Customizing holographic optical element using holographic printer for augmented reality display : 홀로그래픽 프린터를 이용한 증강현실 디스플레이의 맞춤형 홀로그래픽 광학 소자 제작

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서울대학교 대학원
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학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2020. 8. 이병호.
This dissertation presents the studies on the design and fabrication method of a holographic optical element (HOE) for augmented reality (AR) near-eye display (NED) by using a holographic printing technique. The studies enable us to manufacture HOEs based on the digitalized design process and allow more freedom to design HOEs, beyond the conventional HOE manufacturing process. The manufactured HOE can play the role of the image combiner of the AR NED and can be designed precisely according to each users distinctive characteristics.

The prototype of the HOE printer is presented and the structure is analyzed. The HOE printer can record a hogel with 1900 × 1900 pixels in 1 mm2 and can give complex wavefront information via using an amplitude SLM and sideband filtering technique. The author adopts an index-matching frame with a passive optical isolator, which consists of quarter waveplates and linear polarizers, to eliminate the internal reflection noise. With the HOE printer, a lens HOE with field of view (FOV) 50° is manufactured, and a holographic AR NED is implemented with the lens HOE. The experimental result shows the lens HOE and the HOE printer work properly as our purpose.

Using the prototype HOE printer, the author proposes two types of novel AR NEDs. First, the author suggests a customized HOE for an eye-box extended holographic AR NED. The limitation of the conventional holographic AR NED is that the eye-box becomes very narrow when large FOV is implemented due to the limited spatial bandwidth product. By using the proposed HOE printer, the eye-box can be extended along with both horizontal and vertical directions without any mechanical scanning devices. Also, the position of the extended eye-box can be designed to fit with the movement of the eye pupil. This prevents the vignetting effect due to the eye-box mismatch.

Second, the author presents a freeform mirror array (FMA) HOE and implement a retinal projection AR NED with the HOE. By using the FMA HOE, the holographic mirrors no longer block the sight of the observer. Also, the freeform phase function allows the FMA HOE to float the display to the desired location without any additional optics, such as a lens. In this way, a wide depth of field and extended eye-box retinal projection AR NED with a compact form factor is implemented.

It is expected that this dissertation can help to develop a customized AR NED based on the customers needs. Furthermore, it is believed that this work can show new possibilities for research on the design and fabrication of HOEs.
본 박사학위 논문에서는 근안 증강현실 디스플레이의 홀로그래픽 영상 결합 소자를 홀로그래픽 프린팅 기술을 이용하여 설계 및 제작하는 방법에 대하여 논한다. 이를 통하여 기존의 아날로그 방법에 의존한 홀로그래픽 광학 소자 제작 기법을 디지털화 할 수 있다. 또한 홀로그래픽 광학 소자의 설계 자유도가 증가하여 사용자 특징에 따른 근안 증강현실 디스플레이의 맞춤형 영상 결합 소자를 제작할 수 있다.

이 박사학위 논문에서는 홀로그래픽 광학 소자 프린터의 프로토타입을 제작 및 소개한다. 해당 프로토타입은 1 mm2의 면적 안에 1900 × 1900 복소 광파 정보를 표현 할 수 있다. 광파의 복소 변조를 위하여 진폭 변조 공간광변조를 이용한 sideband filtering 기법이 사용된다. 또한 굴절률이 보상된 프레임에 1/4 파장판 및 선형 편광자를 이용한 수동 광분리소자를 적용하여 홀로그래픽 광학 소자를 기록 할 때 발생하는 내부 반사 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다. 이와 같은 홀로그래픽 프린터의 프로토타입이 의도한 대로 제작되었음을 검증하기 위하여 홀로그래픽 광학 소자 렌즈를 제작 및, 해당 홀로그래픽 광학 소자 렌즈가 근안 홀로그래픽 증강현실 디스플레이의 영상 결합 소자로 사용될 수 있음을 보인다.

제작된 홀로그래픽 광학 소자 프린터를 이용하여 두 가지의 새로운 근안 증강현실 디스플레이를 제안한다. 첫 번째는 시청영역이 증가한 근안 홀로그래픽 증강현실 디스플레이로, 공간대역폭에 의하여 제한된 시청 영역을 수직 및 수평 방향으로 동시에 확장할 수 있다. 또한 확장된 시청 영역은 사용자의 안구 길이 및 회전 각도에 맞춰 설계되어 시청영역 불일치로 인한 비네팅 등의 이미지 왜곡을 최소화한다.

마지막으로 망막투사 형태의 근안 증강현실 디스플레이에 사용될 수 있는 프리폼 거울 어레이 홀로그래픽 광학 소자를 제안한다. 이를 이용하여, 기존 거울 어레이 기반의 망막투사 디스플레이의 문제점 중 하나인 거울이 시야를 가리는 문제를 해결한다. 또한 홀로그래픽 거울 배열에 위상 변조 패턴을 기록하여 추가적인 렌즈 등의 광학계 없이 원하는 깊이에 디스플레이 평면을 띄울 수 있게 된다. 이를 이용하여 작은 폼팩터의 넓은 깊이 표현 범위를 지니는 망막투사형 근안 증강현실 디스플레이를 구현한다.

본 박사학위 논문의 결과는 사용자의 필요에 기반한 맞춤형 근안 증강현실 디스플레이의 개발에 도움이 될 것으로 기대된다. 나아가, 본 연구는 홀로그래픽 광학 소자의 설계와 제작에 관한 연구의 새로운 가능성을 보여줄 것으로 기대된다.
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