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1 미래통신시스템을위한 3D 영상의기록과재현 - 디지털홀로그래피기술 DOI: /PhiT 김진웅 추현곤 문경애 Recording and Reconstruction of 3-dimensional Images for Future Telecommunication Systems - Digital Holographic Technology Jinwoong KIM, Hyon-Gon CHOO and Kyeong-Ae MOON Holography is the only technology known so far that is capable of recording all the characteristics of light and thus reproducing perfect 3-dimensional images at another time and another place. Since the basic principle was discovered in 1948, many advances have been made in the analog domain, enchanting many people with beautiful life-like 3-D hologram images. If holography is to be adopted for a telecommunication system, acquisition, processing and display of a moving-scene hologram must be possible in the digital domain. However, many technical huddles, including insufficient SBP of available SLM devices, hologram acquisition under natural light, and real-time processing and transmission of huge amounts of hologram data, remain to be solved in digital holography. The Giga Korea Project was launched recently and has a goal of providing tele-presence experience on a gigabit communications network beyond Digital holography has been chosen as one of the enabling technologies for achieving this goal. In this article, we introduce the basic principles of analog holography and the technical issues in digital holography, and we present our effort to implement a table-top holographic display terminal under the Giga Korea Project. 저자약력 김진웅소장은 Texas A&M 대학교전기공학박사 (1993 년 ) 로서 1983 년부터한국전자통신연구원에재직중이며, 현재방송통신미디어연구소장을맡고있다. 주로디지털방송및실감미디어분야의연구를하고있으며, 현재기가코리아사업의홀로그래픽단말기술개발과제책임자이다. (jwkim@etri.re.kr) 추현곤박사는한양대학교공학박사 (2005년) 로서 2005년부터한국전자통신연구원에재직중이며현재기가코리아홀로그래픽단말기술개발과제에참여하고있다. (hyongonchoo@etri.re.kr) 문경애박사는충남대학교이학박사 (1997년) 로서 1991년부터한국전자통신연구원에재직중이며현재기가코리아홀로그래픽단말기술개발과제에참여하고있다. (kamoon@etri.re.kr) 서론인간이라는존재는경이적이다. 이경이적인존재인인간은오늘도진화하고발전하고있다. 그저변에는개체간의의사소통을통하여자연이오랜시간을통해터득한원리를매우빠르게이해하고, 자연과는비교할수없이빠른속도로진화를이루어내는집단지성의작용이자리잡고있다. 의사소통은정보의전달 ( 통신 ) 이다. 정보를전달하고모음으로써점점더복잡한상황에대한이해와대처, 나아가이용이가능하게된다. 정보는무엇인가? 인간을포함한이세계에서일어나고있고, 존재하고관찰할수있는모든것을객관적으로표현한것이정보이다. 밝다, 어둡다, 크다, 사람이다, 움직인다, 부딪친다,... 인간은이러한정보를감각기관을통하여획득하고그에대해뇌가분석하고반응함으로써삶을유지해나간다. 우리가익숙히들어온시각, 청각, 후각, 미각, 촉각의오감이라는것이바로감각기관을지칭한다. 이감각기관이받아들이는것의집합이인간의경험을이루며, 인간에게는이것이곧시간이라고할수있다. 즉, 어느순간에일어난사건에대한기록인것이다. 따라서이정보를모두저장할수있고그대로다시재현할수있다면, 우리는시간을기록하여언제든그시간을다시불러와경험할수있다는것을의미한다. 우리가타임머신을공상과학소설에등장하는가상의이루어질수없는어떤것으로생각하고있지만, 우리가어느순간에감각기관을통하여받아들인정보를그대로다시재현하면, 그것이바로타임머신이아니고무엇인가? 이감각기관이획득하는정보중에가장많은정보를담고있는것이시각정보, 즉영상정보이다. 영상정보란빛을매개체로하여우리가외부세계를인지하는방법이다. 이빛을기록함으로써그순간의한영상 물리학과첨단기술 APRIL

단면을반복재현하는것이사진이다. 사진이가지고있는한계는 3차원세계의 2차원투영이라는데에있다. 즉, 그순간의세상을아주작은구멍 (pin hole, 카메라의렌즈 ) 을통해서본정보만을기록하여재현하는것이다. 반면, 홀로그래피는좀더많은정보를기록하고재현할수있다. 즉, 작은구멍이아니고, 어느정도크기의창문을통해바라보는세상을기록하고재현할수있는것이다.

2 단면을반복재현하는것이사진이다. 사진이가지고있는한계는 3차원세계의 2차원투영이라는데에있다. 즉, 그순간의세상을아주작은구멍 (pin hole, 카메라의렌즈 ) 을통해서본정보만을기록하여재현하는것이다. 반면, 홀로그래피는좀더많은정보를기록하고재현할수있다. 즉, 작은구멍이아니고, 어느정도크기의창문을통해바라보는세상을기록하고재현할수있는것이다. 이역시창문을통해본다는한계는있으나사진보다는훨씬더다양한각도에서사물을관찰할수있으므로, 좀더현실과같은정보전달이가능하다. 본고에서는 3차원영상을완벽하게기록하고재현할수있는기술로써의홀로그래피기술에대해살펴보고, 미래 ICT 환경변화에대응하기위해출범한기가코리아사업에서연구하고있는디지털홀로그래피기술을소개하고자한다. 빛과시간의기록 - 사진, 홀로그래피빛을표현하는방법은광선 (Ray) 에의한방법과광파 (Light Wave) 에의한두가지의방법이있다. 광선에의한해석은일상생활에서관찰가능한빛의직진, 반사, 굴절등빛의성질에대한많은것을쉽게이해할수있게해준다. 그러나빛을직진하는특성을갖는 Ray로해석하면설명하지못하는회절현상이관찰되었으며, 이는광파라는표현수단을도입하면서잘설명될수있다. 회절현상은빛이직진하는경로에불투명한물체를놓았을때, 이물체에의해가려진부분에도빛이도달하는현상을말한다. 빛을파동현상으로표현하면, 파동이갖는성질을이용하여빛이만들어내는많은새로운현상을이해하고이용할수있으며, 이에기반한기술의하나가홀로그래피기술이다. [1] 빛은그속성상전자기파에해당하며, 빛을구성하는요소는빛의밝기 ( 세기 ), 빛의색상 ( 주파수 ), 그리고빛의방향이다. 사진과홀로그램을구분한다면, 앞의두요소, 즉, 빛의밝기와색상만을기록한것이사진인것에반해, 세요소모두를기록한것이홀로그램이다. 홀로그램은빛의방향도기록하고재현함으로써, 이를관찰하는방향에따라실제사물을관찰하는것처럼다른모습을볼수있다. 홀로그램 (Hologram) 의어원적의미도빛의모든속성 ( 모든것 을의미하는 Holos) 을기록 (graphein) 한다는의미를가지고있다. 홀로그래피 (Holography) 는빛의간섭및회절현상을통해 3차원입체영상 ( 홀로그램 ) 을획득, 기록, 재현하는기술을의미한다. [2] 1. 홀로그램의기록및재현원리빛의방향은어떻게기록할수있을까? 아직까지발견된모든감광물질은빛의에너지 ( 광파의세기 ) 에만반응하며, 빛의 Fig. 1. Principle of hologram generation and 3D image reconstruction. [2] 방향을기록할수있는것은없다. 그래서빛의방향은빛의간섭현상을이용한간접적인방법으로기록하게되며, 이개념이홀로그래피의핵심이라고할수있다. 즉, 이미위상을알고있는기준광과기록하고자하는물체로부터반사된임의의위상을가지는빛을합치면두빛의위상차이에의한빛의세기변화를나타내는패턴 ( 간섭무늬 ) 이형성되며, 이간섭무늬를기록한것이바로홀로그램이다.( 그림 1 참조 ) 이간섭무늬를정확히표현하기위해서는기록매질이빛의파장보다훨씬작은해상도를표현할수있어야하며, 홀로그램을기록하는매질은보통사진에사용되는매질보다약 1,000배이상의고해상도 (grain 크기가 50 nm 수준 ) 를요구한다. 이홀로그램에원래홀로그램을만들때시용했던기준광을비추면홀로그램에의해회절되어원래물체로부터반사된빛과동일한빛이재생되며, 사람은원래의물체를보는것과구분하지못하고동일하게인식하게된다. 또한, 이홀로그램은여러방향에서온빛을모두기록하고있으므로, 홀로그램을다른방향에서바라보면빛이회절하는범위안에서는보는방향에따라현실에서보는것처럼다른면이보이게된다. 2. 홀로그래피기술의발전 홀로그램은헝가리출신의영국과학자인데니스가보 (Dennis Gabor) 에의해 1948년에발명되었으며, Gabor 는이공로로 1971년에노벨물리학상을수상하였다. 그러나 Gabor 의홀로그램은기준광경로상에반투명한물체를놓고이로부터발생한물체광과의간섭무늬를획득한 In-line(On-axis) 방식으로인해기준광과회절광이겹친형태로관찰되었으며, Gabor 자신조차도당시에는이기술이 3차원영상재생에사용될수 [1] Goodman, J. W., Introduction to Fourier Optics (The McGraw- Hill Companies, 2005), Chap. 3. [2] Stephen A. Benton and V. Michael Bove Jr., Holographic Imaging (A John Wiley & Sons, Inc., 2008), Chap 물리학과첨단기술 APRIL 2015

(a) (b) 으로저장하고액세스할수있는 (3) Optical Computing, 넓은범위의미세형태나구조를정확히탐지하거나측정하는 (4) Optical metrology and microscopy, (5) Non-destructive Testing(NDT) 등다양한분야에활용될수있는기반기술이다.

(a) On-axis set-up, (b) Gabor s first hologram, original image and reconstructed image, (c) Off-axis set-up, (d) off-axis hologram image by Leith. 있음을미처인지하지못하였다.

3 (a) (b) 으로저장하고액세스할수있는 (3) Optical Computing, 넓은범위의미세형태나구조를정확히탐지하거나측정하는 (4) Optical metrology and microscopy, (5) Non-destructive Testing(NDT) 등다양한분야에활용될수있는기반기술이다. 디스플레이홀로그래피분야는위에서언급한기술적인한계나제작상의불편함등으로인하여현재는예술작품활동영역정도로축소되어있고, [6] 실생활에사용되는것은지폐, 신용카드및고급포장지등을통해익숙하게접할수있는엠보싱홀로그램이대부분을차지하고있다. [5] 3 차원빛의기록과재현기술들 (c) Fig. 2. (a) On-axis set-up, (b) Gabor s first hologram, original image and reconstructed image, (c) Off-axis set-up, (d) off-axis hologram image by Leith. 있음을미처인지하지못하였다. 실물과동일하게보이는 3차원영상재현이가능하게된것은미시간대학의 Emmett Leith와 Juris Upatnieks가레이저광원을이용한 Off-Axis 홀로그램을통해 Gabor 의홀로그램을실질적으로재발견함으로써비롯되었다. [3] Off-axis 홀로그램이란기준광과물체광이어느정도각도를이루고간섭을일으키게만들어발생된여러차수의회절광을공간상에서분리함으로써깨끗한원래의물체상을얻는방식을말한다.( 그림 1, 그림 2(c) 참조 ) 이후 MIT 대학의 Benton 교수는수직방향의시차를포기하는대신일반광하에서도매우밝은홀로그램영상을볼수있게만든레인보우홀로그램을개발하였으며, [4] 상업적목적을위해대량생산이가능한엠보싱홀로그램이개발되었다. 엠보싱홀로그램은투명한플라스틱의표면에요철을만듦으로써간섭무늬의역할을하도록한홀로그램이다. 홀로그램의역사가오래되고상용화를위한많은노력이있었으나, 다루기어려운고가의레이저와매우감도가낮은필름매질을사용하며진동이차단된암실에서배경없는사물에한정되어홀로그램을획득할수있으며, 사진과같은인화과정이필요한등일반인이보편적으로사용하기에는한계가있는기술로머물러있다. 그러나홀로그래피기술은 (1) 3차원영상을기록하고재현하고자하는 Display holography(3-dimensional Imaging) 분야외에도경제적으로소형의광학소자를만들수있는 (2) Holographic Optical Element(HOE), 대용량의정보를효율적 (d) 홀로그램을 3차원빛의기록이라고했는데, 이를 3차원영상의기록이라고일단생각하고이야기를전개해나가기로하자. 3차원영상이란사람이관찰했을때 3차원입체로느끼는영상을말한다. 그러면사람은영상이주는어떤정보에의해 3차원입체를느끼게되는가? 영상으로부터입체를느끼는요소 (Cue) 는크게생리적인요소 (Physiological cue) 와경험적인요소 (Experiential cue) 로나눌수있다. 전자는우리의시각시스템이대상을볼때반응하는기제 (mechanism) 를기반으로입체를인식하게되는것을의미하며, 주시하는대상이가까이또는멀리있는가에따라두눈이이루는각도 ( 주시각, Vergence) 가달라지는것과초점을맞추기위해수정체의두께를조절하는근육이움직이는정도가바로그것이다. 후자는우리가살아오면서자연스럽게습득한사물들의형태와원근에따라달리보이는현상들을의미한다. 즉, 멀리있는물체는가까이있는물체에의해가려진다거나, 같은물체라도멀리있으면작게보이는것등이그것이다. 2차원사진은후자에해당하는요소를모두표현함으로써, 비록그것이 2차원기록이기는하나사진속에담긴풍경을 3차원으로인식할수있게해준다. 그러나영상을볼때전자에해당하는생리적요소까지제공될때에비로소사람은실제와같은 3차원대상을보고있다고느끼게된다. 이를위한가장기본적인방법은역시우리눈을모사하는방법으로써, 두대의카메라를이용하여우리눈이보는바와같은 2장의영상을획득하고좌우눈에각각제시하는것이다. 이를스테레오 3D 영상이라고하며, 3D 영화관과현재시중에판매되고있는 3DTV 등에구현되 [3] Leith, E. N. and J. Upatnieks, J. Opt. Soc. Amer. 52, 1123 (1962). [4] S. A. Benton, J. Opt. Soc. Am. 59, 1545A (1969). [5] Sean F. Johnston, Holographic Visions (Oxford University Press, 2006). [6] Juyong Lee, Physics and High Technology 9(11), 7 (2000). 물리학과첨단기술 APRIL

(a) Fig. 3. Various 3D Imaging technologies. 어있다. 이경우두장의영상을하나의디스플레이 ( 화면 ) 를통해다중화하여나타내고이로부터두장의각각다른영상을보아야하기때문에두개의영상을분리하기위한특수안경을착용하여야한다.

특수안경을착용하지않고현실과같은 3차원의대상을관찰할수있는진정한 3차원영상의기록과재현은지난오랜동안인간이실현하고자하는꿈의하나이기도하다.

이러한기능을구현할수있는방법이다시점, 초다시점또는집적영상기술로써꾸준히연구되어오고있으며, 최근기술의빠른발전에힘입어상용화가능성을높이고있다. [7] 디지털홀로그래피기술연구홀로그램이현실에서보는것과동일한지각을가져다주는궁극적인 3차원영상획득및재현기술이기는하나, 아날로그방식의홀로그램은필름기반의사진과동일한기술로써촬영, 인화및재생의과정이필요한 3차원사진술의범주에머물러있다.

4 (a) Fig. 3. Various 3D Imaging technologies. 어있다. 이경우두장의영상을하나의디스플레이 ( 화면 ) 를통해다중화하여나타내고이로부터두장의각각다른영상을보아야하기때문에두개의영상을분리하기위한특수안경을착용하여야한다. 주파수다중화의경우적청 (Red-Blue) 안경을, 시간다중화의경우셔터글래스를, 그리고편광에의한다중화를하는경우편광안경을사용한다. 스테레오영상의경우영상획득시의카메라위치에서관찰된영상만을제공하기때문에사람들이아무리좌우로위치를바꾼다고해도보이는것은항상동일하여현실과는다르다는한계가있다. 이때문에스테레오영상은진정한 3차원 (3D) 이아닌 2.5D 영상이라고칭해지기도한다. 특수안경을착용하지않고현실과같은 3차원의대상을관찰할수있는진정한 3차원영상의기록과재현은지난오랜동안인간이실현하고자하는꿈의하나이기도하다. 이를위해서는동일한객체로부터여러방향으로퍼져나간모든빛을기록하고이를재현하는것이필요하며, 통상적인사진술을이용하는방법은결국수없이많은방향에모두카메라를배치하고, 이카메라를통해획득한영상을다시결합하여원래카메라가있던방향에서그영상이보이도록재현하는것이다. 이러한기능을구현할수있는방법이다시점, 초다시점또는집적영상기술로써꾸준히연구되어오고있으며, 최근기술의빠른발전에힘입어상용화가능성을높이고있다. [7] 디지털홀로그래피기술연구홀로그램이현실에서보는것과동일한지각을가져다주는궁극적인 3차원영상획득및재현기술이기는하나, 아날로그방식의홀로그램은필름기반의사진과동일한기술로써촬영, 인화및재생의과정이필요한 3차원사진술의범주에머물러있다. 더구나홀로그램의획득은일체의진동이없는암실에서레이저를이용해촬영하는단계를필요로하므로보편적인활용은쉽지않은상황이다. 궁극적으로현재의텔레비전을홀로그램으로구현하기위해서는, 동영상홀로그램을촬영하고이 (b) Fig. 4. (a) Concept of digital holography, (b) Analog vs. digital holography. 를원거리로전송하여실시간으로재현하는기술이모두디지털기술기반으로다시연구개발되어야한다.( 그림 4 참조 ) 디지털홀로그래피기술이란홀로그램데이터가디지털방식으로획득, 표현, 가공, 전달및재현되는기술을의미한다.( 엄밀한용어사용에의하면, 컴퓨터로 CGH(Computer Generated Hologram) 를생성하고재현하는기술을 디지털홀로그래피기술 이라하고, 전자디바이스를통한홀로그램재현기술을 전자홀로그래피기술 이라고하나, 본고에서는이두가지를모두통칭하여 디지털홀로그래피기술 이라고한다.) 디지털홀로그램의획득방식은크게 2가지로나누어볼수있다. 첫째는아날로그홀로그램을획득하는방식과동일한환경을만들고감광판대신디지털감광소자를사용하여감광소자면에형성되는간섭무늬정보를기록하는것이다. 이는암실환경과동영상촬영을위해서극히빠른속도의레이저광원을사용해야한다는점등으로인하여실용화가능성이매우낮다. 두번째방식은기존의카메라를활용하여획득한 3차원장면데이터로부터물체의각위치에서반사된모든빛을파동식으로표현하고, 이파면들이결합하여만드는간섭무늬를이론적인파동중첩공식을통해계산해내는것이다. 이를 [7] Jinwoong Kim et al, How 3D Technology changes future, ETRI Easy IT series 19 (2010). 26 물리학과첨단기술 APRIL 2015

Table 1. Approaches and Implementations of digital holographic displays. CGH라고하며, CGH 기법을이용하면현실에존재하지않는가상의물체에대해서도홀로그램을만들어낼수있는장점이있으나, 필요한계산량이너무많다는점이극복되어야한다.

5 Table 1. Approaches and Implementations of digital holographic displays. CGH라고하며, CGH 기법을이용하면현실에존재하지않는가상의물체에대해서도홀로그램을만들어낼수있는장점이있으나, 필요한계산량이너무많다는점이극복되어야한다. 그간 CGH에필요한엄청난연산량을알고리즘차원에서간략화하기위한많은연구가진행되었으며, [8] 연산알고리즘의효율화와함께 CGH를통해동영상홀로그램을실시간으로처리하기위한홀로그램연산전용의하드웨어개발도발표된바있다. [9] 디지털홀로그래픽시스템을구현하는데있어가장많은기술적인진보가요구되는부분은홀로그램을재현하는디스플레이다. 홀로그래픽디스플레이의핵심적인소자는아날로그홀로그램에서의필름과같은역할을하는공간광변조기 (SLM: Spatial Light Modulator) 이다. SLM은미세한간섭무늬를정교하게표현할수있는정도의고해상도를가져야하며, 또한그크기가재현하고자하는영상의크기와동일해야한다. 이를 SBP(Space Bandwidth Product) 라고하며, 이때 Space는디스플레이의크기를, 그리고 Bandwidth는소자의해상도 ( 픽셀피치 ) 를각각의미한다. 현재상용품으로구할수있는 SLM의 SBP 성능은실제우리가원하는홀로그래픽디스플레이를구현하기에매우부족하며, 이를극복하기위한여러가지시공간다중화방법이연구되고있다.( 표 1 참조 ) MIT 대학의 SPI 그룹에서는 AOM 소자를사용한 Mark-I, II 시스템을개발한바있다. [10] AOM은 1차원디스플레이소자이며, 2 차원영상의재현을위해서 Galvano mirror를이용한수직스캐닝방식 ( 시간적다중화 ) 을사용하였다. 일본동경농공대의 Takaki 교수는 DMD 소자와 Cylindrical 렌즈및 Galvano mirror 를사용한시간다중화방식의홀로그래픽디스플레이개발하였으며, [11] 일본 NICT에서는 8K UHDTV 프로젝터용으로개발된 LCoS 소자를사용한 Full color 디스플레이를개발하여시연한바있다. [12] 이시스템들을통해서시연해보여준 홀로그램영상은매우작은크기의선명하지않은단색홀로그램수준으로써아직많은연구개발이필요함을시사하고있다. 이방식들에서는우리두눈으로자연스럽게관찰할수있는정도의회절각을제공하는 SLM을사용하고자했으며, 이에따라구현할수있는 SLM의크기즉, 관찰할수있는홀로그램영상의크기가매우작아서비록 3D 입체영상을보여주더라도이를제대로인식하기가어려운한계가있었다. 이러한한계를극복하기위한다른접근방식은독일 SeeReal사에서대화면 (20인치) LCD 소자를이용해구현한방식으로, [14] Sub-hologram 방식이라고부른다. 핵심개념은어느한순간에관찰자의눈이있는위치에만홀로그램영상을형성해도충분히홀로그램을볼수있다는것이고, 이는매우작은회절각을갖는 SLM으로도구현가능하다는것이다. 이로인해얻는이득은대형 (20인치이상 ) 홀로그램영상의재현이용이해진다는것이다. 다만, 이경우 SLM으로부터회절된빛은관찰자의눈이위치하는매우작은영역에서만보이게되므로, 관찰자의움직임을따라가는정밀한실시간동공추적기능과이에동기된기준광 steering, 그리고눈의위치에해당하는 sub-hologram 의실시간생성등이함께구현되어야한다. 이로인해동시에홀로그램을볼수있는관찰자는한명으로제한된다. 또한, 아날로그홀로그램의화질에근접한영상화질을얻기위해필요한 1 mm 이하급의픽셀피치를갖는 SLM에대한연구도꾸준히진행되고있다.( 표 2 참조 ) 여기서, 많은영화에서제시된홀로그램의이미지에의하여형성된홀로그래픽디스플레이에대한한가지오해를짚고넘어가기로하자. 스타워즈로대표되는많은 SF 영화에서홀로그램은아무것도없는공간상에 3차원영상을형성시키는기술로소개된다. 그러나앞서설명했듯이우리가홀로그램을보는것은일상생활에서물체를보는것과다르지않은작용이다. 즉, 물체로부터떠난빛이우리눈에들어와서망막세포를자극함으로써보게되는것이며, 빛은그중간에방해물이없는한직진하는속성에의해시각을제공한다. 따라서홀 [8] H. Kang, et al., Comparison and acceleration for digital hologram generation method based on segmentation, Proc. 3DTV Conf. (2009). [9] Tomoyoshi Ito, et al., Optics Express 13(6), 1923 (2005). [10] P. St.-Hilaire, et al., Advances in Holographic Video, in SPIE Proc. Vol. #1914: Practical Holography VII (1993), pp [11] Y. Takaki and N. Okada, Appl. Opt. 48, 3255 (2009). [12] Senoh T., et al., Journal of Display Technology 7, 382 (2011). [13] P.-A. Blanche, et al., Nature 468, 80 (2010). [14] R. Haussler, et al., Large real-time holographic displays: from prototypes to a comsumer product, Proceedings of EI 물리학과첨단기술 APRIL

Table 2. Spatial Light Modulators, commercial and under development. (a) 로그램을관찰하기위해서는우리눈과홀로그램영상을잇는직선의연장선상어딘가에디스플레이장치가있어야만한다. 이는빛의회절현상을이용함에도불구하고홀로그래픽디스플레이의형태는일반적인 TV와같은 2D 디스플레이와동일한형태를가져야함을의미한다.

[7,15] 테이블탑홀로그래픽디스플레이기술개발기가코리아사업에서수행중인홀로그래피기술개발과제에서는 테이블탑 형태의홀로그래픽디스플레이와 홀로그래픽 TV 를목표로하는대화면홀로그램디스플레이용 SLM을개발하는것이주요목표이다. [16] 테이블탑홀로그래픽디스플레이의가능성은미국의 Zebra Imaging 사에서판매하고있는프린팅디지털홀로그램으로부터이해할수있다.

TI사의 DMD 소자를 SLM으로사용하였으며, 22,000 Hz의고속동작속도를이용하여테이블탑형디스플레이에서요구되는시공간다중화요구사항을만족시키게된다. 동영상홀로그램을관찰하기위해서는최소 30 fps의속도로홀로그램영상을재현해야하며, 360도방향에서관찰할수있게하기위해서는매우많은시점에대한홀로그램을연속적으로재현해야한다.

재현할수있는속도가필요하며, DMD 의빠른동작속도는이런요구사항을만족한다. 다만, 현재사용할수있는 DMD 소자의크기가 1인치이하로매우작아서, 다수개의 DMD 소자의공간타일링과 4f 광학계를이용한영상확대를통해약 4인치크기의홀로그램영상을얻게된다. 사용된 SLM을통해얻을수있는회절각은약 0.

6 Table 2. Spatial Light Modulators, commercial and under development. (a) 로그램을관찰하기위해서는우리눈과홀로그램영상을잇는직선의연장선상어딘가에디스플레이장치가있어야만한다. 이는빛의회절현상을이용함에도불구하고홀로그래픽디스플레이의형태는일반적인 TV와같은 2D 디스플레이와동일한형태를가져야함을의미한다. 이러한조건을만족하는범위안에서는, 영화에서보는것과같은홀로그램의형태와유사한테이블탑디스플레이는구현할수있으며, 비슷한개념의체적형디스플레이 (Volumetric Display) 로불리는디스플레이기술이많이연구되었다. [7,15] 테이블탑홀로그래픽디스플레이기술개발기가코리아사업에서수행중인홀로그래피기술개발과제에서는 테이블탑 형태의홀로그래픽디스플레이와 홀로그래픽 TV 를목표로하는대화면홀로그램디스플레이용 SLM을개발하는것이주요목표이다. [16] 테이블탑홀로그래픽디스플레이의가능성은미국의 Zebra Imaging 사에서판매하고있는프린팅디지털홀로그램으로부터이해할수있다. [17] 즉, 여기서사용된필름과동일한회절성능을갖는디지털소자를만들수있다면테이블탑디지털홀로그래픽디스플레이를만드는것이가능하다는것이다. 물론, 현재는아직이러한소자가없으므로, 사용가능한소자의한계를극복하는기술이필요하며, 이기술들이본과제의주요연구내용이된다. TI사의 DMD 소자를 SLM으로사용하였으며, 22,000 Hz의고속동작속도를이용하여테이블탑형디스플레이에서요구되는시공간다중화요구사항을만족시키게된다. 동영상홀로그램을관찰하기위해서는최소 30 fps의속도로홀로그램영상을재현해야하며, 360도방향에서관찰할수있게하기위해서는매우많은시점에대한홀로그램을연속적으로재현해야한다. 예를들어, 1도간격으로 360개의시점을제공하기위해서는단색홀로그램의경우초당 30*360 10,800개의홀로그램영상을 (b) Fig. 5. Table-top Digital holographic display: (a) configuration, (b) implementation, (c) hologram image. 재현할수있는속도가필요하며, DMD 의빠른동작속도는이런요구사항을만족한다. 다만, 현재사용할수있는 DMD 소자의크기가 1인치이하로매우작아서, 다수개의 DMD 소자의공간타일링과 4f 광학계를이용한영상확대를통해약 4인치크기의홀로그램영상을얻게된다. 사용된 SLM을통해얻을수있는회절각은약 0.5도로써, SLM으로부터 70 cm 거리의관찰위치에형성되는시야창은 1cm 1cm 정도로매우작다. 따라서관찰자가자유롭게홀로그램을볼수있게하기위해서앞에서설명한동공추적및서브홀로그램실시간생성기술이함께개발되고있다.( 그림 5 참조 ) SLM은크게반도체공정기반또는디스플레이공정기반의제작방식으로나눌수있다. 전자는 4 8 mm 급의미세픽셀을만들수있으나, 공정의특성상디바이스의크기가보 [15] Andrew Jones, et al., Rendering for an Interactive 360 Light Field Display, ACM SIGGRAPH conference proceedings, [16] Jinwoong Kim, et al., Technology Development of Table-top Digital Holographic Display in GIGA Korea Project, Proceedings of DHIP 2014, pp.26-27, Okinawa, Dec [17] (c) 28 물리학과첨단기술 APRIL 2015

7 통수인치이하로매우작고, 후자의경우수십인치이상의큰디스플레이를만들수있으나아직픽셀크기가최소 40 mm 정도로써홀로그래픽디스플레이에사용하기에는너무크다는한계가존재한다. 본과제에서는대형홀로그래픽디스플레이개발에목표를두고, 후자의기술을기반으로픽셀크기 1 mm 이하의대면적 SLM 구현에대한연구개발을진행하고있다. [18] 기가비트통신시대를위한준비 - 기가코리아사업마지막으로홀로그래피기술개발과제가소속된기가코리아사업 [19] 을간단히소개한다. 디지털기술이성숙되는과정에서모바일통신과스마트폰으로촉발된정보통신환경의변화는매우빠른속도로진행되고있으며, 다양한모바일기기와나아가모든사물의연결에의한새로운 IoT(Internet of Things) 패러다임의도래를앞두고있다. 새로운패러다임은세상의모든사람, 사물및사건에대한정보가네트워크를통해실시간으로전송되고, 이에기반하여기존의사회활동형태가대부분바뀌는것을의미한다. 예를들면, 기존의오프라인매장에서주로이루어지던금융, 거래및유통등이대부분온라인으로이동하는것이대표적이다. 이를위해서는폭발적으로늘어나는디지털데이터트래픽을수용할수있는네트워크인프라가필수적이며, 이런데이터를고속으로처리가공하는빅데이터기술, 초고속플랫폼기술등이필요하다. 또한, 네트워크가발전함에따라사람들이원하는정보통신에대한요구수준도점점높아지고있으며, 초고품질영상통신을넘어서현실과동일한수준의 Tele-presence 서비스가가까운장래에현실화될전망이다. 이러한 ICT 환경의변화를배경으로 2020 년이후도래할스마트사회에대비하여, 언제어디서나각개인의기가비트급통신이가능하도록 CPND(Content-Platform- Network-Device, ICT 분야의생태계구성요소 ) 전영역에걸 친핵심기술개발을목적으로출범한것이기가코리아사업이다. 2013년에시작하여현재까지밀티미터파 5G 이동통신시스템개발, 디지털홀로그래픽테이블탑형단말및실시간인터랙션을제공하는초다시점단말개발, Giga Media 기반 Tele-Experience 서비스 SW 플랫폼개발, 그리고기가급대용량양방향실감콘텐츠개발과제가진행되고있다. 디지털홀로그래피기술개발과제는아직수없이많은난관이기다리고있는도전적인과제이기는하지만, 기가급네트워크를통해홀로그래픽 Tele-Presence 서비스를만들어내는꿈을현실화시키기위한노력을계속하고자한다. 맺음말 빛은생명의근원이자사람간정보전달의핵심매체이다. 빛이제공하는정보를완벽하게기록하고전달하며, 원래와동일하게재현하고자하는것은인간이추구하는꿈중의하나이며, 디지털홀로그래피기술의발전은언젠가이꿈을현실화시켜줄것이다. 최근의기술발전속도는그가능성을더욱높이고있으며, 앞으로좀더많은사람들이관심을가지고이도전적인꿈의실현에동참하기를기대한다. 감사의글 (Acknowledgement) 본연구는미래창조과학부및 ( 재 ) 기가코리아사업단의 범부처 Giga KOREA 사업 의일환으로수행하였음. [GK15D0100, 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술개발 ] [18] Chi-Sun Hwang, et al., Technical Issues for high resolution and large area spatial light modulator, Proceedings of DHIP 2014, pp.38-41, Okinawa, Dec [19] 물리학과첨단기술 APRIL

기관별 공동 Template

기관별 공동 Template VR/AR/ 홀로그램과의융복합 그리고산업에서의응용 2017.11.09. 전자부품연구원강훈종 (hoonjongkang@keti.re.kr) Hologram?? Star Wars - 2 - Hologram?? Manchester and London Luton airports Hologram Hatsune Miku concert CNN's human 'hologram'