KR100664872B1 - 1차원 홀로그램을 이용한 영상 표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1차원 홀로그램이라는 개념을 이용하여, 2차원 화상에 제한되나 홀로그램방식의 실시간 영상표시를 할 수 있는 장치의 원리 및 구조에 관한 것이다.

별과 같은 무한대 거리에 위치한 영상을 극좌표계로 표시할때, 극 좌표계의 동일한 위도상에서 원점을 향하여 입사하는 다수의 가간섭인 평행 빛 다발과 역시 같은 위도상에서 원점을 향하여 조사되는 평행 참조광에의한 홀로그램 간섭무늬는, 극좌표계의 적도방향을 x축, 극방향을 y축 으로삼는 평면에서 x의 함수만으로 표현되는, 회절격자 무늬와 비슷한, 1차원 홀로그램으로 본 발명에서 명칭을 제안하는 무늬를 형성하며, 이는 컴퓨터로 계산되고 공간 광 변조장치를 이용하여 표시된다. 이 1차원 홀로그램에 적절한 참조 광을 조명하면 화상의 한 줄에 해당하는 영상을 보게되며, 이러한 줄을 주사해 나감으로써 전체 영상을 보게 된다. 또한 이러한 홀로그램에 위상 정보가 추가되면 참조광을 계산에서 제외할 수 있으며, 더욱 뛰어난 화질을 얻게 된다.

실제의 투과형 영상표시 장치의 경우 참조광이 적절한 각도로 조절되어가며 주사되어야 하는데 이러한 목적을 위해 1차원 홀로그램이나 회절격자를 추가하여 참조광 편향장치로 이용한다. 또한, 투명한 표시장치 및 불투명한 표시장치를 겸용하고, 주사시의 영상 잡음을 줄이기 위해서 전자적인 광 차단장치를 덧붙이면 유용하다. 계산량을 줄이기 위해 필요한 일정범위만 계산하고 나머지는 반복한다. HMD장치로 제작되는 경우 시차를 주어서 입체 표시가 가능하다. 일차원 홀로그램 뒤에 오목 렌즈 같은 광 확산 장치를 두면 무한대가 아닌 유한한 시점을 얻을 수 있어 근시에 대응하도록 한다.

1차원 홀로그램은 일반적인 홀로그램보다 상당량의 계산량이 감소 되나 역시 당분간 디지털 방식의 계산방식으로는 계산속도 문제로 인하여 실시간 천연색 영상 표시가 어려울 수 있다. 이 경우 기본적인 광학 푸리에 변환 구조를 적용하여 아날로그 소자의 속도에 의존하게 되는 광 계산기 구조를 일반 홀로그램보다 쉽게 구현하는 효과가 있다.

1차원 홀로그램, 홀로그램, 표시장치, 편향장치, HMD, 광 컴퓨팅

Description

1차원 홀로그램을 이용한 영상 표시장치{Display Device using 1 Dimensional Hologram }

도 1은 1차원 홀로그램을 형성하는 평행입사광 무리의 극좌표 표현 예

도 2는 상기한 입사광 무리의 원통 좌표 표현

도 3은 상기한 입사광 무리의 평면 사영 표현

도 4는 1차원 홀로그램을 이용한 표시장치의 구조

도 5는 1차원 홀로그램 표시장치의 참조광 및 선 영상 개념설명

도 6은 위상표현이 가능한 광변조기를 사용한 표시장치의 구조

도 7은 상기 표시장치의 참조광 및 선 영상 개념 설명

도 8은 광변조기에 형성될 1차원 홀로그램의 확대 예

도 9는 상기 홀로그램을 투과한 광의 강도 그래프

도 10은 1차원 홀로그램 광학 계산장치의 개념도

<도면의 주요부분에 대한 설명>

1,4,6,17,28 : 1차원 홀로그램의 방향을 포함한 표시

2,3,5,18,25 : 1차원 홀로그램이 동시에 표현하는 선의 예

7,19 : 평행 참조광 표시

8,23 : 1차원 홀로그램에의해 표시되는 선 영상의 1점

9,10 : 1차원 홀로그램 참조광 편향판

11 : 1차원 홀로그램 광변조판

12,22 : 렌즈 또는 사람 눈의 수정체

13,24 : 영상이 표현되는 면 또는 사람 눈의 망막

14,16 : 도 4의 각각의 편향판이 편향 시킬수있는 감조광의 각 범위

15 : 도 4의 표시 7 참조광의 입사각

20 : 위상표시 가능한 1차원 홀로그램 참조광 편향판

21 : 위상표시 가능한 1차원 홀로그램 광 변조판

26 : 도6의 표시19 참조광이 편향된후 도6의 표시21 홀로그램에 입사하는 각

27 : 도 6의 위상 포함 편향판이 편향 시킬수있는 참조광의 각 범위

29 : 광 계산기의 입력 신호의 그래프

30 : 광 계산기에서 푸리에 변환을 실행하는 렌즈

31 : 광 계산기 출력인 1차원 홀로그램 데이타의 그래프

32 : 광 계산기의 입력 신호 변조기

33 : 광 계산기의 출력 데이타 수집용 광 센서 어레이

본 발명은 1차원 홀로그램을 이용한 영상 표시장치에 관한 것이다. 1차원 홀로그램이란 본 발명에서 제안하는 용어로서 일반적인 홀로그램이 2차원 평면상에 영상 정보를 표시하는데 반해 본 발명에서는 무한대 거리의 공간상의 특정한 한 선의 정보를 한 축 상에 표현할 수 있다는 발견에 착안하여 붙인 명칭이다. 1차원 홀로그램은 회절격자의 일반적인 꼴로 표현될 수 있으며, 일반적인 회절격자는 이러한 1차원 홀로그램의 특수한 경우로서 1차원 홀로그램을 형성할 수 있는 선상에서 입사하는 두 개의 평행 광의 간섭에 의한 1차원 홀로그램은 일정한 격자주기와 강도로서 표현되는 일반적인 회절격자이다. 2차원인 영상은 1차원 영상이 표현하는 선을 주사하여 얻으며, 본질적으로 동영상 표현에 적합하다. 이러한 1차원 홀로그램이 과거에 논의 된적이 있는지는 알지못하나, 화상 표시 정보의 차원 문제에 착안하면 그 가능성을 짐작할 수 있으며, 계산으로 존재를 확인할 수 있다. 중요한 점은 이러한 1차원 홀로그램이 사람의 눈에 평면 화상을 보이게 하는데 유용하게 사용될 수 있는 새로운 방법이며 종래의 방법에 대하여 특수한 상황에서는 유리하다는 점이다.

상기한 특수한 상황이란 대표적으로는 HMD(Head Mount Display)같은 분야가 있는데, 새로운 방식이니 만큼 다양한 예상못한 분야도 가능할것 이나, HMD형태의 휴대용 표시장치 분야에서 종래 기술과 비교해 보기로한다. 이러한 종래기술에는 일반 평면 표시장치를 사용한 기술과 평행광을 편향시켜 상을 만들어내는방법, 홀로그램 방식 등이있는데. 평면 표시장치를 사용한경우 사실상 실용화된 모든 동화상 표시장치는 이 방법으로 알려져있으며, 현재 많은 응용 제품이있다. 넓은 시야각을 확보하고 투명한 형태로 눈에 밀착시킬 수 있다면 본 발명보다 경쟁력을 가질 수 있을것이다. (상기한 넓은 시야각이란 현미경등을 처음보는 사람이 종종 겪는, 상이 보이는 위치에 정확히 눈을 위치 시켜야하는 문제를 말함이며, 일단 상이 보이고 난 다음의 시야각을 말함이 아니다.) 평행광을 편향시키는 방법의 경우 후지쯔등지에서 가변 피치의 회절 격자무늬를 만들어내는 독특한 방법을 특허로 제시하는 등 주목할만하나 아직 실용화 되지는 않았고, 그러한 방법의경우 고속화의 한계 및 고차 회절 문제 때문에 고해상도 표현에 문제점이 있을것으로 예상되는데. 해결된다면 역시 본 발명과 경쟁할 수 있을것이다. 홀로그램 방법은 궁극의 방법이라 볼수있으나. 홀로그램 정보를 계산해내는데 매우 큰 연산량이 필요하고, 홀로그램을 표현하는데 사용되는 정보량이 크며, 그러한 홀로그램 무늬를 표현할 광변조기의 제작이 쉽지않아 실용화되는데 시간이 걸릴것이다. 본 1차원 홀로그램 방법을 이용한 표시장치는 완전한 홀로그램 표시장치의 간략화된 기술로 현재의 일반적인 표시장치와 미래의 완전한 홀로그램 표시장치의 중간 기술로 자리 매김될것이다.

본 발명의 목적은 완전한 홀로그램을 표시장치를 개발하는데 난점이되는 계산량의 문제와 표시 정보량의 문제, 그리고, 홀로그램 표시용 광 변조장치 제작상의 난점을 해소하여 2차원 영상 표시라는 제한내에서 나마 실용적인 휴대용 표시장치를 제작할 수 있는 방법을 제공하는데에 있다.

전통적인 홀로그램은 가간섭인 광원에 의한 물체파와 참조광의 간섭무늬의 기록을 말함이다. 이러한 간섭무늬를 인간의 시각으로 분간할 수 없을정도의 화질로 재현해내기 위해서는 간섭무늬를 표현하는 하나의 점이 약 400나노미터인 청색광 파장의 절반정도인 200nm단위로 눈의 홍체 직경보다 넓은 범위에 걸쳐 표현되어야한다.(보다 낮은 해상도로 표현할 수 있는 방법은 있지만 이 경우 참조광의 위치에 제한을 받는다.) 3차원 정보를 가진 홀로그램은 전면적에 걸쳐서 완전히 표현되어야 하지만, 무한대 거리에 투영된 상에서 오는 평행 광선들에 의한 홀로그램은 눈의 홍체직경보다 약간 큰 5mm X 5mm범위의 홀로그램의 반복으로 표현될 수 있다. 이때 표현에 필요한 정보량은 5mm/200nm=25000의 제곱에 명암정보를 곱한 양이된다. 명암정보에 1byte를 대입하면, 625메가 바이트라는 정보량이 필요하다. 그러나, 만약 평면상의 한선이 수직또는 수평 정보만으로 표현될 수 있다면 수평선 2500정도로 표현할경우, 화상을 표현하는데 필요한 정보량은 25000:2500 으로 10분의 1로 줄어든다. 이러한 방식이 가능하며, 이후 차차로 논의할 여러 이점을 포함한다.

무한대 거리의 점들을 도 1 에서처럼 관찰자를 중심으로하는 구면 극좌표에서 표현할때. 식별 표시 2와 같은 동일 위도θ에 있는 점들에 의한 식별 표시 1 간섭무늬는 구면극좌표의 양극방향을 y,적도방향을 x방향이라할때 x의 함수로서 완전히 표현된다. 위도θ, 경도φ에서 원점으로 입사하는 평행광을 xy평면상의 한점에서 위상벡터로 표현하면 다음 [수학식 1]

이다. (In= Intencity,λ=파장,σ=원점에서의 위상) 이러한 평행광선이 여럿 입사되고, 그중의 하나가 참조광일경우 xy평면상의 한점에서의 광 벡터는 각각의 광 벡터의 총 합

[수학식 2]

이다. 이때 θi가 상수라면 y항은 급수 바깥으로 추려 낼수있으며, 광의 세기정보만을 표현하는 일반적인 홀로그램방식으로 계산하면, 바깥으로나온 y축항은 크기는 1이고 y값에 따라 위상만 변하는 항으로서 광 벡터의 위상만 변화시킬뿐 절대값에는 영향을 주지않는다. 따라서 홀로그램정보인 절대값의 제곱은 [수학식3]

로 나타내어지며 이것은 x만의 함수이다. 참조 광 역시 같은 θ에서 입사하는것으로 계산에 포함되어야한다.

수학식 2의 도2와 같은 원통좌표표현은 [수학식 4]

(α=입사광의 y축방향 탄젠트, θ는 극좌표에서의 φ에 대응함) 이며 , 도 2의 식별표시 3과 같이 α가 상수일때 역시 식별표시 4인 홀로그램은 x만의 1차원 함수로 나타낼수있다.

탄젠트 표현에서는 도 3 식별표시 5의 곡선이 [수학식 5]

(c는 1보다작은 상수,α=x축방향 탄젠트, β=y축방향 탄젠트)을 만족할때 앞의 극좌표및 원통 좌표와 같은 조건이 된다.

위상 표현이 가능한 공간 광변조기를 사용할수있다면 참조광항을 계산에서 제외 할수있다. 수학식 2에서 상수항을 정리해보면

[수학식 6]

이며

이것은 앞의 상수θ항은 (θ,0)에서 입사하는 참조광으로 대치되며, 뒷항에는 참조광이 포함되지 않은채 계산된다. 즉 참조광없이 계산하여 위 식의 뒤쪽 합산 항만으로 특정면에서의 광벡터를 완전히 표현할수있음을 알수있다. 도 7의 표시 26의 각도로 입사하는 참조광으로 도 7의 표시 25와 같은 동일한 θ의 부분을 표현할수 있으며, 앞의 위상정보가 포함되지 않은 경우와 비교하면, 0차항에 대한 고려가 필요 없고, 표현할수있는 시야가 도5의 14,16의 영역과 도7의 27 차이만큼 넓다.

정보량에서의 이점외에도 계산량의 이점도 있으며, 수직 수평 2000 x 2000개의 점으로 이루어진 화상의 홀로그램을 200nm 해상도로 5 x 5 mm 영역에 표시할때, 연산 알고리즘에따라 차이가 좁혀질 여지는 있으나, 완전한 홀로그램이 625메가 개의 홀로그램 점에대하여 4메가 개의 영상점에 대한 연산 즉 2.5 x 10^15 연산을 수행해야 하는데 반해 1차원 홀로그램 방식에서는 25000 개의 홀로그램 라인에대한 2000개의 표현점에 대한 2000번 반복 연산이며, 이는 1 x 10^11 의 연산에 해당되며, 약 25000배의 연산 효율을 보인다. 이는 해상도가 증가하면 할수록 차이가 커진다. 또한 디지탈 방식의 연산이 여전히 부담스러울 경우 도 10 에서 표현한 간단한 광 컴퓨팅 방식을 도입할수있다. 도 10 표시 29의 데이타는 표시 32 광변조기에 의하여 점광원으로 변환되고, 수차를 고려하지 않으면, 이는 도 10 표시 30 렌즈에 의하여 푸리에 변환된다. 도10 표시32 광변조기 입력 광원이 가간섭일경우 도 10 표시 33의 광센서 어레이에서는 간섭무늬가 생성되고, 광변조기에 적당한 데이타가 주어질경우 여기에서 얻어지는 도 10 표시 31 데이타는 적당한 표시 29 데이타가 입력되면 도 4에서 표현하는 1차원 홀로그램 표시장치의 9,10,11각 1차원 홀로그램의 입력 데이타로서 직접 변환될 수 있다. 이러한 과정은 모든 표현점에 대하여 병렬로 이루어지는 광 계산기 구조이다. 입력 데이타는 다음 과 같은 방법으로 조절 되어야한다. 수학식 3의 e의 지수만을 표현하면 [수학식7]

인데 이 경우 Cos(θi)는 1차원 홀로그램 계산에서 상수이므로 θi가 다를 경우 φi를 적당히 조절하면,같은 결과를 얻을 수 있는것이다. 이는 광계산기의 변조점을 변환 시키는 것으로 상기 계산기 구조로서 모든 θi에 대한 계산을 수행 할 수있다는 것을 뜻한다. 그리고, 광센서 각 소자의 위치에 대응하는 x가 큰것이 센서를 구현하는데 유리한데. 이는 φi를 작은 값으로 조절하는 것으로 해결되며, 이는 렌즈에서 근축 광선일수록 수차가 줄어드는 현상과 부합하여 더욱 유리하게 작용한다. 그리고 위 구조는 1차원 홀로그램에 더욱 적합한데 2차원 구조라 두께를 상당히 줄일 수 있다는 점이다. 도 10의 푸리에 변환 광계산 구조는 널리 알려진 렌즈의 성질이나, 1차원 홀로그램 계산에 매우 적합한 방식이다. (일반 홀로그램 계산에 사용하면 두께와 수차 문제가 실용성을 떨어뜨릴 것이다.)

정보량, 연산량에 추가하여 또 한가지 이점은 실제의 광변조기를 제작하기 쉬워진다는 점이다. 전압 구동 방식의 5 x 5mm 영역의 완전한 홀로그램을 표시할수 있는 광변조기의 경우 일반적으로 예상할수있는 전압조절 구조는 25000개의 x축 라인과 25000개의 y축 라인에 625메가 개의 전압 저장용 정전용량과 그 스위치용 트랜지스터가 구현되어야 한다 그리고 최소 25000개의 트랜지스터 구동선이 있어야한다. 그러나, 1차원 홀로그램 용 광 변조기는 25000개의 한쪽 축 선만이 내부 구조의 전부이다. 정전용량은 풍부하며 트랜지스터는 표시 영역 내부에 있을 필요가 없 다. 다만 응답속도는 마이크로초 단위여야한다.

상기한 1차원 홀로그램 표시장치의 구성 예는 도 4와 같은 형태이다. 도 4 표시 7 과 같이 입사되는 고정된 참조광은 도4 표시 9또는 10 둘중 하나의 1차원 홀로그램 편향판에서 편향되어 표시 11의 1차원 홀로그램을 통하여 한 선에 해당하는 상을 보이는 구조이다. 표시 9와 10의 편향판은 서로 어긋난 사선 형태의 구조로 되어있으며, 한 장으로도 구성 가능하나 두 장일 경우보다 시야각이 좁아진다. 각 편향판이 편향 시킬수 있는 각 범위는 입사 참조광이 도 5의 표시 15의 각으로 입사될때, 도 5의 표시 14와 표시 16이다. 눈의 안전을 위하여 참조광은 도4 표시 11의 홀로그램의 관찰자측 면에서 내부 전반사 현상을 이용하여 제거한다. 한쪽 편향 판이 작용할 때 다른 쪽 편향 판은 투명한 상태가 유지되어야 하며, 수평선을 표시할 때는 두 편향판이 동시에 투명하여야 한다. 두 편향 판의 사선 구조는 반드시 대칭일 필요는 없으나, 실질적으로 최대 시야각을 확보하기 위해서는 대칭이 이상적이다. 표시 11의 1차원 홀로그램을 확대하여 관찰하면 도 8과 같은 무늬가 관찰되며, 도 9는 그 명암정보를 그래프로 표시한것이다. 근시인 사람을 위하여 도4 표시 11과 관찰자의 눈사이에 오목렌즈가 들어갈 수 있으며, 편향 판 앞에 전자식 광 차단장치를 두어서 상의 선명성을 높이거나, 혹은 표시 장치가 보여주는 상만을 보고자 할 때 사용하게 된다. 광 차단장치는 LCD같은 것을 이용하여, 셔터로서의 역활외에도 가장자리와 중앙의 밝기 정보를 보상하는데에도 사용한다. 광 차단장치는 필요한 만큼만 개구를 조절할 수 있도록 구성하는 것이 권장된다. 참조 광은 펄스의 형태로 이용되는 것이 홀로그램 갱신 시의 영상 잡음을 없애는데 유리하다. 색 정보는 참조 광의 색을 삼원색으로 갱신하여 묘사하는 구조이다. 시야각은 표시 14와 표시 16에 의하여 제한된다. 도 6은 위상 표현이 가능한 광 변조기를 이용할 경우의 구성인데. 편향 판이 한 장으로 충분해지며, 1차원 홀로그램과 참조 광의 수직 수평 관계가 변한다. 참조 광의 입사각은 표시 27선을 따라 선택될 수 있으므로 색 갱신구조가 약간 단순해진다. 시야각의 제한이 없어진다.

본 발명은 안경형의 휴대용 표시장치나, 가정에서 초대형 화면을 가진 극장과 같은 효과를 내는 표시장치의 제작에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (2)

1. 영상 표시장치에 있어서 참조 광 입사각을 조절하는 광 편향수단; 및 상기 참조 광을 이용하여 영상을 재생하는 1차원 홀로그램 광 변조기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 홀로그램을 이용한 영상 표시장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 광 변조수단의 입력데이터는

   영상 데이타를 가 간섭인 광원을 이용하여 푸리에 변환하는 렌즈; 및

   상기 푸리에 변환에 의한 간섭무늬를 읽어서 그 데이터를 상기 광변조수단으로 공급하는 광센서;를 포함하는 광 계산기를 이용하여 1차원 홀로그램 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 1차원 홀로그램을 이용한 영상 표시장치.

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