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홀로그램, 시야각 확대가 필요하다

홀로그램 디스플레이는 박물관 등에 전시된 아날로그 필름 홀로그램^*과는 다르다. 홀로그램 디스플레이는 홀로그램 표시소자로 알려진 디지털 홀로그램 기록장치를 사용해 3차원 홀로그램 영상을 공중에 띄우는 기술이다. 하지만 좁은 시야각 문제 때문에 상용화되지 않았다.

홀로그램 디스플레이는 아날로그 필름 홀로그램처럼 넓은 시청영역이 확보되어야 한다. 약 30도 이상의 시야각이 필요하다. 이를 위해선 수백 나노미터(㎚)의 해상도를 가진 홀로그램 전자기록장치가 개발되어야 한다. 하지만 현재 상용소자의 화소는 수 마이크로미터(㎛) 수준으로 4도 이내의 시야각을 제공하는 상황이다.

시야각 확대를 위해서 홀로그램 표시소자들을 시·공간적으로 다중화하거나 나노미터(㎚)급 표시소자를 개발하는 방법이 있다. 그러나 방대한 데이터를 처리하기엔 현재의 컴퓨터로는 어려운 상황이다.
* 아날로그 필름 홀로그램: 광학 간섭계를 이용하여 회절무늬를 기록한 필름 감광 매질

화소가 아닌 분해능^*에 초점을 맞추다

(좌): 홀로그램 디스플레이 시야각 확대를 보여주는 시스템 개략도와 시스템 개구수(NA)로 재정의한 홀로그램 영상 시야각(Ω)
(우): 미광학회(Optical Society of America, OSA) 웹사이트 메인화면에 소개된 주요 연구 결과 영상

ETRI는 홀로그램 영상 시야각이 디지털 홀로그램 화소 크기에 대한 회절각보다 홀로그램 영상 분해능에 근원적으로 의존한다는 사실에 주목했다. 즉, 영상 분해능을 결정하는 홀로그램 디스플레이 시스템 개구수(開口數)^**를 사용해 홀로그램 영상 시야각을 재정의하는 것이다. 이렇게 되면 기존 상용 홀로그램 전자기록장치를 이용해도 충분한 시야각을 확보할 가능성이 열린다.

개구수가 클수록 분해능이 좋아지는데 개구수는 홀로그램의 크기와 영상이 뜨는 거리에 따라 결정된다. 이로써 홀로그램이 뜨는 위치에 따라 분해능이 달라지고 분해능은 결국 시야각과 관련이 있는 셈이다. 이에 따라, 8마이크로미터 픽셀을 갖는 홀로그램 전자기록장치여도 거리를 충분히 가까이해 영상을 띄우면 시야각은 이에 비례해 4배, 8배 커져 30도 이상도 만들 수 있게 된다.

ETRI는 디지털 홀로그램 패턴을 분석해 관련 이론을 정립하고, 수치해석과 광학적 실험을 통해 시야각 확대 가능성을 증명했다. 또한 디지털 홀로그램이 낮은 샘플링에서도 고주파수 대역이 소실되지 않고 유지되는 특성으로 인해, 홀로그램 프로그램 표시소자 화소 크기에 상관없이 홀로그램 영상 분해능을 결정하는 개구수를 유지한다는 것을 밝혔다.

ETRI는 이러한 원리를 이용해 최적화 알고리즘을 개발했다. 고주파수 영역으로 확장한 디지털 홀로그램을 만들고, 생성한 디지털 홀로그램을 수치 해석적으로 분석했다. 그 결과 홀로그램 화소 크기를 줄이지 않고도 영상 시야각을 기존 3.8도에서 13.1도로 4배까지 증가시킬 수 있음을 밝혀냈다.
* 분해능: 영상에서 서로 떨어져 있는 두 점을 구별할 수 있는 능력
** 개구수(開口數, Numerical Aperture, NA): 광학 시스템의 밝기를 표현하는 물리량. 광학계에서 시스템이 빛을 받아들이거나 내보내는 입사각의 특징을 지닌 무차원의 수, 개구수가 클수록 영상 분해능이 좋아진다.

남겨진 숙제, 회절항^*

(좌): 고차 회절항이 제거된 홀로그램 재생영상  (우): 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 홀로그램 재생영상의 시야각에 대한 수치적 계산방법 도시

이번 연구에는 남겨진 숙제가 있다. 시야각을 증가시킬 때, 홀로그램 영상의 크기도 커지면서 영상이 중첩되어 보이는 문제가 생기기 때문이다. 이를 해결하기 위해서는 고차 회절항을 필터링해야 한다. ETRI는 향후 광학적 고차 회절항들을 효율적으로 제거하는 광학적 필터링 방법을 개발해 홀로그램 디스플레이 실용화 연구에 도전할 계획이다.

ETRI 홀로그래픽콘텐츠연구실 채병규 박사는 “개발한 기술로도 증강현실에 사용하는 홀로그램 근안 디스플레이 아이박스^** 문제를 해결하는 데 적용할 수 있을 것이다”라고 말했다.

본 연구는 미국광학회 웹사이트 메인화면에 주요 연구 결과 영상으로 소개되어 주목받았다. 아울러, 광학회지 ‘옵틱스 익스프레스(Optics Express)^***’에 “홀로그래픽 디스플레이 시야각 확대에 대한 연구”로 발표됐다.
* 회절항: 주기적 격자 구조에서 발생하는 회절 광다발
** 아이박스: 홀로그램 글래스의 시야창 크기
*** 논문 링크: https://doi.org/10.1364/OE.503186