디지털 홀로그래픽 디스플레이 연구개발...
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주간기술동향 통권 1406호 2009. 7. 22.
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디지털 홀로그래픽 디스플레이 연구개발 동향
최현준* 서영호** 김동욱***
3 차원 입체 영상을 표현하기 위해 많은 기술들이 연구 개발되고 있으나, 궁극적으로 인간이 원하는 완
전 입체시를 실현하기 위해서 시청 위치의 제약이 없고 자연스런 화상표현이 가능한 홀로그래피가 주목 받
고 있다. 또한 최근 홀로그램의 획득, 처리, 저장, 재생 등의 전 과정이 디지털화됨에 따라 디지털 홀로그래
피의 관련 분야에 대한 연구들이 크게 증가하고 있다. 본 고에서는 차세대 디스플레이 기술로 주목 받고 있
는 디지털 홀로그래피의 국내외 관련 연구개발 동향에 대해 살펴보고자 한다. 국외의 경우 디지털 홀로그래
픽 디스플레이를 위한 신호처리기술, 하드웨어 설계, 시스템 제작, 시제품 출시 등의 연구개발이 학계와 연
구소를 중심으로 활발히 진행중이지만, 국내의 경우 대부분의 연구가 대학에서 진행되고 있고 디스플레이
분야에 국한되어 있어 관련 요소기술에 대한 폭 넓은 연구 개발과 연구소 및 산업체의 참여가 필요한 실정
이다. ▨
I. 서 론
본 고에서는 최근 차세대 디스플레이로 주목 받
고 있는 디지털 홀로그래피와 이를 위한 기반 기술
들의 연구개발 동향을 소개한다.
홀로그램은 은염 사진필름을 사용하여 물체의 영
상을 기록하여 재생한다. 다만 이때 사용되는 홀로
그램 필름은 물체의 세밀한 부분까지 기록할 수 있
도록 분해능(sampling rate)이 크다는 것이 일반 사
진과 다를 뿐이다. 그러나 사진이 3D 로 물체를 재
생하지 못하는 이유는 물체의 밝고 어두운 모습만
기록할 뿐, 물체의 위치, 즉 사람의 눈으로부터 물체
의 여러 부분까지의 거리를 기록하지 못하기 때문이
다. 물체의 밝고 어두운 정도를 광파의 진폭으로 나
타낸다면 물체의 위치는 그 광파의 위상으로 나타낼
수 있는데, 이 진폭과 위상을 모두 기록할 수 있어야
목 차
* 광운대학교 융합미디어 연구소/전임연구원
** 광운대학교 융합미디어 연구소, 교양학부
IT 전공/교수
*** 광운대학교 융합미디어 연구소, 전자재료
공학과/교수
I. 서 론
II. 디지털 홀로그래피
III. 컴퓨터 생성 홀로그램
IV. 해외 기술 동향
V. 국내 기술 동향
VI. 결 론
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완전한 입체영상을 재현할 수 있다. 사진이 자연광 또는 형광등 등의 실내등 같은 가간섭성
(coherence)이 낮은 광을 사용하여 카메라 렌즈로 필름에 상을 집속시켜 기록하는데 반하여 홀
로그램은 간섭이라는 광학적 원리를 이용하여 물체를 필름에 기록한다. 따라서 홀로그램을 위해
서는 레이저와 같은 가간섭성이 높은 빛을 사용한다. 간섭무늬의 형태로 물체의 영상이 기록된
사진필름을 홀로그램이라 하며 홀로그램을 기록하여 입체영상을 복원하는 기술을 홀로그래피라
고 한다. 홀로그램에 기록된 간섭무늬(interference fringe)에 담겨진 물체의 정보는 회절
(diffraction)이라는 광학적 원리를 이용하여 실제 공간상에 입체영상으로 재생시킬 수 있다[1].
홀로그래피는 1948년 헝가리 태생의 Dennis Gabor 박사에 의하여 시작되었다. Gabor 박사
가 처음 홀로그램을 제작할 당시에는 레이저가 발명되기 전이었기 때문에 물체의 상을 뚜렷이
기록할 수 없어 많은 어려움을 겪었다. 따라서 홀로그래피 기술이 관심을 끌지 못하였는데
1960 년대에 레이저가 개발되면서 미국의 Leith 교수에 의하여 깨끗한 3 차원 물체의 투과형
(transmission type) 홀로그래피가 소개되었다[1]. 이와 거의 같은 시기에 러시아의 과학자인
Denisyuk 는 이제까지의 투과형 대신 반사형(reflection type) 홀로그램을 제작하는 기술을 개
발하였으며, 이로부터 백색광원으로 홀로그램을 재생할 수 있게 되었다. Denisyuk 의 홀로그램
은 투과형과는 달리 물체파(object wave)와 기준파(reference wave)를 서로 반대 방향에서 입
(그림 1) 디스플레이 기술의 발전 전망
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사시켜서 제작하는 방식으로 이때 간섭무늬는 사진필름면의 방향과 평행한 형태로 기록된다. 이
때문에 그가 개발한 반사형 홀로그램은 파장 선택성이 뛰어나 컬러로 재현할 수 있다는 획기적
인 특징을 지니고 있다. 그러나 그 당시에는 반사형 홀로그램의 특성상 밝은 홀로그램을 얻기가
어렵고 제작이 까다로워 실험실에서 주로 제작되어 거의 상품화되지 못하였다.
그 후로 홀로그램의 제작단가가 낮아져 상품화가 이루어지기 시작하였으며 응용분야도 확장
되는 계기가 되었다. 1977년에는 미국의 Cross에 의해 멀티플렉스 또는 스테레오 홀로그램이
개발되었는데 이 홀로그램 역시 무지개 홀로그램과 마찬가지로 백색광으로 볼 수 있을 뿐 아니
라 물체의 여러 방향의 모습을 기록할 수 있어 입체감이 뛰어나다는 특징을 지니고 있다.
최근 디지털 홀로그래피 방식의 입체 TV 에 대한 기초연구가 미국의 MIT, 일본의 NHK,
ATR, 독일의 HHI 등을 중심으로 진행중이다. 이처럼 홀로그래피 방식은 가장 완벽한 입체 기
술로써 광 홀로그래피 및 디지털 홀로그래피 방식을 기반으로 하는 3DTV 시스템에 대한 연구
가 활발히 진행되고 있으며, (그림 1)과 같이 2012년경에 상용화 될 것으로 전망된다.
II. 디지털 홀로그래피
디지털 홀로그래피는 광학장비 대신 전자장비를 이용하여 간섭 패턴을 기록하는 방식으로
홀로그래피의 간섭 패턴을 CCD 카메라에 기록하고 비디오 신호로 전송하여 수신단에서 SLM
(Spatial Light Modulator)에 재생된 간섭 패턴에 레이저광을 조사함으로써 홀로그래픽 3 차원
영상을 복원하는 기법이다. (그림 2)에서 디지털 홀로그래픽 시스템의 구성을 보이고 있다. 디지
(a) 기록 (b) 복원
(그림 2) 디지털 홀로그램
Laser
CCD
BS
BE
L1L2
O
R
PC3D Object
Laser
BS
BE
L1
PCReconstructed
Object SLM
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털 홀로그램은 기존의 광학 홀로그램에 의한 기법과 동일하게 레이저 광을 집광 렌즈로 평행광
으로 만들고, 빔 분리기(Beam Splitter, BS)로 참조파와 객체파로 나눈다. 객체파는 객체에 조명
된 다음 참조파와 직접 CCD 에 조사되어 간섭 패턴 즉 디지털 홀로그램을 형성한다. 간섭무늬
정보는 SLM 에 인가되고 여기에 평행광을 조사하면 1 차 회절광이 발생하여 3 차원 객체를 재
생할 수 있다.
홀로그램은 (그림 2)와 같은 광학 시스템을 이용하여도 취득할 수 있지만 이러한 광학 시스
템 자체를 수학적으로 모델링한 연산에 의해서 취득할 수도 있다. 이러한 수학적인 연산을 통해
얻어진 홀로그램을 컴퓨터 생성 홀로그램(computer generated hologram, CGH)[2]이라고 한다.
III. 컴퓨터 생성 홀로그램
컴퓨터에 의한 홀로그램의 제작은 1960 년대 중반 이후부터 시작된 것으로, 근본적으로 식
(그림 2)에서 보인 물체파와 기준파의 간섭에 의해 생성되는 간섭항을 계산함으로써 현실에서는
불가능한 이상적인 특성을 가진 객체를 제작하거나, 이상적인 것에 대비한 현실 객체의 특성시
험 등을 위해 개발되었으며, 현재 여러 가지 방식들이 고안되어 있다. <표 1>에서 CGH의 종류
와 특징 및 응용에 관해 종합하였다[1]. 이미 언급한 것과 같이 파면의 간격이 시간과 공간에
걸쳐 일정하게 유지되는 가간섭성 광이 어떤 형태를 가진 물체에 부딪쳐 반사될 때에는 그 반사
된 광의 파면은 물체의 형태에 비례하여 달라진다.
즉 파면의 위상이 물체의 형상에 따라 변화하게 된다. 그러므로 물체의 형상에 관한 좌표의
정보가 있으면 형상에 따라 변화하는 파면의 위상변화는 기하광학적(geometrical optics)인 광
선추적에 의해 쉽게 계산된다. 그 계산 과정의 순서는 다음과 같다
① 계산하고자 하는 물체의 표면을 3 차원 좌표 내에 나열된 점들로 표시하고, 각 점에서부
<표 1> CGH의 종류와 특징 및 응용
CGH 종류 진폭 투과율 분포 특징 응용 예
Lohmann형 Binary(1,0) 진폭과 위상을 따로 변조 3차원 표시, 간섭계측, 필터
Off-Axis 형 Gray level Binary 참조광과 Bias 항을 도입 홀로그래픽 비디오
간섭호형 Binary 파면의 등위상선을 그림 간섭계측, 스캐너
Lee 형 Gray Level Binary 실부와 허부를 분리하여 따로 변조 간섭계측
Kinoform 일정 파면을 요철로 기록, On-Axis 로 재생 필터, 3-D 표시
기타 - Fresnel Zone Plate 이상적인 구면파 제작
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터 홀로그램판상의 각 점까지의 거리를 계산한다.
② Huygens 원리에 따라 물체 표면의 한 점에서 고유 위상을 가진 광파가 나온다고 가정할
수 있다. 따라서 홀로그램 상의 한 점에 입사하는 물체로부터의 광파는 물체의 전 표면에
서 오게 되므로 물체의 각 점에서 이 점까지의 거리를 각 광파의 위상으로 변환하고 그
광파들을 모두 합치면 홀로그램 한 점에서의 물체파가 계산된다.
③ 기준파의 경우 평면파의 수직방향 성분은 홀로그램의 모든 점에서 동일한 위상을 가지게
되므로 수평방향 성분만 위치별로 위상차를 가지게 된다.
④ 홀로그램의 한 점에서 계산된 물체파와 이 기준파를 합하여 빔강도를 구하고 시간 평균을
취하면 이점에서의 상대적인 빔 강도가 구해지므로, 판의 다른 점에서의 빔 강도를 구하
여 같은 빔 강도를 가지는 점들을 연결하면 간섭무늬가 얻어진다. 이것이 컴퓨터 생성 홀
로그램이다.
IV. 해외 기술 동향
1. 북미
북미에서는 주로 대학을 중심으로 홀로그래피 관련 연구가 진행되고 있다. 미국의 MIT 미디
어랩은 AOM(Acouto-Optic Modulator)과 LCD 방식을 이용하여 홀로그램 동영상 재생 시스템
인 ‘HoloVideo’를 개발하였으며, 디지털 홀로그램형 5 인치급 3D 동영상을 시연하였다[3]. 또
한 홀로그래픽 스테레오그램, 햅틱 홀로그램 등 다양한 홀로그래피 응용분야를 연구하고 있으며
(그림 3)과 같다. MIT에서는 CW 레이저를 사용하고 있어 AOM에서 음향파의 진행에 따른 상
의 흐름을 보상해 주기 위하여 회전다면경을 사용한다. 서던 캘리포니아대학에서는 (그림 4)와
같이 홀로그램 분산기가 붙어 있는 거울이 회전하면서 입체 영상을 만들어 내는 “Interactive
360 light field display” 시스템을 개발하였다[4]. Connecticut 대학에서는 디지털 홀로그램의
부호화를 위한 기술을 개발하였고[5], Verginia 공대에서는 광헤테로다인을 통해 레이저들이 만
드는 간섭무늬를 MHz 대의 전기신호로 바꾸어 저장하여 고해상도의 CCD 없이도 효과적으로
홀로그램을 저장할 수 있는 ‘광주사 홀로그래피(optical scanning holography)’ 기술을 개발하였
다[6]. ITI는 오토 스테레오그램 기술, DMA는 홀로그램 및 체적영상 기술, 캘리포니아 대학은
3D 입체 전자 박물관을 시연하였다. 캐나다의 McGill대와 CRC 연구소는 휴먼 팩터 및 3D 시
청 환경 등에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.
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2. 유럽
유럽에서는 프로젝트 그룹인 3DTV NoE를 주축으로 홀로그래피 연구가 진행되고 있다[7].
LMLG에서는 30개의 P3/800Mhz CPU를 사용하는 실시간 디지털 홀로그램 생성기를 개발하
였고, MPI 에서는 PC 에 사용되는 그래픽 프로세서(Geforce 7800)를 이용하여 실시간 디지털
홀로그램 생성기를 개발하였다[8]. Bilkent 대학에서는 (그림 5)와 같은 SLM 기반의 홀로그래
픽 디스플레이 시스템과 원형 스크린을 이용한 volumetric 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 개
(그림 3) MIT 미디어 랩의 홀로그래피 관련 기술들; 홀로그래픽 스테레오그램, HoloVideo, 햅틱 홀로그램
(그림 4) 서던캘리포니아대학의 “Interactive 360 light field display” 시스템
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발하였다. SeeReal 에서는 2007 년 세계 최초로 20 인치급 홀로그래픽 프로토타입 디스플레이
장치인 ‘VISIO20’을 개발하여 출시하였다((그림 6) 참조)[9].
3. 일본
일본의 RIKEN과 치바대에서는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 사용한 실시간
홀로그래픽 시스템을 제작하였고[10], 최근에는 GPU(Graphic Processor Unit)을 이용하여 실
시간으로 디지털 홀로그램을 생성하는 시스템을 개발하였다[11]. 또한 R, G, B의 LED를 이용
한 컬러 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 개발하고 있다((그림 7) 참조). NHK에서는 (그림 8)
(그림 5) Bilkent 대학의 홀로그래픽 디스플레이 시스템
(그림 6) SeeReal 의 VISIO20
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(그림 8) NHK의 autotereoscopic 고해상도 홀로그래픽 디스플레이 시스템
(그림 7) Chiba대학의 FPGA 기반 실시간 컬러 홀로그래픽 디스플레이 시스템과 복원영상
(그림 9) 니혼대의 원통형 홀로그래피 기술 및 복원 영상
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과 같은 HD급 SLM을 이용한 autotereoscopic 고해상도 디스플레이 시스템을 제작하였고, 스
쿠바대에서는 회절근사치를 이용하여 512×256 크기의 구면 홀로그램을 제작하였다. 니혼대에
서는 컬러 홀로그래픽 디스플레이 기술, 원통형 홀로그래피(cylindrical holography) 기술((그림
9) 참조), 프린지 프린팅(fringe printing) 기술, AOM 과 LCD 방식을 이용한 홀로그램 동영상
재생 시스템을 구축하였다[12].
V. 국내 기술 동향
국내에서는 ETRI, 광운대, KIST, 광주과기원, 서울대, 충남대, 세종대 등에서 디지털 홀로그
램과 CGH 를 기반으로 하는 홀로그래픽 시스템에 대한 기초연구를 진행중이다. ETRI 에서는
Z-cam을 기반으로 하는 실사영상의 디지털 홀로그래픽 디스플레이와 컬러 디지털 홀로그래피
에 대한 연구 개발을 진행하였다((그림 10) 참조). 광운대에서는 동영상 표준 코덱을 이용한 디
지털 홀로그램의 압축방식, 고속 CGH 생성 기술, 디지털 홀로그램의 보호 및 보안 기술, 컬러
(그림 11) 광운대의 홀로그래픽 디스플레이 시스템 및 복원영상
(그림 10) ETRI 의 홀로그래픽 디스플레이 시스템 및 복원영상
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홀로그래픽 디스플레이 기술 등과 같은 홀로그래피와 관련된 전반적인 기술 개발을 진행중이다
((그림 11) 참조)[13]. 또한 다시점 카메라를 이용하여 여러 장의 실사영상을 획득한 후 각 영상
사이의 시차정보를 추출하여 디지털 홀로그램을 생성하는 연구를 진행하고 있다. 충남대에서는
홀로그래피 기술을 보안 인증분야에 응용하는 연구를 진행하였고[14], 세종대에서는 광주사 홀
로그래피 연구를 진행하고 있다((그림 12) 참조). KIST는 MIT 방식을 발전시켜 폴리곤 미러를
대체하는 정지 미러세트를 개발, 수평 방향의 AOM 배열로 인한 해상도를 향상시키는 홀로그래
픽 동영상 표시 장치를 개발, 홀로그래픽 동영상 표시 장치에 적용 가능한 CGH 연산 방법론 연
구와 디지털 홀로그램 기술과의 접목을 통한 홀로그램 데이터 입출력 시스템을 연구 중에 있다.
KIST 의 시스템은 펄스레이저를 사용하고 회전 다면경을 대신하여 정지된 다면경 세트를 이용
하여 시스템을 훨씬 소형화, 간소화 하였다[15].
VI. 결 론
본 고에서는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술의 기본원리와 연구개발 동향을 살펴보았다.
앞으로 평면 디스플레이 장치를 대체할 차세대 디스플레이 기술에 대한 전망은 입체시를 중요시
하는 다시점(multi-view) 디스플레이와 화면 해상도가 증가함에 따른 현장감/몰입감의 증가를
중요시하는 UHD(ultra-high definition) 디스플레이 등으로 분분한 실정이다. 하지만 그 이후의
디스플레이 기술은 홀로그래피로 발전할 것이라는 전망에는 모든 의견이 일치한다. 이처럼 디지
털 홀로그래픽 디스플레이는 디지털 홀로그램의 생성시간, 대용량 데이터의 처리 기술, SLM 제
조 기술의 발전 등이 수반된다면 차세대 디스플레이를 위한 기술로 쓰일 수 있으리라 사료되며
(그림 12) 세종대의 OSH 디스플레이 시스템 및 복원영상
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계속되는 홀로그래픽 디스플레이에 대한 연구는 그 시기를 앞당길 수 있을 것이다.
<참 고 문 헌>
[1] 손정영, “홀로그래피의 원리와 응용”, 봉명, 2004.
[2] B. R. Brown and Adolf W. Lohmann,“ Complex spatial filtering with binary masks,” Applied Optics,
Vol.5, June 1966, pp.967-969.
[3] MIT Media Lab., http://www.media.mit.edu/spi/index.html
[4] USC, http://gl.ict.usc.edu/Research/3DDisplay/
[5] University of Connecticut, http://www.engr.uconn.edu/ece/labs/ospclab/index.html
[6] Virginia Tech., http://www.ece.vt.edu/tcpoon/
[7] 3DTV NoE, http://www.3dtv-research.org/
[8] L. Ahrenberg, P. Benzie, M. Magnor, and J. Watson, “Computer generated holography using
parallel commodity graphics hardware,” Optics Express, Vol.14, No.17, Aug. 2006.
[9] SeeReal, http://www.seereal.com/
[10] T. Shimobaba, A. Shiraki, N. Masuda, and T. Ito, “Electroholographic display unit for three-
dimensional display by use of special-purpose computational chip for holography and reflective
LCD panel,” Optics Express, Vol.13, No.11, May 2005.
[11] N. Masuda, T. Ito, T. Tanaka, A. Shiraki, and T. Sugie, “Computer generated holography using a
graphics processing unit,” Optics Express, Vol.14, No.2, Jan. 2006.
[12] Opto-Electronics Lab., http://panda.ecs.cst.nihon-u.ac.jp/oyl/index.html
[13] DDnT Lab., http://ddntlab.kw.ac.kr
[14] 윤진선, 김남, “광기술을 이용한 차세대 정보보안 기술”, 한국통신학회지(정보통신), 제 19 권 8 호,
2002. 9, pp.137-145.
[15] J. Y. Son, S. A. Shestak, V. M. Epikhin, J. H. Chun, and S. K. Kim, “Multichannel acousto-optics
Bragg cell for real-time electroholography,” Applied Optics, Vol.38, No.14, pp.3101-3101, May
1999.
* 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITA의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.