색 및 청색 레이저 광원을 사용하였다. 파장 660, 532 및 473 nm의 광 섬유 기반의 레이저 결합체를 적용하여 백색 광원을 생성하였으며, 빛의 삼원색을 분리 및 재결합할 수 있는 프리즘과 DMD를 조명하는 전반사 프리즘을 이용하여 컬러 홀로그램을 사용하였다[18].

후속연구

디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 구현하기 위한 기본 소자인 SLM의 구조 적인 제약 사항을 극복하기 위한 다양한 연구가 진 행되고 있으며, 기존의 3차원 디스플레이와는 차별 성을 갖는 디스플레이 시스템 개발 연구가 병행되고 있다. 향후 보다 더 개선된 형태의 디지털 홀로 그래픽 디스플레이 시스템 관련 연구결과를 바탕으로 현실감이 강화된 다양한 형태의 360도 테이블탑 형 디지털 홀로그래픽 디스플레이가 개발될 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양안 시차 방식이란 무엇인가?	양안 시차(binocular parallax) 방식은 가장 간단한 입체 영상 구현 방식이며, 이미 상용화가 많이 이루어진 기술이다. 그러나 양안 시차 방식은 수평 방향의 시차만 제공하고, 불연속적인 시점을 형성하게 되어 자연스러운 형태의 3차원 영상을 시청하기가 어렵다.
	3차원 디스플레이 기술을 구분해보면?	3차원 디스플레이 기술은 사물의 자연스러운 형상을 구현하는 방향으로 개발되고 있으며, 최근의 가상 및 증강 현실에 대한 소비자들의 관심도가 증가함에 따라서 Microsoft 및 Google과 같은 글로벌 기업들은 소비자의 기대감을 충족하기 위한 관련 제품들을 출시하고 있다[1]. 일반적으로, 3차원 디스플레이 기술은 안경을 착용하는 방식과 무안경(glasses-free) 방식으로 양분할 수 있으며, 후자는 주로 렌티큘러(lenticular) 렌즈를 이용하는 양안 시차 방식, 다시점 방식, 집적 영상 방식, 체적형 방식 그리고 홀로그래피 방식 등으로 세분화 할 수 있다[2]. <그림 1>에는 3차원 영상 기술 방식과 그 진화 방향에 따른 그림을 도식화하였다.
	방향(수렴)과 수정체의 초점이 시청자들에게 주는 영향은?	뿐만 아니라, 일반적으로 사람이 현실세계에서 3차원 형태의 사물을 인식할 때에는, 두 눈의 동공이 바라보는 방향(수렴)과 수정체의 초점은 동일하다. 그러나 2차원 구조의 디스플레이 소자로부터 3차원 영상을 만들 경우에는 수렴-초점(vergence-accomodation)이 일치하지 않는 현상이 나타나게 되는데, 이로 인해서 입체 영상 시청자는 피로감을 느끼게 된다[2].

참고문헌 (18)

Goldman Sachs, "Profiles in innovation of virtual & augmented reality," 2016. 1. 13.
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원문보기 상세보기
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T. Kakue et al., "Aerial Projection of Three-Dimensional Motion Pictures by Electro-Holography and Parabolic Mirrors," Sci. Rep., vol. 5, 2015, p.11750.

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J. Kim et al., "360-Degree Tabletop Color Holographic Display," in Digital Holography Three-Dimensional Imag., Jeju Island, Rep. of Korea, May 29 -June 1, 2017.

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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