팬케이크 광학계 기반 이중초점 집적영상 시스템에서의 깜빡임 저감 기법 = Flicker Reduction Method in a Pancake Optics Based Dual Focal Integral Imaging System

국문 초록 (Abstract)

확장현실（XR, eXtended Reality） 기술의 발전과 함께 사용자의 몰입감을 향상시키기 위한 3차원 디스플레이 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 XR 3차원 디스플레이 기반 시스템은 양안 시차를 통해 입체감을 제공할 수 있으나, 초점은 디스플레이 평면에 형성되기 때문에 눈의 수렴 위치와 초점 정보 사이에 불일치가 발생한다. 이러한 수렴-초점 불일치는 장시간 사용 시 시각적 피로를 유발하는 주요 원인으로 알려져 있다.

이를 해결하기 위해 실제 물체로부터 출사되는 광선의 위치와 방향 정보를 동시에 재현할 수 있는 라이트필드 디스플레이 기술이 주목받고 있으며, 그중 집적영상 방식은 렌즈 어레이와 디스플레이 패널만으로 완전시차 기반의 3차원 영상을 구현할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 기존 집적영상 시스템은 하나의 초점면을 중심으로 영상이 형성되기 때문에 표현 가능한 깊이 범위가 제한되는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 기존 연구에서는 GP（Geometric Phase） 렌즈를 이용한 이중초점 집적영상 시스템이 제안되었다. GP 렌즈는 입사하는 원편광 방향에 따라 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈와 같은 특성으로 동작하기 때문에 서로 다른 두 개의 초점면을 형성할 수 있다. 또한 시분할 기반 방식을 통해 시간의 흐름에 따라 서로 다른 초점면을 재현함으로써 표현 가능한 깊이 범위를 확장할 수 있다.

그러나 시분할 방식에서는 프레임 간 밝기 변화로 인해 관찰자가 깜빡임（flicker）을 인지하는 문제가 발생한다. 이를 완화하기 위해 공간 분할 기반 구조가 제안되었으나, 기존의 GP 렌즈 기반 광학계는 여전히 구조적 한계를 가진다. 특히 GP 렌즈 기반 시스템은 일반적으로 소자 크기가 약 1 inch 수준으로 제한되기 때문에 대면적 디스플레이로 적용하기 어렵고, 화각（Field of View）이 제한된다는 문제가 있다. 또한 GP 렌즈 기반 광학계 특성상 렌즈 왜곡 및 색수차가 발생한다. 이에 따라 기존 연구에서는 색상별 초점면 위치 및 영상 크기 차이를 보정하기 위한 방법이 제안되었다.

따라서 본 학위논문에서는 기존 GP 렌즈 기반 이중초점 시스템의 화각 제한, 렌즈 왜곡 및 색수차 문제를 개선하기 위하여 팬케이크 광학계를 기반으로 하는 이중초점 집적영상 시스템을 제안한다. 팬케이크 광학계는 투과반사형 편광판（PBS, Polarizing Beam Splitter）, 반거울（BS, Beam Splitter）, 그리고 λ/4 지연자（QWR, Quarter-Wave Retarder）를 이용하여 입사하는 선편광 방향에 따라 서로 다른 내부 반사 경로를 선택적으로 형성한다. 이를 통해 입사된 광선은 편광 상태에 따라 PBS에서 서로 다른 경로로 분리되고, QWR과 BS를 거치면서 편광 방향이 변화하게 된다.

입사하는 광선의 편광 방향에 따라 팬케이크 구조 내에서 내부 반사를 거치지 않고 출사되는 광선과 팬케이크 광학계를 거치면서 경로가 길어지는 광선으로 나뉘어진다. 따라서 동일한 광학계 내부에서도 서로 다른 광경로가 형성되어 두 개의 초점면을 구현할 수 있다. 또한 GP 렌즈 광학계에 비해 렌즈 왜곡이 감소하고 색수차가 줄어들 수 있으며, PBS, BS, QWR을 사용함으로써 소자를 대면화하여 넓은 화각을 구현할 수 있다.

본 학위논문에서는 이러한 팬케이크 광학계를 기반으로 이중초점 구현을 위해 시분할 기반 영상 구성 방식을 사용하였다. 서로 다른 초점면에 대응하는 두 개의 기초영상을 프레임 단위로 번갈아 표시하고, 동시에 편광 상태를 전환할 수 있도록 편광 변조용 디스플레이를 사용하여 서로 다른 광경로를 형성하였다. 그러나 기존 시분할 기반 이중초점 방식은 프레임 간 밝기 변화로 인해 깜빡임을 인지할 수 있는 문제가 있다.

이를 완화하기 위하여 공간 분할 기반 영상 구성 방식을 적용하였다. 공간 분할 구조에서는 홀수 번째 패턴과 짝수 번째 패턴에 서로 다른 초점면의 기초영상을 교차 배치하고, 동시에 PRC（Pixelated Retardation Controller）를 이용하여 각 패턴 영역의 편광 상태를 선택적으로 제어하였다. 이후 다음 프레임에서는 이전 프레임과 반대로 기초영상과 편광 상태를 전환함으로써 이전 프레임에서 표시되지 않았던 영역을 복원하였다. 이를 통해 동일 프레임 내에서도 서로 다른 초점면의 영상이 동시에 표시되도록 구성하였다.

또한 전체 프레임의 평균 밝기를 일정하게 유지하면서 밝기 변화가 관찰거리 1 m에서 일반적으로 사용되는 시각 해상도 기준인 60 PPD에 해당하는 최소 인지 단위보다 작은 영역으로 제한되도록 하였다. 따라서 기존 시분할 방식에서 발생하는 전역적인 밝기 변화가 감소하여 관찰자의 깜빡임 인지가 완화된다.

이를 위한 실험에서는 렌즈 어레이를 기준으로 40 mm 위치에 허상 초점면이 형성되고, 60 mm 위치에 실상 초점면이 형성되도록 하여 총 100 mm의 깊이 차이를 구현하였다. 카메라 초점 위치를 변화시키며 촬영한 결과, 각 초점면에 대응하는 영상만 선명하게 관찰됨을 확인함으로써 서로 다른 두 초점면이 형성됨을 검증하였다. 또한 카메라 위치를 좌우로 이동시키며 촬영한 결과, 관찰 시점에 따라 물체의 상대적 위치가 변하는 시차가 나타났다.

특히 카메라를 좌측으로 이동시킨 경우에는 물체의 왼쪽 측면이 상대적으로 넓게 관찰되었으며, 우측으로 이동시킨 경우에는 오른쪽 측면이 더 넓게 관찰되었다. 이는 제안된 시스템이 단순한 깊이 분리 구조를 넘어 광선의 방향 정보를 포함하고 있으며, 시점에 따라 서로 다른 영상을 시차에 맞게 재현하는 라이트필드 기반 3차원 영상 재현 특성을 유지하고 있음을 의미한다.

추가로 공간 분할 패턴 크기에 따른 밝기 변화 특성을 분석한 결과, 패턴 크기가 작을수록 프레임 간 밝기 변화가 공간적으로 더욱 세밀하게 분산되어 관찰자가 깜빡임을 인지하기 어려운 특성을 확인하였다. 또한 밝기 측정 장비를 이용한 측정 결과에서도 공간 분할을 적용한 경우에는 기존 시분할 방식 대비 시간에 따른 밝기 변화가 감소함을 확인하였다.

결과적으로 본 논문에서 제안한 팬케이크 광학계 기반 이중초점 집적영상 시스템은 기존 GP 렌즈 기반 시스템의 화각 제한, 렌즈 왜곡 및 색수차 문제를 개선하면서도, 공간 분할 기반 영상 구성 방식을 통해 깜빡임을 효과적으로 저감할 수 있음을 확인하였다. 또한 시점 변화에 따른 자연스러운 시차 특성을 유지함으로써 차세대 XR 및 라이트필드 디스플레이를 위한 다초점 3차원 디스플레이 구조로의 활용 가능성을 기대할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 12
• 1.1 확장현실과 3차원 디스플레이 기술 12
• 1.2 라이트필드와 집적영상 원리 16
• 1.3 기존 이중초점 집적영상 시스템의 문제점 20
• 1.4 연구 목적 22
• 제2장 팬케이크 광학계 기반 이중초점 집적영상 원리 23
• 2.1 팬케이크 광학계의 구조와 이중초점 형성 원리 23
• 2.2 팬케이크 광학계의 시분할 및 공간 분할 방법 27
• 2.3 팬케이크 광학계의 프레임별 밝기 조절 방법 31
• 제3장 실험 구성 및 구현 35
• 3.1 팬케이크 이중초점 집적영상 시스템의 실험 구성 35
• 3.2 시점 변화 기반 3차원 재현 특성 39
• 3.3 공간 분할 패턴 크기에 따른 깜빡임 저감 검증 44
• 제4장 결론 50
• 참 고 문 헌 53