KR101901151B1 - 디스플레이 시스템 - Google Patents

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듀얼리타스 리미티드
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Abstract

디스플레이 시스템을 제공한다. 디스플레이 시스템은 제1 복수의 픽셀들, 제2 복수의 픽셀들, 제1 푸리에 변환 렌즈, 및 제2 푸리에 변환 렌즈를 포함한다. 제1 복수의 픽셀들은 제1 홀로그래픽 재구성 (holographic reconstruction)에 상응하는 제1 홀로그래픽 데이터를 디스플레이하고, 제1 파장의 광을 수신하도록 구성된다. 제2 복수의 픽셀들은 제2 홀로그래픽 재구성에 상응하는 제2 홀로그래픽 데이터를 디스플레이하고, 제2 파장의 광을 수신하도록 구성된다. 제1 푸리에 변환 렌즈는 상기 제1 복수의 픽셀들로부터의 제1 파장을 갖는 공간적으로 변조된 광을 수신하고, 수신된 광에 대해 광학 푸리에 변환을 수행하여 재생 플레인 (replay plane)에서 상기 제1 홀로그래픽 재구성을 형성하되, 상기 제1 홀로그래픽 재구성은 상기 제1 파장에서의 광으로 형성된다. 제2 푸리에 변환 렌즈는 상기 제2 복수의 픽셀들로부터의 제2 파장을 갖는 공간적으로 변조된 광을 수신하고, 수신된 광에 대해 광학 푸리에 변환을 수행하여 재생 플레인 (replay plane)에서 상기 제2 홀로그래픽 재구성을 형성하되, 상기 제2 홀로그래픽 재구성은 상기 제2 파장에서의 광으로 형성된다. 상기 제1 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 광학경로 길이는 상기 제2 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 광학경로 길이와 동일하지 않다.

Description

디스플레이 시스템
본 개시는 디스플레이 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 컬러 디스플레이 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로 말하자면, 본 개시는 컬러 홀로그램 프로젝터와 관련이 있다. 실시예들은 헤드업 디스플레이와 근안용 장치에 관한 것이다.
물체(object)에서 산란된 빛은 진폭과 위상 정보를 모두 포함한다. 이 진폭 및 위상 정보는 예를 들어 잘 알려진 간섭 기법들(interference techniques)을 이용하면 감광판(photosensitive plate) 상에 캡처될 수 있다. 이렇게 하여 간섭 무늬들(interference fringes)를 포함하는 홀로그램 기록(holographic recording) 내지는 "홀로그램(hologram)"을 형성한다. "홀로그램"은 적절한 빛을 조사하면 복원(또는 재구성, reconstructed)될 수 있는데, 홀로그래피 재생, 재생 이미지(replay image), 또는 원래의 물체를 나타내는 시현(representative)을 형성할 수 있다.
수용 가능한 정도의 품질을 갖는 홀로그래피 복원 (holographic reconstruction)은 원래 객체(object)와 관련된 위상 정보만을 갖는 홀로그램으로부터 형성될 수 있다. 이러한 홀로그램 기록 (holographic recording)은 위상-한정 홀로그램(phase-only hologram)이라 칭할 수 있다. 컴퓨터 생성 (computer-generated) 그래픽 홀로그래피는, 예컨대 컴퓨터 생성 위상-한정 홀로그램을 생성하기 위해, 푸리에 기법 (Fourier technique)을 사용하여 간섭 프로세스 (interference process)를 수치적으로 시뮬레이션할 수 있다.
따라서 "홀로그램"이라는 용어는 객체에 대한 정보를 포함하고 있으며, 이 물체의 복원 시현(reconstruction representative)을 형성하는 데 사용할 수 있는 기록(recording)과 관련이 있다. 홀로그램에는 물체에 대한 주파수 도메인에서의 정보, 즉 푸리에 정보가 포함될 수 있다.
컴퓨터 생성 위상-한정 홀로그램은 "픽셀화(pixelated)"될 수 있다. 즉, 위상-한정 홀로그램은 이산적인(discrete) 위상 요소들의 어레이(array)로 표현될 수 있다. 각각의 이산적인 요소를 "픽셀(pixel)"이라 부를 수 있다. 각 픽셀은 위상 변조 요소(phase modulating element)와 같은 광 변조 요소(light modulating element) 역할을 할 수 있다. 따라서, 컴퓨터 생성 위상-한정 홀로그램은 액정(liquid crystal) 공간 광변조기(spatial light modulator: SLM)와 같은 위상 변조 소자의 어레이 상에 나타낼 수 있다. SLM은 변조된 빛이 SLM으로부터 반사되어 출력된다는 면에서 반사적인 의미일 수 있다.
각 위상 변조 요소, 즉 픽셀은 그 위상 변조 요소에 입사하는 광에 제어 가능한 위상 지연을 제공하기 위해 그 상태가 변할 수 있다. 따라서 실리콘 상 액정 (liquid crystal on Silicon, LCOS) SLM과 같은 위상 변조 요소들은 컴퓨터적으로 결정된(computationally determined) 위상지연 분포(phase-delay distribution)를 시현 (또는 "디스플레이")할 수 있다. 위상 변조 요소 어레이에 입사하는 광이 코히런트(coherent)하다면, 이 광은 홀로그래픽 정보(holographic information) 즉 홀로그램을 갖도록 변조될 것이다. 홀로그래픽 정보는 주파수 또는 푸리에 도메인에 있을 수 있다.
한편, 위상 지연 분포는 키노폼(kinoform) 상에 기록될 수도 있다. "키노폼"이란 단어는 위상-한정 홀로그래피 기록, 즉 홀로그램을 포괄적으로 가리키기 위해 사용될 수 있다.
위상 지연은 이산수치화(quantised)될 수 있다. 즉, 각 픽셀은 위상 레벨을 나타내는 이산적인 숫자 중 하나에 맞추어 세팅될 수 있다.
위상 지연 분포는 (예컨대 LCOS SLM을 조사함으로써) 입사하는 광파(light wave)에 적용될 수 있다. 공간상에서의 복원 위치(position of reconstruction)는, 공간 영역 (spatial domain) 내에서 홀로그래피 복원 또는 "이미지(image)"를 형성하는 방식으로 광학적 푸리에 변환 렌즈(lens)를 사용하여 제어할 수 있다.
한편 이와는 달리, 원역장(far-field)에서 복원을 수행하는 경우 푸리에 변환 렌즈가 필요하지 않을 수도 있다.
컴퓨터 생성 홀로그램은 게르베르그-색스톤(Gerchberg-Saxton)과 같은 알고리즘을 사용하는 것을 위시하여 여러가지 방법으로 계산될 수 있다. 게르베르그-색스톤 알고리즘은 공간 영역에서의 진폭 정보(예컨대 2D영상)로부터 푸리에 도메인에서의 위상 정보를 유도하는 데 사용할 수 있다. 즉, 물체와 관련된 위상 정보는 강도(intensity), 진폭(amplitude) 또는 공간 영역(spatial domain)에서의 정보만으로부터 "추출(retrieve)" 할 수 있다. 따라서, 물체의 위상-한정 홀로그래피 시현(representation)이 계산될 수 있다.
홀로그래피 복원은 푸리에 도메인 홀로그램을 조사하고, 예컨대 푸리에 변환 렌즈를 사용하여 광학 푸리에 변환을 수행함으로써 스크린(screen)과 같은 응답 필드(reply field)에서 이미지(홀로그래피 복원)를 형성할 수 있다.
도 1은 본 개시에 따라 재생 필드 위치(replay field location)에서 홀로그래피 복원을 생성하기 위한 LCOS-SLM과 같은 반사형 SLM을 사용하는 예를 보여 준다.
광원(110), 예컨대 레이저 또는 레이저 다이오드는 콜리메이팅 렌즈 (collimating lens, 111)를 통해 SLM(140)을 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈 (collimating lens)는 개략적으로 평면의 광 파면(wavefront)이 SLM에 입사하도록 기능한다. 파면의 방향은 직교에서 약간 벗어난 오프노멀 (예컨대 투명 레이어의 평면에 완전한 직각과는 2~3도 차이)이다. 이러한 배치는 광원으로부터의 빛이 SLM의 후방 미러 표면에서 반사되고, 위상변조층(phase-modulating layer)과 상호 작용하여 출사 파면(exiting wavefront, 112)을 형성한다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점을 맞춘 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함한 광학계에 적용된다.
푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM에서 방출되는 위상 변조된 광의 빔(beam)을 수신하고, 주파수-공간 변환을 수행하여 공간 영역에서 스크린(125)에 홀로그래피 복원을 수행한다.
이 프로세스에서, 광원으로부터의 광 -이미지 투사(projection) 시스템의 경우는 가시광선- 은 SLM(140)에 걸쳐, 그리고 위상변조층 (즉 위상 변조 요소의 어레이)에 걸쳐 분포된다. 위상변조층을 나가는 빛은 재생 필드(replay field) 전반에 걸쳐 분배될 수 있다. 홀로그램의 각각의 화소는 전체적으로 재생 이미지에 기여한다. 즉, 재생 영상과 특정 위상 변조 요소의 특정 지점들 사이에는 일대일 상관 관계가 없다.
게르베르그-색스톤 알고리즘은, 각각의 평면 A와 B에서 IA(x,y)와 IB(x,y)의 광빔 강도 단면(intensity cross-sections)이 각각 단일 푸리에 변환으로 상호 연관되어 있는 경우, 위상 추출(phase retrieval) 문제를 고려한다. 주어진 강도 단면에서, 평면 A 및 B에서의 각각의 위상 분포에 대한 근사치인 ФA(x,y)와 ФB(x,y)가 찾아진다. 게르베르그-색스톤 알고리즘은 반복 프로세스(iterative process)를 따름으로써 이 문제에 대한 해결책을 찾는다.
게르베르그-색스톤 알고리즘은 공간(spatial) 영역과 스펙트럼(spectral) 영역 사이에 있는 IA(x,y)와 IB(x,y)를 대표하는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전송하면서 공간적 및 스펙트럼 제약(constraints)을 반복적으로 적용한다. 공간적 및 스펙트럼 제약 조건은 각각 IA(x,y)와 IB(x,y)이다. 공간 또는 스펙트럼 영역의 제약 조건은 데이터 세트의 진폭에 부과된다. 해당하는 위상 정보는 일련의 반복(iteration)을 통해 추출된다.
이러한 기술을 사용하여 홀로그래픽 프로젝터를 제공할 수 있다. 그러한 프로젝터는 예를 들어 차량의 헤드업 디스플레이 및 근안용 장치(near-eye device)에 적용되어 왔다.
컬러 2D홀로그래피 복원이 만들어질 수 있는데, 이를 구현하는 데에는 두가지 주요 방법이 있다. 이러한 방법 중 하나는 "프레임 순차 컬러 (frame-sequential colour: FSC)"로 알려져 있다. FSC시스템에서는 3개의 레이저가 사용되며, 각 레이저(적, 녹 및 청)는 비디오의 각각의 프레임을 생성하기 위해 SLM에서 순차적으로 발사된다. 사용자가 세개의 레이저의 조합으로부터 다색의 이미지를 볼 수 있도록 컬러가 빠르게 순환한다(적, 녹, 청, 적, 녹, 청 등). 따라서 각각의 홀로그램은 색깔이 특정(color specific)되어 있다. 예를 들어, 초당 25프레임의 비디오에서 첫번째 프레임은 1초의 75분의 1 동안 적색 레이저를 발사하고, 다음에 녹색 레이저는 1초의 75분의 1 동안 발사된다. 그리고 마지막으로 청색 레이저는 1초의 75분의 1 동안 발사된다. 다음 프레임은 적색 레이저로 시작해서 만들어지고, 계속해서 이런 방식으로 진행된다.
"공간 분리 컬러(spatially separated colours: SSC)"라 불릴 다른 대안적인 방법은, 서로 다른 3개의 레이저 모두가 동시에 발사되지만, 공간적으로 서로 다른 광학적 경로를 취한다. 예를 들어, 각각이 서로 다른 SLM을 사용하든가 동일한 SLM 상에서 다른 공간 영역을 사용하고, 이후에 이들을 결합하여 이미지를 형성한다.
공간 분리 컬러 방식의 장점은 세개의 레이저가 동시에 발사됨으로 인해 이미지가 더 밝다는 것이다. 그러나, 공간 제약으로 인해 하나의 SLM만 사용해야 하는 경우, SLM의 표면 면적은 세개의 동일한 세그먼트로 나뉘어 실제로는 세개의 서로 다른 SLM이 작용하는 것과 같은 효과를 갖는다. 이 방식의 단점은, 각각의 단일 컬러 이미지에 사용 가능한 SLM표면이 줄어들기 때문에 각 단일 컬러 이미지 (monochromatic image)의 품질이 저하된다는 점이다. 다컬러 영상(polychromatic image)의 품질 또한 이에 따라 저하된다. 가용한 SLM표면의 감소는 곧 SLM 상의 더 적은 픽셀만이 사용 가능하다는 것을 의미하므로, 결과적으로 이미지의 품질을 떨어뜨린다.
홀로그래피 컬러 디스플레이 시스템은 두가지 심각한 문제를 갖고 있다. 첫번째, 상이한 컬러 홀로그래피 복원의 물리적 크기 사이의 불일치가 그것이다. 두번째는, 다양한 컬러 홀로그래피 복원의 해상도 불일치(resolution mismatch) 때문에 복합 컬러 홀로그래피 이미지의 품질이 저하된다는 점이다.
본 개시는 적어도 이러한 문제들을 해결한다.
발명의 다양한 측면들은 첨부된 독립 청구항들에 정의된다.
광학 시스템과 프로세싱 시스템을 포함하는 풀컬러 광학 시스템을 제공한다. 광학 시스템은: 푸리에 도메인에서 홀로그래픽 데이터를 디스플레이하기 위하여 구성된 하나 이상의 공간 광변조기들; 상기 공간 광변조기들을 조사하도록 구성되는 다수의 광원들; 및 2D 홀로그래픽 재구성의 가상 이미지를 생성하도록 구성되는 뷰잉 (viewing) 시스템을 포함한다. 한편 프로세싱 시스템은, 제1 홀로그래픽 데이터를 생성하기 위해 각 컬러에 대하여 2D 이미지를 나타내는 푸리에 도메인 데이터를 위상 한정 렌즈를 나타내는 푸리에 도메인 데이터를 결합하고, 가상 이미지를 생성하기 위하여 광학 시스템에 제1 홀로그래픽 데이터를 제공한다.
각 2D컬러 이미지를 나타내는 푸리에 도메인 데이터는 위상-한정 렌즈를 나타내는 푸리에 도메인 데이터와 결합될 수 있으며, 위상-한정 렌즈의 초점 길이는 컬러의 파장에 반비례한다.
0차의 블록은 이색성(dichroic) 미러 상에 형성될 수 있다.
공간 광변조기는 반사형 LCOS공간 광변조기일 수 있다.
위상 한정 렌즈의 광학적 출력은 사용자가 제어할 수 있다.
디스플레이 시스템은 근안(near-eye)디스플레이로 구성될 수 있다.
디스플레이는 HUD의 일부일 수 있다.
재생 필드는 뷰어(viewer)로부터 공간적으로 멀리 떨어져 있을 수 있다.
디스플레이 시스템은 2D홀로그래피 복원의 하나 이상의 회절 차수, 선택적으로는 0차를 선택적으로 차단하도록 구성된 공간 필터를 추가로 포함할 수 있다.
디스플레이 시스템은 홀로그래피 데이터에 해당하는 2차원 홀로그래피 복원을 생성하기 위해 푸리에 변환 렌즈와 0차 블록을 포함할 수 있다.
가상 이미지는 2D비디오의 순차 프레임들일 수 있다.
픽셀화된 어레이는 직경이 15 μm 미만인 픽셀로 구성될 수 있다.
이미지를 디스플레이하는 방법이 제공된다. 이 방법은: 복수의 공간 광변조기에 대한 홀로그래픽 이미지 데이터와 렌징(lensing) 데이터를 결합하는 과정; 각각이 서로 다른 콜리메이티드 레이저빔을 갖는 공간 광변조기를 조사하는 과정; 결과적인 광을 가상 이미지를 구성하기 위하여 광학 시스템에 제공하는 과정; 및 각 컬러 이미지가 동일한 사이즈를 갖는 컬러 재생 필드를 형성하기 위하여 동일 플레인에 개별 컬러 이미지들을 푸리에 변환에 의해 재구성하는 과정을 포함한다.
이 방법은 2D홀로그래피의 복원의 적어도 하나의 회절 차수를 선택적으로 차단하기 위해 SLM으로부터의 결과적인 광을 공간적으로 필터링하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 홀로그램은 영국 특허 2,498,170 또는 2,501,112호에 묘사된 것과 같은 게르베르그-색스톤 알고리즘에 기초하여 계산한다. 이들 특허의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 인용된다. 단, 일부 실시예들은 푸리에 홀로그래피와 게르베르그-색스톤 알고리즘을 단지 예로서 개시한다. 본 개시는 프레즈넬 홀로그래피 및 포인트 클라우드 방식들(point cloud methods)을 기반으로 하는 다른 기법으로 계산된 홀로그래피에도 적용된다.
"홀로그램"이라는 용어는 객체에 대한 진폭 및/또는 위상 정보가 포함된 기록을 지칭하는 데 사용된다. "홀로그래피 복원"이란 용어는 홀로그램을 조사하여 형성되는 물체의 광학적 복원을 가리키는 용어이다. "재생 필드(replay field)"라는 용어는 홀로그래피 복원이 형성된 공간 상의 평면을 가리키는 데 사용된다. "영상" 및 "영상 영역(image region)"이라는 용어는 홀로그래피 복원을 형성하는 광에 의해 조사된 재생 필드 영역을 가리킨다. 실시예들에서 "이미지"는 "이미지 픽셀 (image pixel)"이라고 하는 이산적인 지점들을 포함할 수 있다.
"인코딩", "쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"은 각각 화소의 변조 레벨을 각각 결정하는 복수의 제어값을 가지고 SLM의 복수의 픽셀들을 제공하는 프로세스를 설명하는 데 사용된다. SLM의 픽셀들은 다수의 제어값을 수신함에 대한 응답으로서 광 변조 분포를 "디스플레이"하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 공간 광변조기는 위상-한정 공간 광변조기이다. 이러한 실시예들은 변조 진폭에 의해 광학적 에너지가 손실되지 않으므로 유리한 점이 있다. 따라서 효율적인 홀로그래피 프로젝션 시스템이 제공된다. 단, 본 개시는 진폭-한정 광변조기 또는 진폭 및 위상 변조기에도 균등하게 구현될 수 있다. 이 홀로그램은 상황에 따라 위상-한정, 진폭-한정 또는 모두 가능한 것이 될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
"광"이라는 용어는 여기서 가장 넓은 의미로 사용된다. 일부 실시예들은 가시 광, 적외선, 자외선 그리고 이들의 조합들에 동등하게 적용될 수 있다.
이미지에 대응하는 제1 홀로그래픽 데이터와 광을 수신함에 있어 렌즈 효과(lensing effect)를 갖는 제2 홀로그래픽 데이터의 결합에 의하여 홀로그래픽 데이터가 형성된다는 것을 반영하듯이, 홀로그래픽 데이터는 이미지 성분과 렌징 성분을 포함한다. 여기서, 렌징 성분은 렌즈 효과 성분이라고 표현될 수도 있다. 여기에 설명된 일부 실시예들에서는 각 홀로그래픽 데이터는 2D데이터 값을 갖는 2D어레이이다. 제1 홀로그램 데이터는 이미지를 재구성하거나 복원하는 데 충분한 정보를 포함하고 있기 때문에 이미지에 해당하는 정보라 말할 수 있다. 여기에 설명된 일부 실시예들에서는 제1 홀로그램 데이터는 이미지의 주파수 (또는 푸리에) 도메인을 표현하기 때문에 영상에 해당한다고 말할 수 있다. 제2 홀로그램 데이터는 수신된 광에 대한 효과가 물리적 렌즈의 효과와 동일하기 때문에 수신된 광에 대한 렌즈 효과를 제공한다고 말할 수 있다. 이러한 것이 어떻게 달성될 수 있는지에 대한 상세한 예시가 제시되어 있다. 예컨대 양의 광파워, 음의 광파워 또는 수차 보정(aberration correction)과 같은 우리가 생각할 수 있는 렌즈 효과(lensing effect)를 제공하기 위하여 컴퓨터적으로 정해진 (computationally-determined) (또는 소프트웨어-정의된 "software-defined") 것일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제2 홀로그래피 데이터는 푸리에 변환 렌즈로 기능한다. 다시 말해, 이것은 푸리에 변환 렌즈와 같은 적절히 배치된 푸리에 변환 광학계와 동일한 방식으로 수신된 광을 처리한다. 이러한 실시예들에서, 제2 홀로그래픽 데이터는 제1 홀로그램 데이터의 광학 푸리에 변환을 수행한다. 이러한 점에서, 홀로그래픽 데이터는 제1 광학 기능 (즉, 이미지에 해당하는 데이터로 광을 변조하는)을 제공하는 제1 성분과 제2 광학 기능 (즉, 푸리에 변환)을 제공하는 제2 성분을 포함한다.
"소프트웨어-정의된" (또는 "소프트웨어-제어가능한")이라는 용어는, 데이터가 컴퓨터 상에서 실행되는 소프트웨어를 사용하여 변경되었거나 변화할 수 있는 컴퓨터적인 데이터 또는 소프트웨어 데이터라는 것을 반영하는 데 사용된다. 이러한 점에서, 데이터는 동적 가변성(dynamically-variable) 또는 간단히 "동적 (dynamic)"으로 생각될 수 있다.
일부 실시예들은 예를 들어, 1D및 2D홀로그래피 복원을 단지 예로서 설명한다. 다른 실시예들에서는, 홀로그래피 복원은 3D홀로그래피 복원이다. 다시 말해, 일부 실시예들에서, 각각의 컴퓨터-생성 홀로그램은 3D홀로그래피 복원을 형성한다.
위에서 설명한 내용에 기초한 구체적인 실시예들은 다음과 같은 예시를 통하여 설명된다. 여기서 제공되는 구체적인 세부 사항을 변경하기 위해 통상적인 변형이 가해질 수 있다. 그러한 예들은 첨부된 도면을 참조하면서 설명된다.
도 1은 응답 필드 위치(reply field location)에서 홀로그래피 복원을 생성하기 위해 정렬된 LCOS와 같은 반사 SLM을 보여주는 개념도이다.
도 2는 종래기술에 따른 복합 컬러 홀로그래피 복원을 도시한다.
도 3은 제1 실시예를 도시한다.
도 4는 제2 실시예를 도시한다.
도면들에서, 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 나타낸다.
본 발명은 다음에 설명된 내용에 한정되지 않고 첨부된 청구의 범위까지 최대한으로 확장된다. 즉, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 설명의 목적으로 개시된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
달리 명시되지 않은 한 단수 표현의 용어는 복수 표현까지 포함할 수 있다.
다른 구조물의 상부/하부(upper portion/lower portion)에 또는 다른 구조물의 상/하 (on/under)에 형성되었다고 설명되는 경우 이는 구조물들이 서로 직접 접촉할 수도 있고 제3의 구조물이 중간에 개재될 수도 있는 것으로 해석되어야 한다.
시간 관계를 설명하는 경우 - 예컨대 이벤트의 시간적 순서를 "이후", "후속", "다음", "전에" 등 - 달리 명시되지 않은 한 연속적인 것과 비연속적인 이벤트를 포함시켜야 한다. 예를 들어, "Just", "즉시" 또는 "직접"을 사용하는 경우가 아니라면 연속적이지 않는 이벤트도 포함하는 것으로 받아들여야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어를 사용하여 다양한 요소를 설명할 수 있지만, 이러한 요소들은 이러한 용어로 한정되지 않는다. 이 용어들은 오직 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데 사용된다. 예를 들어 제1 요소는 제2 요소를 지칭할 수 있으며, 이와 유사하게 제2 요소는 첨부된 청구범위에서 벗어나지 않고 제1 요소를 지칭할 수 있다.
서로 다른 실시예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합되거나 연동할 수 있으며, 다양하게 상호 작용을 할 수 있다. 일부 실시예들은 서로 독립적으로 수행되거나 상호 종속 관계로 함께 수행될 수 있다.
개괄적으로 볼 때, 공간 광변조기 (SLM)는, SLM에 정확히 조사함으로써 복원될 수 있는 원하는 이미지의 위상-한정 시현(phase-only representation)을 형성하는 위상변조 요소들의 어레이를 형성함으로써, 프로젝터를 구성한다. 이 위상-한정 분포를 홀로그램이라고 할 수 있다. 푸리에 변환 렌즈는 복원하기 위한 객체를 나타내는 홀로그래피 기록을 "이미지"로 변환한다. 이미지는 홀로그래피 복원으로 묘사될 수 있다. SLM의 개별 변조 요소는 픽셀이라 칭할 수 있다. 실시예들에 있어서 복수의 단색 홀로그래피 복원을 결합함으로써 복합 컬러 홀로그래피 복원이 제공된다.
광은 위상변조층 (즉, 위상 변조 요소의 어레이) 전반에 걸쳐 입사한다. 위상변조층을 출사하는 변조된 빛은 재생 필드 전반에 걸쳐 분포된다. 특히 개시된 형태의 홀로그래피에서는 홀로그램의 각각의 픽셀이 전체의 복원에 관여한다. 즉, 재생 필드의 특정 지점과 특정 위상 변조 요소 간에 일대일 상관 관계가 존재하지 않는다.
공간 상에서의 홀로그래피 복원의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절능력 (dioptric power)에 의해 결정된다. 일부 실시예들에서, 푸리에 변환 렌즈는 도 1에 도시된 바와 같이 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이며 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 어떤 렌즈라도 푸리에 변환 렌즈 역할을 할 수 있지만, 렌즈의 성능이 그것이 수행하는 푸리에 변환의 정확도를 결정할 것이다. 통상의 기술자는 렌즈를 사용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해한다. 한편 다른 실시예들에서는, 푸리에 변환이 홀로그래피 데이터에 있는 렌징 데이터(lensing data)를 포함함으로써 산술적으로 수행된다. 즉, 홀로그램에는 렌즈를 나타내는 데이터뿐 아니라 객체를 대표하는 데이터도 포함된다.
렌즈를 나타내는 홀로그래피 데이터를 계산하는 방법은 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서 이미 알려져 있다. 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터는 소프트웨어-정의 렌즈 또는 소프트웨어 렌즈라고 일컬어진다. 예를 들어 굴절 지수(refractive index)와 공간적으로 변하는 광경로 길이 (spatially-variant optical path length) 차이로 인해 렌즈의 각 지점에 의해 야기되는 위상 지연을 계산함으로써 위상-한정 홀로그램 렌즈를 형성할 수 있다. 예를 들어, 볼록 렌즈 중앙의 광 경로 길이는 렌즈 가장자리의 광 경로 길이보다 길다. 진폭-전용 홀로그래피 렌즈는 프레즈넬 영역 플레이트 (Freznel zone plate)에 의해 형성될 수 있다. 또한 물리적 푸리에 렌즈 없이도 푸리에 변환을 수행할 수 있도록, 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터를 객체를 나타내는 홀로그램 데이터와 결합하는 방법은 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서 알려져 있다. 일부 실시예들에서, 렌징 데이터 (lensing data)는 단순 벡터 합산에 의해 홀로그래피 데이터와 결합된다. 일부 실시예들에서, 푸리에 변환을 수행하기 위하여 물리적 렌즈는 소프트웨어 렌즈와 함께 사용된다. 또 다른 실시예들에서, 홀로그래피 복원이 원역장 (far-field)에서 이루어지도록 푸리에 변환 렌즈는 완전히 생략된다. 또 다른 실시예들에 있어서, 홀로그램 데이터는 빔 조향 (beam steering)과 같은 그레이팅 (grating) 기능을 수행하기 위해 배열된 그레이팅 데이터를 포함할 수 있다. 그러한 홀로그래피 데이터를 계산하고 이것을 객체를 나타내는 홀로그래피 데이터와 결합하는 방법은 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서 이미 알려져 있다. 예를 들어, 위상-한정 홀로그래피 그레이팅은 블레이즈드 그레이팅 (blazed grating) 표면 상의 각 지점에 야기된 위상 지연을 모델링함으로써 형성될 수 있다. 진폭 전용 홀로그램은, 진폭 전용 홀로그램의 각도 조향을 제공하기 위해, 객체의 진폭 전용 홀로그램 시현 상에 단순히 중첩될 수 있다.
소위 "푸리에 경로 길이"는 푸리에 변환 렌즈로부터 상응하는 홀로그래피 복원까지의 광학적 경로 길이이다. 홀로그래피 복원의 크기 I는 수학식 1과 같이 푸리에 경로 길이와 관련이 있다.
Figure 112017130760638-pct00001
여기서 f는 푸리에 경로 길이이고, λ는 광의 파장이고, p는 SLM 상의 픽셀의 크기이다.
주어진 푸리에 경로 길이 및 공간 광변조기 픽셀 사이즈에 대해, 홀로그래피 복원 사이즈를 다르게 하면 다른 컬러가 나온다. 예를 들어 다음과 같다.
f = 300 m
적색 (λr) = 640 nm
녹색 (λg) = 532 nm
청색 (λb) = 450 nm
p[x,y] = 8 um
이와 같이 하면 세개의 다른 사이즈의 홀로그램 복원이 형성된다:
적색 = 24.02 mm,
녹색 = 19.96 mm, 그리고
청색 = 16.88 mm.
종래 시스템에서는 푸리에 경로 길이가 모든 컬러 채널에 대해 동일하기 때문에 도 2에 표시된 것과 같은 홀로그래피 복원이 생성된다.
도 2는 동심축으로 정렬된 응답 평면(reply plane)에서의 적색 홀로그래피 복원(201), 녹색 홀로그래피 복원(203)및 청색 홀로그래피 복원(205)을 나타낸다.
최대 풀컬러 이미지 (적색, 녹색 및 청색이 오버랩되는 영역)는 청색 홀로그래피 복원 크기에 의해 제한된다. 이것은 추가적인 문제를 야기하므로, 단일 연산 엔진 (computation engine)을 사용하여 홀로그래피 복원을 계산하는 것이 바람직하다. 이상적으로는 각 이미지에 대해 동일한 해상도가 계산되어야 하지만, 이 경우 풀컬러 이미지의 각 컬러가 달라질 수 있다. 예를 들어 다음과 같다.
홀로그램 해상도 [X,Y] = 1024 x 1024.
풀컬러 영역 : 청색 해상도 [X,Y]= 1024.
풀컬러 영역 : 녹색 해상도 [X,Y] =
Figure 112017130760638-pct00002
˙16.88 mm=866
풀컬러 영역 : 적색 해상도 [X,Y] =
Figure 112017130760638-pct00003
˙16.88 mm=720
이미지 품질의 저하를 초래하기 때문에, 풀컬러 이미지 영역 내에서 개별적인 파장들(컬러들)이 다른 해상도를 가지는 것은 바람직하지 않다.
이에 대한 해결책으로서, 모든 컬러가 풀컬러 영역과 동일한 해상도를 가지는 것을 보장하기 위해, 계산된 홀로그램의 해상도를 변경하는 것이 좋다.
해상도는 다음과 같이 결정된다:
풀컬러 영역 : 청색 해상도 [X,Y]= 1024.
풀컬러 영역 : 녹색 해상도 [X,Y] =
Figure 112017130760638-pct00004
˙19.96 mm=1210
풀컬러 영역 : 적색 해상도 [X,Y] =
Figure 112017130760638-pct00005
˙24.02 mm=1458
그러나, 계산적으로 볼 때, 청색 채널이 2의 승수 (즉, 2A10=1024)이기 때문에 이것은 바람직하지 않고, 이는 FFT를 이용하면 효과적으로 계산된다. 적색과 녹색 채널은 2의 크지 않은 승수이므로, 훨씬 더 높은 해상도를 제공함은 매우 중요하다. FFT의 연산 요구 사항이 로그함수라면, 해상도의 증대는 바람직하지 않다.
발명자들은 각 컬러 채널에 각기 다른 푸리에 경로 길이를 사용하는 것이 유리하다는 것을 인지했다. 각기 다른 푸리에 경로 길이는 푸리에 렌즈의 사용에 의해 결정된다.
따라서 디스플레이 시스템이 제공된다. 이 시스템은, 제1 홀로그래픽 재구성 (holographic reconstruction)에 상응하는 제1 홀로그래픽 데이터를 디스플레이하고, 제1 파장의 광을 수신하도록 구성된 제1 복수의 픽셀들; 제2 홀로그래픽 재구성에 상응하는 제2 홀로그래픽 데이터를 디스플레이하고, 제2 파장의 광을 수신하도록 구성된 제2 복수의 픽셀들; 상기 제1 복수의 픽셀들로부터의 제1 파장을 갖는 공간적으로 변조된 광을 수신하고, 수신된 광에 대해 광학 푸리에 변환을 수행하여 재생 플레인 (replay plane)에서 상기 제1 홀로그래픽 재구성을 형성하되, 상기 제1 홀로그래픽 재구성은 상기 제1 파장에서의 광으로 형성되는, 제1 푸리에 변환 렌즈; 및 상기 제2 복수의 픽셀들로부터의 제2 파장을 갖는 공간적으로 변조된 광을 수신하고, 수신된 광에 대해 광학 푸리에 변환을 수행하여 재생 플레인 (replay plane)에서 상기 제2 홀로그래픽 재구성을 형성하되, 상기 제2 홀로그래픽 재구성은 상기 제2 파장에서의 광으로 형성되는, 제2 푸리에 변환 렌즈를 포함하되, 상기 제1 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 광학경로 길이는 상기 제2 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 광학경로 길이와 동일하지 않은 것을 특징으로 한다.
각각의 푸리에 경로 길이가 다른 경우의 일 실시예가 도 3에 도시된다.
도 3은 단지 예를 들기 위한 목적으로 세가지 컬러 채널들을 보여 준다. 본 개시는 광 채널의 수에 상관없이 동일하게 적용될 수 있다. 제1 컬러 채널은 제1 빔 스플리터(305)를 경유하여 청색광(303)을 수신하도록 구성된 제1 SLM(301)을 포함한다. 청색광은 SLM(301)에 의해 공간적으로 변조된다. SLM(301)이 제공하는 위상 변조는 이미지 성분 및 푸리에 렌즈 성분을 포함한다. SLM(301)은 반사되고, 공간-변조된 광은 미러(307)에 의해 재생 평면(350)을 향한다. 선택적으로, 미러(307)는 SLM(301)으로부터의 0차 회절 광을 제거하기 위한 개구부(aperture)를 포함한다. 마찬가지로 제2 빔 스플리터(315)를 경유하여 녹색광(313)을 수신하도록 제2 SLM(311)을 포함하는 녹색 채널이 제공된다. 녹색광은 제2 SLM(311)에 의해 공간적으로 변조된다. 제2 SLM(311)에 의해 제공되는 위상 변조는 이미지 성분 및 푸리에 렌즈 성분을 포함한다. 제2 SLM(311)은 반사되고, 공간-변조된 빛은 제2 미러(317)에 의해 재생 평면(350)으로 향한다. 선택적으로, 제2 미러(317)는 제2 SLM(311)으로부터의 0차 회절 광을 제거하기 위한 개구부(aperture)를 포함한다. 또한 마찬가지로, 제3 빔 스플리터(325)를 경유하여 적색광(323)을 수신하도록 구성된 제3 SLM(321)을 포함하는 적색 채널이 제공된다. 적색광은 제3 SLM(321)에 의해 공간적으로 변조된다. 제3 SLM(321)에 의해 제공되는 위상 변조는 이미지 성분과 푸리에 렌즈 성분을 포함한다. 제3 SLM(321)은 반사되고, 공간-변조된 빛은 제3 미러(327)에 의해 재생 평면( 350)으로 향한다. 선택적으로, 제3 미러(327)는 제3 SLM(321)으로부터의 0차 회절 광을 제거하기 위한 개구부(aperture)를 포함한다. 일부 실시예들에서는, 스크린(screen) 또는 디퓨저(diffuser)와 같이 빛을 수신하는 표면이 재생 필드(350)에 위치한다.
도 3에서, 제1 SLM(301)에서 재생 필드까지의 제1 광학 경로(309)의 길이는 제2 SLM(311)에서 재생 필드까지의 제2 광학 경로(319)의 길이보다 길고, 제2 광학 경로(319)는 제3 SLM(321)에서 재생 필드까지의 제3 광학 경로(329)의 길이보다 길다. 각 광학 경로 길이는 푸리에 렌즈가 SLM 상에 있는 효과를 가지기 때문에 해당 채널의 "푸리에 경로 길이"라고 할 수 있다. 따라서 푸리에 경로 길이는 파장에 따라 달라지며, 선택적으로 파장에 반비례한다는 것을 이해할 수 있다. 각 푸리에 경로는 각각 미러를 포함하는데, 각 미러 중 적어도 하나는 이색성(dichroic) 미러이다. 일부 실시예들에서, 복수의 미러 및 재생 평면이 공통의(common) 광학 경로에 배치된다. 일부 실시예들에서는 복수의 미러 및 재생 평면이 동일선상(collinear)에 위치한다.
제2 미러(317)는 녹색광을 사실상 반사하되 청색광은 사실상 투과하는 제1 이색성 미러이다. 제3 미러(327)는 적색광을 사실상 반사하되 실질적으로 녹색과 청색광을 투과시키는 제2 이색성 미러이다. 통상의 기술자라면 위에 설명된 기능을 제공하기 위해 미러 상에 이색성 코팅을 이용하는 기술에 익숙할 것이다. 도 3은 단지 예를 들기 위해 청색, 녹색 및 적색 채널을 묘사하고 있으며, 본 개시는 임의의 다양한 파장의 채널에 적용될 수 있다. 제1 미러(307)가 이색성 미러일 필요가 없다는 것은 분명하다.
일부 실시예들에서, 장치는 두 개의 광 채널과 하나의 이색성 미러 (또는 이색성 코팅이 되어 있는 미러)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 장치는 3개의 광 채널과 2개의 다른 이색성 미러 (또는 이색성 코팅이 되어 있는 미러)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 장치는 n개의 광 채널과 (n-1)개의 이색성 미러 (또는 이색성 코팅이 되어 있는 미러)를 포함한다. 다시 언급하지만, 통상의 기술자라면 위에 설명된 광학적 반사/투과를 제공하기 위해 필요한 이색성 미러 또는 미러에 이색성 코팅을 하는 기술에 익숙할 것이다.
(n-1)개의 이색성 미러를 사용하는 경우 (여기서 n은 광 채널의 수), 다양한 컬러 채널이 재생 평면에 공통되는 광학축으로 향해진다. 특히, 컬러 채널은 최종 미러에서 재생 평면까지의 영역에서 동일선상에 있게 된다. 따라서 위에서 언급한 바와 같은 적어도 하나의 이색성 미러를 사용하면 실질적으로 동일선상의 광학 경로가 제공된다. 예를 들어 도3을 다시 보면, 제2 미러(317)는 녹색광을 청색광과 공통되는 광학 경로로 향하게 하고, 제3 미러(327)는 적색광을 청색광과 녹색광과 공통되는 경로로 향하게 한다.
따라서 디스플레이 장치는 복수의 컬러 채널을 위한 동일선상의 광 경로를 포함하는데, 컬러 채널들은 서로 다른 푸리에 경로 길이를 갖는다.
이 동일선상 광학 경로로 인해 광학적 정렬, 미광(stray light) 관리가 가능해지고 장치가 컴팩트해질 수 있다. 특히 도 3의 제1 미러(307)도 독립적으로 정렬될 수 있어, 녹색 또는 적색광 경로에 영향을 주지 않는다. 제1 미러(307)를 사용하여 재생 필드에서 청색광이 정렬되면 제2 미러(310)는 청색광에 영향을 주지 않고 (예를 들어, 오정렬 또는 정렬 이탈) 정렬될 수 있다. 마지막으로, 적색광은 청색 혹은 녹색광에 영향을 주지 않고 (예를 들어, 오정렬 또는 정렬 이탈) 정렬될 수 있다. 따라서 정렬이 용이한 장치가 제공된다. 또한 복수의 컬러 채널을 가진 디스플레이 장치를 정렬하는 진보된 방법이 제공된다.
또다른 실시예가 도 4에 도시된다.
도 4는 도 3과 사실상 같지만 단순함을 위해 빔 스플리터가 생략되었다. 공간적 광변조기를 위한 상이한 광학적 구성들은 얼마든지 생각할 수 있다. 도 4는 각 컬러 채널 상의 물리적인 렌즈를 추가로 보여주는데, 이들은 시스템으로부터 나와 각각의 미러 (408, 418, 428)의 개구부를 통하여 공간 광변조기로부터 수신한 0차 (즉, 변조되지 않은)의 광을 포커싱한다. 각각의 공간 광변조기에서 나온 변조된 광은 예를 들어 각각의 홀로그래피 데이터에 광학 파워(optical power)를 부가함으로써 공간 상의 다른 면에 포커싱될 수 있다. 따라서, 홀로그래피 복원에 나쁜 영향을 주지 않고도 각 컬러 채널에서 0차의 빛을 제거하는 방법이 제공된다. 도 4의 광선에 표시된 화살표는 각각의 공간 광변조기의 조사 방향과 복원의 방향을 나타낸다. 의심의 여지를 없애기 위해, 0차의 빛은 도 3과 같이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동한다.
보다 상세하게는, 도 4에 청색 채널(403), 녹색 채널(413), 적색 채널(423)을 포함하는 추가적인 실시예가 도시되어 있다. 청색 채널(403)은 SLM(401) 및 미러(408)를 포함하는데, 이들은 공간적으로 변조된 빛을 SLM(401)로부터 재생 필드(450)로 유도한다. 녹색 채널(423)은 SLM(421) 및 제3 미러(428)을 포함하는데, 이들은 공간적으로 변조된 빛을 SLM(421)로부터 재생 필드(450)로 유도한다. 일부 실시예들에서는 스크린 또는 디퓨저와 같이 광을 수신하는 표면이 재생 필드(450)에 위치한다. 다시 말해, 각 미러(408, 418및 428)는 시스템으로부터 나오는 0차 회절 광을 제거하기 위하여 배치되는 중앙 개구부(central aperture)를 포함한다. 도 4에서는 거리(409)가 거리(429)보다 길고, 거리(429)는 거리(419)보다 길다.
특히, 발명자들은, 이러한 방식으로 풀컬러 이미지를 형성함으로써 각 컬러별 픽셀 수를 일정하게 유지하므로, 세가지 컬러 채널 모두에 사용되는 공통적인 연산 엔진을 사용할 수 있게 되었다. 편리하게도, 도 3에 나타난 광학적 구성은 패키징 관점에서 볼 때 장점을 갖는데, 컬러 채널을 혼합할 필요성 때문에 이색성 미러들을 공간적으로 떨어지게(displaced) 해야 하므로, 이 공간적 변위(displacement)가 가변 푸리에 경로 길이의 일부로 사용될 수 있기 때문이다.
실시예들에 있어서, 파장-의존성 경로 길이는 수학식 2에 의해 결정된다.
Figure 112017130760638-pct00006
여기서 f = 푸리에 경로 길이, I = 홀로그래피 복원의 사이즈, λ = 각 컬러 채널의 파장 및 p = SLM 상의 픽셀의 사이즈이다.
예를 들어, 푸리에 경로 길이(푸리에 렌즈 초점길이 [FL])는 각 파장에 대하여 다음과 같이 정해질 수 있다.
I = 30 mm
적색 (λr) = 640 nm
녹색 (λg) = 532 nm
청색 (λb) = 450 nm
p[x,y] = 8 um
이렇게 하면 세개의 서로 다른 홀로그램 복원이 생성된다.
적색 FL = 374.7 mm
녹색 FL = 450.9 mm
청색 FL= 533.1 mm
실시예들에 있어서, 각 개별 컬러 이미지의 크기가 동일한 풀컬러 가상 이미지 (virtual image)가 제공된다. 즉, 실시예들에 있어서, 제1 광학 경로 길이와 제2 광학 경로 길이는, 제1 홀로그래피 복원과 제2 홀로그래피 복원이 동일한 크기가 되도록 결정된다는 것을 이해할 수 있다. 발명자들은 제1 광학 경로 길이와 제2 광학 경로 길이가, 제1 홀로그램 복원과 제2 홀로그래피 복원이 같은 해상도를 가지도록 된다는 것을 인지했다. 실시예들에 있어서 물리적 사이즈의 불일치와 해상도 불일치 문제가 동시에 해결된다.
본 개시에 따른 시스템은 자명하지 않은데(not obvious), 그 이유는 역사적으로 푸리에 렌즈가 물리적인 렌즈이고, 세개의 서로 다른 파장을 정확히 동일한 크기로 회절시키기 위하여 정확히 맞는 초점길이를 갖는 세개의 물리적인 렌즈를 창출하는 것이 실현 불가능하다고 일반적으로 생각되어 왔기 때문이다. 특히 보통 렌즈의 초점길이의 공차(tolerance)가 5%라는 것을 생각하면 더욱 그렇다. 그러나, 이러한 허용 가능한 현실적 단점들이 본 발명의 내용에 따라 달성할 수 있는 이미지의 품질 향상에 의해 충분히 상쇄된다는 것을 발명자들은 인지했다. 더욱 좋은 실시예들에서, 사실상의 단점들이 더욱 더 상쇄될 수 있으므로, 시스템을 좀더 활용성 좋게 하기 위해 푸리에 렌즈가 위상-한정 렌즈로서 홀로그램 내부로 통합된다. 특히, 픽셀 크기를 충분히 작게 하면, 충분한 강점을 갖는 위상-한정 푸리에 렌즈 (대형 픽셀 및 짧은 초점길이의 위상-한정 렌즈는 앨리어싱 (alising)과 이미지 왜곡을 초래한다)를 만들 수 있다는 것을 발명자들은 인지하였다.
실시예들에 있어서, 제1 홀로그래피 복원과 제2 홀로그래피 복원이 일치한다는(coincident) 것이 명백하다. 이에 따라 다색성 객체의 복합 컬러 홀로그래피를 제공할 수 있다. 제1 홀로그래피 복원은 객체의 제1 파장 성분을 나타내며, 제2 홀로그래피 복원은 객체의 제2 파장 성분을 나타낸다. 본 개시는 푸리에 홀로그래피에 국한되지 않지만, 일부 실시예들에서는 제1 홀로그램 데이터는 주파수 영역에서 객체의 제1 파장 성분을 나타내고 제2 홀로그램 데이터는 주파수 영역에서 객체의 제2 파장 성분을 나타낸다.
푸리에 렌즈는 각각의 홀로그래피 데이터 (즉, 홀로그램)의 일부를 형성하는 위상-한정 렌즈일 수 있다. 푸리에 렌즈는 물리적인 광학렌즈일 수도 있다.
실시예들에 있어서, 제1 푸리에 변환 렌즈가 제1 물리적 광학 렌즈이다. 특히 이러한 실시예들에서 설명된 0차 제거용 개구부는 구성에 따라서는 미러 및 홀로그래피 복원 및 0차 광이 광학 경로의 서로 다른 평면에서 초점이 맞춰지도록 홀로그래피 데이터에 추가되는 광학 파워(optical power)가 선택적으로 포함될 수 있다. 다른 실시예에서는 제1 푸리에 변환 렌즈가 제1 홀로그래피 데이터의 제1 렌즈 데이터이다. 즉, 제1 홀로그램 데이터는 이미지 구성요소와 렌즈 구성요소 (lensing component)를 포함하는데, 렌즈 구성요소는 제1 푸리에 변환 렌즈가 된다. 실시예들에서 푸리에 변환 렌즈가 SLM에 연산적으로 제공되고, 제1 렌즈 데이터는 소프트웨어-정의된 데이터임을 이해할 수 있다.
마찬가지로, 실시예들에서, 제2 푸리에 변환 렌즈는 제2 물리적 광학 렌즈이다. 다른 실시예들에서 제2 푸리에 변환 렌즈는 제2 홀로그래피 데이터의 제2 렌즈 데이터이다. 즉, 제2 홀로그래피 데이터는 이미지 구성요소와 렌즈 구성요소를 포함하며, 렌즈 구성요소는 제2 푸리에 변환 렌즈이다. 실시예들에서 푸리에 변환 렌즈가 SLM에 연산적으로 제공되고, 제2 렌즈 데이터는 소프트웨어-정의된 데이터임을 이해할 수 있다.
유리한 실시예들에서, 제1 푸리에 변환 렌즈는 물리적 광학 렌즈이며, 제2 푸리에 변환 렌즈는 제2 홀로그래피 데이터의 렌즈 데이터이거나 그 반대이다.
통상의 기술자는 본 개시에 따라 다양한 푸리에 경로 길이를 결정하기 위해 수학식 2가 상이한 컬러/파장에 동등하게 적용될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있다. 실시예들에서 제1 파장은 적색광이고 제2 파장은 녹색광이다. 즉, 제1 파장은 적색광에 해당하는 전자기 스펙트럼 영역(또는 밴드) 내의 파장이다. 마찬가지로, 제2 및 제3 파장은 각각 녹색광과 청색광에 해당하는 전자기 스펙트럼의 영역(또는 밴드)에 해당하는 파장이다.
그러므로 실시예들에 있어서, 제1 파장은 제2 파장보다 길고 제1 푸리에 변환 렌즈로부터 재생 평면까지의 광학 경로 길이는 제2 푸리에 변환 렌즈로부터 재생 평면까지의 광학 경로 길이보다 짧다는 것을 이해할 수 있다. 실시예들에서, 푸리에 변환 렌즈의 초점 길이는 해당 광의 파장에 반비례한다.
실시예들에서, SLM은 반사형 LCOS SLM이다. 다른 실시예들에서는 SLM이 투사적(transmissive) 또는 MEMs기반 SLM이다. 실시예들에 있어서, SLM은 위상 변조만 한다 (즉, 진폭 변조가 아님). 실시예들에 있어서 제1 홀로그래피 데이터는 제1 위상-지연 분포에 대응하고 제2 홀로그래피 데이터는 제2 위상-지연에 대응한다. 다른 실시예들의 경우, SLM은 진폭-변조 또는 진폭 및 위상-변조이다. 즉, 실시예들에서, 제1 복수의 화소는 제1 공간 광변조기, 선택적으로 제1 반사형 LCOS공간 광변조기에 의해 제공되며, 제2 복수의 화소는 제2 반사형 LCOS공간 광변조기에 의해 제공된다. 실시예들에서 각 픽셀은 15 μm보다 작은 직경을 갖는다.
실시예들에 있어서, 하나 이상의 컬러 채널에 대해 0차 제거 요소 (zero-order removal element)가 제공된다. 0차 제거 요소는 공간 필터로 생각할 수 있다. 보다 유리하게는, 0차의 빛을 제거하면 홀로그래피 복원의 신호 대 잡음비가 증대된다. 따라서, 시스템은 제1 푸리에 변환 렌즈로부터 재생 평면에 도달하는 제1 파장의 0차 회절광을 방지하기 위해 구성된 재생 평면까지의 광학 경로 상에 제1 공간 필터를 추가로 포함하는 한편 제2 푸리에 변환 렌즈로부터 재생 평면에 도달하는 제2 파장의 0차 회절광을 방지하기 위해 구성된 재생 평면까지의 광학 경로 상에 제2 공간 필터를 추가로 포함한다.
실시예들에 있어서, 제1 및/또는 제2 공간 필터는 각각의 이색성 미러에 통합되어 있으며, 제1 광학 경로 상에 0차 회절광을 제공하도록 배치된 제1 부분(first portion) 및 제2 광 경로 상에 고차 회절광(higher-order diffracted light)을 제공하기 위해 배치된 제2 부분을 포함한다. 실시예들에 있어서 제1 부분은 개구부이고 제2 부분은 반사(또는 반사적인) 부분이다.
실시예들에 있어서, 디스플레이 시스템은 제1 파장의 빛을 제1 복수의 픽셀에 조사하도록 배치된 제1 광원 및 제2 파장의 빛을 조사하는 제2 복수의 화소를 조사하도록 배치된 제2 광원을 포함한다. 실시예들에 있어서, 광원은 사실상 단색적(monochromatic)이다. 실시예들에서, 광원은 레이저와 같이 코히런트(coherent) 광을 발산하는 광원이다.
본 개시가 두가지 컬러 채널 이상으로 확장될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 실시예들에서, 적색, 녹색 및 청색 채널들이 컬러 홀로그래피 복원을 생성하기 위하여 제공되는데, 추가의 컬러 채널, 예컨대, 적색, 녹색, 황색 및 청색이 추가될 수 있다.
실시예들에 있어서, 디스플레이 시스템은: 제3 홀로그래픽 재구성 (holographic reconstruction)에 상응하는 제3 홀로그래픽 데이터를 디스플레이하고, 제3 파장의 광을 수신하도록 구성된 제3 복수의 픽셀들; 및 상기 제3 복수의 픽셀들로부터의 제3 파장을 갖는 공간적으로 변조된 광을 수신하고, 수신된 광에 대해 광학 푸리에 변환을 수행하여 재생 플레인 (replay plane)에서 상기 제3 홀로그래픽 재구성을 형성하되, 상기 제3 홀로그래픽 재구성은 상기 제3 파장에서의 광으로 형성되는, 제1 푸리에 변환 렌즈를 추가로 포함한다. 여기서, 상기 제3 푸리에 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 광경로 길이는 상기 제2 푸리에 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 광경로 길이 또는 상기 제1 푸리에 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 광경로 길이와는 다르다.
실시예들에서, 제1 홀로그래피 복원, 제2 홀로그래피 복원, 및 제3 홀로그래피 복원은 코인시던스를 갖는다(coincident). 이에 따라 고품질의 컬러 홀로그래피가 얻어진다.
따라서 실시예들에서, 제1 홀로그래피 복원, 제2 홀로그래피 복원 및 제3 홀로그래피 복원이 동일한 크기이며 동일한 해상도를 가지도록, 세가지 컬러 채널, 제1 광학 경로 길이, 제2 광학 경로 길이 및 제3 광학 경로 길이를 포함하는 것이 이해될 수 있다.　실시예들에서, 제3 파장은 청색광이다.
실시예들에서, 각 홀로그래피 복원은 2D비디오 프레임의 시퀀스 중 하나이다. 실시예들에서, 재생 평면은 시청자로부터 공간적으로 멀리 떨어져 있다. 즉, 재생 필드가 가상 이미지로 표시된다.
본 개시에 따른 디스플레이 시스템은 여러가지 중에서도 헤드업(head-up) 디스플레이 및 헤드 마운트(head-mount) 디스플레이, 홀로그래픽 프로젝션 디스플레이를 구성하는 데 사용할 수 있다. 디스플레이 시스템은 각 컬러에 대한 재생 필드의 최대 해상도를 사용하여 풀 컬러 홀로그래피에 이용된다.
일부 실시예들에서는 본 개시의 홀로그램 시스템은 향상된 헤드업 디스플레이 (HUD), 헤드 마운트 디스플레이 또는 근안용(Head-eye) 장치를 제공하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서는 HUD를 제공하기 위해 차량 내부에 설치된 홀로그램 프로젝션 시스템을 구비한 차량이 제공된다. 차량은 자동차, 트럭, 밴, 로리(lorry), 오토바이, 기차, 비행기, 보트 또는 배와 같은 자동 운반장치일 수 있다.
여기에 기술된 방법과 프로세스는 컴퓨터 판독 가능 매체에 구현될 수 있다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM), 버퍼 메모리, 플래시 메모리 및 캐시 메모리와 같이 데이터를 임시 또는 영구적으로 저장하도록 된 매체를 포함한다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 수 있는 명령어를 저장할 수 있는 장치를 포함하고, 기계로 하여금 여기에 설명된 하나 이상의 방법들을 전체적으로 혹은 부분적으로 수행하게 한다.
"컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 또한 클라우드-기반 스토리지 시스템을 포괄한다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 가시적이고 비일시적인(non-transitory) 데이터 저장소 (예를 들어, 데이터 볼륨)로서, 솔리드 스테이트 메모리 칩, 광학 디스크, 마그네틱 디스크 또는 이들의 여타 적합한 조합 등이 그 예이나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 실시예들에서, 실행을 위한 명령어들이 캐리어 매체(carrier medium)에 의해 커뮤니케이션될 수 있다. 이러한 캐리어 매체는 과도 매체 (transient medium, 예컨대 지시어를 통신하는 전파되는 신호) 등이 있다.
본 발명은 설명된 실시예들에 국한되지 않고 첨부된 청구항의 전체 범위로 확장된다.

Claims (28)

  1. 디스플레이 시스템에 있어서,
    제1 홀로그래픽 재구성 (holographic reconstruction)을 형성하기 위한 제1 홀로그래픽 데이터를 디스플레이하고, 제1 파장의 광을 수신하며, 수신된 상기 제1 파장의 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 제1 복수의 픽셀들;
    제2 홀로그래픽 재구성을 형성하기 위한 제2 홀로그래픽 데이터를 디스플레이하고, 제2 파장의 광을 수신하며, 수신된 상기 제2 파장의 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 제2 복수의 픽셀들;
    공간적으로 변조된 상기 제1 파장의 광에 대해 푸리에 변환을 수행하여 재생 플레인 (replay plane)에서 상기 제1 홀로그래픽 재구성을 형성하되, 상기 제1 홀로그래픽 재구성은 상기 제1 파장에서의 광으로 형성되는, 제1 푸리에 변환 렌즈; 및
    공간적으로 변조된 상기 제2파장의 광에 대해 푸리에 변환을 수행하여 재생 플레인 (replay plane)에서 상기 제2 홀로그래픽 재구성을 형성하되, 상기 제2 홀로그래픽 재구성은 상기 제2 파장에서의 광으로 형성되는, 제2 푸리에 변환 렌즈
    를 포함하되, 상기 제1 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 제1 광학경로 길이는 상기 제2 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 제2 광학경로 길이와 동일하지 않은, 디스플레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장은 상기 제2 파장보다 길고, 상기 제1 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 제1 광학경로 길이는 상기 제2 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 제2 광학경로 길이보다 짧은, 디스플레이 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 푸리에 변환 렌즈의 초점거리는 대응하는 광의 파장에 반비례하는,
    디스플레이 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 광학경로 길이 및 상기 제2 광학경로 길이는 상기 제1 홀로그래픽 재구성 및 상기 제2 홀로그래픽 재구성이 동일한 크기를 갖도록 하는 길이인, 디스플레이 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 광학경로 길이 및 상기 제2 광학경로 길이는 상기 제1 홀로그래픽 재구성 및 상기 제2 홀로그래픽 재구성이 동일한 해상도를 갖도록 하는 길이인, 디스플레이 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 홀로그래픽 재구성 및 상기 제2 홀로그래픽 재구성이 동일한 크기 및 동일한 해상도를 갖는, 디스플레이 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 푸리에 변환 렌즈는 상기 제1 복수의 픽셀들로부터 상기 제1 파장을 갖는 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 구성되는 제1 물리적 광학기구인, 디스플레이 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홀로그래픽 데이터는 이미지 성분과 렌즈 효과 성분을 포함하되, 상기 렌즈 효과 성분은 상기 제1 푸리에 변환 렌즈인, 디스플레이 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 푸리에 변환 렌즈는 소프트웨어-정의된 것인, 디스플레이 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 푸리에 변환 렌즈는 상기 제2 복수의 픽셀들로부터 상기 제2 파장을 갖는 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 구성되는 제2 물리적 광학기구인, 디스플레이 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 홀로그래픽 데이터는 이미지 성분과 렌즈 효과 성분을 포함하되, 상기 렌즈 효과 성분은 상기 제2 푸리에 변환 렌즈인, 디스플레이 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 푸리에 변환 렌즈는 소프트웨어-정의된 것인, 디스플레이 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홀로그래픽 재구성은 객체의 상기 제1 파장 성분이고 상기 제2 홀로그래픽 재구성은 상기 객체의 상기 제2 파장 성분인, 디스플레이 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홀로그래픽 데이터는 제1 위상-지연 분포이고 상기 제2 홀로그래픽 데이터는 제2 위상-지연 분포인, 디스플레이 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장의 광을 가지고 상기 제1 복수의 픽셀들을 조사하도록 구성되는 제1 광 소스 및 상기 제2 파장의 광을 가지고 상기 제2 복수의 픽셀들을 조사하도록 구성되는 제2 광 소스를 추가로 포함하는, 디스플레이 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 복수의 픽셀들은 제1 공간 광변조기 또는 제1 반사 LCOS 공간 광변조기에 의해 제공되고, 상기 제2 복수의 픽셀들은 제2 공간 광변조기 또는 제2 반사 LCOS 공간 광변조기에 의해 제공되는, 디스플레이 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장은 적색광에 대응하고 상기 제2 파장은 녹색광에 대응하는, 디스플레이 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 재생 플레인에 도달하는 상기 제1 파장의 0차 회절광을 방지하기 위하여 상기 제1 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 광경로 상에 존재하는 제1 공간 필터, 및 상기 재생 플레인에 도달하는 상기 제2 파장의 0차 회절광을 방지하기 위하여 상기 제2 푸리에 변환 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 광경로 상에 존재하는 제2 공간 필터 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 디스플레이 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    이색성 미러 (dichroic mirror) 상에 제공된 상기 제1 공간 필터는 제1 광경로 상의 0차 회절광을 제공하기 위하여 구성된 제1 부분을 포함하고, 상기 제2 공간 필터는 제2 광경로 상의 0차 회절광을 제공하기 위하여 구성된 제2 부분을 포함하는, 디스플레이 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 부분은 개구 (aperture)이고, 상기 제2 부분은 반사 부분인, 디스플레이 시스템.
  21. 제1항에 있어서,
    제3 홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)을 형성하기 위한 제3 홀로그래픽 데이터를 디스플레이하고, 제3 파장의 광을 수신하도록 구성된 제3 복수의 픽셀들; 및
    상기 제3 파장의 광에 대해 광학 푸리에 변환을 수행하여 재생 플레인 (replay plane)에서 상기 제3 홀로그래픽 재구성을 형성하되, 상기 제3 홀로그래픽 재구성은 상기 제3 파장에서의 광으로 형성되는, 제3 푸리에 변환 렌즈를 추가로 포함하되,
    상기 제3 푸리에 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 제3 광학경로 길이는 상기 제2 푸리에 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 제2 광학경로 길이 또는 상기 제1 푸리에 렌즈로부터 상기 재생 플레인까지의 상기 제1 광학경로 길이와는 다른, 디스플레이 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 홀로그래픽 재구성, 상기 제2 홀로그래픽 재구성 및 상기 제3 홀로그래픽 재구성은 동일한 크기 및 동일한 해상도를 갖는, 디스플레이 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1 광학경로 길이, 상기 제2 광학경로 길이 및 상기 제3 광학경로 길이는 상기 제1 홀로그래픽 재구성, 상기 제2 홀로그래픽 재구성 및 상기 제3 홀로그래픽 재구성이 동일한 크기 및 동일한 해상도를 갖도록 구성되는, 디스플레이 시스템.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 제3 파장은 청색광에 대응하는, 디스플레이 시스템.
  25. 제21항에 있어서,
    각각의 홀로그래픽 재구성은 2D 비디오 프레임의 시퀀스 중 한 프레임인, 디스플레이 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    각각의 픽셀은 15 μm 보다 작은 직경을 갖는, 디스플레이 시스템.
  27. 제1항 또는 제21항 중 어느 한 항의 디스플레이 시스템을 포함하는 근안 장치.
  28. 제1항 또는 제21항 중 어느 한 항의 디스플레이 시스템을 포함하는 헤드업 디스플레이.
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