서울대 공대 전기정보공학부 광공학 및 양자전자연구실, 가상-증강현실 홀로그래픽 디스플레이의 실용성 향상 방안 제시

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 전기정보공학부 광공학 및 양자전자연구실 3D 디스플레이 연구팀이 홀로그래픽 디스플레이의 제한된 시야각과 아이박스(시청가능영역)를 확장하는 연구를 발표했다고 밝혔다.

이는 적은 시각적 피로도로 자연스러운 초점 조절 반응이 가능한 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 다양한 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 디스플레이에 적용할 실용적 방안을 제안한 것이다.

홀로그래픽 디스플레이는 공간광변조기를 활용해 가간섭성 빛의 진폭이나 위상을 조절해 원하는 파면을 생성해 자연스러운 깊이 인지를 가능하게 하는 디스플레이 기술이다. 이 기술을 실용적인 가상, 증강현실 디스플레이에 적용하기 위한 핵심 요소는 아이박스 크기와 이미지의 시야각을 극대화하는 것이다.

이 두 요소를 결합해 에텐듀(étendue)라 지칭하며, 기존 공간광변조기가 적은 픽셀 수와 넓은 픽셀 간격을 가지고 있어 홀로그래픽 디스플레이의 에텐듀는 대단히 제한적이다. 그간 다양한 연구에서 미세한 광학 마스크를 활용해 에텐듀를 확장하는 연구가 진행됐으나, 광 효율성 및 이미지 품질이 낮거나 소자 간 정합에 지나치게 민감한 광학 구조를 가졌다는 문제점이 있었다.

이에 연구팀은 ‘희소 아이박스(sparse eye-box)’를 생성함으로써 확장된 시야각의 이미지를 넓은 아이박스에서 관찰할 수 있는 광학 시스템을 제안했다.

이 연구에서 제안하는 방법은 수 마이크로미터 수준의 미세 광학 소자를 사용하던 기존 방법과 달리, 작은 렌즈가 2차원으로 배열된 렌즈 어레이를 활용해 거시적 방식으로 에텐듀를 확장한다. 연구팀은 렌즈 사이 간격이 사람의 동공 지름보다 작을 때, 동공 위치와 관계없이 연속적으로 빛이 동공으로 입사한다는 점에 집중했다. 이를 활용해 아이박스 내에 의도적으로 빈 곳을 형성하면서도 동공에 연속적으로 빛이 입사하도록 해, 렌즈에 의해 시야각이 확장된 이미지를 넓은 영역에서 시청할 수 있도록 했다.

이 시스템은 미세한 마스크 구조를 사용하지 않아 이미지 품질 및 광 효율성이 향상되며, 실제 구축 시 정합의 민감성 문제가 크게 완화된다. 이를 통해 VR 및 AR에의 실용성을 한층 높여 홀로그래피 디스플레이 기술의 전망을 넓혔다는 평가다. 연구팀의 채민석 연구원(지도교수 정윤찬)은 이 연구를 “간단한 광학 구조를 활용하면서도 보다 실용적인 홀로그래픽 디스플레이 방식을 효과적으로 보여준 연구”라고 설명했다.

연구팀이 속한 광공학 및 양자전자연구실은 2022년 11월에 작고한 고(故) 이병호 교수에 이어 현재는 정윤찬 교수가 지도하고 있으며, 3차원 디스플레이와 홀로그래피 및 메타표면 관련 연구를 활발히 이어가고 있다.

한편 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받은 이번 연구 결과는 ACM Transactions on Graphics 학술지에 2023년 7월 26일 게재됐으며, 8월 6일부터 미국 로스앤젤레스에서 진행된 SIGGRAPH 2023에서 발표됐다.

* 해당 논문 - M. Chae, K. Bang, D. Yoo, and Y. Jeong, ‘Étendue Expansion in Holographic Near Eye Displays through Sparse Eye-box Generation Using Lens Array Eyepiece,’ ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH 2023), vol. 42, no. 4, article 58, 2023

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출처:서울대학교 공과대학

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