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1 기술특집 디지털 홀로그래픽 기술 동향 강훈종, 김남, 송현호, 김성규, 김태근, 최원식, 윤민성, 김승철, 이승현, 김은수, 최희진, 김휘, 박재형, 민성욱, 최규환, 남동경, 홍성희, 정광모, 서경학 (1전자부품연구원 정보통신미디어연구본부, 2충북대학교 전자정보대학, 3인천대학교 디자인학부, 한국과학기술연구원 영상미디어센터, 세종대학교 광전자공학과, 고려대학교 물리학과, LG디스플레이 연구센터, 광운대학교 전자공학과, 광운대학교 정보콘텐츠대학원, 세종대학교 물리학과, 11고려대학교 전자정보공학과, 12경희대학교 정보디스플레이학과, 13삼성전자 종합기술원) 4 Ⅰ. 홀로그래피 를 기록한다. 이에 반해, 사물로부터 난반사된 빛의 파면 을 완벽하게 기록하기 위해서 먼저 입사되는 빛의 방향 1. 개요 성분을 비롯한 모든 물리적인 특성들이 기록 되어야 한 스타워즈를 비롯한 다양한 공상 과학 영화들에서 아무 다. 이상적인 관점에서 볼 때, 반사된 빛의 광 필드 분포 것도 없는 빈 공간에 실물과 같이 홀로그램이 디스플레이 (light field distribution)가 기록 되어야 한다. 되는 장면이 종종 소개되고 있다. 이러한 장면은 사람들 기하광학은 비록 완벽하지 않지만, 광 필드 분포를 표 로 하여금 관심 및 호기심을 갖게 하기에 충분하다. 그렇 현할 수 있는 간단한 모델이라고 볼 수 있다. 따라서, 기 다면, 이러한 디스플레이 시스템이 현실적으로 가능할 수 하광학은 제한된 경우에 적합한 광학적 모델로써 활용될 있을 것인가? 간단하게 답한다면, 가능하다고 할 수 있을 수 있다. 만일 이러한 광 필드 분포가 기록될 수 있다면, 것이다. 인간은 사물로부터 난반사된 빛의 일부가 안구의 광 필드 분포를 손실 및 왜곡 없이 재생할 수 있는 물리 수정체를 통해 각막에 상을 맺도록 함으로써 사물을 인지 적 장치가 필요하게 된다. 광 필드 분포를 기록 및 재생할 할 수 있다. 이러한 관점에서 고려해 볼 때, 만일 사물로 수 있는 프로토타입이 여러 문헌에 의해 발표되었다. 부터 난반사된 빛의 파면을 손실 및 노이즈 없이 완벽하 Integral imaging은 기하광학에 기반한 light field imaging 게 기록한 후, 다른 장소 및 다른 시간에 기록된 빛의 파 방법이다. 하지만, 이러한 방법은 여러 제한으로 인해, 완 면을 재생한다면, 인간은 디스플레이된 허상과 실물을 구 벽하게 light field distribution을 기록 및 재생할 수 있는 별하지 못할 것이다. 방법이라고 할 수 없다. 기하광학보다 좀 더 정확한 모델 [1] 이때 제기될 수 있는 질문은 과연 사물로부터 난반사 링이 가능한 광학 모델은 파동광학으로, 공간상에 전파 된 모든 빛의 물리적 특성을 포함한 파면을 기록할 수 있 되는 빛의 특성을 파동 방정식으로 모델링하는 것이다. 는가와 이것을 재생할 수 있는가이다. 기존의 사진 카메라 원하는 3차원 객체에 대한 광학 정보는 wave field에 의 및 비디오 카메라는 빛을 기록하는 장치로 볼 수 있다. 하 해 전파되기 때문에, 공간상에 전파되는 빛은 scalar wave 지만, 이들을 이용하게 되면, 앞에서 언급한 바와 같이 빛 field에 의해 표현이 가능하다. 이러한 wave field는 기록 의 모든 물리적 특성 및 빛의 파면을 기록할 수는 없다. 및 재생이 가능하기 때문에, 원하는 3차원 객체에 대한 좀더 구체적으로써, 광 감응 장치에 의해 빛의 강도 분포 시각적 복원 및 재생이 가능하다. 홀로그래피는 이러한 18 인포메이션 디스플레이

2 디지털홀로그래픽기술동향 wave field의기록및재생이가능한대표적인기술이다 [2]. 3D imaging 또는디스플레이를위한응용시스템에서이러한 scalar wave model에의해광파에대한정확한표현및처리가가능하다. 따라서, 홀로그래피는 optical wave field를기록및재생할수있는기술로적합한여겨질수있다. 좀더구체적으로, 홀로그래피는 3차원객체로부터난반사된물체빔과기록및재생에활용되는참조빔간의간섭및회절을기반으로 3차원객체에대한정보기록및재생을하는방법으로써, 다양한광학응용분야에서광범위하게활용되고있다. 실제로, 홀로그래피또는홀로그램이라는용어는물리적으로 3차원객체를광파에의해복원하는모든방법을통칭하여일컫는말로사용되고있다. 홀로그래픽디스플레이기술은 1960년대이후꾸준히개발되어왔지만, 아직유년기로볼수있다. 본논문에서는광굴절매질에홀로그램을기록하는기존의아날로그홀로그래피로부터벗어나, 화소로구성된장치에의해획득, 기록, 그리고파면복원이가능한디지털홀로그래피에대해살펴보고자한다. 본논문은먼저홀로그래픽디스플레이관점에서디지털홀로그래피역사를소개한다. 그리고다양한디지털홀로그래픽디스플레이들과관련된최근에발표된기술들이다루어진다. 또한디지털홀로그래피를이용한홀로그래픽디스플레이이외의다양한응용분야들이소개된다. 이러한기술조사내용은향후홀로그래픽연구에많은도움이될수있을것으로본다. 2. 홀로그래피역사홀로그래피는 1948년 D. Gabor( ) 에의해최초제안되었으며, 수차를감소시킴으로써전자현미경의화질을향상시키는목적으로개발되었다 [3]. Optical field에서의 D. Gabor의아이디어에대한타당성은다양한실험에의해검증되었다. 대표적으로 G. L. Rogers [4], H. M. A. El-Sum and P. Kirkpatrick [5], 그리고 A. Lohmann [6] 에의해수행한실험들이있다. 하지만, 당시의기술에의해얻어진홀로그램의열악한화질로인해, 몇년후홀로그래피에대한관심은줄어들었다. 코히어런트 의특성을갖는레이저가개발된이후홀로그래피연구는다시시작되었다. Gabor의인라인 (in-line) 홀로그램에서발생되는 twin-image가다시문제로나타났다. Leith and Y. Upatnieks [7] 는기존레이더에서도 Gabor 홀로그램에서발생되는문제가유사하게발생되는것을발견했으며, 이를해결하기위해 off-axis 홀로그램을제안했다. Y. N. Denisyuk는 Gabor와 Lippmann의아이디어를그의발명인 Thick reflection 홀로그램에결합하였다 [8]. 근래에들어, 진폭과위상으로구성된완벽한 wavefield 를기록및복원하는방법등이연구되고있으며, 복원과정은디스플레이시스템을고려하여가시광선내에서이루어지고있다. 또한 3차원객체에대한정확한깊이정보및시차정보를포함함으로써고화질의 3차원입체영상디스플레이가가능하며, 이러한유일한특성을기반으로광굴절매질을이용한다양한응용시스템에활용이검토되고있다. 또한, 물체빔과참조빔사이의간섭을수학적으로모델링하고컴퓨터를이용하여연산함으로써, 홀로그램을디지털방식에의해생성할수있게되었다 [9]. 이러한연산의결과로인해, 광굴절매질에실물의홀로그램을직접기록하거나또는... 실존하지않는가상의객체에대해서도자유롭게홀로그램을생성할수있어, 더욱실재감이있는입체디스플에리가가능하게되었다. 또한회절을기반으로회절소자를설계및구현함으로써, 간섭측정기등의새로운광학응용시스템상용화가가능하게되었다 [10]. 또다른응용분야로써, 광굴절매질을이용하는홀로그래픽광메모리는기존자기방식의디스크메모리를대치할수있는차세대메모리로개발되고있다 [11]. Bragg 선택도를제공하는광굴절크리스털매질을이용하는차세대홀로그래픽 3차원저장매체는저장매체의차원을한단계향상시킴으로써, 컴퓨터메모리를획기적으로증가시킬수있는솔루션으로지목되고있다 [12]. 디지털홀로그래피라는용어는 1960년도중반부터사용되어져왔으나 [13] 디지털홀로그래피의기반아이디어는그때보다 30년전에처음제안되었었고 [14], 기본적인이론은 1980년도초에정립되었다 [15]. 홀로그래픽디스플레이를목적으로하는디지털홀로그램생성등은하나의 2011 년제 12 권제 3 호 19

3 기술특집 연구항목으로써진행되어져왔으나, 광굴절매질에디지털홀로그램을기록또는복소진폭으로구성된디지털홀로그램의산술적처리및복원은 1990년도까지휴면기에들어가있었다. 그후, 고해상도 CCD 카메라의발전및고속컴퓨팅시스템의발전으로인해, 이러한연구들은다시진행될수있게되었었다. 계속되는컴퓨터연산속도의향상으로, 가까운미래에실시간디지털홀로그래피가가능하게되며, 디지털홀로그래피를기반으로하는 3DTV 응용시스템의상용화가가능할것으로기대되고있다. Schnars 와 Juptner [16] 는최초로 CCD 카메라를이용하여홀로그램을획득했으며, 이러한연구를통해디지털홀로그램이라는용어를만들었다. 이후기술발전에따라다양한응용분야에활용될수있게되었다. - phaseshifting 간섭계 [17], 입자측정을위한 digital in-line holography [18], biomedical imaging [19], 홀로그래픽현미경 [20]. 디지털홀로그래픽간섭계및디지털스페클패턴간섭계에대한전체적인내용은 T. Kreis [21] 에의해자세히소개되었다. 홀로그래픽기술은 1962년에 Leith 와 Upatnieks에의해최초로이미지디스플레이에적용되었다 [7]. 홀로그램은모든 depth cue를갖는연속아날로그 light-field를디스플레이한다. 홀로그래피와디지털연산기술의결합에의한전자홀로그래피는 Stephen Benton에의해최초로만들어졌다 [22]. Stephen Benton 은 MIT의 Spatial Imaging Group을이끌었으며, 인터렉티브홀로그래픽디스플레이개발의선구자였다. 1989년 Spatial Imaging Group의연구원들은실시간홀로그래픽디스플레이가가능한최초의시스템 (Mark I) 을개발했다 [23]. 음향광변조기 (AOM), 빔분배기, 회전식거울그리고렌즈등을이용하였으며, 수평시차만을갖는홀로그래픽디스플레이시스템으로써, 골프공만한홀로그램재생영상을만들었다 [24]. 방대한 fringe 대역폭으로인해, 디지털홀로그램의연산및디스플레이는해결하기어려운문제로남아있었다. 이러한어려운점을해결하기위해개발한고속연산알고리즘이 diffraction-specific computation이다 [25]. 인터렉션이불가능한기존의아날로그홀로그래피와는반대로, 새로운고속알고리즘기반의디지털홀로그램생성및음 향광변조기를이용한디스플레이에의해구성된전자홀로그래피는실시간처리를통하여인터랙티브한조작을가능하게했다 [26]. Mark I 기반의 2세대홀로그래픽디스플레이 Mark II 는 1993년에개발되었다. Mark II는 Mark I의광학엔진병렬화를통해 150mm 75mm 160mm 크기의홀로그램을디스플레이할수있도록설계되었다. 프레임당 36MByte 의홀로그램을디스플레이함으로써, 전자홀로그래피의발전에기여하였다. 최근의전자홀로그래피연구에서는 1차원공간광변조기인음향광변조기가 LCD [27], focused light arrays [28], optically-addressed spatial modulators [29], 그리고 digital micro-mirror devices(dmd) [30] 등으로대치되어고화질의 Full parallax 홀로그램을제공할수있게되었다. Burney [31] 는홀로그래픽 TV를위한영상획득, 저장그리고디스플레이를포함하는전과정에대한특허를출원했으며, 1998년에 20초분량의에니메이션홀로그램을선보였다. 하지만, 이러한홀로그램은상대적으로너무작은객체의크기, 낮은해상도그리고낮은칼라선명도로인해호응을얻지는못했다. 지금까지홀로그래피와컴퓨터그래픽은서로분리되어다루어져왔다. 이들두기술의결합으로과학, 산업및교육에이르기까지다양한분야에활용될수있는강력한도구가만들어질수도있다. 최근에그래픽산업의발달로인해, 그래픽가속기를비롯한고속컴퓨팅시스템이개발되면서, 완벽하지는않지만과거의컴퓨팅문제를해결할수있는단계에와있다고볼수있다 [31]. 홀로그래피의장점은고해상도의완벽한 3차원입체영상디스플레이, 완벽한 depth cue, 관찰위치에대한자유로움등이며, 최근의컴퓨터그래픽처리의성능은인터렉티브, 실시간렌더링, 시뮬레이션, 에니메이션이가능한수준까지향상되었다 [32]. 전자홀로그래피의실현화를위해서고성능의컴퓨팅, 대용량의전송그리고방대한데이터로인한많은요구사항이있기때문에, 최근의컴퓨팅산업기술을이용해서완벽히해결할수는없다고볼수있다. 하지만, 이러한발전전망을고려해볼때, 근시일내에전자홀로그래피가가능할것으로본다. 20 인포메이션디스플레이

4 디지털홀로그래픽기술동향 Ⅱ. 디지털홀로그램획득및생성기술동향 1. 디지털홀로그램획득홀로그램을이용한 3차원디스플레이에대한연구는빛의완전한정보를추출하고복원하는방식의홀로그램이 3차원동영상디스플레이의궁극적해를제시해줄것이라는기술적신념에따라지난 60 여년간끊임없이연구되어왔다. 특히, 최근에는디지털기술의비약적인발 전으로디지털신호형태로물체의 3차원홀로그램정보를추출하고이를처리전송복원하는방식의 3차원홀로그램디스플레이에대한연구가활발히이루어지고있다. 하지만 3차원디스플레이를위한디지털홀로그램연구는 3차원에니메이션과같이가상 (fictitious) 물체의컴퓨터생성홀로그램을합성하여복원하는방식으로컴퓨터생성홀로그램과홀로그램복원디스플레이장치에대한연구가주류를이루었다. 하지만홀로그램을이용한 3차원영상시스템의완결된루프를위해서실제물체의홀로그램정보를디지털신호형태로추출하는것이필수적이다. 본절에서는실제물체의홀로그램정보를디지털신호형태로추출하는유력한다음의세가지방식을개괄한다. (1) 광스캐닝홀로그래피 [ 그림 1] 의광스캐닝홀로그래피는 1979년에헤테로다인스캐닝방법을이용해실제물체의홀로그램정보를디지털신호의형태로추출하는기술이제안됐다 [33]. 이방식의장점은고전적인홀로그램촬영방식과달리간섭은스캐닝빔을형성하는단계에서이뤄지고물체의홀로그램정보는스캐닝빔의세기패턴에의해서반사된물체의세기패턴의곱이공간적으로집광되는과정에서이뤄지는인코히어런트 (incoherent) 영상시스템으로코히어런트 (coherent) 영상시스템의가장큰단점인스페클 (speckle) 노이즈가없다는것이고스캐닝방식을이용함으로실질적으로촬영대상물체의크기에대한제한이없으며헤테로다인검출을이용해쌍영상잡음이나배경잡음이없다는것이다 [34]. 최근에는실제물체의홀로그램정보를추출하고이를수치적방법으로처리하여데이터량을줄이고기술적으로가용한공간광변조기를이용한복원이용의하도록처리하여 3차원공간상에복원한연 [ 그림 1] 광스캐닝홀로그라피 (M1,2: 거울, BS1,2: 빔분할기, BE1,2 빔확장기, L: 렌즈, CL: 집광렌즈, PD: 광검출기 ) 구가보고되었다 [35]. 그러나시스템이복잡하고고속엑티브스캐닝이필요하며공간집광광학계의설계및제작이필요함등의기술적요구사항이높아연구가활발하게실행되고있지못하는실정이다. 향후홀로그램을이용한완결된루프의 3차원디스플레이시스템의구축을위해서실제물체의홀로그램정보추출이핵심적인필수요소기술임을고려한광스캐닝홀로그래피에대한활발한연구개발이필수적이다. (2) 인코히어런트다시점영상을추출을통한홀로그램정보합성방법 2003년 Abookasis et al., 과 Sando et al., 은 CCD 또는 CMOS를이용해실제물체의인코히어런트다시점영상을추출하고이를이용해실제물체의홀로그램을합성하는방법을제안한다 [36, 37]. [ 그림 2] 에서보이는것처럼본방법에서는구좌표계에서구면에따라물체의인코히어런트한 2차원영상을기존의 2차원인코히어런트영상촬영방식을이용해촬영하고이를각각의각위치에서홀로그램합성에기여하는평면파의기여도로합산해인코히어런트물체의홀로그램을수치적인방법으로합성한다. 본기법의장점은잘개발된기존의인코히어런트 2차원영상시스템을이용함으로 1. 구현이용의하며, 2. 인코히어런트영상을촬영함으로스페클노이즈등코히어런트노이즈에대해서자유롭고, 3. 간섭현상을이용하지않는완전한인코히어런트촬영방식으로매우안정적이다. 그러나 1. CCD 또는 CMOS 카메라를구면에따라기계적인스캐닝을통해무수히많은다시점 2011 년제 12 권제 3 호 21

5 기술특집 y y i 2-D FT y x x x i y i z x i CCD x i... CCD y i CCD 3-D to 2-D reduction Digital Computer [ 그림 2] 인코히어런트다시점영상을추출을통한홀로그램정보합성장치 영상을촬영해야하는단점, 2. 인코히어런트영상촬영장치의본질적한계인촬영대상물체의깊이영역 (depth range) 이영상촬영장치의심도 (depth of field) 내에위치해야한다는단점등으로긴깊이영역에대한선명한물체의홀로그램정보추출하는데에는근원적인한계가있다. 근래에는집적영상법을이용해다시점영상을얻고이를수치적방법으로합성하여홀로그램정보를추출하는방법이제안되어기계적인스캐닝없이다시점영상을추출하고이를이용하여홀로그램을합성하는방법이제안되었으나 [38] 2차원촬상소자픽셀수의제한등으로그의한계또한명확하다이를극복하기위해서 2차원촬상소자픽셀수의혁신적증가를위한연구개발이요구된다. (3) 위상천이디지털홀로그램추출방식광학홀로그램을비롯해서홀로그램촬영에있어가장성가신잡음 (annoying noise) 은쌍영상잡음이다. 이를제거하기위해광학홀로그램에서는공간캐리어를인가하는방식의탈축 (off-axis) 홀로그램촬영방식이제안되었다. 그러나탈축홀로그램촬영방식에따른공간케리어의인가에따라높은분해능을갖는필름이요구된다. 이는광학적방법으로필름에레코딩할때는심각한문제를만들어내지않았으나, 디지털신호형태로홀로그램을촬영할때에는촬상소자의픽셀수의증가라는치명적인단점을야기한다. 이에따라, 1997년 I. Yamaguchi 와 T. Zhang는 [ 그림 3] 에서처럼위상을천이하는방식으로다수의정축 (on-axis) 홀로그램을촬영하고이를수치적방법으로합성하는방식으로그렇게많지않은픽셀수로 z Object, O( x, y, z) Beam splitter Beam splitter Observation Plane Phase-shifter Beam Splitter Collimated coherent light [ 그림 3] 위상천이디지털홀로그램도물체의홀로그램을쌍영상잡음및배경잡음없이촬영하는방법을제안했다 [39]. 본기법의장점은 1. 그렇게많지않은픽셀수를갖는촬상소자로도쌍영상잡음및배경잡음없이물체의홀로그램정보를추출할수있으며, 2. CCD 또는 CMOS 카메라와같이잘개발된 2차원촬상소자를이용함으로구현이용의하다는점등의장점이있으나 1. 기존촬상소자의픽셀수에의해서홀로그램의시야각또는촬영물체의크기가제한되고, 2. 코히어런트촬영방식으로스페클등코히어런트잡음에대해매우민감하다는단점이있다. 따라서, 위상을천이하는디지털홀로그램촬영방식은대상물체의크기가작고코히어런트잡음에대한통제가용의한 3차원현미경에공격적으로응용되고있다. 현미경에대한이와같은즉각적인응용가능성으로위상천이방식의디지털홀로그램촬영에대한수없이많은연구들이진행되고있으며그에따라보고되는논문들도방대하다. (4) 결론본절에는홀로그램획득및생성의기술동양에대해서개괄하였다. 특히 3차원홀로그램디스플레이완결된루프를형성하기위한핵심요소장치로기존 2차원영상시스템의동영상카메라에해당하는실제물체의홀로그램을디지털신호로추출하는유력한 3가지방법을개괄하였다. 그러나실제물체의홀로그램정보를추출하여복원하고자할때, 복원장치의광학적특징에따라왜곡이발생한다. 특히확대또는축소하여디스플레이하고자하는경우, 축방향의확대및축소율과횡방향의축소및확대율이같이않은문제가발생한다 [40]. 이와같은복원장치의광학적특성에따른수차 (aberration) 및등각 22 인포메이션디스플레이

6 디지털홀로그래픽기술동향 (conformal) 왜곡그리고등비축소및확대에대한보정이필수적이다. 가상 (fictitious) 의물체의컴퓨터생성홀로그램을합성하여복원할때는가상물체의포인트클라우드 (pints cloud) 또는 3차원메쉬 (mesh) 데이터를이용해합성함으로위의확대및축소에따른왜곡, 수차왜곡, 등각왜곡에대한수치적보정이수치적방법으로원활히이뤄진다 [41]. 따라서궁극적으로는실제물체의포인트클라우드를추출하는수치적또는광학적방법에대한연구가이뤄져야할것이다. 이때, 실제물체의포인트클라우드는각각의포인트에서광파의복소수스케터링특징에대한정보가포함되어있어야할것이다. 실제물체의복소수스케터링특징에대한정보를갖는포인트클라우드, 즉점별복소수스케터링분포함수 (pointwise complex scattering distribution function) 의추출이필수적이다. 여기서주목할점은홀로그램에는각포인트클라우드의복소수스캐터링특징이인코드되어있다는것이다. 따라서, 향후연구방향은실제물체의홀로그램에서복소수스케터링특징을가지고있는포인트클라우드를수치적방법으로추출하는방법 [42,43] 또는각복소수스케터링특징을갖는포인트클라우드를추출하는홀로그래픽레인지카메라등의개발이이뤄져야할것이다. 2. 공간광변조기광학적모델기반의디지털홀로그래픽프린지패턴은진폭과위상이포함된복소진폭으로구성되며, 이에따라, 생성알고리즘에의한디지털홀로그램및카메라에의해획득된홀로그램들은모두복소진폭으로구성된다. 따라서, 완벽한홀로그래픽디스플레이를위해서복소진폭의데이터값을디스플레이할수있는공간광변조기가있어야한다. 하지만, 현재기술적으로가능한공간광변조기는 Amplitude-only 또는 Phase-only modulator 이다. 게다가위상전용변조기라고하더라도진폭의변화가발생하며, 진폭전용이라고하더라도위상의변화가발생하기때문에, 이에따른노이즈가발생할수있다. 하지만, 위상전용변조기가낮은광손실및높은회절효율의장점을가지고있다. 두개의공간광변조기를이용한복소진폭분포를표시 [ 그림 4] Full HD급위상전용공간광변조기하는방법이제안되었다 [44,45]. 하지만이러한방법은비록복소진폭분포를표시할수있지만, 심각한광손실로인해실용적이지않으며, 제조측면에서도많은기술적어려움이있다. 일반적인홀로그래픽디스플레이는단일위상전용공간광변조기를이용하며, 최적의광학적복원영상을얻기위해알고리즘을최적화하는방법이사용되고있다. 최적의광변조는진폭및편광의변화가없이위상이 2 범위의값을갖도록하는것이다. 하지만, 일반적으로편광의변화에의한오차로인해이상적이위상변조를위한광변조기의구현이쉽지않다 [46]. 가장적합한방법으로써, 만일공간광변조기의복소변조특성을알고있다면위상보정방법에의해홀로그래픽디스플레이를위한입출력편광성분의최적화가가능하다 [47]. 3. 디지털홀로그램생성앞에서언급한바와같이화소로된위상전용공간광변조기의완벽하지못한변조특성으로인해홀로그램최적화또는홀로그램코딩이복원영상의화질을향상시키는최선의방법일수있다. 이때화질을계측할수있는방법으로써, 강도분포, 회절효율, 복원영상의오류및 signal-to-noise 등이사용될수있으며, 적합한결과측정을위해서여러방법들을병합하여이용하는것이적합할수있다 [48]. 일반적으로디지털홀로그램생성을위한최적화방법은다음과같이세부분으로분류될수있다. Iterative transform algorithms(e.g. Gerchberg-Saxton algorithm(ifta), Input-Output algorithm) [49] Direct search based methods(e.g. simulated annealing) [50] 2011 년제 12 권제 3 호 23

7 기술특집 Geometry-based methods(e.g. finite mesh adaption) [51] Gerchberg-Saxton algorithm(iterative Fourier transform algorithm - IFTA) 은일반적으로여러분야에서광범위하게활용되고있다. 그것은소요된연산시간에비해정확도가높은홀로그램연산이가능하며, 응용시스템에따라구현및확장이쉽기때문이다 [52]. 그외에도 Fresnel approximation은활용도가높아지고있다. 일반적인 IFTA와비교하여, Fienup 알고리즘 [49] 은안정적이지는않지만, 복원영상의진폭의피드백에의해빠른속도로수렴되는장점이있다 [48]. 일반적으로 2차원공간광변조기로써, LCD 또는 LCoS등을이용하며, 이는최소 6비트이상의양자화된데이터를이용하기때문에, 알고리즘에서양자화과정을필요로한다 [53]. 기본알고리즘의 3차원확장방법에의해전체복원영역에대해처리가가능하다 [54]. 더욱향상된화질의복원영상은 direct binary search [55], threshold accepting [56], 또는 simulated annealing [55] 과같은 direct search method 기반의최적화알고리즘을통해얻을수있다. 이러한방법들의접근방법은다양한변수들로인한비선형문제들을기존의최적화알고리즘에의해해결함으로써명확한최적의알고리즘을찾는것이다. 대표적방법인전역최적화방법을이용함으로써, 지역수렴에의한정체를해결하는것이며, 이로인해상당한연산시간을필요로하지만, 최종적으로최적화된결과를얻을수있다. 만일어떠한조건에서적합한화질을필요로한다면, simulated annealing 또는 direct binary search와같은 direct search 방법을이용하여적합한연산시간안에좋은결과를얻을수있다 [57]. 일반적으로홀로그램생성의최적화를위해초기값으로랜덤위상분포를이용한다. 이러한랜덤분포를이용하는것은 IFTA를위한초기값으로이용함으로써빠른수렴으로인한연산시간의이득이발생할수있으며, direct search 방법을이용한최적화알고리즘에서도지역수렴의문제점을최소화할수있는방법으로써, 랜덤분포를초기값을이용함으로써효율및화질을향상시킬수있다. Genetic 알고리즘과같은좀더완벽한 direct search 방법들을이용해상당히좋은결과를얻을수있다. 하지만, 응용시스템에포함되는많은변수들이먼저최적화가되어야한다. 실시간홀로그래픽디스플레이를위한디지털홀로그램연산의가속화는전용하드웨어를이용하여가능하다. 일반적인전용하드웨어는 FPGAs [58], multi-core signal processors [59] 또는멀티코어가포함된그래픽카드를 [60] 이용해서구현을하며, 이러한연구결과들이다수발표되었다. 또다른가속화방법으로써, 홀로그램은선형함수이기때문에다수의독립된홀로그램을병렬로생성후다중화하는방법에의해가능하며, Montes- Usategui [61] 및 Belloni [62] 에의해발표되었다. 복원영상의화질평가는 2차원영상의경우와비교해쉽지않다. 홀로그램에포함된위상특이성은스페클노이즈를야기한다. 이러한스펙클노이즈는효과적인해상도를감소시키며, 복원영상의주관적화질열화에도기여된다. 이를감소시키는대표적인방법인시간평균화방법은아날로그기반의홀로그래피및 SLM을이용하는디지털홀로그래피에서도주로사용된다 [63,64]. 가시광선내에서발생되는스펙클노이즈를감소시키는가장쉬운방법은초기위상분포를달리하여생성된다수의홀로그램을고속으로재생하는방법이다. 이러한방법은다수의스펙클노이즈를중첩시킴으로써, 평균적으로노이즈를감소시키는방법이다. 이러한방법은아날로그홀로그래피에서도사용되고있다 [65]. 또한 zero-padding을이용하는 IFTA 방법을통해증가되는연산시간문제는있지만, 다른방법에비해스펙클노이즈가상당히감소된결과를얻을수있다 [52]. 또한초기위상분포를이용함으로써향상된화질을얻을수있다 [52]. 또다른방법으로써반복연산동안발생될수있는지역침체현상을감소할수있는방법들이발표되었다 [66]. 4. HORN-6 클러스터시스템디지털홀로그램을생성하기위해요구되는엄청난계산상의문제점을해결하기위해 Chiba대학의 Shimobaba- Ito 그룹은 FPGA(Xilinx Field Programmable Gate Array) 기술을사용하여 HORN(HOlo-graphic ReconstructioN) 이라고부르는디지털홀로그램고속계산용의컴퓨터를 1992년부터개발해왔다. 1993년에제작된 HORN-1은약 24 인포메이션디스플레이

8 디지털홀로그래픽기술동향 300 메가 flops의계산성능을제공할수있었으며, 가장최근버전인 HORN-6 클러스트시스템을 2009년에개발되었다 [67,68,69]. 이그룹에서개발된 Horn-6 보드하나는모두 5개의 FPGA 칩들로이루어진다 [ 그림 5]-(a). 우선 4개의 FPGA 칩들은각각 3D 이미지계산을위해서하나의 DDR-SDRAM(Double Data Rate-Synchronous Dynamic Random Access Memory) 모듈과연결된다. 그리고, 남아있는한개의 FPGA 칩은 PCI(Peripheral Component Interconnect) 로컬버스와앞에서말한 4개의 FPGA들에서로연결시킨다. [ 그림 5]-(b) 에서보여주는것처럼 HORN-6 클러스터렌더링시스템은 16개의 HORN-6 보드를사용한다. 이그룹에서데모한홀로그래픽구현시스템은 HORN-6 클러스터에서생성한홀ㄹ래픽프린지패턴을 Full HD, 즉 해상도의반사형 LCD 패널 (Aurora Systems ASI6201, p = 6.4μm) 에디스플레이하게되며, 레이저조명광 ( 파장 : nm) 은빔분리기를지나면서입사된광의반은 LCD로전달되는광학계를포함한다. 여기서이 LCD 패널로부터반사된광은참조광과결합되어시청자를향하여투사되며, 결국약 5cm 5cm 5cm 크기의 3D 물체가생성된다. 이때, LCD 패널과재생된홀로그램 3D 이미지사이의거리는 1 m이며, 시야각 (viewing angle) 은약 5 이다. HORN-6 의커널은고성능및고해상도를제공하기위해서룩업-테이블을갖는 Fresnel 홀로그램알고리즘을사용하였다. 그결과로서, [ 그림 6] 에서보여주는것과같이 10 5 개이상의이미지점들을실시간으로계산할수있으며, 에니메이션의 frame 속도는홀로그래피로재생되는이미지점들의개수에의존한다. 예를들어, 개 [ 그림 5] HORN 6 보드 (a) 및 HORN-6 Cluster 시스템 (b) [ 그림 6] 개의 3D 이미지점들로이루어진회전목마 : CGH 원본이미지 (a) 와재생된영상 (b) 개의 3D 이미지점들로이루어진분수대 : CGH 원본이미지 (c) 와재생된영상 (d). 의 3D 이미지점들을재생할경우에 10 frame/s 를가지며, 개의 3D 이미지점들을재생할경우 1 frame/s 를갖는다. 비록 FPGA기반의계산방식은우수한계산속도를보여줬지만, 이접근법은 개이상의 3D 이미지점들의영상구현에서도가능한실시간계산능력확보및 3D 의가리움효과 (occlusion) 표현의과제들이앞으로남아있을뿐만아니라, FPGA 보드개발에드는고비용및오랜개발소요기간, 그리고 FPGA를위한기술적으로난이도높은노하우등과같은한계점들을갖고있다. 5. Image hologram 이미지홀로그램은렌즈를이용하여기록하고자하는객체의상을홀로그램평면에위치하도록하여기록하는방법이다 [70]. 이러한방법에의해객체의상을홀로그램평면에프로젝션을하며, 홀로그램평면에복원영상이위치할수있도록함으로써, 실제감을증대시키는방법이다. 이미지홀로그램기반의디지털홀로그램의대표적인장점은객체를구성하는임의의한점에대한디지털홀로그램이크기가작기때문에디지털홀로그램고속생성이가능하다는것이다. 이러한이미지홀로그램기반의디지털홀로그램생성알고리즘을이용하여실시간풀컬러홀로그래픽디스플레이시스템이 2007년에개발되었다. [ 그림 7] 에오브젝트포인트, 계산이필요한홀로그래 2011 년제 12 권제 3 호 25

9 기술특집 6. Coherent stereogram 코히어런트홀로그래픽스테리오그램 (coherent holographic stereogram : CS) 은디지털홀로그램생성알고리즘으로써 [72], 기존의 Rayleigh-Sommerfeld(R-S) 기반의알고리즘보다그연산속도가탁월하다. 연산가속화의주된원인은디지털홀로그램평면을작은세그멘테이션으로분할, 3차원객체를구성하는각포인트로부터홀로그램평면의각각의세그멘테이션에대한공간주파수계산에따른현저한연산량감소, 분할된홀로그램의주파수평면에각포인트에대한복소진폭분포를기록및각각의분할된홀로그램주파수평면을고속푸리에변환 (Fast fourier [ 그림 7] 이미지홀로그램계산을위한가상윈도우 [71]. 픽패턴의영역그리고관찰영역 ( 가상윈도우 ) 에대한광학도면을나타내었다. 계산시간은오브젝트포인트와홀로그램간의거리를줄임으로써단출시킬수있다. 또한홀로그램과가상윈도우간의거리를증가시킴으로써계산에따른부하를줄일수있다. 빔프로젝터의상용제품의광원부를개조하여 Holo- Video라고불리는홀로그래픽디스플레이를만들었다 의해상도를갖는 3개의 liquid crystal on silicone panels(lcos) 를풀칼라홀로그래픽디스플레이를위해사용을하였다. 또한칼라재생을위해백색광원을이용하였다. Intel Xeon 3.4 GHz의 CPU를갖는개인용컴퓨터를이용하여홀로그래픽프린지패턴을계산했다. 실험에 3000 포인트의데이터를갖는객체를이용했으며, 실시간으로처리가가능했다. 본시스템에의해디스플레이된광학적복원영상을 [ 그림 8] 에나타내었다. transform: FFT) 에의한처리등이다. 이러한과정을통해기존방법에비해전체연산량을현저히감소시켰으며, FFT를이용함으로써연산속도를더욱가속화하였다. 원모델은 PAS(phase-added stereogram) 은다양한방법에의해더욱향상된알고리즘으로발전하였다 [73]. 최근의발표된 CS의향상된버전은accurate compensated phase-added stereogram(acpas) 이며, 이알고리즘은기존의 R-S 기반의알고리즘과유사한고화질의복원영상을갖는다. ACPAS 는두개의향상된알고리즘, compensated phase-added stereogram(cpas) 와 accurate phase-added stereogram(apas) 의특성을이용및결합한알고리즘으로써, 비록근소화된알고리즘이지만, 그정확도및복원영상의화질은 R-S 기반의복원영상과매우유사하여, 고속및고화질의특성을갖는미래홀로그래픽 TV에적합한알고리즘이라고볼수있다. 3차원컴퓨터그래픽모델을이용한 ACPAS의복원영상및기존알고리즘에의해생성된홀로그램의복원영상을그림 \ref{fig:cohste1} 에나타내었다. [ 그림 9] 에나타낸바와같이 ACPAS의복원영상의화질은근소화하지않은방법에의한복원영상과유사함을알수있다. 최근에과학및의공학에서사용되고있는복잡한시 [ 그림 8] 서로다른깊이를갖는문자들에대한복원영상 : (a) 문자 W 와 D 에초점, and (b) 문자 R 에초점 [71]. [ 그림 9] 3 차원객체및디지털홀로그램생성알고리즘에따라생성된디지털홀로그램의수학적복원영상 [73]. 26 인포메이션디스플레이

10 디지털홀로그래픽기술동향 뮬레이션을위한다양한병렬처리컴퓨팅시스템들이소개되고있다. CS 알고리즘은 SIMD(single instruction multiple data) 구조를갖고있기때문에, ACPAS 를비록한향상된버전들은새롭게소개되고있는병렬처리컴퓨팅시스템에적용하기매우용이하며, 많은장점을얻을수있다. 이러한방법을이용하여, 10,000 포인트로구성된 3차원모델에대한 1Mega 해상도를갖는디지털홀로그램을초당 30 프레임으로실시간생성이가능하게되었다 [74,75]. 7. 룩업테이블기반의홀로그램생성기법일반적으로임의물체에대한디지털홀로그램패턴을계산할때빛의회절을계산하는광선추적 (ray-tracing) 방식이주로사용되어왔다. 이방식에서는물체를점들의집합으로보고각각의물체점들에대한홀로그램패턴을모두계산하여합산하게된다. 따라서이방법은과도한계산량이요구되기때문에복잡한물체에대한실시간적홀로그램합성을어렵게한다. 이러한문제점을극복하기위하여룩업테이블 (LUT: look-up table) 을이용한새로운디지털홀로그램계산방법이제안되었다 [76]. 이방법은모든가능한물체포인트에대한요소프린지패턴 (EFP: elemental fringe pattern) 을미리계산하여데이터베이스 (data base) 로저장하게된다. 따라서임의물체에대한홀로그램계산은그물체를구성하고있는각포인트에대한요소프린지패턴들을이미계산하여저장해놓은데이터베이스에서단순히불러내어합산함으로써구하게된다. 이러한룩업테이블방식은광선추적방식에비해계산량이크게감소하여디지 털홀로그램의고속생성이가능하다. 하지만이방법은물체영역이커질수록필요로하는 EFP의개수가크게늘어나게되고, 결국은룩업테이블의메모리용량이크게증가하게되는단점을가지고있다. 이러한단점을극복하기위하여기존의 LUT 방식과같이고속의홀로그램계산속도는그대로유지하면서도룩업테이블의메모리용량을획기적으로줄일수있는새로운룩업테이블인 N-LUT(novel look-up table) 을제시되었다. [77] [ 그림 10] 은 N-LUT 를이용한디지털홀로그램의고속생성방법의전체블럭다이어그램을나타낸것이다. 이는크게세단계로이루어지는데첫단계에서는요소프린지패턴을한깊이에하나만포함하는 N-LT 를생성하고, 두번째단계에서는생성된 N-LT 의요소프린지패턴을이용하여디지털홀로그램을생성하고, 마지막으로단계에서는생성된디지털홀로그램을복원하는단계이다. 이 N-LUT 방식에서는물체영역의가로, 세로방향에관계없이깊이방향에대한각각의요소프린지패턴만을사전에미리계산하여저장된다. 그리고물체의한깊이방향이결정되면그면에존재하는물체포인트들의요소프린지패턴은사전에계산되어저장된그깊이의요소프린지패턴을각해당포인트까지좌, 우로이동시키며모든포인트에대한프린지패턴을합산하여그깊이의홀로그램패턴을계산하게된다. 같은방법으로모든물체깊이방향에서각물체포인트에대한모든홀로그램을계산하여합산함으로써물체전체에대한홀로그램패턴을계산하게된다. 따라서기존 LUT 방식은가로, 세로, 깊이모든방향의물체포인트에대한요소프린지패턴의사전저장이요구되나, 제안된방식에서는 [ 그림 10] N-LUT 기반의홀로그램고속생성기법 2011 년제 12 권제 3 호 27

11 기술특집 단지물체깊이방향에대한프린지패턴만의사전저장이요구되기때문에룩업테이블메모리요량이크게줄어들게된다. 8. 3차원영상의중복성기반의홀로그램고속생성기법 (1) 3차원동영상의시간적중복성을이용한홀로그램고속생성기법일반적인동영상은초당 30장의정지영상으로이루어져있으므로 1/30초단위로정지영상을촬영하여연결한것이라고볼수있다. 화면전환이존재하지않는한 1/30 초는연속된영상간의상관성이높을만큼충분히짧은시간이다. 즉동영상은인접한영상들이매우유사하다. 이말은연속된영상간에중복된정보들이매우많다는것을의미한다. 따라서이러한시간적중복성을이용하여홀로그램을효과적으로생성할수있는방법이제안되었다. [78] [ 그림 11] 은 3차원동영상의시간적중복성과 N-LUT 기법을이용하여 3차원동영상에대한홀로그램을효과적으로생성할수있는방법의전체블록다이어 그램을나타낸것으로크게세부분으로나뉜다. 첫째로, 3차원동영상의이전프레임과현재의프레임을비교하여두프레임간의차이를추출한다. 두번째로, 프레임간의차이가 50% 이상일경우는기존의 N-LUT 방법을사용하여홀로그램을생성한다. 마지막으로생성된홀로그램을전송하고다음프레임계산을위해임시버퍼에보관한다. 반면차이가 50% 이하일경우는차이에대한이전프레임과현재프레임의홀로그램을생성하고이전프레임의전체영상에대한홀로그램패턴에서각각빼고더하여현재프레임의전체영상에대한홀로그램을생성한다. 마지막으로역시생성된홀로그램패턴을전송하고다음프레임계산을위해임시버퍼에보관한다. 그리고이러한절차를동영상의전체프레임에대하여반복한다. (2) 3차원영상의공간적중복성을이용한홀로그램고속생성기법영상을이루고있는화소들을살펴보면, 서로인접한화소들은서로비슷한밝기값을가지고있다. 즉, 인접한화소들간에는공간적중복성 (Spatial redundancy) 을가지 [ 그림 11] 3 차원동영상의시간적중복성기반의홀로그램고속생성기법 [ 그림 12] 3 차원영상의공간적중복성기반의홀로그램고속생성기법 28 인포메이션디스플레이

12 디지털홀로그래픽기술동향 고있다. 따라서본논문에서는이러한영상의공간적중복성과감소된룩업테이블을이용하여홀로그램패턴을고속으로생성할수있는방법이제안되었다. [ 그림 12] 는제안된공간적중복성을이용한홀로그램의효과적인생성방법의전체블록도를나타낸다. 이는크게네부분으로나눌수있다. 첫번째는 3차원물체로부터밝기정보와깊이정보를추출하여이로부터공간적중복성을분석하는것이다. 두번째는분석된공간적중복성을기반으로요소프린지패턴을변형하여변형된요소프린지패턴을생성하는것이다. 세번째는공간적중복성맵과 3차원정보그리고요소프린지패턴들을이용하여홀로그램을고속으로생성하는단계이고마지막으로생성된홀로그램패턴을복원하는단계이다. 이전라인과현재라인을비교하여라인간의차이를추출하고이중가장적은계산량을추출하는단계이고, 두번째는분석된라인중복성을기반으로변화량이 50% 이상이면기존의 N-LUT 방식을이용하여홀로그램을생성하고세번째로이를현재까지생성한홀로그램에더하고, 마지막으로최종라인까지연산이끝나게되면최종홀로그램을내보내게된다. 반면변화량이 50% 이하이면이전라인과비교하여변화된부분에대하여이전라인의사라진부분에대한홀로그램을생성하여빼주고, 이후라인의새로생긴부분에대한홀로그램을생성하여더해현재라인에대한홀로그램을완성하게된다. 그리고이를현재라인까지생성한홀로그램에더하고최종라인까지연산이끝나게되면최종홀로그램이생성되게된다. (3) 3차원영상의선형중복성을이용한홀로그램고속생성기법앞에언급한것처럼인접한화소들간에는공간적중복성 (Spatial redundancy) 을가지고있다. 이를라인으로확장하게되면, 인접한라인의화소값들은유사하거나같은값들을갖게된다. 즉, 3차원영상내부의인접한라인들간에는라인중복성을갖게된다. 이러한 3차원영상의라인중복성과 N-LUT 기법의이동특성을이용하여 3차원영상에대한홀로그램을효과적으로생성할수있는방법이제안되었다 [79]. [ 그림 13] 은제안된라인중복성을이용한컴퓨터형성홀로그램의효과적인생성방법의전체블록도를나타낸다. 이는크게네부분으로나눌수있다. 첫번째는위에서아래, 아래서위, 왼쪽에서오른쪽, 오른쪽에서왼쪽의네방향에서 3차원이미지의 Ⅲ. 홀로그래픽토모그래피기술의생명공학응용 1. 서론단백질, DNA 및지방질 (lipids) 등생체세포를구성하는대부분의분자들은빛, 특히가시광선을거의흡수하지않지만, 그밀도에따라서빛의속도, 즉굴절률은변화시킨다. 마찬가지로이러한분자들로이루어진생물세포와생체조직도가시광선을거의흡수하지는않지만세포소기관들사이에는각구성분자들의밀도에따라서뚜렷하게구별되는굴절률차이가존재한다. 따라서빛이생체와상호작용을통해서전파할때굴절률분포의역할이중요하고, 광학현미경기술의개발에도그역할이매 [ 그림 13] 3 차원영상의공간적중복성기반의홀로그램고속생성기법 2011 년제 12 권제 3 호 29

13 기술특집 우중요하다고하겠다. 좋은예로위상차현미경 (Phase Contrast Microscopy) 을들수있는데, 이현미경은샘플내부에서의굴절률의구조가만드는공간적인위상의변화를빛의세기의변화로바꾸어서영상의대비도를획기적으로증가시켰고 [80], Fritz Zernike 는이기술의개발로 1953년에노벨물리학상을받았다. 그러나기존의위상차현미경은정량적인빛의위상의변화를측정할수없다는단점을가지고있어서그생명공학적응용성이제한이되어왔다. 정량적인위상의영상을위해서간섭계를이용한다양한방법들이시도되었고발표되어왔는데, 대표적으로디지털홀로그래피를이용하는방법 [81] 과 Phase-shifting 간섭계를이용하는방법 [82] 들이있다. 샘플을통과한빛의위상은굴절률을투영한정보를가지고있다. 세포와같이주변과굴절률차이가크지않은얇은샘플에대해평면파를입사시키면, 굴절률이큰부분을지나는빛의파면이더많이느려지게된다. 투과한빛의위상분포는 [ 그림 1] 에서보여주는바와같이샘플의굴절률을빛의진행방향으로선적분한것, 즉굴절률과두께의곱으로결정된다. 위상현미경기술들은측정가능위상의민감도가광경로차기준으로파장 /1000 정도여서나노미터크기의두께변화를측정할수있고, [ 그림 14] 수직으로입사한평면파의파면 ( 빨간색선 ) 은샘플이가지고있는공간적으로불균일한굴절률분포때문에왜곡된다. 이때투과한후의파면에서보이는위상차는굴절률을빛의진행방향으로선적분한것과같다. 또한세포의평균굴절률과질량을측정할수있다 [83]. 하지만위상의변화는굴절률을빛의진행방향으로모두더한것과비례하기때문에, 2차원투영이미지만보여줄뿐세포의 3차원구조를보여주지는못한다는단점이있다. 따라서물체내부에서 3차원굴절률의분포를이미징하기위해서토모그래픽홀로그래피기술이필요하다. 2. 홀로그래픽토모그래피를이용한생체세포의 CT 스캔생체조직을물질고유의성질인굴절률을이용하여 3 차원영상을하면, 염색을한다거나형광물질을주입하는등의샘플준비과정을거칠필요가없고, 또한외부물질의주입에따른부작용이없이살아있는세포를있는그대로영상할수있다는장점이있다 [84]. 앞서설명한바와같이기존의위상현미경은 2차원굴절률투영영상을측정하는데, 이것은 x 선을이용한 CT 스캔에서각각의영상이흡수계수의투영영상을측정하는것과유사하다. CT 스캔에서는누워있는환자에대해 x 선광원과검출기를돌려가면서투영흡수영상을다양한각도에서찍은후사람의 3차원구조를얻는다. 마찬가지로, 굴절률의투영영상인위상을여러각도에서측정을하여, 홀로그래픽토모그래피기술을적용하면생체내부의 3차원굴절률구조를얻을수있다. 이아이디어를적용하여 3차원굴절률구조를영상할수있는몇가지성공적인연구가있어왔다. 다양한각도의투영영상을얻기위한두가지방법이있는데, 첫번째방법은고정된입사빔에대해샘플을회전시키는것이고, 두번째방법은샘플을고정하고입사하는빛의방향을회전시키는것이다. 샘플을회전시키는것은모든각도에대한투영영상을측정할수있기때문에횡방향해상도와축방향해상도가같다는장점이있는반면, 샘플의회전축을고정시키기가힘들고, 회전을하면샘플의구조에영향을줄수있다는단점이있다. 따라서샘플을회전시키는것은생체샘플보다는광섬유같은고체샘플에주로이용되었고 [85,86] 생체세포의경우는특별한샘플준비과정이필요하다 [87]. 샘플을고정하고입사빔을회전시키는방법은측정하 30 인포메이션디스플레이

14 디지털 홀로그래픽 기술 동향 는 동안에 샘플에 어떠한 역학적인 힘을 가하지 않기 때 는 경우와 수직에 대해 45도 각도로 입사하는 경우에 측 문에 생체 샘플 있는 그대로의 상태로 영상을 하는 것이 정한 위상 영상을 보여준다. 이미지를 측정하는 면이 고 가능하다. 빛의 회전은 샘플과 독립적이기 때문에 측정 정되어있고, 입사각만 회전하기 때문에 각도가 클 경우에 속도를 빠르게 할 수 있어 여러 가지 동역학적인 연구를 샘플의 영상이 길어지는 것을 알 수 있다. 그리고 각각의 할 수 있다. 이 방법의 단점은 현미경의 개구수(Numerical 각도 영상에서는 세포의 내부구조가 잘 보이지 않는 것을 Aperture)의 한계 때문에 전체 각도에 대한 투영이미지를 확인할 수 있다. 얻을 수 없다는 점이다. 따라서 보통의 현미경에서와 같 얻어진 위상 이미지들로부터 3차원 굴절률 이미지를 이 축방향 해상도가 횡방향 해상도보다 좋지 않다는 단점 구현하기 위해서 먼저 filtered back-projection method[89] 이 있지만 샘플에 대한 선행 지식이 있으면 부족한 정보 또는 inverse Radon 변환 이라는 CT에서 사용하는 알고 에 대한 예측이 가능하기 때문에 어느 정도 보완이 가능 리즘을 적용하였다. 굴절률을 알고 있는 수 마이크로미터 [88] 하다. 크기의 구체(Polysciences #17136, n=1.588 at l=633 nm) 생체 샘플을 영상하기 위해서 입사 빛을 회전 시키는 를 영상하여 측정 시스템의 굴절률의 정확도가 인 것이 더 유리하기 때문에 입사 빛의 방향을 돌려가면서 것을 확인하였다. 측정한 공간 해상도는 횡방향이 약 0.5 생체 샘플을 영상하였다. -70도에서 70도 사이의 입사각 μm 이었고, 축방향이 약 0.75 μm 이었다. 에 대해 보통 600 장의 이미지를 0.1초 내에 측정하여 한 생체 샘플로는 배양액 속에 있는 단일 HeLa 세포를 사 세트의 각도에 따른 위상이미지를 얻고, 이것으로부터 하 용하였다. 세포들은 배양 용기에서 떼어낸 후 커버글라스 나의 3차원 영상을 얻는다. [그림 15]는 수직으로 입사하 위에 붙도록 하였다. [그림 16]의 A, B는 단일 세포의 3차 원 굴절률 영상을 보여주고 있고, [그림 16]의 C-H는 세 포의 단면 영상을 위에서부터 아래로 내려오면서 보여주 고 있다. 이 단면 영상을 통해서, 각각의 위상 이미지에서 는 볼 수 없었던 세부적인 세포의 구조를 볼 수 있었고, 굴절률이 굉장히 불균일한 분포를 가지고 있음을 알 수 있으며, 그 값은 1.36에서 1.40까지 분포함을 알 수 있다. [그림 15] (A)수직으로 입사하는 경우 (파란색 선)과 비스듬하게 입사하는 경우의 도식. (B) 수직으로 입사한 경우 y=y0 에서의 투영에 의한 물체의 위상 profile. (C) 45도로 입사한 경우의 투영에 의한 빛의 위상 profile. (D) 와 (E): 수직입사와 45도 입사 각각의 경우의 물체의 위상 이미지. 각도가 커질수록 세포의 이미지가 그림자효과 때문에 길어진다. [그림 16] 3차원 위상현미경으로 이미징한 살아있는 HeLa 세포의 3차원 굴절률 구조. (A), (B) 3차원 rendered image. (C-H)세포의 높이에 따른 단면 영상. (I, J)보통 현미경과의 비교. 2011년 제12권 제3호 31

15 기술특집 [ 그림 16] E-F와같은높이에대해기존의 bright field 현미경으로초점을바꿔가면서이미지를얻은것이 [ 그림 16] I-J인데, 세포의경계, 세포핵의경계, 세포핵소체의크기와모양등구조를비교해보면잘일치하는것을알수있다. 하지만 3차원위상이미지가대비가훨씬뛰어남을알수있고, 무엇보다도세포각부분부분의굴절률을정량적으로알수있다는것이중요한차이점이다. 이연구는살아있는세포를있는그대로두고굴절률을 3차원이미징한최초의연구이다 [84]. 여러세포로구성된유기체도이미징이가능하다는것을보이기위해서, nematode C. elegans를영상하였다. 샘플의크기가이미징영역보다크기때문에샘플의부분부분을영상하고다시조합하여전체의이미지를얻었다 ( 그림 17). 소화에필요한내장등의구조가잘보임을알수있다. 헤모글로빈의밀도와굴절률사이의관계를조사한후, 각단계별로헤모글로빈의농도를얻을수있었다 ( 그림 17B). 그결과질병이진행될수록헤모글로빈의농도가줄어드는것을확인하였다. 이것은말라리아기생충이헤모글로빈을소모시켜서질병이진행될수록헤모글로빈의양이줄어든다는기존의보고와잘일치한다. 또한각세포내부의굴절률을더하여, 세포당전체헤모글로빈의양을구할수있었는데 ( 그림 17D), 이결과도농도변화와비슷한경향성을보였다. 이연구를통해 3차원위상현미경을이용하여살아있는샘플에대해굴절률값을얻으면분자의농도를정량화할수있다는것을보였다. [ 그림 17] (A) C. elegans를일반적인백색광을이용하여기록한 brightfield 이미지. (B) 같은샘플에대해홀로그래픽토모그래피를이용하여얻은굴절률이미지. 3. 홀로그래픽토모그래피의생물학적응용 (1) 절말라리아에감염된적혈구연구살아있는세포의굴절률을측정할수있는홀로그래픽토모그래피를말라리아에감염된적혈구에서질병의진행단계를정량화하는연구에적용하였다 [90]. 질병의네가지진행단계, 즉정상상태, Ring stage. Trophozoite stage Schizont stage 에대해 3차원굴절률영상을하였고, 각단계별로세포의굴절률값을얻었다 ( 그림 17A). 각각의진행단계에대해 15 개의적혈구를이미징하고, [ 그림 18] 말라리아에감염된적혈구에서, 적혈구내부를침투한파라사이트가커갈수록헤모글로빈의농도감소 (A) 각단계별적혈구의굴절률 (B) 각단계별헤모글로빈농도 (C) 세포질의부피 (D) 전체헤모글로빈의양. (2) 절콜레스테롤나선리본연구위상현미경이샘플의두께를나노미터크기까지측정할수있기때문에, 나노스케일의얇은나선형콜레스테롤띠의 3차원구조를측정하였다 [91]. 콜레스테롤나선띠는나노스케일의생물학적물체들사이의힘을측정하거나또는힘을가할수있는기능을할수있기때문에, 생물물리및나노사이언스커뮤니티에중요한연구주제이다. 나선띠의두께는용수철상수를결정하는중요한요소인데, 그두께는수십나노미터내외로서해상도가 500 나노미터내외인기존의현미경으로는측정할수없다. 또한이나선띠는 3차원구조를가지고있고, 깨어지기쉽기때문에 AFM(Atomic Force Microscopy) 이나전자 32 인포메이션디스플레이

16 디지털홀로그래픽기술동향 현미경을사용할수없다. 홀로그래픽토모그래피는빛을이용하여비접촉식및비침습적 (non-invasive) 으로나노미터두께를측정할수있기때문에 ( 그림 19A) 크기가다른콜레스테롤나선띠에대해그두께를측정할수있었으며 ( 그림 19B), 나선띠의반경은두께의제곱과비례함을실험적으로증명하였다. 이결과로부터두께를측정하지않더라도반경으로부터두께를예측하는것이가능해졌으며, 향후나선띠를이용한나노크기의생체입자들사이의힘측정을더욱용이하게만들었다. [ 그림 19] 나노스케일위상현미경으로이미징한콜레스테롤나선리본. (A) 68 nm 두께의나선리본의위상이미지 (100 pixels은 15.3 mm에해당함 ). Color bar는위상지연을라디안으로나타낸것임. 위상현미경의초점이나선리본의아래쪽에맞춰져있음.(B) 그림 19A의검정색상자내부의위상에대한히스토그램. Gaussian fitting 으로두첨두점사이의거리를결정하여리본의두께를구하였다. 4. 맺음말살아있는생체세포나조직을있는그대로영상하기위해서물질고유의특성인굴절률을 3차원적으로이미징하는 3차원위상현미경에대해소개를하였고, 그응용으로말라리아에감염된적혈구의헤모글로빈의양을정량적으로측정하는연구와콜레스테롤나선리본의두께를측정하는연구를소개하였다. 3차원위상현미경은현재많이사용되고있는형광현미경과는달리외부물질을주입하는등의샘플준비과정을거칠필요가없고, 또한그에따른신진대사방해와같은부작용없이살아있는세포를있는그대로영상할수있다는장점이있기때문에앞으로도생물학연구의유용한도구로사용될것으로기대한다. 특히, 빛의위상을기록하는것은빛과생체조직의상호작용을정량화하는필수적인방법이기때문에향후적응제어광학등의기술과결합하면생체속깊이 영상할수있는기술을개발하는데응용될가능성이클것으로예상된다. Ⅳ. 홀로그래픽기록기술동향 1. 홀로그래픽메모리기술 홀로그래픽메모리 (Holographic Memory) 는 1963 년 Polaroid사의 Van Heerden [93] 에의해처음으로제안되었다. 이후 1970년대초반까지 Bell 연구소, TRCA 연구소, Thomson CSF사를중심으로활발한연구와많은실험결과가발표되었다. 1995년이후는미국을주도로 DARPA (United States Defense Advanced Research Projects Agency) 를통해홀로그래픽메모리개발컨소시엄이구성되었다. DARPA 는크게홀로그램정보저장시스템 (Holographic Data Storage System: HDSS) 과광굴절정보저장매질 (Photorefractive Information Storage Materials: PRISM) 개발로이루어졌다. 홀로그래픽메모리기술의본격적개발은미국의 InPhase사와일본의 Optware사를중심으로이루어지고있는데, 초기의시스템메커니즘측면에서벗어나보다안정적이고대용량의정보를기록할수있는전문광정보백업장치와 DVD 호환 / 대체광디스크개발에있어서세계적인선도를하고있다. 홀로그래픽메모리기술이란 3차원의세계를 2차원의기록매질에기록하고, 기록매질로부터실제 3차원물체영상을재생하는기록 / 재생방법이다. [ 그림 20] 은홀로그래픽메모리의기록및재생의개념을나타낸다 [94]. 가간섭성을가지는레이저광원을통해서만들어지는신호빔과기준빔이기록매질에동시에조사되면두광파의공간적인간섭패턴이매질의굴절률의변조형태로기록된다. 기록된정보를재생할때는기준빔만을다시조사시켜주는데, 이는매질의굴절률변조에의해회절된다. 특정좌표의밝기정보를한점 (Bit) 씩일일이저장하던기존방식과달리홀로그래픽메모리는평면의전체정보를한점에기록하는페이지지향메모리 (Page-Oriented Memory) 방식을사용한다. 2차원배열의데이터 Bit들로구성되는정보페이지가신호빔으로쓰이게되면, 기준빔과의간섭패턴이저장되어야하므로만들어지는홀로그램의부피 2011 년제 12 권제 3 호 33

17 기술특집 [ 그림 20] 홀로그래픽메모리기술가광파의파장에비해수천배가되는특성을가진다. 홀로그래픽메모리의다른중요한특징은기록시의기준빔을달리함에따라각각다른정보페이지들을완전히또는일부겹치는저장매질체적안에중첩하여기록하고, 다시각각해당하는기준빔을사용하여선택적으로정보페이지단위로재생할수있다는것이다. 이를통하여기존의광정보저장기기보다저장용량및정보전달율을획기적으로증가시킬수있게된다. 이러한다중기록방법은여러가지가있는데홀로그램을감광재료에기록할때, 홀로그램이기록되는각도를변화시키는방법, 이동중첩다중화방법, 파장다중화방법, 그리고위상다중화방법등다양한기법이있다. [ 그림 21] 은여러가지다중기록방법을나타낸다 [95]. 이와같이홀로그래피원리에의해만들어지는홀로그래픽메모리는공간광변조기 (Spatial Light Modulator, SLM) 를통하여다수의 Bit정보를갖는정보페이지형태로변조된후, 기록매질안에서기준빔과간섭하여기록된다. 기록매질로는광굴절 (Photorefractive) 결정과포토폴리머 (Photopolymer) 가있는데홀로그래픽메모리에는후자가주로쓰인다. 광굴절결정과같은볼륨형태의기록매질은포토폴리머에비해두께를높일수있어각도선택도 (Angular Selectivity) 가매우뛰어나다. 따라서광굴절결정을이용한메모리시스템에서는기준빔으로평면파를사용하는각도다중화방식이많이채택되었다. [ 그림 21] 홀로그래픽다중기록방법 : (a) 각도다중화기법, (b) 이동중첩다중화기법, (c) 파장다중화기법, (d) 위상다중화기법. 반면에상대적으로얇은포토폴리머는각도선택도가둔감하기때문에새로운다중화방식이요구되었다. 이러한문제점을해결하기위해포토폴리머시스템에서각도다중화와회전다중화를결합한복합다중화방식이제안되었지만, 시스템구현을위해복잡한광학시스템과재생홀로그램의위치가변하는단점이있었다. 이후새로운방식으로평면파대신구면파를기준빔으로사용하는이동다중화기법 (Shift Multiplexing Method) 이제안되었다 [96]. [ 그림 22] 는제안된다중화기법의홀로그램기록시스템을나타낸다. [ 그림 23] 은복원된출력데이터용량을나타낸다. 이방식은하나의홀로그램을기록하고위치를미세하게이동하여다른홀로그램을중첩할수있는 Mirror Beam Splitter SLM Fourier Lens Fourier Lens CMOS Signal 2θ Lens Lens Mirror Reference Mirror Linear motorized stage Spatial Filter Computer [ 그림 22] 홀로그램기록시스템 Nd:YAG laser Mirror Half Waveplate 34 인포메이션디스플레이

18 디지털홀로그래픽기술동향 7.5mm 23.0mm 58.5mm 60.0mm Recording size ~1.7mm Track period ~0.85mm Shift selectivity ~60µm Surface density : 250Kbits / (850*60) = 4.9 bits/µm 2. pixel number / (track period * shift selectivity) Total recording capacity : ~5 GByte [ 그림 23] 복원된출력데이터저장용량계산 기술로 CD나 DVD와같은디스크형태의기록시스템에매우적합한방식이다. 홀로그래픽메모리기술은차세대광정보저장기술로써기존기술들의한계를뛰어넘는기술적우월성을가짐이분명하다. 새로운저장장치를만들어내는것이기때문에매질에서부터소자, 신호처리기술까지를아우르는총체적개발이요구되며, 이는시장창출및변화와연관하여매우복잡한상호작용이이루어지게한다. 국내의많은관련된전문가들과기술들과세계적인선도기업들과의전략적인개발의조합을만들어나감으로써, 차세대광정보저장장치에있어서도많은기여를창출할것으로본다. 2. 홀로그래픽프린터 홀로그래픽프린터는컴퓨터에서만들어진디지털 3 차원이미지데이터를디지털홀로그래피기술에의해광굴절매질에기록하는장치를의미한다. 현재 2차원영상프린터처럼컴퓨터주변기기로사용하는 3차원버전의이미지프린터를실현하는것을목적으로연구가진행되고있다. 홀로그래픽프린터에의해 3D 컴퓨터그래픽이나 CAD( 컴퓨터지원설계 ) 등에서만들어진 3차원정보를이용해다수의디지털홀로그램을생성후광굴절매질에기록함으로써, 기존의아날로그홀로그램과동일한입체감을제공할수있다. 이를통해실존하지않는가상의객체에대해서도광굴절매질에기록함으로써예술및광고등에활용되고있는홀로그램과동일하게만들수있다. 디지털홀로그래피를기반으로 3차원정보로부터광굴절매질에기록할홀로그램을생성하는방법은다양하지만, 대표적으로다수의서로다른시점에서획득된투영영상을이용하는홀로그래픽스테레오그램이있으며, 객체로부터반사된빛의간섭패턴을생성후이를직접광굴절매질에기록하는방법이있다. 프린터의엔진으로써, 주로 LCoS, LCD, DLP등의 2차원공간광변조기를이용하며, 이러한 SLM에의해디스플레이된홀로그래픽프린지패턴은하나의 Hogel (holographic elements) 로간주되며, 이를광굴절매질에순차적으로생성된디지털홀로그램에따라기록을한다. 이에대한그림을 [ 그림 24] 에나타내었다. 따라서, 영상이여러픽셀로구성되듯이홀로그램을여러 hogel로구성시킴으로써, 홀로그램을제작할수있다. 대표적인홀로그래픽프린터연구결과로써, Ultimate Holography 에서는과거유물의조각상등을 3차원스캐너를이용하여 3차원정보를추출한후, 추출된 3차원정보를이용하여홀로그램을제작했다. [ 그림 25] 은제작된홀로그램을나타낸다. 또한 Zebra Imaging은고화질의홀로그램을제작할수있는홀로그래픽프린터를개발하여판매를하고있다. [ 그림 26] 은 Zebra Imaging의홀로그램제작원리를보여주며, [ 그림 27] 은개발된단일컬러의홀로그래픽프린터를나타낸다. [ 그림 24] (a) 수족관홀로그램및 (b) 홀로그램을구성하는 Hogel 년제 12 권제 3 호 35

19 기술특집 Ⅴ. 전자홀로그래픽디스플레이기술동향 [ 그림 25] 제작된홀로그램 [ 그림 26] Zebra Imaging 의홀로그램제작과정 1. Holo-video 최초의실질적인전자홀로그래픽디스플레이 Mark-I 은 1989년 MIT Media Lab의 Spatial Imaging Group 에의해개발되었다 [92,97]. Mark-I은 mm 3 의홀로그램복원영상및 15도의관찰각을갖는홀로그래픽디스플레이시스템으로써, 초당 20 프레임이의디스플레이가가능했다. Mark-II라고불리는 2세대시스템은 1992년에개발되었다. Mark-II는provides mm 3 크기의복원영상및 36도의관찰각을갖으며, 2.5 프레임으로디스플레이가가능했다. Mark-I 및 Mark-II에는음향광변조기가공간광변조기로사용되었으며, 이는고가라는문제점으로인해, 향후사용화를목적으로차세대버전의홀로그래픽디스플레이를개발중에있다 [98]. 초기버전 Mark-I 전자홀로그래피시스템은단일컬러또는풀컬러홀로그래픽디스플레이가가능했다. 3채널의텔루르이산화물음향광변조기 (AOM) 를 3채널의컬러공간광변조기로사용했으며, RGB 각채널의홀로그래픽프린지정보는 3채널의해당광변조기에의해변조된다. 광원으로써정확도가우수한레이저를이용했다. 각컬러채널당단일수평라인에 32K 샘플을이용함으로써, 선명한복원영상을디스플레이할수있도록하였다. 2세대홀로그래픽디스플레이 Mark- II는 3 채널의 AOM 대신에 18 채널의 AOM을사용하였으며, 스케닝미러는회전폴리곤미러를대치했다. Mark-II는병렬화를기본으로하였으며, 다수의 AOM 및스케닝미러를추가함으로써, 확장이용이하도록설계되었다. 이로인해 $30$ 도의관찰각을갖는 mm 3 크기의홀 [ 그림 27] The Zeba Monochrome Imager [ 그림 28] Mark-I [92] 36 인포메이션디스플레이

20 디지털홀로그래픽기술동향 로그램디스플레이가가능했으며, 슈퍼컴퓨터Cheops에의해구동되었다. Mark-III는상용화를목적으로공간광변조기로사용되는 AOM을다른모델로대치하는것에중점두며, 연구되고있다. 현재유력한모델로써, surface acoustic wave(saw) 를고려하고있으며, 이는크리스털의표면에따라빛의전파및변조가되는것이특징이다 [98]. Lithium niobate는 TeO 2 보다음향감소가현저히적으며, GHz 범위까지사용이가능하기때문에향후 Mark-III에활용될예정이다. 또한스케닝미러를홀로그래픽광학소자 (holographic optical element:hoe) 로대치함으로써, 기계적구동장치가없는안정화된시스템으로구현할예정이다. 2. SeeReal SeeReal Technologies는새로운홀로그래픽디스플레이시스템을개발했다. 어느일정위치에서관찰자가홀로그램복원영상을볼때, 홀로그래픽디스플레이시스템으로부터전파되는파면의일부분만을관찰하게된다. 또한기존대형디스플레이패널의경우픽셀의크기가크기때문에, 회절각이크지않다. 이러한점을이용하여, SeeReal은관찰자의동공에입사될정도의파면만이만들어지도록설계를했으며, 이로인해계산량을현저히줄이게함으로써, 실시간처리가가능하게되었다 [98,100]. SeeReal에서선보인시스템은수직시차만을가지고있으며, 관찰자윈도우라고불리는작은영역에대해서만홀로그램을생성및재생을한다. 관찰자윈도우는인간의동공의크기와연관되며, 주파수평면에위치하게된다. 또한좌우눈에대한각각의관찰자윈도우를이용함으로써, 그효율을극대화하였다. 관찰자동공추적시스템을이용하여, 관찰시움직임에도대응하도록설계되었다. [ 그림 30] 은이기본개념에대한내용을나타낸다. 대형 LCD 디스플레이패널을이용함으로써, LCD 패널크기의대형홀로그래픽디스플레이가가능하다. 복원영상의크기는사용된공간광변조기의크기에따라정해진다. 복원영상은관찰자의위치에서부터 LCD 패널의뒷부분에이르기까지넓은영역에홀로그램을디스플레 [ 그림 30] SeeReal의 direct view setup [100] 이할수있다. 또한관찰자의움직임은관찰자동공추적기술에의해추적이되며, 관찰자의움직임에따라입사빔의입사각도를다르게함으로써, 관찰자가움직이더라도어느위치에서든홀로그램을볼수있다. 단일컬러의실시간디스플레이가가능한 20인치홀로그래픽 TV를 2007년에개발했다 ( 그림 31). SeeReal에서개발된기술은대형 LCD 디스플레이패널도홀로그래픽디스플레이시스템에활용될수있음을보였다. 본프로토타입에이용된 LCD 패널의픽셀은대략 의크기를갖는다. 사용된공간광변조기 (LCD 패널 ) 의픽셀크기가크기때문에, 회절각은약 0.5 에불과하고관찰각은매우좁게된다. 하지만, 그작은영역을관찰자윈도우로정의함으로써약 4m의깊이범위를갖는대형의선명한홀로그램복원영상을디스플레이할수있게되었다. 두대의 CCD 카메라를이용하여 eye-tracking 시스템을프로토타입에구축하였으며, 관찰자의동공추적으로입사빔제어기술 [ 그림 31] 20인치홀로그래픽디스플레이프로토타입 [101] 2011 년제 12 권제 3 호 37

21 기술특집 을사용하여서관찰자윈도우의위치변화에따라관찰시관찰자에게편리함을제공한다. 모든계산및처리는실시간으로이루어짐으로써, 실질적인홀로그래픽디스플레이시스템을개발했다고볼수있다. 3. QinetiQ 디지털홀로그래픽기술은 3D 물체를정확하게기록하고재생할수있는장점을가지고있다. 이러한특성을가진디지털홀로그래픽기술을사용하는전자홀로그래피는 3D 디스플레이에서매력적이지만, 실제전자홀로그래피방식의 3D 디스플레이개발을어렵게만드는문제점은우선디지털홀로그램을표시할수있는대화면및고해상도의공간광변조기 (SLM, spatial light modulator) 가필요하다는점이며, 두번째로디지털홀로그램을생성하기위해서엄청난계산시간이필요하다는것이다. QinetiQ에서는이에대한문제점을극복하기위한연구를진행했다. 디지털홀로그램을표시하기위해요구되는대화면으로확장가능한고해상도의 SLM 장치를구현할수있는한방법으로서, 능동형타일 (AT, active Tiling) 라고불리는전자홀로그래픽디스플레이시스템을 2003년에 QinetiQ 사가개발하였다 [102]. 이시스템은전자적으로번지를지정하는공간광변조기 (EASLM, electrically addressed SLM)) 에서빠른프레임률과광학적으로번지를지정하는공간광변조기 (OASLM, optically addressed SLM) 의비픽세화구조의이점을모두활용한것이다. 그결과로서이시스템은이전에도달할수있던것보다훨씬더많은총픽셀개수를제공함으로써완전시차의 3D 컬러이미지를재생할수있었다. 이러한 AT 방식은이전의 MIT의 Holovidio 시스템의 36 Mega 픽셀성능을능가하는전자홀로그래픽변조시스템으로기록되었다. AT 방식의대표적인채널환경은 바이너리픽셀및 2.5 khz 구동프레임률을갖는실리콘위의강유전체결정 (FLCoS, ferroelectric crystal on silicon) 형 EASLM 1개, 비정질실리콘포토센서를사용한 OASLM 1개, 강유전체액정출력층, 유전체거울, 바이너리-위상회절광학소자 (DOE), 복제를수행하는 5 5 배열로분할 된굴절광학부, 그리고광차단층으로이루어지며, 각채널을위한출력부는 개의픽셀들로구성된다. QinetiQ사의 AT 방식시스템은 pixels/cm 2 이상의고픽셀면적밀도를갖는다. 여기서각채널은모듈화되어있으며, 원하는총픽셀수를충족하기위해서 2차원적으로평행하게쌓이도록디자인된다. 이시스템은바이너리픽셀간의간격 (pixel pitch) 을 6.6 μm로설정하였고, 단색광및 FSC(field-sequential-color) 작동방식에서갱신가능한 1 4 채널 (10 4 Mega 픽셀 ) 로모듈화되며, 나아가더큰시스템들을위한빌딩블록의역할을한다. 이러한디자인은동영상의갱신속도를전반적으로유지하면서도데이터가기록되는픽셀들의수는더많아지도록도와준다. 이변조장치는크게두부분즉, 마이크로디스플레이이미지엔진인바이너리 EASLM과이 EASLM 에서나온다중이미지들을포커싱한후 OASLM 쪽으로투사시키는복제광학계로이루어진다 [ 그림 32]. 여기서전도체들로부터나온전기적신호들을사용하는 EASLM는컴퓨터에의해생성된이미지요소들을빠르게표시할수있는특성을갖고있다. 그리고광을변조시키기위해서빛의세기에의한패턴들을사용하는 OASLM는디지털홀로그램패턴들을광학적으로저장하고 3D 이미지를디스플레이하는역할을한다. 따라서, EASLM의프레임과동기화되어있는셔터들이 OASLM 의기록면에패턴을만들기위해순차적으로열리게함으로써결국 OASLM 전체가빠르게갱신될수있다. 확대가능한타일붙이기방식 [ 그림 33] 의도움으로 10 9 정도의필셀수를가질수있다. [ 그림 34] 는공간적으로멀티플렉스된 개의픽셀들을사용하여복원된, [ 그림 32] QinetiQ 사의 AT 변조기단일채널구조를설명하는개념도 38 인포메이션디스플레이

22 디지털홀로그래픽기술동향 되었다. 컴퓨팅시스템은마이크로렌즈를이용해획득한영상으로부터디지털홀로그램을생성한다. 생성된디지털홀로그램은공간광변조기로이용된 3개의고해상도 liquid-crystal displays(4k 2K) 에의해디스플레이되었다. 자유공간상에생성된디지털홀로그램으로부터각각 [ 그림 33] 유효화면의면적 mm2에서 108의픽셀수를제공하는 1 4 채널의 AT unit 사진 (a), 수평및수직방향으로 AT unit들을이웃쌓기하여총픽셀수가 109 이상으로확대가능한 AT 시스템개념도 (b) 의요소영상을디스플레이하기위해, 3개의 red, green, and blue 레이저를광원으로이용하였다. 이모든과정은실시간으로처리가되었다. 이프로토타입은 micro LCD 를공간광변조기로이용하였기때문에, 작은홀로그래픽복원영상을디스플레이한다. 하지만, 실시간실사영상정보획득및홀로그래픽기반의디스플레이를실시간으 [ 그림 34] 109 개픽셀의 AT 시스템으로부터재생된완전시차를갖는 3D 컬러 (a) 및단색 (b) 동영상사진들완전시차 (full parallax) 를갖는 3D 이미지사진들이다. 이러한 AT 방식의 SLM 시스템은연속적인변조평면 을만들기위해다중채널들이하나로조립되는형식으로설계된다. 그래서이시스템의장점은다른제품들로응용할경우에요구되는성능들을만족시킬수있도록개조될수있다. 그러나, QunetiQ사의 AT 접근법은대화면으로확장에드는고비용, 시스템자체의두께및무게문제, 그리고실시간동영상구동의어려움등과같은해결해야하는한계점들을갖고있다. [ 그림 35] 실사객체와 IP 마이크로렌즈어레이 [103]. 4. NICT 2009년미국에서개최된 NAB에일본의국가연구소인 NICT(National Institute of Information and Communications Technologies) 에서개발한전자홀로그래픽디스플레이시스템이전시되었다. 전시된시스템은크게세부분으로구성된다 : 실사및실물에대한영상정보를획득하는영상획득시스템, 컴퓨팅시스템, 그리고전자홀로그래픽디스플레이시스템. 그획득시스템은집적영상 (Integral photography : IP) 카메라를이용하였으며, ultra-high-definition 카메라 (8K 4K) 획득장치로이용 [ 그림 36] 직접영상카메라를이용한실사객체획득카메라 [103]. [ 그림 37] 3 색레이저 3 개의 LCoS 를이용한전자홀로그래픽디스플레이 [103] 년제 12 권제 3 호 39

23 기술특집 [ 그림 38] 카메라에의해획득된광학적복원영상 [103]. 로처리했다는점에게서많은장점을가질수있다. 디스플레이시스템을 [ 그림 35] ~ [ 그림 38] 에나타내었다. 5. 요소홀로그래픽스테레오그램을이용한프로젝션홀로그래피시스템사람이사물을인식하기위해서물체, 빛, 그리고눈의세요인이필요하다. 관람자는수정체의초점조절, 수렴, 양안시차등에의해입체공간을지각한다. 스테레오그래피에의한입체영상표시법은관람자가감상할때표시면에나타난영상에있어조절과수렴이일치하지않아서어지러움현상이발생한다. 반면에홀로그래피는사물로부터반사혹은투과되어온빛의파면을기록하고재생하는기술로서완전한입체영상을실현할수있다. 홀로그래픽입체영상은스테레오그래피에서발생하는어지러움현상을보완할수있어인간에게자연스러운입체영상을보여줄수있는디스플레이기술이다. 홀로그래픽디스플레이 [104,105] 의장점은다음의네가지가있다. 첫째, 자연스러운입체감을지닌 3차원구조의허상혹은실상을재생할수있다. 둘째, 특별한도구를사용하지않고입체영상을볼수있다. 셋째, 재생된영상을보면눈의수렴, 조절, 양안시차가정상적으로작용하며, 눈의위치를상하좌우전후로움직여도관람에지장이없으며눈의이동에대해영상의변화가자연스럽다. 넷째, 영상의분해능이높다. 반면에단점은제작이어렵고복잡하며, 고해상도의기록재료가필요하고, 재생할때에조명법의제한이따른다. 이와같은장점과단 점을고려해서홀로그램은완전한입체영상의디스플레이기술로 3차원입체영상산업에상용화되어있다. 디스플레이를목적으로한홀로그램으로서레인보우홀로그램, 리프만홀로그램, 홀로그래픽스테레오그램이대표적으로사용된다. 특히, 홀로그래픽스테레오그램은물체에직접조명하기어렵거나, 실제로존재하지않는사물의정보를기록할때적용되는기술이다. 홀로그래픽스테레오그램기술을응용해요소홀로그램 [106] 으로합성하고프로젝션홀로그래피시스템을제작하여투영타입의입체영상으로적용할수있는기술을소개한다. 투영방식에의한입체영상표시법은비교적대형화면으로관람할수있다. [ 그림 39은홀로그래픽스테레오그램으로합성하기위해오리지널이미지를촬영하는방법을보여준다. 입체영상으로표시하고싶은오브젝트를관찰방향이연속적으로변화도록카메라를일정간격으로이동하여여러장의평면사진으로촬영한다. [ 그림 40] 은오리지널이미지를평면형의홀로그래픽스테레오그램으로합성하는광학계를보여주고있다. 디퓨즈스크린에오리지널이미지를연속적으로표시한뒤참조광을동시에조명한다. 하나의기록재료는일정간격으로이동하면서마스크를사용해오리지널이미지가겹치지않게홀로그래픽스테레오그램으로합성한다. [ 그림 41] 은컴퓨터와 LCD panel을사용하여도트형태로디지털홀로그래픽스테레오그램을합성하는제작시스템이다. 오리지널이미지를 LCD panel에순차적으로나타내고기록재료가있는위치에집광시켜참조광을동시에조명 d camera θ Illumination Object [ 그림 38] 오리지널이미지촬영 40 인포메이션디스플레이

24 디지털홀로그래픽기술동향 Lens Object' HS Color 3D Image Direction screen Film d Diffuse screen reference beam Mask Hogel [ 그림 39] 홀로그래픽스테레오그램합성 Main PC Move film Video signal LCD Panel Mask Hogel Object beam Reference beam Lens [ 그림 40] 요소홀로그래픽스테레오그램제작한다. 하나의기록재료는일정하게이동하고마스크를사용해도트타입으로구성시켜서다수의요소홀로그래픽스테레오그램이제작된다. [ 그림 41] 은제작한요소홀로그래픽스테레오그램을특정한방향으로지향하는성질을지닌특수한스크린에연속적으로투영하여입체영상을재생하는프로젝션홀로그래피영상시스템 [107] 을보여준다. 요소홀로그램을일정하게수평방향으로이동시켜각각다른관찰방향에서촬영된해당화면을 Red, Green, Blue의 Laser 라이팅시스템으로조명하여재생된다안입체영상을스크린에투영하면, 3차원의입체영상을관람할수있다. 6. 시야창에따른홀로그래픽디스플레이설계 Red Lighting system Green Light Blue [ 그림 41] 투영형홀로그래피영상시스템 [108] 홀로그래픽 3차원디스플레이를구현하기위한또다른접근방법은시야창을형성하는방법이다. 홀로그래픽 3차원디스플레이의높은 SLM 해상도요구량은넓은시야각에대하여 3차원영상을표시하고자하는데기인한다. 따라서고정된관측자의눈주위에작은시야창을형성하고이시야창에대해서만홀로그래픽 3차원영상을표시하면 SLM의해상도요구량을크게줄일수있다. 이때, 관측자의위치가시야창위치로고정되므로, 추가적인광학계과관측자위치추적시스템을이용하여움직이는관측자의위치로시야창을이동시키는기술을사용한다. [ 그림 42] 는이러한홀로그래픽디스플레이의시야창형성원리를보여준다. 수십 um 크기의픽셀로이루어진 SLM을사용할경우, [ 그림 42] 의왼쪽에서보는바와같이 SLM의각픽셀은약 1~2 정도의각도로입사하는평행광을회절시킬수있다. 이때, [ 그림 42] 의가운데와오른쪽그림처럼렌즈를삽입하면, 이렇게회절되는광을특정위치로모아시야창을형성할수있다. 따라서관측자의눈이이시야창내에위치하면관측자는 SLM의전체면적에대한홀로그래픽영상을관측할수있다. 이와같은시야창기반의홀로그래픽디스플레이기법은기존의홀로그램을특정영역에대하여잘라낸부홀로그램 (sub-hologram) 을사용한다. [ 그림 43] 의왼쪽과같이일반적인홀로그래픽구성은표시하고자하는각각의 voxel 2011 년제 12 권제 3 호 41

25 기술특집 [ 그림 42] 홀로그래픽디스플레이의시야창형성 [ 그림 43] 부홀로그램 (sub-hologram) 개념마다 SLM의전체영역에서홀로그램을계산하여표시하는데반하여, 시야창기반기술은 [ 그림 43] 의오른쪽에서보여주는바와같이시야창에해당하는영역에대해서만홀로그램을계산하고표시한다. 이를통해추가적인계산량의감소를달성할수있다. 이러한시야창기반기술은현재구현가능한 SLM을이용하여비교적대화면의홀로그래픽디스플레이를구현할수있다는장점이있으나, 관측자가한명으로제한되고광학적인시야창의위치제어가쉽지않다는단점을가지고있다. 7. Diffractive LC Lens 기술빛의회절을이용한또다른기술로는 diffractive LC lens 기술이있다. 액정렌즈는액정이갖는광학적비등방성을이용하여전기적으로렌즈의기능또는굴절력을변화시키는소자이다. 이러한기술은특수광학계를통하여입체감을구현하는무안경식 3차원디스플레이에서유용하게이용될수있다. 액정렌즈는사용하는광학원리에따라크게 refractive LC lens와 diffractive LC lens의두 가지분류로나눌수있는데, 본절에서 diffractive LC lens 기술의기본원리와 refractive LC lens 대비장단점을비교해보도록한다. Lens를구현하기위해서빛의파면을변화시킬수있어야한다. 특히이상적인렌즈의경우처럼빛의진폭을유지하면서위상만을변조하여파면을변화시켜야하므로광학적비등방성과높은투과율을갖는액정이 LC lens의재료로적합하다고할수있다. refractive LC lens 의접근법은액정의광학적비등방성분포를이용함으로써일반 lens의재료인유리나플라스틱의굴절률이공기의굴절률보다크기때문에생기는표면굴절현상을재현하는것이다. 즉, 빛파동이렌즈를통과하면서생기는빛의위상지연이 refractive LC lens를통과하면서그대로재연되도록설계하는것을목표로한다. 기하광학적입장에서바라보면, 만일액정렌즈내부의굴절률분포가비등방성액정분포를이루게될때, 광선은액정내부를진행하면서굴절률이높은방향으로곡선을그리면서방향을틀게되는것이다. 그러나, 만약 refractive LC lens 로볼록렌즈를구현하려면, lens 중심부에서가장큰위상지연을유도해야하기때문에필연적으로 refractive LC lens의두께가두꺼워져야한다. 즉, LC lens를통한위상지연의크기는액정의굴절률이방성의크기와 LC lens 두께의곱으로표현되며, 액정의굴절률이방성은매우작기때문에 LC lens의두께가두꺼워지게된다. 따라서수십 ~ 수백마이크로미터크기의 LC lens를구현하는데큰어려움이없으나, 대형 LC lens를구현하는데이러한두께문제로인해어려움이있다. Diffractive LC lens는빛의위상이 2π의주기를가짐을이용하여위상지연의크기를 0~2π 이내로제한하여두께를크게줄일수있는기술이다. 그러나, 위상지연의형태 (profile) 는일반적인 lens와다른 graded-index fresnel lens 형태를갖게된다. [ 그림 44] 는 University of Arizona 의연구결과에서발췌한것으로 [109] 일반적인 refractive LC lens 와 diffractive LC lens의위상지연의형태를비교하여보여주고있다. 그러나, 이러한장점에도불구하고 diffractive LC lens를구현하려면 LC lens를구동하기위한전극의간극이 [ 그림 45] 와같이수 μm 이내로매우 42 인포메이션디스플레이

26 디지털홀로그래픽기술동향 [ 그림 46] Refractive LC lens 의구조도 [ 그림 44] Diffractive LC lens 와 refractive LC lens 의위상지연비교 [ 그림 45] Diffractive LC lens 의전극배치도 작아져야하므로제작이어렵다는단점이있다. 반면 refractive LC lens는제작이상대적으로쉽다는장점을갖는다. [ 그림 46] 은 University of Florida의연구결과에서발췌한것으로 [110] 비교적간단한형태의전극구조를갖기때문에제작이 diffractive LC lens보다용이할것임을예상할수있다. 이처럼 diffractive LC lens는 refractive LC lens 대비제작의난이도가높으나 refractive LC lens가갖는한계점을극복할수있다는데의미가있다. 현재의 LC lens 제작기술은기존의평판디스플레이제조기술에바탕을두고있다. 따라서앞으로평판디스플레이기술이더욱발전하게되면 diffractive LC lens가갖는장점을살려다양한응용분야에서활용할수있을것으로기대된다. Ⅵ. 결론 본논문에나타난바와같이, 디지털홀로그래피기술은완벽한입체영상을디스플레이하는전자홀로그래픽디스플레이뿐만아니라그응용분야가상당히광범위하다. 또한기존의방법에의해해결하지못하는영역을디지털홀로그래피의응용에의해해결할수있는경우가많다. 대표적인예를들면, 미세한세포를관찰하기위해염색을하면, 세포의활동장애또는생명력단축등이발생될수있지만, 디지털홀로그래피기술을응용한홀로그래픽현미경을이용하면, 염색을사용하지않고세포를관찰할수있으며, 3차원모델링까지가능하다. 따라서디지털홀로그래피의기반기술을확보하고, 확립된기반기술을통해산업및의료, 예술, 교육을비롯한모든영역에서의발전에기여할수있으며, 이로인해고부가가치를창출할수있다. 이를위해먼저디지털홀로그래피의기반기술확립이우선이루어져야한다. 디지털홀로그래피는먼저사진술과같이획득및디스플레이기술로분류될수있다. 단순하게실사에대한디지털홀로그래피는물체로부터반사된물체빔과간섭을위한참조빔을간섭시킴으로써실사에대한디지털홀로그래픽프린지패턴을얻을수있다. 궁극적인디지털홀로그램획득의목적은 3차원실사객체에대한시뮬레이션기반의복원에있다. 물론광학적복원에도활용될수있지만, 획득환경및디스플레이환경이다를수있으며, 정보이론에도맞지않기때문에획득된패턴을전송하는것은부적합한응용범위라고 2011 년제 12 권제 3 호 43

27 기술특집 볼수있다. 획득된디지털홀로그램으로부터완벽한 3차원정보를추출하는것은아직해결해야할과제로남아있다. 완벽한솔루션이만들어질경우, 그응용분야및활용가치는높다고볼수있다. 현재실사로부터 3차원정보를추출하는여러방법들이제안되고있지만, 이러한방법들은공간해상도가그다지높지가않다. 하지만디지털홀로그래피의경우실 객체의파장단위의정확도까지확보될수있기때문에, 정확도가요구되는응용분야에활용될수있다. 또한디지털홀로그래피의기반기술이기때문에, 이로인한다양한응용시스템에활용될수있다. 또다른대표적인기반기술은디지털홀로그램의디스플레이기술이다. 디지털홀로그램은복소진폭으로구성되어있으며, 이를디스플레이할수있는공간광변조기는현산업기술의미흡으로구현될수없다. 따라서, 디지털홀로그램을디스플레이할수있는공간광변조기개발이우선이루어져야한다. 또한비록디지털홀로그램에적합한공간광변조기는없지만, 진폭또는위상전용공간광변조기는사용이가능하며, 이러한불완전한공간광변조기를이용하여, 그효율을높이는연구가필요하다. 이를위한선행연구로써, 3차원정보로부터변조기에적합한디지털홀로그램을생성하는연구또한진행되어져야한다. 주어진불완전한 3차원정보를이용하여, 산업에의한사용가능한공간광변조기에의해원하는파면을공간상에디스플레이하는것은아직풀리지않은과제이다. 따라서, 디지털홀로그래피를위한완벽한 3차원정보추출방법, 3차원정보표현기술, 파면변조를위한공간광변조기술, 그리고주어진공간광변조기를이용하여공간상에적합한파면을디스플레이하는파면재생기술등의연구들이선행과제로진행되어야한다. 이와같이디지털홀로그래피를기반으로실사로부터정확한 3차원정보를추출하고, 추출된 3차원정보를이용하여완벽한파면의재생이가능할경우, 기존의홀로그래피응용을포함한더욱광범위한영역에서활용되어질수있다. 먼저디지털홀로그래피기술을기반으로폭넓은상용 화가가능한대표적인분야는홀로그래픽프린터와홀로그래픽현미경이다. 현가정용및기업용프린터는문서에서부터칼라사진에이르기까지그종류및성능이다양하다. 하지만, 문제점은아직 2차원영상만이가능하다는것이다. 홀로그램은완벽한 3차원입체디스플레이를가능하게한다. 따라서, 홀로그래피기술을프린터에활용함으로써, 향후컬러사진용프린터가아닌홀로그래픽프린터가각가정및사무실에영상출력용프린터로자리잡을수있을것이다. 의료분야에서기존의현미경으로부터얻을수있는정보는극히제한되어있다. 단지 2차원투영영상만이가능하며, 위상객체로볼수있는세포는시각적으로관찰이어렵기때문에염색등의과정을통해시각화가가능하다. 하지만, 이러한과정에서세포는죽게되며, 경우에따라살아있는세포를관찰할수없는경우가발생할수있다. 디지털홀로그래픽기술을기반으로하는홀로그래픽현미경은이러한문제점들을해결할수있다. 살아있는위상객체의형상을굴절률차로형상화가가능하며, 세포에대한 3차원컴퓨터그래픽모델링이가능하다. 따라서홀로그래픽현미경을통해기존방법보다높은정확도를갖는많은정보들을제공할수있다. 이외에도본보고서에나타낸바와같이홀로그래픽검출기를비롯한진동계측기, 수차보정기, 영상투영기등다양한응용분야에디지털홀로그래피기술이활용될수있다. 본논문에서디지털홀로그래픽기술소개로부터최근까지진행된다양한홀로그래픽디스플레이기술들을살펴보았다. 또한디지털홀로그래피기술을이용한다양한응용시스템및응용분야에대해기술조사를하였다. 본논문에기술된여러최신기술을통해현산업및현기술수준에의해구현될수있는홀로그래픽디스플레이및응용시스템을이해할수있으며, 이를통해향후연구에밑거름이될것이라고생각된다. 참고문헌 [1] Marc Levoy. Computer, 39(8):46 55, [ 2 ] James D Trolinger. Measurement Science and Technology, 8(3), 인포메이션디스플레이

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31 기술특집 저자약력 강훈종 2001 년 02 월 : 광운대학교, 공학석사 2000 년 11 월 ~2002 년 01 월 : ( 주 )3D 코리아 2002 년 02 월 ~2006 년 01 월 : 한국전자통신연구원 2008 년 09 월 : 일본 Nihon 대학교, 공학박사 2008 년 09 월 ~2010 년 09 월 : 터키 Bilkent 대학교, The European FP7 Real3D Project 참여연구원 2010 년 10 월 ~ 현재 : 전자부품연구원 관심분야 : 디지털홀로그래피 1981 년 2 월 : 연세대학교전자공학과공학사 1983 년 2 월 : 연세대학교전자공학과공학석사 1988 년 8 월 : 연세대학교전자공학과공학박사 1989 년 ~ 현재 : 충북대학교전자정보대학교수 1992 년 8 월 ~1993 년 8 월 : 미국 Stanford 대학교방문교수 2000 년 3 월 ~2001 년 2 월 : 미국 California Technology Institude 방문교수 2005 년 4 월 ~2011 년 4 월 : 충북 BIT 연구중심대학육성사업단사업단장 2009 년 4 월 ~ 현재 : 지식경제부산업표준심의회의 ( 광학재료및망원 / 현미경 ) 전문위원회위원 2009 년 5 월 ~ 현재 : 기술표준원 3D 산업표준기술연구회위원장 관심분야 : 광신호처리, 홀로그래픽메모리, 홀로그래픽디스플레이, 3D Display. 김 남 송현호 1990 년 : 부경대학교공학사 1994 년 : 일본치바 ( 千葉 ) 대학공학석사 2003 년 : 일본치바 ( 千葉 ) 대학공학박사 1994 년 ~2010 년 : 인천전문대학교수 2010~ 현재 : 인천대학교디자인학부교수 관심분야 : 입체영상디스플레이 김성규 2000 년 : 고려대학교물리학과양자광학박사 1999 년 ~2001 년 : 일본우정성산하 TAO 3D TV Project" 해외초청연구원 2007 년 ~2008 년 : 미국 UIC EVL 에서방문연구 2001~ 현재 : 한국과학기술연구원영상미디어센터책임연구원, 관심분야 : 다초점 3 차원영상표시장치, 동공추적방식의다시점 3 차원영상표시장치, 초다시점 3 차원영상표시장치, 홀로그래픽영상표시장치, 디지털홀로그래피, 회절광학소자, 디지털홀로그래피현미경, 타일형무안경식 3 차원가상현실시스템 김태근 1991 년 3 월 ~1996 년 2 월 : 경희대학교전자공학과, 공학사 1996 년 8 월 ~1997 년 12 월 : Virginia Tech., Electrical Eng., 공학석사 1998 년 1 월 ~2000 년 7 월 : Virginia Tech., Electrical Eng., 공학박사 2000 년 8 월 ~2000 년 12 월 : 삼성종합기술원전문연구원 2001 년 3 월 ~2003 년 2 월 : 세종대학교광전자공학과전임강사 2003 년 3 월 ~2007 년 2 월 : 세종대학교광전자공학과조교수 2007 년 8 월 ~2008 년 7 월 : M.I.T., Research Lab. of Electronics, 객원연구원 2007 년 3 월 ~ 현재 : 세종대학교광전자공학과부교수 관심분야 : 디지털홀로그래피, 3D 디스플레이 최원식 2004 년 : 서울대학교물리천문학부원자물리학전공박사 2006 년 ~2009 년미국 MIT 의 G. R. Harrison Spectroscopy Laboratory 에서박사후연구원 2006 년 ~2009 년바이오이미징기술, 특히홀로그래픽토모그래피기술, 개발및응용에대한연구 2009 년 9 월 ~ 현재 : 고려대학교물리학과에서조교수 관심분야 : 홀로그래피를기반으로생체조직깊이이미징할수있는새로운현미경기술 48 인포메이션디스플레이

32 디지털홀로그래픽기술동향 윤민성 2008 년 : 옥스퍼드대학원, 물리학박사 2009 년 : LG 디스플레이연구센터, 선임연구원 2010 년 ~ 현재 : LG 디스플레이 3D 기술담당, 책임연구원 관심분야 : 플라즈모닉스광학, 홀로그래픽 3D 광학및 LCD 패널기술 김승철 2002 년 2월 : 광운대학교전자공학과졸업 2004 년 2월 : 광운대학교전자공학과석사 2007 년 2월 : 광운대학교전자공학과박사 2007년 3월 ~ 현재 : 광운대학교차세대 3D 디스플레이연구센터연구교수 관심분야 : 3D imaging and display, holography, optical information processing 이승현 1992 년 03 월 ~ 현재 : 광운대학교정보콘텐츠대학원교수 2008 년 11 월 ~ 현재 : ( 사 )3 차원방송영상학회회장 2000 년 3 월 ~ 현재 : ISU(International Stereoscopic Union) 한국대표 2009 년 9 월 ~ 현재 : 3D 한국국제영화제 (3D KIFF) 관심분야 : 디지털홀로그래피, 3D 디스플레이 김은수 1978 년 2 월 : 연세대학교전자공학과졸업 1980 년 2 월 : 연세대학교전자공학과석사 1984 년 2 월 : 연세대학교전자공학과박사 1987 년 2 월 ~1988 년 8 월 : CalTech 초빙교수 1981 년 3 월 ~ 현재 : 광운대학교전자공학과교수 2003 년 8 월 ~ 현재 : 광운대학교차세대 3D 디스플레이연구센터센터장 2009 년 2 월 ~ 현재 : 차세대 3D 융합산업컨소시엄회장 관심분야 : 3D imaging and displays, holography, 3D fusion technologies and applications 최희진 1997 년 ~2002 년 : 서울대학교전기공학부학사 2002 년 ~2004 년 : 서울대학교전기컴퓨터공학부석사 2005 년 ~2008 년 : 서울대학교전기컴퓨터공학부박사 2007 년 ~2009 년 : 삼성전자 LCD 사업부 2010~ 현재 : 세종대학교물리학과 ( 현재조교수 ) 관심분야 : 홀로그래픽신호처리및디스플레이 1996 년 ~2000 년 : 서울대학교전기공학부학사 2001 년 ~2002 년 : 서울대학교전기컴퓨터공학부석사 2003 년 ~2007 년 : 서울대학교전기컴퓨터공학부박사 2008 년 ~2009 년 : 삼성전자 LCD 책임연구원 2010 년 ~ 현재고려대학교세종캠퍼스전자및정보공학부조교수 관심분야 : Diffractive Optics, Holographic 3D display, Plasmonics, Photonic crystals, Metamaterials 김 휘 박재형 2000 년 2 월 : 서울대학교전기공학부학사 2002 년 2 월 : 서울대학교전기컴퓨터공학부석사 2005 년 8 월 : 서울대학교전기컴퓨터공학부박사 2007 년 8 월 : 삼성전자책임연구원 현재 : 충북대학교정보통신공학부조교수 관심분야 : 3D display, 3D 정보처리 2011 년제 12 권제 3 호 49

33 기술특집 민성욱 경희대학교이과대학정보디스플레이학과조교수 2007 년 9 월 : 경희대학교정보디스플레이학과부임 2005 년 12 월 ~2007 년 8 월 : 미 Virginia Tech 박사후연구원 2004 년 10 월 ~2005 년 11 월 : 정보통신대학교 DML 연구교수 2004 년 8 월 : 서울대학교전기공학부박사 관심분야 : 3 차원디스플레이, 디스플레이광응용시스템, 응용광학시스템 최규환 2001년 ~2003년 : 한국과학기술연구원 (KIST) 영상미디어연구센터학생연구원 2003년 ~2004년 : University of Connecticut 연수 2005년 ~2009년 : 한국과학기술연구원 (KIST) 영상미디어연구센터위촉연구원 2009 년 : 고려대학교물리학과양자광학박사 2010 년 ~ 현재 : 삼성전자종합기술원 3D Display Group 전문연구원 관심분야 : 디지털홀로그래피, 3D Display 시스템, 다시점 / 초다시점 3D Display, 3D Film 남동경 1994 년 2 월 : 서울대학교전기공학과공학사 1996 년 2 월 : 서울대학교전기공학과공학석사 2002 년 2 월 : 한국과학기술원전기전자공학과공학박사 2002 년 ~2004 년 : 한국과학기술원전기전자공학과박사후연구원 2004 년 ~2005 년 : 한국과학기술원전기전자공학과연구교수 2005 년 ~ 현재 : 삼성전자종합기술원 Visual Processing Group 전문연구원 관심분야 : 디지털홀로그래피, 3D 영상시스템및프로세싱, 입체시각인지 홍성희 2000 년 12 월 : KETI 입사 2001 년 2 월 : 성균관대학교전기전자컴퓨터공학과공학석사 관심분야 : 케이블 TV, IPTV, 3DTV 정광모 1990 년 2 월 : 광운대학교공학사 1990 년 ~1994 년 : LG 정보통신연구소 1994 년 ~ 현재 : 전자부품연구원 2002 년 : 광운대학교공학석사 2006 년 : 광운대학교공학박사 관심분야 : 디지털홀로그래피, 3D 시스템, 인터랙티브시스템, 실감형 HCI 기술등 서경학 1978 년 2 월 : 서울대전자공학과공학사 1980 년 2 월 : KAIST 공학석사 1989 년 8 월 : 미국 SYRACUSE 대학교공학박사 1977 년 9 월 ~1980 년 11 월 : 중앙일보. 동양방송주임연구원 1980 년 12 월 ~2001 년 4 월 : 삼성전자 Personal Multimedia 사업팀장 2001 년 5 월 ~2003 년 03 월 : 전자부품연구원시스템연구본부장 2003 년 3~2007 년 12 월 : 전자부품연구원선임연구본부장 2007 년 12~2008 년 12 월 : 전자부품연구원선임연구본부장 / 디지털융합연구본부장 2008 년 12 월 ~2010 년 5 월 : 전자부품연구원선임연구본부장 / 정보통신미디어연구본부장 2010 년 5 월 ~ 현재 : 전자부품연구원정보통신미디어연구본부장 50 인포메이션디스플레이