KR101328970B1 - 영상 형성 방법 및 영상 투사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영상 형성 방법 및 영상 투사 장치에 관한 것이다. 영상 형성 방법은 재생 필드(replay field)에 영상을 생성하는 위상변이(phase-shift)들을 각각 입사파면(incient wavefront)의 서로 다른 영역에 부여하기 위한 장치를 제공하는 단계와 영차 광(zero-order light)이 상기 재생 필드와 장치 사이의 영역에 모이도록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020087028473
영상투사(image projection), 공간 광변조기(spatial light modulator, SML), 위상변이(phase-shift)

Description

영상 형성 방법 및 영상 투사 장치{METHOD OF FORMING AN IMAGE AND IMAGE PROJECTION DEVICE}
본 발명은 회절(diffraction)에 의한 영상을 형성하기 위해 각각의 위상변이(phase shifts)를 나타내는 장치의 재생필드(replay field)로부터 영차 광(zero-order light)을 차단하는 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 회절기법을 이용한 영상 투사 방법에 관한 것이다.
파형 재생 장치(kinoform) 및 동적 파형 재생 장치를 시뮬레이션하는 공간 광변조기(spatial light modulator, SLM)를 통과하는 광을 이용한 영상투사 기법이 여러가지 이유로 관심의 대상이 되고 있다. 이러한 영상기법의 장점들 중 하나는 키노폼에 조사되는 대다수의 광이 재생 필드로의 경로를 찾을 수 있으므로 상기 기법은 매우 효율적이라는 것이다.
본 특허명세서에서, 제한없이 위상 분포의 패턴을 단순화하기 위해 홀로그램으로 언급하기로 한다. 상술한 기법들이 2차원 영상 투사 시스템들에 제한없이 적용되는지 검토한다. 일 시스템에서, 목표 영상 데이터는 픽셀화된(pixellated) 센서에 의해 탐지되고, 위상 정보는 데이터로부터 실시간으로 복원된다. 위상 정보는 적합한 장치에 적용되는데, 예를 들어 목표 영상을 나타내는 재생 필드를 생성하는 레이저광으로 투사된다. 다른 시스템에서, 위상 정보는 미리 기록된(pre-recorded) 위상 정보를 저장하는 저장 매체로부터 읽혀진다. 또 다른 시스템에서, 위상 정보는 컴퓨터처리(computer-generated)된다(즉, 어떠한 실제 목표 영상없이).
그러나 픽셀화된 공간 광변조기 같은 위상 재생 장치들은 잘 알려진 영차 광(zero-order light)의 문제를 나타낸다. 이러한 영차 광은 노이즈로 간주될 수 있고 정반사성의 반사광(specularly reflected light)을 포함한다. 다른 광은 공간 광변조기에 형성된 패턴에 의해 굴절되지 않는다.
이와 관련된 선행 특허문헌으로는 EP 1702243 A2(2006.09.20.)가 있다.
본 발명은 공간 광변조기(SLM)에 인가되는 데이터를 변경함으로써, 영차 광이 수렴(converge)하는 영역을 지난 위치에 재생 필드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 재생 필드가 영차 광이 수렴하는 영역을 지난 위치에 제공되도록 하는 물리적 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다. 예를 들어, 이러한 물리적 수단은 SLM 기판을 성형하거나 별도의 회절 수단(예를 들어, SLM에서 부가적인 층 또는 별도의 SLM) 제공하여 구현될 수 있다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 재생 필드(replay field)에 영상을 생성하는 각각의 위상 변이(phase-shift)들을 각각의 입사 파면(incident wavefront)의 서로 다른 영역에 분배하기 위한 장치를 제공하는 단계; 영차 광(zero-order light)이 상기 재생 필드와 상기 영상형성 제공장치 사이의 영역에 수렴되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 형성 방법을 특징으로 한다.
상기 방법은 상기 영차 광이 상기 영역에서 재생 필드로 통과하는 것을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 평행 입사광(collimated incident beam)인 경우, 상기 장치의 출력 경로에 배치된 푸리에 렌즈(Fourier lens)의 초점 평면에 실질적으로 위치한 재생 필드에 영상을 제공하는 각각의 위상변이들에 대응하는 영상 데이터를 제공하는 단계와, 상기 재생 필드가 상기 초점 평면을 지나서 배치되도록 상기 영상 데이터를 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 영차 초점 영역을 지나서 재생 필드를 형성하도록 영상광(imaging light)을 생성하는 기판을 갖는 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 장치는 투과형(transmissive)일 수 있고, 상기 방법은 장치 기판에 의해 이를 통과하는 광에 가해지는 각각의 서로 다른 위상변이들을 고려하여 상기 장치상에 표시되는 위상변이들을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 영상 위상변이들을 표시하는 제 1 장치를 제공하는 단계와, 상기 제 1 장치를 지나는 광을 구형으로 회절하여 분산시키는 제 2 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 위상 정보의 분산을 수행하는 장치의 재생 필드에 영상을 형성하는 방법에 있어서, 상기 위상 정보가 영상표시(image-representative) 위상 정보에 구형 특성(spherical characteristic)을 부과하도록 하는 단계와, 평행광으로 상기 장치에 투사하는 단계와, 초점 영역에 상기 장치로부터의 영차 광을 모아서 상기 구형 특성이 상기 재생 필드를 초점 영역을 지나서 형성되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 형성 방법을 제공한다.
상기 방법은 상기 장치상에 위상 정보를 깔아두는(tiling) 단계를 포함할 수 있다.
상기 장치는 공간 광변조기(spatial light modulator; SLM)일 수 있다.
상기 SLM은 전기적으로 어드레스(electrically-addressed)될 수 있다.
상기 SLM은 LCOS(Liquid Crystal On Silicon) SLM일 수 있다.
상기 SLM은 상기 구형 특성 정보를 표현하는 데이터를 저장하는 저장장치(store)를 포함할 수 있다.
상기 SLM은 반사형(reflective)일 수 있다.
본 발명의 제 3 측면에 따르면, 데이터를 SLM에 기록하는 단계와, 상기 SLM이 평행한 출력 광을 제공하도록 평행 광으로 상기 SLM에 투사하는 단계와, 상기 SLM에 의해 회절되지 않는 영차 광이 제 1 위치에서 모이도록 상기 출력광을 수렴렌즈(converging lens)에 인가하는 단계를 포함하되, 상기 SLM에 기록된 데이터는 이미지 데이터를 포함하고, 상기 제 1 위치를 지나서 영상이 형성되도록 하는 데이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 투사 방법을 제공한다.
본 발명의 제 4 측면에 따르면, 데이터를 SLM에 기록하는 단계와, 상기 SLM이 출력 광을 제공하도록 광으로 상기 SLM에 투사하는 단계와, 상기 출력 광을 푸리에 렌즈에 인가하여 상기 SLM에 의해 회절되지 않는 광이 상기 푸리에 렌즈의 초점에 실질적으로 모이도록하는 단계를 포함하되, 상기 SLM에 기록된 데이터는 목표 영상으로부터 복원된 위상 데이터를 포함하고, 상기 출력 광의 영상 내용이 상기 푸리에 렌즈와 함께 조화를 이루어 상기 푸리에 렌즈의 초점을 지나서 재생 필드를 형성하도록 상기 영상 데이터를 변경하는 것을 특징으로 하는 영상 투사 방법을 제공한다.
본 발명의 제 5 측면에 따르면, 재생 필드로부터 영차 광을 차단하는 방법에 있어서, 투사 시 푸리에 렌즈를 경유하여 홀로그램 영상(holographic image)을 재생 평면에 제공하고, 상기 재생 평면을 상기 푸리에 렌즈의 초점을 지나서 위치시키는 위상 분산을 지닌 픽셀화된(pixellated) 장치를 제공하는 단계와, 상기 푸리에 렌즈의 초점으로부터 광이 상기 재생 평면에 도달하는 것을 방지하는 장치를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로하는 재생 필드로부터 영차 광을 차단하는 방법을 제공한다.
상기 푸리에 렌즈의 초점으로부터의 광이 재생 평면에 도달하는 것을 방지하는 장치는 광블럭을 포함할 수 있다. 상기 푸리에 렌즈의 초점으로부터의 광이 재생 평면에 도달하는 것을 방지하는 장치는 미러를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 투사 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 투사 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 광학적 투사 시스템(10)은 평행 레이저광(collimated laser light beam, 15)을 실리콘 공간 광변조기(spatial light modulator; SLM, 20)의 액정 상에 제공하기 위해 제 1 시준(視準)렌즈(collimating lens, 14)의 초점에 배치된 레이저(12)를 구비한다. 여기서, 공간 광변조기(20)는 위상한정 비이진 픽셀화 SLM(phase-only non-binary pixellated SLM)으로 구성된다. 레이저(12)로부터 출사된 광(15)은 SLM(20)에서 반사되고, 출력 광(exit beam, 16)은 이를 막기(intercept)위해 배치된 푸리에 렌즈(Fourier lens, 60)로 입사된다. 광블럭(light block, 48)은 푸리에 렌즈(60)의 푸리에 평면(45)에 배치되고, 스크린(70)은 재생 필드를 형성하기 위해 광블럭을 지나서 배치된다. 이에 대한 설명은 후술하기로 한다.
위상 데이터(이하, "영상 데이터(image data, 40)"라고 함)는 목표 영상(도시되지 않음)을 감지하는 영상 센서(52)로부터 알려진 알고리즘을 운용하는 프로세서(50)를 이용하여 얻는다. 영상 데이터는 대표적인 위상 데이터의 공간 분포이다. 이는 해당 위상변이들이(phase shifts) 적합한 광에 적용될 때 적절한 렌즈들을 경유하여 재생 필드의 목표 영상에 실질적으로 상응하는 2차원적 영상을 재생한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 광은 평행광(collimated beam, 15)이고, 렌즈들은 푸리에 렌즈(60)로 구성된다.
본 실시예에서, 영상 데이터(40)를 변경하여 변경된 영상 데이터(41)를 SLM(20)에 제공하는 역할을 하는 별도의 프로세싱 블럭(52)에 영상 데이터(40)를 입력한다. 이는 SLM(20)에 부가적으로 렌즈효과(lensing effect)를 제공하기 위해서이다. 예를 들어, 렌즈로 작용하는 SLM들이 사용되는 경우가 유럽특허 EP-A- 14662148에 개시되어 있다. 본 실시예에서, 렌즈효과로 얻어진 데이터는 기억장치(store, 53)에 저장된다. 여기서, 렌즈효과는 구형 특성(spherical characteristic)을 제공하기 위해서 수행된다. 따라서 픽셀에 공급된 데이터 또는 SLM(20)의 위상 원소(phase element)는 두 가지 성분, 즉 영상 데이터 성분 및 렌즈 데이터(lensing data) 성분을 구비할 수 있다.
상술한 바와 같이, 영상 데이터 성분의 효과는 평행광(15)에 의해 투사될 때 푸리에 렌즈(60)의 초점 평면(focal plane)에 재생 필드를 제공할 수 있다. 하지만 구형 특성을 제공하는 렌즈 데이터 성분의 효과는 초점 평면(45)에 영상을 형성하는 광을 분산시키는 효과와 유사할 수 있다. 그 결과로서, 구형 렌즈 성분이 존재지 않는 경우에 기존 재생 필드의 위치보다 앞이나 뒤로 배치되도록 재생 필드를 렌즈(60)에서 스크린(70)으로 옮겨 놓는다.
SLM(20)에 의해 회절되지 않는 영차 광은 푸리에 렌즈(60)에 의해 초점으로, 실제적으로 푸리에 렌즈(60)의 초점 평면(45)으로 계속 수렴된다.
초점 평면(45)에 수렴된 영차 광이 영상 평면에 도착하지 않도록, 광블럭(light block, 48)은 상기 초점 평면(45) 또는 이에 근접한 방벽(barrier)을 형성한다. 이는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광블럭(48)에 의해 제공된다. 본 실시예에서, 광블럭(48)은 암점(dark spot)을 갖는 투명한 슬라이드(transparent slide)이다. 상기 슬라이드는 영차 광이 최대로 차단되는 위치를 찾기 위해 실험적으로 조정될 수 있다. 상기 암점의 크기는 실험적으로 결정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제 2 투사 시스템(120)은 일반적으로 제 1 실시예의 투사 시스템(10)과 유사하게 동작한다. 레이저(12)로부터 조사된 광은 렌즈(130)에 의해 반사 장치(140)로 모아진다. 여기서, 반사 장치로 미러(mirror)가 사용되지만, 다른 실시예에서는 프리즘(prism)이 이용될 수 있다. 반사 장치(140)는 레이저의 광학 시스템의 축을 기준으로 45도의 각을 갖도록 배치된다. 이후, 평행광이 SLM(20)에 제공되도록 광은 반사 장치(140)에 초점을 갖는 렌즈(160)를 향해 반사된다. 도 1의 실시예에서와 같이, SLM(20)은 반사가 가능하고 도 1의 정보와 유사한 정보를 공급한다. 그 결과, 영차 광은 반사 장치(140)로 되돌아온다. 반면에, 영상 정보는 반사 장치(140)를 지나서 배치된 영상 평면(170)에 제공된다.
실시예들에 따른 SLM(20)은 반사 장치이지만, 투과형 변조기(transmissive modulator)가 이용되는 장치에 결합되어 적용될 수 있다. 반사 장치가 투과형인 경우, 기판은 서로 다른 두께 및/또는 광학밀도(optical density)를 지닌 영역들을 가질 수 있고, 이들은 투과되는 광에 서로 다른 위상 변이를 가하게 된다. 이는 장치 기판에 의해 이를 통과하는 광에 가해지는 서로 다른 위상변이를 고려하여 반사장치에 표시되는 위상변이를 수정함으로써 설명할 수 있다.
상술한 실시예들에서, 외부 프로세서에 의해 렌즈(lensing) 데이터가 인가된다. 하지만 다른 실시예들에서, 프로세서를 탑재한 SLM이 사용될 수 있고, SLM의 저장 장치 또는 SLM과 통합된(integrated) 저장 장치는 렌즈(lensing) 데이터를 저장한다.
다양한 실시예들이 존재하는 것은 물론이다. 예를 들어, 액정층에 겹쳐진 층에 의해 세로로 세워진 렌즈 패턴(standing lensing pattern)이 제공될 수 있다.
상술한 실시예들에서, SLM 자체의 요소들의 어드레스를 지정하고 픽셀들을 투사함으로써 위상 분산이 제공될 수 있다. SLM에 기록된 데이터를 사용하여 OASLM(Optically Addressed SLM)에 데이터를 기록한 후에 영상생성 광(image-producing light)을 제공하는 OASLM에 투사할 수 있다. 일 실시예에서, LCOS(Liquid Crystal On Silicon) SLM은 팬아웃 렌즈(fan-out lens)를 가지며 LCOS SLM으로부터 데이터가 OASLM을 덮기도 한다.
상술한 실시예는 비디오 영상 투사에 속한다. 그러나 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

Claims (14)

  1. 목표 영상에 대응되는 위상 데이터의 공간 분포를 공간 광변조기(20)에 기록하는 단계;
    상기 공간 광변조기(20)가 출력광(16)을 제공하도록 평행광으로 상기 공간 광변조기(20)에 투사하는 단계;
    푸리에 렌즈(60)을 경유하여 스크린(70) 상의 재생 필드에 목표 영상에 대응하는 이차원 영상을 재생하기 위하여 출력광(16)을 푸리에 렌즈(60)에 인가하는 단계;를 포함하는 이차원 영상 투사 방법으로서,
    상기 공간 광변조기(20)가 추가적으로 렌즈 효과를 제공하고, 출력광(16)의 영상 내용이 상기 푸리에 렌즈(60)와 조화를 이루어 푸리에 렌즈(60)의 초점을 지나서 재생 필드를 형성하도록 상기 공간 광변조기(20)에 기록된 데이터를 변경하고,데이터의 변경이 없으면 푸리에 렌즈(60)의 초점 평면에 재생필드가 위치하며,
    정반사성의 반사광(specularly reflected light)을 푸리에 렌즈(60)에 의해 수렴시키고 다른 광은 푸리에 렌즈(60)의 초점에 있는 공간 광변조기(20) 상의 패턴에 의해 영향받지 않으며,
    상기 정반사성의 반사광(specularly reflected light)과, 공간 광변조기(20) 상의 패턴에 의해 영향받지 않은 다른 광을 차단시키는 것을 특징으로 하는 이차원 영상 투사 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공간 광변조기(20)는 반사형인 것을 특징으로 하는 이차원 영상 투사 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 공간 광변조기(20)가 위상한정 픽셀화(Phase-only pixellated) LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 공간 광변조기인 것을 특징으로 하는 이차원 영상 투사 방법.
  4. 홀로그램을 표시하기 위하여, 목표 영상에 대응하는 위상 데이터의 공간 분포를 표시하기 위해 구성된 위상한정 픽셀화(Phase-only pixellated) LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 공간 광변조기(20);
    상기 공간 광변조기(20)를 평행광으로 투사하여, 출력광(16)이 다른 영역에서 다른 위상 변이를 가지도록 하는 투사 장치; 및
    푸리에 렌즈(60);을 포함하고,
    스크린(70) 상의 재생 필드에 목표 영상에 대응하는 이차원 영상을 재생하기 위하여 출력광(16)을 푸리에 렌즈(60)에 인가하도록 구성되고,
    상기 공간 광변조기(20)가 추가적으로 렌즈 효과를 제공하고, 출력광(16)의 영상 내용이 상기 푸리에 렌즈(60)와 조화를 이루어 푸리에 렌즈(60)의 초점을 지나서 재생 필드를 형성하도록 상기 공간 광변조기(20)에 기록된 데이터를 변경하는(데이터의 변경이 없으면 푸리에 렌즈(60)의 초점 평면에 재생필드가 위치함) 수단;
    정반사성의 반사광(specularly reflected light)과, 공간 광변조기(20) 상의 패턴에 의해 영향받지 않은 다른 광을 차단시키는, 푸리에 렌즈(60)의 초점 평면에 위치하는 블록(48);을 추가적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 투사 장치.
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