KR101263968B1 - 삼차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

삼차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치는 홀로그래픽 정보에 의해 인코딩된 공간 광 변조기를 통하여 발광 수단으로부터 적어도 하나의 관찰자의 눈으로 충분한 간섭성 광(sufficiently coherent light)을 보내는 광학 포커싱 수단을 포함한다. 장치는 공간 광 변조기(SLM)의 표면을 조명하는 복수의 조명 유닛을 가지며, 각각의 유닛은 포커싱 요소(21/22/23 또는 24)와, 이들 조명 유닛 각각이 상기 표면의 하나의 개별 조명 영역(R1/R2/R3 또는 R4)을 조명하도록 충분한 간섭성 광을 방출하는 발광 수단(LS1/LS2/LS3 또는 LS4)을 포함하고, 이에 의해 상기 포커싱 요소 및 상기 발광 수단은 상기 발광 수단(LS1-LS4)에 의해 방출된 광이 상기 관찰자 눈에서 또는 그에 가까이에 일치하도록 배열된다.

Description

삼차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치{DEVICE FOR HOLOGRAPHIC RECONSTRUCTION OF THREE-DIMENSIONAL SCENES}
1. 발명의 분야
본 발명은 전자적 제어가능한 셀을 포함하는 공간 광 변조기에 인코딩된 대면적 컴퓨터 생성 비디오 홀로그램(CGH: computer-generated video hologram)을 사용하여 삼차원(3D) 장면(scene)을 재구성하는 디스플레이 장치에 관한 것이다. 상기 셀은 비디오 홀로그램에 대응하는 홀로그램 값으로 각각의 셀을 인코딩함으로써 광의 진폭 및/또는 위상을 변조한다. 자동 입체 디스플레이처럼, 비디오 홀로그램의 재구성도 또한 비디오 디스플레이를 사용하여 움직이는 이차원 또는 삼차원 장면을 제시하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서에서, CGH는 장면으로부터 계산되는 홀로그램을 기술한다. CGH는 장면을 재구성하는 데 필요한 광파(light wave)의 진폭 및 위상을 나타내는 복소수 값의 수를 포함한다. CGH는 예를 들어, 간섭성 광선 추적(coherent ray tracing)에 의해, 장면에 의해 반사된 광과 기준파 사이의 간섭의 시뮬레이션에 의해, 또는 퓨리에(Fourier) 또는 프레넬(Fresnel) 변환에 의해 계산될 수 있다.
공간 광 변조기(SLM: spatial light modulator)는 입사광의 파면을 변조한다. 이상적인 SLM은, 즉 광파의 진폭 및 위상을 개별적으로 제어하는 임의의 복소 수 값의 수를 나타낼 수 있어야 할 것이다. 그러나, 통상적인 SLM은 진폭 또는 위상의 단 하나의 특성만 제어하며, 다른 특성에 또한 영향을 미치는 바람직하지 못한 부작용을 동반한다.
광의 진폭 또는 위상을 변조하기 위한 다양한 방식이 있는데, 예를 들어 전기적 어드레스된 액정 SLM, 광학적 어드레스된 액정 SLM, 마이크로 미러 장치 또는 음향 광학 변조기가 있다. 광의 변조는 이진, 다중레벨 또는 연속적으로 일차원이나 이차원으로 배열되어, 공간적으로 연속될 수 있거나 또는 개별적으로 어드레스가능한 셀로 구성될 수 있다.
3차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 적당한 공간 광 변조기는 예를 들어 액정 디스플레이(LCD)이다. 그러나, 본 발명은 또한 광파면을 변조하는 다른 제어가능한 공간 광 변조기에 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 연속적인 공간 광 변조기, 예를 들어 광학적 어드레스된 공간 광 변조기에도 적용될 수 있다.
2. 발명의 배경
본 명세서에 있어서, 용어 "인코딩(encoding)"은 제어값으로부터 3차원 장면이 재구성될 수 있도록 공간 광 변조기의 셀에 비디오 홀로그램의 셀의 제어값이 공급되는 방식을 나타낸다.
자동 입체 디스플레이와 대조하여, 비디오 홀로그램에 의해 관찰자는 3차원 장면의 광파면의 광학적 재구성을 본다.
본 발명에 따르면, 3차원 장면은 관찰자의 눈과 공간 광 변조기(SLM) 사이에 뻗어있는 공간에 재구성된다. SLM은 또한 관찰자가 SLM의 앞에 재구성된 삼차원 장면의 물체 및 SLM의 위나 뒤의 다른 물체를 보도록 비디오 홀로그램에 의해 인코딩될 수 있다.
공간 광 변조기의 셀은 바람직하게 투과성(transmissive) 셀이며, 이를 통해 적어도 정의된 위치에서 그리고 몇 mm의 간섭성 길이를 넘어서 간섭을 생성할 수 있는 광선인 광이 통과된다. 이는 적어도 일차원에서 충분한 해상도(resolution)를 갖는 홀로그래픽 재구성을 허용한다. 이 종류의 광은 "충분한 간섭성 광(sufficiently coherent light)"으로 언급될 것이다.
충분한 시간 간섭성을 확보하기 위해, 광원에 의해 방출되는 광의 스펙트럼은 충분히 좁은 파장 범위로 한정되어야 하며, 즉 단색(monochromatic)에 가까워야 한다. 고휘도 LED의 스펙트럼 대역폭은 홀로그래픽 재구성을 위한 시간 간섭성을 확보하기에 충분히 좁다. SLM에서의 회절각은 파장에 비례하며, 이는 단색 소스만이 물체점의 선명한 재구성에 이를 것임을 의미한다. 스펙트럼이 넓어지면 물체점을 넓히게 되고 물체 재구성을 번지게 할 것이다. 레이저 소스의 스펙트럼은 단색으로서 간주될 수 있다. LED의 스펙트럼선 너비는 양호한 재구성을 용이하게 하기에 충분히 좁다.
공간 간섭성은 광원의 측방 범위(lateral extent)와 관련된다. LED 및 냉음극선관 형광 램프와 같은 종래의 광원도 충분히 좁은 개구부(aperture)를 통하여 광을 방사하면 이들 요건을 충족시킬 수 있다. 레이저 소스로부터의 광은 회절 한계 내의 점 소스로부터 나오는 것으로서 간주될 수 있고, 지정 순도(modal purity) 에 따라 물체의 선명한 재구성에 이르며, 즉 각각의 물체 점은 회절 한계 내의 점으로서 재구성된다.
공간적 비간섭성(incoherent) 소스로부터의 광은 측방으로 연장되고 재구성된 물체의 번짐(smearing)을 야기한다. 번짐의 정도는 주어진 위치에서 재구성된 물체점의 넓어진 크기에 의해 주어진다. 홀로그램 구성을 위해 공간적 비간섭성 소스를 사용하기 위해, 개구부를 갖는 소스의 측방 범위의 한정과 휘도 사이의 절충을 찾아내야만 한다. 광원이 작아질수록 그 공간 간섭성이 더 양호해진다.
선광원은 직각으로부터 그의 길이 연장방향으로 보는 경우 점광원으로 간주될 수 있다. 따라서 광파는 그 방향으로 간섭성으로 전파할 수 있지만, 모든 다른 방향으로는 비간섭성이다.
일반적으로, 홀로그램은 수평 및 수직 방향으로 파의 간섭성 중첩(coherent superposition)에 의해 홀로그램으로 장면을 재구성한다. 이러한 비디오 홀로그램은 완전시차(full-parallax) 홀로그램으로 불린다. 충분히 큰 관찰자 윈도우 또는 관찰자 영역이 주어지면, 재구성된 물체는 실제 물체와 같이 수평 및 수직 방향으로의 움직임 시차를 용이하게 한다. 그러나, 큰 관찰자 영역은 SLM의 수평 및 수직 방향 모두의 고해상도를 필요로 한다.
종종, SLM에 대한 요건은 수평시차단독(horizontal-parallax-only) 홀로그램으로의 제한에 의해 경감된다. 홀로그래픽 재구성은 수평 방향으로만 발생하는 반면, 수직 방향으로는 아무런 홀로그래픽 재구성이 일어나지 않는다. 이 결과 수평 움직임 시차를 갖는 재구성된 물체가 된다. 원근도(perspective view)는 수직 움직 임에 따라 변하지 않는다. 수평시차단독 홀로그램은 완전시차 홀로그램보다는 적은 수직 방향의 SLM 해상도를 필요로 한다. 수직시차단독(vertical-parallax-only) 홀로그램 또한 가능하지만 흔하지는 않다. 홀로그램 재구성은 수직 방향으로만 발생하고, 그 결과 수직 움직임 시차를 갖는 재구성된 물체가 된다. 수평 방향으로는 아무런 움직임 시차가 없다. 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 대한 상이한 원근도가 개별적으로 생성되어야 한다.
3. 관련 분야의 설명
종래의 LCD 기술에서 공간 광 변조기를 갖는 디스플레이는 예를 들어 인코딩 및 재구성에 사용될 수 있다. 알려진 고해상도의 투과성 평면 디스플레이는 대면적 재구성에 사용될 수 있다.
프레데릭츠(Freedericksz) 셀에 기초한 광 변조기와 같이, 광의 위상을 직접 변조하는 셀을 갖는 광 변조기가 사용되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명은 또한 다른 공간 광 변조기에도 적용될 수 있다.
재구성에서 수직 시차의 표현을 무시한, 컴퓨터 생성 홀로그램을 위한 조명 시스템이 WO 03/021363에 개시되어 있다. 조명 시스템은 종래의 점광원으로 구성된 선광원을 사용한다. 이 선광원은 시준(collimated) 광을 방출한다. 이는 자신에 직각으로 배열된 원통형 렌즈의 초점면에 배치되고, 다양한 입사각으로 투과성 모드로 SLM을 조명하는 다수의 평면파를 생성한다. 점광원에 대조하여, 이미지는 확산기(diffuser)의 필요 없이 그에 의해 균일하게 조명될 수 있다.
문서 WO 00/75699는 부분 홀로그램의 도움으로 비디오 홀로그램을 재구성하 는 홀로그래픽 디스플레이에 대해 개시하고 있다. 공통 EASLM(electronically addressable spatial light modulator)에 인코딩되어 있는 부분 홀로그램은 순차적으로 매개면(intermediate plane)에 투영된다. 이 프로세스는 관찰자가 모든 부분 홀로그램의 재구성을 전체 삼차원 물체의 단일 재구성으로서 인지하도록 충분히 빠르게 실행된다.
예를 들어, EASLM와 동기하여 제어되며, 대응하는 부분 홀로그램만 통과할 수 있게 하고 특히 사용되지 않는 회절 차수를 생략하는 셔터를 포함하는 특수 설계된 조명 및 투영 시스템에 의해, 부분 홀로그램은 매개면에 정규(regular) 구조로 배열된다. 조명 시스템을 요구된 간섭성으로 그리고 올바른 재구성 각도 하에 각각의 부분 홀로그램을 조명하도록 실현하려고 할 때 어려움이 발생한다. 재구성을 위한 광학 요소로서 대형 렌즈가 사용되는 것을 피하기 위하여, 렌즈 어레이를 사용하는 것이 제안되었다.
출원인에 의해 제출된 WO 2004/044659(US2006/0055994)는 또한 점광원이나 선광원, 광을 포커싱하기 위한 렌즈, 및 공간 광 변조기를 포함하는, 충분한 간섭성 광의 회절에 의해 삼차원 장면을 재구성하는 장치에 대해 기술하고 있다. 종래의 홀로그래픽 디스플레이에 대조하여, 투과성 모드에서의 SLM은 적어도 하나의 가상 관찰자 윈도우에 3차원 장면을 재구성한다. 각각의 관찰자 윈도우는 관찰자의 눈 가까이에 놓이고, 관찰자 윈도우가 단일 회절 차수로 놓이도록, 그리하여 각각의 눈이 SLM 표면과 관찰자 윈도우 사이에 뻗어 있는 절두체형 재구성 공간에 삼차원 장면의 완전한 재구성을 보도록, 그 크기가 제한된다. 방해 없는 홀로그래픽 재 구성을 허용하기 위해, 관찰자 윈도우 크기는 재구성의 한 회절 차수의 주기성 간격을 초과해서는 안된다. 그러나, 윈도우(들)를 통하여 3차원 장면의 전체 재구성을 보기에는 적어도 충분히 크다. 다른 눈은 동일한 관찰자 윈도우를 통하여 볼 수 있고, 또는 제2 관찰자 윈도우에 할당되며, 이는 그에 따라 제2 광원에 의해 생성된다. 관찰자의 눈 위치가 변하면, 추적 시스템은 광원을 변위시키고(displace), 따라서 관찰자 윈도우를 그에 따라 추적한다. 여기서, 통상적으로 오히려 클 가시 영역은 국부적으로 위치된 관찰자 윈도우에 한정된다. 알려진 해결책은 종래의 SLM 표면의 고해상도에 기인한 대면적을 축소 방식(diminutive fashion)으로 재구성하며, 그것을 관찰자 윈도우의 크기로 감소시킨다. 이는 기하학적 이유로 인해 작아지는 회절각과 현 세대 SLM의 해상도가 적당한 소비자 레벨 연산 장비를 사용하여 고품질의 실시간 홀로그래픽 재구성을 달성하기에 충분하다는 효과를 가져온다.
그러나, 알려진 해결책은 대형 SLM 표면 면적으로 인해 포커싱을 위해 대형이고 부피가 크고 무거우며 그에 따라 고가인 렌즈가 필요하다는 단점을 나타낸다. 결과적으로, 장치는 큰 깊이와 중량을 가질 것이다. 또 다른 단점으로는 이러한 대형 렌즈를 사용할 때 가장자리(margin)에서 수차로 인해 재구성 품질이 현저하게 감소된다는 사실로 나타난다.
알려진 실시예의 부가적인 단점은 SLM의 불충분한 발광 강도이다. 현재 해결책은 약 1 cd/m2의 발광 강도를 나타내고, 따라서 종래 디스플레이의 강도(ca. 100 cd/m2)보다 훨씬 낮다. 낮은 휘도에 대한 하나의 이유는 SLM에 대한 간섭성 광원의 낮은 강도이다.
종래 기술 해결책의 상기 언급된 단점을 고려하여, 본 발명의 목적은 전술한 단점을 피하면서 연산 로드의 적당한 노력에 의해 고품질의 실시간 홀로그래픽 재구성을 달성하도록 비교적 큰 셀 피치를 갖는 종래의 공간 광 변조기를 사용하여 대면적 비디오 홀로그램을 인코딩하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 홀로그래픽 재구성의 발광 강도를 증가시키는 것이다.
이러한 목적을 이루기 위하여, 본 발명은 비디오 홀로그램 정보에 의해 인코딩된 공간 광 변조기에 의한 변조 이후에 적어도 하나의 관찰자의 눈으로 충분한 간섭성 광을 보내는 광학 포커싱 수단에 의한, 삼차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치를 사용한다. 그에 의해, 삼차원 장면은 추적된 관찰자 눈 모두에 가시가능하게 장면이 제공되도록, 광 변조기 셀에 의한 광의 회절에 의해, 할당된 관찰자의 눈과 공간 광 변조기 표면 사이에 뻗어 있는 공간에 홀로그램으로 재구성된다.
공간 광 변조기는 비디오 홀로그램 정보에 의해 인코딩된다. 적어도 하나의 대면적 비디오 홀로그램 또는 일련의 비디오 홀로그램은 상기 공간 광 변조기에 인코딩되고, 비디오 홀로그램(들)은 수직 방향 및 수평 방향으로 모두 시차 정보를 거나 또는 비디오 홀로그램(들)은 하나의 방향으로만 시차 정보를 갖고, 시간다중화(time-multiplexing) 모드는 분실(missing) 시차 정보를 디스플레이한다. 공간다중화(space-multiplexing) 모드가 분실 시차 정보를 디스플레이하는 경우, 비디오 홀로그램 정보는 각각의 관찰자 눈에 분실 시차 정보를 동시에 제공하는 두 개의 공간다중화 비디오 홀로그램을 포함한다.
본 발명에 따르면, 포커싱 수단은 다수의 포커싱 요소의 배열이다. 충분한 간섭성 광을 방출하는 할당된 발광 수단과 함께, 각각의 포커싱 요소는 부가적인 조명 유닛으로 동시에 공간 광 변조기 표면의 개별 영역을 조명하는 개별적인 조명 유닛을 형성한다. 포커싱 요소 및 발광 수단은 조명 유닛에 의해 방출된 광선 다발이 적어도 한 관찰자의 눈 가까이의 가상 관찰자 윈도우에 일치하도록 각각의 조명 유닛에 배열된다. 개별 조명 유닛들 각각은 적어도 하나의 연장된 비디오 홀로그램에 의해 인코딩된 공간 광 변조기 표면의 국부 영역을 조명한다. 모든 조명 영역은 공동으로 동시에 관찰자의 눈 앞의 절두체에 완전한 삼차원 장면을 재구성한다.
본 발명은 장치의 부피 및 중량을 감소시킬 뿐만 아니라 방해가 되는 렌즈 수차를 감소시키고, 발광 강도는 증가한다.
본 발명의 또 다른 주요 이점은 발광 수단에 의해 방출된 광이 개개의 활성 조명 유닛 사이에 간섭성을 보일 필요가 없다는 것이다. 이는 발광 강도를 증가시키기 위해 공간 광 변조기의 조명을 위한 다수의 종래 광원의 동시 사용을 허용한다. 또한, 인접한 조명 유닛의 광은 간섭을 생성할 수 없기 때문에, 이는 다수의 간섭성 광원 위치에 의해 야기될 다수 간섭의 발생을 방지한다.
인접한 조명 유닛의 발광 수단의 비간섭성은 유리하게 공간 광 변조기 표면을 상이한 조명 유닛에 의해 조명되는 다수의 소영역으로 나눔으로써 회절 효율성을 증가시킨다.
본 명세서에 따르면, 충분한 간섭성 광을 방출하는 각각의 발광 수단은 점광원 또는 선광원의 형태로 단일 간섭성 발광 요소를 포함할 수 있다. 대안으로, 여러 개의 발광 요소의 광원 배열이 또한 완전한 발광 수단을 형성할 수도 있다. 이러한 배열은 선광원을 형성하는 여러 개의 점광원을 포함할 수 있고, 또는 컬러 홀로그램을 위한 조명을 제공하는 기본 컬러 광원을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 포커싱 요소는 렌티큘러(lenticular)를 형성하는 어레이로 배열된 렌즈이다.
본 발명을 구현하기 위한 최선의 모드에서, 포커싱 요소는 원통형 렌즈이고, 렌티셀(lenticel)로도 알려져 있다. 이 경우, 할당된 발광 수단은 원통형 렌즈의 배열에 평행하여 배열되는 선광원의 형태로 제공된다. 따라서 발광 수단은 라인의 방향에 수직하는 한 바람직한 방향으로만 충분한 간섭성 광을 방출하고, 그에 따라 재구성은 대응하는 인코딩된 시차를 갖는 그 방향으로만 수행된다. 조명 수단의 이 실시예는 수평시차단독 또는 수직시차단독 홀로그램에 각각 제한되는 비디오 홀로그램을 야기한다. 홀로그래픽 재구성은 선 소스의 라인에 직교하는 방향으로만 발생하는 반면, 선 소스의 방향으로는 아무런 홀로그래픽 재구성이 일어나지 않는다. 필요한 분실 시차가 예를 들어 여러 개의 개별적인 일차원 홀로그램의 공간 인터리빙(interleaving)에 의해 실현될 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 포커싱 수단 내 포커싱 요소의 연장범위는, 인접한 포커싱 요소를 통한 발광 수단의 모든 이미지가 관찰자 눈의 시야를 상당히 벗어나도록 보내지는 방식으로 선택된다. 이는 재구성의 반복에 의해 발생할 수 있는 방해를 감소시킨다.
비디오 홀로그램 및 재구성의 공간 인터리빙에 대한 해결책은 본 출원인의 이전의 특허 출원 WO2006/027228(US2006/050340)에 기술되어 있으며, 이 출원 이전에는 개시되지 않았던 것이다. 두번째 이차원 비디오 홀로그램의 재구성 대신에, 눈 간격에 대응하는 시차에 대한 두 개의 개별적인 일차원 홀로그램의 재구성에 의해, 요구되는 수평 시차가 실현된다. 대안의 실시예에서, 두 개의 비디오 홀로그램이 상이한 관찰자 윈도우에서 순차적으로 재구성될 수 있다.
조명 유닛은 바람직하게 단일 회절 차수와 관찰자 플레인(plane)에 한정된 가상 관찰자 윈도우와 일치하는 거의 시준된 광선 다발을 방출한다. 가상 관찰자 윈도우는 관찰자의 눈에 가까이 위치되고, 방해 없이 재구성을 볼 수 있는 곳이다.
슬롯 조리개(slot diaphragm)가 충분한 간섭성 선광원을 실현하기 위해 조명 유닛의 포커싱 수단과 발광 수단 사이에 배치될 수 있다.
각각의 조명 유닛에서, 포커싱 수단 위치에 대한 발광 수단의 위치는 모든 조명 유닛에 의해 방출되는 광선 다발이 일치하는 관찰자 플레인의 위치를 정의한다. 따라서, 예를 들어 투과성 공간 광 셔터 및 대응하는 백라이트 수단은 대응하는 조명 라인, 예를 들어 라인 패턴으로 배열된 조명 셔터의 투과성 요소를 활성화함으로써, 뷰어(viewer) 눈의 위치에 따라 관찰자 윈도우(들)의 위치를 정하기 위해 사용될 수 있다.
특정 실시예에서, 공간 광 셔터 및 대응하는 백라이트 수단은 제어가능한 LED 또는 유기 LED 배열로 대체될 수 있다. 이 배열의 점광원은 작은 단면적을 갖고, 개별적으로 또는 선광원처럼 활성화될 수 있다. 이는 조명에 대한 에너지를 상당히 절약한다. 슬롯 조리개와 같이, LED 배열을 포함하는 각각의 선광원은 그 자체로서 충분한 간섭성의 조건을 충족한다. 이는 고에너지 효율성을 가지며 콤팩트 방식으로의 조명 유닛 실현을 허용한다.
부가적인 실시예에서, 발광 수단은 편향된(deflected) 레이저 빔으로 산란층을 스캐닝함으로써 실현될 수 있다. 레이저 빔은 빔 편향기, 예를 들어 스캐닝 미러에 의해 편향되고, 산란층에 포커싱된다. 이 산란층 상에 레이저 빔이 입사되는 스폿은 광원으로서 작용한다. 빔 편향기를 제어하고 레이저 빔을 펄스 변조함으로써, 임의의 원하는 광원 어레이가 포커싱 수단을 조명하기 위해 생성될 수 있다. 레이저 빔은 작은 측방 크기를 갖는 광원을 생성하기 위해 산란층에 포커싱되어야 한다. 산란층의 산란각은 광이 방출되며 포커싱 수단을 적당하게 조명하도록 선택되어야 하는 입체각을 결정한다. 스캐닝된 레이저 빔은 모든 광이 포커싱 수단 및 SLM 표면을 조명하는 데 사용된다는 이점을 갖는다. 투과성 셔터에는 아무런 광이 흡수되지 않으며 효율성이 향상된다.
포커싱 수단 및 공간 광 변조기는 서로에 대해 최소한의 간격으로 배치되기 때문에, 그들 위치는 바뀔 수도 있다.
본 발명에 따른 장치는 짧은 초점 거리를 갖는 포커싱 수단의 사용을 허용하고, 향상된 발광 강도를 나타내며 낮은 중량 및 깊이를 갖는 홀로그래픽 디스플레이가 실현될 수 있다. 또한, 작은 치수를 갖는 광학 포커싱 수단에 의해 수차는 최소화된다.
포커싱 요소의 짧은 초점 거리로 인해, 본 발명은 특히 개별적으로 활성화될 수 있는 점광원을 갖는 발광 배열로서 배열되는 발광 수단을 사용하는 것에 적합하다. 따라서 각각의 조명 유닛의 포커싱 요소는 라인 형태를 이룬 조명을 위한 단일 라인 어레이에 할당될 수 있고, 또는 장치의 전체 조명 유닛이 하나의 단일 발광 면적에 할당될 수 있다.
또한, 위치 검출 시스템은 알려진 방식으로 관찰자 눈의 공간 위치의 변화를 검출한다. 관찰자 눈의 위치가 변한 경우, 조명 수단의 활성화 조명 라인을 바꿈으로써 관찰자 윈도우가 추적된다.
관찰자 눈의 축(axial) 위치, 즉 디스플레이에 대한 그들 간격이 변한 경우, 발광 수단과 광학 포커싱 수단 사이의 간격 또는 광학 포커싱 수단의 초점 거리가 적응될 수 있다. 또한 이들 수단의 조합이 가능하다.
포커싱 수단의 초점 거리를 적응시키기 위한 다양한 수단들이 존재한다. 알려진 액상 렌즈는 변형가능한 멤브레인 하의 전기 습윤 또는 가변 액상 부피를 사용하여 곡률반경을 조정하고 그에 따라 렌즈의 초점 거리를 조정한다. 이 원리는 또한 렌즈 어레이 및 렌티큘러(lenticular)에도 적용될 수 있다. 또한 렌즈 매체의 굴절률 또는 주위 호스트 매체의 굴절률을 조정함으로써 초점 거리를 변경하는 것이 가능하다. 이는 굴절률이 전기장의 인가에 의해 제어될 수 있는 액정 재료를 이용하여 달성될 수 있다.
광 어레이에 대한 마지막 실시예는 조명 유닛의 각각의 포커싱 요소에 대하여 개별적으로 활성화될 수 있는 다수의 점광원 또는 선광원의 할당을 허용한다. 이러한 어레이는 백라이트 수단으로 조명되는 셔터 매트릭스와 같이 관찰자 눈을 추적하는 데 사용될 수 있다. 전술한 위치 검출 시스템은 각각의 포커싱 요소에 대하여 현재 눈 위치에 대응하는 점광원 또는 선광원을 활성화하고, 따라서 눈 위치의 변화에 따라 관찰자 윈도우를 추적한다.
이제 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 방법 및 장치를 보다 상세하게 설명할 것이다.
본 발명의 원리는 단색광에 의한 홀로그래픽 재구성에 기초하여 설명될 것이다. 그러나, 당해 기술 분야에 숙련된 자에게는 본 발명이 컬러 홀로그래픽 재구성에도 적용될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 후자의 경우, 예를 들어, 픽셀 컬럼으로 배열된 RGB 서브픽셀을 포함하는 각각의 셀은 삼차원 장면의 컬러 표현을 위해 필요한 원색부를 개별적으로 재구성할 것이고, 상기 컬러부는 뷰어가 컬러 재구성을 보도록 중첩될 것이다.
도 1은 하나의 조명 유닛의 빔에 의해 삼차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치를 측면도로 도시한다.
도 2는 세 개의 조명 유닛의 하나의 회절 차수에 의해 삼차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치를 측면도로 도시한다.
도 3은 인접한 조명 유닛들의 하나의 회절차수의 빔에 의해 삼차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치를 측면도로 도시한다.
도 4는 재구성의 상이한 물체점 및 그의 제한된 인코딩 면적을 갖는 장치의 상세도를 도시한다.
이들 도면은 홀로그래픽 디스플레이의 상세를 개략적으로 도시한다.
기술되는 실시예에서, 비디오 홀로그램은 투과성 광 공간 변조기(SLM)에 인코딩된다. 그러나, 반투과성(transflective) 및 반사성 광 변조기(SLM)가 또한 사용될 수 있는데, 바람직하게는 프레데릭츠 셀과 같이 광파의 위상을 직접 변조하는 것들이 사용될 수 있다.
또한, 이해를 돕기 위해, 기술된 실시예는 홀로그래픽 및 자동 입체 디스플레이의 조합에 의해 삼차원 장면을 재구성하기 위한 하나의 시차 인코딩 홀로그램의 사용을 설명한다. 재구성의 공간다중화를 사용한 이러한 특정 실시예는 본 출원인의 특허 출원 WO2006/027228(US2006/050340)에 제안된다. 이는 선광원, 렌티큘러 및 종래의 자동 입체 이미지 분리를 위한 부가적인 광학 요소의 조합을 허용한다. 두 개의 공간다중화 시차 홀로그램의 분리에 필요한 이미지 분리 수단은 본 발명의 목적이 아니다. 다중 시차 홀로그램에 대한 다양한 방법이 대안으로 사용될 수 있기 때문에(예를 들어 시간다중화), 이미지 분리 수단은 도면에 도시되지 않는다. 시간다중화 재구성을 사용한 실시예는 본 출원인의 특허 출원 WO 2004/044659 (US2006/055994)에 제안된다.
수직 방향으로의 파의 간섭성 중첩에 의한 비디오 홀로그램은 수평 방향의 자동 입체 이미지 분리에 의해 영향받지 않으며, 또한 반대로도 마찬가지다. 수직 방향의 홀로그래픽 재구성은 눈 초점조절(eye accommodation)을 충족시킨다. 자동 입체 이미지 분리는 공간다중화와 함께, 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 대한 상이한 원근도를 생성한다.
그러나, 본 발명은 또한 완전시차 비디오 홀로그램을 재구성하는 장치에 사용될 수도 있다. 이 장치는 할당된 회전 대칭 렌즈의 어레이를 조합하여, 소스 매트릭스로 배열된 여러 개의 점 소스를 포함하는 조명 유닛을 사용한다.
모든 조명 유닛이 각각의 점 선 소스와 그 할당된 렌티셀 사이에 개별적인 캡슐화를 필요로 하지 않는다는 것이 본 발명의 이점이다. 인접한 조명 유닛의 광은 렌즈 어레이 상의 작은 부분에 오버랩될 수도 있다.
도 1은 어레이 내 수평으로 배열된 원통형 렌즈의 형태로 수직 포커싱 수단(2)의 세 개의 포커싱 요소(21, 22, 23)를 도시하는 측면도이다. 조명 유닛의 포커싱 요소(22)를 통하여 통과하고 관찰자 플레인(OP)으로 진행하는 수평 선광원(LS2)의 거의 시준된 광이 예시된다.
본 발명에 따르면, 다수의 선광원(LS1, LS2, LS3)은 첩첩이 배열된다. 각각의 광원은 수직 방향으로 충분히 간섭성이고 수평 방향으로는 비간섭성인 광을 방출한다. 이 광은 광 변조기(SLM)의 투과성 셀을 통하여 통과한다. 광은 홀로그램에 의해 인코딩된 광 변조기의 셀에 의해 수직 방향으로만 회절된다. 포커싱 요소(22)는 광원(LS2)을 여러 개의 회절 차수로(이 중 하나만 유용함) 관찰자 플레인(OP)에 이미징(image)한다. 광원(LS2)에 의해 방출된 광은 포커싱 수단(2)의 포커싱 요소(22)를 통해서만 통과하도록 예시된다. 도 1에서, 세 개의 빔은 1차 회절 차수(4), 0차 회절 차수(5) 및 -1차 회절 차수(6)를 도시한다.
단일 점 광원에 대조하여, 선광원은 상당히 높은 발광 강도의 생성을 허용한다. 이미 증가된 효율성과 함께, 재구성될 삼차원 장면의 각각의 부분에 대해 하나의 선광원의 할당에 의해 여러 개의 홀로그래픽 영역을 사용하는 것은 유효 발광 강도를 향상시킨다. 또 다른 이점은, 레이저 대신에, 예를 들어 셔터의 일부일수도 있는 슬롯 조리개 뒤에 위치되는 다수의 종래 광원이 충분한 간섭성 광을 생성한다는 것이다.
도 2는 수평으로 배열된 선광원(LS1-LS3)과, 여기서는 1차 회절 차수(4)에 대해 거의 시준된 빔을 생성하도록 원통형 렌즈(21-23)를 포함하는 포커싱 수단(2)을 갖는 동일한 장치를 도시하는 측면도이다. 각각의 거의 시준된 빔은 광 변조기(SLM) 표면의 할당된 조명 영역(R1, R2 또는 R3)을 조명한다. 각각의 조명 영역(R1 내지 R3)의 연장범위는 백색 화살표로 도시된다. 모든 거의 시준된 빔은 관찰자 플레인(OP)에서 일치하여 관찰자의 눈의 쌍에 대하여 적어도 하나의 가상 관찰자 윈도우(OWL 또는 OWR)를 형성한다. 도 2에 도시된 측면도에서 후방에 서로 놓여있는 관찰자 윈도우(OWL, OWR)는 예를 들어 1차 회절 차수(4)에 위치되고, 그 주기성 간격의 일부에 걸쳐 연장한다.
광원(LS1-LS3)은 원통형 렌즈(21-23)의 후방 초점 거리에 가까이 배치된다. 이 예에서 도시된 1차 회절 차수 대신에, 사용되는 광 변조기(SLM)의 인코딩 모드에 따라 다른 회절 차수가 재구성에 사용될 수 있다. 예를 들어, 위상 변조 광 변 조기(SLM)가 사용되는 경우, 0차 회절 차수를 사용하는 것이 가능하다. 이는 보다 높은 휘도를 제공한다.
상기 언급한 바와 같이, 이 실시예는 일-시차 홀로그램에 의해 인코딩된 광 변조기를 사용한다. 이는 시차 정보를 갖는 삼차원 장면의 재구성에 대하여, 광 변조기는 두 개의 홀로그램으로 인코딩되어야 하고 디스플레이는 추가적인 자동 입체 분리 수단에 의해 분리되는 두 개의 가상 관찰자 윈도우(OWL 및 OWR)를 제공하여야 함을 의미한다. 이들 수단은 본 발명의 목적이 아니다.
선광원(LS1-LS3) 및 원통형 렌즈(21-23)는 렌즈가 광원(LS1-LS3)의 광을 관찰자 윈도우(OWL, OWR)로 투영하도록 서로에 대하여 배열되고, 이에 의해 왼쪽 및 오른쪽 재구성 모두는, 도시되지 않았지만 이 측면도에서 후방에 서로 배치될 분리 수단에 의해, 왼쪽 눈 및 오른쪽 눈에 대하여 각각 분리된다. 광 변조기(SLM)에 의해 회절되는 조명 유닛의 모든 빔은 하나의 회절 차수, 예를 들어 1차 회절 차수에 일치한다. 또 다른 실시예에서, 장치의 다른 조명 유닛에 의해 방출되는 광의 다른 회절 차수가 관찰자 윈도우에 일치할 수 있다.
도 3은 각각 선광원(LS1-LS4)을 포함하는 조명 유닛을 도시하는 장치의 측면도이다. 렌즈(21-24)는, 도시되지는 않은 부가적인 조명 유닛의 원통형 렌즈와 함께 렌티큘러를 형성한다. 수평 정렬된 원통형 렌즈(21-24)의 각각은 수직 방향으로 대응하는 선광원(LS1-LS4)의 광을 포커싱하여, 그 결과 수직 방향으로만 시차 정보 를 포함하는 홀로그램이 된다. 이 도면에서, 장면의 재구성(12)은 삼차원 모드를 위한 시차 정보를 제공하는 두 개의 관찰자 윈도우(OWL, OWR)를 통하여 가시 가능하다.
조명 유닛은 빔을 제공하는데, 각각의 빔은 광 변조기(SLM)에 인코딩된 비디오 홀로그램의 그들 자신의 조명 영역을 조명한다. 따라서, 이들 모든 빔은 인코딩된 비디오 홀로그램을 조명 영역(R1-R4)으로 나눈다.
도 3을 참조하여, 조명 영역(R4)은 재구성(12)의 대응하는 부분을 재구성한다. 빔이 일치하는 위치에서, 재구성(12)은 많은 방식으로 달성될 수 있다. 삼차원장면은 조명 영역(R2, R3 또는 R4)의 하나로부터 구성되거나, 또는 양자의 부분에 의해 공동으로 재구성된다. 그러나, 관찰자에 의해 인지되는 감각의 차이는 없다. 도시된 바와 같이, 장치의 모든 조명 유닛은 동일한 구조와 치수를 갖고, 따라서 유사한 특성을 나타내며, 광원(LS1-LS4)의 위치만 개별적으로 관찰자의 눈 위치에 따라 적응된다. 이 장치는 매우 용이하게 제조될 수 있다.
도 4는 본 발명의 기능을 보다 상세하게 도시한다. 종래의 홀로그래픽 디스플레이와 대조하여, 본 발명에 따르면 삼차원 장면의 제1 물체점(P1)은 광 변조기(SLM)의 제한 영역(A1) 내측에 배열된 셀로만 인코딩된다. 또한, 도 4는 추적된 가상 관찰자 윈도우(OWL 또는 OWR)에 대하여 상이한 간격 및 위치에 위치된 물체점(P2 및 P3)을 도시한다. 각각의 물체점(P1-P3)의 위치는 광 변조기 표면 상의 위치를 정의하고, 그 간격은 광 변조기(SLM) 상의 대응하는 제한 면적(A1, A2 또는 A3)의 연장범위를 정의한다. 이는 각각의 물체점(P1, P2 및 P3)이 대응하는 제한 영역(A1-A3)의 상이한 연장범위 및 위치를 갖는다는 것을 의미한다. 본 발명에 따르면, 모든 물체점(P1-Pn)의 제한 영역(A1-An)은 조명 영역(R1-Rm)의 수 m에 의해 재구성되어야 한다. 대부분의 경우, 조명 영역의 수 m은 물체점의 수 n보다 매우 작다.
영역 A1은 매우 작고, 광원(LS3)과 렌즈(23)에 의해 구성되며 조명 영역(R3)을 제공하는 제1 조명 유닛을 통하여 물체점(P1)을 재구성한다. 이에 대조하여, 영역 A2는 큰 연장범위를 갖고, 양자의 조명 영역(R2 및 R3)이 독립적으로 물체점(P2)의 재구성에 기여하도록 두 개의 조명 영역(R2 및 R3)에 위치된다. 영역 A3은 또한 매우 작고, 광원(LS2)과 렌즈(22)에 의해서 구성되는 제2 조명 유닛만 통하여 물체점(P3)을 재구성한다.
본 발명의 일 실시예에서, 개별 조명 유닛의 발광 강도는 대응하는 조명 영역(R1-R4)의 각각의 인코딩된 값의 특정 특성에 따라 상이할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 광원 및 렌즈의 여러 가지 바람직한 조합을 허용한다.
점 소스의 이차원 조명 어레이 및 회전 대칭 렌즈의 이차원 포커싱 어레이는 대형 완전시차 홀로그램을 위해 바람직하다. 각각의 점 소스는 하나의 렌즈에 대응한다. 각각의 광원은 많은 광원에 대한 총 광속의 필요한 양의 분할(split)을 용이하게 하는, 렌즈 어레이의 단일 렌즈만 조명하여야 한다. 이는 각각의 광원의 강도 에 대한 요건을 경감한다. 또한 렌즈 어레이는 제작하는 것이 더 용이해지며, 동일한 초점 거리를 갖는 단일 대형 렌즈보다 부피가 덜 커지게 된다.
수직 정렬된 선 소스의 조명 어레이와 수직 정렬된 원통형 렌즈의 포커싱 어레이는 수평시차단독 홀로그램에 사용된다. 수직 정렬된 원통형 렌즈는 수평 방향으로 광을 포커싱한다. 수직 방향으로는 움직임 시차가 없다. 각각의 선 소스는 하나의 렌티셀에 대응한다.
점 소스의 이차원 조명 어레이 및 렌즈의 이차원 포커싱 어레이에 비교하여, 렌티큘러가 구형 렌즈의 이차원 어레이보다 제작하는 것이 더 용이하다는 이점이 있다. 또한, 선광원의 강도에 대한 요건이 점 소스에 대한 것보다 더 낮으며, 광속은 라인 상에 분산되어 소형 스폿에 집중되지 않는다.
수평 정렬된 선광원의 배열과 수평 정렬된 원통형 렌즈의 어레이는 설명된 수직시차단독 홀로그램에 사용된다.
상기 설명된 바와 같이, 광원과 렌티큘러의 이러한 조합은 종래의 자동 입체 이미지 분리를 위한 광학 요소와 더 조합될 수 있다. 수직 방향으로의 파의 간섭성 중첩에 의한 수직시차 홀로그램은 수평 방향의 자동 입체 이미지 분리에 의해 영향받지 않으며, 그 반대도 마찬가지다. 그 결과 홀로그래픽 및 자동 입체 디스플레이의 조합이 된다. 수직 방향의 홀로그래픽 재구성은 눈 초점조절을 충족시킨다. 자동 입체 이미지 분리는 공간다중화와 함께 관찰자의 눈에 대한 상이한 원근도를 생성한다.
컬러 홀로그램은 시간 또는 공간다중화에 의해 생성될 수 있다. 시간다중화 에 대하여, R, G 및 B 광원은 SLM 상의 대응하는 홀로그램 콘텐트에 의해 동시에 전환된다. 공간다중화에 대하여, 세 개의 R, G 및 B 홀로그램은 공간 간섭성 백색 광원 또는 개별적인 R, G 및 B 소스에 의해 조명되어, 인터레이스된(interlaced) R, G 및 B 픽셀 상에 디스플레이된다.
컬러 인코딩에 대한 실시예에서, 세 개의 주요 컬러에 대한 대안의 RGB 서브픽셀은 세 개의 대응하는 부분 홀로그램으로부터 삼차원 장면의 세 개의 개별적인 주요 컬러부를 재구성한다. 삼차원 장면의 주요 컬러부는 뷰어를 위한 컬러 재구성을 형성하기 위해 일치한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 렌즈 어레이를 조명하는 광원 어레이는 광 투영 장치에 의해 생성된다. 이러한 광 투영 장치는 바람직하게 광원 어레이를 재구성하는 공간 광 변조기 상에 인코딩된 컴퓨터 생성 홀로그램에 의해 실현된다.
부록 Ⅰ
기술 입문
다음 부분은 본 발명을 구현하는 시스템의 일부에 사용되는 여러 가지 주요 기술에 대한 입문을 뜻한다.
종래의 홀로그래피에서, 관찰자는 (변하는 장면일 수 있는) 물체의 홀로그래픽 재구성을 볼 수 있지만, 홀로그램으로부터의 그의 간격은 관련되지 않는다. 재구성은 하나의 통상적인 광학 배열에서, 홀로그램을 조명하는 광원의 이미지 플레인에 또는 그 가까이에 있고, 따라서 홀로그램의 퓨리에 플레인(Fourier plane)에 존재한다. 따라서, 재구성은 재구성되는 실세계 물체의 동일한 원거리(far-filed) 광 분배를 갖는다.
WO 2004/044659 및 US 2006/0055994에 본 출원인에 의해 기재된 하나의 앞선 시스템은 재구성된 물체가 홀로그램을 조명하는 광원의 퓨리에 플레이에 또는 그 가까이에 있는 것이 전혀 아닌 매우 상이한 배열을 정의한다. 대신에, 가상 관찰자 윈도우 존이 홀로그램의 퓨리에 플레인에 있고, 관찰자는 그 위치에 자신의 눈을 위치시킨 다음에야 올바른 재구성을 볼 수 있다. 홀로그램은 LCD 또는 기타 종류의 공간 광 변조기에 인코딩되고, 뷰잉 윈도우가 홀로그램의 퓨리에 변환이 되도록(따라서 눈에 직접 이미징되는 퓨리에 변환임) 조명되고, 그 다음 재구성된 물체는 렌즈의 포커스 플레인에 없으므로 홀로그램의 프레넬 변환이다. 이는 대신에 (원거리 분배의 평면 파면에 대조적으로, 구형 파면을 사용하여 모델링된) 근거리(near-field) 광 분배에 의해 정의된다. 이 재구성은 홀로그램의 퓨리에 플레인의 뷰잉 윈도우와 LCD 사이에, 또는 가상 물체로서 LCD 뒤에, 어디에서든 보일 수 있다.
이 접근에 대한 여러 가지 결론이 있다. 첫째로, 홀로그래픽 비디오 시스템의 설계자에게 면하는 기본적인 한계는 광 변조기의 픽셀 피치이다(LCD). 목적은 적당한 비용으로 상업적으로 이용가능한 픽셀 피치를 갖는 LCD를 사용하여 대형 홀로그래픽 재구성을 가능하게 하는 것이다. 그러나, 과거에는 이는 다음 이유로 인해 불가능하였다. 퓨리에 플레인에서의 인접한 회절 차수 사이의 주기성 간격이 λD/p로 주어지고, 여기서 λ는 조명 광의 파장이고, D는 홀로그램으로부터 퓨리에 플레이까지의 간격이고, p는 LCD의 픽셀 피치이다. 그러나 종래의 홀로그래픽 디스 플레이에서는, 재구성된 물체가 퓨리에 플레인에 있다. 따라서, 재구성된 물체는 주기성 간격보다 더 작게 유지되어야 하고, 만약 더 큰 경우에는 그 가장자리가 인접한 회절 차수로부터의 재구성으로 번지게 될 것이다. 이로 인해 통상적으로는 단지 몇 cm에 걸치는, 값이 비싸고 특수화된 소형 피치 디스플레이를 갖는 매우 작은 재구성된 물체에 이르게 된다. 그러나 본 발명의 접근에 의해, (상기 언급한 바와 같이, 조명하는 광원의 퓨리에 플레인에 있도록 위치된) 뷰잉 윈도우가 눈 동공만큼만 클 것을 요구한다. 결과적으로, 보통의 피치 크기를 갖는 LCD까지 사용될 수 있다. 그리고 재구성된 물체는 뷰잉 윈도우와 홀로그램 사이의 절두체를 완전히 채울 수 있기 때문에, 대단히 매우 클 수 있으며, 즉 주기성 간격보다 훨씬 크다.
하나의 변형 시스템에서는 또 다른 이점도 전개된다. 홀로그램을 연산할 때, 재구성된 물체의 알려진 것들로 시작하는데, 예를 들어, 레이싱 카의 삼차원 이미지 파일을 가질 수 있다. 그 파일은 물체가 다수의 상이한 뷰잉 위치로부터 어떻게 보여져야 하는지에 대해 기술할 것이다. 종래의 홀로그래피에서는, 레이싱 카의 재구성을 생성하기 위해 필요한 홀로그램은 연산 집중 프로세스로 삼차원 이미지 파일로부터 직접 유도된다. 그러나, 뷰잉 윈도우 접근은 상이하고 보다 연산 효율적인 기술을 가능하게 한다. 재구성된 물체의 하나의 플레인으로 시작하여, 이것이 물체의 프레넬 변환일 때 뷰잉 윈도우를 연산할 수 있다. 그 다음 모든 물체 플레인에 대해 이를 수행하고, 그 결과를 합하여 누적 프레넬 변환을 생성하며, 이는 뷰잉 윈도우에 걸쳐 파장(wave field)을 정의한다. 그 다음 이 뷰잉 윈도우의 퓨리에 변환으로서 홀로그램을 연산한다. 뷰잉 윈도우는 물체의 모든 정보를 포함하기 때문에, 단일 플레인 뷰잉 윈도우만 홀로그램으로 변환되어야 하고 다중 플레인 물체는 아니다. 이는 특히, 뷰잉 윈도우로부터 홀로그램으로의 단일 변환 단계가 아니라 반복적인 퓨리에 변환 알고리즘과 같은 반복 변환인 경우 유리하다. 각각의 반복 단계는 각각의 물체 플레인에 대한 변환 대신 뷰잉 윈도우의 단일 퓨리에 변환만 포함하여, 결과적으로 연산 노력을 현저하게 감소시킨다.
뷰잉 윈도우 접근의 또 다른 관심있는 결과로는 주어진 물체점을 재구성하는 데 필요한 모든 정보가 홀로그램의 비교적 작은 구역 내에 포함된다는 것으로, 이는 주어진 물체점을 재구성하기 위한 정보가 전체 홀로그램에 걸쳐 분배되는 종래의 홀로그램과 대조적이다. 정보를 홀로그램의 상당히 더 작은 구역으로 인코딩해야 하기 때문에, 이는 처리 및 인코딩해야 할 정보량이 종래의 홀로그램보다 훨씬 낮다는 것을 의미한다. 이는 이어서 종래의 연산 장치(예를 들어, 대량 판매 장치에 적당한 비용 및 성능을 갖는 종래의 DSP)가 실시간 비디오 홀로그래피를 위해서까지 사용될 수 있는 것을 의미한다.
그러나 바람직한 결과에 미치지 못하는 것들이 있다. 첫째로, 홀로그램으로부터의 뷰잉 간격이 중요한데, 눈이 홀로그램의 퓨리에 플레인에 위치될 때에만 올바른 재구성을 볼 수 있는 방식으로 홀로그램이 인코딩 및 조명되는 반면, 정상적인 홀로그램에서는 뷰잉 간격이 중요하지 않다. 그러나 이 Z 감도를 감소시키거나 그에 관해 설계하기 위한 다양한 기술이 존재한다.
또한, 홀로그램은 올바른 홀로그래픽 재구성을 정확하고 작은 뷰잉 위치로부터만 볼 수 있는 방식으로 인코딩 및 조명되기 때문에(즉, X 및 Y 좌표 뿐만 아니 라, 상기 언급한 바와 같이, Z가 정확하게 정의됨), 눈 추적이 필요할 수 있다. Z 감도를 이용하여, X, Y 감도를 감소시키거나, 그에 관해 설계하기 위한 다양한 기술이 존재한다. 예를 들어, 픽셀 피치가 감소함에 따라(LCD 제조 발전에 따라 그러할 것임), 뷰잉 윈도우 크기는 증가할 것이다. 또한, (키노폼 인코딩과 같은) 보다 효율적인 인코딩 기술은 뷰잉 윈도우로서 더 큰 부분의 주기성 간격의 사용을 용이하게 하고, 그에 따라 뷰잉 윈도우의 증가를 용이하게 한다.
상기 설명은 퓨리에 홀로그램을 다루고 있는 것으로 가정하였다. 뷰잉 윈도우는 홀로그램의 퓨리에 플레인, 즉 광원의 이미지 플레인에 있다. 이점으로서, 비회절 광은 소위 DC-스폿으로 포커싱된다. 뷰잉 윈도우가 광원의 이미지 플레인에 있는 것이 아닌 경우 또한 본 기술이 프레넬 홀로그램에 사용될 수 있다. 그러나, 비회절 광이 방해가 되는 배경으로서 보이지 않는다는 것에 주의해야 한다. 주목해야할 또 다른 점은 용어 "변환"은 광의 전파를 기술하는 변환과 동등하거나 근사한 임의의 수학적 또는 연산적 기술을 포함하는 것으로 해석되어야 한다는 것이다. 변환은 단지 멕스웰 파 전파 식에 의해 보다 정확하게 정의된 물리적 프로세스에 대한 근사화이고, 프레넬 및 퓨리에 변환은 이차 차수 근사화이지만, (a) 그들은 미분에 대조하여 대수적(algebraic)이기 때문에, 연산 효율적인 방식으로 처리될 수 있고, (ii) 광학 시스템에서 정확하게 구현될 수 있다는 이점을 갖는다.
부록 Ⅱ
본 명세서에서 사용된 용어 사전
컴퓨터 생성 홀로그램( Computer Generated Hologram )
본 발명에 따른 컴퓨터 생성 비디오 홀로그램(CGH)은 장면으로부터 계산된 홀로그램이다. CGH는 장면을 재구성하는 데 필요한 광파의 진폭 및 위상을 나타내는 복소수값의 수를 포함할 수 있다. CGH는 예를 들어 간섭성 광선 추적에 의해, 장면과 기준파 사이의 간섭의 시뮬레이션에 의해, 또는 퓨리에 또는 프레넬 변환에 의해 계산될 수 있다.
인코딩( Encoding )
인코딩은 공간 광 변조기(예를 들어, 그의 구성 셀)에 비디오 홀로그램의 제어값이 공급되는 절차이다. 일반적으로, 홀로그램은 진폭 및 위상을 나타내는 복소수값의 수로 구성된다. 보통, SLM은 광파의 진폭 및 위상을 개별적으로 제어할 수 없다. SLM은 진폭 변조 또는 위상 변조 중 하나이며, 종종 다른 특성에 영향을 미치기도 하는 바람직하지 못한 부작용을 나타낸다. 따라서, 인코딩은 변조 유형에 따라 좌우된다. 예를 들어, 순수한 진폭 변조 SLM에 대하여, 세 개의 인접한 SLM 셀 및 우회(detour) 위상이 하나의 복소수를 세 개의 양의 실수로 나타내도록 사용되는 부르크하르트(Burckhardt) 인코딩이 사용될 수 있다. 순수 위상 변조 SLM에 대하여, 하나의 복소수를 두 개의 인접한 셀로 나타낼 수도 있다.
인코딩 면적( Encoded Area )
인코딩 면적은 통상적으로 단일 장면 점의 홀로그램 정보가 인코딩되는 부분인, 비디오 홀로그램의 공간 한정된 면적이다. 공간 한정은 갑작스러운 절단에 의해 실현되거나, 또는 관찰자 윈도우의 비디오 홀로그램으로의 퓨리에 변환에 의해 달성되는 매끄러운 변화에 의해 실현될 수 있다.
퓨리에 변환( Fourier Transform )
퓨리에 변환은 공간 광 변조기의 원거리에서 광의 전파를 계산하는 데 사용된다. 파면은 플레인 파로 기술된다.
퓨리에 플레인( Fourier Plane )
퓨리에 플레인은 공간 광 변조기에서 광 분배의 퓨리에 변환을 포함한다. 어떠한 포커싱 렌즈도 없이 퓨리에 플레인은 무한이다. 퓨리에 플레인은 포커싱 렌즈가 공간 광 변조기에 근접한 광 경로에 있는 경우 광원의 이미지를 포함하는 플레인과 같다.
프레넬 변환( Fresnel Transform )
프레넬 변환은 공간 광 변조기의 근거리에서 광의 전파를 계산하는 데 사용된다. 파면은 구면파로 기술된다. 광파의 위상 팩터는 측방 좌표에 2차로(quadratically) 의존하는 항목을 포함한다.
절두체( Frustrum )
가상 절두체는 관찰자 윈도우와 SLM 사이에 구성되고 SLM 뒤로 연장된다. 장면은 이 절두체 내측으로 재구성된다. 재구성된 장면의 크기는 이 절두체에 의해 한정되고 SLM의 주기성 간격에 의해 한정되는 것은 아니다.
발광 수단( Light Means )
발광 수단은 레이저와 같은 간섭성 광원 또는 LED와 같은 부분 간섭성 광원으로 구성될 수 있다. 부분 간섭성 광원의 시간 및 공간 간섭성은 양호한 장면 재 구성을 용이하게 하기에 충분하여야 하고, 즉 방출 표면의 스펙트럼선 너비 및 측방 연장범위는 충분히 작아야 한다.
관찰자 윈도우( Observer Window : OW )
관찰자 윈도우는 이를 통하여 재구성된 삼차원 물체를 볼 수 있는 관찰자 플레인의 가상 윈도우이다. 관찰자 윈도우는 홀로그램의 퓨리에 변환이고, 다수의 물체 재구성이 보이는 것을 피하기 위해 하나의 주기성 간격 내에 위치된다. OW의 크기는 적어도 눈 동공의 크기이어야 한다. OW는 적어도 하나의 OW가 관찰자 추적 시스템에 의해 관찰자의 눈에 위치되는 경우 관찰자 움직임의 측방 범위보다 훨씬 작을 수 있다. 이는 적당한 해상도와 그에 따라 작은 주기성 간격을 갖는 SLM의 사용을 용이하게 한다. OW는 각각의 눈에 대한 하나의 OW 또는 양자의 눈에 대한 하나의 OW로, 이를 통하여 재구성된 삼차원 물체를 볼 수 있는 키홀로서 이미징될 수 있다.
주기성 간격( Periodicity Interval )
CGH는 개별적으로 어드레스 가능한 셀로 구성된 SLM 상에 디스플레이되면 샘플링된다. 이 샘플링은 회절 패턴의 주기적 반복을 야기한다. 주기적 간격은 λD/p이고, 여기서 λ은 파장이고, D는 홀로그램으로부터 퓨리에 플레인까지의 간격이고, p는 SLM 셀의 피치이다.
재구성( Reconstruction )
홀로그램에 의해 인코딩된 조명 공간 광 변조기는 원래의 광 분배를 재구성한다. 이 광 분배는 홀로그램을 계산하는 데 사용된다. 이상적으로, 관찰자는 재구 성된 광 분배를 원래의 광 분배와 구분할 수 없을 것이다. 대부분의 홀로그래픽 디스플레이에서, 장면의 광 분배는 재구성된다. 본 디스플레이에서, 오히려 관찰자 윈도우에서의 광 분배가 재구성된다.
장면( Scene )
재구성될 장면은 실제 또는 컴퓨터 생성 삼차원 광 분배이다. 특수한 경우로서, 이는 또한 이차원 광 분배일 수도 있다. 장면은 공간에 배열된 상이한 고정 물체 또는 움직이는 물체를 구성할 수 있다.
공간 광 변조기( Spatial Light Modulator ; SLM )
SLM은 인입 광의 파면을 변조하는 데 사용된다. 이상적인 SLM은, 즉 광파의 진폭 및 위상을 개별적으로 제어하는, 임의의 복소수 값의 수를 나타낼 수 있을 것이다. 그러나, 통상적인 SLM은 진폭 또는 위상의 단 하나의 특성만 제어하며, 종종 다른 특성에 영향을 미치기도 하는 바람직하지 못한 부작용을 나타낸다.

Claims (19)

  1. 비디오 홀로그램에 의해 삼차원 장면을 재구성하는 장치에 있어서,
    홀로그래픽 정보에 의해 인코딩된 공간 광 변조기를 통하여 발광 수단으로부터 적어도 하나의 관찰자의 눈으로 간섭성 광(coherent light)을 보내는 광학 포커싱 수단을 포함하고,
    상기 장치는 공간 광 변조기(SLM)의 표면을 조명하는 복수의 조명 유닛을 가지며, 각각의 유닛은 포커싱 요소(21/22/23 또는 24)와, 이들 조명 유닛 각각이 상기 표면의 하나의 개별 조명 영역(R1/R2/R3 또는 R4)을 조명하도록 간섭성 광을 방출하는 발광 수단(LS1/LS2/LS3 또는 LS4)을 포함하고, 이에 의해 상기 포커싱 요소 및 상기 발광 수단은 상기 발광 수단(LS1-LS4)에 의해 방출된 광이 상기 관찰자 눈에서 또는 눈 가까이에서 일치하도록(coincide) 배열되는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    발광 강도를 증가시키기 위해 상기 공간 광 변조기 표면의 동시 조명을 위한 상호 비간섭성인 다수의 발광 수단(LS1-LS4)을 갖는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    연산 수단은 모든 조명 영역(R1-R4)이 동일한 비디오 홀로그램을 사용하여 삼차원 장면을 동시에 재구성하도록, 상기 조명 영역들(R1-R4) 사이의 경계에 관계없이 상기 공간 광 변조기(SLM)를 인코딩하는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 조명 영역(R1-R4)은 상이한 강도로 조명되는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 공간 광 변조기(SLM)는 비디오 홀로그램에 대응하는 홀로그램 값으로 인코딩된 전자적 제어가능한 셀을 포함하고, 상기 조명 유닛은 상기 포커싱 수단의 적어도 하나의 포커스 플레인에서 상기 공간 광 변조기(SLM)의 퓨리에 변환의 하나의 주기성 간격 내에 일치하는 광선 다발을 방출하는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 포커싱 요소(21-24)는 모든 이미지가 일치하도록 상기 발광 수단(LS1-LS4)으로 포커스 플레인 상에 이미징하는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 포커싱 요소(21-24)는 렌즈인 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 포커싱 요소(21-24)는 렌티큘러(lenticular)로서 배열된 원통형 렌즈이고, 상기 발광 수단(LS1-LS4)은 선광원인 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 선광원은 슬롯 조리개(slot diaphragm)에 의해 형성되는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 수단은 개별적으로 어드레스되고 활성화될 수 있는 제어가능 및 어드레스가능한 광원으로 이루어진 어레이로 배열되고, 상기 장치는 관찰자의 눈 위치에 따라 보낸 광의 추적을 위해, 계산된 위치 데이터에 따라 어드레스된 광원을 계산 및 활성화하는 위치 검출 및 제어 시스템을 포함하는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 위치 검출 시스템은 관찰자의 눈 위치의 측방 변화에 따라 상기 어레이의 활성화된 소스를 변위시키는(displace) 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 위치 검출 및 제어 시스템은 관찰자와 장치 사이의 간격 변화에 따라 상기 어레이의 활성화된 소스들 사이의 간격을 조정하는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 발광 수단과 상기 광학 포커싱 수단 사이의 간격은 조정가능한 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 광학 포커싱 수단의 초점 거리는 조정가능한 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  15. 청구항 10에 있어서,
    전자적 제어가능한 광 투영 장치가 광 배열을 실현하거나, 또는 전자적 제어가능한 광 투영 장치가 광 배열을 실현하되 상기 광 투영 장치는 컴퓨터 생성 홀로그램에 의해 인코딩된 추가적인 공간 광 변조기인 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  16. 청구항 10에 있어서,
    각각의 조명 유닛 내 상기 발광 수단은 개별적으로 활성화되는 점광원의 어레이인 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  17. 청구항 10에 있어서,
    각각의 조명 유닛 내 상기 발광 수단은 개별적으로 활성화되는 점광원의 라인 어레이인 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  18. 청구항 10에 있어서,
    단일 광 배열은 장치의 모든 조명 유닛에 대하여 간섭성 광을 방출하는 발광 수단(LS1-LS4)을 제공하고, 이에 의해 조명 유닛 내 각각의 포커싱 요소가 개별적으로 활성화되는 다수의 점광원 또는 선광원에 할당되고, 상기 위치 검출 및 제어 시스템은 각각의 포커싱 요소에 대하여 관찰자 눈의 현재 위치에 대응하는 하나의 점광원 또는 선광원을 활성화하는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
  19. 청구항 5에 있어서,
    상기 포커싱 수단 내 상기 포커싱 요소의 연장범위는, 인접한 포커싱 요소를 통한 발광 수단의 모든 광이 상기 공간 광 변조기(SLM)의 퓨리에 변환의 주기성 간격을 벗어나도록 보내질 방식으로 선택되는 것인, 비디오 홀로그램에 의한 삼차원 장면 재구성 장치.
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