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1. 서 론

 홀로그램은 회절격자이고 간섭무늬에 의해 만들어진다^[1-2]. 투과형 홀로그램(이미지 홀로그램, 레인보우 홀로그램에 해당)과 반사형 홀로그램(데니슈크 홀로그램, 리프만 홀로그램에 해당)을 제작할 때 레이저광을 오브젝트에 직접 조명 한 뒤 기록하는 방식을 많이 이용한다^[3-5]. 오브젝트에 직접 조명하는 기록 방식은 오브제의 선택이 제한적이다. 홀로그래픽 스테레오그램^[6]은 오브젝트를 시점이 다른 여러 장의 시차 이미지로 촬영하고 광학계에서 다수의 시차 이미지를 1장의 홀로그램으로 합성하는 방법으로 제한적인 오브젝트의 영역을 해소하고 있다. 투과형 홀로그램과 홀로그래픽 스테레오그램의 제작 과정을 원 스텝으로 구성하면 효율성이 높아져 홀로그램 영상 산업의 비즈니스를 보다 활성화 할 수 있겠다[7]. 본 연구에서는 홀로그램 영상에 대해 일반적으로 많이 활용되는 이미지 홀로그램, 레인보우 홀로그램^[8]과 홀로그래픽 스테레오그램의 제작을 원 스텝의 디지털 방식으로 구성하기 위해 광학계를 디자인 하였다. 광학계에서는 오브젝트에 대한 정보를 디지타이저 할 수 있도록 공간광 변조기 (Spatial Light Modulator)^[9-11]를 적용하였다. 공간 광 변조기로는 반사 타입의 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) panel과 DLP(Digital Light Processing) 프로젝트 2가지를 사용하여 노광 광학계를 디자인하였고 홀로그램 영상으로서 적합성을 실험을 통해 제시하였다. 레인보우 홀로그램과 이미지 홀로그램은 DLP 프로젝트를 사용해 제작 했을 때 노광 광학계를 간결하게 구성할 수 있었으며 홀로그램 영상으로 표현할 수 있다는 것을 확인하였다.

2. 실험 및 결과

2.1 LCoS panel을 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 광학계 디자인

반사형의 LCoS panel을 사용해 원 스텝방식으로 평면 타입의 홀로그래픽 스테레오 그램을 합성 할 수 있는 광학계를 디자인해 그림 1에 나타냈다. 오리지널 이미지를 제작할 때는 카메라를 레일 위에 설치하고 오브젝트로부터 250mm 떨어진 위치에서 1mm와 3mm 간격으로 이동하면서 시차 이미지를 촬영하였다. 그림3에 3mm 간격으로 촬영한 시차이미지를 나타냈다. 시차 이미지는 컴퓨터의 하드 디스크에 저장한 뒤 HDMI 단자를 통해 구동 드라이버를 거쳐 광학계에 설치한 LCoS panel에 표시하였다. 광학계에서 LCoS panel 앞에는 하프 미러를 설치해 레이저 빛을 평행광으로 반사시켜 Panel에 조명하였다. LCoS panel에서 반사 된 빛은 하프 미러를 연이어 투과해 초점거리 150mm의 결상렌즈에 도달한 뒤 물체광으로 기록 재료에 모이도록 했다. 이때 빛의 노광을 일정하게 조정하기 위해 순차적으로 셔터를 ON, OFF 하였다. 참조광은 평행광 상태로 연속 노광하여 기록 재료에서 간섭무늬가 생성 되도록 하였다. 기록 재료로는 후지사진필름 회사의 은염 필름으로 F HL-10을 사용 했다. 이때 기록 재료 앞에는 정사각형모양의 개구(Aperture)를 설치해 요소 홀로그램으로 제작하였다. 개구의 사이즈는 3mm×3mm로 하였다. 시차 이미지는 중첩되지 않게 촬영한 순서대로 표시하면서 요소 홀로그램으로 제작하였다. 합성 광학계에서는 3초씩 10개의 요소 홀로그램을 노광하여 평면 타입의 홀로그래픽 스테레오그램으로 제작하였다. 물체광과 참조광의 광로 양쪽에는 편광판을 각각 설치해 편광 방향이 일치하도록 하였다. 레이저광을 조명했을 때 LCD(Liquid Crystal Display)에서 발생하는 미세한 주기 구조인 고차의 회절광은 필터를 설치해 제거하였다. 홀로그래픽 스테레오그램에서 입체 영상으로 보는 원리는 그림2에 나타냈다. 한 장의 기록재료에 제작 된 다수의 요소 홀로그램 하나하나로부터 관찰자의 왼쪽과 오른쪽 눈에 시차 이미지로 각각 비춰지도록 재생했다. 스테레오스코피 방식에 의해 홀로그래픽 스테레오그램에서 250mm 떨어진 위치(오리지널 이미지를 촬영할 때 카메라에서 오브젝트까지의 거리에 해당)와 입체 허상으로 관찰할 수 있게 된다. 실험에서 제작한 10개의 요소 홀로그램을 재생했을 때 입체 허상이 명확하게 관찰 되지 않았다. 입체 허상이 잘 보이지 않은 원인으로는 LCoS Panel에 장착 된 편광판과 실험에서 합성 할 때 사용한 편광판이 일치하지 못했다. 광학계에서 요소 홀로그램을 하나씩을 노광할 때 셔터의 ON, OFF와 개구의 이동을 수작업으로 진행하면서 노광 상태가 불안정한 했던 것이 원인이라 판단된다.

Figure 1. Optical setup with flat type onestep holographic stereogram using LCoS panel

Figure 2. Principles of observing 3-dimensional images with element hologram

Figure 3. 10 sheets of parallax photo for make Holographic stereogram

2.2 반사형의 LCoS panel

 반사형의 LCoS panel은 SONY 회사의 Video Project(model:VPL-HW15)에서 구동 드라이버와 LCD panel을 분리해서 사용했다. 3장의 LCD panel의 주요 제원으로 각각의 해상도는 2,073,600 pixels이고 대각길이가 15.4mm 이다. 광학계에 설계한 반사 타입의 LCoS panel의 외관을 촬영하여 그림4에 나타냈다. LCoS panel에 있어 계조의 표시 특성을 알아보기 위해 그레이레벨에 대해 반사 특성을 측정하였다. 그림1에 나타낸 광학계에서 물체광 영역만 사용해 8비트로 양자화 한 25개의 시차 이미지를 순차적으로 LCoS panel에 표시한 뒤 532nm의 레이저 광을 조명한 뒤 반사광량을 포토디텍터로 측정하였다. 시차 이미지는 촬영간격이 1mm와 3mm의 2종류로 구분해서 그레이레벨의 반사 특성을 측정하였다. LCoS panel에 있어 반사율의 특성을 측정한 결과는 그림5에 나타냈다. 반사율의 특성 그래프에서 가로축은 8비트로 양자화 한 그레이 레벨의 영상 데이터이고 세로축은 레이저 광의 반사율이다. 1mm와 3mm의 시차이미지 데이터에서 중간 영역에서 반사율 변화가 있었지만 대체적으로 그레이레벨은 균일한 반사율을 나타냈다.

Figure 4. Appearance of LCoS panel with reflection type

Figure 5. Reflection characteristics of LCoS panel

2.3 DLP Project를 이용한 투과 홀로그램의 광학계 디자인

 DLP Project를 이용하여 원 스텝으로 레인보우 홀로그램과 이미지 홀로그램을 제작할 수 있는 광학계를 디자인하여 그림6 (a),(b)에 나타냈다. 2가지의 투과형 홀로그램의 제작 광학계에 적용한 소형의 DLP Project는 디지털 마이크로 미러 디스플레이를 사용한 Optoma 회사의 PK301이고 그림7에 프로젝터의 외관을 나타냈다. 프로젝터의 주요제원으로는 120×70×30(mm)이고 최대 해상도는 1,024,000 픽셀이다. DLP 프로젝트 본체에서는 LED 램프는 분리하여 사용하였다. 오브젝트의 정보는 디지털 카메라로 미리 촬영하여 프로젝트 전용의 저장 매체인 마이크로 SD카드에 저장한 뒤 무선으로 조정하여 이미지가 투영 될 수 있게 했다. 투과 홀로그램의 제작 광학계에서 DLP 프로젝트에 조명하는 광원으로는 532nm의 평행광의 레이저를 이용하여 시차 이미지를 투영하였다. 투영 된 이미지는 초점거리 200mm의 프레넬 렌즈에 도달하게 했다. 프레넬 렌즈의 초점거리의 위치에 기록 재료를 두고 투영 된 실상을 물체광으로 모이도록 했다. 참조광은 구면파 상태로 기록 재료에 2초 동안 조명해 간섭무늬가 생성 되도록 하였다. 기록 재료로는 GEOLA 회사의 VRP-M Plate(사이즈: 63×63mm)를 사용하였다.

Figure 6. Optical setup with transmission type one-step hologram using DLP project

Figure 7. Appearance of DLP Project

 레인보우 홀로그램은 프로젝트와 프레넬 렌즈 사이에 3mm×20mm 크기의 직사각형 모양의 슬릿을 설치하고 슬릿의 실상을 기록재료 뒤쪽에 만드는 방식으로 원 스텝 타입으로 투과형 홀로그램을 만들었다. 광학계에서 공간적인 효율을 고려해 프레넬 렌즈와 프로젝트 사이에 반사 미러를 구성하였다. 관찰자는 결상렌즈에 의해 구성 된 슬릿의 실상 위치에서 홀로그램 영상을 볼 수 있게 하였다. 이미지 홀로그램은 DLP 프로젝터와 기록재료 사이에 프레넬 렌즈를 사용하여 투영 된 실상을 초점거리의 위치에 모이도록 한 뒤 홀로그램으로 만들었다. 제작한 레인보우 홀로그램과 이미지 홀로그램을 광학계에서 참조광 영역 부분만을 이용하여 532nm의 레이저 광으로 조명해 재생된 실상을 그림8에 나타냈다.

Figure 8. Photography of reconstructed images from Rainbow hologram and Image hologram

3. 고 찰

 홀로그래픽 스테레오그램, 레인보우 홀로그램, 이미지 홀로그램의 제작에 있어 원 스텝의 디지털 방식으로 구축하기 위해 반사형의 LCoS panel과 DLP Project를 사용해서 광학계를 디자인하고 투과형의 얇은 홀로그램 영상을 제작 해본 결과 다음과 같은 내용을 알 수 있었다.

 ⓵ 반사형의 LCOS panel과 DLP Project를 활용하여 좁은 공간에서도 노광 할 수 있는 콤팩트 한 광학계를 디지털 방식으로 구성 할 수 있었다.

 ⓶ 평면 타입의 홀로그래픽 스테레오그램의 합성은 광학계에서 여러 개의 요소 홀로그램을 순차적으로 노광해야 하므로 진동에 주의가 필요하였다. 개구 및 기록재료의 이동과 셔터의 개폐를 자동화해서 LCoS panel과 연계함으로서 안정적인 간섭무늬를 촬영할 수 있다고 판단된다.

 ⓷ DLP Project는 광학 시스템에서 편광판의 지장을 받지 않으며 투영 방식이어서 영상의 확대 표시에 유리하였다. 별도의 구동 장치가 필요하지 않았으며 진동에도 강해 안정적으로 홀로그램을 제작하기에 유리하다는 것을 알 수 있었다.

 ⓸ DLP Project로 투영되는 시차이미지는 마이크로 SD카드에 저장함으로서 이미지 처리에 유연성을 지니고 무선 작동이 가능해 간섭무늬를 제작하기에 적합하다고 판단된다.

 ⓹ 컬러 투과형 홀로그램을 제작 할 때 DLP Project 1개를 사용하는 것이 LCD 3장을 사용하는 LCoS panel 보다도 광학계를 간결하고 안정적으로 구축할 수 있어 홀로그램 영상 산업에 유연하게 대응할 수 있다고 판단된다.

4. 결 론

 반사형의 LCoS panel과 DLP Project를 사용하여 원 스텝의 투과형 홀로그램과 홀로그래픽 스테레오그램을 디지털 방식으로 제작할 수 있는 광학계를 디자인하였다. 렌즈의 결상 작용과 DLP Project에서 투영 된 이미지를 응용하여 원 스텝으로 투과 홀로그램 영상의 표현이 가능하다는 것을 확인하였다. 소형의 DLP Project는 이미지 표시와 조정을 무선으로 할 수 있어 진동에도 강해 미세한 간섭무늬를 기록해야 하는 홀로그램영상 제작에 유리하는 것을 확인하였다. DLP Project를 레드,그린,블루 광의 레이저와 연계하도록 광학계를 구축하면 컬러 홀로그램을 제작하기에 유리 하겠다. 홀로그램을 제작할 때 DLP Project를 활용하여 원 스텝으로 노광장치를 시스템화 함으로서 자동으로 2D 이미지나 그래픽을 Real 3D 입체영상으로 표시 할 수 있겠다. 앞으로 투과 홀로그램과 반사 홀로그램을 하나의 디지털 광학 시스템에서 노광할 수 있는 하이브리드 형태로 디자인함으로서 홀로그램 영상 제작의 효율성이 높아져 비즈니스^[12]가 개선될 것으로 기대된다.

Acknowledgement

 이 논문은 인천대학교 2012년도 자체연구비 지원에 의하여 연구되었음.