Mixed reality or augmented/virtual reality is a bridge technology between real life and virtual life. Mixed reality is getting a spotlight because it can interact with real life, unlike conventional 3D display which delivers information on one-way direction. There are several candidates as 3D displays such as a multiview display, integral imaging display, volumetric display, and holographic display. The holographic display is an ultimate 3D display theoretically which produces perfect virtual environment consistent with real life. However, spatial frequency and bandwidth of spatial light modulator restrict the resolution and eld of view of a hologram. Besides, it takes a significant amount of time to calculate a hologram pattern. Although a Maxwellian-view display cannot provide monocular depth information, it is widely used to near-eye display because it solves vergence-accommodation mismatch and eld of view.
This dissertation covers the integration of the Maxwellian-view and holographic display to solve 1. resolution & calculation time, 2. system form factor & speckles among various problems with the holographic display. Resolution of the hologram is proportional to the number of pixels of the spatial light modulator, and it is inversely proportional to a distance from the spatial light modulator to the hologram. Hence, resolution of hologram becomes decreasing which corresponds to airy disk size when voxels formed far from the spatial light modulator. Therefore, the number of voxels and sharpness of hologram always have a limitation. In general, the spatial light modulator with small pixel pitch and a large number of pixels is a fundamental solution, but it is not easy because of the limitations of current semiconductor technology. Besides, the hologram pattern (Interference pattern) calculation time increases in proportion to the number of voxels to form in the air.
In this dissertation, depth layer method was used which has a relatively fast calculation time, but it still took lots of time to render entire virtual objects, and it could not produce complex virtual objects due to the resolution limit. Therefore, in order to enhance the resolution of the hologram and reduce calculation time, the Maxwellian-view display is combined with the holographic display by time-division multiplexing. Hence, resolution and calculation time of hologram is highly improved by processing only small portion corresponding to fovea with the holographic display. An artificial depth cue, which is the same as the optical characteristics of the eye, is applied to a remaining region and the Maxwellian-view display represents it.
For near-eye display, simple structure and light weight are essential. Therefore, a switchable holographic optical element suggested to simplifying the system structure and form factor instead of a beam splitter and eyepiece lens. Characteristics of the holographic film analyzed with Kogelnik's coupled-wave theory, and an optimized structure drew. Then, multiple optical systems in a single holographic film are verified ed by controlling the reference wave with a liquid lens. Besides, holographic displays widely use lasers which have high spatial and temporal coherence. However, not only it is harmful to the human body, but it reduces the hologram quality because of high interference that strengthens hologram speckle. Therefore, spatial coherence and speckle variations verified depending on LED and pinhole size and also confirmed that holograms implemented.
Nevertheless, while there are issues to be addressed such as the size of the viewing window and color, the proposed holographic near-eye display is sufficiently proven as an AR/VR near-eye display.
혼합 현실 또는 가상/증강 현실 기술은 현실과 가상 세계를 연결하는 방법으로, 기존 3차원 디스플레이로 구현한 가상 세계의 일방행적 정보 전달의 한계를 넘어 실제 세상과 가상 세계 사이의 소통을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. 3차원 디스플레이는 대시점, 집적 영상, 체적형 디스플레이, 홀로그램으로 구현할 수 있지만, 특히 홀로그래피 디스플레이는 광의 파면을 제어하여 공중에 가상 물체를 구현하여 수렴-조절 불일치를 근본적으로 해결하며, 이론적으로 실제와 같은 가상 세계를 구현할 수 있다. 하지만 실제 공간 광변조 장치의 공간 주파수와 대역폭의 한계로 구현 가능한 홀로그램의 크기와 해상도가 제한되며, 연산 시간이 오래 걸려 실용적인 수준으로 구현이 어렵다는 문제가 있다. 본 논문에서는 홀로그래피 근안 디스플레이의 다양한 문제점 중 1. 해상도 & 관측 시야(resolution & field of view), 2. 시스템 크기 & 스페클(form factor & speckle)의 문제점을 해결하기 위해 맥스웰리안 디스플레이와 홀로그래피 디스플레이의 결합에 관한 연구를 다루었다.
디지털 홀로그래피 디스플레이에서 홀로그램 영상 해상도는 광변조장치의 픽셀 수와 홀로그램 형성 거리에 대응하며, 형성 거리가 멀어지수록 복 셀(공중에 형성된 점)의 크기가 광학계의 에어리 디스크 크기에 비례하여 커진다. 따라서 표현 가능한 홀로그램의 복 셀 수, 선명도(sharpness), 관측 시야에 항상 제한이 있다. 일반적으로 작은 픽셀 간격과 많은 픽셀 개수를 가진 공간 광변조 장치를 사용하면 해결할 수 있지만, 현재 반도체 기술의 한계로 쉽지 않으며, 홀로그램 패턴(간섭 무늬) 연산은 공중에 형성시킬 복 셀의 개수에 비례하여 길어진다. 본 논문에서는 비교적 빠른 연산 속도를 보이는 깊이 단층 방식(depth layer)을 사용하였음에도 불구하고 입체 영상 전체를 연산하는데 많은 시간이 소요되며, 앞서 설명한 것과 같이 해상도의 한계로 의도한 영상이 표현되지 않는다. 반면 맥스웰리안 디스플레이는 홀로그래피 디스플레이와 달리 깊이 정보를 제공할 수 없지만 넓은 관측 시야를 제공하고 수렴-조절 불일치를 해결할 수 있어 많은 근간 디스플레이 구조로 활용되고 있다. 따라서 해상도와 관측 시야를 향상하기 위해 맥스웰리안 디스플레이를 시분할 다중화 결합하였으며 입체 영상에서 눈의 황반 영역에 해당하는 영역만 홀로그램으로 표현하여 해상도를 유지하면서, 연산 속도를 크게 향상했다. 또한, 나머지 영역은 눈의 광학 구조와 같은 흐림 효과를 적용하여 목표한 입체 영상과 같은 깊이 정보를 가진 영상을 표현할 수 있었다.
근간 디스플레이를 위해서는 간단한 구조와 가벼운 중량이 필수이다. 따라서 시스템 구조와 크기를 간소화하기 위해 일반적으로 사용되는 빔 스플리터와 접안 렌즈 대신 변환 할수 있는 홀로그래피 광학 소자를 개발하였다. 홀로그래피 필름의 특성을 Kogelnik's couple-wave theory로 분석하고 수치 계산을 통해 최적의 구조를 도출하였으며, 액체 렌즈로 기준파면을 제어하여 복수의 광학계를 취득 가능함을 검증하였다. 또한 홀로그래피 디스플레이는 일반적은 높은 시공간 간섭성을 보이는 레이저를 사용하지만 큰 폼팩터,인체 유해성뿐만 아니라 높은 간섭성 때문인 스페클은 영상 화질을 낮추는 문제가 있다. 따라서 LED와 핀홀을 사용하였으며, 공간 간섭성과 형성 거리에 따른 영상 변화를 검증하였다.
