더 넓은 시야와 선명한 이미지로 홀로그램 디스플레이를 향상시키는 새로운 기술
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더 넓은 시야와 선명한 이미지로 홀로그램 디스플레이를 향상시키는 새로운 기술
실제와 같은 3차원 이미지를 생성할 수 있는 홀로그램 디스플레이는 가상 현실과 증강 현실의 미래로 오랫동안 예고되어 왔습니다.
홀로그램 작동의 핵심은 공간 광 변조기(SLM)로, 일관된 빛의 파면을 동적으로 조작하여 이미지를 형성합니다. 그러나 이러한 장치는 제한된 에텐듀라는 중요한 과제에 직면해 있습니다.
에텐듀는 광학 용어로서 디스플레이 면적과 회절된 빛의 최대 입체각의 곱을 의미합니다. 이는 디스플레이가 이미지 품질 저하 없이 넓은 시야각(FOV)에 빛을 투사할 수 있는 능력을 측정합니다.
기존 SLM은 기술적 제약으로 인해 회절각이 작아 디스플레이 크기와 FOV 사이의 절충점을 찾아야 했고, 이는 홀로그래픽 디스플레이의 잠재력을 최대한 발휘하지 못하는 원인이 되었습니다.
초광각, 고충실도 홀로그램을 위한 뉴럴 에텐듀 확장. (출처: Nature)
프린스턴 대학교, 메타 리얼리티 랩스, 포스텍, 카이스트의 연구진은 홀로그램 디스플레이의 에텐듀를 크게 향상시키기 위해 설계된 새로운 종류의 광학 요소인 신경 에텐듀 확장기를 소개하는 연구를 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재했습니다. 자연 이미지 데이터 세트로 학습된 신경망을 사용하여 최적화된 이 확장기는 홀로그램 디스플레이의 시야각과 이미지 충실도를 전례 없이 개선합니다.
신경 에텐듀어 확장기는 픽셀 피치가 더 작은 정적 광학 요소를 SLM 앞에 배치하여 최대 회절 각을 증가시키고 결과적으로 에텐듀어를 증가시키는 방식으로 작동합니다. 광학 설정과 무관하게 무작위 산란 요소를 사용했던 이전 방법과 달리 이러한 신경 확장기는 자연 이미지의 특정 특성에 맞게 미세하게 조정되어 충실도 높은 재현을 보장합니다.
연구진은 실험 설정을 통해 뉴럴 에텐듀 익스팬더의 이론적 장점을 검증했습니다. 연구진은 이러한 확장기를 1K 픽셀 SLM을 갖춘 홀로그램 디스플레이 프로토타입에 통합하여 에텐듀를 64배 증가시켰습니다. 이를 통해 수평 및 수직 시야각이 모두 크게 확장되었으며, 29dB 이상의 놀라운 PSNR로 고충실도 재구성이 가능했습니다. 캡처된 홀로그램은 색수차가 없는 선명한 고대비 이미지를 보여주며 기존의 이진 및 균일한 랜덤 익스팬더보다 뛰어난 성능을 보였습니다.
뉴럴 에텐듀 확장기는 근거리 디스플레이에서 사용자의 편안함에 중요한 요소인 눈동자 움직임에 대한 견고성을 입증한 것으로 보입니다. 또한 다양한 해상도에서 충실도 개선이 지속되는 등 기술의 확장성도 확인되어 고해상도 SLM에 사용할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
이 연구 결과는 향후 연구에 대한 흥미로운 가능성을 열어줍니다. 뉴럴 에텐듀 확장기를 메타표면과 같은 새로운 광학 기술과 통합하면 홀로그램 디스플레이의 한계를 더욱 확장할 수 있습니다.
참고 자료
초광각 고충실도 홀로그램 디스플레이를 위한 뉴럴 에텐듀 익스팬더(Tseng, E., Kuo, G., Baek, SH. et al.). Nat Commun 15, 2907 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46915-3
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