KR101869495B1 - 홀로그램 디스플레이 장치 및 이를 이용한 홀로그래픽 이미지를 생성하는 방법 - Google Patents

홀로그램 디스플레이 장치 및 이를 이용한 홀로그래픽 이미지를 생성하는 방법 Download PDF

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Abstract

여기서는 홀로그램을 디스플레이하기 위한 장치 및 방법이 설명된다. 본 발명의 적어도 하나의 태양은 고품질 이미지를 생성할 수 있고, 실질적으로 미광에 대해 둔감성인 홀로그램을 디스플레이하기 위한 컴팩트하고 자체-포함된 광 시스템을 제공하는 것이다.

Description

홀로그램 디스플레이 장치 및 이를 이용한 홀로그래픽 이미지를 생성하는 방법{A Hologram Display Apparatus and A Method of Producing a Holographic Image Using the Same}
본 발명은 홀로그램을 디스플레이하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 투과 및 반사 홀로그램을 디스플레이하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
고품질 이미지를 생성할 수 있고 미광(迷光; stray light)에 둔감한(insensitive), 디스플레이 홀로그램을 위한 컴팩트 함과 더불어 자체 포함 광(self-contained lighting), 특히 홀로그램을 조명하는데 이용되는 주 광원(main light source)의 방향 근처 주변 조명을 위해 이용되는 다른 근접점 소스 광(near-point source lights)(할로겐 스폿 램프와 같은) 또는 다른 광원을 제공하는 기술의 필요가 존재한다.
홀로그램을 생성하는 이전의 방법이 있었음에도 불구하고, 이들 모두는 특별한 어려움을 갖는다. 예컨대, 투과 구조(transmission geometry)에서 반사 홀로그램의 이용에 관한 US 6,366,371 B1은 열악한 효율 및 미광 제어를 갖는다. 더욱이, GB 2 178 866가 홀로그램을 형성하도록 근처에 광을 접어 넣는 방법을 개시함에도 불구하고, 투과 구조의 개시가 없고 또한 열악한 효율 및 미광 제어를 갖는다. US 6,366,371 B1 및 GB 2 178 866는 참조에 의해 여기에 포함된다.
예컨대 광고 또는 예술 디스플레이를 위한 널리 허용가능한 이미징 매체를 디스플레이 홀로그래피로 만드는 목적에 따르면, 광범위한 하용가능성을 방지하는 종래 기술에 따른 문제들이 있다. 이들 3가지 문제점은 특히 다음과 같다.
(1) 전형적으로 홀로그램 및 요구된 조명 광원(illuminating light source)은, 필요 이상으로 복잡하고 이용자를 위해 장벽인 홀로그램으로부터 분리적으로 설치되어지는 광원을 요구하는, 분리 부품이다.
(2) (반사 홀로그램을) 디스플레이하기 위해 가장 효율적인 홀로그램의 형태는 전방으로부터 비추어져야만 하고, 일반적으로 원하지 않았던 고스트 이미지(ghost images)를 야기시키는, 다른 주변 광에 대해 본질적으로 민감하다.
(3) 예컨대 텅스텐 램프로부터의 통상적인 광대역 조명(broadband illumination)은 비효율적이고, 바람직하지 않게 높은 이미지 헤이즈(high image haze)와 결과적으로 낮은 이미지 콘트라스트(low image contrast)를 초래한다.
본 발명의 적어도 하나의 태양의 목적은 상기한 문제들의 적어도 하나 이상을 제거 또는 완화시키는데 있다.
본 발명의 적어도 하나의 태양의 다른 목적은 고품질 이미지를 생성할 수 있고 실질적으로 미광(迷光; stray light)에 둔감한(insensitive), 디스플레이 홀로그램을 위해 컴팩트 함과 더불어 자체 포함 광(self-contained lighting), 특히 홀로그램을 조명하는데 이용되는 주 광원(main light source)의 방향 근처 주변 조명을 위해 이용되는 다른 근접점 소스 광(near-point source lights)(할로겐 스폿 램프와 같은)을 제공하기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 적어도 하나의 태양의 또 다른 목적은, 광고, 기술적 및 의료적 시각화, 및 소비자 애플리케이션(예컨대, 포스터, 3D 사진)에 대해 적절한, 일반적 그래픽 매체로서 홀로그래픽 디스플레이(holographic displays)를 제공하는데 있다.
본 발명의 제1태양에 따르면,
홀로그램을 조명하여 결과적 홀로그래픽 이미지를 형성하도록 광을 방사할 수 있는 광원과;
광원으로부터 광을 반사할 수 있는 적어도 하나의 거울; 및
홀로그램 표면;을 구비하여 구성되고,
거울로부터 반사된 광이 홀로그램 표면으로부터 홀로그래픽 이미지를 형성할 수 있도록 된 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명은 광고 또는 예술적 디스플레이를 위해 적절하게 될 수 있는 널리 허용가능한 이미징 매체를 갖춘 홀로그램을 디스플레이하는 것에 관한 것이다. 한편, 형성된 홀로그램은 요금을 받을 수 있는 어느 다른 상업적 목적을 위해 이용되어질 수 있다. 본 발명의 홀로그램은 투과 또는 반사 홀로그램일 수 있다.
일반적으로 말하면, 본 발명은 실질적으로 자체-포함될 수 있는, 실용적인 조명을 제공하는, 실질적으로 미광(stray light)에 대해 둔감한 홀로그램(예컨대, 홀로그래프)을 디스플레이하는 설비에 속한다.
장치는 단일 광원 또는 다수의 광원을 구비하여 구성될 수 있다. 특정 세트 또는 인지된 색의 범위를 생성할 수 있는 다른 또는 실질적으로 다른 스펙트럼(spectra)으로 방사하는 2 이상의 광원이 존재할 수 있다. 예컨대, 실질적으로 자연적으로 인지된 색의 범위를 커버하는 색의 넓은 범위를 생성하도록 이용되어질 수 있는 전자기 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 영역에서 광을 방사하는 광원이 존재할 수 있다. 특히, 실시예는 전자기 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 부분에서 광을 독립적으로 방사하는 3개의 광원이 존재할 수 있다. 소스 타입 및 홀로그램 크기에 따라, 총 약 10∼500W의 범위에서의 전력이 전형적으로 될 수 있다.
광원은, 적색, 녹색, 및 청색 레이저 또는 LED와 같은 각각의 다중, 또는 3색 이상을 포함하는, 적절한 또는 적당한 광원일 수 있고, 예컨대 램프, 레이저 또는 LED, 또는 그 소정 조합일 수 있다.
전형적으로, 본 발명에서의 광원 또는 광원들은 형성된 홀로그램의 뒤 또는 실질적으로 뒤에 위치 및/또는 배치될 수 있다. 이는 광원이 형성된 홀로그램의 앞에 위치하는 종래 기술과는 다르다. 따라서, 본 발명은 형성된 홀로그램의 뒤 또는 실질적으로 뒤에 위치 및/또는 배치된 광원 또는 광원들을 갖는 반사 또는 투과 홀로그램에 관한 것이다.
광원 또는 광원들은 케이스(enclosure) 또는 박스(box) 내에 위치 및/또는 배치될 수 있다. 따라서, 광원 또는 광원들은 실질적으로 홀로그래픽 디스플레이 장치 내에 들어가고 따라서 자체-포함 장치를 형성한다. 이는 종래 시스템과는 다르다. 다른 실시예에 있어서, 광원 또는 광원들은, 예컨대 인접 거울(close proximity mirror)을 이용해서 케이스 외부에 배치될 수 있다.
전형적으로, 형성된 홀로그램은 케이스 또는 박스의 표면/측면 상에 형성될 수 있고, 외부로부터 관찰될 수 있다. 따라서, 디스플레이 표면은 실질적으로 투명하다.
홀로그래픽 디스플레이 장치(holographic display apparatus)는 형성된 홀로그램에 대해 원하는 방향으로 방사된 광을 방향 재설정(redirect) 및/또는 초점 재맞춤(refocus)하는데 이용되어질 수 있는 광학소자(optics)를 또한 구비하여 구성된다.
홀로그래픽 디스플레이 장치는 검은 느낌(black felt)과 같은 광 흡수 재료로 형성될 수 있는 광 블록(light blocks)을 또한 구비하여 구성될 수 있다. 이는 원하는 이미지 품질을 저감시키는 효과를 갖는 어느 원하지 않았던 광 간섭(light interference) 및/또는 정반사성 반사(specular reflection)를 최소화하는데 도움을 줄 수 있다.
전형적으로, 광원으로부터의 광을 반사할 수 있는 적어도 하나의 거울은 홀로그램을 형성하도록 특별히 방향지워지고 배치되어질 수 있다. 거울은 광원과 형성된 홀로그램 사이의 거리를 최대화할 수 있다. 소스로부터 홀로그램의 중앙까지의 총 거리는 전형적으로 홀로그램의 가장 큰 치수의 차수, 또는 그 작은 배수(예컨대, 약 0.5×0.5m 홀로그램은 그 중앙으로부터 약 0.5∼2m인 소스를 갖게 된다)일 수 있다. 광학적으로, 소스는 더욱 더 떨어지도록 나타내기 위해 이미지를 만들 수 있고, 궁극적으로 소스가 무한으로 이미지를 만들면, 이는 기준 빔 각도가 표면을 가로질러 일정함에 따라 홀로그램을 생산하는데 더 간단하게 만든다.
거울로부터의 조명 각은 크고, 전형적으로 예컨대 약 50∼85도 또는 바람직하기는 60∼85도, 그리고 전형적으로 적어도 약 70도이다.
특정 실시예에 있어서, 광원 또는 광원들로부터 방사된 광은 홀로그램 표면을 조명하기 전에 하나 이상의 반사를 겪게 된다.
본 발명에 따른 홀로그램 조명 시스템을 이용하는 것은 상당한 휘도의 이미지를 생성할 수 있는 오직 요구되었고 원했던 광원(예컨대, 햇빛과 다른 광과 같은 원하지 않았던 외부 광원)만이 존재함에 따라 이는 고스트 이미지(ghost images)를 방지한다는 이점을 갖고, 따라서 외부 미광(stray light)에 대해 내재적으로 둔감(insensitive)할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 홀로그램의 바닥 에지(bottom edge)에서 거울을 매개로 조명된 반사 홀로그램은, 빛이 마루 또는 실질적으로 하부 영역으로부터 도래하지는 않을 것 같으므로 이는 실질적으로 미광에 둔감할 수 있음에 따라, 바람직한 구조이다. 따라서, 거울은 케이스 또는 박스의 하부 영역(예컨대, 하반부)에 위치할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 각각 독립적으로 적색, 녹색 및 청색 광을 생성하는 3개의 광원을 구비하여 구성된다. 3개의 광원으로부터 방사된 광은 집속광학소자(focusing optics)를 통해 투과되어질 수 있다. 광원으로부터의 광은 단일 빔으로 결합될 수 있거나 공간적으로 분리될 수 있다. 다른 색 광이 분리를 유지하는 경우, 형성된 적색/녹색/청색(RGB) 홀로그램은 각각 소스 위치를 위해 설계되어질 수 있고, 결과적으로 풀 RGB 중첩(full RGB overlap)을 갖는 등록된 풀-컬러 이미지를 생성한다. 따라서, 다른 광원으로부터의 광은 다른 파장을 갖는다.
본 발명에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치에서의 거울은 홀로그램에서 조명 등위상면(illumination wavefront)의 만곡을 시준(collimate) 및/또는 감소시키는 비평면, 그리고 만곡(예컨대, 오목 형상)되어질 수 있다. 이것의 이점은, 광이 에지(edges) 상의 최소화된 여분에 따라 직사각형 홀로그램 표면을 효율적으로 조명하도록 향할 수 있으므로, 조명 효율성이다. 한편, 거울은 HOE(holographic optical element), 또는 DOE(diffractive optical component)와 같은 회절성 광학 요소일 수 있다. HOE 또는 DOE의 목적은 실질적으로 더욱 컴팩트한 평탄한 렌즈(flat optic)에서 소스 광을 시준하는 것이고, 또는 한편 통상 방향으로 RGB 광을 동시에 방향 재설정하도록 설계될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 제1거울 및 제2거울이 존재할 수 있다. 제2거울은 박스 내에서 광학 경로의 더욱 편리한 물리적 배열을 가능하게 하고, 및/또는 전형적으로 유용한 소스(들)로부터 홀로그램 표면까지 더 큰 광학적 거리를 가능하게 한다. 적어도 하나의 제1거울 및 제2거울은 HOE(holographic optical element) 또는 DOE(diffractive optical component)일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 광원 또는 광원들 그리고 광학소자(optics) 또는 거울을 위치 및/또는 배치함으로써 바람직한 미광 둔감성 방위를 구비하여 구성되어 홀로그램 조명 광은, 형성된 홀로그래픽 이미지의 품질을 떨어뜨리는 것으로부터 미광(stray-light)을 방지하는데 더욱 도움을 주는, 투과 홀로그램의 경우에는 상자의 내부, 또는 반사 홀로그램의 경우에는 상자 외부 및 하부로부터의 어느 쪽으로부터 궁극적으로 도래된다. 이는 가장 벗어난 소스들이 외부 및 상부(예컨대, 바닥 레벨이 아닌)로부터 도래되기 때문이다. 조명은 외부로부터, 그리고 미광을 최소화하도록 도래되어야만 하고, 조명은 아래로부터 도입될 수 있어, 분간되지 않고, 매우 약하며, 반대되어지지 않음에 따라 주요 요구된 이미지로부터 충분하게 변위된 어느 뒤이은 고스트 이미지를 생성한다.
특별히 바람직한 실시예에 있어서, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 스펙트럼 반사기(spectral reflector)(예컨대, 거울)를 구비하여 구성된다. 스펙트럼 반사기는 거울로서 기능할 수 있고, 예컨대 실질적으로 형성된 반사 홀로그래픽 이미지의 전방에 탑재될 수 있다. 스펙트럼 반사기는 홀로그램을 통해 처음에 투과된 광을 방향 재설정하여, 예컨대 각 브래그 각도(Bragg angle)에서, 홀로그램을 조명하도록 되돌리는 목적을 갖을 수 있다. 이를 달성하기 위해, 스펙트럼 반사기(예컨대, 홀로그래픽 디스플레이 장치의 제2거울)의 특성은 스펙트럼 반사기가 고각(high angle)(예컨대, 적어도 약 70°및 그 이상)에서 도입되는 조명 광을 강하게 반사할 수 있지만, 전형적으로 노멀(normal)에 대해, 예컨대 약 <45°에서 홀로그램으로부터의 이미지에서의 회절된 광에 대해 실질적으로 투명하다는 것이다. 따라서, 스펙트럼 반사기는 고각에서 광을 반사할 수 있지만 저각(lower angles)에서는 그를 통해 투과되도록 광을 허용한다. 스펙트럼 반사기는 이미지 홀로그램 근처 또는 이미지 홀로그램에 결합된 기판 상에 다층 박막 코팅(multi-layer thin-film coating)으로 형성될 수 있거나 한편으로는 홀로그램 상으로 직접 코팅된다. 스펙트럼 반사기는, 예컨대 HOE(holographic optical element)일 수 있다.
예컨대, 레이저가 홀로그램을 조명하는데 이용될 수 있는 실시예에 있어서, 스펙트럼 반사기는 홀로그램을 통해 처음에 투과된 광을 방향 재설정하여 흡수되어질 수 있는 장치로 되돌리는 기능을 갖을 수 있다. 특히 광원이 레이저이고 따라서 눈 안전성이 요구되면, 이는 원하지 않았던 광이 관찰자를 혼란하게 하거나 위험하게 하는 장치로부터 누출되는 것을 방지할 수 있다.
이들 실시예에 있어서, 조명 광은 홀로그램을 통해 먼저 지나가고 그 의도된 조명 각도에서 홀로그램을 향해 되돌아가는 광을 반사할 수 있는 예컨대 홀로그램에 대해 실질적으로 평행한 평탄한 렌즈(flat optic)에 도달한다. 따라서, 홀로그래픽 이미지는 재생성될 수 있고 예컨대 케이스 외부의 관찰자에 대해 평탄한 렌즈를 통해 투과될 수 있다. 반사형 이미지 홀로그램은 가장 높은 가능한 이미지 품질을 생성할 수 있기 때문에, 전형적으로 이는 비흑백(non-monochromatic) 광원을 위해 낮은 이미지 흐림을 생성하기 때문에, 이러한 배열은 바람직하다. 그러나, 이는, 외부 램프로부터, 또는 적어도 외부 반사 성분을 매개로, 홀로그램의 관찰자 측(또는 실질적으로 관찰자 측)으로부터 도래되도록 조명을 요구한다.
투과 이미지 홀로그램, 또는 스펙트럼 반사기 형태의 제2거울을 이용하는 반사 홀로그램의 경우, 부분적으로 흡수하는 시트(회색 유리, 플라스틱 또는 필름)가 콘트라스트를 더 증가시키도록 이미지 홀로그램의 앞쪽에 직접 또는 실질적으로 뒤에 탑재될 수 있다. 이는 (홀로그램을 통해 지나가고 케이스의 내부를 조명하는 외부 햇빛 또는 실내 광과 같은) 케이스의 내부를 조명할 수 있는 어떠한 광에 관해 이미지 광의 구별을 용이하게 하는데 도움을 줄 수 있다. 이는 이미지를 생성하는 광이 (회전 전 또는 후의 어디 한쪽에서) 오직 흡수층을 통해 지나가는 것에 의해서도 감쇄되지만, 외부 광은 이미지 미광에 대해 분배하도록 2회 그를 통해 지나가야만 하기 때문에 작동되고, 따라서 원하지 않았던 미광에 관한 이미지의 콘트라스트를 개선하게 된다.
따라서, 여기서 설명된 바와 같은 조명 시스템은 다음의 이점을 갖는다:
ㆍ 자체 함유(Self contained)
ㆍ 미광에 대한 둔감성(Insensitive to stray light)
ㆍ LED와 같은 협대역 RGB 광원(Narrowband RGB light sources)은 홀로그램의 반사된 스펙트럼을 가깝게 매칭함으로써 효율적인 조명을 제공한다.
본 발명의 제2태양에 따르면, 홀로그래픽 이미지를 형성하도록 광을 방사할 수 있는 광원을 제공하는 단계와;
광원으로부터 광을 반사할 수 있는 적어도 하나의 거울을 제공하는 단계; 및
홀로그램 표면을 제공하는 단계;를 구비하여 이루어지고,
거울로부터 반사된 광이 홀로그램 표면으로부터 홀로그래픽 이미지를 형성할 수 있는 홀로그래픽 이미지를 생성하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 제3태양에 따르면, 홀로그램을 조명하여 결과적 홀로그래픽 이미지를 형성하도록 광을 방사할 수 있는 광원과;
홀로그램 표면;
광원으로부터 광을 반사할 수 있는 제1거울; 및
제1광원으로부터 광을 반사 및 투과할 수 있는 제2거울;을 구비하여 구성되되, 제2거울로부터 반사된 광이 홀로그램 표면을 조명할 수 있고;
조명된 홀로그램 표면이 홀로그래픽 이미지를 형성할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
전형적으로, 제1 및/또는 제2거울은 스펙트럼 반사기일 수 있다.
제2거울은 실질적으로 반사 홀로그램의 앞에 탑재될 수 있다.
따라서, 제2거울은 고각(high angle)(예컨대, 적어도 약 70°및 그 이상)에서 도입되는 조명 광을 반사할 수 있고, 노멀(normal)에 대해 약 <45°에서 홀로그램으로부터의 이미지에서의 회절된 광에 대해 실질적으로 투명할 수 있다.
본 발명의 제4태양에 따르면, 홀로그램을 조명하여 결과적 홀로그래픽 이미지를 형성하도록 광을 방사할 수 있는 광원을 제공하는 단계와;
홀로그램 표면을 제공하는 단계;
광원으로부터 광을 반사할 수 있는 제1거울을 제공하는 단계; 및
제1광원으로부터 광을 반사 및 투과할 수 있는 제2거울을 제공하는 단계;를 구비하여 이루어지되, 제2거울로부터 반사된 광이 홀로그램 표면을 조명할 수 있고;
조명된 홀로그램 표면이 홀로그래픽 이미지를 형성할 수 있는 홀로그래픽 이미지를 생성하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제5태양에 따르면,
광고, 예술적 디스플레이, 기술적 및 의료적 시각화, 및 소비자 애플리케이션(예컨대, 포스터, 3D 사진)에서 제1 내지 제3태양에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 이용을 제공한다.
도 1은 통상적인 종래 기술의 홀로그래픽 조명 구조를 나타낸 도면,
도 2는 고스트 이미지를 생성하는 하나 이상의 광원을 갖는 다른 종래 기술의 홀로그래픽 조명 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 조명 시스템의 도면,
도 4는 3개의 광원을 이용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 조명 시스템의 도면,
도 5는 3개의 광원과 만곡된 거울을 이용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 조명 시스템의 도면,
도 6은 홀로그램을 형성하는데 2개의 거울을 이용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 조명 시스템의 도면,
도 7은 홀로그램을 형성하는데 2개의 거울을 이용하고 조명이 홀로그램의 외부 및 아래로부터 입사되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 조명 시스템의 도면,
도 8은 스펙트럼 필터를 이용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 조명 시스템의 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 시뮬레이션의 도면이다.
일반적으로 말하면, 본 발명은 실질적으로 자체 포함된(self-contained), 실용적인 조명을 제공하며, 실질적으로 미광(迷光; stray light)에 둔감한(insensitive) 디스플레이 홀로그램을 제공하는데 있다.
도 1은 일반적으로 도면참조부호 100으로 표기된 종래 기술의 홀로그래픽 조명 시스템을 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(예컨대, 램프)(110)은 홀로그램(116)의 앞이면서 위에 탑재된다. 광(114)은 광원(110)으로부터 홀로그래픽 이미지(112)를 생성하는 홀로그램(116) 상으로 방사된다. 홀로그래픽 이미지(112)는 관찰자(118)에 의해 관찰되어질 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 구성의 조명 시스템(100)은 다수의 결점을 갖고 있다. 예컨대, 광원(110)(예컨대, 램프)은 분리 부품이어서 분리 설치를 요구한다. 한편, 광원(110)이 홀로그램(116)과 기계적으로 결합되면, 조심성 있게 하기 위해, 일반적으로 광원(110)은 홀로그램(116)과 가깝게 배치되어, 주로 (홀로그래픽 이미지(112)에서 이미지 밝기 변동을 야기시켜) 광원(110)으로부터의 조명이 홀로그램(116) 상에서 불균일하게 되고, 이러한 인접(close proximity)은 기록 프로세스 동안 에뮬레이트(emulate)되어야만 하고, 홀로그램(116)의 표면을 가로지르는 큰 각도 범위를 갖도록 기록 기준 빔(recording reference beam)을 요구한다는 다른 문제를 야기시킨다. 이는 달성하는 것이 어렵게 될 수 있는 바; 고전적인 홀로그램은 반대로 기록되어지거나, "결합하는(conjugate)", 고도로 수렴하는 빔(highly converging beam)을 요구하고, 따라서 매우 큰 만곡된 거울을 요구하고 또는 한편으로 픽셀 마다(pixel-by-pixel) 기록된 홀로그래픽 입체화(holographic stereogram)는, 설계하기 어렵고 고가인, 매우 큰 각도의 스캔 렌즈(scan lenses)를 요구한다. 기록 광 포인트 위치가 최종 조명의 그것을 에뮬레이트하지 않으면, 이미지 왜곡 및 밝기 그리고 컬러 변동 모두는 결과이다. 일반적으로, 따라서 보다 먼 조명 포인트가 바람직하다.
종래 기술의 조명 시스템에 따른 다른 문제가 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 광원(210)과 관찰자(218)에 의해 관찰되어질 수 있는 홀로그램(216)을 갖는 홀로그래픽 조명 시스템(200)을 나타낸다. 광원(210)은 홀로그래픽 이미지(212)를 형성하는 광(214)을 생성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예컨대 다른 천장(ceiling) 또는 채광창(sky light) 소스일 수 있는 다른 광원(224,226)에 의해 야기된 고스트 이미지(220,222)가 존재한다.
도 3은 일반적으로 참조부호 300으로 표기된 본 발명에 따른 홀로그래픽 조명 시스템을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 조명 시스템(300)은 조명 시스템(300)을 상자 내에 넣어 캡슐화하는 케이스(310)를 구비하여 구성된다. 따라서, 홀로그래픽 조명 시스템(300)은 일체형으로(self-contained)된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 이는 종래 기술의 시스템들과는 상당히 다르다. 투과 홀로그램(312)은 케이스(310)의 면(310a) 상에 조명된다.
도 3은 또한 광원(314)이 케이스(310) 내에 위치하는 것을 나타낸다. 광원(314)은 예컨대 레이저 또는 LED 광원 또는 그 조합일 수 있다. 광원(314)으로부터 방사된 광은 원하는 방향으로 방사된 광을 초점지우는데 이용될 수 있는 몇몇 광학소자(optics)를 통해 지나간다. 불필요한 광 간섭(light interference) 및/또는 정반사성 반사(specular reflection)를 최소화하기 위해, 블록(318)이 이용된다. 광 블록(318)은 검정색 펠트(black felt)와 같은 소정의 광 흡수 재료를 이용한다. 방사된 광(320)은 반사된 광(324)을 형성하도록 거울(322) 상으로 투과된다. 반사된 광은 케이스의 내부 표면(310a) 상으로 투과되어 관찰자에 의해 보여질 수 있는 이미지를 형성하는 투과 홀로그램(312)을 조명한다. 따라서, 방사된 광(314)은 광원(314)과 투과 홀로그램(312) 사이의 거리를 최대화하도록 거울 반사를 겪게 된다. 이러한 배열을 위한 전형적 거리는, 약 0.5m 높은 홀로그램에 대해 약 0.75m와 같은, 홀로그램 높이의 약 1.5배이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 조명 각도는 60∼85도 그리고 전형적으로 적어도 약 70도와 같이 높다. 도시되지 않았음에도 불구하고, 방사된 광(320)은 하나 이상의 반사를 겪을 수 있다. 케이스가 대부분의 어플리케이션에 대해 바람직할 수 있는 더 작은 깊이, 더욱 컴팩트한 시스템을 만들 수 있도록 하기 때문에, 높은 각도가 바람직하다. 예컨대, 10 이상의 종횡비(aspect ratio)(깊이에 대한 폭 또는 높이의 더 큰 비율)를 달성하는데 바람직하다. 케이스(310) 내에서 광원(314)을 이용하는 것에 대한 대안으로, 광원은 케이스(310) 외부에 배치되어질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같은 홀로그램 조명 시스템(300)을 이용하는 것은 불필요한 외부 조명이 관찰자 쪽으로 향하는 정방향에서 회절되는 (고스트 이미지를 포함하는) 소정의 상당한 광을 초래하지 않음에 따라 고스트 이미지를 방지한다는 이점을 갖고, 따라서 외부 미광에 대해 근본적으로 둔감하다.
도 4는 관찰자의 위치로부터 본 다른 홀로그램 조명 시스템(400)을 나타내고 있다. 홀로그램 조명 시스템(400)은 3개의 광원(412,414,416)을 이용한다. 광원(412,414, 416)은 외부 케이스(410) 내에 위치한다. 그러나, 방사된 광은 홀로그램의 정면(418; front view)을 보이도록 투과된다. 3개의 광원(412,414,416)으로부터 방사된 광은 각각 집속광학소자(420,422,424)를 통해 투과된다. 광원(412,414,416)은 적색 광(426), 녹색 광(428) 및 청색 광(430)을 각각 방사한다. 광원(412,414,416)으로부터의 광은 단일 빔으로 결합될 수 있거나 공간적으로 분리되어질 수 있다. 다른 색으로 된 광이 분리를 유지하는 경우, 형성된 적색/녹색/청색(RGB) 홀로그램은 소스 위치에 대해 각각 설계되어질 수 있고, 결과적으로 풀 RGB 중첩(full RGB overlap)을 갖는 등록된 풀-컬러 이미지(registered full-colour image)를 생성한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광원(412,414,416)으로부터의 광은 거울(431)에서 반사된다. 반사된 적색 광(432), 녹색 광(434) 및 청색 광(436)은 홀로그램을 생성하는데 이용될 수 있다.
도 5는 다른 홀로그래픽 조명 시스템(500)을 나타낸다. 홀로그래픽 조명 시스템(500)은 각각 집속광학소자(520,522,524)를 통해 집속되는, 각각 적색 광(526), 녹색 광(528) 및 청색 광(530)을 독립적으로 생성하는, 3개의 광원(512,514,516)을 구비하여 구성된다. 광원(512,514,516)은 케이스(510) 내에 위치된다. 투과 홀로그램을 생성하는데 이용될 수 있는 반사된 적색 광(532), 녹색 광(534) 및 청색 광(536)이 또한 도시되어 있다. 홀로그래픽 조명 시스템(500)에서의 차이는 홀로그램에서 조명 등위상면(illumination wavefront)의 만곡을 시준(collimate) 및/또는 감소시키는 만곡된 거울(531)이 존재한다는 것이다. 이것의 이점은, 여분의 광을 최소화하여 광을 사각형의 홀로그램 표면으로 유다할 수 있으므로 조명의 효율이 향상된다.
도 6은 다른 홀로그래픽 조명 시스템(600)을 나타낸다. 홀로그래픽 조명 시스템(600)은 반사 홀로그램(612)을 갖는 케이스(610)를 구비하여 구성된다. 또한, 광학소자(616)를 통해 광을 방사하는 광원(614)이 존재한다. 방사된 광(620)은 제1거울(622) 및 이어 제2거울(624)에서 반사된다. 제1 및 제2거울(622,624) 중 적어도 하나는 만곡된 거울 또는 HOE(holographic optical element) 또는 DOE(diffractive optical element)일 수 있고, 그 목적은 더욱 컴팩트한 평탄한 광학소자에서 소스 광을 시준하고 및/또는 통상적인 방향으로 RGB 광을 동시에 방향 재설정하도록 설계되어질 수 있는 것이다. 제2거울(624)로부터 반사된 광(626)은 홀로그래픽 이미지(650)를 형성하는데 이용된다.
도 7은 다른 홀로그래픽 조명 시스템(700)을 나타낸다. 홀로그래픽 조명 시스템(700)은 반사 홀로그램(712)을 갖는 케이스(710)를 구비하여 구성된다. 또한, 광학소자(716)를 통해 광을 방사하는 광원(714)이 존재한다. 방사된 광(720)은 제1거울(722) 그리고 이어 제2거울(724)에서 반사된다. 제1 및 제2거울(722,724) 중 적어도 하나는 HOE 또는 DOE일 수 있고, 그 목적은 더욱 컴팩트한 평탄한 광학렌즈에서 소스 광을 시준하고 또는 통상적인 방향으로 RGB 광을 동시에 방향 재설정하도록 설계되어질 수 있는 것이다. 제2거울(724)로부터 반사된 광(726)은 홀로그래픽 이미지를 형성하는데 이용된다. 가장 외부의 미광의 광원들은 홀로그램 및 관찰자 위에 있게 되므로, 도 7의 홀로그래픽 조명 시스템(700)은 미광 둔감성을 갖는다는 것을 주지하는 것이 중요하다. 도 7에 있어서, 홀로그램 조명 광은 아래로부터 입사되고, 또는 실질적으로 전형적인 미광의 광원은 위 또는 실질적으로 위로부터 입사되며, 따라서 주조명 광으로부터 각도적으로 잘 분리되고, 미광의 낮은 "브래그-매칭(Bragg-matching)", 따라서 매우 약한 고스트 이미지가 형성되고, 실질적으로 미광 둔감성 시스템(stray-light insensitive system)이 된다.
도 8은 다른 홀로그래픽 조명 시스템(800)을 나타낸다. 홀로그래픽 조명 시스템(800)은 반사 홀로그램(812)을 갖는 케이스(810)를 구비하여 구성된다. 광학소자(816)를 통해 광을 방사하는 광원(814)이 존재한다. 이미지 품질을 저하시킬 수 있는 불필요한 광의 산란 또는 반사를 최소화하는데 이용되는 광 블록(818)이 존재한다. 방사된 광(820)은 제1거울(822)(또는, HOE/DOE)에 부딪친다. 반사된 광은 그를 다시 반사하고 반사 홀로그램(812)을 조명하는 제2거울(824)(또는, HOE/DOE)에 부딪치고, 홀로그래픽 이미지(850)를 생성한다. 조건적으로, 반사 홀로그램(812) 앞에는 몇몇 유리 또는 광학 플라스틱(826)이 존재한다.
도 8에 도시된 홀로그래픽 조명 시스템(800)은 스펙트럼 반사기로서 기능하는 제2거울(824)이 실질적으로 반사 홀로그램(812)의 앞에 탑재된다는 점에서 차이가 있다. 제2거울(824)은 특정 스펙트럼 반사 및 투과 특성을 갖추고, 홀로그램(812)을 통해 투과되어 그 브래그 각도에서 홀로그램(812)을 조명하도록 되돌아가는 광을 방향 재설정하는 목적을 갖을 수 있다. 이를 달성하기 위해, 제2거울(824)은 고각(high angle)(예컨대, 적어도 약 70°및 그 이상)에서 입사되는 조명 광을 강하게 반사할 수 있지만, 적어도 수직 방향에서, 전형적으로 노멀(normal)에 대해, 예컨대 약 45°미만의 각에서 홀로그램으로부터의 이미지에서의 회절된 광에 대해 실질적으로 투명한 특성을 가진다. 제2거울(824)은 이미지 홀로그램(812) 근처 또는 이미지 홀로그램에 결합된 기판 상에 다층 박막 코팅(multi-layer thin-film coating)으로 형성될 수 있고, 또는 홀로그램 상으로 직접 코팅된다. 한편, 제2거울(824)은 HOE일 수 있다. 가장 간단하게, HOE는 "등각(conformal)" 예컨대 표면에 대해 평행하는 주변 평면(fringe planes)이고 거울처럼 작용하며, 도입되는 RGB 광 대역을 반사하도록 설계된 3개의 광학적으로 노출된 홀로그램 격자(grating)를 포함한다.
도 8에 도시된 홀로그래픽 조명 시스템(800)에 있어서, 조명 광은 홀로그램(812)을 통해 먼저 지나가고 그 의도된 조명 각에서 홀로그램(812)을 향해 되돌아가는 광을 반사하는 홀로그램(812)에 대해 실질적으로 평행하는 평탄한 광학소자(824; flat optic)에 도달한다. 홀로그래픽 이미지(850)는 재생성되고 케이스 또는 박스 외부의 관찰자에 대해 평탄한 광학소자(824)를 통해 투과된다.
이러한 실시예는, 반사-형태 이미지 홀로그램(812)이 전형적으로 바람직하고, 이는 가장 높은 가능성의 이미지 품질을 생성하며, 이는 비-단색성 광원을 위해 적은 이미지 흐림(blur)을 생성하기 때문에, 바람직하다. 그러나, 이는 외부 램프로부터, 또는 도 3 내지 도 8에 도시된 구성과 같은 적어도 외부 반사 성분을 매개로, 홀로그램의 관찰자 측으로부터 도래되도록 조명을 요구한다. 따라서, 현재의 실시예는 가장 바람직한 일체형 구조에서 선호된 반사-형태 홀로그램을 이용해서 미광 둔감성(stray light insensitivity)을 제공한다.
도 8에 도시된 홀로그래픽 조명 시스템(800)의 중요한 설계 특징은 다음과 같다:
(a) 각도가 선택되어 이미지 홀로그램(812)은 제1패스(first pass)에서 조명스펙트럼에 대해 제로 회절 효율성(zero diffraction efficiency)을 갖는다. 이는 최종 회절된 이미지 광 방향의 어느 것도 제1패스 광 방향과 중첩되지 않음을 요구한다. 따라서, 높은 입사각이 바람직하고, 또한 상기한 만곡된 거울 또는 HOE에 의해 생성될 수 있음에 따라 시준된(또는 거의 그러한) 광이 바람직하다;
(b) 평탄한 광학렌즈(예컨대, 제2거울(824))는, (1) 높은 초기 입사 각도에서 RGB 광을 반사하도록 야기시키고, (2) (예컨대, 홀로그램의 관찰 각도 범위에 대응하는 입사각에서) 이미지로 회절된 광의 최소 반사를 야기시키는, 스펙트럼 특성을 갖는다. 이는 예컨대 적절히 설계된 스펙트럼 특성에 따라, 유리 또는 투명 플라스틱 기판 상의 다층 박막 코팅에 의해 달성될 수 있다. 한편, 이는 적절하게 RGB 반사 대역에 따라 생성된, HOE(holographic optical element)일 수 있다. (만약, HOE이라면, 초점/시준 파워(focusing/collimating power), 또는 분리 RGB 방향 재설정과 같은, 더 많은 기능성이 가능하다.);
(c) 위로부터의 전형적인 미광의 광원은 홀로그램에 대해 열악하게 브래그-매치되어(Bragg-matched), 매우 약하게 생성되거나 존재하지 않는 소정의 고스트 이미지를 야기시키는 반면, 도 8에 도시된 구조는, 홀로그램 조명이 아래로부터 있고 아래로부터 오는 미광의 광원이 없음에 따라, 실질적으로 둔감성이다;
*(d) 광학렌즈 구성요소(예컨대, 제2거울(824))는 단일 부품(single piece)을 형성하는 이미지 홀로그램(812)에 직접 결합될 수 있다(예컨대, 플렉시블 필름 상의 홀로그램은 HOE를 포함하는 필름의 다른 부품에 결합될 수 있고 또는 한편으로 일 부분이 필름 및 무왜곡 이미지(distortion-free image)를 보증하도록 단단한 기판 상의 다른 것일 수 있다).
투과 이미지 홀로그램의 경우에 있어서, 부분적으로 흡수 시트(absorbing sheet)(회색 유리, 플라스틱 또는 필름)(826)가 콘트라스트를 더욱 증가시키도록 이미지 홀로그램의 앞 또는 뒤의 어느 한쪽에 직접 탑재될 수 있다. 관련된 스펙트럼 거울을 갖는 반사 홀로그램의 경우, 부분적으로 흡수 시트가 콘트라스트를 더욱 증가시키도록 홀로그램의 뒤 또는 스펙트럼 필터의 앞의 어느 쪽에 직접 탑재될 수 있다. 이는 (홀로그램을 통해 지나가고 케이스(810)의 내부를 조명하는 외부 햇빛 또는 실내 광과 같은) 케이스 또는 박스의 내부를 조명할 수 있는 어떠한 광에 관해 이미지 광의 구별을 용이하게 하는데 도움을 줄 수 있다. 이는 이미지를 생성하는 광이 (회절 전 또는 후의 어디 한쪽에서) 흡수층을 통해 한번 지나가는 것에 의해서도 감쇄되지만, 외부 광은 이미지 미광에 대해 분배하도록 2회 그를 통해 지나가야만 하기 때문에 작동되고, 따라서 케이스의 내부에 도달할 수 있는 미광과 이미지 사이의 콘트라스트를 개선하게 된다.
도 9는 도 8에 도시된 바와 같은 스펙트럼 필터를 이용하는 개념을 설명하기 위한 시뮬레이션을 나타낸다. 적절한 주기를 갖는 단일의 전형적 30㎛ 포토폴리머 막(photopolymer film)에서의 3개의 등각(conformal) HOE가 시뮬레이션에서 이용되었다. 시뮬레이션은 80도에서 광 방사 LED를 강하게 반사하도록 설계되어진다. 시뮬레이션은 이러한 격자(gratings)가 회절된 이미지 에너지에 대해 유해한가의 여부를 분석하는데 이용된다. 시뮬레이션은 다음의 결과를 제공하는 이미지 광에서의 각도의 0∼30° 범위(예컨대, 이미지 홀로그램에 대해 전형적인)를 이용하였다:
ㆍ Blue 격자는, 예컨대 적색 및 녹색 LED 사이이고, 매우 작은 전력을 취하는, 610∼580nm에서 반사한다.
ㆍ Green 격자는 > 650nm를 반사하고, 따라서 문제는 없다.
ㆍ Red 격자는 >> 650nm를 반사하고, 따라서 문제는 없다.
따라서, 여기서 설명된 조명 시스템은 다음의 이점을 갖는다:
ㆍ 자체-포함
ㆍ 미광에 대한 둔감성
ㆍ LED 또는 레이저와 같은 협대역 RGB 광원은 홀로그램의 반사된 스펙트럼을 가깝게 매칭함으로써 효율적 조명을 제공함.
ㆍ 홀로그램의 회절 대역 사이의 스펙트럼의 미사용된 영역에서의 조명 광의 없음은, 통상적인 광대역(예컨대, 텅스텐) 램프와 비교해서, 이미지에서 적은 백그라운드 이미지 헤이즈(background image haze)(광학적 산란; optical scatter)를 초래한다.
ㆍ 공간적으로 분리 RGB 소스의 이용은 보안 특징으로; 올바른 위치에서 분리 RGB 소스에 의해 조명되지 않는 한 도난된 홀로그램은 작동하지 않게 된다.
ㆍ 관찰자의 눈에 대해 잠재적으로 닫히는 고강도 소스를 갖추는 것을 회피하므로, 긴 방사(long throw)는 안전성에 도움을 주게 된다.
ㆍ 도 8에서의 스펙트럼 필터 설명은 레이저에 대해 이상적이다.
본 발명의 특정 실시예가 상기에서 설명되었음에도 불구하고, 설명된 실시예로부터의 이탈은 여전히 본 발명의 관점 내에 속함을 이해하게 된다. 예컨대, 어느 적절한 형태의 광원이나 다수의 광원이 홀로그램을 형성하도록 이용될 수 있다. 더욱이, 어느 적절한 형태의 반사 표면(예컨대, 거울)이 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 홀로그램을 조명하고, 이러한 조명으로부터 최종적으로 컬러 홀로그래픽 이미지를 형성하도록 된 하나 이상의 광원(814)과;
    상기 컬러 홀로그래픽 이미지를 형성하도록 된 반사 홀로그램(812); 및
    상기 광원(814)으로부터 스펙트럼 반사기(824) 형태의 제 2 거울을 향하여 반사할 수 있는 적어도 하나의 거울(822);을 구비하는 홀로그램 디스플레이 장치(800)로서,
    하나 이상의 상기 광원(814)으로부터의 광은 1차적으로 의도된 조명 각도에서 상기 반사 홀로그램(812)을 향해 광을 되돌려 반사하면서 상기 반사 홀로그램(812)에 대해 평행한 상기 스펙트럼 반사기(824) 상으로 반사 홀로그램을 통과하여 진행하되, 상기 홀로그래픽 이미지는 재생성되어 관찰자를 향해 투과되며,
    상기 반사 홀로그램(812) 상에 입사되는 광은 상기 반사 홀로그램의 하측으로부터 입사하고, 상기 반사 홀로그램은 상기 반사 홀로그램의 하측으로부터의 광을 받아들여서, 상측으로부터의 조명을 회절시키지 않게 되며,
    상기 홀로그램 디스플레이 장치(800)는 스펙트럼 반사기(824)를 구비하되, 상기 스펙트럼 반사기(824)는 상기 반사 홀로그램의 전방에 배치되어서, 상기 스펙트럼 반사기는 상기 반사 홀로그램과 관찰자 사이에 배치되며,
    상기 스펙트럼 반사기(824)는 홀로그램 노멀(hologram normal)에 대하여 70도 이상의 입사각도에서 입사되는 조명 광을 반사하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    특정 세트 또는 인지된 색의 범위를 생성할 수 있는 다른 스펙트럼(spectra)으로 광을 방사하는 2 이상의 광원이 존재하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    자연적으로 인지된 색의 범위를 커버하는 색의 넓은 범위를 생성할 수 있는 전자기 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 영역에서 독립적으로 광을 방사하는 3개의 광원이 존재하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 램프, 레이저 또는 LED, 또는 그 소정 조합이고,
    상기 광원(814)은 홀로그램의 뒤에 배치되는 것을 특징으로 하는 홀로그램 디스플레이 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 케이스(enclosure) 또는 박스(box) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 홀로그램 디스플레이 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    홀로그램이 케이스 또는 박스의 표면 및 측면 중 적어도 하나 상에 형성되어 외부로부터 관찰자에 의해 관찰될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 홀로그램 디스플레이 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀로그램 디스플레이 장치는,
    상기 반사 홀로그램(812)에 대해 원하는 방향으로 방사된 광을 방향 재설정(redirect) 하거나 재집속(refocus)하는데 이용되어지는 광학소자(optics)와,
    불필요한 광 간섭(light interference) 및 정반사성 반사(specular reflection) 중 적어도 하나를 최소화할 수 있는 광 블록(light blocks)을 추가로 구비하며,
    상기 반사 홀로그램(812)을 형성하도록 특별히 방향지워지고 배치되어진 광원으로부터의 광을 반사할 수 있는 적어도 하나의 거울이 존재하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 디스플레이 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제 1 거울 및 제 2 거울이 존재하고,
    상기 제 1 거울 및 제 2 거울 중 어느 하나 또는 양쪽이 HOE(holographic optical element) 또는 DOE(diffractive optical component)인 것을 특징으로 하는 홀로그램 디스플레이 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 반사기(824)는 이미지 홀로그램 근처 또는 이미지 홀로그램에 결합된 기판 상에 다층 박막 코팅(multi-layer thin-film coating)으로 형성되거나 상기 이미지 홀로그램 상으로 직접 코팅되거나, 상기 스펙트럼 반사기(824)는 HOE(holographic optical element)로 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그램 디스플레이 장치.
  10. 삭제
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