KR100416479B1 - 인코히어런트 홀로그래픽 3차원 디스플레이 장치 - Google Patents

인코히어런트 홀로그래픽 3차원 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파장판을 이용한 위상 지연 조절에 따른 바이어스와 공액 영상을 제거한 복소 홀로그램을 생성하고, 상기 복소 홀로그램을 이용하여 복소 홀로그램 영상을 복원하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법, 상기 방법에 상응하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파장판(Wave Plate)의 위상 지연 조절에 상응하는 빛의 복소 진폭을 산출하고, 광검출기를 이용하여 상기 복소 진폭에 상응하는 빛의 세기를 검출하고, 상기 빛의 세기를 전자적으로 결합하여 복소 홀로그램을 생성하고, 상기 복소 홀로그램의 복소 정보를 포함하는 공간 광변조기를 통과한 빛에 상기 복소 정보를 부가하고, 일 측의

Description

인코히어런트 홀로그래픽 3차원 디스플레이 장치{Incoherent holographic three-dimensional display device}
본 발명은 파장판을 이용한 위상 지연 조절에 따른 바이어스와 공액 영상을 제거한 복소 홀로그램을 생성하고, 상기 복소 홀로그램을 이용하여 복소 홀로그램 영상을 복원하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법, 상기 방법에 상응하는 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 홀로그램을 이용하여 3차원 영상 디스플레이, 기록 매체 및 영상 암호화 및 복원 등에 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
우선, 홀로그램의 역사적 배경을 설명하기로 한다.
1948년 Gabor에 의해 최초로 제안된 광 홀로그래피(Optical Holography) 기술은 1962년 Leith와 Upatniek에 의해 두 개의 빔을 이용한 오프 액시스(Off-Axis) 홀로그램이 발표된 이후 3차원 영상 디스플레이를 위한 홀로그래피 방법의 잠재력이 인정받기 시작하였다.
여기서, 용어에 대한 설명을 간략히 설명하기로 한다.
홀로그램이란 홀로(Holo : 전체)와 그램(Gram : 기록, 재생)의 그리스어의 합성어로서, 물체파와 주변파의 간섭을 기록한 필름이고, 두 파의 합성파는 위상과 진폭을 동시에 기록한다.
홀로그래피란 간섭 무늬가 기록된 홀로그램을 이용하여 3차원 입체 영상을 만들어 내는 기술을 의미한다.
오프 액시스(Off-Axis) 홀로그램이란 일반적인 홀로그램으로서 광원, 물체 및 판(Plate)을 한 축상에 위치시키지 않으므로서, 허상과 실상을 구분해서 볼 수있다.
온 액시스(On-Axis) 홀로그램이란 기준 빔과 대상 빔, 영상, 관찰자가 한 축상에 있는 홀로그램 실상과 허상이 동시에 관찰됨으로써 영상을 상세하게 볼 수 있다.
그러나, 70, 80년대를 거쳐 홀로그래피에 대한 연구가 활발히 진행되었지만, 홀로그래피를 3차원 영상의 디스플레이를 위한 목적으로 사용하고자 할 때 여러 가지 문제점이 나타나게 되어 그 응용이 크게 제한되었다.
특히, 기존의 홀로그래피는 레이저 광을 이용하여 만들기 때문에 우리가 일상적으로 보는 야외 풍경이나 실내의 방과 같이 부피가 큰 장면은 레이저 광의 가간섭 거리의 한계 때문에 홀로그램 구성이 불가능하다.
더욱이, 현재의 레이저 광원은 비효율적이며 에너지 이용 효율이 매우 낮은 에너지 다소비 광원이므로 이러한 단점을 극복하기 위해서는 가간섭 거리가 무한이라 할 수 있는 이상적인 광원을 만들고 이 광원의 이용 효율을 크게 높이면 되겠지만 현실적으로 기술적인 어려움이 많기 때문에 그 실현이 불가능하다.
따라서, 기존의 광 홀로그래피가 가지고 있는 근본적인 문제점을 해결하기 위한 새로운 접근 방법으로 태양 광에 의해 반사되는 자연 광을 이용하는 인코히어런트 홀로그래피(Incoherent Holography) 기술이 제시된 바 있다.
또한, 물체의 각 점의 위치와 광의 세기를 인코딩하는 Gabor 존 패턴(Gabor Zone Pattern : GZP)의 중첩을 이용하는 것으로 삼각 간섭계, 이중 초점을 가진 복굴절 렌즈를 이용한 진폭 분할 간섭계, 그리고 코노스코픽 홀로그래피(ConoscopicHolography) 등이 인코히어런트 홀로그래피 기술로서 제안되었다.
이 중 코노스코픽 홀로그래피는 비등방성 결정에서 OW(Ordinary Wave)와 EOW(Extraordinary Wave)의 위상 속도의 불일치를 이용하고, 삼각 간섭계는 한 쌍의 렌즈와 거울 그리고 광분할기와 같은 간단한 광학 기구로 GZP를 만들게 된다.
그러나, 인코히어런트 홀로그래피는 온 액시스(On-Axis) 홀로그래피이기 때문에 두 가지의 근본적인 단점을 가지고 있다. 즉, 바이어스의 영향이 크고 홀로그램 복원시 실상과 허상이 동시에 나타나므로 복원된 영상의 명암비를 크게 낮추게 된다는 것이다.
또한, 코노스코픽 홀로그래피에서는 복굴절 결정에서의 OW와 EOW의 속도차, LCLV(Liquid Crystal Light Valve), 마스크 등을 이용하여 바이어스와 공액 영상을 제거하는 방법이 제시됐는데, 이 방법은 고가의 광학 소자를 사용할 뿐만 아니라 바이어스와 공액 영상이 없는 복소 홀로그램의 실수부는 기본 시스템을 이용하고, 허수부는 기본 시스템에 마스크를 새로 추가하여 구하게 되므로 마스크의 유무에 따른 두 가지 시스템을 사용해야 하는 등의 문제점을 가지고 있다.
그러므로, 상기에 살펴 본바와 같이 다양한 홀로그래피 기술이 제시되었지만, 이 중에 삼각 간섭계 홀로그래피 기술이 저가의 광학 소자를 이용하므로 가장 경제적인 기술인 바, 상기 삼각 간섭계 홀로그래피 기술의 바이어스와 공액 영상이 존재하는 단점을 보완하는 문제가 현실적으로 대두하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 파장판을 이용한 위상 지연 조절에 따른 바이어스와 공액 영상을 제거한 복소 홀로그램을 생성할 수 있는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법, 상기 방법에 상응하는 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 복소 홀로그램을 이용하여 바이어스와 공액 영상이 제거된 복소 홀로그램 영상을 실시간으로 복원할 수 있는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법, 상기 방법에 상응하는 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 편광 광분할기, 파장판(Wave Plate), 선형 편광기의 간단한 광학 소자를 추가함으로써 바이어스와 공액 영상을 제거할 수 있는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법, 상기 방법에 상응하는 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형된 삼각 간섭계의 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복소 홀로그램 복원 시스템의 구성도.
도 3은 종래의 삼각 간섭계로부터 얻어진 점광원 소스의 홀로그램을 도시한 도면.
도 4a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형된 삼각 간섭계로부터 얻어진 점광원 소스의 복소 홀로그램의 실수부를 각각 도시한 도면.
도 4b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형된 삼각 간섭계로부터 얻어진 점광원 소스의 복소 홀로그램의 허수부를 각각 도시한 도면.
도 5a는 종래의 삼각 간섭계에 의한 홀로그램으로부터 수치적으로 복원된 영상을 도시한 도면.
도 5b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형된 삼각 간섭계에 의한복소 홀로그램으로부터 상기 복소 홀로그램으로부터 복원된 영상을 도시한 도면.
도 6a는 종래의 삼각 간섭계로부터 얻어진 홀로그램을 광학적으로 복원한 영상을 도시한 도면.
도 6b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형 삼각 간섭계로부터 얻어진 복소 홀로그램을 광학적으로 복원한 영상을 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101, 211 : 입력면 103, 213 : 편광 광분할기
105, 107 : 렌즈 109, 111 : 거을
113 : 제1 파장판(Wave Plate) 115 : 제2 파장판
117 : 출력면 201 : 레이저
203 : 필터 205, 207, 217 : 거울
209 : 렌즈 215 : 컴퓨터
219 : 제1 LCD 221 : 제2 LCD
223 :파장판 225 : 광분할기
227 : CCD 카메라
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 파장판(Wave Plate)의 위상 지연 조절에 상응하는 빛의 복소 진폭을 산출하고, 광검출기를 이용하여 상기 복소 진폭에 상응하는 빛의 세기를 검출하고, 상기 빛의 세기를 전자적으로 결합하여 복소 홀로그램을 생성하고, 상기 복소 홀로그램의 복소 정보를 포함하는 공간 광변조기를 통과한 빛에 상기 복소 정보를 부가하고, 일 측의파장판을 이용하여 복소 홀로그램 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법이 제공된다.
바람직한 일 실시예에서, 파장판(Wave Plate)의 위상 지연 조절에 상응하는 빛의 복소 진폭을 산출하고, 광검출기를 이용하여 상기 복소 진폭에 상응하는 빛의 세기를 검출하고, 상기 빛의 세기를 전자적으로 결합하여 복소 홀로그램을 생성하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법이 제공된다.
바람직한 다른 실시예에서, 복소 홀로그램의 복소 정보를 포함하는 공간 광변조기를 통과한 빛에 상기 복소 정보를 부가하고, 일 측의파장판을 이용하여 복소 홀로그램 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 복소 홀로그램 실시간 복원 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 입력면과 출력면에 설치되는 선형 편광기, 상기 입력면으로부터 출력된 X축과 Y축에 편행한 편광을 분리하는 편광 분할 수단, 상기 편광 분할 수단으로부터 출력된 편광의 방향을 조절하는 렌즈 및 상기 렌즈를 통과한 편광을 반사시키는 렌즈를 포함하는 삼각 간섭계에 있어서, 상기 편광 분할 수단과 출력면 사이에 파장판이 부가되는 것을 특징으로 하는 삼각 간섭계가 제공된다.
바람직한 일 실시예에서, 빛을 조사하는 레이저, 상기 레이저에 의한 빛이 필터를 경유하여 입력되는 입력면과, 상기 입력면으로부터 출력된 편광을 분할하는 편광 광분할기, 복소 정보를 포함하는 컴퓨터, 상기 컴퓨터로부터 복소 정보를 전송 받는 LCD, 상기 편광 광분할기에 의한 편광에 LCD의 복소 정보를 포함하는 빛을 결합하는 광분할기를 포함하는 복소 홀로그램 복원 시스템에 있어서, 상기 광분할기와 LCD 사이에파장판을 부가하는 것을 특징으로 하는 복소 복소 홀로그램 복원 시스템이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형된 삼각 간섭계의 구성도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 변형된 삼각 간섭계는 점광원(S)으로부터 발산되는 빛을 입력받아 선형 편광시키는 입력면(101), 상기 입력면(101)으로부터 출력된 X축과 Y축에 평행한 편광을 분리하는 편광 광분할기(103), 상기 편광 광분할기(103)에 의해 분리되어 하나는 시계 방향으로 진행하고 다른 하나는 반시계 방향으로 진행하는 편광의 초점을 조절하는 렌즈(105, 107), 상기 렌즈(105, 107)를 통과한 편광을 반사시키는 거울(107, 109), 서로 다른 파장 중에 특정 파장 만을 선택하는 필터(F), 두개의 서로 다른 편광의 위상 지연을 발생시키는 제1 파장판(Wave Plate)(113) 및 제2 파장판(115), 상기 파장판(113, 115)을 경유한 빛의 편광 성분만 출력시키는 출력면(117)을 포함한다.
여기서, 상기 입력면(101)과 상기 출력면(117)은 선형 편광기이고, 상기 렌즈(105, 107)의 초점 거리는 f1 및 f2이다.
또한, 상기 입력면(101)과 상기 제2 파장판(115)은 X축에 대하여 45 회전되어 있고, 상기 제1 파장판(113)의 슬로우 축(Slow Axis)은 X축과 일치하고, 상기 출력면(117)은 편광 축이 X축 방향이다.
따라서, 점광원으로부터 발산된 빛은 입력면에 입사되고, 상기 편광 광분할기에 의해 시계 방향으로 진행하는 편광과 반시계 방향으로 진행하는 편광으로 분리하고, 각각의 편광은 제1 파장판 및 제2 파장판의 위상 지연의 조합에 따라 4개의 복소 진폭 또는 빛의 세기로 출력면을 통해 진행한다.
그리고, 상기 출력면으로부터 진행된 빛은 광 검출기 등의 전자 소자를 사용하여 상기 빛을 전자적으로 결합하여 바이어스와 공액 영상이 제거된 복소 홀로그램을 생성한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복소 홀로그램 복원 시스템의 구성도를 나타낸다.
여기서, 미설명 부호 209는 렌즈, 205 및 217은 거울, 227은 CCD 카메라를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 빛을 조사하는 레이저(201), 상기 레이저(201)에 의해 빛이 필터(203)를 경유하여 입력되는 입력면(211), 상기 입력면(211)으로부터 편광을 분할하는 편광 광분할기(213), 복소 정보를 포함하는 컴퓨터(215), 상기 컴퓨터(215)로부터 복소 정보를 전송 받는 제1 LCD(219) 및 제2 LCD(221), 상기 편광 광분할기(213)에 의한 편광에 제1 LCD(219) 및 제2 LCD(221)의 복소 정보를 포함하는 빛을 결합하는 광분할기(225), 상기 광분할기(225)와 제2 LCD(221) 사이에 부가되는파장판(223)를 포함한다.
상기 컴퓨터(215)는 두대가 동기화되어 있고 제1 LCD(219) 및 제2 LCD(221)와 연결되어 있고, 변형된 삼각 간섭계에 의해 바이어스와 공액 영상이 제거된 복소 홀로그램을 상기 컴퓨터(215)의 메모리에 저장한다.
상기 레이저(201)로부터 빛이 조사될 때 제1 LCD(219) 및 제2 LCD(221)로 메모리에 저장된 복소 홀로그램의 복소 정보를 전송하여 상기 빛에 상기 복소 정보를 부가시킨다.
여기서, 상기 복소 정보는 상기 제1 LCD(219)로 전송되는 실수부와 상기 제2 LCD(221)로 전송되는 허수부를 포함한다.
상기 레이저(201)는 He-Ne 소스인 것이 바람직하다.
상기 필터(203)는 상기 레이저(201)로부터 출력된 다양한 파장의 빛 중에서 특정 파장의 빛 만을 출력시킨다.
상기 편광 광분할기(213)는 삼각 간섭계에 언급한 바와 같이 입력면(211)으로부터 출력된 편광을 시계 방향으로 진행하는 편광과 반시계 방향으로 진행하는 편광으로 분리한다.
상기파장판(223)의 슬로우 축(Slow Axis)은 X축에 관해및으로 회전된다.
상기 제1 LCD(219)와 상기 제2 LCD(221)는 편광기 및 해석기를 더 포함하는것이 바람직하다.
상기 편광기는 X축 또는 Y축 방향의 복소 진폭 중에 하나의 복소 진폭만을 출력시킨다.
상기 해석기는 복소 진폭과 복소 정보의 곱인 것이 바람직하다.
따라서, 컴퓨터의 메모리에 저장되어 있는 복소 홀로그램의 복소 정보 중에서 실수부는 제1 LCD로, 허수부는 제2 LCD로 전송 한 후, 레이저로부터 빛을 제1 LCD와 제2 LCD로 조사하게 되면, 제1 LCD와 제2 LCD를 통과한 빛은 각각 실수부와 허수부의 복소 정보를 포함하게 된다.
또한, 상기 제2 LCD를 통과한 빛은파장판을 경유하므로 상기파장판 후면에서값이 허수부에 곱해지게 된다.
그러므로, 광분하기에서 결합된 두 빛은 복소 홀로그램을 표현하게 되며, 일정한 거리를 진행하게 되면 프레즈넬(Fresnel) 회절에 의해 복원된 영상을 관측할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형된 삼각 간섭계를 이용하여 바이어스와 공액 영상이 제거된 복소 홀로그램의 생성과 상기 복소 홀로그램으로부터 복소 홀로그램 영상을 실시간으로 복원하는 과정을 수학식을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
참고로 설명의 이해를 돕기 위해 상기 도 1과 도 2를 참조한다.
1. 삼각 간섭계를 이용하여 바이어스와 공액 영상이 제거된 복소 홀로그램을 생성하는 과정
먼저, 파장판의 위상 지연 조절에 상응하는 빛의 복소 진폭을 산출한다
상기에 상술된 바와 같이, 도1의 변형된 삼각 간섭계는 편광 광분할기와 출력면 사이에 제1 파장판 및 제2 파장판을 부가함으로서, 상기 제1 위상 판 및 상기 제2 위상 판의 위상 지연의 4가지 조합에 의해 편광 광분할기로부터 출력된 시계 방향으로 진행하는 빛과 반시계 방향으로 진행하는 빛에 적용하여 4개의 복소 진폭을 산출할 수 있다.
즉, Jones 벡터 표현을 이용하여 출력면 전의 빛의 복소 진폭을 계산하면, 하기의 수학식 1과 같다.
여기서,및는 각각 제1 파장판 및 제2 파장판의 위상 지연이고,및는 각각 시계 방향 및 반시계 방향으로 진행하는 빛의 복소 진폭을 의미한다.
또한, 상기 위상 지연은 제1 파장판 및 제2 파장판에 의해 하기의 수학식 2와 같은 4개의 조합을 만든다.
상기 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 제1 파장판의 위상 지연()은 0 또는이고, 제2 파장판의 위상 지연()은또는이다.
시계 방향 및 반시계 방향으로 진행하는 빛의 복소 진폭은 각각 하기의 수학식 3과 수학식 4와 같다.
여기서,,,은 물체로부터 입력면까지의 거리를 나타낸다.
X축 방향으로 편광된 선형 편광기인 출력면 후의 복소 진폭은 하기의 수학식 5와 같다.
여기서,및는 각각 제1 파장판1 및 제2 파장판2의 위상 지연,및는 각각 시계방향 및 반시계 방향으로 진행하는 빛의 복소 진폭,는좌표계의축 방향의 단위벡터를 나타낸다.
상기 수학식 5에 나타낸 바와 같이, 최종적으로 출력된 복소 진폭은 한 축으로 편광된 성분 만을 포함한다.
따라서, 상기 수학식 5에서및의 4개의 조합을 이용함으로써, 영상복원시 바이어스와 공액 영상이 없는 복소 홀로그램을 얻을 수 있다.
먼저, 상기 수학식 5는와의 경우 하기 수학식 6과 같이 표현된다.
또한,와의 경우 하기 수학식 7과 같이 표현된다.
다음, 광검출기를 이용하여 상기 복소 진폭에 상응하는 빛의 세기를 검출한다.
상기 광 검출기는 CCD 카메라인 것이 바람직하다.
상기 광 검출기에 의해 검출된 복소 진폭에 상응하는 빛의 세기는 하기의 수학식 8과 수학식 9와 같다.
여기서, C는 상수,,,,
상기 수학식 8과 수학식 9에 나타낸 바와 같이, 상기 빛의 세기의 수학식에는 상수항이 존재하고, 상기 상수항으로 인해 홀로그램 영상의 복원시 영상의 질이 떨어지는 문제점이 있다.
상기 수학식 8과 상기 수학식 9를 전자적으로 결합하여 상수항을 제거하는 동시에 실수부와 허수부를 분리할 수 있다.
즉, 상기 수학식 8의를에서 뺀 다음에 그 결과를 2로 나누면 하기의수학식 10과 같다.
상기 수학식 10과 상기 수학식 11에 나타낸 바와 같이, 상수항이 제거됨을 알 수 있다.
상기 수학식 10과 상기 수학식 11을 가산 연산기와 같은 전자 소자를 이응하여 결합하여 정리하면, 하기의 수학식 12와 같이 표현된다.
상기 수학식 12에 나타낸 바와 같이, 바이어스(또는 상수항)가 제거되고, 실수부와 허수부를 포함하는 빛의 세기에 의해 복소 홀로그램이 생성된다.
따라서, 바이어스와 공액 영상을 제거한 복소 홀로그램을 생성이 가능하고, 광원의 종류에 관계없이 임의의 3차원 물체의 각 점광원의 빛의 세기와 위치에 대한 정보를 바이어스와 공액 영상이 제거된 복소 홀로그램으로 기록할 수 있으므로차세대 홀로그래픽 3차원 영상 통신 시스템의 입력부로서 활용이 가능하다.
2. 복소 홀로그램을 이용한 복소 홀로그램 영상을 실시간으로 복원하는 과정
먼저, 상기 복소 홀로그램의 복소 정보를 포함하는 공간 광변조기를 통과한 빛에 상기 복소 정보를 부가한다.
상기 변형된 삼각 간섭계를 이용한 빛의 세기에 의한 복소 홀로그램에는 복소 정보를 포함하고 있다.
상기 복소 정보는 실수부와 허수부를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 복소 홀로그램의 복소 정보는 광검출기에 의해 전자적으로 결합되어 복소 홀로그램을 생성하고, 생성된 복소 정보는 서로간에 동기화되는 두대의 컴퓨터 각각의 메모리에 저장되어 있다.
상기 메모리에 저장된 복소 홀로그램의 실수부와 허수부는 복소 홀로그램 영상 복원시 각각 제1 LCD 및 제2 LCD로 전송된다.
입사되는 레이저 광원은 입력면을 통과한 후에 X축 성분 및 Y축 성분으로 나눌 수 있으므로 하기의 수학식 13과 같이 표현된다.
여기서,및는 각각 X축 및 Y축 방향의 복소 진폭이며, 진행 거리에의한 위상 성분은 빛의 세기에 영향을 미치지 않으므로 이후에 생략하기로 한다.
편광 광분할기를 경유한 복소 진폭은 경로 1의 경우 하기 수학식 14와 같이 표현할 수 있다.
마찬가지로, 경로 2의 경우 복소 진폭은 하기 수학식 15와 같다.
경로 1과 경로 2를 진행하는 빛은 변형된 삼각 간섭계에서 얻은 복소 홀로그램의 실수부와 허수부를 표현하는 제1 LCD와 제2 LCD를 경유하게 되면, 상기 제1 LCD 및 상기 제2 LCD는 진폭 변조기 역할을 하므로 LCD 통과 후의 복소 진폭은 각각 수학식 16과 수학식 17과 같이 표현된다.
여기서, 상기 수학식 16과 상기 수학식 17은 상기 수학식 12의 실수부와 허수부를 나타낸다. 즉,는 상수이며,,,,,,,이다.
상로 2에서 제1 LCD를 통과한 빛은파장판에 의해 위상 지연()에 의해 하기 수학식 18과 같이 표현된다.
여기서, +와 -은파장판의 슬로우 축(Slow Axis)이 X축에 대하여 각각 -45°와 +45° 회전되어 있을 경우에 대응한다.
광분할기를 통과한 빛은 제1 LCD를 통과한 빛과파장판을 통과한 빛이 결합되어 하기 수학식 19와 같이 표현된다.
만일이라면, 상기 수학식 19는 하기 수학식 20과 같이 된다.
상기 수학식 20은 복원하고자 하는 복소 홀로그램으로서, 상기 수학식 12와 동일하고, 상기 수학식에 나타난 바와 같이, 복원된 복소 홀로그램도 바이어스와 공액 영상이 제거됨을 알 수 있다.
상기 수학식 20을 바탕으로 Fresnel 회절에 의해 빛의 세기를 산출할 수 있음으로 상기 빛의 세기를 광 검출기나 사람의 눈으로 보게 되면, 원하는 영상을 인식할 수 있다.
이하, 실험적 고찰을 통해 본 발명을 설명하기로 한다.
점광원 소스로는 필터된 헬륨 네온(He-Ne) 레이저를 사용하고, 출력 영상은 512×512 픽셀의 CCD 카메라(금성 하니웰, 모델 GC-103E)로 잡는다.
도 3은 종래의 삼각 간섭계로부터 얻어진 점광원 소스의 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 4a 와 도 4b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형된 삼각 간섭계로부터 얻어진 점광원 소스의 복소 홀로그램의 실수부와 허수부(상기 수학식 10과 상시 수학식 11 참조)를 각각 도시한 도면이다.
영상 처리동안 세기는 128 그레이 스케일로 양자화된다.
도 3과 도 4a 및 도 4b를 비교하면, 변형된 삼각 간섭계에 의한 실수부 또는 허수부를 포함하는 복소 홀로그램이 종래의 삼각 간섭계에 의한 홀로그램에 비해 훨씬 좋은 영상을 구현하는 것이 가능함을 알 수 있다.
도 5a는 종래의 삼각 간섭계에 의한 홀로그램으로부터 수치적으로 복원된 영상을 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형된 삼각 간섭계에 의한 복소 홀로그램으로부터 상기 복소 홀로그램으로부터 복원된 영상을 도시한 도면이다.
여기서, 상기 도 5a 및 도 5b에서 왼쪽 영상은 복원된 영상이고, 오른쪽 영상은 영상의 세기 프로파일을 나타낸다.
이러한 영상은 Fresnel-Kirchhoff 적분에 의해 디지털적으로 계산된다.
복소 홀로그램(수학식 12 참조)으로부터 복원된 영상도 5b의 영상은 도 5a의 종래의 삼각 간섭계의 홀로그램으로부터 복원된 영상보다 더욱 명확하다. 도 5a에 나타난 백그라운드 노이즈는 바이어스와 공액 영상에 기인한다.
그러나, 도 5b에는 바이어스와 공액 영상이 나타나지 않는다.
이러한 결과로부터, 인코히어런트 홀로그래피에서 바이어스와 공액 영상을제거하기 위한 변형된 삼각 간섭계를 이용하는 방법은 매우 효과적임을 알 수 있다.
도 5와 도 6은 시뮬레이션에 의한 복소 홀로그램 영상 복원과 실험적으로 측정한 복소 홀로그램의 영상 복원을 각각 도시한 것이다.
도 6a는 종래의 삼각 간섭계로부터 얻어진 홀로그램을 광학적으로 복원한 영상을 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 변형 삼각 간섭계로부터 얻어진 복소 홀로그램을 광학적으로 복원한 영상을 도시한 도면이다.
여기서, 상기 도 6a 및 도 6b에서 왼쪽 영상은 복원된 영상이고, 오른쪽 영상은 영상의 세기 프로파일을 나타낸다.
종래의 삼각 간섭계의 홀로그램 복원은파장판이 없이 수행된 데 반해, 본 발명에 따른 변형된 삼각 간섭계의 복소 홀로그램 복원은파장판을 광분할기와 제2 LCD 사이에 설치하여 수행된다.
도 6a에서는파장판이 없으므로 광 파장이 제1 LCD에 의해서만 변조된다.
따라서, 바이어스와 공액 영상이 동시에 존재한다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형된 삼각 간섭계의 복원은 복소 홀로그램의 실수부와 허수부가 128 그레이 스케일로 양자화되어 LCD로 전송된다.
도 6a의 홀로그램의 복원 영상은 바이어스와 공액 여상의 존재로 인해 점광원이 포착할 수가 없는 반면에, 도 6b의 복소 홀로그램의 복원 영상은 바이어스와 공액 영상이 제거되기 때문에 훨씬 더 명확한 점광원을 포착할 수 있다.
상기와 같이 이루어진 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법, 상기 방법에 상응하는 시스템은 2개의 렌즈와 거울, 1개의 광분할기로 이루어진 삼각 간섭계를 변형하여 비용이 적게 들면서 복소 홀로그램의 실수부와 허수부를 동일한 시스템에서 구현할 수 있어서, 시스템의 신뢰도가 우수하다.
또한, 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법, 상기 방법에 상응하는 시스템은 광원의 종류에 관계없이 임의의 3차원 물체에 대한 정보를 바이어스가 제거된 복소 복소 홀로그램으로 기록할 수 있으며, 차세대 홀로그래픽 3차원 입체 영상 통신 시스템에 있어서 영상의 기록을 위한 입력부로 활용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (40)

  1. 변형된 삼각 간섭계를 이용하여 복소 홀로그램을 생성하고, 상기 복소 홀로그램을 이용하여 복소 홀로그램 영상을 실시간으로 복원하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법에 있어서,
    X축과 일치하는 제1 파장판(Wave Plate) 및 X축과 45° 회전되는 제2 파장판을 포함하는 제1 파장판 수단의 위상 지연 조절에 상응하는 빛의 복소 진폭을 산출하는 단계;
    상기 복소 진폭에 상응하는 빛의 세기를 검출하는 단계;
    상기 빛의 세기를 전자적으로 결합하여 복소 홀로그램을 생성하는 단계;
    공간 광변조기를 이용하여 상기 복소 홀로그램의 복소 정보를 레이저 빛에 부가하는 단계; 및
    제2 파장판 수단을 이용하여 상기 복소 정보를 포함한 레이저 빛으로부터 복소 홀로그램 영상을 생성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빛의 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
    단,및는 각각 상기 제1 파장판 및 상기 제2 파장판의 위상 지연,
    및는 각각 시계방향 및 반시계 방향으로 진행하는 빛의 복소 진폭,
    는좌표계의축 방향의 단위벡터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시계 방향으로 진행하는 빛의 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
    단,,
    ,
    은 물체로부터 입력면까지의 거리임.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 반시계 방향으로 진행하는 빛의 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
    단,,
    ,
    은 물체로부터 입력면까지의 거리임.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장판 및 상기 제2 파장판에 의한 위상 지연의 조합은,
    및,및,및,및중 적어도 하나
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    제1 파장판의 위상 지연(), 제2 파장판의 위상 지연()이및일 때, 상기 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    제1 파장판의 위상 지연(), 제2 파장판의 위상 지연()이및일 때, 상기 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 빛의 세기는,
    상수항을 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 빛의 세기를 전자적으로 결합하는 것은,
    상수항을 포함하는 빛의 세기의 감산 과정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 감산 과정은,
    감산기가 사용되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복소 홀로그램의 복소 정보는,
    컴퓨터의 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광변조기는,
    LCD인 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 LCD는,
    편광기 및 해석기
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 LCD는,
    컴퓨터로부터 전송된 복소 정보 중 실수부 복소 정보를 수신하는 제1 LCD 및 허수부 복소 정보를 수신하는 제2 LCD
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 편광기는,
    X축 또는 Y축 방향의 복소 진폭 중에 하나의 복소 진폭 만을 출력시키는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 해석기는,
    복소 진폭과 복소 정보의 곱인 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 및 실시간 복원 방법.
  18. 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법에 있어서,
    X축과 일치하는 제1 파장판(Wave Plate) 및 X축과 45° 회전되는 제2 파장판을 포함하는 제1 파장판 수단의 위상 지연 조절에 상응하는 빛의 복소 진폭을 산출하는 단계;
    상기 복소 진폭에 상응하는 빛의 세기를 검출하는 단계; 및
    상기 빛의 세기를 전자적으로 결합하여 복소 홀로그램을 생성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 빛의 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
    단,및는 각각 상기 제1 파장판 및 상기 제2 파장판의 위상 지연,
    및는 각각 시계방향 및 반시계 방향으로 진행하는 빛의 복소 진폭,
    는좌표계의축 방향의 단위벡터.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 시계 방향으로 진행하는 빛의 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
    단,,
    ,
    은 물체로부터 입력면까지의 거리임.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 반시계 방향으로 진행하는 빛의 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
    단,,
    ,
    은 물체로부터 입력면까지의 거리임.
  22. 삭제
  23. 제18항에 있어서,
    상기 제1 파장판 및 상기 제2 파장판에 의한 위상 지연의 조합은,
    및,및,및,및중 적어도 하나
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    제1 파장판의 위상 지연(), 제2 파장판의 위상 지연()이및일 때, 상기 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
  25. 제19항에 있어서,
    제1 자장판의 위상 지연(), 제2 파장판의 위상 지연()이및일 때, 상기 복소 진폭은 하기의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 빛의 세기는,
    상수항을 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
  27. 제18항에 있어서,
    상기 빛의 세기를 전자적으로 결합하는 것은,
    상수항을 포함하는 빛의 세기의 감산 과정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
  28. 제18항에 있어서,
    상기 빛의 세기를 전자적으로 결합하여 복소 홀로그램을 생성하는 단계에서,
    감산기가 사용되는 것을 특징으로 하는 변형된 삼각 간섭계를 이용한 복소 홀로그램 생성 방법.
  29. 복소 홀로그램을 이용하여 복소 홀로그램 영상을 실시간으로 복원하는 복소 홀로그램 실시간 복원 방법에 있어서,
    LCD, 편광기 및 해석기를 포함하는 공간 광변조기를 이용하여 상기 복소 홀로그램의 복소 정보를 레이저 빛에 부가하는 단계; 및
    제2 파장판 수단을 이용하여 상기 복소 정보를 포함한 레이저 빛으로부터 복소 홀로그램 영상을 생성하는 단계
    를 포함하되,
    상기 LCD는,
    컴퓨터로부터 전송된 복소 정보 중 실수부 복소 정보를 수신하는 제1 LCD 및 허수부 복소 정보를 수신하는 제2 LCD
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복소 홀로그램 실시간 복원 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 복소 홀로그램의 복소 정보는,
    컴퓨터의 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 복소 홀로그램 실시간 복원 방법.
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 제29항에 있어서,
    상기 편광기는,
    X축 또는 Y축 방향의 복소 진폭 중에 하나의 복소 진폭 만을 출력시키는 것을 특징으로 하는 복소 홀로그램 실시간 복원 방법.
  35. 제29항에 있어서,
    상기 해석기는,
    복소 진폭과 복소 정보의 곱인 것을 특징으로 하는 복소 홀로그램 실시간 복원 방법.
  36. 입력면과 출력면에 설치되는 선형 편광기, 상기 입력면으로부터 출력된 X축과 Y축에 편행한 편광을 분리하는 편광 분할 수단, 상기 편광 분할 수단으로부터 출력된 편광의 방향을 조절하는 렌즈 및 상기 렌즈를 통과한 편광을 반사시키는 렌즈를 포함하는 삼각 간섭계에 있어서,
    상기 편광 분할 수단과 출력면 사이에 제1 파장판 수단이 부가되고, 상기 제1 파장판 수단은 X축과 일치하는 제1 파장판 및 X축과 45° 회전되는 제2 파장판을 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각 간섭계.
  37. 삭제
  38. 제36항에 있어서,
    상기 편광 분할 수단은,
    편광 광분할기인 것을 특징으로 하는 삼각 간섭계.
  39. 빛을 조사하는 레이저, 상기 레이저에 의한 빛이 필터를 경유하여 입력되는 입력면과, 상기 입력면으로부터 출력된 편광을 분할하는 편광 광분할기, 복소 정보를 포함하는 컴퓨터, 상기 컴퓨터로부터 복소 정보를 전송 받는 LCD, 상기 편광 광분할기에 의한 편광에 LCD의 복소 정보를 포함하는 빛을 결합하는 광분할기를 포함하는 복소 홀로그램 복원 시스템에 있어서,
    상기 광분할기와 LCD 사이에 제2 파장판 수단을 부가하고, 상기 제2 파장판 수단의 슬로우 축(Slow Axis)은 X축에 관해및으로 회전되는 것을 특징으로 하는 복소 홀로그램 복원 시스템.
  40. 삭제
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