저비용 홀로그램

https://www.nature.com/articles/s41377-023-01375-0

중국

 

Color LCD grating을 위치시켜서 color multiplexing임에도 수차보정과 시야각 확대를 이룸.

 

https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-49-8-1876&id=548520

도쿄대

Optica Publishing Group

 

핸드폰 액정에서 나오는 incoherent RGB 신호들 알고리즘적으로 잘 control해서 홀로그램 만드는거

 

https://patents.justia.com/patent/20200041958

U.S. Patent Application for HOLOGRAPHIC DISPLAY APPARATUS AND HOLOGRAPHIC DISPLAY METHOD FOR PROVIDING ENHANCED IMAGE QUALITY Pa

삼성전자

diffraction pattern 주기적으로 움직여주면서 홀로그램 대면적 구현 : 최근에는 시야창 확대를 위한 기술에 집중하고 있는데, 2020년 공개된 특허에서는 SLM에 주기적 회절 패턴(그레이팅)을 프레임마다 조금씩 이동 적용하여 홀로그램 재현 위치를 연속적으로 이동시킴으로써 관찰 창을 넓히는 방법을 제안하고 있습니다. 이러한 프레임 시프트 기법은 실제로 여러 연구에서 구현되어, 좁은 아이박스(eye-box) 문제를 완화하는 데 사용되고 있습니다.

 

https://www.lightfieldlab.com/

Light Field Lab

업계 선두주자중 하나. 미국의 스타트업 Light Field Lab은 대형 홀로그래픽 디스플레이 패널(SolidLight)을 개발하는 대표 주자로, 300건 이상의 관련 특허를 출원하며 공격적인 IP 확보 전략을 취해왔습니다​. 이들의 기술은 마이크로 LED 배열과 위상 제어를 통해 다수의 시점에서 볼 수 있는 진정한 공간영상을 만드는 것으로 알려져 있습니다. 아직 상용 제품이 출시되지는 않았지만, 엔터테인먼트 공연, 디지털 사이니지 등을 겨냥한 차세대 홀로그램 디스플레이로 상용화에 가장 근접했다는 평가를 받습니다.

 

https://patents.google.com/patent/WO2018231473A1/en

WO2018231473A1 - Holographic display system - Google Patents

메타, MS 페이스북 메타와 MS도 근거리 AR/VR용 홀로그래픽 디스플레이 연구를 통해 관련 특허를 보유하고 있습니다. 예를 들어 Meta의 Reality Labs는 시야각을 확장하기 위한 다중 광원 및 동적 회절 필터 기술을 연구하고 있으며, 실제로 2018~2021년 사이 홀로그래픽 NED(Near-Eye Display) 관련 특허를 다수 출원한 것으로 알려져 있습니다​. 마이크로소프트 또한 홀로렌즈의 한계를 넘기 위해 파장 유도 광학소자, 위상형 파면 조정 등에 관한 특허를 출원해 두었으며, 향후 안경형 홀로그래픽 디스플레이 상용화에 대비하고 있습니다.

 

3. 기초 이론 및 근간이 되는 과거 연구

홀로그래픽 디스플레이 기술의 발전은 오랜 기간 축적된 기초 이론과 선행 연구에 기반하고 있습니다. 몇 가지 대표적인 역사적 논문과 개념은 다음과 같습니다.

• 데니스 가보르의 홀로그래피 개념 (1948): 헝가리 물리학자 Dennis Gabor는 1948년 최초로 *“파동프론트를 기록하고 재현”*하는 개념을 제시하여 홀로그램의 이론적 기원을 마련했습니다​ouci.dntb.gov.ua. 가보르는 이 공로로 후에 노벨상을 받았으며, 그의 논문은 현대 디지털 홀로그래피까지 이어지는 **파면기록(principle of wavefront reconstruction)**의 출발점이 되었습니다.
• 레이스와 유파트니엑스의 레이저 홀로그램 (1964): 1960년대 레이저가 발명되자, Emmett Leith와 Juris Upatnieks는 이를 이용해 오프축(Off-axis) 홀로그램 기법을 개발했습니다. 1961년 JOSA 논문에서 소개된 이 방법​light-am.com은 참조광과 물체광을 한 사진판에 기록하는 방식으로, 재현된 영상의 질 향상과 분리도 증가를 가져왔습니다. 이들의 연구는 광학적 3D 영상을 실현하는 실험으로 홀로그래피 실용화를 크게 앞당겼습니다.
• 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)의 태동 (1960~70년대): 디지털 연산을 통해 홀로그램 간섭무늬를 계산하는 CGH 개념은 1960년대 중반부터 연구되었습니다. Lohmann과 Brown 등이 1966년 최초의 컴퓨터 계산 홀로그램을 시연했고, 이후 J. Goodman 등은 1967년 디지털 방식으로 홀로그램을 기록/재생하는 실험을 보였습니다. 또한 W. H. Lee는 1974년 논문에서 위상 정보를 편향 위상(detour phase) 기법으로 이진 홀로그램에 인코딩하는 방법을 제시하여, 이후 DMD와 같은 이진 SLM 구동에 활용되는 토대를 마련했습니다. 이러한 CGH의 기초 연구들은 현재의 전자식 홀로그래픽 디스플레이 알고리즘의 전신입니다.
• 전자식 홀로그램 디스플레이의 태동 (1980~90년대): 레이저와 SLM 기술이 발전하면서, MIT 미디어랩의 Stephen Benton 등은 1980년대에 전자 홀로비디오(HoloVideo) 시스템을 개발했습니다. Mark Lucente(1993) 등의 연구를 통해 액정 SLM으로 동영상 홀로그램을 재생하는 기술이 소개되었고, 1990년대 말에는 미국, 일본, 유럽에서 실시간 홀로그래픽 3D TV를 목표로 한 프로젝트(예: Spatial Imaging 그룹, NTT 연구소, EU의 Hologram project 등)가 추진되었습니다. 이 시기 연구들은 현재까지도 자주 인용되는 전자식 3D 디스플레이의 선구적 사례들입니다.
• 종합적 리뷰 논문들: 홀로그래픽 디스플레이 기술의 큰 그림은 여러 리뷰 논문에도 잘 정리되어 있습니다. 예를 들어 Yaraş 등은 2010년 Journal of Display Technology에 *“홀로그래픽 디스플레이의 최신 기술 동향”*을 발표하여 당시까지의 SLM 기술, 알고리즘, 구현 사례를 망라했습니다​ouci.dntb.gov.ua. 또한 Pan 등은 2015년 IEEE 논문에서 *“동적 홀로그래픽 3D 디스플레이: 알고리즘, 소자, 시스템”*을 종합 정리하여 이후 연구 방향을 제시하였습니다​ouci.dntb.gov.ua. 이러한 리뷰들은 기초 이론부터 응용까지의 흐름을 이해하는 데 도움이 됩니다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014381662400099X?via%3Dihub

DMD 홀로그래피 리뷰논문

 

4. 현재 직면한 주요 기술적 허들과 해결 방향

비록 많은 진전이 있었지만, 홀로그래픽 3D 디스플레이가 실용화되기까지는 아직 넘어야 할 기술적 과제가 남아 있습니다. 현재 연구자들이 인식하는 주요 허들과 이를 해결하기 위한 방향은 다음과 같습니다.

• (1) 공간광변조기의 한계 (해상도, 속도, 크기): 현재 사용 가능한 SLM(DMD, LCoS 등)은 해상도당 픽셀 피치가 수 μm 수준으로, 재현 가능한 영상의 시야각이 매우 제한됩니다. 예를 들어 상용 SLM 해상도로는 **회절각이 수 도(度)**에 불과하여, 디스플레이 면적과 시야각을 동시에 크게 하기가 어렵습니다​nature.com. 이로 인해 큰 화면에서는 좁은 시야각, 넓은 시야각을 내려면 화면이 매우 작아지는 트레이드오프가 존재합니다. 또한 SLM의 프레임속도(LCD의 경우 60–120Hz 수준)나 반사효율 등의 제한으로 고속 고휘도의 영상 구현도 어렵습니다. 해결을 위해 한 방향으로는 SLM 자체의 기술 발전이 필요합니다. 다행히 **액정 실리콘(LCoS)**이나 MEMS 미러 배열의 픽셀수는 매년 증가하고 있고, 최근에는 포토닉 집적회로(PIC) 기반의 위상 어레이도 등장하여 고속성도 갖춰지고 있습니다​light-am.com. 궁극적으로는 수십억 픽셀 규모의 초고해상도 SLM이 이상적이며, 일부 연구에서는 여러 SLM을 타일링하거나 다중 레이저 광원을 조합해 에탕뒤를 키우는 접근​arxiv.org도 시도되고 있습니다.
• (2) 재현 화질과 노이즈: 홀로그래픽 영상은 레이저의 간섭으로 만들어지므로 스펙클(speckle) 잡음이나 0차 디퓨저 등이 생겨 화질 저하를 일으킵니다. 목표 영상을 정확히 재현하기에도 위상만으로 표현하는 제약 때문에 왜곡이 발생할 수 있습니다. 현재 CGH 알고리즘상의 정확도 한계로 인해 완벽히 선명한 영상을 얻기 어려운 상황입니다​researching.cn. 이를 극복하기 위해 저노이즈 홀로그램 알고리즘 연구가 중요합니다. 예를 들어, 위상 최적화 시 인공신경망이나 양자화 오차 확산(dither) 기법을 적용해 목표 영상과의 오차를 줄이고 잡음을 억제하는 연구가 진행 중입니다​researching.cn. 또한 시간적으로 다중 프레임 평균이나 부분적으로 탈코히런트화된 광원(스펙클 패턴을 시간에 따라 평균시키는 방법)도 검토되고 있습니다. 앞으로는 광학 왜곡 보정(calibration) 기술과 결합하여, 눈에 보이는 화질을 최대한 깨끗하게 만드는 것이 관건입니다​researching.cn.
• (3) 연산량 및 실시간 생성: 홀로그래픽 3D를 실시간으로 구현하려면 막대한 양의 계산이 필요합니다. 4K 해상도, 다중 심도 홀로그래픽 영상을 실시간으로 렌더링하려면 **초당 10^15~10^16회 연산(FLOPS)**과 테라비트급 데이터 전송이 필요하다는 분석도 있습니다​light-am.com. 현재 GPU의 발전으로 많이 개선되었으나, 고해상도 홀로그램은 여전히 계산 병목입니다. 이를 해결하기 위해 딥러닝 기반 연산 간소화​light-am.com, 호로그래픽 전용 프로세서(ASIC), 양자컴퓨팅 활용 등 다양한 접근이 연구됩니다. 특히 앞서 언급한 Neural Holography나 VividQ의 알고리즘 최적화 사례처럼, 새로운 알고리즘 세대의 등장은 게임 체인저가 될 수 있습니다​foresight.group​foresight.group. 또한 효율적인 압축 및 전송 기술도 중요합니다. 대용량 홀로그램 데이터를 실시간 스트리밍하려면 압축이 필수이며, 이를 위한 프린지 패턴 전용 코덱이나 광통신(Fiber-optic) 전송 기술도 병행 발전하고 있습니다​light-am.com.
• (4) 컬러 및 3D 콘텐츠 생성: 풀컬러 홀로그램을 구현하려면 일반적으로 3가지 파장에 대한 별도 SLM 구동이나 시간분할이 필요해 시스템이 복잡해집니다. 또한 파장별 영상 크기 차이로 색 수차가 발생하기 쉬운데, 이에 대한 해결책으로 앞서 소개한 이색 격자 사용 연구가 등장했습니다​nature.com. 향후에는 단일 SLM으로 동시에 RGB를 표현하는 초고속 PWM 구동, 또는 백색 레이저+다층 SLM 등의 방법이 연구될 것으로 보입니다. 한편 3D 콘텐츠 부족도 실용화의 걸림돌입니다​researching.cn. 실제 세상의 3D 정보를 실시간 획득해 홀로그램으로 만들려면 깊이 카메라 배열이나 광대역 센서가 필요한데, 이는 별도의 연구 분야입니다. 최근 메타버스 열풍으로 3D 데이터 생성 기술이 발전하고 있어, 홀로그래픽 디스플레이용 콘텐츠 파이프라인도 점차 마련되고 있습니다​researching.cn.