홀로그래픽 라이트필드 3D 디스플레이: AR 위한 선명하고 왜곡 없는 시야 구현

• 추가적인 무거운 광학 장치 없이 3D 디스플레이의 시각적 왜곡을 제거하는 새로운 방법
• 시스템이 공간에 선명한 3D 이미지를 생성해 AR 애플리케이션에 적합

우리는 주로 키보드와 2D 터치 패널을 통해 디지털 콘텐츠와 상호작용합니다. 그러나 가상현실(VR)과 증강현실(AR) 기술은 요즘 이러한 제약에서 더 많은 자유를 약속하고 있습니다.

VR/AR 기기에는 단점이 있습니다. 예를 들어 입체시 기반 설계로 인해 눈의 피로, 현기증, 멀미를 유발하는 경향이 있습니다. 이러한 기기를 장시간 사용하면 메스꺼움과 왜곡감이 증가하는데, 이는 VR 멀미로도 알려져 있습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 벨기에와 일본의 연구자들은 홀로그래피와 라이트필드 기술의 조합을 탐구하기 시작했습니다. 추가 장비가 필요하지만, 상업적 성공을 달성할 수 있도록 크기와 비용을 낮추려 노력했습니다.

작동 원리

물체의 특성(크기, 색상, 질감, 높이, 거리 등)은 물체가 서로 다른 방향으로 서로 다른 강도로 산란시키는 빛에 의해 정의됩니다. 인간의 눈은 이러한 변조된 광선을 보고 신호를 뇌로 보내 그곳에서 특성들이 재현됩니다.

홀로그래피와 라이트필드 디스플레이 장치 같은 진정한 3D 디스플레이는 실제 물체 없이도 동일한 변조 광선을 생성할 수 있습니다. 그러나 물체의 모든 특성을 정확하게 재구성하는 것은 비용이 많이 드는 과정입니다.

그렇기 때문에 연구자들은 먼저 필요한 변조를 계산한 다음 LCD를 사용해 데이터를 빛 신호로 변환했습니다. 이 신호들은 빔 결합기, 거울, 렌즈 같은 다른 광학 기기들에 공급됩니다.

그들은 여러 광학 모듈의 역할을 복제할 수 있는 얇은 감광성 요소 층을 가진 홀로그래픽 광학 요소를 개발했습니다. 이는 대부분 유리로 만들어지며 디스플레이의 품질과 성능을 결정합니다.

여러 광학 구성 요소를 한 번에 기록/인쇄하기 위해 팀은 DDHOE(Digitally Designed Holographic Optical Element)라는 방법을 개발했습니다. 이 방법은 실제 구성 요소가 물리적으로 존재하지 않아도 다양한 광학 구성 요소의 모든 특성 특징을 기록할 수 있습니다.

출처: The Optical Society

기본적으로 모든 구성 요소 특징의 홀로그램을 측정하고 레이저와 LCD를 사용해 광학적으로 함께 재현하는 것이 목표입니다. 최종 광학 신호는 모든 실제 구성 요소가 함께 변조한 빛과 유사합니다. 기록된 홀로그램은 최종적으로 감광성 물질의 얇은 시트에 투영됩니다.

(a) DDHOE 렌즈 어레이, (c) 컴퓨터 생성 3D 장면, (d) 최종 3D 이미지 | 출처: Boaz Jessie Jackin

팀은 이미 이 기술을 헤드업 라이트필드 3D 디스플레이에 테스트했습니다. 이는 3D 사진/비디오를 출력하는 투과형 시스템이므로 AR 분야에서 다양한 응용이 가능할 것입니다.

유리(마이크로렌즈 어레이 필름)에 다중 뷰 사진을 표시하기 위해 시스템은 기존 2D 프로젝터를 사용합니다. 이 얇은 필름은 프로젝터에서 오는 빛을 변조하여 공간에 3D 이미지를 재현합니다.

기존 방법과의 차이점

전통적인 기술에서 프로젝터의 빛은 마이크로렌즈 어레이에 부딪히기 전에 산란됩니다. 이는 공간의 최종 3D 이미지를 왜곡시킵니다. 이를 수정하려면 프로젝터 빛을 평행 빔으로 콜리메이트해야 합니다.

그러나 더 큰 디스플레이를 원하면 콜리메이팅 렌즈의 크기를 늘려야 하는데, 이는 구성 요소 비용을 증가시킵니다. 이것이 이러한 기술들이 상업적 성공을 거두지 못한 주된 이유입니다.

참고: 얇은 공기 중 최신 3D 투영 | 더 나은 홀로그램 대안

반면 새로운 방법은 DDHOE로 제작하여 콜리메이션 기능을 마이크로렌즈 어레이 자체에 통합합니다. 이는 더 무거운 콜리메이션 광학 장치의 필요성을 제거합니다. 연구자들은 그들의 기술이 곧 부피가 큰 광학 구성 요소를 사용하는 기존 모델을 대체할 것이라고 믿습니다.