• 1. 서 론
• 2. 실험 및 결과
• 2.1 In-line 홀로그램의 제작 원리
• 2.2 투과형의 홀로그램 지향성 스크린에 대한 산란광 특성
• 2.3 홀로그램 지향성 스크린에서 재생되는 회절 0차광
• 3. 고 찰
• 4. 결 론
• Acknowledgement

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1. 서 론

홀로그램 지향성 스크린은 Auto-stereoscopic 방식으로 입체 영상을 관람할 수 있으며 시역을 임의로 설계 작성하여 특정한 방향으로 회절 실상을 만들 수 있는 장점이 있다.^[1-3] 입체영상을 볼 수 있는 수평 방향으로의 시역은 Stereo view 방식이 대부분이어서 보다 자연스러운 자세로 장시간 입체 영상을 관람하기 위해서는 시역의 확장이 필요하다^[4]. 홀로그램 지향성 스크린을 다안 시역으로 적용하기 위한 노광 광학계의 구성으로는 Off-axis와 In-line으로 나눈다^[5-6]. Off-axis 방식의 노광 광학계로 복수의 확산판을 사용하여 다안 시역의 홀로그램 지향성 스크린을 제작하는 경우는 광학계의 구성이 복잡해진다. In-line 방식으로 다안 시역의 홀로그램 지향성 스크린을 제작하는 광학계는 시스템을 간편하게 구성 지울 수 있는 장점이 있다^[7-9]. 반면에 홀로그램으로부터 빛의 파면을 재생할 때 입체 영상을 관찰하는 위치에서 0차광이 산란 회절광과 동시에 발생하여 입체 영상을 관찰할 때 지장이 있다. 

본 연구에서는 이러한 특징을 고려해서 In-line 방식으로 홀로그램 지향성 스크린을 제작할 때 시역의 위치에서 이상적인 지향성의 산란광 특성을 실험을 통해 제시하였다. In-line 노광 방식으로는 참조광이 없는 것과 참조광이 있는 2가지 방식으로 나누어서 제작하였다. In-line 방식으로 제작한 홀로그램 지향성 스크린으로부터 실상을 재생하여 입체영상을 관람하는 시역의 각도에서 지향성의 산란광에 대해 측정하였다. 홀로그램 지향성 스크린으로부터 재생할 때에 발생하는 0차광을 소거하기 위해서 Apodization처리^[10]와 릴레이 렌즈에 의한 재생 시스템으로 나누어 2가지 광학적인 방식을 적용 하였다. 시역에서 릴레이 렌즈 재생시스템에 의해 0차광을 완화할 수 있었으며 스펙클 패턴은 발생하지 않았다. 입체 영상을 관찰하기에 적합한 지향성의 회절상 강도분포를 만들 수 있어서 다안 시역으로 확장할 수 있다는 것을 확인하였다. 

2. 실험 및 결과

2.1 In-line 홀로그램의 제작 원리

참조광이 없는 상태로 노광 광학계를 구성하여 In-line 홀로그램을 제작하는 모습을 Figure 1(a)에 나타냈다. Figure 1(b)에는 In-line 방식으로 제작한 홀로그램 지향성 스크린에 대해 프레넬 렌즈를 사용하여 실상을 재생하는 모습을 나타냈다. Figure 1(a)에서 렌즈를 사용해서 구면파를 평행광으로 만들어 확산판에 조명했을 때 확산하는 회절광과 회절하지 않고 그대로 투과하는 빛이 동시에 발생한다. 두 종류의 빛을 기록재료에 동시에 입사시켜 간섭무늬를 생성시킨 뒤 홀로그램지향성 스크린을 제작했다. 

Figure 1. Optical system to make and reconstruct hologram direction screen with In-line method.

노광할 때 확산판의 크기를 a, 확산판에서 기록재료까지의 거리를 d로 했을 때, 렌즈의 N.A^[11](Numerical Apeture:)를 도입하였다. 홀로그램의 제작에서 개구의 크기와 기록재료에서부터 바라볼 때 생성되는 각도(θ)의 크기를 변화시키면서 노광했다. 3종류의 홀로그램을 제작하여 최적의 지향성의 산란광 특성을 알아보았다. Figure 1(a)의 홀로그램 제작 광학계에서 확산판의 크기와 기록재료까지의 거리 조건에 따라 기록재료에서 확산판을 바라볼 때 생성되는 각도를 θ₁ = 2.86˚, θ₂ = 5.72˚, θ₃ = 17˚로 조정하였다. d는 500mm 이며, 확산판의 크기는 25×25mm,33×33mm,50×50mm로 변화를 주면서 노광 했다. 기록 재료로는 Slavich 회사 제품인 플레이트(Model:VRP-M)를 사용했다. 시역을 재생하는 시스템으로는 Figure 1(b)에 나타낸 것과 같이 홀로그램에 평행광을 조명한 뒤 초점거리 300mm의 프레넬 렌즈를 밀착시켜 실상을 만들었다.

Figure 2(a),(b)에는 참조광과 물체광을 별도로 구성하여 In-line 홀로그램을 제작하는 광학계와 재생시스템을 나타냈다. Figure 2(a)에는 기록재료 앞에 하프 미러를 설치하여 구면파인 물체광과 평행광인 참조광을 동시에 기록 재료에 입사시켜 간섭무늬를 생성시켰다. Figure 2(b)에는 홀로그램에 재생광원으로 평행광을 조명한 뒤 실상을 만드는 광학 시스템을 나타냈다. 

Figure 2. Optical System for Inline hologram direction screen making with half mirror and reconstruction with parallel rays.

2.2 투과형의 홀로그램 지향성 스크린에 대한 산란광 특성

다안 시역으로 입체 영상을 관찰하기 위해 고안한 시역의 개념도를 Figure 3에 나타낸다. 관람자가 시역에 두 눈을 두고 입체 영상을 관찰 할 때 수평 시역을 32.5mm의 공간으로 연속해서 나열시킨 뒤 다안 시역으로 만드는 방식이다. 한쪽 눈에 시차이미지가 보이는 수평 시역의 영역을 좌우 두 눈 사이의 거리를 고려해 32.5mm 공간으로 연속적으로 구성했으므로 관람자가 시선을 이동하여도 해당 위치의 시역을 통해 입체 영상을 관람할 수 있다. 이같은 다안 시역 방식을 고려해 제작한 홀로그램 지향성 스크린이 시역의 역할로서 적합 한지를 알아보았다. Figure 4에 산란광의 강도를 측정하는 광학계를 나타냈다. 초점거리 300mm의 프레넬 렌즈를 홀로그램에 밀착시켜 시역의 위치에 회절 이미지를 재생 시켰다. 재생 된 회절 실상의 중심으로부터 3mm 위쪽의 위치에서 디텍터를 좌우로 2mm 씩 이동하면서 지향성의 산란광에 대한 강도를 측정하였다. 기록재료에서부터 확산판을 바라볼 때 생성되는 각도를θ₁ = 2.86˚, θ₂ = 5.72˚, θ₃ = 17˚로 나누어서 제작한 홀로그램에 대해 지향성의 산란광의 특성을 측정한 결과는 Figure 5에 나타냈다. 

Figure 3. Conceptual drawing of multi view for seeing 3D image.

Figure 4. Optical setup and its concept for measuring intensity of scatter light with directivity light with directivity.

확산판의 제작 조건에 따른 지향성의 산란특성을 측정한 결과에서 일반 확산판(Figure 5에서 디퓨즈에 해당 함)과 비교 하면 지향성의 성질이 우수 하다는 것을 알 수 있었다. 기록재료에서부터 바라볼 때 생성되는 각도 θ가 클수록 지향성의 성질은 낮았다. 

Figure 5. Measurement results of directive scatter light by different angles when diffuse plate is seen from recorded material.

2.3 홀로그램 지향성 스크린에서 재생되는 회절 0차광

홀로그램 지향성 스크린을 노광할 때 0차광을 없애거나 감소시키기 위해 확산판의 중심과 주변 부분에 차폐판으로 흑지를 부 착하여 Apodization처리(고차의 회절상을 감소시키기 위한 처리에 해당 함)가 되도록 실시했다. 차폐판의 모양과 크기는 Figure 6에 나타냈다. 실상을 재생 할 때는 릴레이 렌즈 광학계를 설계하여 재생했다. 기록재료에서부터 확산판을 바라볼 때 생성되는 각도가 2.86°이고 Apodization 처리로 제작한 홀로그램 지향성 스크린에 대한 지향성의 산란광 특성을 측정한 결과는 Figure 7에 보여준다. 

Figure 6. Shape of stop constructed during apodization treatment.

Figure 7. Directive scatter light measurement result from apodization treated hologram.

입체 영상을 관람하는 시역의 위치에서 산란 특성을 측정 했을 때 지향성은 유지한 채로 산란광의 강도가 낮아지는 것을 알 수 있었다. 0차광의 성분에 있어 강도는 줄었지만 완전히 제거 되지는 않고 남아 있었다. 시역에 발생한 0차광을 제거하기 위해 릴레이 렌즈로 구성한 재생 광학계를 Figure 8에 나타내었다. 릴레이 렌즈에 의한 재생 시스템에서 구면광을 렌즈 Lens-1에 의해 평행광으로 변화시켜 홀로그램을 재생 조명 했을 때 실상(입체 영상을 관찰할 때 시역에 해당함)은 Lens-2에 의해 초점거리 f₂의 위치에 생성 된다. 렌즈 Lens-3는 f₃의 위치에 회절 이미지를 릴레이시켜 최종적으로 결상한다. Apodization처리를 거친 홀로그램에 대해 릴레이 렌즈 재생시스템으로 실상을 재현한 결과, 확산판에 포함되어 있는 0차광이 입체 영상을 관람하는 위치에서 완화됨을 알 수 있었다. 실상의 형태 및 0차광의 특성을 확인하기 위해 시역의 위치에 백색 종이를 두고 실상을 재생 시켜 촬영한 사진을 Figure 9에 나타냈다. Figure 9(a)와 (b)에 나타낸 것과 같이 재생한 0차광을 관찰한 결과, 릴레이 렌즈로 구성 한 재생 시스템이 프레넬 렌즈에 의한 재생 시스템 보다 완화는 되었지만 완전하게 소거되지는 않았다.

Figure 8. Optical setup for reconstruction system constructed with relay lenses to remove zero order light.

Figure 9. Photographs of reconstructed real image by apodization treated hologram.

3. 고 찰

홀로그램 지향성 스크린에서 릴레이 렌즈재생 시스템으로 실상을 재생했을 때 0차광을 완화할 수 있음을 알 수 있었다. 참조광이 없는 In-line 방식으로 홀로그램 지향성 스크린을 노광하는 것이 보다 간단하게 제작할 수 있다는 것을 확인하였다. 노광하는 광학계가 복잡하지 않아 복수의 확산판을 동시에 사용하여 다안 시역으로 구성하기에 유리하다고 판단되었다.

지향성의 산란 특성에 있어 기록재료에서 확산판을 바라볼 때 생성되는 각도에 의한 의존도가 높다는 것을 알 수 있었다. 재생 된 실상으로부터 시역에서 스펙클 패턴은 발생하지 않았고 입체 영상을 관람하기에 지장이 없었으며 다음과 같은 내용을 알 수 있었다. 

① 광축 상에서 기록 재료로부터 확산판을 보았을 때 생성되는 각도가 작을수록 지향성의 산란광 특성이 높았으며 Figure 3에 나타낸 다안 시역으로 적용하기에 유리 하다는 것을 확인하였다. 

② 실상에서 가운데 부분이 균등한 분포를 나타내고 지향성의 특성이 일반 확산판과 비교해 큰 차이가 나지 않는 촬영 조건은 기록 재료로부터 확산판을 보았을 때 생성되는 각도가 클 때 나타나는 것을 확인하였다. 

③ 여러 개의 확산판을 동시에 노광하여 다안시역으로 확장 한다면 광학계와 시역의 측면에서 볼 때 참조광이 없는 In-line 노광방식이 유리하다는 것을 확인하였다. 

④ 다안 시역으로 구성할 때 확산판의 크기는 작게 하고 실상을 재생 할 때 수직·수평 방향으로 시역을 확대할 수 있는 실린더리컬 렌즈를 이용하는 것이 In-line 홀로그램 지향성 스크린을 제작할 때 유리하다고 판단된다. 

⑤ Apodization처리로 제작한 홀로그램 지향성의 스크린을 릴레이 렌즈 시스템으로 재생하는 것이 시역에서 0차광을 완화하기에 보다 적합하다고 판단된다.

4. 결 론

입체 영상을 관람 할 때 다안 시역으로 적용할 수 있는 홀로그램 지향성 스크린을 In-line 방식으로 제작할 수 있다는 것을 실현하였다. In-line 방식으로 홀로그램 지향성의 스크린을 제작할 경우에 지향성의 산란광의 특성이 시역에서 입체 영상으로 표시하기에 적합하다는 것을 실험을 통해서 확인하였다. Apodization처리를 실시하고 기록재료에서부터 확산판을 바라볼 때 생성되는 각도를 작게 유지하면서 제작한 홀로그램이 지향성의 산란광 특성에서 다안 시역의 입체 영상 표시에 적합하다는 것을 제시하였다. 릴레이 렌즈 및 필터를 병행해 사용하고 은염 타입의 기록 재료에서 변화를 통해 실상에 나타나는 0차광을 완전하게 제거할 수 있는 재생 광학계의 디자인이 앞으로 필요 하겠다. In-line 방식에 의해 제작 된 홀로그램 지향성 스크린과 릴레이 렌즈에 의한 재생 시스템이 다안 시역의 입체 영상 표시 시스템에 적용 될 수 있을 것이라고 판단된다. 

Acknowledgement

이 논문은 인천대학교 2011년도 자체연구비지원에 의하여 연구되었음.