컴퓨터생성홀로그램 (Computer-Generated Hologram)
쉽게 풀면
전통적인 홀로그램이 실제 물체에서 반사된 빛을 필름에 직접 기록해서 만든다면, 컴퓨터생성홀로그램은 물체의 형태를 수학적으로 계산해서 그에 해당하는 간섭무늬 패턴을 컴퓨터로 만들어냅니다. 실제로 존재하지 않는 가상의 물체나 원하는 형태의 빛 패턴도 계산만으로 만들어낼 수 있다는 점이 특징입니다. 이렇게 계산된 패턴을 공간광변조기 같은 소자에 표시하면 실제 홀로그램처럼 빛을 재구성할 수 있습니다.
왜 중요한가
컴퓨터생성홀로그램은 실제 물체 촬영 없이도 원하는 형태의 광학 패턴을 자유롭게 설계할 수 있어, 홀로그래픽 디스플레이, 빛의 파면을 원하는 형태로 조작하는 빔 성형, 광학 정보 저장 등 다양한 분야에서 연구되는 개념입니다. 실제로 만들기 어려운 이상적인 파면이나 존재하지 않는 가상의 장면도 순수 계산만으로 구현할 수 있어, 홀로그래픽 디스플레이 연구에서 표시 장치의 하드웨어 한계를 소프트웨어적으로 보완하는 핵심 수단으로 다뤄집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
3차원 디스플레이 구현에 컴퓨터생성홀로그램이 사용된 예문입니다.
빔 성형 응용에서 컴퓨터생성홀로그램이 활용된 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
컴퓨터생성홀로그램을 계산하는 방식은 물체의 각 점에서 나오는 빛을 수학적으로 합산하는 방법 등 여러 접근이 있으며, 계산량이 많아지는 문제를 해결하기 위한 다양한 알고리즘이 연구되고 있습니다. 계산된 패턴은 진폭 정보와 위상 정보를 모두 포함할 수도 있고, 표시 장치의 특성에 맞춰 위상 또는 진폭 정보만 사용하는 경우도 있습니다. 계산량을 줄이기 위해 물체를 여러 개의 점광원 집합이 아니라 여러 개의 평면(레이어)으로 근사해 계산하는 방식도 널리 쓰이며, 고속푸리에변환과 같은 알고리즘을 활용해 연산 속도를 크게 높입니다. 컴퓨터생성홀로그램은 실제 물체 없이 컴퓨터로 계산한 간섭무늬 패턴을 공간광변조기에 표시해 원하는 임의의 3차원 상을 재생하는 방식으로, 존재하지 않는 가상 물체도 표현할 수 있습니다.
주의할 점
컴퓨터생성홀로그램은 계산 과정에서 발생하는 근사나 표시 장치의 화소 해상도 제한으로 인해 재생된 상에 원치 않는 잡음이나 왜곡이 나타날 수 있습니다.
실시간 재생을 위해서는 매 프레임마다 방대한 계산을 다시 수행해야 하므로, 고해상도 동영상 수준의 홀로그램을 지연 없이 계산해내는 것은 여전히 계산 자원 측면에서 큰 도전 과제로 남아 있습니다.