Holographic display is an ultimate type of 3D display which can precisely replicate real world scenes. The holography records the exact light field of natural scenes and plays back the realistic 3D images from the recorded field information. After the early holography experiments with analog recording media, the development of the digital 3D holographic display has been pursued with the growing needs for realistic 3D digital contents in various fields. However, the limited space-bandwidth product (SBP) of the digital wavefront modulators is a great obstacle for the practical viewing angle and image size. In the perception of real objects, diffused light scattering in all directions enables people to see the object at various viewing angles. In contrast, the hologram generated by the digital wavefront modulator is solely governed by the limited deflection angle and small size of the wavefront modulator. Therefore, deliberately generated diffused light can be possibly utilized for increasing viewing angle and image size. In this thesis, we exploit the multiple light scattering to overcome the limitation of SBP of the digital 3D holographic display. Although the multiply scattered light exhibits complex propagation behaviors, the whole process is governed by Maxwell’s equation and can be controlled in a deterministic manner. Using wavefront shaping techniques with scattering media, we develop three main subjects in this thesis. 1) projection of 3D images with wide viewing angle and image size, 2) projection of visible focus through scattering media and 3) recording of 3D hologram through scattering media with enhanced viewing angle and image size. By controlling the volume speckle generated by holographic diffusers, the image size and viewing angle of the display is enhanced three orders of magnitude compared to a deformable mirror. We also propose a new wavefront shaping technique to enhance the visibility of the 3D focus. Finally, we develop the holographic recording system using digital time-reversal mirror based on the single-channel point focusing. We hope that findings of this thesis will advance the development of realistic 3D holographic display.
3차원 홀로그래픽 디스플레이는 빛의 광학장을 정확히 재생하여 실감나는 3차원 영상을 만들 수 있는 장치이다. 디지털 미디어가 발달함에 따라, 2차원 TV나 모니터에서 보여지는 영상들을 3차원 영상으로 재생하려는 연구들이 꾸준히 되어왔으나, 디지털 홀로그래픽 디스플레이를 이용하여 실용적인 수준의 홀로그램 이미지를 표현하는 것은 현재 기술로서 어려움이 많다. 가장 큰 제한 요인은 빛의 파면을 제어하는 공간 광파면 조절기의 공간 대역폭의 제한으로서, 이는 픽셀 개수의 한계와도 일치한다. 따라서 현재 상용화된 3차원 영상 장치는 대부분 실제 3차원 광학장 정보를 정확히 표현하는 대신, 사람의 두 눈에 서로 다른 영상을 투사하여 시청자로 하여금 3차원 영상을 보는 듯한 착각을 불러일으키는 방식을 이용한다. 하지만 이러한 장치들은 대부분 눈의 피로를 야기하거나 특수 안경을 필요로 한다는 단점을 가지고 있다.
본 논문에서는 다중산란 제어를 이용하여, 기존 디지털 홀로그래픽 디스플레이가 가지는 공간 대역폭의 한계를 극복하는 장치를 개발하였다. 일상 생활에서 사람이 사물을 눈으로 인식할 때 여러 각도에서 바라볼 수 있는 이유는 빛이 물체에서 광범위한 방향으로 산란되기 때문이다. 하지만 기존의 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 재생하는 이미지를 구성하는 광초점들은 투명한 공기 매질에 형성되기 때문에, 시야각을 넓힐 수 있는 빛의 산란이 일어나지 않는다. 하지만 다중산란 물질을 이용하면 여러 방향으로 빛이 퍼져나가는 효과를 얻을 수 있고, 이는 곧 확장된 시야각과 영상 크기를 얻는데 이용될 수 있다. 이를 위해 우선 다중산란에 의해 만들어지는 공간 스페클의 성질과 이를 제어하는 방법에 대해서 살펴보았다. 다중산란물질을 통과한 여러 산란 파면들 사이에 서로 보강간섭이 일어나도록 입사 파면을 조절하면 광초점을 형성할 수 있다. 이 때 광초점의 세기와 주변 스페클의 평균 세기를 비율로 정의되는 콘트라스트는, 공간 광파면 조절기에서 파면을 제어하는 픽셀 수에 비례한다. 이러한 파면 제어 방법을 기반 기술로 이용하여, 홀로그래픽 디퓨저에서 발생된 공간 스페클 제어를 통해 기존 파면 조절기보다 획기적으로 향상된 공간 대역폭을 얻었다. 35도의 시야각을 가지는 초점이 4 cm 영역에 걸쳐 형성 가능함을 확인하였고, 이를 통해 나선형의 궤적이나 알파벳 글자를 3차원 공간 상에 투사시킨 이미지를 촬영하였다. 더 나아가 공간 대역폭이 확장된 홀로그래픽 디스플레이를 실용적 수준으로 끌어올리기 위해, 다중산란에서 제어할 수 있는 광초점의 콘트라스트를 기존 기술 대비 100배 이상 향상 시킨 장치를 개발하였다. 기존의 파면 제어에서는 콘트라스트가 낮아, 현미경과 같이 고배율 확대 시스템으로만 이미징이 가능하였다. 하지만 빠르게 대용량의 파면 패턴을 제어할 수 있는 디지털 미세거울 장치를 이용하여 콘트라스트를 향상시켰고, 눈으로 볼 수 있는 수준의 강한 초점을 만들었다. 마지막으로는 다중산란 물질이 가지는 디스플레이로서의 기능뿐만 아니라, 홀로그램 정보를 기록하는 장치로서의 가능성에 대해서도 연구하였다. 홀로그램을 기록하고 재생하는 위상공액 실험은 다중산란 물질이 있을 경우, 매우 정교한 측정과 시스템 구성을 필요로 한다. 하지만 점광원과 같이 단일 모드를 가지는 빛은 기존 거울로도 쉽게 위상공액을 얻을 수 있는 점에 착안하여, 산란된 홀로그램 광학장을 초점으로 만들어 다시 되돌려주는 간단한 장치를 개발해 3차원 광원을 기록하고 재생할 수 있음을 보였다.
그 동안 다중산란은 일반적으로 물체의 인식을 가로막거나, 빛의 제어를 복잡하게 만드는 장애물로 여겨져 왔다. 하지만 본 연구에서는 이런 복잡한 현상이 기존의 광학 디스플레이의 한계를 극복하는데 이용될 수 있음을 보였다. 본 연구를 통해 홀로그래픽 디스플레이의 공간 대역폭은 확대되었지만, 콘트라스트 제한으로 인해 이미지를 형성 가능한 광초점의 개수는 제한될 것으로 추정된다. 이를 극복하기 위해서는 형성 가능한 적절한 이미지 조건과, 사람의 물체 인식에 효과적인 투사 방식을 추가적으로 연구하는 것이 필요할 것으로 예상된다. 추후 연구를 통해, 산란 물질을 이용한 3차원 영상 장치를 이용하여 실감나는 홀로그래픽 이미지를 재생할 수 있게 되기를 기대한다.
