광학과기술 Contents October 권 4호 표지설명평행투영영상패치기반홀로그램합성 (S.-K. Lee et. al, Opt. Express 21, (2013) 의 Fig. 3과 10(a) 에서수정인용 ) 초대석 김남 02 특집 홀로그래피 룩

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1 ISSN October 권 4 호 [ 특집 ] 홀로그래피 룩업테이블및 3차원영상의중복성기반의홀로그램생성기술 광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠합성 자연광홀로그래픽카메라기술 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술 평행투영영상패치기반홀로그램합성 (S.-K. Lee et. al, Opt. Express 21, (2013) 의 Fig. 3 과 10(a) 에서수정인용 )

2 광학과기술 Contents October 권 4호 표지설명평행투영영상패치기반홀로그램합성 (S.-K. Lee et. al, Opt. Express 21, (2013) 의 Fig. 3과 10(a) 에서수정인용 ) 초대석 김남 02 특집 홀로그래피 룩업테이블및 3차원영상의중복성기반의홀로그램생성기술 김승철, 김은수 04 광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠합성 박재형 09 자연광홀로그래픽카메라기술 홍지수 15 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술 박중기, 김재한, 장은영, 오관정, 황치선, 문경애, 김진웅 23 산업체소개우리로광통신 ( 주 ) 31 회장 우정원 ( 이화여자대학교 ) 차기회장 정윤철 ( 한국과학기술원 ) 부회장 이병호 ( 서울대학교 ) 이상배 ( 한국과학기술연구원 ) 이윤우 ( 한국표준과학연구원 ) 이종창 ( 홍익대학교 ) 한재원 ( 연세대학교 ) 편집위원회 편집위원장이관일 ( 한국과학기술연구원 ) 편집간사김대근 ( 단국대학교 ) 김정호 ( 경희대학교 ) 편집위원권순홍 ( 중앙대학교 ) 김법민 ( 고려대학교 ) 김학린 ( 경북대학교 ) 이광조 ( 경희대학교 ) 이상원 ( 한국표준과학연구원 ) 임선도 ( 한국표준과학연구원 ) 정환석 ( 한국전자통신연구원 ) 최수봉 ( 인천대학교 ) 최원식 ( 고려대학교 ) 하이라이트논문소개 한국광학회지 34 학회소식 36 국내외학술회의소식 37 한국광학회신규가입회원명단 39 한국광학회후원사명단 40 발행인우 정 원 인쇄인김 성 배 발행소한국광학회 서울특별시마포구독막로 320 번지태영데시앙 1610 호한국광학회 Tel Fax osk@osk.or.kr Web : 인쇄도서출판씨아이알 Tel Fax 년 10 월 26 일인쇄 2014 년 10 월 30 일발행

3 초대석 홀로그래피 홀로그래피는빛의간섭및회절현상을통해 3 차원입체영상을획득, 기록, 재현 하는기술이다. 빛의모든특성을기록하여실제사물을보는것과유사한입체감과현실감을제공해주는인간친화형실감영상효과를구현할수있다. 앞으로개발해야할미래기술이지만원리가처음으로이세상에등장한것은 1947년헝가리태생의영국의응용물리학자 Denis Gabor 에의해서이며그는 1971년노벨물리학상을받았다. 필름을사용하여실물을입체영상으로찍어내어마치실물이존재하는것처럼재현하는아날로그홀로그램과사물로부터반사된빛을디지털화된기록및재현을통해실제와같은현실감을제공하는디지털홀로그램으로구분된다. 김남충북대학교전자정보대학 홀로그래피는기존스테레오기반의 3D 영상기술과달리, 시각피로가없고실제물체를보는것과같은자연스러운입체영상을제공함으로써광범위한응용분야를가진다. 실감형미디어에대한이용자요구가높아진다는점을고려하면홀로그램이대체할수있는디스플레이, 콘텐츠시장은무궁무진하다. 미래부에따르면지난해세계홀로그램시장규모는약 169억달러 ( 약 18조원 ) 이고, 한국방송통신전파진흥원 (KCA) 최근연구에따르면국내홀로그래피시장은연평균 10% 씩지속적으로성장해 2020년 815억, 2025년 1조4394억원규모가성장될전망이다. 디지털홀로그램이실현되면고정형은물론이고스마트폰이나웨어러블디바이스에서초다시점영상재생이가능해지고기가급전송과압축기술로보다생생한실감형영상을즐길수있는진정한의미의홀로그램기술이시장에나오는것이다. 이미세계각국에서도홀로그램연구개발기술, 표준화에투자를서두르고있다. 미국 Zebra Imaging 은미국방부고등연구계획국 (DARPA) 홀로그램기술을활용해 2011년입체영상군사지도상용화에성공했고, 일본 NHK는홀로그램방송기술을이용해 2020년월드컵중계방송을실시한다는계획을발표했었다. 홀로그래피는디스플레이와정보통신기술, 제조업등이협업해야하는첨단기술분야다. 아직절대강자가없는이시장을우리나라가선점하면 LCD, OLED에이은차세대디스플레이시장을주도할수있는전망이다. 홀로그램콘텐츠또한 5세대 (G) 이동통신서비스와함께수요가폭발적으로늘어날것으로기대된다. 본특집호는디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술에대해한국전자통신연구원김진웅소장, 광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠에대해인하대박재형교수가소개하고있다. 또한룩업테이블및 3차원영상의중복성기반의홀로그램생성에대해광운대김승철교수, 자연광홀로그래픽카메라기술에대해전자부품연구원홍지수박사가설명하고있다. 네편의기고를통해소개되는홀로그래피기술이국내홀로그래피디스플레이연구가나가야할길을모색하는데도움이되기를바라며, 국내유관기관및전문가들의참여, 관심과노력을통해세계속에서한국을부각시키는좋은결실로이어지기를진심으로바란다. 2 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

4 룩업테이블및 3 차원영상의중복성기반의홀로그램생성기술 04 김승철, 김은수 광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠합성 09 박재형 특집 홀로그래피 자연광홀로그래픽카메라기술 15 홍지수 디지털홀로그래픽테이블탑형 단말기술 23 박중기, 김재한, 장은영, 오관정, 황치선, 문경애, 김진웅

5 특집 홀로그래피룩업테이블및 3차원영상의중복성기반의홀로그램생성기술 1. 서론 홀로그래피기술은원리적으로완전 3차원입체영상기술이기때문에개발초부터 3차원디스플레이기술로활용하기위한많은연구가이루어졌으나여러가지현실적인문제로그응용이실질적으로제한되어왔다. 즉, 기존의광홀로그램 (optical hologram) 은가간섭성광인레이저광을사용하여만들어지기때문에실험공간이암실로제한되고, 진폭과위상정보를저장하기위한과정에서는작은움직임에도간섭무늬가파괴될수있기때문에매우안정적인광학시스템이요구된다. 이러한문제를해결하는새로운접근방법으로컴퓨터를이용하여홀로그램패턴을생성하는컴퓨터형성홀로그램 (CGH: computer generated hologram) 기법이제안되었다. 이블 (LUT: look-up table) 을이용한새로운디지털홀로그램계산방법이제안되었다. 이방법은모든가능한물체포인트에대한요소프린지패턴 (EFP: elemental fringe pattern) 을미리계산하여데이터베이스 (data base) 로저장한다. 그리고임의물체에대한홀로그램계산은그물체를구성하고있는각포인트에대한요소프린지패턴들을이미계산하여저장해놓은데이터베이스에서단순히불러내어합산함으로써구한다 [1]. 이러한룩업테이블방식은광선추적방식에비해계산량이크게감소하여디지털홀로그램의고속생성이가능해진다. 하지만이방법은물체영역이커질수록필요로하는 EFP의개수가크게늘어나게되고, 결국은룩업테이블의메모리용량이크게증가하게되는단점을가지고있다 [2]. 최근기존의 LUT 방식의장점인연산속도는유지를하 특집 홀로그래피 룩업테이블및 3 차원영상의중복성기반의홀로그램생성기술 김승철, 김은수 * 일반적으로임의물체에대한디지털홀로그램패턴을계산할때빛의회절을계산하는광선추적 (ray-tracing) 방식이주로사용되어왔다. 이방식에서는물체를점들의집합으로보고각각의물체점들에대한홀로그램패턴을모두계산하여합산하게된다. 따라서이방법은과도한계산량이요구되기때문에복잡한물체에대한실시간적홀로그램합성을어렵게한다 [1,2]. 이러한문제점을극복하기위하여여러가지홀로그램생성알고리즘이제안되었는데그중대표적으로룩업테 면서기존 LUT 방식의단점인방대한메모리공간을줄일수있는 NLUT(Novel Look-up Table) 방식과이특성을이용하여 3차원영상의중복성정보를제거하여연산속도를향상시키는방법들이제안되었다. 본고에서는이러한 NLUT 방식과 3차원영상의중복성정보제거를통한홀로그램연산속도향상기법에대해소개하고자한다. 2. NLUT 기반의홀로그램생성기술및그특성 * 광운대학교홀로디지로그휴먼미디어연구센터 4 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

6 NLUT 방식에서는물체영역의가로, 세로방향에관계 없이깊이방향에대한각각의요소프린지패턴만을사전에미리계산하여저장한다. 그리고물체의한깊이방향이결정되면그면에존재하는물체포인트들의요소프린지패턴 (PFP; Principle Fringe Pattern) 은사전에계산되어저장된그깊이의요소프린지패턴을각해당포인트까지좌, 우로이동시키며모든포인트에대한프린지패턴을합산하여그깊이의홀로그램패턴을계산하게된다. 같은방법으로모든물체깊이방향에서각물체포인트에대한모든홀로그램을계산하여합산함으로써물체전체에대한홀로그램패턴을계산하게된다. 따라서기존 LUT 방식은가로, 세로, 깊이모든방향의물체포인트에대한요소프린지패턴의사전저장이요구되나, NLUT 방식에서는단지물체깊이방향에대한프린지패턴만의사전저장이요구되기때문에룩업테이블메모리요량이크게줄어들게된다 [2]. NLUT 기법에서는홀로그램을생성하기위하여물체를자체발광하는점들의집합으로간주하고물체의각점들은 a p 의밝기값을가지고수직, 수평, 깊이방향에서 x p, y p, z p 에위치한다고가정한다. 기존의룩업테이블의크기를줄이기위하여새로이제시된 NLUT를구성하고, 이룩업테이블은물체의한깊이에대해서하나의요소프린지패턴 T(x, y; z p ) 만을갖게된다. 그리고이 그림 1. N-LUT 기반의홀로그램생성기법 그림 2. N-LUT 기반의디지털홀로그램패턴의생성과정 : (a) 물체영상포인트, (b) 요소프린지패턴의합성 (c) 합성된홀로그램패턴 요소프린지패턴은각각의깊이에서기준세기를갖는기준점에대한프린지패턴을나타낸다. 즉, 각각의요소프린지패턴 T(x, y; z p ) 은각깊이에대한기준세기의프레넬존플레이트 (Fresnel zone plate) 가되고다음과같이나타낼수있다. (1) (2) 여기서 r p 는 p번째점과 (x, y, 0) 사이의거리로식 (2) 와같이주어진다. 따라서, NLUT 방식에서는물체의깊이방향에대한요소프린지패턴만을계산하여저장하게되고, 물체의한깊이방향이결정되면그면에존재하는물체포인트들의요소프린지패턴들은사전에저장된그깊이의요소프린지패턴을각물체포인트까지이동시켜프린지패턴을계산하여그깊이평면에서의홀로그램패턴을계산하게된다. 같은방법으로모든물체깊이평면에서각각의홀로그램을계산하여합산함으로써물체전체에대한홀로그램패턴을계산하게된다. 그림 2는 NLUT 를이용한디지털홀로그램의생성절차를나타낸다. 즉, 그림 2(a) 는특정깊이평면에존재하는물체영상포인트로써두개의점광원으로이루어져있다고가정하고그림 2(b) 는 NLUT 방법으로각포인트에대한프린지패턴을합성하는개념을나타낸다. 즉, 그림에서 2상한에존재하는점광원 (Point 1) 은기준점 (0, 0) 을중심으로 (-x p, y p ) 의위치하기때문에이미계산되어저장된그깊이평면에서의요소프린지프리지패턴을 x, y 방향으로 -x p 와 y p 만큼이동시킨다. 또한, 그림에서 4상한안에존재하는점광원 (Point 2) 은 (x p, -y p ) 에위치하기때문에 x, y 방향으로 x p 와 -y p 만큼이동시킨다. 이러한절차를모든물체포인트에대하여수행한후, 모든요소프린지패턴을중첩하고미리정해진홀로그램의크기에따라기준점을중심으로중첩된영역을추출해냄으로써그림 2(c) 와은최종적인홀로그램패턴을합성할수있게된다. 따라서, NLUT 방식에서 18 권 4 호광학과기술 5

7 홀로그램정보 I(x, y) 는다음과같이표현할수있다. (3) 그림 3은 NLUT 기법의 Shift invariance 특성을나타낸다 [3]. 이를보면점 A(0,0,z 1 ) 에해당하는홀로그램을만들게되면 PFP A 가되고이를복원하게되면복원평면에서 A'(0,0,z 1 ) 의위치에점이복원된다. 이때 PFP A 를 x 축방향으로 x 1 만큼이동시키게되면복원되는점역시 x축방향으로 x 1 만큼이동하여점 A''(x 1,0,z 1 ) 에복원되고같은방법으로 y축방향으로 y 1 만큼이동하게되면복원되는점역시 A'''(0,y 1,z 1 ) 으로이동하게된다. 따라서이러한방법으로원하는위치만큼 PFP를이동하게되면각점을표현할수있고이를물체에대해확장시키면그림 4와같이물체의이동에대해서도홀로그램이동시켜원하는홀로그램을생성할수있게된다 차원동영상의시간적중복성기반의홀로그램생성기술 일반적으로 3차원동영상의인접한프레임간에는많은유사성을가지고있다. 즉, 그림 5와같이인접한동영상프레임을보면집과같이변하지않는부분과자동차처럼변하는부분으로이루어진다. 따라서이러한특성을고려하여프레임간에변화가생긴부분을 DPCM (Differential Pulse Code Modulation) 기법을이용하여추출한후변화한부분에대해서만홀로그램연산을수행하여홀로그램의계산량을줄여준다. 즉, 그림 6과같이 3차원입력동영상에대하여프레임간의차이를추출한후변화량이많은경우에는일반적인방법으로홀로그램을연산하고, 변화량이적은경우에는이전프레임의홀로그램에서변화량만큼보상하여현재프레임의홀로그램을생성하여홀로그램생성속도를향상한다 [4]. 그림 3. NLUT 기법의포인트에대한 Shift invariance 특성 그림 4. NLUT 기법의물체에대한 Shift invariance 특성 (a) 1 st frame (b) 2 nd frame (c) 3 rd frame (d) 4th frame (e) 1 st frame (f) 2 nd frame (g) 3 rd frame (h) 4 th frame 그림 5. 3 차원동영상의인접한네영상

8 그림 6. 3 차원동영상의시간적중복성기반의홀로그램고속생성기법 력영상에대하여인접한픽셀들값을비교하여인접한같은값을갖는픽셀들을그룹화하고, NLUT 기법의이동특성을이용하여생성한 N-point PFP를이용하여한번에여러포인트를연산하게되어전체연산량을줄여주게된다 [5]. 그리고이는 2차원적인블록의형태의확장을통한그룹화로연산량을더욱줄일수도있다 [6]. 5. 움직임추정및보상기반홀로그램생성기술 그림 7. 3 차원영상의밝기값및깊이값 (a) 밝기영상 (b) 깊이영상 (c) 추출된부분의밝기값및깊이값 4. 3 차원영상의공간적중복성기반의홀로그램생성기술 일반적으로 3 차원영상의인접한픽셀들간에는같은 값을갖거나유사한값을갖게된다. 그림 7은두개의주사위로이루어진 3차원영상을나타내고그림 7(c) 는그일부를확대한영상이다. 이를보면 5가지의영역으로나뉘는것을볼수있고영역 I, II, IV, V의경우같은밝기및깊이값을갖고영역 III의경우다양한밝기및깊이값을갖는것을볼수있다. 따라서영역 III을제외한다른영역의경우그룹화를통하여연산량을줄여줄수있게된다즉, 기존의 NLUT 기법에서인접한픽셀의값을표현하기위하여요소프린지패턴을이동시켜표현을한다. 따라서이러한특성을고려하여수직또는수평으로인접한픽셀들을 RLE(Run Length Encoding) 기법을이용하여그룹화하여한번에홀로그램연산을수행하여홀로그램의계산량을줄여준다. 즉, 그림 8과같이 3차원입 움직임추정 / 보상 (Motion estimation/compensation) 은기존의 2차원동영상의압축을위한알고리즘으로널리사용되고있다. 즉, 움직임보상은이전프레임에서현재프레임으로의변화를의미하는데, 영상데이터의이전프레임과현재프레임간의움직임정보를추출하여데이터의압축및복원에활용한다. 기존의 NLUT 기반의홀로그램생성방식은각깊이에해당하는 PFP를이동시켜해당깊이의모든점들을표현한다. 즉, PFP를이용해생 그림 8. 3차원영상의공간적중복성기반의홀로그램고속생성기법그림 9. 움직임추정및보상기반의홀로그램생성기법 18 권 4 호광학과기술 7

9 특집 홀로그래피룩업테이블및 3차원영상의중복성기반의홀로그램생성기술 성된홀로그램패턴을수직 / 수평방향으로이동시키고이를복원하면복원된영상이홀로그램패턴의이동량만큼이동하게된다. 따라서앞에서언급한움직임추정 / 보상기법을이용하여 3차원동영상의모션벡터를구하고이를이용하여이전프레임에대하홀로그램패턴을이동한후차이만큼을보상하게되면다음프레임의홀로그램을생성할수있게된다. 즉그림 9와같이 3차원동영상에대하여각프레임의물체들을분할하고이전프레임과현재프레임의각물체에대한모션벡터를추출하게된다. 그리고추출된모션벡터에따라이전프레임의각물체에대한홀로그램을이동시키고보상된이전프레임영상과현재프레임영상간의차이를보정하여현재프레임에해당하는홀로그램을생성하게된다 [3]. 6. 결론 본고에서는룩업테이블과 3차원영상의중복성정보를이용하여홀로그램을효과적으로생성하는연구를개괄했다. 기존의룩업테이블을이용하여홀로그램을생성하는기법은홀로그램의생성속도를향상시켰지만광대한메모리를필요로하는문제가있었다. 또한 3차원영상의모든포인트에대하여홀로그램을생성하여야하기때문에높은해상도의 3차원동영상에대해서는선형적으로계산시간이증가는문제가있었다. 하지만새로운룩업테이블 (NLUT) 기법을통하여홀로그램의생성속도는유지하면서필요로하는메모리를감소시킬수있고 3차원영상의중복성정보를다양한압축기법을적용하여홀로그램연산량을줄여줌으로써전체적인홀로그램의생성속도가향상된것을볼수있다. 향후이러한룩업테이블기반의홀로그램생성기술은홀로그램 TV를비롯한다양한홀로그램응용기술의핵심기술로서향후홀로그램의생성속도를향상시킬수있는추적인연구가활발히진행될것으로기대한다. 감사의글 This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIP) (No ). 참고문헌 [1] M. Lucente, Interactive computation of holograms using a look-up table, J. Electron. Imag. 2, (1993). [2] S.-C. Kim and E.-S. Kim, Effective generation of digital holograms of 3D objects using a novel lookup table method, Appl. Opt. 47, D55-D62 (2008). [3] S.-C Kim, X.-B. Dong, M.-W. Kwon and E.-S Kim, Fast generation of video holograms of three-dimensional moving objects using a motion compensation-based novel look-up table, Opt. Express 21, (2013). [4] S.-C. Kim, J.-H. Yoon and E.-S. Kim, Fast generation of 3-D video holograms by combined use of data compression and look-up table techniques, Appl. Opt. 47, (2009). [5] S.-C. Kim and E.-S. Kim, Fast computation of hologram patterns of a 3-D object using run-length encoding and novel look-up table methods, Appl. Opt. 48, (2009). [6] S.-C. Kim, K.-D. Na and E.-S. Kim, Accelerated computation of computer-generated holograms of a 3-D object with N N-point principle fringe patterns in the novel look-up table method, Opt. Laser Eng. 51, (2013). 약력 김승철 2007 년 3 월 현재광운대학교홀로디지로그휴먼미디어연구센터연구교수 2004 년 3 월 년 2 월광운대학교전자공학과공학박사 2002 년 3 월 년 2 월광운대학교전자공학과공학석사 1995 년 3 월 년 2 월광운대학교전자공학과공학사 김은수 2011 년 9 월 현재광운대학교홀로디지로그휴먼미디어연구센터센터장 2003 년 9 월 2011 년 12 월광운대학교차세대 3D 디스플레이연구센터센터장 1981 년 3 월 현재광운대학교전자공학과교수 1987 년 2 월 1988 년 8 월 California Instituted Technology, 전자공학과객원교수 1980 년 3 월 년 2 월연세대학교전자공학과공학박사 1978 년 3 월 년 2 월연세대학교전자공학과공학석사 1974 년 3 월 년 2 월연세대학교전자공학과공학사 8 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

10 1. 서론 홀로그램은빛의회절과간섭을이용하여물체광을재생함으로써매우자연스러운 3차원상을표현할수있다는점에서이상적인 3차원디스플레이기술로생각되고있다. 이에따라최근홀로그래픽 3차원디스플레이의연구개발이다양한연구기관에서활발히진행되고있으며머지않아적절한시야각과해상도를가진홀로그래픽 3차원디스플레이가구현될수있을것으로기대된다. 이와같은홀로그래픽 3차원디스플레이기술과더불어함께고려되어야할것은홀로그래픽컨텐츠의촬영기술이다. 전통적인홀로그램촬영은간섭계에기반하고있다. 대상 3차원물체에 laser와같은결맞은빛을비추고반사되어오는 콘텐츠를촬영하거나합성하는기법에대한연구가활발히진행되고있으며, 광선분포를촬영하고이를이용해홀로그램을합성하는기법, 결맞지않은자연광환경에서물체광의간섭무늬를직접촬영하는기법, 깊이카메라를이용하여깊이맵을얻고홀로그램을합성하는기법등이대표적이다. 본고에서는이중광선분포에기반한홀로그램합성기법을소개하고자한다. 광선분포는최근의연구개발로다른기법에비해상대적으로간편하게촬영할수있으며, 광선분포에대한컴퓨터그래픽스분야에서개발되어온다양한기술들을손쉽게접목할수있다는점에서장점을지닌다. 본고에서는먼저광선분포의개념을설명하고이를기존의일반적인카메라를이용하여간편하게촬영하는기법들을개관한다. 다음으로촬 특집 홀로그래피 광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠합성 박재형 * 빛을참조광과간섭시켜그간섭무늬를 CCD와같은영상센서로촬영한다. 이러한전통적인홀로그램촬영은물체광의진폭과위상정보를모두획득할수있으나, 외부광과진동이차단된실험실환경에서이루어져야하고결맞은빛을비추기위해물체의크기가제한되는단점을가진다. 따라서일반인이외부환경에서손쉽게촬영할수없으며이는홀로그래픽 3차원디스플레이를위한콘텐츠확보에는큰제약점이된다. 이를극복하기위하여, 최근보다간편한방법으로홀로그래픽 3차원디스플레이를위한홀로그래픽 영된광선분포정보를이용하여홀로그램을합성하는기법들에대하여알아본다. 2. 광선분포의개념및촬영가. 광선분포의개념 광선분포는물체로부터오는물체광을이루는광선들의위치별각도별밝기분포를말하며, Light (ray) * 인하대학교정보통신공학과 18 권 4 호광학과기술 9

11 특집 홀로그래피광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠합성 field, ray space, plenoptic function등다양한이름으로불린다.[1] 기하광학적해석에서물체로부터오는빛은무수히많은수의광선들의집합으로생각할수있으며이들은각각다른밝기, 위치및진행각도를가진다. 광선이자유공간을진행하며겪는밝기감쇄를무시한다면, 광선분포는그림 1과같이임의의참조면를통과하는광선들의참조면에서의위치 (x,y), 참조면을통과하여진행하는각도 (θ x,θ y ) 분포로나타낼수있으며일반적으로 L(x,y, θ x,θ y ) 와같은광선밝기 L의 4차원분포로표현된다. 물체를이루는물체점들이 3차원공간상에분포하고있는데반하여광선분포는 4차원분포로표현되므로보다높은차원을가지고있으며이에따라광선분포는물체점들의 3차원분포뿐만이아니라주어진조명하에서개별물체점들의각도별반사광선밝기분포 (specularity, diffusiveness) 정보도역시포함하고 있다. 광선분포를높은샘플링율로획득하면본래물체의 3차원정보나다양한시점영상들을복원하는것이가능하며본고의후반부에서소개된바와같이홀로그램을합성할수도있다. 광선분포를획득하는가장직접적인방식은매우밀집되어분포하는카메라들의 2차원배열을이용하거나한대의카메라를 2차원평면상에서스캔하며매우다수의영상을촬영하는것이다. 그러나이러한방법은일반인이손쉽게광선분포를촬영하고이를통해홀로그램을합성해야하는홀로그래픽 3차원디스플레이를위한콘텐츠촬영에는적합하지않다. 이하절에서는보다간편한방법으로광선분포를촬영하는기술을소개한다. 나. Integral imaging (Light field camera) 기술 그림 1. 광선분포개념 그림 2. 렌즈어레이를이용한광선분포촬영 광선분포를간편하게획득하는대표적인기법은 lens array를활용하는 integral imaging 촬영기법이다.[2-4] 그림 2에서보는바와같이다수의렌즈가 2 차원평면상에배열된렌즈어레이뒤에 CCD를위치시키고촬영을하면, 렌즈어레이의개별렌즈에해당하는 CCD 영역에해당렌즈중심을통과하는광선들의각도별분포가촬영되므로, 렌즈어레이면에서의광선분포의촬영이가능하다. 초기의 integral imaging 기반광선분포촬영기법에서는렌즈어레이를카메라외부에위치시키고렌즈어레이에의해결상된영상의집합을별개의카메라와광학계를이용하여촬영하였으므로, 렌즈어레이와광학계및카메라와의정렬이어렵고시스템이간편하지않은문제점이있었다. 그러나최근그림 2 의사진에서와같이마이크로렌즈어레이를일반적인 DSLR 카메라의영상센서면에부착함으로써이러한정렬문제를해결하고전체시스템이일반적인 DSLR 카메라와동일한매우간편한시스템이개발되고상용화도되는등광선분포를손쉽게촬영할수있게되었다.[2-4] 이와같은 integral imaging 기반기법 10 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

12 그림 3. 초점이동촬영을통한광선분포촬영 에서는한번의촬영으로간편하게광선분포를촬영할수있다는것이가장큰장점이다. 그러나촬영할수있는광선분포의공간및각도해상도가렌즈어레이를이루는렌즈의개수와각렌즈에배정되는픽셀의개수에의하여제한되는단점을가지므로고해상도의광선분포촬영에는아직한계가있다. 이러한한계를극복하기위하여렌즈어레이를미세하게움직이며다수의영상을촬영하거나, 물체모양에대한사전정보를바탕으로해상도를향상시키는신호처리기법들이최근연구되고있다. 다. 초점영상이동촬영기술광학분포를간편하게촬영하기위한또다른방법은초점영상이동촬영기법이다.[5] 그림 3에서보는바와같이, 일반적인카메라를하드웨어수정없이그대로사용하되카메라의초점거리를바꾸며여러장의사진을촬영하는방법이다. 카메라의초점면이광선분포의기준면과일치할경우카메라의각각의픽셀은광선분포기준면의해당위치를통과하는서로다른각도를가지는광선들의합을기록하게되며, 따라서이때촬영된영상은기준면에서표현된 4차원 (x,y, θ x,θ y ) 광선분포를각위치 (x,y) 별로각도 (θ x,θ y ) 에대해적분한 2차원투사 (projection) 에해당한다. 카메라의초점면이그림 3에 서보는바와같이광선분포의기준면과 Δz 만큼차이가날경우, 카메라의각픽셀이기록하는것은광선분포의기준면을다른위치에서다른각도로통과하는광선들이며, 이때촬영된영상은 4차원광선분포를 Δz에의해결정되는방향으로적분한기울어진 2차원투사에해당한다. 따라서카메라의초점면을이동시키며다수의영상을촬영하면, 4차원광선분포의다양한 2차원투사들을얻게되며, 이들 2 차원투사들을다시 4차원광선분포공간으로역투사시켜중첩시킴으로써본래의 4차원광선분포를복원할수있다. 이와같은초점면이동촬영기법은기존의카메라를하드웨어수정없이그대로사용한다는점에서매력적이며, 특히카메라의초점면을이동하는것이기존상용카메라의자동초점기능등을통해이미구현되어있으므로손쉽게구현할수있다는점이장점이다. 또, 복원된광선분포의공간해상도가카메라자체의해상도와동일한수준이될수있어, 렌즈어레이를통해공간해상도를희생하는 integral imaging 기법보다보다높은공간해상도의광선분포를획득할수있다는것도주목할만하다. 획득할수있는광선분포의각도영역이카메라의물체공간쪽 F수에의하여제한되지만, 애초에시야각이넓지않은홀로그래픽 3차원디스플레이를위한콘텐츠촬영의응용으로는여전히유용하다. 아직한번의촬영으로광선분포를얻지못하고다수의촬영을해야한다는점에서한계를가지지만, 고속연속촬영기술의개발, 다수 2차원투사로부터본래 4차원광선분포를복원하는알고리즘의개선, 변조된카메라렌즈 (coded aperture) 기법개발등으로극복할수있을것으로기대된다. 3. 광선분포를이용한홀로그램합성가. 호겔기반홀로그램합성 광선분포를이용한홀로그램합성의대표적인기법 18 권 4 호광학과기술 11

13 특집 홀로그래피광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠합성 그림 4. 호겔기반홀로그램합성 ( 오른쪽그림은참고문헌 [7]) 은호겔에기반한기술이다.[6,7] 호겔은그림 4에서보는바와같이홀로그램면의각위치에서광선의각도별분포를재생하는단위를말한다. 개별호겔은다수의픽셀로이루어져있으며이들픽셀의변조를통해해당위치에서의광선의각도별분포를재현한다. 먼저각호겔이차지하는픽셀의개수를고려하여각호겔에 서특정한각도로빛을회절시킬수있는최적기저위상함수를미리계산한다. 다음으로주어진광선분포에서해당호겔위치에해당하는광선의각도별밝기분포를가중치로하여해당하는각도의기저위상함수들을더해줌으로써각호겔의데이터를합성한다. 이와같은과정을통해주어진광선분포를홀로그램면에서재현할수있는홀로그램콘텐츠를합성할수있다. 이때, 각호겔을홀로그램면의영역을나누어배치하지않고, 홀로그램면에서서로중첩되게배치함으로써광선분포가재현되는기준면을홀로그램면이아닌다른위치로이동할수도있으며, 이를통해표시하는 3차원영상의중심깊이에맞춘홀로그램의최적화를도모할수도있다.[7] 나. 평행투영영상기반홀로그램합성 그림 5. 평행투영영상기반홀로그램합성 그림 6. 평행투영영상패치기반홀로그램합성 광선분포를이용하여홀로그램을합성하는또다른방법은평행투영영상에기반한기법이다. 이방법에서는먼저물체를서로다른각도로평행투영한영상 (orthographic projection image) 들의집합을광선분포로부터얻는다. 이는 4차원 (x,y, θ x,θ y ) 광선분포의각도 (θ x,θ y ) 별단면 (slice) 들을추출함으로써수행된다. 추출된평행투영영상을평행투영각도에해당하는평면파의위상함수와곱하고이를적분하여그림 5 에서보는바와같이홀로그램면에서의한위치에대한복소진폭을계산한다. 이와같은연산을모든평행투영영상에대하여반복수행함으로써 3차원물체에대한푸리에홀로그램을얻을수있다. 이와같은방법은그림 5에서보는바와같이푸리에홀로그램의각점이푸리에렌즈에의하여각평행투영영상을이루는광선들에대응된다는점을이용한것이며, 비슷한방법을사용하여프레넬홀로그램의합성도역시가능하다.[8] 이와같은기법은물체표면의위상분포가균일하다고가정할경우, 홀로그래픽스테레오그램이아니라물체광의진폭과위상을그대로재현하는홀로그램을합성 12 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

14 기준면으로하여별개로존재할경우, 이와같은수치적전파를각기준면에대하여연속적으로수행하고광선분포로부터얻어진각물체의실루엣을기반으로후방에서온복소광파를가려줌 (masking) 으로써물체간의가려짐 (occlusion) 도구현할수있다. 그림 7. 광선분포기준면전파 ( 참고문헌 [9]) 할수있다는특징을가지고있다. 그러나일반적인 diffusive 물체의경우표면위상분포가균일하지않고, 추출가능한평행투영영상의개수가충분치않을경우이러한방법으로생성되는홀로그램의해상도가높지않다는점에서한계도역시지니고있다. 홀로그램해상도가낮은단점을보완하기위하여그림 6에서와같이평행투영영상들을각각랜덤한위상분포와곱한후푸리에변환하여얻은패치를이어붙여푸리에홀로그램을형성하는기법도연구되고있다.[5] 다. 광선분포기준면전파광선분포를이용한홀로그램합성의마지막방법으로광선분포기준면을전파하는기법을소개한다. 광선분포는기준면에서특정한공간-각도간격으로샘플링된이산데이터이므로해당하는 3차원물체가광선분포의기준면과멀리떨어져있을경우그재현품질이저하된다. 따라서보통광선분포의기준면은일반적으로 3차원물체의중심깊이근처로설정된다. 그러나홀로그래픽디스플레이에서는그구조에따라홀로그램면에서멀리떨어진곳에 3차원영상을위치시키는것이유리할수있으므로, 광선분포의기준면을임의의위치에위치시키며홀로그램을합성하는것이필요하다. 이를위하여참고문헌 [9] 의연구에서는먼저광선분포의기준면에서복소광파를생성한후이를최종홀로그램면까지프레넬회절에기반한수치적전파를시킴으로써홀로그램을합성하였다. 이때, 여러개의 3차원물체들이서로다른거리에존재하고각물체에해당하는광선분포들이각물체의중심거리를 라. 광선분포에대한기존컴퓨터그래픽스기법의접목 광선분포촬영및이를이용한홀로그램합성의장점중하나는광선분포에대하여컴퓨터그래픽스분야에서연구되어온기존기술들을홀로그램합성에쉽게접목할수있다는것이다. 최근복소광파와광선분포간의상호변환을통하여여러 3차원물체간의가려짐은광선분포들을이용하여구현하고홀로그램의합성은복소광파의수치전파를통해효율적으로수행하는기법이발표되었으며,[10] 광선분포내광선추적을통한사실적인 (photo-realistic) 영상의홀로그램합성기법도발표된바있다.[11] 이러한기존컴퓨터그래픽스기법의접목은최근많은관심을받고있으며많은연구결과들이도출될것으로기대되고있다. 4. 결론 본고에서는광선분포의촬영과이에기반한홀로그램합성기법에대하여개괄하였다. 광선분포는물체광을이루는광선들의위치별각도별분포를말하며기존의 DSLR 카메라와같은시스템으로간편하게촬영하는기술들이최근개발되고있다. 이와같이촬영된광선분포를이용하여홀로그램을합성함으로써홀로그래픽 3차원디스플레이의콘텐츠를손쉽게얻을수있으며, 이는디스플레이자체의기술개발과더불어홀로그래픽 3차원디스플레이생태계의발전및대중화에의미있는기여를할수있을것으로기대한다. 18 권 4 호광학과기술 13

15 특집 홀로그래피광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠합성 참고문헌 [1] J.-X. Chai, S.-C. Chan, H.-Y. Shum, and X. Tong, "Plenoptic sampling," Proc. ACM SIGGRAPH, (2000). [2] R. Ng, M. Levoy, M. Bredif, G. Duval, M. Horowitz, and P. Hanrahan, Light field photography with a hand-held plenoptic camera, Stanford Tech. Rep. CTSR (Stanford University, 2005). [3] S.-K. Lee, S.-I. Hong, Y.-S. Kim, H.-G. Lim, N.-Y. Jo, and J.-H. Park, "Hologram synthesis of three-dimensional real objects using portable integral imaging camera," Opt. Express, 21(20), (2013). [4] [5] J.-H. Park. S.-K. Lee, N.-Y. Jo, H.-J. Kim, Y.-S. Kim, and H.-G. Lim, "Light ray field capture using focal plane sweeping and its optical reconstruction using 3D displays," Opt. Express, 22(21), (2014). [6] M. Lucente, Optimization of hologram computation for real-time display, Proc. SPIE 1667, (1992). [7] W. Plesniak, M. Halle, V.M. Bove, Jr., J. Barabas, and R. Pappu, Reconfigurable image projection holograms, Opt. Eng. 45(11), (2006). [8] J.-H. Park, M.-S. Kim, G. Baasantseren, and N. Kim, "Fresnel and Fourier hologram generation using orthographic projection images," Opt. Express, 17(8), (2009). [9] K. Wakunami and M. Yamaguchi, Calculation for computer generated hologram using ray-sampling plane, Opt. Express, 19(10), 9086~9101 (2011) [10] K. Wakunami, H. Yamashita, and M. Yamaguchi, Occlusion culling for computer generated hologram based on ray-wavefront conversion, Opt. Express, 21(19), (2013). [11] T. Ichikawa, K. Yamaguchi, and Y. Sakamoto, Realistic expression for full-parallax computer-generated holograms with the ray-tracing method, Appl. Opt. 52(1), A201-A209 (2013). 약력 박재형 2013 년 3 월 - 현재인하대학교정보통신공학과, 부교수 2007 년 9 월 년 2 월충북대학교정보통신공학과전임강사, 조교수, 부교수 2005 년 9 월 년 8 월삼성전자책임연구원 1995 년 3 월 년 8 월서울대학교전기컴퓨터공학부, 공학사, 공학석사, 공학박사 14 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

16 1. 서론 최근홀로그램발전전략의수립과함께국가적으로홀로그래픽디스플레이가중요한연구과제로조명받고있다. 이는중요한국가산업인디스플레이기술의최종목표라할수있는홀로그래픽디스플레이의구현에있어서중요한위치를선점하여디스플레이종주국으로써의위치를확고히하고자하는전략적의도라보인다. 또한기하광학에서파동광학으로확장되어가는광학연구의위계를보아도당연한흐름이라할수있다. 완전한 3차원영상을보여줄수있는홀로그래픽디스플레이는필름에기록및재생을하는아날로그홀로그램을통해기본적인이론에대해서는이미수십년전에거의완성되었고, 그이후는디지털홀로그래픽 가있으나, 이에대응하는홀로그램콘텐츠를생성하기위한홀로그래픽카메라의경우최근까지그윤곽조차보이지않았었다. 홀로그램은물체광에별도의기준광을간섭시켜파동광학영역의정보인파면의진폭과위상정보를모두기록함으로써복원과정을통해 3차원영상을재구성하거나세포등투명한물체를위상정보를이용하여가시화할수있는기술이다. 하지만명확한간섭무늬를얻기위해서는공간적시간적간섭성이필요하고이를가능하게하는광원이레이저와같이충분히긴가간섭거리를갖는가간섭광원이다. 가버는홀로그램의원리를최초로제안하였으나 [2] 가간섭광원의부재로의미있는홀로그램영상을획득할수없었다. 후에레이저의발명으로 Leith와 Upatnieks가비로소의미있 특집 홀로그래피 자연광홀로그래픽카메라기술 홍지수 * 디스플레이를통해동영상을보여주기위한연구가진행되고있다. 디지털장치를통해아날로그홀로그램에필적하는수준의 3차원동영상을보여주기위해서는아날로그필름과유사한수준의정보량을처리해야하기때문에제반기기들의제한된성능을극복하기위한다양한기술들이개발되고있으나, 디스플레이기술및컴퓨터처리용량의비약적인발달로디지털홀로그래픽디스플레이를통한 3차원동영상의재생도최근가시적인성과를보이고있다 [1]. 이와같이홀로그래픽디스플레이의미래에대해서는어느정도예상되는바 는아날로그홀로그램의기록및재생에성공하였지만 [3], 레이저의사용으로홀로그램이매우제한된분야에만적용할수있게되었다. 특히일반적인카메라라하면인물이나풍경등이가장많이찍는피사체일터인데, 이를기존의레이저를사용한홀로그램으로기록하고자한다면외부광원을차단하고레이저를조명으로사용하여야기록이가능하다. 하지만사람에게레이저를조명으로쓴다는것은안전성측면에서선호되지않고, 일반적인야외풍경의경우외부광원차단이불가능할뿐더러단일레이저를풍경전체에투사하는것 * 전자부품연구원 18 권 4 호광학과기술 15

17 특집 홀로그래피자연광홀로그래픽카메라기술 (a) (b) (c) (d) 그림 1. 자가간섭홀로그래피구현을위한광학시스템구성 (a) 마이켈슨간섭계기반의시스템. L1: 입력렌즈, L2: 추가렌즈, MA: 평면거울, MB: 곡면거울, BS: 광분배기. (b) 삼각간섭계기반의시스템. (c) Radial shear 가가능한 Mach-Zehnder 간섭계기반의시스템. (d) 핀홀을이용한 Mach-Zehnder 간섭계기반의시스템. 역시불가능한일이다. 따라서일반적인카메라로서의사용성을가지며홀로그램정보를기록하기위한기술개발에는그동안크게두가지의방향성이있었다. 한가지는일반적인상황에서의직접적으로홀로그램촬영하는것을포기하고별도의방법으로 3차원데이터를추출한후이로부터간접적으로홀로그램을생성하는방식이다. 컴퓨터비젼분야에서는다시점카메라, Time-of-flight 카메라, Profilometry 등다양한방식으로대상물체에대한 3차원정보를획득하는기술이오랫동안개발되어왔고, 3차원정보가일단획득된이후에는이로부터 3차원컴퓨터그래픽모델을쉽게구성할수있다. 3차원그래픽스모델로부터계산적으로그에대응하는홀로그램데이터를생성하는기술역시광학분야에서오랫동안연구되어왔기때문에 [4, 5] 이두가지를조합하면일반적물체의홀로그램정보를생성할수있다 [6], 하지만컴퓨터비젼기술을통해얻어내는 3차원정보는정확성이떨어지거나오류가있을수있는가능성이있으며, 얻어진 3차원정보로부터홀로그램을계산하는과정은매우큰정보량 의처리를요구한다. 이와별개로다시점영상에서 3차원정보를재구성하지않고스테레오그램방식으로홀로그램을계산하는방식은 3차원정보재구성을통해발생할수있는오류를피할수있고계산이상대적으로간단하나 [7], 근본적으로다시점영상방식의낮은공간및각해상도가홀로그램정보에도반영되게된다. 일반적인상황에대해홀로그램을기록하기위한또한가지접근방법은광스캐닝홀로그래피기술 (optical scanning holography) 과같이제어된광원을이용하여대상물체에대한홀로그램정보를얻는방법이있다 [8]. 광스캐닝홀로그래피기술은시간적으로변조되는프레넬링패턴을광원으로서대상물체에투사해주고이로부터산란된영상의시간적세기변화를필터링을통해서대상물체의특정지점에대한정보를얻는방법이다. 이때, 외부광원이있다하더라도필터링과정에서제거되기때문에비간섭광원이조명인상황에서도대상물체의홀로그램정보를기록할수있다. 하지만대상물체에대한스캐닝이필요하여전체촬영시간이오래걸린다는단점이있고, 또한변조된 16 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

18 광원을투사하여야하기때문에, 원거리야외에대한촬영이나천체망원경등과같이변조된광원을투사해줄수없는상황에는광스캐닝홀로그래피기술을적용할수없는단점이있다. 본고에서는조명에전혀제약을받지않으면서도직접적으로홀로그램정보를기록할수있는자가간섭 (Self-Interference) 홀로그래피기술에대해소개하고, 이를이용하여마치일반적인카메라와같이이용할수있는홀로그래픽카메라의구현가능성에대해논해보고자한다. 실제로이기술을이용하여작년에는일반적야외풍경에대해홀로그램정보를기록하는역사적인연구가이루어졌다. 이외에도조명의제약을없앰으로써형광현미경, 천체망원경등의영역까지홀로그래피기술의영역을확장할수있었음을살펴보고, 최근의개발현황에대해소개하고자한다. 이검토한바있다 [9, 10]. 하지만촬영대상의점광원의밀도가높아질수록이미지센서에기록되는간섭무늬에점광원간공간적비간섭성에서기인한강한 DC 가존재하게되는데, 이로인해중요한간섭무늬정보가희미해지고 3차원영상복원후심각한노이즈를발생시키게된다. 따라서실질적활용성이떨어져자가간섭에기반한홀로그램기록기술에대한연구는곧중단되었다. (a) 2. 자가간섭홀로그래피 (Self-Interference Digital Holography) 기술의개념및구현방법 앞서살펴본바와같이일반적인환경은주로조명이비간섭광원이거나촬영하고자하는대상물체가자체발광하는등공간적간섭성을확보하지못한경우가대부분이다. 이와같은경우에대해서홀로그램을기록하고자할때흥미로운접근방법중의하나는자가간섭을이용하여간섭무늬를생성하는것이다. 점광원하나로부터발생한구면파를두개의동일한길이의광경로로나눈후이미지센서면에서합쳐주면, 점광원의시간적간섭성이보장되지않더라도, 이미지센서면에서두개의복사본이서로간섭하여간섭무늬를생성하게된다. 따라서시간적공간적간섭성이보장되지않는다수의점광원들의집합으로이루어진물체로부터발생된파면을마찬가지로두개의광경로로나누어이미지센서면에서합쳐주면, 이미지센서면에기록되는이미지는각점광원의자가간섭이만들어낸간섭무늬들의합이될것임을예상할수있다. 일찍이홀로그래피기술의역사초기인 1960년대부터이미이와같은자가간섭을이용한홀로그램기록에대한기본적인아이디어가제안되었으며그가능성에대해서몇몇연구자들 (b) (c) 그림 2. Phase SLM 을이용한자가간섭홀로그래피기술. (a) 시스템구성도. (b) 해상도분할방식병합거울구현. (c) 편광분할방식병합거울구현. 18 권 4 호광학과기술 17

19 특집 홀로그래피자연광홀로그래픽카메라기술 하지만최근디지털홀로그래피기술의도입으로자외에그림1(b), (c), (d) 에소개되어있듯이삼각간섭가간섭홀로그래피기술의 DC 항을제거할수있게되계, radial shear가가능한 Mach-Zehnder 간섭계, 며이에대한연구가다시활발히진행되고있다. 여러핀홀을이용한 Mach-Zehnder 간섭계등자가간섭가지방법이있지만자가간섭홀로그램기록을위한가홀로그래피기술의구현을위한다양한구성이제안되장간단한구성은그림1(a) 와같이마이켈슨간섭계와었으나 [12-14] 기본적인원리는모두동일하다. 유사한구조의광학시스템을이용하여구현하는것이자가간섭홀로그래피기술은두개의광경로가매우다 [11]. 이때마이켈슨간섭계의두개의 arm에해당정밀하게정렬이되어야하기에안정성측면에서단점하는위치에는서로다른곡률의거울을설치한다. 먼이있을수있으나 Rosen등은곡률이다른두개의거저입력렌즈의초점거리에위치한점광원에대해서울혹은두개의렌즈를 phase SLM을이용하여한개일단생각해보면, 이점광원에서발생된구면파는입의병합거울소자로구현하는방법을제안하였다. 이력렌즈에의해서평면파가되고, 대역통과필터에의해를이용하여그림2(a) 와같이단일광경로로정렬문제서특정파장만이선택되게된다. 이후광분배기에의에서자유로운시스템을구현할수있었다. 초기에는해이평면파는두개의동일한파면의복사본으로분그림2(b) 와같이 phase SLM의전체해상도중절반에리가되게되고, 두개의곡률이다른거울에의해반해당하는픽셀을임의로골라하나의곡면거울을표시사가되면서서로다른곡률의파면으로반사된다. 이하고나머지반을이용하여다른곡률의거울을표시하때각거울에의해반사된광경로가가간섭길이이내의여병합거울을구현하는방법을이용하였으나 [15], 차이를가지도록정렬시키고, 두복사본의파면이동일이경우각거울을표시하기위한해상도가절반으로한넓이로겹치는곳에이미지센서를위치시키게되줄어든다는단점이있었다. 후에 phase SLM의 inactive 편광성분이 SLM substrate에서반사된다는사면, 자가간섭에의해서프레넬링패턴의간섭무늬를생성하게된다. 이때이미지센서앞에추가적으로렌실에착안하여보다효율적으로두가지거울을하나의즈를배치하게되면센서의위치설정에좀더자유도소자로표현하는방법이제안되었다 [16]. 그림2(c) 와를가질수있다. 다수의점광원으로이루어진물체의같이입사광을 active 편광과 inactive 편광성분을함경우각점광원에서발생된파면은점광원의위치에따께가지도록해주고 phase SLM의전체해상도를사라수평이동혹은링의간격이변조된프레넬링형태용하여곡면거울을표시하면, active 편광성분은의간섭무늬들을생성하며, 점광원간공간적간섭성이 phase SLM에의해곡면거울에의한반사효과를가없으므로이들간섭무늬들이더해지는형태로전체물지고, inactive 편광성분은 phase SLM의 substrate 체의간섭무늬가생성된다. 결과적으로촬영하고자하에의해평면거울에의한반사효과를가지게된다. 따는대상에점광원의수가많을수록각프레넬링패턴라서두개의거울중한가지가평면거울로고정된다의 DC가계속더해져서매우큰 DC를가지게되는데, 는단점이있지만 phase SLM 전체해상도를이용하 phase-shifting의도입으로이러한 DC를제거할수있게되었다. 두개의거울중하나를 piezo등을통해움직여 3단계혹은 4단계 phase-shifting된영상을얻을수있는데, 이들을조합하면 DC 항이제거된복소홀로그램을얻을수있다. 일단복소홀로그램을얻은후에는광학적혹은계산적복원과정을통해서원본대상물체로부 터의파면을재구성할수있다. 그 그림 3. 자가간섭홀로그래피기술을이용한적응광학구현개념도. 18 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

20 여병합거울을표현함으로써광효율측면에서이득을갖는시스템을구현할수있다. 3. 자가간섭홀로그래피의응용 위에소개된구현방법들을통해서자가간섭방식으로홀로그램정보를획득할때에는대역통과필터의중심파장에의해결정되는단일파장에대해복소홀로그램을얻을수있다. 따라서풀컬러홀로그램을기록하고자한다면적색, 녹색, 청색세가지파장에대한복소홀로그램을각각얻은후이를조합하여야한다. 이때일반적컬러이미지센서를이용하면별도의대역통과필터를사용할필요없이센서위에부착된 Bayer 컬러필터에의해서적색, 녹색, 청색채널별로분리된영상을쉽게얻을수있다. 컬러이미지센서를이용한자가간섭홀로그래픽이미징기술은광원에대한어떠한제약도없기때문에이를이용하여자연광상태의외부풍경에대한풀컬러홀로그램을직접적으로기록할수있는홀로그래픽카메라를구현할수있다 [17]. 이는저자가알고있는한역사적으로일반적인외부풍경에대한풀컬러홀로그램을기록한첫번째사례이다. 또한미소물체관찰을위한현미경기술중의한가지인형광현미경은살아있는세포를관찰하는데있어매우중요한기술로평가받고있는데, 형광물질은자체발광을하기때문에공간적간섭성이존재하지않아기존의홀로그래픽기술로는홀로그램정보를기록할수없었다. 하지만자가간섭홀로그램기술을형광현미경기술에도입하여형광물체에대해서도홀로그램정보를기록할수있음이보고되었다 [18]. 또한홀로그래피기술의중요한응용처중의하나는적응광학 (adaptive optics) 이다. 기존의적응광학기술은 Shack-Hartmann 파면센서등을이용하여 guide-star로부터의파면이진행하는중매질의수차에의해왜곡되는것을측정하여수차의정보를얻고, 이정보를이용하여변형거울 (deformable mirror) 등을통해수차에의한왜곡을보상하여대상물체의깨끗한영상을얻고자하는것이다. 하지만렌즈어레이를이용한수차정보측정은근본적으로얻어지는수차정보의해상도가떨어지는단점이있었다. 홀로그래픽 적응광학은 guide-star 로부터의파면의복소홀로그 램을기록하여이로부터수차의복소홀로그램정보를 얻는것으로써, 이미지센서전체의해상도를이용하여 수차의정보를측정하기때문에더욱정확한수차정보 를얻을수있으며, 결과적으로수차에의한왜곡의보 상후에더욱좋은품질의영상을얻을수있다고기대 할수있다. 하지만기존의홀로그래픽적응광학의경 우홀로그램정보의기록을위해레이저를사용하여야 하기때문에적응광학의시초가되었던천체망원경이 나형광현미경등자체발광하는물체에대한이미징 기술에는적용할수없었다. 하지만자가간섭홀로그래 피기술을이용함으로써비간섭광원에의한물체나자 체발광하는물체에대해서도그림 3 과같은구성을이 용하여홀로그래픽적응광학기술을적용할수있는가 능성이확인되었다 [19]. 앞으로이를이용하여천체망 원경등에서더욱좋은품질의영상을얻을수있을것 으로기대가되고있다. 4. 단일촬영기반자가간섭홀로그래피기술 자가간섭홀로그래피기술은 phase-shifting 의도 입으로공간적비간섭성에서기인한 DC 항을제거하 여비로소실용적의미를갖는기술이되었지만, 한장 그림 4. 거울의기울임을통한단일촬영기반자가간섭홀로그래피기술을위한광학시스템구성도. 18 권 4 호광학과기술 19

21 특집 홀로그래피자연광홀로그래픽카메라기술 의단파장복소홀로그램을얻기위해서최소 3장이상의 phase-shifting된영상을촬영해야한다는단점이있다. 특히앞서소개된풀컬러홀로그램카메라를구현하기위해서는한장의컬러복소홀로그램을얻기위해 3가지파장대역에대한홀로그램을얻어야하고, 파장대역마다 phase-shifting 값이달라져야하기때문에전체적으로최소 9장의이미지촬영이필요하다. 이로인해동적인대상에대한촬영시에는오류가발생할가능성이있다. 따라서최근에는 phase-shifting 기반의자가간섭홀로그래피기술의단점을극복하기위해단일영상으로부터자가간섭기반홀로그램을기록할수있는기술들이제안되고있다. 그중한가지방법은그림4와같이홀로그래픽디스플레이를위한 off-axis 홀로그램의아이디어에서힌트를얻어, 그림1(a) 의셋업에서두개의거울중하나를기울여줌으로써각각의거울에서반사된빛의광경로가서로입사각의차이를가지고이미지센서면에서간섭을일으키도록하는것이다 [20]. 이때두개의반사된복사본중하나를물체광하나를기준광으로생각 그림 5. 4f 유사시스템을이용한단일촬영기반자가간섭홀로그래피기술의개념도. 그림 6. 위상핀홀을이용한자가간섭기반단층촬영기술의개념도. 하면주파수영역에서 DC와 +1, -1차항으로정보로분리가된다. 따라서적절한필터링을통해단일간섭무늬로부터복소홀로그램을얻을수있다. 또한가지방법은그림5와같이대상물체로부터의입사광을두개의광경로로나눈후한개의광경로만 4f 시스템과유사한구조를통과하게하여파면의진행방향을역전시킴으로써역시 off-axis 홀로그램과비슷한효과를얻을수있도록하는방법이다 [21]. Phase SLM을이용하여이를구현하면보다간단히구현할수있으며, 이렇게구현된시스템으로부터얻어진단일간섭무늬로부터 Fourier 평면에서 DC 항과 +1, -1차항을분리함으로써복소홀로그램을얻을수있음이보고되었다. 5. 자가간섭을이용한단층촬영기술 홀로그래픽이미징기술은대상물체로부터의파면의진폭뿐아니라위상까지기록할수있는기술로서각광을받아왔으나측정기술로서는한계가존재한다. 이는대상물체로부터발생하는파면을복소홀로그램으로부터복원하여임의의평면에대해파면을진행시키더라도탈초점 (out-of-focus) 영상을제거할수없기때문에대상물체의단층별로분리된영상을얻을수는없기때문이다. 따라서홀로 그래픽이미징기술이측정기술로서의미를갖도록하기위해서는대상물체에대한단층촬영을할수있는방법을제공하여야한다. 이에 Kelner 등은위상핀홀 (phase-pinhole) 을도입하여자가간섭의원리를이용하여단층촬영을할수있는방법을개발하였다 [22]. 이때위상핀홀은핀홀의구멍에위상차를인가할수있는핀홀을의미하며, phase SLM을이용하여쉽게구현할수있다. 그 20 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

22 림6과같은구성을이용하여기존의자가간섭홀로그피시스템과유사하게대상물체로부터의파면을두개의광경로로나누고, 두개의광경로가서로다른곡률을가진렌즈 ( 혹은거울 ) 에의해서반사된후두개의파면이동일한넓이로겹치는지점에이미지센서를위치시킨다. 이때두개의광경로는출력렌즈로부터서로다른거리에대상물체에대한초점을맺게되는데, 출력렌즈에가까운초점면에위상핀홀을위치시키면, 이핀홀에초점을맺는성분만이이미지센서상에서핀홀의 phase-shifting에따라변화하는간섭무늬를만들게된다. 따라서대상물체의 3차원공간상의핀홀에대응되는한점만이 phase-shifting에의해서유효한값으로측정이되며, 이위상핀홀의위치를 xyz 방향으로스캐닝함으로써대상물체에대한단층영상을얻을수있다. 하지만이와같은방법은단층촬영을위해 3차원공간의 xyz 좌표별로스캐닝을해야하므로촬영시간을줄일수있는연구가더필요하다고보인다. 6. 결론 본고에서는자가간섭이라는방법을이용하여홀로그래픽카메라연구에있어서중요한첫발을떼었음을살펴보았다. 특히이를통해자연광을조명으로하는야외풍경에대한복소홀로그램을처음으로기록한매우중요한연구결과가보고되었다. 자가간섭홀로그래피기술은조명에아무런제약이없기때문에이를이용하여마치일반적인디지털카메라처럼이용할수있는홀로그래픽카메라의실현가능성을엿볼수있다. 또한홀로그래픽카메라가실현된다면실사홀로그램콘텐츠를쉽게확보할수있어홀로그래픽디스플레이활성화에도큰도움이될것으로기대된다. 또한앞서살펴본바와같이홀로그래피를도입할수없었던다양한분야에홀로그래피기술을도입할수있는길을열었기에앞으로다양한응용기술들이개발될것으로예상한다. 하지만자가간섭홀로그래픽이미징기술은공간적비간섭성으로물체의점광원수가많아질수록이미지센서비트심도 (Bit depth) 의대부분이 DC 항에의해사용되고정작중요한간섭무늬정보는매우적은비 트심도를통해표현되게되는데, 이는결과적으로복원 되는영상의대비 (contrast) 가떨어지는효과로나타난 다. 따라서보통좋은품질의영상을촬영하기위해서 는비트심도가매우높은이미지센서를이용하게되는 데, 자가간섭기반홀로그래픽카메라의상용화를위해 서는비트심도를효율적으로사용할수있는방법에대 한연구가필수적이라생각된다. 참고문헌 [1] J. Hong, Y. Kim, H.-J. Choi, J. Hahn, J.-H. Park, H. Kim, S.-W. Min, N. Chen, and B. Lee, Three-dimensional display technologies of recent interest: principles, status, and issues, Appl. Opt., 50, H87-H115 (2011). [2] D. Gabor, A new microscopy principle, Nature, 161, (1948). [3] J. Upatnieks and E. N. Leith, Lensless, three-dimensional photography by wavefront reconstruction, J. Opt. Soc. Am., 54A, (1964). [4] H. Kim, J. Hahn, and B. Lee, Mathematical modeling of triangle-mesh-modeled three-dimensional surface objects for digital holography, Appl. Opt., 47, D117-D127 (2008). [5] H. Kang, T. Yamaguchi, and H. Yoshikawa, Accurate phase-added stereogram to improve the coherent stereogram, Appl. Opt., 47, D44-D54 (2008). [6] K. Matsushima, H. Nishi, and S. Nakahara, Simple wavefield rendering for photorealistic reconstruction in polygonbased high-definition computer holography, J. Electron. Imaging, 21, (2012). [7] J.-H. Park, M.-S. Kim, G. Baasantseren, and N. Kim, Fresnel and Fourier hologram generation using orthographic projection images, Opt. Express, 17, (2009). [8] T.-C. Poon, Scanning holography and two-dimensional image processing by acousto-optic two-pupil synthesis, J. Opt. Soc. Am. A, 2, (1985). [9] A. W. Lohmann, Wavefront reconstruction for incoherent objects, J. Opt. Soc. Am., 55, (1965). [10] G. Cochran, New method of making fresnel transforms with incoherent light, J. Opt. Soc. Am., 56, (1966). [11] J. Hong and M. K. Kim, Overview of techniques applicable to self-interference incoherent digital holography, J. Eur. Opt. Soc, Rapid Publ., 8, (2013). [12] S.-G. Kim, B. Lee, and E.-S. Kim, Removal of bias and 18 권 4 호광학과기술 21

23 특집 홀로그래피자연광홀로그래픽카메라기술 the conjugate image in incoherent on-axis triangular holography and real-time reconstruction of the complex hologram, Appl. Opt., 36, (1997). [13] D. N. Naik, G. Pedrini, M. Takeda, and W. Osten, Spectrally resolved incoherent holography: 3D spatial and spectral imaging using a Mach Zehnder radial-shearing interferometer, Opt. Lett., 39, (2014). [14] G. Pedrini, H. Li, A. Faridian, and W. Osten, Digital holography of self-luminous objects by using a Mach- Zehnder setup, Opt. Lett., 37, (2012). [15] J. Rosen and G. Brooker, Digital spatially incoherent Fresnel holography, Opt. Lett., 32, (2007). [16] G. Brooker, N. Siegel, V. Wang, and J. Rosen, Optimal resolution in Fresnel incoherent correlation holographic fluorescence microscopy, Opt. Express, 19, (2011). [17] M. K. Kim, Full color natural light holographic camera, Opt. Express, 21, (2013). [18] J. Rosen and G. Brooker, Non-scanning motionless fluorescence three-dimensional holographic microscopy, Nat. Photonics, 2, (2008). [19] M. K. Kim, Incoherent digital holographic adaptive optics, Appl. Opt., 52, A117-A130 (2013). [20] J. Hong and M. K. Kim, Single-shot self-interference incoherent digital holography using off-axis configuration, Opt. Lett., 38, (2013). [21] R. Kelner, J. Rosen, and G. Brooker, Enhanced resolution in Fourier incoherent single channel holography (FISCH) with reduced optical path difference, Opt. Express, 21, (2013). [22] R. Kelner, B. Katz, and J. Rosen, Optical sectioning using a digital Fresnel incoherent-holography-based confocal imaging system, Optica, 1, (2014). 약력 홍지수 2014 년 6 월 현재전자부품연구원선임연구원 2013 년 1 월 2014 년 4 월 University of South Florida 박사후연구원 2012 년 9 월 2012 년 12 월서울대학교전기공학부박사후연구원 2012 년 8 월서울대학교전기공학부공학박사 2004 년 7 월 2008 년 8 월 LG 전자기술원선임연구원 2004 년 8 월서울대학교전기공학부공학석사 2002 년 8 월서울대학교전기공학부공학사 22 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

24 본고에서는기가코리아 (Giga KOREA) 사업에서수행중인 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술개발 과제를소개한다. 먼저홀로그래픽디스플레이의국내외기술동향을살펴보고과제의기술개발추진계획과함께주요연구내용인광시야각테이블탑형 (Table-top) 홀로그래픽디스플레이기술, 대면적초고해상도공간광변조기 (SLM) 기술, 홀로그래픽데이터코덱기술, 그리고홀로그래픽디스플레이신호처리및구동엔진기술을소개한다. 1. 서론 눈에보이는장면들을그대로기록하려는인간의노 이러한현상은우리가보는것들을그대로기록하고이를 3차원으로재현시켜보려는욕구에의한것으로볼수있다. 이후 1922년에는적청안경식영화가등장하였으며 1937년에는편광필터를이용한 3차원기술이입체영상및영화로상용화를시작하였다. 이후몇번의 3차원에대한일시적인붐이일어나다가, 2009년에 3차원영화인아바타가흥행에성공하면서 3차원영상에대한관심이전세계적으로고조되었고, 양안식 3DTV 방송을실시하고있으나대중화에는이르지못하고있다. 기술적인면에서볼때, 이와같이 3차원영상은콘텐츠의부족이라는문제가있으나지속적인인기를얻지못하는가장큰이유중하나는시각적인피로감에기인한다. 현재까지상용화된 3차원입체영상은스크린상에서 특집 홀로그래피 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술 박중기 *, 김재한 *, 장은영 *, 오관정 *, 황치선 **, 문경애 *, 김진웅 *** 력은 1830년대프랑스다게르 (Daguerre) 가발명한최초의은판사진술을시작으로오늘날의고선명컬러사진으로발전하였다. 한편, 비슷한시기에찰스휘트스톤 (Charles Wheatstone) 은양안입체시에대한연구를통하여입체영상에대한원리를이해하였다 년대에는양안사진을이용하는방식을상용화한홈즈 (Holmes) 의입체경이큰인기를끌었고 1880년대에는적색과청색필터를이용하는적청안경식입체사진 (anaglyph) 이다시선풍적인인기를누렸다. 2차원영상으로구현되었으므로실제의 3차원영상을보는것과는차이가있다. 기술적으로어려운문제점으로는영상을다른각도에서볼때이에대응하는다른면을관찰할수있는이동시차 (motion parallax) 가실제와같이연속적으로완전하게제공되지못하는점이다. 아울러시청자가시각피로감을느끼지않도록시청시 3차원공간상에초점을맞추면그위치에서물체가관찰되도록할수있게하는기능의영상을제공하여야한다. 그러나이러한두가지조건을만족하는 * ETRI 방송통신미디어연구소실감방송미디어연구부디지털홀로그래피연구실 / ** ETRI 정보통신부품소재연구소스마트 I/O 플랫폼연구부스마트 I/O 제어연구실 / *** ETRI 방송통신미디어연구소 18 권 4 호광학과기술 23

25 특집 홀로그래피광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠합성 형태의입체영상재현방식은기존의스크린방식으로는가능하지않으며, 초다시점영상등이제한된기능으로이를대신할수있으나, 최적의방안인홀로그래픽영상만이유일하게완전한 3차원입체영상을제공할수있다. 미래창조과학부는국가적사업으로 2020년까지개인이무선으로기가급모바일서비스를누릴수있는스마트 ICT 환경구축을목적으로 2013년부터 2020년까지 8 년에걸쳐기가코리아사업을추진하고있다. 기가코리아사업은기가급무선네트워크 (N), 대용량콘텐츠처리및서비스플랫폼 (P), 초다시점및홀로그래픽단말 (D), 홀로그램실감형콘텐츠 (C) 등총 5개의연구컨소시움으로이루어져있다 [1]. 본고에서는기가코리아사업의홀로그래픽단말컨소시움에서수행하고있는디지털홀로그래픽테이블탑형단말과제에대하여기술한다. 먼저국내외홀로그래픽디스플레이기술동향을살펴보고, 테이블탑형홀로그래픽단말시스템의기술개발추진계획및주요연구내용에대하여기술하고자한다. 2. 홀로그래픽디스플레이기술동향 그림 1. 국내외홀로그래픽디스플레이기술현황 본장에서는디지털홀로그래픽디스플레이에대한기술동향을살펴보고자한다. 현재까지개발된홀로그래픽디스플레이는 360도시야각을제공하는것이아니라디스플레이앞쪽방향에서만홀로그램시청이가능한평판형디스플레이형태로서, 현재가용한 SLM 을이용하여홀로그램영상의크기를확대하고넓은시야각을확보할수있는디스플레이구현방식을연구하고있다. 이러한구현방식은크게 temporal multiplexing 방법, spatial multiplexing 방법, hybrid multiplexing 방법, 그리고동공추적 (eye tracking) 기반 subhologram 방법과같은네가지로분류할수있으며, 디스플레이구조는평판형디스플레이를이용하여수평방향으로직시하는방식이대부분이며아직까지홀로그래피기술을적용한테이블탑형태로구현한예는없다. < 그림 1> 은평판형홀로그래픽디스플레이에대하여미국의 MIT[2], 영국의 QinetiQ[3], 독일의 SeeReal[4], 한국의 ETRI[5, 6] 등에서개발한주요연구내용을보여준다. 3. 테이블탑형홀로그래픽단말 본장에서는기기코리아연구사업에서추진하는디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술개발과제에대한개괄적인소개및기술적특징과함께테이블탑형홀로그래픽단말시스템에대하여기술한다. 가. 기술개요기가코리아사업의테이블탑형홀로그래픽단말은이상적인홀로그램재현형태인공간상에있는것과같은입체영상을재현함으로써실재감있는텔레프레즌스 (tele-presence) 서비스를제공할수있는홀로그래픽테이블탑형디스플레이에기반한시스템으로서, 수평 360 도수직 60도의시야각과수평및수직시차의입체공간을실시간생성하고재현하기위한관련핵심요소기술을 24 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

26 그림 2. 디지털홀로그래픽테이블탑형단말개념도 개발하는것을목표로한다 [7]. 테이블탑형태의홀로그래픽디스플레이시스템의개념은아래 < 그림 2> 와같다. 특히, 기존홀로그래픽디스플레이가갖고있는제한된시야각범위를획기적으로확장함으로써, 완전입체적 3차원영상을 360도방향에서자유자재로즐길수있는홀로그래피고유의특성을실현한다는점에서매우혁신적이며도전적인과제라할수있다. 본디지털홀로그래픽테이블탑형단말개발을위해광시야각홀로그래픽디스플레이기술, 대면적초고해상도 SLM 기술, 홀로그래픽데이터코덱기술, 홀로그래픽디스플레이신호처리및구동엔진기술등핵심요소기술을개발하고, 디스플레이실용화를위한광학계최적화및소형 경량화기술개발과표준화연구를수행한다. 과제의주요기술구성을아래 < 그림 3> 에 서보여주고있다. 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술개발은기가코리아연구사업의전체추진일정에맞추어 1단계 (2013년 ~2017년 ) 및 2단계 (2018년 ~2020년 ) 로나뉘어진행된다 [8]. 1단계목표는수평 180도, 수직 30도의시야각을제공하는 10인치급컬러홀로그램재현을목표로하고있으며, 연차별로는디지털홀로그래픽테이블탑단말요구사항정의및구조연구, 구조기능설계, 단일모듈구현및검증, 다수모듈결합및검증, 통합시작품구현, 시작품검증및보완의연구개발과정을통해 1단계개발결과물로서디지털홀로그래픽테이블탑형단말통합시작품을개발한다. 2단계목표는최종적으로수평 360도수직 60도의시야각과수평 / 수직시차를갖는 20인치급컬러홀로그램의재현과홀로그래픽입체공간인터랙션기술, 햅틱기반사용자인터랙션을통한홀로그래픽 3차원영상조작및홀로그래픽데이터포맷, 화질평가등에대한국내외표준화를목표로하고있으며, 사용자친화적인홀로그래픽테이블탑단말의세계시장개척을위한실용화를추진한다. 제한된회절각을갖는 SLM으로상기와같은도전적성능목표를달성하기위해서는동공추적을이용한시야창 (viewing window) 기반의홀로그래픽디스플레이재현방식또는고속의시공간적분할 (spatial and temporal multiplexing) 기법에의해재현되는홀로그램의크기및시야각을확장하는방식에기초를두고있다. 다음절에서는홀로그래픽테이블탑디스플레이시스템의형상구조에대하여살펴본다. 나. 광시야각홀로그래픽디스플레이기술 그림 3. 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술구성도 테이블탑형홀로그래픽디스플레이는여러개의 SLM을타일링하거나, SLM으로부터재현된홀로그램영상을고속으로스캐닝함으로써시공간다중화를하여대화 18 권 4 호광학과기술 25

27 특집 홀로그래피광선분포를이용한홀로그래픽 3D 디스플레이콘텐츠합성 SLM에서발생한변조된회절광파를비구면경에수평방향으로회전시켜연속적인시야창을형성하고, 동시에수직시야각확대를위해서는 SLM을호 (arc) 형태로배열한수직공간적다중화방법을사용한다. 다. 대면적초고해상도공간광변조기기술 그림 4. 시야창방식의테이블탑형홀로그래픽디스플레이개념도 면홀로그램을넓은시야각에서관찰하도록구현할수있다 [6]. 본과제에서는 SLM을통해변조한광파를렌즈를통해동공크기의시야창으로집속하는시야창기반의홀로그래픽디스플레이방식을기본구조로하며, 생성된시야창을수평방향으로 360도회전함으로써사용자들이생성된 3차원홀로그래픽입체영상을사방에서보는것이가능한시스템이다. 시스템의공간대역폭은공간광변조기의픽셀개수에비례하므로다수의공간광변조기배열을통해공간대역폭을증대할수있다. 360도의광시야각을갖는테이블탑형홀로그래픽디스플레이구현은 SLM을원형띠형태로배열한홀로그래픽디스플레이타일링기술을통해구현가능하나, 이러한방법은다수의공간광변조기의설치에따른부피의증대및복잡한광학구조와이에따른고비용이요구되므로실효성이없는것으로판단되었으며, 효율적인시스템개발을위하여상기단점을보완한비구면거울을이용한시야창방식의테이블탑형홀로그래픽디스플레이구조를채택하였다 [8]. 기본시스템구조인시야창기반의홀로그래픽디스플레이에서는, 360도의수평시야각을가지는동시에 SLM의소요개수를줄이기위하여반사경을장착한회전모터를이용하여시공간다중화방법을사용한다. 이를위해서는 360도각시점별해당홀로그램을고속으로생성하고홀로그램영상데이터를동기화하여출력하는제어기술이사용된다. 넓은시야각과대면적홀로그램영상을구현하기위해서는초고해상도를가지는대면적 SLM이필요하게된다. 기존의상용 SLM은 Si 기반반도체기술을이용한 LCoS 기술과 MEMS 기반의 DMD(Digital Micromirror Device) 형태로제공되어왔다. 그러나이러한상용 SLM은화면의크기가대각 1인치정도의작은면적만을제공하는단점이있다. 한편현재의평판디스플레이기술은대각 100인치이상의대면적디스플레이까지도제공하지만픽셀의크기가수십 μm 이상이기때문에 SLM으로활용할경우시야각이매우작아지는단점이있다. 본과제에서는이러한기존의 SLM의한계를극복하여 1 μm급의픽셀피치를가지는 SLM을대각 5.6인치으로개발하는것을목표로하고있으며, < 그림 5> 와같이개발된기술을바탕으로대면적화가쉽게이루어질수있도록평판디스플레이처럼 Glass기반의 SLM(SLMoG, SLM on Glass) 을개발하는것을목표로하고있다. SLMoG의기본개념은 LCoS와유사하다. ECB(Electrically Controlled Birefringence) 모드를이용한반사형 LCD 디스플레이를구현하되, Glass상에서구현할수있는산화물반도체기반의 TFT를구동소자로사용하여개발하고있다. 미세한픽셀피치를구현하기위해서는인접한픽셀사이에서발생하는간섭에의한 LC의구동을방지해야하며그러 그림 5. 대면적초고해상도 SLMoG 의개념도 26 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

28 기위해서는픽셀피치보다작은 Cell gap을구현하여야한다. 이렇게작은 Cell gap을구현하기위한 LC Cell 구조개발과복굴절률의이방성이큰 LC 소재개발, 작은픽셀면적내에구동 TFT와셀 Capacitance 를구현하기위한공정기술의개발을진행중에있다. 또한이렇게초고해상도의픽셀을대면적으로구현할경우매우많은픽셀을구동하기위한구동칩과구동보드등구동기술도동시에개발하고있다. 라. 홀로그래픽데이터코덱기술홀로그래픽비디오서비스를위한핵심기술로디스플레이개발만큼중요한기술이바로홀로그래픽데이터에대한코덱기술이다. 현재홀로그래픽비디오서비스를위해고려되는비디오시스템은삼차원영상기반홀로그래픽비디오시스템과홀로그램기반홀로그래픽비디오시스템이대표적이다. 삼차원영상시스템을기반으로한홀로그래픽비디오시스템구현은기본적으로기존의삼차원영상관련프레임워크를그대로사용할수있다는면에서큰장점을갖는다. 반면에수신단측단말장치에서홀로그램을생성해야하므로이에대한부담이크다는단점과홀로그램을직접획득한경우에대해서는서비스가어렵다는단점이있다. 그러나이러한단점에도불구하고삼차원영상기반홀로그램시스템에대한서비스시나리오는기존영상서비스와호환이가능하다는장점이크다. 즉, 삼차원영상을전송하기때문에 2차원 /3차원/ 홀로그램등시청자가가진다양한단말장치에대해서비스가가능하다. 따라서현재와같이시청자가일방적으로방송을수신만하는형태의방송서비스나고사양홀로그래픽단말장치에활용할수있다. < 그림 6> 은삼차원영상기반홀로그래픽비디오시스템에대한구조도이다. 홀로그램기반코덱의경우앞서소개한삼차원영상기반코덱과달리코덱에서압축되는데이터가직접획득되거나컴퓨터생성홀로그램 (CGH, Computer Generated Hologram) 방식으로형성된홀로그램이다. 현재홀로그램압축을위해표준화된코덱은없는상황으로, 만약홀로그램기반코덱시스템이서비스화되려면추후홀로그램코덱에대한표준화가필요하다. 홀로그램기반코덱시스템이해결해야할가장큰문제점은홀로그램이라는데이터가디스플레이의존적인데이터라는점이다. 즉, 홀로그램데이터는디스플레이에사용되는광원의파장과픽셀피치에대한정보가고려되어생성된다. 따라서 A 타입의디스플레이에적합하도록생성된홀로그램의경우 B 타입의디스플레이에서는전혀다른형태의영상을재현할수도있다. 이러한문제점을보완하기위해서사용자인터렉션을통해사용자의디스플레이에관한정보를제공하거나홀로그램의파장대와픽셀피치를보정할수있는트랜스코더 (transcoder) 를이용하는방법이있다. 홀로그램기반홀로그래픽비디오시스템의경우홀로그램전용비디오서비스나홀로그램저장매체등에활용할수있다. 그림 6. 삼차원영상기반홀로그래픽비디오시스템그림 7. 홀로그램기반홀로그래픽비디오시스템 18 권 4 호광학과기술 27

29 특집 홀로그래피디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술 < 그림 7> 은홀로그램기반홀로그래픽비디오시스템에대한구조도를보여주고있다. 앞서언급했듯이홀로그래픽비디오분야의경우현재홀로그래픽디스플레이기술의성숙도가높지않고, 데이터의압축보다는홀로그램의획득, 생성및디스플레이쪽에연구역량이집중되고있는상황이다. 그러나장기적인관점에서홀로그래픽데이터압축의연구에대한필요성에는모두공감하는바이다. 또한홀로그래픽데이터압축기술에대한평가를위해서는압축기술에대한연구뿐만아니라객관적 / 주관적화질평가에대한연구도함께이루어져야할것으로본다. 마. 홀로그래픽디스플레이신호처리및구동엔진기술 관찰자에게수평방향으로 360도, 수직방향으로 60 도의시야각과수평및수직시차를제공할수있는시야창을생성하기위해서는관찰자의위치에대응하는홀로그램을실시간으로생성하고 SLM을통해동기를맞추어실시간으로재생될수있도록입력해주어야한다. 예를들어, 수평방향으로 1도간격으로시야창을생성하고수직시야각확대를위해 4개의 SLM을공간적으로다중화하고컬러를재현하며 1초에 30프레임의속도로홀로그래픽컬러영상을재현하고자할경우, 1 초에 129,600(= 360 x 4 x 3 x 30) 개의홀로그램을실시간으로생성하고제시각에제위치에서재현될수있도록 SLM에동기화시켜입력해주어야한다. 홀로그래픽디스플레이구동엔진은이러한기능을수행하기위한장치로서그기능적개념도를 < 그림 8> 에나타내었다. 홀로그래픽디스플레이구동엔진을구현함에있어세가지의주요기술적연구주제가있는데, 그첫번째는 1초에수십만개의홀로그램을생성해야하는홀로그램고속생성에관한것이다. 이는현재홀로그램생성기술분야에서집중적으로해결하고자하는주요난제로, GPU 또는 FPGA 등을사용하여그속도를획기적으로개선하고자하는많은노력이이어지고있다. 두번째주요기술적연구주제는이러한수십만개의대용량홀로그램을 SLM에동기화시켜재현할수있는출력인터페이스를제공하는것으로, 예를들어홀로그램의해상도가 Full HD급일경우 1초에수십만개의 Full HD 홀로그램을 SLM에동기를맞추어입력할수있도록영상데이터로간주된홀로그램을공간적으로다중화하고출력하는실시간인터페이스를구현한다. 세번째주요기술적연구주제는공간상에재현되는홀로그래픽 3차원영상에나타나는여러가지왜곡을저감하는기술에관한것이다. 홀로그래픽 3차원영상은광원, SLM, 광학부품등으로인해필연적으로발생하는왜곡외에도테이블탑형홀로그래픽디스플레이가갖고있는설계적인특징으로인해발생하는추가적인왜곡이존재하게된다. 즉, 광원으로인해발생하는스펙클노이즈, 렌즈등으로인해발생하는수차노이즈외에비구면거울에의해발생하는왜곡, SLM으로부터의회절광파를직시형으로관찰하지않고경사각을갖고관찰하게되어발생하는관찰왜곡등이발생할수있다. 본과제에서는이러한왜곡을저감하기위한방안으로왜곡보정기능을반영한광학부품을제작하거나왜곡보정을위한광학부품을추가하는등의광학적해결방안외에도홀로그램에대한패턴영상처리를통해해결하는방안을개발한다. 4. 결론 그림 8. 홀로그래픽디스플레이구동엔진개념도 빛의간섭성을이용하여입체정보를기록하고, 이를다시복원하여실제사물과동일한 3차원입체효과를제공하는홀로그래피기 28 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

30 술은기존의 3차원영상디스플레이방식이지니고있는시각피로와같은문제점을해결하는기술로서실제물체를보는것과같은자연스러운입체감을제공한다. 현재까지대부분의홀로그래픽디스플레이가평판형디스플레이를직시하는형태였으나, 본연구에서는테이블탑형태의홀로그래픽디스플레이를개발하여텔레프레즌스를구현하는도구로사용하며, 광고나전시및교육, 의료국방분야에 360도방향에서사람들이협업하는용도의활용방안을계획하고있다. 이러한개념의홀로그래픽디스플레이는세계최초의시도이며, 개발완료시점에서는다양한응용분야에서활용할수있으며, 국내외시장규모에비추어볼때막대한경제적효과가예상되고있다. 또한본과제에서는각구성품을모듈형태로개발하게되므로개발완료시에는광원이나 SLM 및광학모듈들이유사한광학계시스템이나다른디스플레이시스템에사용될수있게되어차세대실감방송미디어서비스를활성화시키는등의기술적인파급효과도매우클것으로기대하고있다. 감사의글 본연구는기가코리아사업의디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술개발사업 [GK14D0100] 의지원에의해수행되었습니다. 참고문헌 [1] ( 재 ) 기가코리아사업단 ( [2] St. Hilaire, P., S. A Benton, M. Lucente, J. D. Sutter and W. J. Plesniak, Advances in Holographic Video, Proc. SPIE Practical Holography Vll, pp , 1914 [3] Maurice Stanley, et al., 100 Mega-pixel computer generated holographic images from Active Tiling a dynamic and scalable electro-optic modulator system, Proc. SPIE-IS&T, vol. 5005, pp , 2003 [4] Stephan Reichelt, et al., Holographic 3-D Displays- Elector-holography within the Grasp of Commercialization, Chap. 29, 2010 [5] Minsik Park, Hyuneui Kim, Byung Gyu Chae, Joonku Hahn, Hwi Kim, Cheong Hee Park, Kyungae Moon, Jinwoong Kim, Large-Scale Digital Holographic Display with Wide Viewing Angle, Proc. The International Display Workshops, vol. 20, pp , 2013 [6] Minsik Park, Byung Gyu Chae, Hyun-Eui Kim, Joonku Hahn, Hwi Kim, Cheong Hee Park, Kyungae Moon, and Jinwoong Kim, Digital Holographic Display System with Large Screen Based on Viewing Window Movement for 3D Video Service, ETRI Journal vol.36, no.2, Apr. 2014, pp [7] 디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술개발, 범부처 Giga KOREA 사업계획서, 한국전자통신연구원, 2013 년 [8] 디지털홀로그래픽테이블탑형디스플레이기술분석서, 한국전자통신연구원기술문서 (GKDHS-SUBD-TM-001), 2014 년 18 권 4 호광학과기술 29

31 특집 홀로그래피디지털홀로그래픽테이블탑형단말기술 약력 박중기 1993 년 2 월한남대학교컴퓨터공학과공학사 1995 년 2 월충남대학교대학원전산학과이학석사 2007 년 2 월충남대학교대학원전산학과이학박사수료 1998 년 현재한국저자권위원회프로그램감정인 1995 년 현재한국전자통신연구원방송통신미디어연구소실감방송미디어연구부디지털홀로그래피연구실책임연구원 관심분야 : 홀로그래픽카메라, 디지털홀로그래피 김재한 1984 년 1990 년국방과학연구소연구원 1992 년 2000 년한국전자통신연구원선임연구원, 3DTV 연구실장 2000 년 2011 년호남대학교공과대학전자공학과교수 2011 년 현재한국전자통신연구원디지털홀로그래피연구실책임연구원 관심분야 : 3 차원영상처리, 디지털방송, 디지털홀로그래피 장은영 1999 년 2 월전북대학교공학사 2001 년 2 월광주과학기술원공학석사 2008 년 3 월 현재한양대학교공학박사과정 2001 년 2 월 현재한국전자통신연구원방송통신미디어연구소실감방송미디어연구부디지털홀로그래피연구실선임연구원 관심분야 : 비디오처리 / 압축, CG 모델처리 / 압축, 3DTV, 디지털홀로그램신호처리 오관정 1999 년 3 월 2002 년 8 월전남대학교정보통신공학과학사 2003 년 3 월 2005 년 2 월광주과학기술원정보통신공학과석사 2005 년 3 월 2010 년 2 월광주과학기술원정보통신공학과박사 2008 년 3 월 2008 년 8 월 Mitsubishi Electric Research Laboratories 방문연구원 2010 년 6 월 2013 년 2 월삼성전자종합기술원전문연구원 2013 년 3 월 현재한국전자통신연구원방송통신미디어연구소실감방송미디어연구부디지털홀로그래피연구실선임연구원 관심분야 : 2D/3D 영상처리및압축, 실감방송, 디지털홀로그래피 황치선 1987 년 3 월 1991 년 2 월서울대학교물리학과학사 1991 년 3 월 1993 년 2 월 KAIST 물리학과석사 1993 년 3 월 1996 년 2 월 KAIST 물리학과박사 1996 년 3 월 2000 년 5 월현대전자메모리연구소 2000 년 6 월 한국전자통신연구원정보통신부품소재연구소스마트 I/O 플랫폼연구부스마트 I/O 제어연구실실장 ( 책임연구원 ) 관심분야 : 산화물 TFT, SLM, AMOLED, 투명디스플레이 문경애 1985 년충남대학교계산통계학과이학사 1988 년충남대학교대학원전산학과이학석사 1997 년충남대학교대학원전산학과이학박사 1991 년 현재한국전자통신연구원방송통신미디어연구소실감방송미디어연구부디지털홀로그래피연구실실장 ( 책임연구원 ) 관심분야 : 디지털방송, 멀티미디어시스템, 디지털홀로그래피 김진웅 1981 년 2 월서울대학교공학사 1983 년 2 월서울대학교공학석사 1993 년 8 월 Texas A&M 대학교공학박사 1983 년 3 월 현재한국전자통신연구원방송통신미디어연구소소장 ( 책임연구원 ) 관심분야 : 디지털방송, 실감미디어, 홀로그래피 30 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

32 우리로광통신 주식회사 산업체 소개 Wooriro Optical Telecom Co., Ltd. 광분배기 No1. 기업 우리로광통신(주) 1998년에 설립된 우리로광통신은 초소형 광분배기 및 이와 관련된 광통신 부품을 제조하는 회사로 광 전문 기업답게 국내광통신의 메카 광주광역시 에 자리하고 있다. 사실, 우리로광통신이 회사를 설립한 1998년도의 한국경 제는 한창 IMF라는 거대 조류에 휩쓸리던 때였다. 이런 상황에서 우리로는 광통신의 미래비전 하나만을 내다보고 반드시 성공한다는 신념으로 세워졌 다. 이것이 바로 우리로광통신 칠전팔기 도전정신의 역사적 시작이다. 그림 1. 회사외부전경 상 호 : 우리로광통신(주) 주 소 : 광주광역시 광산구 평동산 단 6번로 (본점) 서울특별시 강남구 테헤란 로 114길 14, 유니온테크 빌딩 2층(지점) 전 화 : 팩 스 : 대 표 : 박세철 홈페이지 : 그림 2. 회사내부전경 18권4호 광학과 기술 31

33 우리로광통신주식회사 Wooriro Optical Telecom Co., Ltd. 산업체소개 그림 3. WAFER 그림 4. PLC CHIP 그림 5. PLC MODULE 설립이후회사는늘적자에시달렸다. 포기하고싶을때도많았지만좌절하지않았다. 어려울수록더더욱제품개발에전념했다. 그결과 2002년초소형광분배기양산을시작으로 2x64채널최초개발, 1x128채널최초개발등고기능, 고품질제품을지속적으로출시, 기술력으로시장을선도함으로써명실공히광분배기시장의대표기업으로자리잡았다. 특히Fiber Array에있어기존 v-groove를이용하지않고평판글라스위에광파이버를배열하는자체원천기술을보유하여원가경쟁력을높였으며, Wafer에있어서는업계유일 W-grade 개발 양산에성공했다. Chip 또한설계에서부터웨이퍼공정까지세계최고수준의기술을자랑하며 Module은 0.3db이하의본딩기술을보유, 연 Capa가 54만개에이른다. Wafer에서 Module 제작까지일괄생산시스템을확보, 다양한제품 line-up을보유하고있는것또한우리로광통신이가진강점이다 년 KOSDAQ 상장, 인정받은기술력으로재도약을꿈꾸다 광분배기부분의기술력을바탕으로 2010년에는국내유일한광다이오드전문기업인포토닉솔루션을인수합병하고광다이오드사업에진출했다. 포토닉솔루션구성원들은한국전자통신연구원출신으로 Photo Diode 분야에서는국내유일의개발능력과생산능력을확보한회사였다. 현재모든생산설비투자를완료하고본격적으로제품을양산 판매하고있다. 주력제품은 2.5G 10G APD chip, 10G PIN PD chip, 10G PIN TIA TO, 10G APD TIA ROSA 등이다. 광다이오드는광통신뿐아니라새로운분야로응용이가능해활용범위가무궁무진하다. 우리로광통신은광다이오드를응용한3D 센서용 APD, 방위산업용 APD 모듈등을개발하여납품이이루어지고있다. 이와동시에대전에설립된광전자연구소에서는중 그림 6. 10G PIN TIA TO 그림 7. 10G APD ROSA 32 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

34 우리로광통신주식회사 Wooriro Optical Telecom Co., Ltd. 산업체소개 장비용사각감지레이더, 레이저거리측정기등을주력으로개발하고있다. 중장비사각감지용레이더는 24GHz 협대역펄스를이용한것으로 5대이상상호간섭없이근접사용이가능한레이더이다. 레이저거리측정기는초소형광학모듈과전자조절기능을갖추고스마트폰을이용하여구동및데이터처리가가능하도록하여전문적사용과더불어일반소비층에도다양한사용이가능하도록개발을진행중이다. 이러한기술력을인정받아 2012년에는코스닥상장에성공했다. 광주광산업기업중첫번째상장으로그의미가남다르다. 코스닥상장은중소벤처기업으로시작했던우리로광통신에게 우리도할수있다 는정신을다시한번일깨워주었다. 서버스토리지진출, 우리로의새로운도전코스닥시장상장으로재도약의발판을마련한우리로광통신은최근통신기술노하우를활용한차세대수익사업의일환으로국내주요통신사와포털사이트의데이터센터에서필요로하는고성능, 저전력스토리지를개발하고공급하는서버스토리지사업에진출했다. 데이터양이방대해지면서저장공간부족으로스토리지시장은급속한성장을이루고있다. 차세대안정적인사업영역을확보하기위해우리로광통신은새로운스토리지에대한요구를파악하고스토리지업계선두주자 HGST와국내독점판권계약을체결했다. HGST가개발한헬륨드라이브는세계최초헬륨충전방식으로 3.5인치폼팩터를유지하면서도용량은증대, 전력소비는낮춘고밀도데이터센터환경에최적화된디스크이다. 공기보다 7배가벼운헬륨은공기저항으로인해기존 5중플래터를탑재했던공간에 7중플래터를탑재할수있으며, 기류로인해낭비되는전 력소모또한줄여준다. 우수한제품성능을바탕으로고객접근에유리한서울에지점사무소를설치, 영업력을집중하고있다. 우리로광통신은향후 HGST와함께국내스토리지시장의파트너로 Enterprise Business 영역을강화하는전략을함께펼쳐나갈예정이다. 인간존중과고객중심의경영, 우리로광통신우리로광통신의사훈은인간존중과고객중심의경영이다. 직원의행복이고객만족으로이어진다는경영이념아래, 직원정기건강검진, 사내동호회지원, 사택운영, 출산장려금지급, 직원자녀학자금지급, 힐링워크샵등다양한복리후생제도를운영중이다. 한편, 사원능력함양이회사발전의기초가된다는판단하에핵심인재를선정, 학위과정을 100% 지원해주고있다. 내부적으로는조직리더경영자트랙외전문가트랙을별도로운영하여부문별직무전문가성장을위한체계적프로그램을운영하는등다각적인인재육성프로그램을시행하고있다. 또한우리로광통신은본사에부설연구소, 대전에광전자연구소를운영하며매년매출액의 10% 이상을 R&D에투자하고있다. 연구에매진할수있는환경은유수의연구인력을흡수하는데도한몫했다. 경영진부터가물리학박사출신의전문엔지니어로써카이스트및서울대출신의석학들이우리로연구진으로포진해있으며, 앞으로도지속적으로우수연구인력을확충해나갈계획이다. 보유특허권만 22건, 유수의인증및상장을보유하고있다. 사람이미래이고힘이라고믿는기업, 또다른도전과내일을위해준비하고있는우리로광통신의미래가더욱기대되는이유다. 18 권 4 호광학과기술 33

35 한국광학회지 하이라이트논문소개 3 차원입체영상센싱, 이미징및디스플레이를위한집적영상및디지털홀로그래피기술 현재사용하고있는양안시차 (stereo disparity) 방식에기반한 3차원 (threedimensional: 3D) 디스플레이기술은 Real 3D를보여주기에는여러가지기술적한계가있고, 결과적으로실제사용할경우눈의피로및어지러움을동반하고있다. 이러한문제점을해결할수있는새로운형태의 3D 디스플레이시스템으로인간의시각과거의흡사한구조와원리를적용한 Real 3D 디스플레이기술로서집적영상 (Integral imaging) 방식 [ 그림1] 과홀로그래피 (Holography) 방식 [ 그림 2] 이활발히연구 되고있으며특히, Real 3D 센싱, 이미징, 디스플레이관련소자, 알고리즘및시스템구현에대한연구개발이국내외적으로활발히진행되고있다. 본논문에서는이러한새로운 Real 3D 디스플레이기술인집적영상방식과홀로그래피방식의핵심원리와특징, 요소및시스템구현기술그리고국내외연구개발현황등에대해살펴보았다. 김승철 ( 광운대학교 ) ㆍ신동학 ( 동서대학교 ) ㆍ김은수 ( 광운대학교 ) 한국광학회지제25권제4호, (2014). 그림 1. SPOC 를이용한집적영상디스플레이, 고해상 RPII 디스플레이시스템 그림 2. 서브홀로그램기반홀로그래픽 3D 디스플레이, 홀로비디오시스템 Mark III 34 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

36 한국광학회지 하이라이트논문소개 형상이차미분을이용한자유곡면형상복원법 광학이접목된제품들은광원에서출발한빛이여러광학부품들의표면을만나굴절또는반사되는특징을가진다. 진행하는빛의경로를결정하는요소가광학부품의표면형상이므로, 최종끝단부에서고품질의광특성을얻기를원하거나광학부품의수를줄이기위해서는광부품의표면형상이구면에서비구면또는자유곡면으로진화되어야한다. 자유곡면은구면이나비구면에비해설계, 제조, 측정등모든제조공정과정에서매우높은난이도를가진다. 자유곡면형상을측정하는방식은그림과같이여러대안들이제시될수있지만, 기존간섭계로측정가능한국부영역 (Dynamic range) 으로나누어측정하는 Sub-aperture 방식이대안이될수있다. 특히측정된국부형상을그대로이용하거나, 국부형상의일차미분을이용하는방법보다는국부형상의이 차미분을활용하는방법이수학적으로강력한장점을가진다. 왜냐하면국부형상의이차미분값은형상고유의성질 (intrinsic parameters) 인곡률의개념이므로측정과정에서발생하는각종시스템오차들과독립성을보인다. 하지만, 이차미분값을활용해자유곡면형상을복원하기때문에수식적으로매우복잡한특징이있다. 본논문에서는측정표면에대해수직하게국부영역을측정한다는가정하에형상과이차미분의관계식을유도하였으며, 아래식과같이국부영역에서측정된 3개의이차미분항을이용해자유곡면형상을복원하는방법을제시하였다. 제안된형상복원법을검증하기위하여임의로생성시킨 Zernike 계수를이용해자유곡면을생성시키고, 이를대상으로실제측정과동일한과정을통해이차미분값을획득하여형상을복원시키는과정을구현하였다. 또한이차미분값측정중에발생할수있는노이즈를다양하게부여하여노이즈에대한복원형상의오차민감도도확인하였다. The overview of freeform surface metrology 김병창 ( 경남대학교 ), 김대욱 (University of Arizona), 김건희 ( 한국기초과학지원연구원 ), 한국광학회지제25권제5호, (2014). 18 권 4 호광학과기술 35

37 학회소식식소회학 학회소식 2014년도 한국광학회 하계학술발표회 개최 한국광학회는 2014년도 하계학술발표회를 2014년 8월 25일(월)부터 27일(수)까지 제주 국제컨벤션 센터에서 개최하였다. Kathleen Richardson (Univ. of Central Florida) 교수, 박남규 (서울대) 교수, Jurgen Popp (Friedrich-Schiller University Jena) 교수, 김윤호 (포항공대) 교수의 총회 초청 강연이 있었으며, 김정원 (KAIST) 교수, 김태근 (고려대) 교수의 광학 특강이 있 었다. 이번 학술발표회에서는 국내외 학자 480여 명이 참석하였고, OSK-OSJ Joint Symposium(Si Photonics)와 교육위원회, 3D 내 시경 생체영상 스페셜 세션도 함께 열려 성황리에 개최되었다. 회원동정 한국과학기술연구원 이상배 박사, OSA Fellow 선정 한국과학기술연구원 이상배 박사가 연세대학교 박승한 교수, ICO Vice-President 선출 연세대학교 박승한 교수가 I C O 미국 광학회 펠로우(Optical Society of America Fellow)로 선정되었다. (International Commission for Optics) 의 Vice-President 로 선출되 었다. KAIST 이용희 교수, IEEE Photonics Society Engineering Achievement Award 수상 한국과학기술원 이용희 교수가 2014 IEEE Photonics Society (IPS) Engineering Achievement Award 수 상자로 선정되었다. 36 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

38 광자기술 학술회의 (PC 2014) 일 시 : 2014년 11월 26일 ~ 28일 장 소 : 라마다프라자 제주호텔 한국광학회 정기 학술발표회 한국광학회 제 26회 정기총회 및 2015년도 동계 학술발표회 일 시 : 2015년 1월 28일 ~ 30일 장 소 : 대전컨벤션센터 한국광학회 2015년도 하계 학술발표회 일 시 : 2015년 7월 13일 ~ 15일 장 소 : 경주화백컨벤션센터 Conferences + Exhibitions Date/Location IEEE PHOTONICS CONFERENCE Oct - 16 Oct 2014 / California, USA The 3rd International Symposiumon Laser Interaction with Matter 19 Oct - 22 Oct 2014 / Jiangsu, China Frontiers in Optics:The 98th OSA Annual Meeting and Exhibit/ LaserScienceXXX 19 Oct - 23 Oct 2014 / Arizona, USA 33rd International Congresson Applications of Lasers & Electro-Optics 19 Oct - 23 Oct 2014 / California, USA IES Annual Conference 26 Oct - 29 Oct 2014 / California, USA Latin America Optics & Photonics Conference(LAOP) 16 Nov - 21 Nov 2014 / Mexico Advanced Solid-State Lasers 16 Nov - 21 Nov 2014 / China MRS Fall Meeting & Exhibit 30 Nov - 5 Dec 2014 / Massachusetts, USA Optics and Photonics for Energy & Environmental Applications(E2) 2 Dec - 5 Dec 2014 / Australia Optical Nanostructures and Advanced Materials for Photovoltaics(PV) 2 Dec - 5 Dec 2014 / Australia Optics for Solar Energy(SOLAR) 2 Dec - 5 Dec 2014 / Australia Solid-State and Organic Lighting(SOLED) 2 Dec - 5 Dec 2014 / Australia 18권4호 광학과 기술 37

39 Date Event Location 9-11 October 2014 SPIE/COS Photonics Asia Beijing, China October 2014 SPIE Asia Pacific Remote Sensing Beijing, China October 2014 International Seminar on Photonics, Optics, and Applications 2014 Sanur, Bali, Indonesia 38 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014

40 한국광학회 2014년도 신규가입 회원명단 現 정회원(16명) 성 명 소 속 성 명 소 속 송원국 엠지비엔도스코피 연구소 김 찬 경북대학교 물리학과 신민선 엠지비엔도스코피 연구소 박영제 한국해양과학기술원 해양위성센터 이휘종 엠지비엔도스코피 연구소 이준협 명지대학교 화학공학과 유훈(B) 상명대학교 미디어소프트웨어학과 강성삼 고려대학교 물리학과 양정원 한국전기연구원 첨단의료기기연구센터 최해운 계명대학교 기계자동차공학과 고진석 국가핵융합연구소 경계플라즈마연구부 김태근 고려대학교 전기전자공학부 한국표준과학연구원 나노측정센터 이윤상 숭실대학교 물리학과 한국과학기술원 물리학과 임정운 한국광기술원 레이저-IT연구센터 만게쉬 디와레 정희재 학생회원(76명) 성 명 소 속 성 명 소 속 윤준호 인하대학교 물리학과 김희재 인하대학교 정보통신공학과 김요셉 포항공과대학교 물리학과 오정석 한국과학기술원 물리학과 이다예 단국대학교 물리학과 차성우 한국과학기술원 물리학과 형경초 한양대학교 생체공학과 이성근 인하대학교 정보통신공학부 박준한 아주대학교 에너지시스템학과 임홍기 인하대학교 정보통신공학부 김태형(C) 아주대학교 에너지시스템학과 천홍진 서울대학교 전기정보공학부 권현수 아주대학교 에너지시스템학과 강병선 인하대학교 정보통신공학부 최성웅 한동대학교 첨단그린에너지환경학과 염한주 인하대학교 정보통신공학부 심현보 연세대학교 기계공학과 신용승 경북대학교 전자공학부 강민욱 연세대학교 기계공학과 라케시 경북대학교 전자공학부 권구원 건국대학교 의학공학부 김강해 경북대학교 전자공학부 김동수 조선대학교 첨단부품소재공학과(정밀기계전공) 공문식 충남대학교 물리학과 무하메드 파이잔쉬라지 경북대학교 전자공학부 조영실 한국산업기술대학교 나노광공학과 강혁모 라현운 한국산업기술대학교 나노광공학과 김준태 한국산업기술대학교 나노광공학과 루치러 에란가 헨리 위제싱허 남득영 한국산업기술대학교 나노광공학과 문정호 고려대학교 물리학과 지병관 인하대학교 정보통신공학부 고학석 고려대학교 물리학과 신주엽 조선대학교 기계시스템공학과 김현호 조선대학교 첨단부품소재공학과 강현재 한국과학기술원 기계공학과 이한결 한국과학기술원 물리학과 연세대학교 천문우주학과 경북대학교 전자공학부 이정민(B) 한국과학기술원 물리학과 박찬혁 국민대학교 신소재공학부 라비찬드란 나레쉬 쿠마르 現 경북대학교 전자공학부 18권4호 광학과 기술 39

41 성 명 소 속 성 명 소 속 김도원 부산대학교 차세대기판학과 전덕민 경북대학교 전자공학부 문미림 충남대학교 물리학과 박재나 고려대학교 바이오의공학과 박병권 충남대학교 물리학과 임재영 고려대학교 생체의공학과 김선우 충남대학교 물리학과 지용구 고려대학교 바이오융합공학과 김태성 울산대학교 물리학과 차석경 고려대학교 바이오융합공학과 조아라 광주과학기술원 기전공학부 김혜림 공주대학교 광공학과 정근호 광주과학기술원 의료시스템학과 장도근 광주과학기술원 광공학응용물리학제전공 제프필립스 광주과학기술원 정보통신공학부 강상훈 부경대학교 의공학과 누엔티엔 광주과학기술원 의료시스템학과 정재철(B) 룩루수안 한양대학교 물리학과 채유경 부경대학교 의생명융합공학협동과정 박창훈 연세대학교 기계공학과 신진수 한국과학기술원 전기전자공학과 김동선 충북대학교 물리학과 안명수 한국과학기술원 바이오 및 뇌공학과 이진호 충북대학교 물리학과 황경민 한국과학기술원 바이오 및 뇌공학과 김성철 광주과학기술원 의료시스템학과 박인원 한국과학기술원 나노과학기술대학원 류영재 광주과학기술원 의료시스템학과 김예슬 한국과학기술원 나노과학기술대학원 최동혁 광주과학기술원 의료시스템학과 안소연 한국과학기술원 나노과학기술대학원 양희진 연세대학교 전기전자공학 제정우 한양대학교 물리학과 최한솔 한국기계연구원 첨단생산장비연구본부 부경대학교 기계공학과 한국광학회 2014년도 후원사 명단 現 특별회원 회사명 우편번호 주 소 HOMEPAGE 한국광산업진흥회 광주 북구 첨단4로 5 에드몬드 옵틱스 코리아 서울시 영등포구 여의도동 44-2번지 태양빌딩 606호 L2K 플러스 대전 유성구 용산동 미건테크노월드 삼성테크윈 경기도 성남시 분당구 삼평동 701 삼성테크윈 R&D센터 5층 B존 오토닉스 양산공장 경상남도 양산시 웅비공단길 116 오토닉스 양산공장 연구지원팀 40 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2014