KR100466622B1 - 광굴절 기록매질 제작 장치 및 그 방법과 그를 이용한3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법 - Google Patents

광굴절 기록매질 제작 장치 및 그 방법과 그를 이용한3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 광굴절 기록매질 제작 장치 및 그 방법과 그를 이용한 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법과, 상기 방법들을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 광굴절 기록매질을 격자 회절계로 이용함으로써, 디스플레이시 실시간 컴퓨터 생성 홀로그램을 위한 연산시간을 없애고, 수평시차 뿐만 아니라 수직시차도 고려하여 고 해상도의 홀로그램을 실시간으로 3차원 공간상에 디스플레이하기 위한 광굴절 기록매질 제작 장치 및 그 방법과 그를 이용한 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법과, 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하고자 함.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 광굴절 기록매질 제작 장치에 있어서, 가상공간을 정의하고, 광굴절 기록매질에 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 각 다중화하여 기록할 수 있도록 제어하기 위한 제어수단; 상기 제어수단의 제어하에, 빔을 차단 및 투과하고, 투과된 레이저 빔 폭을 확대하기 위한 빔 조절수단; 빔 폭이 확대된 레이저 빔을 광학적으로 분리하여, 물체빔과 기준빔으로 분리하기 위한 빔 분리수단; 상기 제어수단의 제어하에, 상기 물체빔을 차단 및 투과하고, 투과된 물체빔을 공간상에서 포인트 홀로그램의 패턴으로 변조하여 가상공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성한 후, 상기 광굴절 기록매질에 기록 가능한 빔 폭으로 포인트 홀로그램을 축소하여 빛의 집광 및 반전으로 인해 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치한 상기 광굴절 기록매질에 기록하기 위한 물체빔 처리수단; 상기 제어수단의 제어하에, 상기 광굴절 기록매질에 포인트 홀로그램 기록시 상기 기준빔을 가변시켜 서로 다른 입사각을 갖도록 제어하기 위한 기준빔 처리수단; 및 상기 광굴절 기록매질에 기록된 홀로그램의 크기를 관찰 가능한 크기로 확대하여 자유공간 상에 디스플레이하기 위한 디스플레이수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 3차원 홀로그래픽 디스플레이 등에 이용됨.

Description

광굴절 기록매질 제작 장치 및 그 방법과 그를 이용한 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법{Apparatus and method for manufacturing holographic diffraction field element, 3D holographic display apparatus and method using it}
본 발명은 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자) 제작 장치 및 그 방법과 그를 이용한 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법과, 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로서, 특히 컴퓨터 그래픽 또는 다중 카메라로부터 획득하여 구성된 3차원 영상을 컴퓨터 생성 홀로그램이 기록된 광굴절 기록매질을 이용하여 실시간으로 디스플레이하기 위한 것이다.
현재, 디지털 산업 및 영상산업이 발달함에 따라 인간의 시각효과를 만족시키기 위해 고해상도 고화질 TV(HDTV)가 개발되었으며, 또한 3차원으로 영상을 디스플레이하기 위한 입체 표시 장치들이 다양한 방법으로 개발되고 있다. 이러한 방법들은 입체 영상을 관찰할 때 특수 안경을 쓰고 영상을 관찰하는 방법과 특수 안경을 쓰지 않고 영상을 관찰하는 방법으로 크게 나눌 수 있으며, 궁극적으로는 입체 영상을 관찰할 때 특수한 안경 등을 착용하지 않고도 자연스럽게 입체상을 보고 장시간 관찰하더라도 피로를 느끼지 않는 3차원 입체 영상 표시 방법을 개발하는 것을 주요 목표로 하고 있다.
위의 조건을 만족하는 표시 방식의 대표적인 것으로, 홀로그래피 방법이 있다. 이 홀로그래피 방법은 이상적인 입체 영상 표시 방법의 하나로 알려져 있다.
홀로그램(HOLOGRAM)이란, 그리스어의 전부(Whole)의 뜻을 가지는 "HOLOS"와 전달(Message)을 의미하는 "GRAM"을 결합시킨 것으로서, 눈에 보이는 상(입체성)의 정보를 평면화시켜 얻는 것이다. 즉, 3차원의 정보를 2차원화하여 3차원의 영상으로 재현하는 것이다.
홀로그램은 물체에서 반사된 빛의 간섭성을 이용하여 위상과 진폭이 포함된 빛의 반사 파면이 입체성으로 나타나는데, 이것을 2차원 필름(film)에 기록한 것을 말하며, 홀로그래피는 이 입체성을 3차원으로 그대로 나타내는 것을 말한다.
홀로그램(Hologram)은 사진(photograph)과 달리 현미경을 들여다 보는 것 같은 별세계를 동일 홀로그램에 형성 가능하며, 아무것도 없는 공간에 상을 재현하여 보는 사람에게 경악감을 줄 수 있는 환영성과 순수한 스펙트럼의 색을 재현하는 특성을 지닌다.
하지만, 홀로그래피는 빛의 간섭파를 기록하는 사진술로서, 홀로그램을 생성하기 위해 고입자의 홀로그램 필름을 사용해야 하며, 간섭패턴을 기록하기 때문에 단색광을 이용해 생성 및 재생을 해야 한다는 문제점과 정지영상만을 구현할 수 있다는 문제점을 가지고 있다.
홀로그램을 저장, 전송 및 영상처리를 위해 컴퓨터에 의해 생성하는 방법으로서, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH : Computer Generated Hologram)이 개발되었다. 이 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)은 지금까지 다양한 방법으로 개발되고 있는데, 근래에는 디지털 산업의 발달에 의해 필름과 같은 정지영상의 컴퓨터 생성 홀로그램에서 동영상의 컴퓨터 생성 홀로그램을 디스플레이하기 위한 시스템이 연구되고 있다.
넓은 시야각을 갖는 실시간 홀로그래픽 디스플레이 시스템에 관한 "SPIE, Vol., No. Pratical Holography V, p1461-37(Real-time holographic display: Improvements using a multichannel acousto-optic modulator and holographic optical elements, 저자: P.S Hilaire, S. A. Benton, M. Lucente, J. Underkoffler, H. Yoshikawa)"에서는 HOE를 비롯한 광학계와 전자적인 방법을 이용하여 홀로그램을 실시간으로 디스플레이하고 있지만, 수평시차만을 고려한 디스플레이 방법이라는 문제점과 디스플레이시 실시간으로 홀로그램을 생성해야 한다는 문제점을 지니고 있다.
한편, 실시간 3차원 홀로그램 디스플레이 시스템에 관한 "Three dimensional display system(미합중국 등록번호 제5172251호, 등록일 1992. 12. 15)"에서는 전자적인 공간 광 변조기를 사용함으로써 실시간으로 3차원 홀로그램 디스플레이가 가능하지만, 이 역시 수평시차만을 고려한 디스플레이 방법이라는 문제점이 존재한다.
이외에도, 컴퓨터 생성 홀로그램에 기초한 종래의 3차원 입체 영상 디스플레이 장치와 관련된 대표적인 선행기술로는, 미합중국 등록번호 제6211848호, 미합중국 등록번호 제509062호, 미합중국 등록번호 제4834476호, 미합중국 등록번호 제4359259호 등이 있다.
그러나, 이들의 연구를 비롯한 3차원 동영상 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 해상도를 높임에 따라 연산량이 증가하여 실시간 생성 및 재생에 어려움이 있고 연산량을 줄이게 되면 화질 저하의 문제점들이 존재한다.
본 발명은 홀로그래픽 저장 기술과 관련된 바, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 광굴절 효과를 이용하는 홀로그래픽 저장 기술에 대해 살펴보면, 광굴절 효과는 광굴절 기록매질에서 빛으로 야기된 굴절률의 변화를 말하며, 이런 굴절률의 변화는 광굴절 결정내에 두 개의 간섭하는 광파에 기인한 간섭 패턴에 대응하는 굴절률의 격자로 나타나게 된다. 광굴절 효과의 기본적인 메커니즘은 빛이 광굴절 기록매질에 입사된 후 광이온화(photoionization), 확산(diffusion), 재결합(recombination), 공간 전하(space charge) 형성, 전계(electric field) 형성을 거쳐 굴절률의 변화로 정보를 기록하게 된다. 다시 말해서, 광이온화 현상에 의해 생성된 전하들은 불균일한 밀도를 갖고 있으므로 확산(diffusion)이나 드리프트(drift)를 통해 불균일한 공간 전하 분포를 발생시킨다. 이러한 공간 전하 분포는 결정내에서 내부 전계를 형성하며, 이 전계는 전기 광학 효과(Pockels effect)에 의해 물질의 굴절률을 국부적으로 변화시키므로 입력된 정보를 저장할 수 있다. 참고로, 포켈 효과란 투명한 결정체에서 거기에 가해지는 전계의 세기에 비례하여 빛의 굴절률이 변화하는 현상을 말한다. 3차원 입체 영상을 표시하는 기술 중 양안시차를 이용하는 입체 영상 기술은 양안시차를 갖는 두 장의 2차원 화상을 좌안과우안에 따로 따로 분리 제시하여 입체화함으로써 디스플레이 평면의 전후에 깊이감이 있는 공간을 재현할 수 있는 방법이다.
통상적으로, 체적 홀로그래피로 알려진 광기록 기술은 각설탕 만한 크기의 광굴절 기록매질에 대용량의 데이터를 저장할 수 있고, 저장된 정보를 초고속 병렬 랜덤 엑세스할 수 있어 차세대 정보 저장 기술 중의 하나로 분석되고 있다.
입력 데이터가 결정내에서 격자 패턴 형태로 저장되기 위해서는, 우선 데이터는 LC-SLM(Liquid Crystal-Spatial Light Modulator)와 같은 공간 광 변조기에 광세기 변조 형태의 입력 패턴으로 만들어지게 된다.
예를 들면, 청색 레이저 빔이 크로스워드 퍼즐 패턴(crossword puzle pattern)과 같은 LC-SLM 페이지 데이터를 통해 조사되고 렌즈에 의해 이미징됨으로써 광 변조상이 만들어지게 된다. 이 광 변조상이 복수의 각도(또는 파장, 위상 부호)로 정렬된 기준파와 광굴절 기록매질에서 만나게 되면, 수천 페이지 이상의 홀로그램 데이터가 고밀도로 다중화되어 기록되게 된다.
이러한 기록 과정을 거친 후에 특정 페이지의 데이터는 기록시에 사용된 기준파와 동일한 각도(또는 파장, 위상 부호)로 기준파를 다시 입사시킴으로써 홀로그램적으로 재생될 수 있다. 즉, 광굴절 기록매질에 형성된 회절 격자를 통과할 때 기준파는 원래의 페이지에 있는 정보의 영상을 재현하는 방향으로 회절된다.
이후, 재현된 영상은 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 영상 센서부에 입사되어 한꺼번에 한 페이지에 저장된 정보를 모두 읽을 수 있다. 이 데이터는 다시 디지털 컴퓨터에 의해 전자적으로 저장 처리된다.
여기서, 기준파는 저장할 때 사용한 것과 동일한 것을 사용해야 함은 자명하다. 이 기준파를 광굴절 기록매질에 입사할 때, 그 정확도는 광굴절 기록매질의 두께에 따라 달라지게 되는데, 광굴절 기록매질이 두꺼울수록 기준빔이 더욱 정확하게 조사되어야 한다. 일예로, 결정이 10㎜ 두께인 경우라면, 입사각이 0.001도 정도 벗어나게 되면 재생상이 완전히 없어지게 된다.
전술한 바와 같이, 대용량의 정보를 저장하기 위한 홀로그래픽 다중화 기술은 기준빔(또는 기준파)의 입사각을 가변시킴으로써 구현할 수 있는데, 그 방법으로는 기준빔의 각도, 파장, 위상을 변화시키는 각다중화, 파장 다중화, 위상부호 다중화 기법 및 공간적 변화의 공간 다중화 기법 등이 공지되어 있다.
정리해 보면, 종래의 실시간 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치들은 해상도 증가에 따른 연산 시간의 증가 및 실시간 디스플레이를 위해 공간 주파수가 낮은 공간 광 변조기를 사용함으로써 컴퓨터 생성 홀로그램의 낮은 해상도와 좁은 시역각 그리고 작은 상을 디스플레이하는 문제점을 가지고 있다. 즉, 종래의 컴퓨터 생성 홀로그램 디스플레이 장치에서는 프레넬 홀로그램을 이용할 경우 화질은 좋지만 실시간 디스플레이시 과다한 계산량으로 인해 높은 해상도의 홀로그램 디스플레이가 불가능하고, 동영상 디스플레이를 위해 공간 광 변조기로서 화면표시장치(LCD)를 사용하였으나 기존의 LCD는 홀로그램을 위한 해상도가 떨어지며 픽셀의 크기 또한 크기 때문에 제한 사항이 많았다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 광굴절 기록매질을 격자 회절계로 이용함으로써, 디스플레이시 실시간 컴퓨터 생성 홀로그램을 위한 연산시간을 없애고, 수평시차 뿐만 아니라 수직시차도 고려하여 고 해상도의 홀로그램을 실시간으로 3차원 공간상에 디스플레이하기 위한 광굴절 기록매질 제작 장치 및 그 방법과 그를 이용한 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법과, 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 광굴절 기록매질 제작 장치의 일실시예 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치의 일실시예 구성도.
도 3 은 본 발명에 따른 광굴절 기록매질 제작 방법을 나타낸 일실시예 설명도.
도 4 는 본 발명에 따른 3차원 홀로그래픽 디스플레이 방법을 나타낸 일실시예 설명도.
도 5 는 본 발명에 이용되는 음향 광 굴절기(AOD)의 원리를 나타낸 설명도.
도 6 은 본 발명에 따른 광굴절 기록매질 제작 방법과 그를 이용한 3차원 홀로그래픽 디스플레이 방법을 나타낸 일실시예 설명도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10,20 : 제어부 11,21 : 광원부
12 : 빔 스플리터 13 : 물체빔 처리부
14,22 : 기준빔 처리부 15,23 : 광굴절 기록매질
16,24 : 디스플레이부
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광굴절 기록매질 제작 장치에 있어서, 가상공간을 정의하고, 광굴절 기록매질에 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 각 다중화하여 기록할 수 있도록 제어하기 위한 제어수단; 상기 제어수단의 제어하에, 빔을 차단 및 투과하고, 투과된 레이저 빔 폭을 확대하기 위한 빔 조절수단; 빔 폭이 확대된 레이저 빔을 광학적으로 분리하여, 물체빔과 기준빔으로 분리하기 위한 빔 분리수단; 상기 제어수단의 제어하에, 상기 물체빔을 차단 및 투과하고, 투과된 물체빔을 공간상에서 포인트 홀로그램의 패턴으로 변조하여 가상공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성한 후, 상기 광굴절 기록매질에 기록 가능한 빔 폭으로 포인트 홀로그램을 축소하여 빛의 집광 및 반전으로 인해 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치한 상기 광굴절 기록매질에 기록하기 위한 물체빔 처리수단; 상기 제어수단의 제어하에, 상기 광굴절 기록매질에 포인트 홀로그램 기록시 상기 기준빔을 가변시켜 서로 다른 입사각을 갖도록 제어하기 위한 기준빔 처리수단; 및 상기 광굴절 기록매질에 기록된 홀로그램의 크기를 관찰 가능한 크기로 확대하여 자유공간 상에 디스플레이하기 위한 디스플레이수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램이 각 다중화되어 기록되어 있는 광굴절 기록매질; 상기 광굴절 기록매질에 기록된 포인트 홀로그램을 실시간으로 디스플레이할 수 있도록 제어하며, 실제공간 상의 3차원 영상을 정의된 가상공간 상의 3차원 영상에 매핑시키고 가상공간 상의 3차원 영상을 이용하여 위치정보와 세기정보를 산출하기 위한 제어수단; 상기 제어수단의 제어하에, 빔을 차단 및 투과하고, 투과된 레이저 빔 폭을 확대한 후, 상기 세기정보에 따라 빔의 강도(세기)를 조절하기 위한 빔 조절수단; 상기 제어수단의 위치정보에 따라, 기준빔을 가변시켜 서로 다른 입사각을 갖도록 제어하여 상기 광굴절 기록매질에 기록된 포인트 홀로그램을 순차적으로 디스플레이시키기 위한 기준빔 처리수단; 및 포인트 홀로그램 디스플레이시 회절되는 홀로그램의 크기를 관찰이 가능한 크기로 조절하여 자유공간 상에 디스플레이하기 위한 디스플레이수단을 포함하되, 상기 광굴절 기록매질은, 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치되어, 포인트 홀로그램 영상을 기록하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광굴절 기록매질 제작 장치에 적용되는 광굴절 기록매질 제작 방법에 있어서, 3차원 영상을 컴퓨터 생성 홀로그램을 이용하여 공간상에 디스플레이하고자, 가상공간을 정의하고 정의된 가상공간의 범위를 규정하는 단계; 홀로그램 생성 알고리즘에 의해, 물체빔을 공간상에서 포인트 홀로그램의 패턴으로 변조하여 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성하는 단계; 및 다중화 기법을 이용하여, 상기 생성된 가상공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램 영상을 광굴절 기록매질에 기록 가능한 빔 폭으로 축소하여 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치한 상기 광굴절 기록매질에 기록하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치에 적용되는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 방법에 있어서, 광굴절 기록매질을 이용하여 3차원 영상을 입체적으로 디스플레이하기 위해, 실제 공간 상에서의 3차원 영상을 정의된 가상공간상의 3차원 영상으로 매핑시키는 단계; 상기 가상공간상의 3차원 영상정보를 이용하여, 상기 광굴절 기록매질에 다중화 기법을 이용해 기록된 포인트 홀로그램의 위치를 어드레싱하기 위한 위치 정보와 세기 정보를 산출해 내는 단계; 및 포인트 홀로그램의 위치 정보 및 세기 정보를 이용하여, 상기 광굴절 기록매질에 기록된 가상공간상의 모든 좌표에 해당하는 모든 포인트 홀로그램을 순차적으로 디스플레이하는 단계를 포함하되, 상기 광굴절 기록매질은, 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치되어, 포인트 홀로그램 영상을 기록하고 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 프로세서를 구비한 광굴절 기록매질 제작 장치에, 3차원 영상을 컴퓨터 생성 홀로그램을 이용하여 공간상에 디스플레이하고자, 가상공간을 정의하고 정의된 가상공간의 범위를 규정하는 기능; 홀로그램 생성 알고리즘에 의해, 물체빔을 공간상에서 포인트 홀로그램의 패턴으로 변조하여 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성하는 기능; 및 다중화 기법을 이용하여, 상기 생성된 가상공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램 영상을 광굴절 기록매질에 기록 가능한 빔 폭으로 축소하여 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치한 상기 광굴절 기록매질에 기록하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
그리고, 본 발명은 프로세서를 구비한 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치에, 광굴절 기록매질- 상기 광굴절 기록매질은, 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치되어, 포인트 홀로그램 영상을 기록하고 있음 -을 이용하여 3차원 영상을 입체적으로 디스플레이하기 위해, 실제 공간 상에서의 3차원 영상을 정의된 가상공간상의 3차원 영상으로 매핑시키는 기능; 상기 가상공간상의 3차원 영상정보를 이용하여, 상기 광굴절 기록매질에 다중화 기법을 이용해 기록된 포인트 홀로그램의 위치를 어드레싱하기 위한 위치 정보와 세기 정보를 산출해 내는 기능; 및 포인트 홀로그램의 위치 정보 및 세기 정보를 이용하여, 상기 광굴절 기록매질에 기록된 가상공간상의 모든 좌표에 해당하는 모든 포인트 홀로그램을 순차적으로 디스플레이하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
본 발명은 컴퓨터 그래픽 또는 다중 카메라로부터 획득하여 구성된 3차원 영상을 컴퓨터 생성 홀로그램이 기록된 광굴절 기록매질을 이용해 기존의 시스템과 달리 복잡한 연산과정이 없이 3차원 홀로그래픽을 실시간으로 디스플레이하고자 한다.
이를 위해, 본 발명은 범위가 정의되어 있는 디스플레이를 위한 가상 공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성한 후, 컴퓨터 생성 홀로그램을 다중화 방식에 입각하여 격자 패턴을 광굴절 기록매질에 기록하고(홀로그래픽 디스플레이 수동소자 제작 과정), 이후 디스플레이시 입력 3차원 영상에 대한 포인트 정보에 따라 브래그 매칭 조건을 만족하는 기준빔을 모니터의 주사선과 같은 방식으로 전체 가상공간에 대해 광굴절 매질을 스캐닝함으로써 실시간으로 3차원 영상을 디스플레이한다(실시간 3차원 홀로그래픽 디스플레이 과정).
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 광굴절 기록매질 제작 장치의 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광굴절 기록매질 제작 장치는, 가상공간을 정의하고, 광굴절 기록매질(15)에 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 각 다중화하여 기록할 수 있도록 제어하기 위한 제어부(10)와, 제어부(10)의 제어하에, 빔을 차단 및 투과하고, 투과된 레이저 빔 폭을 확대하기 위한 광원부(11)와, 빔 폭이 확대된 레이저 빔을 광학적으로 분리하여, 물체빔과 기준빔으로 분리하기 위한 빔 스플리터(Beam splitter)(12)와, 제어부(10)의 제어하에, 물체빔을 차단 및 투과하고, 투과된 물체빔을 공간상에서 변조하여 가상공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성한 후, 광굴절 기록매질(15)에 기록 가능한 빔 폭으로 축소하여 기록하기 위한 물체빔 처리부(13)와, 제어부(10)의 제어하에, 광굴절 기록매질(15)에 포인트 홀로그램 기록시 기준빔을 가변시켜 서로 다른 입사각을 갖도록 제어하기 위한 기준빔 처리부(14)를 포함한다. 또한, 광굴절 기록매질(15)에 기록된 홀로그램의 크기를 관찰 가능한 크기로 확대하기 위한 디스플레이부(16)를 더 포함한다.
여기서, 광굴절 기록매질(15)의 재료로는 LiNbO3, KNbO3, BaTiO3등 비선형 결정을 그 예로 들 수 있다. 또한, 크리스탈이 아닌 광굴절 효과가 있는 광경화 수지(Photo-polymer)도 재료로서 유용하다.
상기 제어부(10)는 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자) 제작 장치에 의해 광굴절 기록매질(15)에 자동적으로 가상공간상의 모든 포인트에 대한 포인트 홀로그램을 기록하기 위해 장치를 자동으로 제어하기 위한 컴퓨터(PC)(101) 및 인터페이스(102)를 포함한다. 특히, 음향 광 굴절기(AOD : Acousto-Optic Deflector)(145)에 인가하는 고주파(RF) 신호를 단계적으로 가변하여 기준빔을 가변시킴에 따라 서로 다른 각각의 광굴절 기록매질(15)의 입사각을 갖도록 제어하여 광굴절 기록매질(15)에 입력 데이터를 각 다중화하여 기록 재생하도록 광경로를 제어하는 등의 본 발명의 구성요소를 전체적으로 제어하여 포인트 홀로그램을 기록/재생하도록 한다.
상기 광원부(11)는 포인트 홀로그램을 광굴절 기록매질(15)에 기록하기 위해 광원을 생성하는 레이저(111)와, 제어부(10)의 제어하에, 레이저 빔을 투과시키거나 차단시키기 위한 제1 조리개(Iris 1)(112)와, 입사되는 레이저 빔의 크기(빔폭)를 조절(확장)하는 제1 및 제2 렌즈(L1,L2)(113,114)를 포함한다.
즉, 제1 조리개(112)는 제어부(10)의 제어하에 레이저(111)로부터 출력되는 레이저 빔의 차단 및 투과를 제어하며, 제1 및 제2 렌즈(113,114)는 입사된 레이저 빔을 광정보 처리시 용이하게 사용할 수 있도록 빔폭을 확장한다. 이때, 레이저(111)의 빔폭이 2mm 정도이므로 광정보 처리를 할 수 있도록 빔폭을 확대 및 평면파(Plane wave)로 만드는 기능을 한다(1인치 이상).
상기 빔 스플리터(12)는 광굴절 기록매질(15)에 홀로그램을 기록하기 위해 물체빔(Object beam)과 기준빔(Reference beam)으로 분할하는데, 이때 제1 및 제2렌즈(113,114)에 의해 빔폭이 확장된 레이저 빔을 광학적으로 분리하여 각각 서로 다른 광경로를 형성하는 기준빔과 물체빔을 만든다.
상기 물체빔 처리부(13)는 물체빔이 경유하는 광경로 상에 위치하고, 입력 데이터에 대응하는 광 세기 변조 형태의 입력 패턴을 형성한 상태에서 물체빔에 의해 조사됨에 따라 신호빔을 만드는 공간 광 변조기(SLM : Spatial Light Modulator)(132)와, 빔 스플리터(12)와 공간 광 변조기(132) 사이에 위치하며, 신호빔을 투과시키거나 차단시키는 제2 조리개(Iris 2)(131)와, 공간 광 변조기(132)에 의해 만들어진 신호빔을 광굴절 기록매질(15)에 기록하기 위해 적당한 빔폭으로 조절(축소)하기 위한 제3 및 제4 렌즈(L3,L4)(133,135)와, 제3 및 제4 렌즈(133,135) 사이에 위치하며, 레이저(111)가 수직벡터(P Vector)로 발산할 경우 광굴절 기록매질(15)에 기록될 수 있도록 수직벡터를 수평벡터(S Vector)로 변환시켜 주는 제1 파장 플레이트(Wave plate)(134)를 포함한다.
즉, 물체빔 처리부(13)의 동작을 살펴보면, 광굴절 기록매질(15)에 기록할 홀로그램을 컴퓨터(101)에서 생성한 뒤, 공간 광 변조기(132)에서 홀로그램(fringe pattern)을 나타나게 함으로써 평면파인 물체빔을 공간상에서 변조하는 기능을 수행하고, 광굴절 기록매질(15)의 폭보다 물체빔의 폭이 넓으므로 제3 및 제4 렌즈(133,135)에서 광굴절 기록매질(15)에 기록 가능한 빔폭으로 줄여주는 기능을 수행하며, 대부분의 광굴절 기록매질(15)은 입사빔이 수평벡터 성분으로 구성되었을 때 기록이 가능하므로 제1 파장 플레이트(134)에서 공간 광 변조기(132)로부터 투과되는 빔의 벡터성분과 광굴절 기록매질(15)에 기록할 수 있는 빔의 벡터성분이다를 때 이를 동일하게 해주는 역할을 수행한다.
여기서, 파장 플레이트(Wave plate)(134)는 공간 광 변조기(132)의 종류와 광굴절 기록매질(15)에 따라 달라질 수 있으며, λ/2와 λ/4, 선형, 비선형 등이 있다. 바람직하게는, 광굴절 기록매질(15)로 LiNbO3를 사용하게 되면, λ/2 플레이트를 사용한다. 그리고, 공간 광 변조기(132)로는 LCD, 디지털 거울장치(DMD), D-ILA(반사형태의 LCD 소자), 홀로그램 필름, 마이크로 필름 등의 2차원 공간 광 변조기를 이용한다.
상기 기준빔 처리부(14)는 빔 스플리터(12)에 의해 만들어진 기준빔을 음향 광 굴절기(145) 및 광굴절 기록매질(15)에 입사시키기 위해 빔폭을 조절(축소)하는 제7 및 제8 렌즈(L7,L8)(141,142)와, 제7 및 제8 렌즈(141,142)에 의해 빔폭이 조절된 기준빔의 진행 방향을 변경(빔경로 제어)하는 제1 및 제2 반사경(M1,M2)(143,144)과, 기준빔이 광굴절 기록매질(15)에 각 다중화되어 기록되도록 하기 위해 광굴절 기록매질(15)을 소정의 미세각에 따라 이산적으로 굴절시키는 음향 광 굴절기(AOD)(145)와, 광굴절 기록매질(15)에 AOD(145)에 의해 굴절된 기준빔을 원하는 각도와 빔폭으로 각 다중화하여 입사시키기 위한 제9 및 제10 렌즈(146,148)와, 제9 및 제10 렌즈(146,148) 사이에 위치하며, 레이저(111)가 수직벡터(P Vector)로 발산할 경우 광굴절 기록매질(15)에 기록될 수 있도록 수직벡터로 구성되어 있는 기준빔을 수평벡터(S Vector)로 변환시켜 주는 제2 파장 플레이트(Wave plate)(147)를 포함한다. 상기 음향 광 굴절기(145)에 대해서는 하기의 도 5에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
여기서, 제7 및 제8 렌즈(141,142)는 빔 스플리터(12)에 의해 만들어진 기준빔의 빔폭을 광굴절 기록매질(15)에 홀로그래픽 데이터를 기록시 유리하도록 줄여준다. 즉, 음향 광 굴절기(145) 및 광굴절 기록매질(15)을 이용하여 광 정보처리할 수 있도록 빔폭을 줄여 주는 역할을 수행한다.
그리고, 광굴절 기록매질(15)에 홀로그램을 다중화하여 기록하기 위해 각 다중화 방법을 이용하는데, 음향 광 굴절기(145)는 빔을 미세각 만큼 굴절시킬 수 있다. 따라서, AOD(145)를 이용해 미세각 간격으로 빔을 광굴절 기록매질(15)에 입사시킴으로써 광굴절 기록매질(15)에 포인트 홀로그램을 기록할 수 있다.
또한, 대부분의 광굴절 기록매질(15)은 입사빔이 수평벡터 성분으로 구성되었을 때 기록이 가능하므로, 제2 파장 플레이트(147)에서 음향 광 굴절기(145)로부터 투과되는 빔의 벡터성분과 광굴절 기록매질(15)에 기록할 수 있는 빔의 벡터성분이 다를 때 이를 동일하게 해주는 역할을 수행한다.
또한, 제9 및 제10 렌즈(146,148)는 광굴절 기록매질(15)에 빔이 원하는 방향으로 입사될 수 있도록 제어하며, 기록에 유용한 빔폭으로 확대시킨다.
한편, 제5 및 제6 렌즈(161,162)는 디스플레이시 회절되는 홀로그램의 크기를 관찰이 가능한 크기로 확대해 주는 기능을 수행하는데, 기록 방법에 의해 기록된 홀로그램 필드에 의해 원하는 3차원 영상을 디스플레이할 때 형성된 3차원 홀로그래픽 영상이 디스플레이될 수 있도록 빔을 제어한다. 이를 구체적으로 살펴보면, 제5 렌즈(161)는 공간 광 굴절기(132)에 의해 만들어진 포인트 홀로그램을 디스플레이시켜 광굴절 기록매질(15)을 통과한 홀로그램을 관찰할 수 있도록 집속시키며,제6 렌즈(162)는 제5 렌즈(161)에 의해 집속된 홀로그램을 관찰시 시야각을 넓게 해준다.
그럼, 도 3을 참조하여 디스플레이 단에서 입력영상을 3차원으로 디스플레이 하기 위해 사용되는 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자)을 제작하는 과정을 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 3 은 컴퓨터 그래픽을 이용한 3차원 영상 또는 다중 카메라로 얻어진 다중 영상으로부터 영상기반 모델링(IBM : Image-Based Modeling)과 영상기반 렌더링(IBR : Image-Based Rendering)을 이용해 만들어진 3차원 영상 등을 3차원 공간상에 디스플레이를 하기 위한 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자) 제작 과정이다.
먼저, 3차원 영상을 공간상에 디스플레이하기 위한 3차원 영상의 가상공간 좌표계를 정의한다(301). 즉, 컴퓨터 그래픽 및 영상기반 모델링과 영상기반 렌더링에 의해 만들어진 3차원 영상은 실제공간(World space)의 좌표계를 가지며, 실제 공간에 디스플레이하기 위해서는 실제공간을 나타내는 가상공간을 가져야만 한다. 따라서, 생성된 3차원 영상을 디스플레이하기 위해서는 실제공간(World space)에서 생성된 3차원 영상을 가상공간의 좌표계로 변환해야 하며, 가상공간은 홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 범위에 의존하여 좌표계의 범위를 정의해야 한다. 이렇게 함으로써 범위가 정해진 가상공간 좌표계가 정의된다.
그리고, 정의된 가상공간 좌표계에 대한 격자 회절계(fringe diffraction field)를 만들기 위해 홀로그램 생성 알고리즘(Fourier hologram, Fresnelhologram, Ray-tracing 등의 CGH 생성 알고리즘)에 따라 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램(Point-hologram)을 생성한다(302). 이때 포인트 홀로그램(Point-hologram)의 해상도는 사용할 공간 광 변조기(SLM)(132)에 따라 바뀔 수 있다. LCD와 같은 SLM(132)은 공간주파수와 해상도가 낮으며, 홀로그램 필름 또는 마이크로 필름을 SLM으로 사용할 경우 높은 공간주파수와 높은 해상도를 가질 수 있다.
마지막으로, 정의된 가상공간 좌표계의 모든 포인트(좌표)에 대한 포인트 홀로그램을 다양한 다중화 방법을 사용하여 광굴절 기록매질(15)에 기록한다(303). 이때, 광굴절 기록매질(15)로서는 전술한 바와 같이 Photo-polymer, LiNbO3:Fe, BaTiO3, KNbO3등이 사용될 수 있다.
정리해 보면, 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자) 제작 과정은, 크게 컴퓨터 그래픽 또는 영상기반 모델링, 영상기반 렌더링에 의해 만들어지는 3차원 영상의 실제공간(World space)을 자유 공간상에 디스플레이하고자 하는 좌표계, 즉 가상공간 좌표계 정의 및 디스플레이를 위한 디스플레이 범위 정의 단계(301)와, 컴퓨터 생성 홀로그램(Computer-generated hologram) 생성 알고리즘에 따라 디스플레이를 위한 가상공간의 모든 좌표에 대한 컴퓨터 생성 홀로그램, 즉 포인트 홀로그램 생성 단계(302)와, 생성된 포인트 홀로그램을 이용하여 홀로그래픽 회절 필드 소자(holographic diffraction field element)를 제작하는, 즉 광굴절 기록매질(15)에 포인트 홀로그램을 기록하는 기록 단계(303)로 나뉘어 진다.
이제, 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자) 제작 과정에 대해보다 상세하게 설명하기로 한다.
2차원 영상으로부터 컴퓨터 생성 홀로그램을 얻기 위한 방법으로, "Fourier" 또는 "Fraunhofer" 회절과 "Fresnel" 회절을 이용한 방법 등이 있다.
Fresnel 홀로그램 모델에 의한 계산은 실제 홀로그램에 있어서 빛의 간섭을 충실히 계산하는 방법이고, 원리적으로 가장 우수한 방법이다. 그러나, 현재 물체에서 산란 광 파면을 충실히 수식으로 옮겨놓는다는 것이 어렵기 때문에, 보통 물체를 점 광원의 집합이라고 간주하고 계산을 한다. 그 때문에, 물체가 복잡해지고 점 광원수가 증가함에 따라 계산시간도 증가한다. 다음의 [수학식 1]은 Fraunhofer 회절 방법을 이용한 회절 패턴의 산출 과정을 나타낸다.
상기 [수학식 1]에서, Uh(x,y)는 홀로그램 필드를 나타내며, Uo(u,v)는 홀로그램을 생성하고자 하는 물체의 물체필드를 나타낸다. 그리고, λ는 홀로그램 재생시 사용될, 즉 홀로그램 생성시 사용될 단일파장의 광원(레이저)의 파장을 나타내고, f는 홀로그램 재생시 사용될 렌즈의 초점거리이다.
상기 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이, 칼라 홀로그램을 생성하기 위해서는 파장의 변수가 포함되므로 칼라별로 홀로그램을 생성해야 한다. 칼라를 표현하기위해 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 광원을 사용하는데, 적색은 633nm 이며, 녹색은 532nm, 청색은 488nm의 파장을 사용한다. 따라서, 각각의 파장에 따라 홀로그램을 생성시 파장대에 따라 서로 다른 홀로그램이 생성된다.
홀로그램 필드를 제작하기 위한 영상의 크기가 Lu×Lv일 때, 홀로그램 필드 스펙트럼은 2BX×2BY이다. 여기서, 각각의 홀로그램 필드 스펙트럼은 다음의 [수학식 2]와 같다.
이때, Shannon의 샘플링 이론에 따라 샘플링 간격은 다음의 [수학식 3]과 같다.
디스플레이하고자 하는 홀로그램 필드의 크기를 LX×LY라 할 때, 샘플링 이론에 따라 샘플링되는 값은 다음의 [수학식 4]와 같다.
상기 수학식에 의해 생성된 포인트 홀로그램을 홀로그래픽 회절 필드 소자(홀로그래픽 디스플레이 수동소자)를 제작하기 위해 광굴절 기록매질에 다중화 방법을 이용하여 기록을 한다. 광굴절 기록매질(15)에 포인트 홀로그램을 기록하는 과정은 다음과 같다.
도 1에서와 같이, 먼저 제1 조리개(112)와 제2 조리개(131)를 열어 레이저 광원(111)이 광학 장치에 입사되도록 한다.
전술한 바와 같이, 음향 광 굴절기(145)는 입사광을 인가되는 고주파(RF)에 따라 회절을 시키는데, 이때 회절되는(광굴절 기록매질에 기록하기에 충분한 입사각이 형성될 수 있는 각에 따라 회절) 최소한의 회절각을 Δθ라 하고 최초 회절되는 각을 θ1이라 하면 전체 회절각은 θ1Λθn이라 정의할 수 있다. 이때, 음향 광 굴절기(145)가 회절각 θ1Λθn을 나타낼 수 있는 입력 주파수를 f1Λfn라 정의할 수있다.
광굴절 기록매질(15)에 첫 번째 포인트 홀로그램을 기록하기 위해 제어 컴퓨터(101)는 음향 광 굴절기(145)에 입력 주파수 f1이 인가되도록 하며, 입력 주파수 f1에 따라 빔은 θ1만큼 회절되어 렌즈계를 지나 광굴절 기록매질(15)에 입사하게 된다. 이때, 포인트 홀로그램을 광굴절 기록매질(15)에 기록하기 위해 공간 광 굴절기(132)에 생성된 첫 번째 포인트 홀로그램을 나타나게 한다. 이때, 첫 번째 포인트 홀로그램은 가상공간에서의 좌표 (0,0,0)에 해당하는 홀로그램이다. 위와 같은 과정을 반복하여 가상공간이 (x,y,z)이라 했을 때 전체 포인트의 개수는 S=X×Y×Z이며, S개의 포인트 홀로그램을 모두 다중화 방법을 이용하여 기록한다.
위와 같은 과정에 의해, 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자)(15)을 제작한다. 위와 같이 제작된 광굴절 기록매질(15)은 가상공간상의 3차원 영상을 디스플레이하기 위한 홀로그래픽 디스플레이 수동소자로 활용된다.
이제, 상기와 같은 과정을 통해 제작된 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자)을 이용하여 3차원 영상을 공간상에 디스플레이하기 위한 장치 및 방법에 대해 살펴보기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치의 일실시예 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램이 각 다중화되어 기록되어 있는 광굴절 기록매질(23)과, 광굴절 기록매질(23)에 기록된 포인트 홀로그램을 실시간으로 디스플레이할 수 있도록 제어하며, 실제공간 상의 3차원 영상을 정의된 가상공간 상의 3차원 영상에 매핑시키고 가상공간 상의 3차원 영상을 이용하여 위치정보와 세기정보를 산출하기 위한 제어부(20)와, 제어부(20)의 제어하에, 빔을 차단 및 투과하고, 투과된 레이저 빔 폭을 확대한 후, 세기정보에 따라 빔의 강도(세기)를 조절하기 위한 광원부(21)와, 제어부(20)의 위치정보에 따라, 기준빔을 가변시켜 서로 다른 입사각을 갖도록 제어하여 광굴절 기록매질(23)에 기록된 포인트 홀로그램을 순차적으로 디스플레이시키기 위한 기준빔 처리부(22)와, 포인트 홀로그램 디스플레이시 회절되는 홀로그램의 크기를 관찰이 가능한 크기로 조절하기 위한 디스플레이부(24)를 포함한다.
여기서, 광굴절 기록매질(23)은 신호빔과 기준빔이 간섭하여 형성된 간섭 격자 패턴 형태의 홀로그래픽 데이터를 광굴절 효과에 의해 전기 광학적으로 저장하고 있고, 광굴절 기록매질(23)의 재료로는 LiNbO3, KNbO3, BaTiO3등 비선형 결정을 그 예로 들 수 있다. 또한, 크리스탈이 아닌 광굴절 효과가 있는 광경화 수지(Photo-polymer)도 재료로서 유용하다.
상기 제어부(20)는 광굴절 기록매질(23)에 기록되어 있는 포인트 홀로그램을 실시간 그리고 자동적으로 디스플레이하기 위해 장치를 제어하기 위한 제어하기 위한 컴퓨터(PC)(201) 및 인터페이스(202)를 포함한다. 특히, 음향 광 굴절기(AOD)(221)와 음향 광 변조기(AOM : Acousto-optic Modulator)(215)에 인가하는 RF 신호를 단계적으로 가변하여 기준빔을 가변시킴에 따라 서로 다른 각각의광굴절 기록매질(23)의 입사각을 갖도록 제어하여, 광굴절 기록매질(23)에 입력 데이터에 따라 각 다중화하여 재생하도록 광경로를 제어한다.
광원부(21)는 포인트 홀로그램이 기록되어 있는 광굴절 기록매질(23)을 이용해 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 위해 광원을 생성하는 레이저(211)와, 제어부(20)의 제어하에, 레이저 빔을 투과시키거나 차단시키기 위한 조리개(Iris 1)(212)와, 입사되는 레이저 빔의 크기(빔폭)를 조절(확장)하는 제1 및 제2 렌즈(L1,L2)(213,214)와, 광굴절 기록매질(23)에 기록되어 있는 홀로그램을 이용하여 디스플레이할 때 입력 3차원 영상의 화소 밝기 정보에 따라 출력되는 홀로그램의 밝기를 조절하기 위한 음향 광 변조기(AOM)(215)와, 음향 광 변조기(215)에 의해 크기가 조절된 기준빔을 광굴절 기록매질(23)을 향하도록 빔의 진행 방향을 변경하는 반사경(M)(216)을 포함한다.
즉, 조리개(212)는 제어부(10)의 제어하에 레이저(211)로부터 출력되는 레이저 빔의 차단 및 투과를 제어하며, 제1 및 제2 렌즈(213,214)는 입사된 레이저 빔을 광정보 처리시 용이하게 사용할 수 있도록 빔폭을 확장한다. 이때, 레이저(211)의 빔폭이 2mm 정도이므로 광정보 처리를 할 수 있도록 빔폭을 확대 및 평면파(Plane wave)로 만드는 기능을 한다(1인치 이상).
특히, 음향 광 변조기(AOM)(215)는 입사되는 빔의 강도(세기)를 조절하는데, 제1 및 제2 렌즈(213,214)에 의해 빔폭이 확장된 레이저 빔의 세기를 입력 3차원 영상의 포인트 밝기에 따라 제어하고, 반사경(216)은 음향 광 변조기(215)에 의해 크기가 조절된 기준빔의 경로를 광굴절 기록매질(23)이 있는 방향으로 바꿔준다.
한편, 상기 기준빔 처리부(22)는 광굴절 기록매질(23)에 각 다중화되어 기록되어 있는 홀로그램을 디스플레이할 수 있도록 소정의 미세각에 따라 이산적으로 기준빔을 굴절시키는 음향 광 굴절기(AOD)(221)와, 음향 광 굴절기(221)에 의해 굴절된 빔을 광굴절 기록매질(23)에 각 다중화 방식으로 기준빔이 입사될 수 있도록 빔의 입사 방향과 빔 폭을 변환시켜 주는 제3 및 제4 렌즈(222,224)와, 제3 및 제4 렌즈(222,224) 사이에 위치하며, 광굴절 기록매질(23)에 빔이 입사되어 간섭 격자 패턴의 홀로그래픽 데이터가 디스플레이될 수 있도록 빔의 벡터 성분을 P벡터에서 S벡터로 변환시켜 주는 파장 플레이트(223)를 포함한다.
즉, 음향 광 굴절기(221)는 기준빔이 광굴절 기록매질(23)에 각 다중화되어 기록되어 있는 포인트 홀로그램을 재생할 수 있도록 광굴절 기록매질(23)을 소정의 미세각에 따라 굴절시키는 단계적인 굴절을 제공하며, 제3 및 제4 렌즈(222,224)는 광굴절 기록매질(23)에 음향 광 굴절기(221)에 의해 굴절된 기준빔을 원하는 각도와 빔폭으로 각 다중화하여 입사시킨다. 상기 음향 광 굴절기(221)에 대해서는 하기의 도 5에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
그리고, 대부분의 광굴절 기록매질(23)은 입사빔이 수평벡터 성분으로 구성되었을 때 재생이 가능하므로, 파장 플레이트(Wave plate)(223)는 음향 광 굴절기(221)로부터 투과되는 빔의 벡터 성분과 광굴절 기록매질에 기록된 빔의 벡터 성분이 다를 때 이를 동일하게 해주는 역할을 수행한다. 파장 플레이트(223)는 광굴절 기록매질(23)에 따라 달라질 수 있으며, λ/2와 λ/4, 선형, 비선형 등이 있다. 바람직하게는, 광굴절 기록매질(23)로 LiNbO3를 사용하게 되면, λ/2 플레이트를 사용한다.
한편, 제5 및 제6 렌즈(241,242)는 디스플레이시 회절되는 홀로그램의 크기를 관찰이 가능한 크기로 확대해 주는 기능을 수행하는데, 제5 렌즈(241)는 광굴절 기록매질(23)에 기록되어 있는 포인트 홀로그램을 디스플레이시켜 광굴절 기록매질(23)에 의해 회절된 홀로그램을 관찰할 수 있도록 집속시키며, 제6 렌즈(242)는 제5 렌즈(241)에 의해 집속된 홀로그램을 관찰시 시야각을 넓게 해준다.
그럼, 도 4를 참조하여 상기 도 1 및 도 3을 통해 제작된 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자)을 이용하여 3차원 영상을 공간상에 디스플레이하는 과정을 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
먼저, 컴퓨터 그래픽 또는 영상기반 모델링, 영상기반 렌더링을 통해 얻어진 실제공간(World space) 상의 3차원 영상(401)을 가상공간 좌표계로 매핑시킨다(402). 이렇게 매핑을 해줌으로써, 가상공간 좌표계의 모든 좌표에 대한 3차원 정보들이 정의된다.
광굴절 기록매질(23)에는 가상공간 좌표계의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램이 기록되어 있으며, 이때 기록시 각각의 포인트 홀로그램은 전술한 바와 같이 광굴절 기록매질(23)에 알맞은 다중화 방법에 의해 다중화되어 기록된다. 따라서, 가상공간 좌표계로 변환된 3차원 영상의 좌표값은 좌표값에 해당하는 포인트 홀로그램이 기록되어 있는 광굴절 기록매질(23)의 위치 정보로 변환되며, 3차원 영상의 임임의 좌표값에 해당하는 밝기 정보는 광굴절 기록매질(23)에 입사 또는 회절되는빔의 세기 정보로 변환된다(403). 이렇게 얻어진 위치정보와 세기정보를 이용하여 광굴절 기록매질(23)에 기록된 가상공간상의 모든 좌표에 해당하는 모든 포인트 홀로그램을 순차적으로 디스플레이시킴으로써(404), 3차원 홀로그램이 디스플레이된다.
만일, 가상공간 좌표계가 (x,y,z)이라면, 하나의 3차원 영상을 디스플레이하기 위해서는 가상공간 좌표계의 모든 포인트 X×Y×Z에 대한 위치 정보와 세기 정보를 이용하여 디스플레이해야 한다. 이렇게 함으로써, 하나의 3차원 영상을 공간상에 3차원으로 디스플레이할 수 있으며, 실시간으로 높은 시스템의 부하없이 실시간 3차원 홀로그래픽 디스플레이가 가능하다.
상기의 과정을 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 일반 컴퓨터 그래픽 툴 또는 영상기반 모델링 및 영상기반 렌더링을 통해 얻어진 실제공간(world space) 상에서의 3차원 영상(401)을 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자)(23)을 이용해 디스플레이를 하기 위해 가상공간 좌표계로 매핑하여 가상공간상의 3차원 영상을 생성한다(402).
여기서, 실제공간(world space) 상의 3차원 영상(401)은 홀로그래픽 디스플레이를 하는데 불필요한 정보를 포함하고 있으며, 좌표계의 형식이 다르므로 이를 가상공간 좌표계로 매핑한다(402). 이때, 가상공간에서의 3차원 영상의 정보는 범위가 한정되어 있는 좌표 (x,y,z)의 좌표값과 칼라값이다. 따라서, 실제공간(World space) 상에서의 3차원 영상 정보를 (x,y,z)의 좌표값으로 변환하며, RGB 칼라값으로 변환한다.
이렇게 얻어진 가상공간상의 3차원 영상(402)은 홀로그래픽 디스플레이를 위한 제어 정보로 매핑시킨다(403). 가상공간상의 3차원 영상정보는 (x,y,z) 좌표값과 RGB 칼라값이며, 홀로그래픽 디스플레이를 위한 제어 정보는 광굴절 기록매질(23)에 기준빔을 입사시키기 위해 기준빔을 굴절시키는 음향 광 굴절기(221) 입력 신호의 주파수 fD와, 입력 3차원 영상의 각 화소값에 대한 명함값에 따라 디스플레이시 원하는 3차원 영상이 디스플레이될 수 있도록 포인트 홀로그램의 디스플레이 명암을 조절하기 위한 음향 광 변조기(215)의 입력 주파수 fM이다. 밝기 조절을 하기 위한 방법으로 음향 광 변조기(AOM)(215)를 광스위치로 사용함으로써 디스플레이시 각 화소의 명암을 조절할 수 있다. 따라서, 가상공간상의 3차원 영상 정보인 좌표값 (x,y,z)와 칼라값 (R,G,B)는 각각 음향 광 굴절기(AOD)(221)의 입력 주파수와 음향 광 변조기(AOM)(215)의 입력 주파수로 바뀌게 된다. 이렇게 해서 얻어진 정보를 이용해 실시간 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 하게 된다.
본 발명에 따른 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치는 기존의 TV 주사선 방식과 유사하게 동작한다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 사물의 모든 포인트에 대한 회절 성분을 포함한 정보이다. 이는 다시 말해 3차원 영상 또는 사물의 컴퓨터 생성 홀로그램은 3차원 영상 또는 사물의 모든 포인트(좌표)에 대한 포인트 홀로그램의 합과 같다. 따라서, 본 발명에서 제안한 장치는 이와 같은 개념을 기본으로 한다.
가상공간상의 첫 번째 포인트 (0,0,0)의 강도 값이 i라고 했을 때, 이 값은 매핑 과정에 의해 광굴절 기록매질(23)에 좌표 (0,0,0)의 포인트 홀로그램이 기록되어 있는 위치에 기준빔을 입사시키기 위한 음향 광 굴절기(AOD)(221)의 입력 주파수 fD0와 현 화소에 대한 명암값을 조절하는 음향 광 변조기(AOM)(215)의 입력 주파수 fM0을 얻을 수 있다. 이렇게 생성된 입력 주파수 fD0, fM0을 이용해 음향 광 굴절기(221)를 제어하여 기준빔이 광굴절 기록매질(23)에 입사되도록 한다. 이렇게 함으로써, 광굴절 기록매질(23)에 기록되어 있던 포인트 홀로그램은 회절되어 관찰자 방향으로 디스플레이된다. 위와 같은 과정을 좌표 (x,y,z)까지 반복하여 디스플레이를 하게 되면, 3차원 영상에 대한 모든 포인트에 대한 포인트 홀로그램이 디스플레이된다. 이를 고속으로 하게 되면, 인간의 잔상 효과에 의해 마치 3차원 영상의 컴퓨터 생성 홀로그램이 디스플레이되는 듯한 효과가 발생하여, 관찰자는 홀로그래픽 디스플레이되는 3차원 영상을 관찰할 수 있다.
본 발명은 AOD(Acousto-Optic Deflector)를 이용하여 각 다중화(angle multiplexing)를 실현함으로써 저장될 수 있는 격자 정보의 용량을 증가시키고, AOD를 이용하여 디스플레이시 빔의 세기를 조절하여 3차원 영상의 밝기 조절을 하는 바, 이에 대한 이해를 돕고자 각 다중화와 파장 다중화, 그리고 AOD를 상세하게 설명하기로 한다.
우선, 각 다중화는 특정한 사잇각을 갖는 신호빔과 기준빔으로 기록된 체적 홀로그램(volume hologram)이 기록시의 기준빔과 복원시의 기준빔 사이의 각에 의존하여 복원된다는 사실을 기초로 하고 있다.
각 선택도는 두 개의 평면파에 의해 기록된 간단한 정현파 형태의 격자의 경우에 대해 가장 잘 설명되고 정량화될 수 있다. 광굴절 기록매질(설명의 편의상, 광굴절 기록매질의 두께는 Lz로 표기하기로 함)내에서 측정된 기준빔과 물체빔의 입사각을 각각 θR과 θO로 표기할 때 기준빔의 파 벡터 kO및 물체빔의 파벡터 kR는 각각 하기의 [수학식 5]와 같이 표현된다.
여기서, n은 매질의 굴절률이고, λ는 진공내에서의 빛의 파장이다. 이때, 파벡터 공간 도형에서의 격자 벡터 K를 매질내에서 진행하는 평면파에 대응하는 모든 가능한 파벡터의 집합이라 하고, 간략화를 위해 표면의 반지름이 kO인 등방성인 구의 경우만을 고려할 때에 있어 입력 기준파의 산란을 위해 만족되어야 하는 브래그 매칭 조건(Bragg's matching condition)은 하기의 [수학식 6]과 같다.
여기서, kO'은 산란된 물체파벡터이고, kR'는 입사기준파벡터, 그리고 ΔkZ는 매질의 두께 때문에 발생될 수 있는 소정의 위상 불일치 정도를 나타낸 것이다. 통상, 약한 산란의 경우에 회절 효율은 하기의 [수학식 7]과 같다.
정보를 읽어내는 동안 기준빔의 방향은 하기의 [수학식 8]로 정의되는 영역 내에 있어야 충분히 관측될 수 있는 회절을 일으킨다.
여기서, 기준벡터는 kR과 kO에 의해 정의되는 평면에 수직인 방향으로 회전될 수 있고, 평면에서의 회전이 증가할 때 발생되는 불일치의 증가와는 대조적으로 위상 불일치가 0인 브래그 조건을 만족할 수 있다.
평면에서의 각 선택도는 근사적으로 상기 [수학식 7]의 첫 번째 0이 되는 지점 사이의 각도의 폭으로 주어진다.
통상, [수학식 9]는 작은 θO에 대하여 정확하다. 또한, 각 선택도는 물체빔과 기준빔의 각이 900일 때 가장 우수하며, 이 각도를 중심으로 각 선택도는 대칭적으로 떨어지기 시작한다.
같은 체적내에 다중 홀로그램을 저장하기 위해 상기 [수학식 9]로 주어지는 각도의 증가분 만큼 간격을 둔 기준빔들을 이용하여 동일 평면에 다중화시켜서 복원하면 크로스 토크(cross talk)가 없는 영상을 얻을 수 있다.
기준빔의 각도 θ1에서 θm까지의 주어진 범위내에 다중화될 수 있는 홀로그램의 수는 근사적으로 하기의 [수학식 10]과 같이 주어진다.
따라서, 각다중화를 이용하면 상기 [수학식 10]과 같이 M개의 정보를 저장할 수 있게 된다.
이어서, 파장 다중화에 대해 설명하면, 파장 다중화는 기준빔과 물체빔의 각이 일정하게 유지된 상태에서 레이저의 파장을 노출시마다 가변시키면서 데이터를 기록하는 방법이다.
데이터의 재생은 재생을 원하는 파장이 기록된 주소파장과 일치되도록 동조된 기준빔에 의해 개별적으로 엑세스된다. 홀로그램이 광학 주파수 v(즉, c/λ)에서 기록된다면 같은 각도에서 v-Δv의 기준빔으로 홀로그램을 읽어내면 하기의 [수학식 11]과 같이 1차의 Δv로 주어지는 위상불일치가 생기게 된다.
상기 [수학식 11]은 상기 [수학식 8]과 함께 허용 가능한 광학주파수 간격을 유도한다.
예컨데, 주어진 레이저의 파장이 800nm에서 820nm까지 변조될 수 있다고 가정할 경우, 이는 9,146GHz의 주파수 영역에 해당하며, LZ=1cm이고 n=2.2라면 상기 [수학식 12]로부터 주파수 간격 Δv=2.95GHz이다. 따라서, 최대 3,100개의 정보가 파장을 변화시키므로 같은 체적에서 다중화될 수 있다.
다음으로, AOD에 관해 설명하기로 한다.
음파에 의한 빛의 회절 현상은 광학 매질의 굴절률이 음파에 의해 변화되는 음향 광학 효과에 기반을 두고 있다. AOD에 RF 신호를 인가하면 압전 현상에 의해 초음파가 발생되고 이에 따른 응력장(strain field)이 형성된다. 이러한 응력장이 AOD 매질의 굴절률 변화를 일으키는데, 이때 매질은 음파의 파장과 같은 주기로 섭동하기 때문에 결국 초음파의 주기와 동일한 굴절 격자가 형성된다. 빛과 음파의 상호 간섭 현상 중에서 가장 간단한 형태로서 평면파가 초음파에 의해 형성된 굴절 격자를 광 분할기처럼 부분적으로 통과하는 현상을 들 수 있다.
도 5 는 보강 간섭을 일으키며 브래그(Bragg) 조건을 만족하는 θB의 각도로 입사되는 빔이 음파의 파장 ΛS에 의해 형성된 평행한 반사 격자에 의해 회절되는 것을 나타낸 것이다. 이와 같은 회절 현상을 브래그 회절(Bragg diffraction)이라 하며, 이는 하기의 [수학식 13]과 같이 표현된다.
여기서, θB는 입사되는 브래그(Bragg) 각이고, λ는 광원의 파장을 나타낸다. 보통 ΛS≫λ이므로 θB는 하기의 [수학식 14]와 같이 표현될 수 있다.
여기서, f는 음파의 주파수를, v는 매질내의 음파속도를 나타낸다.
하기의 [수학식 15]는 AOD를 통과하여 회절되는 빔의 각도를 나타낸 것으로, 하기의 [수학식 15]에서 광원의 파장과 음파속도는 상수값이기 때문에 회절각 θD는 주파수 f에 의해 결정된다. 따라서, AOD에 인가되는 RF 주파수가 가변되면 회절각 θD가 바뀌게 되어 광굴절 기록매질에 각 다중화 기법을 적용하여 기록할 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 광굴절 기록매질(홀로그래픽 디스플레이 수동소자) 제작 과정(도 3 참조) 및 실시간 3차원 홀로그래픽 디스플레이 과정(도 4 참조)에 대한 전체 과정이 도 6에 도시되었다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명은 범위가 정의되어 있는 디스플레이를 위한 가상 공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성한 후 컴퓨터 생성 홀로그램을 다중화 방식에 입각하여 광굴절 기록매질에 격자 패턴을 기록한다. 그리고, 디스플레이시 입력 3차원 영상에 대한 포인트 정보에 따라 브래그 매칭 조건을 만족하는 기준빔을 모니터의 주사선과 같은 방식으로 전체 가상공간에 대해 광굴절 매질을 스케닝함으로써 실시간으로 3차원 영상을 디스플레이한다.
종래에는 프레넬 홀로그램을 이용할 경우 화질은 좋지만 실시간 디스플레이시 과다한 계산량으로 인해 높은 해상도의 홀로그램 디스플레이가 불가능했지만, 본 발명은 가상공간의 모든 포인트에 대한 포인트 홀로그램을 광굴절 기록매질(홀로그램 디스플레이 수동소자) 제작시 생성함으로써 실시간 홀로그램 생성의 부하가 없어졌다. 또한, 종래에는 동영상 디스플레이를 위해 공간 광 변조기로서 LCD를 사용하였으나 기존의 LCD는 홀로그램을 위한 해상도가 떨어지며, 픽셀의 크기 또한 크기 때문에 제한 사항이 많았다. 하지만, 본 발명은 공간 광 변조기로서 LCD 뿐만 아니라 공간 해상도가 높은 필름까지 사용할 수 있으므로 실시간으로 고 해상도의 홀로그램 디스플레이가 가능하다. 또한, 연산시간이 많이 걸리지만 좋은 화질을 나타내는 프레넬 홀로그램을 사용할 수도 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 광굴절 기록매질을 격자 회절계로 이용함으로써, 디스플레이시 실시간 컴퓨터 생성 홀로그램을 위한 연산시간을 없애고, 고 해상도의 실시간 수직/수평 홀로그램 디스플레이가 가능한 효과가 있다.

Claims (24)

  1. 삭제
  2. 광굴절 기록매질 제작 장치에 있어서,
    가상공간을 정의하고, 광굴절 기록매질에 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 각 다중화하여 기록할 수 있도록 제어하기 위한 제어수단;
    상기 제어수단의 제어하에, 빔을 차단 및 투과하고, 투과된 레이저 빔 폭을 확대하기 위한 빔 조절수단;
    빔 폭이 확대된 레이저 빔을 광학적으로 분리하여, 물체빔과 기준빔으로 분리하기 위한 빔 분리수단;
    상기 제어수단의 제어하에, 상기 물체빔을 차단 및 투과하고, 투과된 물체빔을 공간상에서 포인트 홀로그램의 패턴으로 변조하여 가상공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성한 후, 상기 광굴절 기록매질에 기록 가능한 빔 폭으로 포인트 홀로그램을 축소하여 빛의 집광 및 반전으로 인해 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치한 상기 광굴절 기록매질에 기록하기 위한 물체빔 처리수단;
    상기 제어수단의 제어하에, 상기 광굴절 기록매질에 포인트 홀로그램 기록시 상기 기준빔을 가변시켜 서로 다른 입사각을 갖도록 제어하기 위한 기준빔 처리수단; 및
    상기 광굴절 기록매질에 기록된 홀로그램의 크기를 관찰 가능한 크기로 확대하여 자유공간 상에 디스플레이하기 위한 디스플레이수단
    을 포함하는 광굴절 기록매질 제작 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 디스플레이수단은,
    상기 광굴절 기록매질을 통과한 홀로그램을 관찰할 수 있도록 집속시키는 제1 렌즈; 및
    상기 제1 렌즈에 의해 집속된 홀로그램을 관찰이 용이하도록 시야각을 넓게 해주는 제2 렌즈
    를 포함하는 광굴절 기록매질 제작 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 광굴절 기록매질은,
    비선형 결정의 LiNbO3, KNbO3, BaTiO3혹은 광경화 수지(Photo-polymer) 중 어느 하나를 사용하는 홀로그래픽 디스플레이 수동소자인 것을 특징으로 하는 광굴절 기록매질 제작 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 광굴절 기록매질에 가상공간상의 모든 좌표(포인트)에 대한 포인트 홀로그램을 기록하기 위해 자동으로 제어하며, 음향 광 굴절기(AOD)에 인가하는 고주파(RF) 신호를 단계적으로 가변하여 기준빔을 가변시킴에 따라 서로 다른 각각의 광굴절 기록매질의 입사각을 갖도록 제어하여, 상기 광굴절 기록매질에 입력 데이터를 각 다중화하여 기록 재생하도록 광경로를 제어하는 것을 특징으로 하는 광굴절 기록매질 제작 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 빔 조절수단은,
    포인트 홀로그램을 상기 광굴절 기록매질에 기록하기 위해 광원을 생성하는 레이저;
    상기 제어수단의 제어하에, 레이저 빔을 투과시키거나 차단시키기 위한 제1 조리개; 및
    상기 제1 조리개를 통해 입사되는 레이저 빔의 크기(빔폭)를 확장하는 제3 및 제4 렌즈
    를 포함하는 광굴절 기록매질 제작 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 물체빔 처리수단은,
    물체빔이 경유하는 광경로 상에 위치하고, 입력 데이터에 대응하는 광 세기 변조 형태의 입력 패턴을 형성한 상태에서 물체빔에 의해 조사됨에 따라 신호빔을 만드는 공간 광 변조기(SLM);
    상기 빔 분리수단과 상기 공간 광 변조기 사이에 위치하며, 신호빔을 투과시키거나 차단시키는 제2 조리개;
    상기 공간 광 변조기에 의해 만들어진 신호빔을 상기 광굴절 기록매질에 기록하기 위해 소정의 빔폭으로 축소하기 위한 제5 및 제6 렌즈; 및
    상기 제5 및 제6 렌즈 사이에 위치하며, 상기 레이저가 수직벡터로 발산할 경우 상기 광굴절 기록매질에 기록될 수 있도록 수직벡터를 수평벡터로 변환시켜 주는 제1 파장 플레이트
    를 포함하는 광굴절 기록매질 제작 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기준빔 처리수단은,
    상기 빔 분리수단에 의해 만들어진 기준빔을 상기 음향 광 굴절기 및 상기 광굴절 기록매질에 입사시키기 위해 빔폭을 축소하는 제7 및 제8 렌즈;
    상기 제7 및 제8 렌즈에 의해 빔폭이 조절된 기준빔의 진행 방향을 변경(빔경로 제어)하는 제1 및 제2 반사경;
    기준빔이 상기 광굴절 기록매질에 각 다중화되어 기록되도록 하기 위해 상기 광굴절 기록매질을 소정의 미세각에 따라 이산적으로 굴절시키는 상기 음향 광 굴절기(AOD);
    상기 광굴절 기록매질에 상기 음향 광 굴절기(AOD)에 의해 굴절된 기준빔을 원하는 각도와 빔폭으로 각 다중화하여 입사시키기 위한 제9 및 제10 렌즈; 및
    상기 제9 및 제10 렌즈 사이에 위치하며, 상기 레이저가 수직벡터로 발산될 경우 상기 광굴절 기록매질에 기록될 수 있도록 수직벡터로 구성되어 있는 기준빔을 수평벡터로 변환시켜 주는 제2 파장 플레이트
    를 포함하는 광굴절 기록매질 제작 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 파장 플레이트는,
    상기 공간 광 변조기의 종류와 상기 광굴절 기록매질에 따라 달라지며, λ/2와 λ/4, 선형, 비선형 플레이트 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광굴절 기록매질 제작 장치.
  10. 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서,
    가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램이 각 다중화되어 기록되어 있는 광굴절 기록매질;
    상기 광굴절 기록매질에 기록된 포인트 홀로그램을 실시간으로 디스플레이할 수 있도록 제어하며, 실제공간 상의 3차원 영상을 정의된 가상공간 상의 3차원 영상에 매핑시키고 가상공간 상의 3차원 영상을 이용하여 위치정보와 세기정보를 산출하기 위한 제어수단;
    상기 제어수단의 제어하에, 빔을 차단 및 투과하고, 투과된 레이저 빔 폭을 확대한 후, 상기 세기정보에 따라 빔의 강도(세기)를 조절하기 위한 빔 조절수단;
    상기 제어수단의 위치정보에 따라, 기준빔을 가변시켜 서로 다른 입사각을 갖도록 제어하여 상기 광굴절 기록매질에 기록된 포인트 홀로그램을 순차적으로 디스플레이시키기 위한 기준빔 처리수단; 및
    포인트 홀로그램 디스플레이시 회절되는 홀로그램의 크기를 관찰이 가능한 크기로 조절하여 자유공간 상에 디스플레이하기 위한 디스플레이수단을 포함하되,
    상기 광굴절 기록매질은, 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치되어, 포인트 홀로그램 영상을 기록하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광굴절 기록매질은,
    신호빔과 기준빔이 간섭하여 형성된 간섭 격자 패턴 형태의 홀로그래픽 데이터를 광굴절 효과에 의해 전기 광학적으로 저장하고 있는 홀로그래픽 디스플레이 수동소자로서, 상기 광굴절 기록매질의 재료로는 비선형 결정의 LiNbO3, KNbO3, BaTiO3혹은 광경화 수지(Photo-polymer) 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 광굴절 기록매질에 기록되어 있는 포인트 홀로그램을 실시간 그리고 자동적으로 디스플레이하기 위해, 음향 광 굴절기(AOD)와 음향 광 변조기(AOM)에 인가하는 고주파(RF) 신호를 단계적으로 가변하여 기준빔을 가변시킴에 따라 서로 다른 각각의 광굴절 기록매질의 입사각을 갖도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 빔 조절수단은,
    포인트 홀로그램이 기록되어 있는 상기 광굴절 기록매질을 이용해 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 위해 광원을 생성하는 레이저;
    상기 제어수단의 제어하에, 레이저 빔을 투과시키거나 차단시키기 위한 조리개;
    상기 조리개를 통해 입사되는 레이저 빔의 크기(빔폭)를 조절(확장)하는 제1 및 제2 렌즈;
    상기 광굴절 기록매질에 기록되어 있는 홀로그램을 이용하여 디스플레이할 때 입력 3차원 영상의 화소 밝기 정보에 따라 출력되는 홀로그램의 밝기를 조절하기 위한 상기 음향 광 변조기(AOM); 및
    상기 음향 광 변조기에 의해 크기가 조절된 기준빔을 상기 광굴절 기록매질을 향하도록 빔의 진행 방향을 변경하는 반사경
    을 포함하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기준빔 처리수단은,
    상기 광굴절 기록매질에 각 다중화되어 기록되어 있는 홀로그램을 디스플레이할 수 있도록 소정의 미세각에 따라 이산적으로 기준빔을 굴절시키는 상기 음향 광 굴절기(AOD);
    상기 음향 광 굴절기에 의해 굴절된 빔을 상기 광굴절 기록매질에 각 다중화 방식으로 기준빔이 입사될 수 있도록 빔의 입사 방향과 빔 폭을 변환시켜 주는 제3및 제4 렌즈; 및
    상기 제3 및 제4 렌즈 사이에 위치하며, 상기 광굴절 기록매질에 빔이 입사되어 간섭 격자 패턴의 홀로그래픽 데이터가 디스플레이될 수 있도록 빔의 벡터 성분을 수직벡터에서 수평벡터로 변환시켜 주는 파장 플레이트
    를 포함하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 디스플레이수단은,
    상기 광굴절 기록매질에 기록되어 있는 포인트 홀로그램을 디스플레이시켜 상기 광굴절 기록매질에 의해 회절된 홀로그램을 관찰할 수 있도록 집속시키는 제5 렌즈; 및
    상기 제5 렌즈에 의해 집속된 홀로그램을 관찰시 시야각을 넓게 해주는 제6 렌즈
    를 포함하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  16. 광굴절 기록매질 제작 장치에 적용되는 광굴절 기록매질 제작 방법에 있어서,
    3차원 영상을 컴퓨터 생성 홀로그램을 이용하여 공간상에 디스플레이하고자, 가상공간을 정의하고 정의된 가상공간의 범위를 규정하는 단계;
    홀로그램 생성 알고리즘에 의해, 물체빔을 공간상에서 포인트 홀로그램의 패턴으로 변조하여 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성하는 단계; 및
    다중화 기법을 이용하여, 상기 생성된 가상공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램 영상을 광굴절 기록매질에 기록 가능한 빔 폭으로 축소하여 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치한 상기 광굴절 기록매질에 기록하는 단계
    를 포함하는 광굴절 기록매질 제작 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광굴절 기록매질은,
    신호빔과 기준빔이 간섭하여 형성된 간섭 격자 패턴 형태의 홀로그래픽 데이터를 광굴절 효과에 의해 전기 광학적으로 저장하고 있으며, 비선형 결정의 LiNbO3, KNbO3, BaTiO3혹은 광경화 수지(Photo-polymer) 중 어느 하나를 사용하는 홀로그래픽 디스플레이 수동소자인 것을 특징으로 하는 광굴절 기록매질 제작 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 포인트 홀로그램의 해상도는,
    광굴절 기록매질에 포인트 홀로그램을 기록하기 위한 공간 광 변조기(SLM)에의해 달라지며, 화면표시장치(LCD), 디지털 거울장치(DMD), 반사형태의 LCD 소자(D-ILA), 홀로그램 필름, 마이크로 필름 중 어느 하나의 2차원 공간 광 변조기를 이용하는 것을 특징으로 하는 광굴절 기록매질 제작 방법.
  19. 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치에 적용되는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 방법에 있어서,
    광굴절 기록매질을 이용하여 3차원 영상을 입체적으로 디스플레이하기 위해, 실제 공간 상에서의 3차원 영상을 정의된 가상공간상의 3차원 영상으로 매핑시키는 단계;
    상기 가상공간상의 3차원 영상정보를 이용하여, 상기 광굴절 기록매질에 다중화 기법을 이용해 기록된 포인트 홀로그램의 위치를 어드레싱하기 위한 위치 정보와 세기 정보를 산출해 내는 단계; 및
    포인트 홀로그램의 위치 정보 및 세기 정보를 이용하여, 상기 광굴절 기록매질에 기록된 가상공간상의 모든 좌표에 해당하는 모든 포인트 홀로그램을 순차적으로 디스플레이하는 단계를 포함하되,
    상기 광굴절 기록매질은, 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치되어, 포인트 홀로그램 영상을 기록하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광굴절 기록매질에,
    기준빔을 빔의 세기 및 입사각에 따라 변형하며 입사시키기 위해 스텝모터, 음향 광 굴절기(ADO), 음향 광 변조기(AOM)를 이용하는 것을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 음향 광 변조기(AOM)에,
    음파 신호를 펄스폭과 펄스간격으로 조절하여 인가함으로써, 인간에 의해 그레이 밝기를 느끼도록 하는 것을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 방법
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모든 포인트 홀로그램을 순차적으로 디스플레이하는 단계는,
    가상공간상의 포인트 홀로그램 디스플레이시 입력 3차원 영상에 따라, x, y, z 방향으로 순차적으로 빔의 강도를 조절하면서 디스플레이함으로써 인간의 잔상을 이용해 실시간으로 3차원 동영상 홀로그래픽을 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  23. 프로세서를 구비한 광굴절 기록매질 제작 장치에,
    3차원 영상을 컴퓨터 생성 홀로그램을 이용하여 공간상에 디스플레이하고자, 가상공간을 정의하고 정의된 가상공간의 범위를 규정하는 기능;
    홀로그램 생성 알고리즘에 의해, 물체빔을 공간상에서 포인트 홀로그램의 패턴으로 변조하여 가상공간상의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램을 생성하는 기능; 및
    다중화 기법을 이용하여, 상기 생성된 가상공간의 모든 좌표에 대한 포인트 홀로그램 영상을 광굴절 기록매질에 기록 가능한 빔 폭으로 축소하여 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치한 상기 광굴절 기록매질에 기록하는 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  24. 프로세서를 구비한 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치에,
    광굴절 기록매질- 상기 광굴절 기록매질은, 빛의 집광 및 반전으로 인해 형성된 '영상이 다시 형성되는 위치(image plane)'에 위치되어, 포인트 홀로그램 영상을 기록하고 있음 -을 이용하여 3차원 영상을 입체적으로 디스플레이하기 위해, 실제 공간 상에서의 3차원 영상을 정의된 가상공간상의 3차원 영상으로 매핑시키는 기능;
    상기 가상공간상의 3차원 영상정보를 이용하여, 상기 광굴절 기록매질에 다중화 기법을 이용해 기록된 포인트 홀로그램의 위치를 어드레싱하기 위한 위치 정보와 세기 정보를 산출해 내는 기능; 및
    포인트 홀로그램의 위치 정보 및 세기 정보를 이용하여, 상기 광굴절 기록매질에 기록된 가상공간상의 모든 좌표에 해당하는 모든 포인트 홀로그램을 순차적으로 디스플레이하는 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
KR10-2002-0065929A 2002-10-28 2002-10-28 광굴절 기록매질 제작 장치 및 그 방법과 그를 이용한3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법 KR100466622B1 (ko)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101169367B1 (ko) 2010-11-02 2012-07-30 광운대학교 산학협력단 고속 홀로그램 생성 장치 및 방법
KR101442851B1 (ko) 2006-01-18 2014-09-22 시리얼 테크놀로지즈 에스.에이. 컴퓨터 형성 홀로그램을 부호화하는 방법
KR101462330B1 (ko) * 2013-02-20 2014-11-20 건양대학교산학협력단 전자 홀로그래픽 디스플레이의 상 표시 장치
US9291997B2 (en) 2012-05-17 2016-03-22 Samsung Electronics Co., Ltd. High speed hologram recording apparatus and method
US9778541B2 (en) 2013-12-09 2017-10-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Acousto-optic element, acousto-optic element array, and display apparatus including the acousto-optic element

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101766272B1 (ko) 2010-11-01 2017-08-08 삼성전자주식회사 시준화된 지향성의 백라이트 유닛을 사용하는 홀로그래픽 영상 디스플레이 장치 및 방법
KR101906936B1 (ko) * 2012-01-19 2018-10-11 삼성전자주식회사 라이트 필드 홀로그램 생성 장치 및 방법
KR101968332B1 (ko) * 2013-05-27 2019-04-12 한국전자통신연구원 광시야각 홀로그래픽 이미지 디스플레이 방법 및 장치
CN104391424B (zh) * 2014-10-30 2017-12-15 深圳市亿思达科技集团有限公司 一种全息立体投影装置及方法
CN104391423B (zh) * 2014-10-30 2018-02-16 深圳市亿思达科技集团有限公司 一种基于非线性晶体的全息立体投影装置及方法
CN105891926B (zh) * 2016-06-24 2018-12-14 北京京东方光电科技有限公司 光衍射装置、显示基板、触控基板及其制作方法
JP7172023B2 (ja) 2017-09-08 2022-11-16 大日本印刷株式会社 光変調素子および真贋判定装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100322789B1 (ko) * 2000-03-09 2002-03-18 이승현 체적 홀로그래픽 광학소자를 이용한 초다안식 무안경 3차원 디스플레이 시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100322789B1 (ko) * 2000-03-09 2002-03-18 이승현 체적 홀로그래픽 광학소자를 이용한 초다안식 무안경 3차원 디스플레이 시스템

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101442851B1 (ko) 2006-01-18 2014-09-22 시리얼 테크놀로지즈 에스.에이. 컴퓨터 형성 홀로그램을 부호화하는 방법
KR101169367B1 (ko) 2010-11-02 2012-07-30 광운대학교 산학협력단 고속 홀로그램 생성 장치 및 방법
US9291997B2 (en) 2012-05-17 2016-03-22 Samsung Electronics Co., Ltd. High speed hologram recording apparatus and method
KR101462330B1 (ko) * 2013-02-20 2014-11-20 건양대학교산학협력단 전자 홀로그래픽 디스플레이의 상 표시 장치
US9778541B2 (en) 2013-12-09 2017-10-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Acousto-optic element, acousto-optic element array, and display apparatus including the acousto-optic element
US10353268B2 (en) 2013-12-09 2019-07-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Acousto-optic element, acousto-optic element array, and display apparatus including the acousto-optic element

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