체적 홀로그래픽 광학소자를 이용한 3차원 영상 디스플레이 시스템의 구현 = Implementation of 3D image display system using volume holographic optical element

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 자연스러운 3차원 입체 영상을 표현할 수 있는 독창적인 체적 홀로그래픽 광학소자 (VHOE: volume holographic optical element) 기반의 새로운 3차원 영상 디스플레이 시스템을 제시하였다. 이를 위해 먼저, VHOE 구현을 위한 핵심기술인 홀로그램 다중화 기록기술로서 기존의 스텝모터 및 AOD (acousto-optic deflector)기반의 각 다중화 방법과 달리 이중 초점렌즈 및 공간광변조기의 화소로 구성되는 이동 창(moving window)을 전자적으로 제어함으로서 기계적 오차에 의한 영상누화의 제거가 가능하고 광학시스템도 비교적 간단한 새로운 각-공간 다중화 기법을 제시하였다. 그리고, 위상 다중화 기록 시스템의 실질적인 구현을 위해 랜덤성과 직교성이 동시에 보장되는 새로운 직교 위상코드로써 CPC(complex phase code)를 제시하고 제시된 CPC의 코드간 영상누화 및 신호대 잡음비 특성을 기존의 위상코드인 PR(pure random code), RCE(random code with equality) 및 WHM(walsh hadamard matrix)등과 비교 분석하였다. 즉, 어드레스빔을 32 × 32 픽셀로 고정하고, 위상코드를 표현하는 상용 공간광변조기의 비선형적 위상변조 특성을 고려하여 0에서 25%의 에러율을 갖는 위상 코드값을 의도적으로 부과한 다음, CPC를 비록하여 PR, RCE, WHM으로 코딩된 각각의 어드레스빔에 대한 자기상관 및 상호상관 값을 계산함으로써 위상코드간의 영상누화 및 신호대 잡음비 특성을 비교 분석하였다. 실험결과, CPC 상호상관 평균값이 0.021, 표준편차값이 0.0113으로 각각 나타나 다른 위상코드에 비하여 영상누화 현상이 가장 작은 것으로 분석되었으며, 신호대 잡음비 역시 27.4로 나타나 가장 우수한 것으로 나타났다. 또한, CPC의 어드레스빔의 개수도 6.344 × 1049으로 나타나 기존의 위상 코드에 비해 상대적으로 큰 것으로 분석되었다.
다음으로, 본 논문에서 새로이 제시한 VHOE 광학판 기반의 다시점 3D 입체영상 디스플레이 시스템에서 사용될 상용 체적홀로그램인 포토폴리머(HRF-150- 100, Dupont)의 물리광학적 특성을 분석하였다. 포토폴리머 특성실험에서는 입사빔의 세기, 노출 시간 및 두 입사빔 간의 세기비율 등을 이론적 분석 결과에 근거하여 최적화하여 실험하였다. 즉, 공기기포에 따른 회절빔의 영상누화를 감쇄시키기 위하여 커버시트 제거없이 실험한 결과 빔의 불균일함에 의한 회절효율이 1.5배 정도 다소 감소함을 확인할 수 있었다. 또한, 물체빔 및 기준빔의 직경이 ,인 경우가 경우 보다도 최대 81%까지 회절효율이 높게 측정되었으며, 각 선택도는 약 1.2 도로 측정이 되었다. 이상의 물리광학적 특성분석을 통해 상용 포토폴리머가 본 논문에서 새로이 제시한 다시점 3D 디스플레이 시스템 구현을 위한 VHOE 광학판용 체적홀로그램으로서의 적용 가능성을 제시하였다.
다음으로, 본 논문에서는 상용 포토폴리머 기반의 VHOE 광학판 구현을 위한 최적화된 노출시간 스케줄링 기법을 새로이 제시하고 이를 이용한 8시점의 VHOE 광학판을 제작하였다. 즉, 상용 포토폴리머의 노출 에너지 및 누적 격자강도 간의 관계를 나타내는 4차 다항식의 수학적 모델을 제시하고 이를 이용하여 8시점의 회절격자 패턴을 포토폴리머에 다중화 기록하기 위한 최적화된 노출시간 스케줄을 유도하였다. 그리고, 제시된 노출시간 스케줄에 따라 8시점의 회절격자를 포토폴리머에 기록함으로써 최적화된 8시점 VHOE 광학판을 제작하였다.
다음으로 설계 제작된 포토폴리머 기반의 8시점 VHOE 광학판을 이용하여 최종적으로 본 논문에서 새로이 제시된 다시점 스테레오 3D 디스플레이 시스템을 구성하고 실험을 통해 그 결과를 분석하였다. 즉, 제작된 8시점의 VHOE 광학판을 LCD 패널 앞에 위치시키고 기준파를 8시점 영상이 순차적으로 입력되는 LCD의 패널과 동기를 맞추어 입사시킴으로써 LCD의 각 시점 영상을 특정 방향으로 회절시키는 실험 시스템을 구성하여 실험하였다. 그리고, 실험영상으로는 교차식 스테레오 카메라 시스템으로부터 생성된 8시점 스테레오 영상을 사용하였다.
실험 결과, 8시점의 영상들이 VHOE 광학판에 의해 시ㆍ공간적으로 분리되고 시점 영상들 간에 수평시차를 확인함으로써 포토폴리머를 이용한 VHOE 광학판 기반의 새로운 다시점 3D 디스플레이 시스템의 구현 가능성을 제시하였다.
그러나 최종적으로 출력된 8시점 영상에는 여러 잡음이 함께 나타나는데 이는 VHOE 광학판 제조시 상용 포토폴리머에서 발생하는 공기기포 때문으로 이러한 문제는 확산각이 작은 홀로그램 디퓨저(diffuser)를 사용하거나 향후, 성능이 보다 개선된 새로운 포토폴리머의 개발로 해결이 될 것으로 분석된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 3차원 영상 디스플레이 개요 6
• 2.1 3차원 영상 디스플레이의 원리 7
• 2.2 홀로그래픽 3차원 영상 디스플레이 10
• 2.3 공간 분할 기법을 이용한 3차원 영상 디스플레이 14
• 2.4 시분할 기법을 이용한 3차원 영상 디스플레이 18
• 제3장 VHOE 기반 다시점 3차원 영상 디스플레이 시스템 분석 23
• 3.1 VHOE 기반 3차원 영상 디스플레이 시스템 구현을 위한 요소기술 26
• 3.2 체적 홀로그래피의 원리 및 기록 매질의 이론적 특성 분석 28
• 3.3 체적 홀로그래픽 기록 매질의 이론적 특성 분석 30
• 3.3.1 광굴절 LiNBO3 결정 30
• 3.3.2 포토폴리머 34
• 3.4 VHOE 구현을 위한 체적 홀로그래픽 다중화 기법 37
• 3.4.1 각다중화 기법을 이용한 체적 홀로그래피 37
• 3.4.2 공간 다중화를 이용한 체적 홀로그래피 42
• 3.4.3 제안된 SLM-MW를 이용한 각다중화 방법 44
• 3.4.4 이중초점 렌즈를 이용한 각공간 다중화 방법 47
• 3.4.5 각공간 다중화 방법에 의한 광학실험 결과 50
• 3.4.6 위상 코드 다중화 체적 홀로그래피의 원리 56
• 3.4.7 제안된 CPC 특성 분석 59
• 3.4.8 CPC 위상코드의 영상누화 분석 64
• 3.4.9 CPC의 어드레스 빔 개수 분석 71
• 제4장 3차원 영상 디스플레이 시스템 구현을 위한 VHOE 광학판 구현 75
• 4.1 VHOE 광학판의 이론적 원리 75
• 4.2 포토폴리머 기반 VHOE 광학판 특성 분석 77
• 4.2.1 VHOE 제작을 위한 이론적 특성 분석 78
• 4.2.2 VHOE 광학판 구현을 위한 실험 시스템 구성 81
• 4.2.3 광학 실험 및 결과 분석 83
• 4.3 VHOE 광학판 구현을 위한 최적 노출 스케쥴링 기법 93
• 4.3.1 사전 노출 시간 분석 93
• 4.3.2 VHOE구현을 위한 노출 시간 스케쥴의 수학적 모델링 96
• 4.3.3 8시점 VHOE 광학판 구현 실험 및 결과 분석 101
• 제5장 VHOE 기반 다시점 3차원 영상 디스플레이 시스템 구현 105
• 5.1 다시점 스테레오 영상 디스플레이를 위한 VHOE 광학판 설계 및 구현 105
• 5.2 VHOE를 이용한 다시점 스테레오스코픽 디스플레이 시스템 구현 110
• 5.3 실험 및 결과 고찰 113
• 제6장 결론 116
• 참고 문헌 118