KR100260013B1 - 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이진 위상 홀로그램을 이용하여 칼라 영상을 재생 가능하게 하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 이진 위상 홀로그램은 컴퓨터 홀로그램 (Computer Generated Hologram)으로 재생시키고자 하는 영상의 퓨리에(Fourier) 변환을 계산하여 이 패턴을 광학적으로 제작하는 것이다. 제작된 홀로그램에 레이저 빛을 비추고 렌즈를 통과 시켜 퓨리에 역변환을 시키면 렌즈의 초평면(focal plane)에 원하는 영상이 재생된다. 하지만 이진 위상 홀로그램은 단색광 레이저를 이용해서 재생하여야 하기 때문에 칼라 영상의 구현이 불가능하다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하는 이진 위상 홀로그램을 이용하여 칼라 영상을 재생시키는 원리와 그 장치에 관한 것이다. 상술한 목적을 달성하기 위하여 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue) 세 개의 레이저와 여기에 대응하는 R,G,B 세 개의 홀로그램을 공간적으로 분리시키고, 또한 홀로그램의 주기를 파장에 비례하게 하여 각 홀로그램은 특정한 파장의 레이저 빛만 통과하도록 한다. 비록 세 개의 홀로그램이 한 평면상에서 적당한 간격으로 떨어져 위치하지만 뒤에 놓인 렌즈에 의해 각 홀로그램으로부터 나온 영상은 출력 면에서 한곳으로 합해져 칼라 영상이 구현된다.

Description

컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법 및 장치

본 발명은 이진 위상 홀로그램을 이용하여 칼라 영상을 재생 가능하게 하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 적색, 녹색, 청색 세 개의 레이저와 여기에 대응하는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 3개의 홀로그램을 공간적으로 분리시키고 또한 홀로그램의 주기를 파장에 비례하게 하여 각 홀로그램은 특정한 파장의 레이저 빛만 통과시키도록 한 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법 및 장치에 관한 것이다.

이진 위상 홀로그램은 컴퓨터 홀로그램(Computer Generated Hologram: CGH)으로 재생시키고자 하는 영상의 퓨리에(Fourier)변환을 계산하여 이 패턴을 광학적으로 제작하는 것이다. 제작된 홀로그램에 레이저 빛을 비추고 렌즈를 통과 시켜 퓨리에 역변환을 시키면 렌즈의 초평면(focal plane)에 원하는 영상이 재생된다. 이진위상 홀로그램은 설계와 제작이 용이하여 최근에 자유공간 광연결이나 광정보처리 분야에서 많이 연구가 되어 왔다. 그러나 지금까지는 이진 위상 홀로그램의 재생에 단색광 레이저를 이용해서 재생하여야 하기 때문에 칼라 영상의 구현이 불가능하다.

따라서, 본 발명은 칼라영상이 가능한 CGH를 개발함에 있어서 적색, 녹색, 청색 세 개의 레이저를 사용하고, 여기에 대응하는 3개의 이진 위상 홀로그램을 적절하게 설계 제작하여 칼라 영상의 구현이 가능하도록 함으로써, 상기한 단점을 해결할 수 있는 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법은 목표 패턴인 칼라 영상으로부터 파장이 각각 λ(R), λ(G), λ(B)인 적색, 녹색 및 청색 영상의 세 개의 칼라 영상 레이저로 분리하는 단계와, 상기 분리된 세 개의 칼라 영상 레이저 빛에 대하여 항상 일정한 크기의 영상이 나오도록 주기가 각각 P(R), P(G), P(B)인 R, G, B 세 개의 홀로그램을 형성하는 단계와, 상기 홀로그램의 설계시 세 홀로그램을 한 평면에 적당한 간격으로 인접하게 위상 홀로그램을 형성하는 단계와, 상기 위상 홀로그램을 R, G, B 세 레이저를 이용해 칼라 영상을 재생하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 장치는 적색, 녹색 및 청색 영상의 칼라 영상 레이저와, 상기 적색, 녹색 및 청색 영상을 위한 홀로그램이 형성되는 홀로그램 평면과, 상기 홀로그램 평면을 통과한 상기 적색, 녹색 및 청색의 영상을 한 곳에서 재생시키기 위한 렌즈와, 상기 렌즈에 의해 형성된 칼라 영상을 재생하기 위한 출력 면을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도.

도 2는 본 발명에 따른 칼라 영상을 구현하는 장치도.

도 3의 (a), (b), (c)는 각각 적색, 녹색, 청색의 홀로그램을 설계하기 위한 목표 영상.

도 4의 (a), (b), (c)는 각각 설계된 적색, 녹색, 청색의 세 개의 홀로그램의 한 주기의 패턴.

도 5는 적색, 녹색, 청색의 홀로그램을 모두 사용하여 얻어진 출력 영상.

〈도면 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11. 적색 레이저 12. 녹색 레이저

13. 청색 레이저 14. 홀로그램 평면

15. 적색 영상을 위한 홀로그램 16. 녹색 영상을 위한 홀로그램

17. 청색 영상을 위한 홀로그램 18. 렌즈

19. 출력 면

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

레이저의 파장이 λ이고, 렌즈의 초점이 f, 홀로그램의 한 주기가 P일 때, 출력 면에서 영상을 구성하는 스폿(spot)들 사이의 간격 S는 다음 [수학식 1]과 같다.

[수학식 1]에서 보는 바와 같이 렌즈의 초점 f 는 고정된 값이라고 가정하면, 파장λ에 따라 출력 면에서 얻어지는 스폿의 간격 S도 달라지게 된다. 따라서, 홀로그램 영상이 파장이 다른 색에 따라 서로 다른 크기의 영상을 맺기 때문에 선명한 영상을 얻을 수 없다.

따라서, 위와 같은 문제를 해결하기 위해서는 R, G, B세 개의 홀로그램의 주기를 서로 다르게 하여 각 홀로그램의 특정한 파장의 레이저 빛만 통과하도록 하면 된다. 이러한 작용이 가능한 구체적인 원리를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

목표 패턴인 칼라 영상(1)으로부터 파장이 각각 λ(R), λ(G), λ(B)인 적색 영상, 녹색 영상, 청색 영상을 분리(2)한다. 상기 분리된 세 개의 칼라 영상(적색 영상, 녹색 영상, 청색 영상)의 레이저 빛에 대하여 항상 일정한 크기의 영상이 나오도록 주기가 각각 P(R), P(G), P(B)인 R, G, B 세 개의 홀로그램을 설계(3) 한다. 홀로그램의 제작 시 세 홀로그램을 한 평면에 적당한 간격으로 인접하게 제작(4)한다. 이후, R, G, B 세 레이저를 이용해 칼라 영상을 재생(5)시킨다.

이때, 홀로그램은 공간적으로 분리되어 있기 때문에 도 2의 칼라 영상 구현 장치에 도시된 바와 같이 각기 파장에 해당되는 적색 레이저(11), 녹색 레이저(12) 및 청색 레이저(13)가 홀로그램 평면(14)의 해당 홀로그램인 적색 영상을 위한 홀로그램(15), 녹색 영상을 위한 홀로그램(16) 및 청색 영상을 위한 홀로그램(17)을 각각 통과하게 할 수 있다. 즉, 파장 (R)의 레이저는 주기가 P(R)인 홀로그램을 통과하게 하고, 파장 (G)의 레이저는 주기가 P(G)인 홀로그램을 통과하게 하며, 파장 (B)의 레이저는 주기가 P(B)인 홀로그램을 통과하게 한다. 이후 렌즈(18)를 통해 출력 면(19)에 칼라 영상을 재생한다.

홀로그램을 설계할 때는 원하는 영상의 적색 부분에 해당하는 영상은 적색용 홀로그램에서만 재생되도록 설계하고, 녹색 부분에 해당하는 영상은 녹색용 홀로그램에서만 재생되도록 설계하며, 청색 부분에 해당하는 영상은 청색용 홀로그램에서만 재생되도록 설계한다. 이 때 각각의 홀로그램의 주기 P(R), P(G), P(B)는 [수학식 2]와 같이 파장에 관계없이 출력 면에서의 영상의 크기는 항상 일정하게 하려면 파장에 비례하게 하여야 한다.

또한, 세 개의 홀로그램이 한 평면상에서 적당한 간격으로 떨어져 위치하지만 뒤에 놓인 렌즈 때문에 출력 영상은 각 홀로그램으로부터 나온 영상은 출력 면에서 한곳으로 합해져 칼라 영상이 구현된다. 위와 같은 현상은 볼록 렌즈가 [수학식 3]과 같은 이동 불변(Shift-invariant)의 성질을 가지고 있는 퓨리에 변환을 광학적으로 수행하기 때문이다.

여기서, F{ }는 퓨리에 변환을 나타낸다. 이 때 렌즈는 단일렌즈 대신에 구면수차와 색수차 등이 제거된 이중렌즈나 다중렌즈를 사용한다.

이차원 위상 홀로그램의 위상 투과 함수를 g(x, y)라 하고, 이것의 퓨리에 변환을 G(m, n)이라 하면, 스칼라 회절 이론에 의하여 홀로그램의 파장이 λ인 레이저 빔과 초점거리가 f 인 퓨리에 변환렌즈에 의한 초평면에서 회절 된 영상은 [수학식 4]와 같이 나타낸다.

만약 3개의 이진 위상 홀로그램이 한 평면에 적당한 간격으로 인접해 있고 각 홀로그램에 특정한 파장의 레이저만을 통과시킨다면 홀로그램의 위상 투과 함수는 [수학식 5]와 같다.

여기서, (k)는 k=1, 2, 3의 경우, 각각 (R), (G), (B)를 나타내고 (x_k, y_k)는 각 홀로그램이 위치한 좌표를 나타낸다.

상기와 같이 세 개의 홀로그램을 이용하는 방법은 한 홀로그램만을 사용했을 때 얻어지는 영상이 파장에 따라서 크기가 달라지는 문제점을 해결할 수 있으며, 또한 렌즈를 통해서 출력이 한곳에서 재생되기 때문에 색의 합성이 가능해 R, G, B 이외의 색을 갖는 영상도 쉽게 얻을 수가 있다.

홀로그램을 설계 할 때는 한 주기 내의 모든 정보가 N× N개의 셀(cell)에 위상 값으로 저장된다. 또한 이 셀의 크기가 모두 일정하기 때문에 홀로그램의 주기 P는 셀의 수인 N에 비례하게 된다. 또한 R, G , B 세 개의 홀로그램을 설계할 때 셀의 수는 [수학식 2]에서 보는 바와 같이 파장에 비례하게 정해야 한다. 따라서, 홀로그램 셀의 수(주기에 비례)는 [수학식 6]과 같은 비율로 구해진다.

x : y : z=λ(R):λ(G):λ(B)

예를 들어 현재 상용화된 레이저의 파장으로 가능한 것은 λ(R)= 632.8nm, λ(G)= 543.5nm, λ(B)= 488nm 이 있다.

[수학식 6]의 비율로 구해지는 셀 수의 정수 값은 비록 없다 할지라도 정수 값에 가장 근접한 값은 [수학식 7]과 같다.

예를 들어 각 파장별로 셀의 수가 100에서 300사이의 수로 [수학식 7]을 최소화시키는 N(R):N(G):N(B)의 정수 비는 262:225:202가 된다.

이진 위상 홀로그램의 제작은 광리소그라피나 레이저로 직접기록(laser direct writing)등의 기술이 공지되어있다.

재생하고자 하는 영상은 R, G, B 칼라로 구성된 "ETRI" 로고를 택하였다.

도 3의 (a), (b), (c)에 도시된 바와 같이 로고는 빨강 색의 T자(a), 파란색의 E,R,I자(b), 그리고 초록색의 부분 원형 모양(c)으로 구성되어있다.

도 4의 (a), (b), (c)는 각각 도 3의 (a), (b), (c)의 영상이 나오도록 R, G, B 의 세 파장에 대하여 일정한 크기의 영상이 나오도록 설계된 위상 홀로그램의 한 주기 패턴을 나타낸다.

여기서 홀로그램 패턴의 흰 부분과 검정부분은 π의 위상 차가 난다. 도 4의 (a)는 한 주기가 262x262 개의 셀로 설계된 적색 파장의 홀로그램을 나타내며, 도 4의 (b)는 한 주기가 225x225 개의 셀로 설계된 녹색 파장의 홀로그램, 그리고 도 4의 (c)는 한 주기가 202x202 개의 셀로 설계된 청색 파장의 홀로그램을 각각 나타낸다.

도 5는 도 4의 R, G, B 세 개의 홀로그램을 사용할 경우 [수학식 4]와 [수학식 5]를 이용해 얻어진 시뮬레이션 결과이다.

영상이 원점을 중심으로 대칭인 이유는 홀로그램의 위상이 이진(0또는 π)이기 때문이다. 위상이 4단계 이상인 다중 위상 홀로그램을 사용하면 대칭 영상을 없앨 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예로 색이 R, G, B 3개만으로 구성된 영상을 사용했는데 출력 면에서 각각의 색이 적절하게 합쳐지도록 영상을 선택하면 임의의 색을 가진 영상도 재생시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상이 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 도면에 한정되는 것이 아니다.

본 발명은 이진위상 홀로그램을 이용하여 칼라 영상이 재생되므로 영상의 디스플레이에 시각적 효과뿐만 아니라 광정보처리 분야에 그 응용성 및 유용성을 증가 시켜주는 탁월한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 목표 패턴인 칼라 영상으로부터 파장이 각각 λ(R), λ(G), λ(B)인 적색, 녹색 및 청색 영상의 세 개의 칼라 영상 레이저로 분리하는 단계와,

   상기 분리된 세 개의 칼라 영상 레이저 빛에 대하여 항상 일정한 크기의 영상이 나오도록 주기가 각각 P(R), P(G), P(B)인 R, G, B 세 개의 홀로그램을 형성하는 단계와,

   상기 홀로그램의 설계시 세 홀로그램을 한 평면에 적당한 간격으로 인접하게 위상 홀로그램을 형성하는 단계와,

   상기 위상 홀로그램을 R, G, B 세 레이저를 이용해 칼라 영상을 재생하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 적색, 녹색 및 청색의 세 개의 홀로그램은 홀로그램의 형성시 세 홀로그램을 한 평면에 적당한 간격으로 인접하게 위치하게 하고, 상기 각 홀로그램에 해당하는 특정 파장만을 통과하게 하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 적색, 녹색 및 청색의 홀로그램은 한 주기의 크기를 각각 적색, 녹색 및 청색 레이저의 파장에 비례하게 형성하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법.
4. 적색, 녹색 및 청색 영상의 칼라 영상 레이저와,

   상기 적색, 녹색 및 청색 영상을 위한 홀로그램이 형성되는 홀로그램 평면과,

   상기 홀로그램 평면을 통과한 상기 적색, 녹색 및 청색의 영상을 한 곳에서 재생시키기 위한 렌즈와,

   상기 렌즈에 의해 형성된 칼라 영상을 재생하기 위한 출력 면을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 장치.

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