KR102341991B1 - 홀로그램 프로젝터 - Google Patents

Abstract

광을 직사각형 재생 필드로 투사하도록 구성된 홀로그램 프로젝션 시스템이 제공된다. 홀로그램 프로젝션 시스템은 공간 광 변조기 및 광원을 포함한다. 공간 광 변조기는 컴퓨터 생성 홀로그램을 수신하고 재생 필드에서 홀로그래픽 재구성을 형성하는 공간 변조 광을 출력하도록 배열 된 픽셀의 어레이를 포함한다. 여기서, 각각의 픽셀은 직사각형이다. 광원은 재생 필드에 홀로그래픽 재구성을 형성하는 공간적으로 변조된 광을 형성하기 위해 복수의 픽셀을 조명하도록 배치된다. 여기서 직사각형 재생 필드(replay field)는 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리된다. 재생 필드의 종횡비는 각각의 픽셀의 종횡비와 실질적으로 동일하면서 직교하도록 배향된다.

Description

홀로그램 프로젝터

본 발명은 공간 광 변조기 및 프로젝터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 홀로그램 프로젝션 시스템, 공간 광 변조기를 제조하는 방법 및 홀로그램 투영(projection)을 위해 공간 광 변조기를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 몇몇 실시예들은 직사각형 재생 필드(replay field) 내로 또는 그 내부에 광을 투사하기 위한 프로젝터 및 직사각형 형상을 갖는 홀로그램 재생 필드 내에서 이미지 픽셀들의 해상도를 최대화하는 방법에 관한 것이다. 몇몇 실시예들은 헤드 업 디스플레이 및 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것이다.

물체에서 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는 예컨대 잘 알려진 간섭 기술에 의해 감광성 플레이트 상에 캡쳐 되어 홀로그래픽 기록 또는 간섭 줄무늬를 포함하는 "홀로그램"을 형성할 수 있다. 홀로그램은 원 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성(reconstruction) 또는 재생(replay) 이미지를 형성하기에 적절한 광을 조사함으로써 구성될 수 있다.

컴퓨터 생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 수치적으로 간섭 프로세스(interference process)를 시뮬레이션 할 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)는 프레넬(Fresnel) 또는 푸리에(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기술에 의해 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬 또는 푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 표현 또는 객체의 주파수 도메인 표현으로 간주될 수 있다. CGH는 또한 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기법(point cloud technique)에 의해 계산될 수 있다.

CGH는 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 형성된 공간 광변조기(SLM) 상에 인코딩 될 수 있다. 광 변조는 예컨대 전기적으로 어드레스 가능한 액정, 광학적으로 어드레스 가능한 액정 또는 마이크로 미러를 사용하여 달성될 수 있다.

SLM은 셀들(cells) 또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레싱 가능한 픽셀들을 포함할 수 있다.

광 변조 방식은 이진(binary), 다중 레벨(multilevel) 또는 연속(continuous)일 수 있다. 대안적으로, 이 장치는 연속적일 수 있으며(즉, 픽셀로 구성되지 않은), 이에 따라 광 변조는 장치 전체에 걸쳐서 연속적일 수 있다.

SLM은 변조 광이 SLM으로부터 반사되어 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. SLM은 변조 광이 SLM을 투과하여 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다. 상기 기술을 이용하여 화상을 투영하는 홀로그래픽 프로젝터가 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 예컨대 헤드업 디스플레이(HUD) 및 근안 장치를 포함하는 헤드마운트 디스플레이(HMD)에 적용되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전술한 바와 같은 홀로그램 프로젝터를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 정의된다.

광을 직사각형 재생 필드로 투사하도록 구성된 홀로그램 프로젝션 시스템이 제공된다. 홀로그램 프로젝션 시스템은 공간 광 변조기 및 광원을 포함한다. 공간 광 변조기는 컴퓨터 생성 홀로그램을 수신하고 재생 필드에서 홀로그래픽 재구성을 형성하는 공간 변조 광을 출력하도록 배열 된 픽셀의 어레이를 포함한다. 각각의 픽셀은 직사각형이다. 광원은 재생 필드에 홀로그래픽 재구성을 형성하는 공간적으로 변조된 광을 형성하기 위해 복수의 픽셀을 조명하도록 배치된다. 재생 필드(replay field)는 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리된다. 재생 필드의 종횡비는 각각의 픽셀의 종횡비와 실질적으로 동일하면서 직교하도록 배향된다. 즉, 재생 필드와 각 픽셀은 서로에 대해 직교하도록 배향된다. 재생 필드의 종횡비는 각각의 픽셀의 종횡비의 역수라고 볼 수 있고, 그 장축 및 단축이 재생 필드와 각 픽셀 사이에서 뒤바뀐다고 볼 수 있다.

특히, 재생 필드의 장축은 픽셀의 장축에 실질적으로 수직하다. 따라서, 재생 필드는 픽셀에 대해 직교하거나 픽셀에 대해 직교하게 구성되거나 픽셀에 대해 직교 배향된다고 볼 수 있다. 다시 말해서, 재생 필드를 한정하는 직사각형의 장축은 픽셀을 한정하는 직사각형의 장축에 수직이다.

홀로그램 프로젝션을 하기 위한 공간 광 변조기가 또한 제공된다. 공간 광 변조기는 컴퓨터 생성 홀로그램을 수신하고 재생 필드에서 홀로그래픽 재구성을 형성하는 공간적으로 변조된 광을 출력하도록 배열된 직사각형 픽셀들의 어레이를 포함한다.

홀로그램 프로젝션을 하기 위한 실리콘 공간 광 변조기의 액정이 추가로 제공된다. 공간 광 변조기는 위상 전용 컴퓨터 생성 홀로그램을 수신하고 재생 필드에서 홀로그래픽 재구성을 형성하는 공간 변조 광을 출력하도록 배열 된 직사각형 픽셀의 어레이를 포함한다.

직사각형 픽셀들로 이루어진 어레이를 포함하는 실리콘 공간 광 변조기에 액정이 제공된다. 타원형 또는 다른 세장형 픽셀들로 이루어진 어레이를 포함하는 공간 광 변조기가 또한 제공된다.

공간 광 변조기의 픽셀은 "홀로그램 픽셀"로 지칭 될 수 있다. 본 개시에 따르면, 홀로그램 픽셀은 직사각형이며, 직사각형 재생 필드에 "이미지 픽셀"의 최대 해상도(밀도)가 제공되며, 여기서 이미지 픽셀은 홀로그래픽 재구성(이미지) 내에서 가장 작은 분해 가능한 요소이다. 다시, 홀로그램 픽셀 및 재생 필드는 직교하도록 구성되며 방향 설정된다.

본 개시의 실시예들은 홀로그래픽 프로젝터에 관한 것이다. 의미 있는 이미지가 픽셀들의 어레이에서 직접 관찰 될 수 있는 종래의 디스플레이와는 구별된다. 실시예들에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 공간 광 변조기의 픽셀들의 어레이 상에 디스플레이 된다. 실시예들에서, 홀로그램은 의미 있는 이미지를 수학적으로 변환한 것(예 : 푸리에 변환한 것)이다. 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성은 재생 필드에 공간적으로 변조된 광이 간섭됨으로써 형성된다. 실시예들에서, 공간적으로 변조된 광은 공간 광 변조기의 픽셀들에 의해 회절 된다. 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성(단축하여 "이미지"라고 지칭 될 수 있음)은 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리되거나 공간적으로 멀리 떨어져 있는 스크린 또는 디퓨저와 같은 수광면 상에 투영된다.

본 발명자는, 복잡한 홀로그래픽 처리로 인해, 홀로그램 평면 내에서 가장 작은 특징의 형상이 재구성/이미지 평면에서 가장 큰 특징의 형상으로 조정(tuning)되면, 재구성/이미지 평면 내에서 최대 해상도가 얻어질 수 있다는 것을 인식하였다. 특히, 재구성/이미지 평면 내 최대 해상도가 되기 위해, 공간 광 변조기의 픽셀들의 형상은 재생 필드의 형상과 가능한한 최대한 일치해야 한다. 홀로그램 픽셀들의 형상이 재생 필드의 형상의 종횡비와 정확히 일치한다면, 모든 이미지 픽셀들이 디스플레이를 위해 사용될 수 있다. 종래의 디스플레이에서, 디스플레이 기기 상의 픽셀들의 형상은 재생 필드/이미지 평면의 전체 공간적 범위를 결정하는 것이 아니다. 종래의 디스플레이 기술과 다르게, 본 실시예들은 이미지를 형성하는 것이 회절에 의존되는 홀로그램 프로젝터에 관한 것이다. 따라서, 종래의 디스플레이 기술들이 개시하는 것들은 이미지를 형성하는 기본 물리법칙이 본 발명에 관해 상이한 것으로 제한되어야 된다.

또한, 다른 디스플레이 기술과 근본적으로 다른 실시예들에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 홀로그래픽 재구성을 수학적으로 변환한 것이다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 푸리에 변환(또는 간단히 푸리에) 홀로그램 또는 프레넬 변환 홀로그램 일 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 대안적으로 포인트 클라우드 방식을 이용해 계산될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 공간 광 변조기는 위상 한정 공간 광 변조기(phase-only spatial light modulator)이다. 이들 실시예들은 진폭을 변조함으로써 광학 에너지가 손실되지 않기 때문에 유리하다.

따라서, 효율적인 홀로그램 프로젝션 시스템이 제공된다. 그러나, 본 개시는 진폭 한정 공간 광 변조기 또는 진폭 및 위상 변조기에서도 동일하게 구현 될 수 있다. 홀로그램은 그에 따라 위상 한정, 진폭 한정 또는 완전 혼합형 인 것으로 이해될 수 있다.

홀로그램 픽셀들은 규칙적인 어레이를 갖도록 배열된다. 픽셀들은 직사각형이고 픽셀들의 장측 변은 실질적으로 평행하다. 실시예에서, 어레이의 한 방향으로의 픽셀 피치(pitch)는 어레이의 다른 방향으로의 픽셀 피치와 상이하다. 일부 실시예들에서, 픽셀들은 불필요한 거울 반사를 야기할 수 있는 픽셀간 공간을 최소화하기 위해 가능한한 밀접하게 패킹 된다.

다른 유리한 실시예들에서, 직사각형 픽셀은 정사각형 배열 또는 원형 배열로 배열된다. 본 발명자는 복잡한 홀로그래픽 프로세스로 인해, 홀로그램 평면에서 가장 큰 특징의 형상이 이미지 픽셀의 형상을 튜닝하는데 사용될 수 있음을 추가로 인식 하였다. 구체적으로, 홀로그램을 디스플레이 하는데 사용되는 능동 픽셀 어레이는 개구를 정의하고 개구의 형상은 이미지 품질을 개선하기 위해 이미지 픽셀을 최적화하는데 사용될 수 있다. 공간 광 변조기상의 개구는 연속적인 활성 픽셀 그룹을 묘사한다. 다른 유리한 실시 예에서, 각각의 홀로그램 픽셀은 액정을 포함하고, 액정의 n- 디렉터는 예를 들어 직사각형 픽셀의 긴 방향으로 마찰함으로써 정렬된다. 즉, 디렉터는 픽셀의 긴 면과 실질적으로 평행하다. 유리하게는, 디렉터를 긴 면과 정렬시킴으로써, 어레이 내의 주요 스위칭 프린지 필드의 효과가 최소화된다. 이는 주요 액정 전환이 픽셀의 가장 긴 방향에서 발생하기 때문이다. 따라서, 액정 배향, 즉 액정 배향 결함이 최소화된다.

또한, 직사각형 형상을 갖는 홀로그램 재생 필드에서 이미지 픽셀의 해상도를 최대화하는 방법이 제공된다. 이 방법은 컴퓨터 생성 홀로그램을 수신하는 단계를 포함한다. 본 방법은 복수의 홀로그램 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기 상에 컴퓨터 생성 홀로그램을 나타내는 단계를 포함한다. 홀로그램 픽셀은 직사각형이다. 이 방법은 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 공간 변조 광을 포함한다. 상기 방법은 종국적으로 홀로그램 재생 필드에서 홀로그래픽 재구성을 형성하는 단계를 포함한다. 홀로그램 재생 필드는 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리된다. 재생 필드의 종횡비는 각각의 홀로그램 픽셀의 종횡비에 실질적으로 반대가 된다.

공간 광 변조기 상에 디스플레이 된 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 공간 변조 광을 포함하는 공간 광 변조기를 동작시키고 홀로그램 재생 필드에서 홀로그래픽 재구성을 형성하는 방법이 또한 제공된다.

또한, 액정을 포함하는 직사각형 픽셀들(또는 직사각형 셀들)의 어레이를 형성하며 액정 방향들을 픽셀의 장축(또는 장변) 방향으로 정렬하는 단계를 포함하는 실리콘 소자 상에 액정을 제조하는 방법이 제공된다. 정렬 단계는 배향막에 의해 또는 배향막을 이용해 수행될 수 있고, 실리콘 소자상에 액정을 제조하는 방법은 정렬 속성 또는 정렬 특성을 부여하기 위해 배향막을 처리하는 단계를 더 포함 할 수 있다. 배향막을 처리하는 단계는 배향막에 방향성을 부여하는 것으로 볼 수 있다. 배향막의 배향 속성 또는 배향 특성은 물리적인 것 또는 토폴로지 일 수 있다. 배향막에 정렬 특성을 부여하는 단계는 물리적 러빙(rubbing), 배향성 증발 또는 광 배향을 포함하는 그룹 중에 선택된 적어도 하나를 포함 할 수 있다. 배향 특성은 액정이 셀 내로 주입되거나 적층되기 전 또는 후에 배향막에 부여 될 수 있다. 배향막은 액정과 물리적으로 접촉 할 수 있다. 배향막의 배향 특성은, 차례로, 액정 방향을 정렬시킨다. 따라서, 배향막은 직사각형 픽셀의 장변에 평행 한 방향성을 갖는다.

상이한 실시예들 및 실시예들의 그룹들이 다음의 상세한 설명에서 개별적으로 개시 될 수 있지만, 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 다른 실시예 또는 그룹의 실시예들의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합과 결합 될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징의 모든 가능한 조합 및 순열이 예상된다. "홀로그램"이라는 용어는 객체에 대한 진폭 정보 또는 위상 정보, 또는 그들의 몇몇 조합들을 포함하는 기록물을 지칭하는 데 사용된다. "홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)"이란 용어는 홀로그램을 조사하여 형성되는 물체의 광학적 재구성을 가리키는 용어이다. "재생 평면(replay plane)"라는 용어는 본 명세서에서 홀로그래픽 재구성이 완전히 형성된 공간 상의 평면을 가리키는데 사용된다. 용어 "재생 필드"는 공간 광 변조기로부터 공간적으로 변조 된 광을 수신 할 수 있는 재생 평면의 하위 영역을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다. "이미지"및 "이미지 영역"이라는 용어는 홀로그래픽 재구성을 형성하는 광에 의해 조명되는 재생 필드의 영역을 지칭한다. 실시예들에서, "이미지"는 "이미지 픽셀"로 지칭 될 수 있는 개별 스폿을 포함 할 수 있다.

"인코딩(encoding)", "기록(writing)"또는 "어드레싱(addressing)"이라는 용어는 각 픽셀의 변조 레벨을 각각 결정하는 복수의 제어 값에 대해 SLM의 복수의 픽셀을 제공하는 프로세스를 기술하는데 사용된다. SLM의 픽셀들은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포(light modulation distribution)를 "표시(display)"하도록 구성 될 수 있다.

"광"이라는 용어는 본 명세서에서 가장 넓은 의미로 사용된다. 실시예들은 가시 광선, 적외선 및 자외선, 및 이들의 임의의 조합에 동일하게 적용 가능하다.

"직사각형"및 "직사각형인"라고 지칭되는 것은 정확한 형상에 대해 약간의 공차를 허용한다는 것으로 이해될 것이다. "직사각형"이라는 단어는 "실질적으로 직사각형"으로 해석될 수 있다. 몇몇 실시예들은 단지 예시로서 1D 및 2D 홀로 그래픽 재구성을 설명한다. 다른 실시예들에서, 홀로 그래픽 재구성은 3D 홀로 그래픽 재구성이다. 즉, 일부 실시예들에서, 각각의 컴퓨터 생성 홀로그램은 3D 홀로그램 재구성을 형성한다.

구체적인 실시예들은 다음의 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사형 SLM을 나타내는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 제1 반복을 도시한다.
도 2b는 Gerchberg-Saxton 형 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 정사각형 픽셀들의 직사각형 어레이 및 정사각형 재생 필드를 도시한다.
도 5는 정사각형 재생 필드의 비활성 영역을 가짐으로써 직사각형 이미지 공간을 제공할 수 있는 방식을 도시한다.
도 6은 실시예들에 따른 직사각형 픽셀들의 직사각형 어레이를 도시한다.
도 7은 실시예에 따른 직사각형 픽셀들의 정사각형 어레이를 도시한다.
도 8은 다른 실시예들에 따른 직사각형 픽셀들의 원형 어레이를 도시한다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭한다.

본 발명은 다음에 설명되는 구성에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 확장된다. 즉, 본 발명은 다른 형태로 실시될 수 있으며 설명을 위하여 제시된 기술 내용의 구성에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

단수 형태의 용어는 달리 명시되지 않는 한 복수 형태를 포함 할 수 있다.

다른 구조물의 상부/하부 또는 상/하에 형성된 구조물이라고 기술된 경우, 구조물들이 서로 접촉하는 경우 및 제3의 구조물이 그 사이에 배치되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

시간 관계를 기술함에 있어서, 사건의 시간 순서가 예를 들어 "후", "후속", "다음", "전" 등으로 기술될 때, 본 개시는 별도로 규정하지 않는 한은 연속적 및 비연속적 사건을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 그 기재가 "막(just)", "바로(immediate)" 또는 "직접(direct)"라는 기재가 사용되지 않는 한, 비연속적 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제1요소는 제2요소로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2요소는 첨부된 청구 범위를 벗어남 없이 제1요소로 지칭될 수 있다. 상이한 구성의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양한 형태로 서로 상호 작용할 수 있다. 어떤 구성은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 서로 연계되어 함께 수행될 수도 있다.

수용 가능한 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래의 객체와 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 기록은 위상-한정 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 몇몇 실시예들은 단지 예시적으로 위상-한정 홀로그램에만 관련된다. 즉, 몇몇 실시예들에서, 공간 광 변조기는 입사광에 위상 지연 분포만을 적용한다. 몇몇 실시예들에서, 각 픽셀에 의해 적용되는 위상 지연은 다중 레벨이다. 즉, 각각의 픽셀은 이산화된 수(discrete number)로 이루어진 위상 레벨들 중 하나로 설정 될 수 있다. 위상 레벨들의 이산화된 수는 훨씬 많은 이산화된 수의 위상 레벨들 또는 "팔레트(palette)"로부터 선택될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 재구성을 위해 객체를 푸리에 변환한 것이다. 이들 실시예들에서, 홀로그램은 객체를 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 표현이라고 볼 수 있다. 도 1은 반사형 SLM을 사용하여 위상 한정 푸리에 홀로그램을 표시하며 재생 필드, 예를 들어, 스크린 또는 디퓨저와 같은 수광면에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 실시예를 도시한다.

예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens, 111)를 통해 SLM(140)에 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 파면의 방향은(예컨대, 투명층의 평면 대비 완전 직각으로부터 2°또는 3° 정도 떨어진) 약간 오프노멀(Off-Normal)하다. 다른 실시예들에서, 전체적으로 평면 파면은 예를 들어 빔 스플리터를 사용하여 수직 입사 방식으로 제공된다. 도 1에 도시된 예시에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 후방면의 미러에 반사되며 출사 파면(Exiting Wavefront, 112)을 형성하기 위해 위상-변조층(phase-modulating layer)과 상호작용하게 한다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다.

푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM으로부터 출사되는 위상 변조된 광의 빔을 전달받아 스크린(125)에 홀로그래픽 재구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환을 수행한다.

광은 SLM의 위상-변조 층(즉, 위상 변조 소자들의 어레이)을 가로 질러 입사한다. 위상 변조 층을 지나 출사되는 변조 광은 재생 필드를 가로 질러 분배된다. 특히, 이러한 유형의 홀로그래피에서 홀로그램의 각 픽셀들이 전체 재구성에 관여한다. 즉, 재생 이미지의 특정 지점과 특정 위상 변조 요소 간에는 일대일 상관 관계가 없다.

이 실시예들에서, 공간 상에서의 홀로그래픽 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 광 파워(optical power)에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이며 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 임의의 렌즈가 푸리에 변환 렌즈로 작동 할 수 있지만 렌즈의 성능은 푸리에 변환의 정확도를 제한할 것이다. 당업자라면 렌즈를 사용하여 광학 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해한다고 볼 것이다. 다만, 다른 실시예들에서, 푸리에 변환은 홀로그램 데이터 내 렌즈화 데이터(lensing data)를 포함함으로써 컴퓨터 계산적으로도 수행된다. 즉, 홀로그램은 객체를 나타내는 데이터 뿐만 아니라 렌즈를 나타내는 데이터를 포함한다. 컴퓨터 생성 홀로그램의 기술 분야에서, 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터를 계산하는 방법은 알려져 있다. 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터는 소프트웨어 렌즈로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 위상-한정 홀로그래픽 렌즈는 그 굴절률 및 공간적으로 변하는 광학 경로 길이로 인해 렌즈의 각 지점들에서 야기되는 위상 지연을 계산함으로써 형성 될 수 있다. 예를 들어, 볼록 렌즈의 중심에서의 광학 경로 길이는 렌즈의 가장자리에서의 광학 경로 길이보다 크다. 진폭-한정 홀로그래픽 렌즈는 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)에 의해 형성 될 수 있다. 또한, 컴퓨터 생성 홀로그램의 기술 분야에서, 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터를 객체들을 나타내는 홀로그램 데이터와 결합하여 푸리에 변환이 물리적 푸리에 렌즈 없이 수행 될 수 있는 방법이 알려져 있다. 몇몇 실시예들에서, 렌즈 데이터는 간단한 벡터 가산에 의해 홀로그램 데이터와 결합된다.

몇몇 실시예들에서, 물리적 렌즈가 푸리에 변환을 수행하기 위해 소프트웨어 렌즈와 함께 사용된다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성이 파-필드(far-field)에서 발생하도록 푸리에 변환 렌즈는 모두 생략된다. 다른 실시예에서, 홀로그램은 그레이팅(grating) 데이터, 즉 빔 배향(beam steering)과 같은 그레이팅의 기능을 수행하도록 형성된 데이터를 포함할 수 있다. 다시, 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서 그러한 홀로그램 데이터를 계산하고 이것을 객체를 나타내는 홀로그램 데이터와 결합시키는 방법은 알려져 있다. 예를 들어, 위상-한정 홀로그래픽 그레이팅은 블레이즈된(brazed) 그레이팅의 표면 상의 각 포인트에 의해 야기된 위상 지연을 모델링함으로써 형성될 수 있다. 진폭-한정 그레이팅은 진폭-한정 홀로그램에 간단히 중첩(superimposed)되어 홀로그래픽 재구성의 각도 배향(angular steering)을 제공할 수 있다.

2D 이미지의 푸리에 홀로그램은 게르흐버그-섹스톤(Gerchberg-Saxton)알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하는 것을 포함하여 여러 가지 방법으로 계산 될 수 있습니다. 게르흐버그-섹스톤 알고리즘은 공간 도메인 내 진폭 정보(예 : 2D 이미지)로부터 푸리에 도메인의 위상 정보를 유도하는 데 사용될 수 있다. 즉, 객체에 관한 위상 정보는 공간영역 내의 강도 또는 진폭 한정 정보로부터 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 따라서, 객체에 대한 위상-한정 푸리에 변환이 계산될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 게르흐버그-섹스톤 알고리즘 또는 그 변형 알고리즘을 이용하여 진폭 정보로부터 계산된다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은, 각각의 평면 A와 B에서 광빔(light beam) I_A(x, y) 및 I_B(x, y)의 강도 단면(intensity cross-sections)이 각각 단일 푸리에 변환으로 상호 연관되어 있는 상황을 고려한다. 주어진 강도 단면에서, 평면 A 및 B에서의 각각의 위상 분포에 대한 근사치인 Ψ_A(x, y) 및 Ψ_B(x, y) 가 구해진다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 반복 프로세스(iterative process)를 따름으로써 이 문제에 대한 해결책을 찾는다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 공간 영역과 푸리에(스펙트럼 또는 주파수) 영역 사이에서 I_A(x, y) 및 I_B(x, y)를 대표하는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전달하면서(repeatedly transferring) 공간적 및 스펙트럼 제약(constraints)을 반복적으로 적용한다. 공간 및 스펙트럼 제약 조건은 각각 I_A(x, y) 및 l_B(x, y)이다. 공간 또는 스펙트럼 영역의 제약 조건은 데이터 세트의 진폭에 부여된다. 해당 위상 정보는 일련의 반복을 통해 얻어진다.

몇몇 실시예들에서, 홀로그램은 영국 특허 제2,498,170 호 또는 제2,501,112 호에 기술 된 바와 같은 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기반한 알고리즘을 사용하여 계산되며, 이는 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다.

몇몇 실시예들에 따르면, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 알려진 진폭 정보 T[x, y]를 발생시키는 데이터 세트의 푸리에 변환의 위상 정보 Ψ[u, v]를 검색한다. 진폭 정보 T[x, y]는 대상 이미지(예컨대, 사진)를 나타낸다. 위상 정보 Ψ[u, v]는 이미지 평면에서 대상 이미지의 홀로그래픽 표현을 생성하는 데 사용된다.

진폭과 위상은 푸리에 변환에서 본질적으로 결합되므로, 변환된 크기(및 위상)에는 계산된 데이터 세트의 정확성에 대한 유용한 정보가 포함된다. 따라서, 알고리즘은 진폭 및 위상 정보 모두에 대한 피드백을 반복적으로 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 게르흐버그-섹스톤 알고리즘에 기반한 알고리즘의 예시가 도 2를 참조하여 이하에서 설명된다. 이 알고리즘은 반복적이고 수렴적이다. 이 알고리즘은 입력 이미지를 나타내는 홀로그램을 생성하도록 구성된다. 이 알고리즘은 진폭 한정 홀로그램, 위상 한정 홀로그램 또는 완전 복소 홀로그램을 결정하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예는 단지 예시적으로 위상 한정 홀로그램을 생성하는 것에 관한 것이다. 그림 2A는 알고리즘의 첫 번째 반복을 보여주며 알고리즘의 중요내용을 나타낸다. 도 2b는 알고리즘의 후속 반복을 나타낸다.

설명을 위해, 진폭 및 위상 정보는 본질적으로(intrinsically) 결합되어 복합 복소 데이터 세트를 형성하난 각각 개별적으로 고찰된다. 도 2a를 참조하면, 알고리즘의 코어는 제1 복소 데이터를 포함하는 입력 및 제 4 복소 데이터를 포함하는 출력을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 제1 복소 데이터는 제1 진폭 성분(201) 및 제1 위상 성분(203)을 포함한다. 제 4 복소 데이터는 제 4 진폭 성분(211) 및 제 4 위상 성분(213)을 포함한다.이 예시에서, 입력 이미지는 2 차원이다. 이에, 진폭 및 위상 정보는 파-필드 이미지에서의 공간 좌표(x, y) 및 홀로그램 필드에 대한(u, v)의 함수이다. 즉, 각각의 평면에서의 진폭 및 위상은 각각의 평면에서의 진폭 분포 및 위상 분포이다.

이 제1 번째 반복에서, 제1 진폭 성분(201)은 홀로그램이 계산되는 입력 이미지(210)이다. 이 제1 번째 반복에서, 제1 위상 성분(203)은 단지 알고리즘의 시작점으로 사용되는 랜덤 위상 성분(230)이다. 처리 블록(processing block)(250)은 제1 복소 데이터를 푸리에 변환하여 제2 진폭 성분(미도시) 및 제2 위상 정보(205)를 갖는 제2 복소 데이터를 형성한다. 이 예시에서, 제2 진폭 성분은 폐기되고(discarded) 처리 블록(252)에 의해 제3 진폭 성분(207)으로 교체된다. 다른 예시에서, 처리 블록(252)는 제3 진폭 성분(207)를 생성하기 위해 상이한 기능을 수행한다. 이 예시에서, 제3 진폭 성분(207)은 광원을 나타내는 분포(distribution)이다. 제2 위상 성분(205)은 처리 블록(254)에 의해 양자화되어 제3 위상 성분(209)을 생성한다. 제3 진폭 성분(207) 및 제3 위상 성분(209)은 제3 복소 데이터를 형성한다. 제3 복소 데이터는 처리 블록(256)에 입력되고 이는 역 푸리에 변환을 수행한다. 처리 블록(256)은 제 4 진폭 성분(211) 및 제 4 위상 성분(213)를 갖는 제 4 복소 데이터를 출력한다. 제 4 복소 데이터는 다음 반복(interation)을 위한 입력을 형성하도록 이용된다. 즉, n 번째 반복의 제 4 복소 데이터는(n+1) 번째 반복의 제1 복소 데이터를 형성하는 데 이용된다.

도 2b는 알고리즘의 두 번째 및 그 후속 반복을 도시한다. 처리 블록(250)은 이전 반복의 제 4 진폭 성분(211)으로부터 유도된 제1 진폭 성분(201) 및 이전 반복의 제4 위상 성분에 대응하는 제1 위상 성분(213)를 갖는 제1 복소 데이터를 수신한다.

이 예시에서, 제1 진폭 성분(201)는 이하에서 설명되는 바와 같이 이전 반복의 제4 진폭 성분(211)으로부터 유도된다. 처리 블록(258)은 이전 반복의 제 4 진폭 구성 요소(211)에서 입력 이미지(210)를 감산하여 제 5 진폭 성분(215)을 형성한다. 처리 블록(260)은 이득 계수 a만큼 제 5 진폭 구성 요소(215)를 스케일링(scale, 크기조정)하고 입력 이미지(210)에서 그 것을 감산한다. 이는 다음 방정식에 의해 수학적으로 표현된다.

여기서:

F '는 역 푸리에 변환이다;

F는 순방향 푸리에 변환이다;

R은 재생 필드이다;

T는 목표 이미지이다;

∠ 각도 정보이다;

Ψ는 각도 정보의 양자화 된 버전이다;

ε은 새로운 목표 크기이며, ε> 0 이다; 그리고

α는 이득 요소 ~ 1이다.

이득 요소 α는 고정되거나 가변적 일 수 있다. 예시들에서, 이득 요소(α)는 입력 목표 이미지 데이터의 크기 및 레이트(rate)에 기초하여 결정된다.

처리 블록(250, 252, 254 및 256)은 도 2a를 참조하여 기술 된 바와 같은 기능을 가진다. 최종 반복에서, 입력 이미지(210)를 나타내는 위상 한정 홀로그램 Ψ(u, v)이 출력된다. 위상 한정 홀로그램 Ψ(u, v)는 주파수 또는 푸리에 도메인에서 위상 분포를 포함한다고 볼 수 있다.

다른 예에서, 제2 진폭 성분은 폐기되지 않는다. 그 대신에, 제2 진폭 성분에서 입력 이미지(210)가 감산되고, 그 진폭 성분의 배수가 입력 이미지(210)에서 감산되어 제3 진폭 성분(307)를 생성한다. 다른 예에서, 제 4 위상 성분은 완전히 피드백되는 것이 아니며, 예를 들어, 마지막 두 번의 반복에 걸쳐 변경되는 비율만큼만 부분적으로 피드백 된다.

몇몇 실시예들에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 배치된 실시간 엔진이 제공된다. 실시예들에서, 이미지 데이터는 일련의 이미지 프레임을 포함하는 영상이다. 다른 실시예들에서, 홀로그램은, 미리 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되며, SLM 상에 디스플레이하기 위해 필요시 호출된다. 즉, 몇몇 실시예들에서, 소정의 홀로그램의 저장소가 제공된다.

그러나, 몇몇 실시예들은 단지 예시적으로 푸리에 홀로그래피(Fourier holography) 및 게르흐버그-섹스톤(Gerchberg-Saxton) 유형의 알고리즘에 관련될 뿐이다. 본 개시는 포인트 클라우드 방법에 기초한 것과 같은 다른 기술에 의해 계산된 프레넬 홀로그래피 및 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다.

본 개시는 다수의 상이한 유형의 SLM 중 임의의 하나를 사용하여 구현 될 수 있다. SLM은 반사 또는 투과하여 공간 변조된 광을 출력 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SLM은 실리콘상의 액정, 즉 "LCOS(liquid crystal on silicon)", SLM이나, 본 개시는 이러한 유형의 SLM에 한정되지 않는다. 몇몇 실시예들에서, 공간 광 변조기는 광학적으로 활성화된 공간 광 변조기 이다.

LCOS 장치는 작은 개구(small aperture) 내에 있는 위상 한정 요소들의 큰 어레이를 표시 할 수 있다. 작은 요소(일반적으로 약 10 미크론 이하)에 의해, 광학 시스템이 매우 긴 광학 경로를 필요로 하지 않도록 실용적인 회절 각(단지 몇도 수준)이 야기된다. LCOS SLM의 작은 개구(수 평방 센티미터)을 적절하게 조명하는 것이 더 큰 액정 장치의 개구를 조명하는 것 보다 더 용이하다. 또한 LCOS SLM은 큰 개구율을 가지므로(픽셀을 구동하는 회로가 거울 아래에 묻혀 있으므로) 픽셀 사이에 데드 스페이스(dead-space)가 거의 없다. 이는 재생 필드 내 광학 노이즈를 낮추는 것에 대해 중요한 문제이다. 실리콘 백플레인을 사용하면 픽셀들이 광학적으로 평평해 지며 이는 위상 변조 장치에 대해 중요한 것이다.

단지 예시로서, 적합한 LCOS SLM이 도 3을 참조하여 아래와 같이 기술된다. LCOS 소자는 단결정 실리콘 기판(302)을 사용하여 형성된다. 이는 간극(301a)에 의해 이격되며 기판의 상부 표면에 배치된 사각 평면형 알루미늄 전극(301)의 2차원 어레이를 가진다. 전극(301) 각각은 기판(302)에 매설된 회로(302a)를 통해 형성될 수 있다. 각각의 전극들은 각각의 평면 미러를 형성한다. 배향층(Alignment Layer, 303)이 전극 어레이 상에 배치되고, 액정층(304)은 배향층(303)에 배치된다. 제2배향층(305)은 액정층(304) 상에 배치되고, 예컨대, 유리로 된 평면 투명층(306)은 제2배향층(305)에 배치된다. 예컨대 ITO로 된 단일 투명 전극(307)은 투명층(306)과 제2배향층(305) 사이에 배치된다.

사각 전극(301) 각각은, 투명전극(307) 영역 상부와 중간에 개재되는 액정물질과 함께, 종종 픽셀로 지칭되는 제어 가능한 위상 변조 소자(308)를 형성한다. 유효 픽셀 영역, 즉 충전율은 픽셀(301a) 사이의 공간까지 고려하여 광학적으로 활성인 총 픽셀의 비율이다. 각각의 전극(301)에 인가된 투명전극(307)에 대한 전압을 제어함으로써, 위상 변조된 요소의 액정 물질의 특성은 변화될 수 있고, 따라서 그에 입사되는 입사광에 가변 지연을 제공한다. 이렇게 함으로써 파면에 위상-한정 변조가 가해지는 한편 어떤 진폭 효과도 발생하지 않는다.

전술한 LCOS SLM는 공간적으로 변조된 광을 반사에 의해 출력하는 것이나, 본 개시는 투과형 LCOS SLM에도 동등하게 적용 가능하다. 반사형 LCOS SLM은 신호 라인, 게이트 라인 및 트랜지스터가 거울 면 아래에 있으며, 높은 충전율(일반적으로 90 % 이상) 및 고해상도를 얻을 수 있는 이점이 있다. 반사형 LCOS 공간 광 변조기를 사용하는 또 다른 이점은 투과형 장치가 사용되는 경우에 필요한 것보다 요구되는 액정 층 두께가 절반일 수 있다는 것이다. 이것은 액정의 스위칭 속도를 크게 향상시킨다(움직이는 비디오 이미지의 투영을 위한 주요 이점).

홀로그램 재생 필드의 크기(즉, 홀로그래픽 재구성의 물리적 또는 공간적 범위)는 공간 광 변조기의 픽셀 피치(pitch)(즉, 공간 광 변조기의, 인접한 광 변조 요소들 또는 픽셀들 사이의 거리) 상의 광 파장의 상호 작용에 의해 결정된다. 재생 필드에서 형성 될 수 있는 최소한의 특징은 "해상도 요소", "이미지 스폿" 또는 "이미지 픽셀"이라 볼 수 있다. 사각형 개구에 대한 푸리에 변환은 사인 함수이므로 공간 광 변조기 개구는 각각의 이미지 픽셀을 사인 함수로 정의한다. 보다 구체적으로, 재생 필드상의 각각의 이미지 픽셀의 공간 강도 분포는 사인 함수이다. 각각의 사인 함수는 첨두 강도인 1차 회절 차수(a peak- intensity primary diffractive order) 및 1차 차수로부터 방사상으로 연장되는 일련의 감소하는 강도인 더 높은 회절 차수를 포함하는 것으로 간주 될 수 있다. 각 사인 함수의 크기(즉, 각 사인 함수의 물리적 또는 공간 범위)는 공간 광 변조기의 크기(즉, 광 변조 소자들의 어레이 또는 공간 광 변조 픽셀들에 의해 형성된 개구의 물리적 또는 공간적 범위)에 의해 결정된다. 구체적으로, 광-변조 픽셀의 어레이에 의해 형성된 개구가 클수록 이미지 픽셀은 더 작아진다. 재생 필드 내에서 작은 이미지 픽셀들을 가지면서 높은 해상도(밀도)인 이미지 픽셀을 갖는 것이 바람직하다.

도 4는 정사각형 픽셀들의 직사각형 어레이(400)를 도시한다. 컴퓨터 생성 홀로그램이 픽셀의 직사각형 어레이(400) 상에 디스플레이 되며 적절한 광을 조사함으로써 재구성(410) 될 때, 홀로그램 재생 필드(420)는 정사각형이다. 이는 각각의 픽셀의 크기와 형상이 재생 필드의 크기와 형상을 결정하기 때문이다. 일 예에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 1024 x 512 픽셀을 포함하고 홀로그래픽 재구성은 1024 x 512 이미지 픽셀을 포함한다. 이들 이미지 픽셀들은 정사각형 재생 필드(420)에 균일하게 분포된다. 사실상, 수직 해상도는 수평 해상도의 절반이다.

많은 상황들에서, 와이드 스크린 재생 필드와 같은 직사각형 재생 필드를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 16 : 9 또는 2 : 1의 종횡비를 갖는 재생 필드를 갖는 것이 바람직할 수 있다.

통상적으로, 이는 재생 필드 중 직사각형인 서브-영역으로만 광을 지향시키는 컴퓨터 생성 홀로그램을 계산함으로써 달성된다. 도 5는 이미지 컨텐츠를 포함하는 홀로그래픽 재구성을 디스플레이 하는데 사용되는 정사각형인 홀로그램 재생 필드의 제 1 하위 영역(520)을 도시한다. 도 5는 또한 이미지 컨텐츠를 디스플레이 하는데 사용되지 않는 제 2 서브 영역(530) 및 제 3 서브 영역(540)을 도시한다. 제 2 서브 영역(530) 및 제 3 서브 영역(540) 내의 이미지 픽셀들은 사실상 사용되지 않는다. 따라서, 이 홀로그램 프로젝션은 최대 잠재 능력을 모두 발휘하는 것은 아니다. 또한, 일부 예들에서, 시청자로부터 제 2 하위 영역(530) 및 제 3 하위 영역(540)을 가리기 위해 배플링(baffling) 또는 차광부(light shields)가 포함될 수 있다.

도 6은 직사각형 픽셀의 직사각형 어레이(600)를 포함하는 실시예를 도시한다. 컴퓨터 생성 홀로그램이 픽셀들의 직사각형 어레이(600) 상에 디스플레이 되고 적절한 광으로 조명되어 재구성(610)될 때, 홀로그램 재생 필드(620)는 직사각형이다. 본 발명자는 홀로그램 평면에서 가장 작은 특징들의 형상(즉, 공간 광 변조기의 하나의 픽셀)이 원하는 표시 영역의 형상(즉, 재생 필드의 형상)과 일치하면 재생 필드 내 이미지 픽셀들의 해상도(밀도)가 최대가 되는 것을 인지하게 되었다.

구체적으로, 홀로그램 평면에서 가장 작은 특징의 종횡비는 실질적으로 재생 필드에서 가장 큰 특징의 종횡비(즉, 재생 필드 자체의 물리적 또는 공간적 범위)와 반대인 것으로 밝혀졌다.

몇몇 실시예에서, 각각의 직사각형 픽셀의 단측 변은 0.5 내지 5 마이크로미터이고, 선택적으로 1 내지 3 마이크론이고, 장측변은 2 내지 12 마이크로미터, 선택적으로 4 내지 8 마이크론이다. 몇몇 실시예에서, 픽셀들의 종횡비는 1 : 1.2 내지 1 : 3, 선택적으로 1 : 1.5 내지 1 : 2.5, 다시 선택적으로 1 : 2의 범위 내에 있다.

도 7은 픽셀들이 직사각형이나 그 어레이는 정사각형인 다른 유리한 실시예를 도시한다. 구체적으로, 도 7은 복수의 픽셀들(700) 및 정사각형 개구들을 갖는 픽셀들의 어레이를 도시한다. 홀로그램 평면 내에서 가장 큰 특징의 크기 및 형상(즉, 개구(750))은 재생 필드 내 가장 작은 피처의 크기 및 형상을 정의한다. 정사각형 개구는 적어도 2 개의 대칭축을 갖는 이미지 국소점(image spot)을 발생시키며 이는 화질을 개선한다. 일 실시예에서, 각각의 픽셀이 직사각형이나 픽셀의 어레이(array)는 정각형이다 - 즉, 정사각형인 개구 내에서 픽셀들의 어레이가 포함되거나, 정의된다.

도 8은 픽셀들은 직사각형이지만 그 어레이가 원형인 또 다른 유리한 실시예를 도시한다. 구체적으로, 도 8은 원형 개구(850) 내의 복수의 픽셀(800) 및 픽셀의 어레이를 도시한다. 원형 개구는 방사상 대칭인 이미지 국소점(image spot)을 발생시키므로 화질을 더 개선시킨다. 일 실시예에서, 각각의 픽셀은 직사각형이지만 픽셀들의 어레이는 원형이다 - 즉, 원형 개구 내에서 픽셀들의 어레이는 포함되거나 정의된다. 일 실시예에서, 공간 광 변조기는 사각형인 픽셀들의 어레이를 포함 할 수 있지만, 예를 들어, 픽셀(860)을 포함하지만 픽셀(870)을 포함하지 않는, 픽셀들의 서브세트(subset)를 포함할 수 있고, 이 서브세트는 컴퓨터 생성 홀로그램을 표시 /표현하기 위해 사용되는 픽셀들의 원형 어레이를 정의하기 위해 사용된다. 의심의 여지가 없도록, 도 8은 예를 들어 웨이퍼 당 다이(die)가 아닌 홀로그램 픽셀의 레이아웃을 도시한다.

실시예들에서, 픽셀은 예를 들어, 네마틱 액정(nematic liquid crystal)과 같은 액정(liquid crystal)을 포함하고, 액정들의 방향(directors)은 픽셀의 가장 긴 측면에 정렬된다. 즉, 액정의 방향은 픽셀의 가장 긴 측면과 실질적으로 평행하다. 당업자는 액정 방향을 정렬시키기 위해 액정 배향막을 문지르거나 액정 배향막을 배향성 증발(directional evaporation) 하는 것과 같은 공정에 익숙할 것이며, 따라서 본 명세서에서 관련된 상세한 설명이 생략된다. 몇몇 실시예에서, 액정은 트위스티드 네마틱(twisted nematic) 액정이다. 몇몇 실시예에서, 액정은 수직 정렬 네마틱(vertical alignment nematic), "VAN"모드로 작동된다.

몇몇 실시예들에서, 광원은 레이저이다. 몇몇 실시예들에서, 스크린 또는 디퓨져일 수 있는 수광면이 제공된다. 본 발명의 홀로그램 프로젝션 시스템은 3D 디스플레이 또는 프로젝터로 사용될 수 있다. 또한, 본 개시의 홀로그램 프로젝션 시스템은 개선된 HUD(head-up display) 또는 헤드 마운트 디스플레이를 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 몇몇 실시예들에서, HUD를 제공하기 위해 차량에 설치된 홀로그램 프로젝션 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 이 차량은 자동차, 트럭, 밴, 화물차, 오토바이, 기차, 비행기, 보트 또는 선박과 같은 자동 차량(automotive vehicle)일 수 있다.

홀로그래픽 재구성의 품질은 픽셀화된 공간 광 변조기를 사용하는 회절 특성으로 인한 소위 0 차 문제에 의해 영향 받을 수 있다. 이러한 0 차 광은 "잡음"으로 간주 될 수 있으며, 예를 들어 정반사된 광 및 SLM으로부터 오는 원치 않는 다른 광들을 포함한다.

푸리에 홀로그래피인 예시에서, 이 "노이즈"는 퓨리에 렌즈의 초점에 초점이 맞추어 지며, 이로써, 홀로그래픽 재구성의 중앙에 밝은 지점을 야기한다. 0 차수 광은 간단히 차폐 될 수는 있으나 이는 밝은 지점이 어두운 지점으로 교체되어야 하는 것을 의미한다. 몇몇 실시예들은 0 차수인 평행 광선만을 제거하는 각도 선택 필터를 포함한다. 또한, 실시예들은 유럽 특허 제2,030,072 호에 개시된 0 차수(zero-order)를 관리하는 방법을 포함하며, 이는 본 명세서에 전체로서 원용되어 통합된다.

몇몇 실시예에서, 홀로그램의 크기(각 방향의 픽셀 개수)는 공간 광 변조기의 크기와 동일하고 이에 홀로그램이 공간 광 변조기를 채우게 된다. 즉, 홀로그램은 공간 광 변조기의 모든 픽셀을 사용한다. 다른 실시예들에서, 홀로그램의 크기는 공간 광 변조기의 크기보다 작다. 이들 다른 실시예들 중 일부에서, 홀로그램의 일부(즉, 홀로그램의 픽셀 중 연속한 서브세트)는 미사용 픽셀에서 반복된다. 이러한 기술은 "타일링(tiling)"으로 지칭 될 수 있으며, 여기서 공간 광 변조기의 표면은 다수의 "타일"로 분할되고, 이들 각각은 홀로그램의 적어도 하나의 서브 세트를 나타낸다. 그러므로 각각의 타일은 공간 광 변조기보다 크기가 작다. 몇몇 실시예들에서, 공간 광 변조기에 기록 된 홀로그램 패턴은 적어도 하나의 전체 타일(즉, 완전한 홀로그램) 및 적어도 하나의 타일 절편(즉, 홀로그램의 픽셀 중 연속적인 서브세트)을 포함한다.

홀로그래픽 재구성은 공간 광 변조기에 의해 정의된 전체 윈도우의 0 차 회절 차수 내에서 생성된다. 바람직하게는, 제1 및 그 후속 차수는 이미지와 겹치지 않도록 충분히 이동되고 이로써 그 것들은 공간 필터를 사용하여 차단 될 수 있다.

실시예들에서, 홀로그래픽 재구성은 컬러이다. 본 명세서에 개시된 예에서, 3 개의 상이한 컬러 광원들 및 3 개의 상응하는 SLM이 복합 컬러를 제공하기 위해 사용된다. 이들 예시들은 공간적으로 분리된 컬러(spatially-separated colour) "SSC"로 지칭 될 수 있다. 본 명세서에 내포되는 변형예에서, 각각의 컬러에 대한 상이한 홀로그램들은 동일한 SLM의 상이한 영역에 디스플레이 되고 이후 합성 컬러 이미지를 형성하기 위해 결합된다. 그러나, 당업자는 본 개시의 장치 및 방법 중 적어도 일부는 복합 컬러 홀로그램 이미지를 제공하는 다른 방법에 동일하게 적용될 수 있다고 이해할 것이다.

이러한 방법 중 하나는 "FSC"라고하는 프레임 순차 색상(Frame Sequential Colour)이라고 알려져 있다. 예시적인 FSC 시스템에서, 3 개의 레이저(적색, 녹색 및 청색)가 사용되며, 각각의 레이저는 단일 SLM에서 연속적으로 발사되어 영상의 각 프레임을 생성한다. 색상은 사람인 관찰자가 3 개의 레이저로 형성된 이미지의 조합에서 다색 이미지를 인지될 수 있을 정도로 빠른 속도로 순환 반복된다(적색, 녹색, 청색, 적색, 녹색, 청색 등). 따라서 각 홀로그램은 색상별로 다르다. 예를 들어, 초당 25 프레임을 갖는 영상에서, 첫 번째 프레임은 적색 레이저를 1/75 초 동안 발사 한 다음 녹색 레이저가 1/75 초 동안 발사되고 마지막으로 청색 레이저가 1/75초 동안 발사된다. 그 이후 적색 레이저 등의 발사가 시작하여 다음 프레임이 생성된다.

FSC 방법의 장점은 전체 SLM이 각 색상에 대해 사용된다는 것이다. 이는, SLM 상의 모든 픽셀이 각 컬러 이미지에 사용되므로 생성된 세 가지 컬러 이미지의 품질이 저하되지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, FSC 방법의 단점은, 각각의 레이저가 1/3의 시간 동안만 사용되기 때문에, 생성된 전체 이미지가 SSC 방법에 의해 생성된 상응하는 이미지에 비해 약 3 배만큼 덜 밝은 것이라는 점이다. 이러한 단점은 레이저를 과도하게 구동함으로써 또는 더 강력한 레이저를 사용함으로써 잠재적으로 해결할 수는 있지만, 더 많은 전력을 사용하여야 하고, 더 많은 비용을 소모하며, 그리고, 시스템의 소형화를 필요로 한다.

SSC 방법의 장점은 3개의 레이저가 동시에 발사되기 때문에 이미지가 더 밝아진다는 것이다. 그러나 공간상의 제약으로 인해 하나의 SLM 만 사용해야하는 경우, SLM의 표면적은 세 부분으로 나누어 질 수 있고, 이는 실제로 세 개의 개별 SLM으로 작동한다. 이 방법의 단점은 각각의 단색 이미지에 대해 이용가능한 SLM 표면적이 감소되기 때문에, 각각의 단색 이미지의 품질이 저하된다는 것이다. 따라서 다색 이미지의 품질도 저하된다. 이용가능한 SLM 표면적이 감소하는 것은 SLM 상에 더 적은 개수의 픽셀이 사용될 수 있음을 의미하여 이는 이미지의 품질을 저해 시킨다. 이미지의 품질은 그 해상도가 낮아지기 때문에 감소된다. 실시예들은 영국 특허 2,496,108에 개시된 개선된 SSC 기술을 이용하며, 이는 그 전체로서 원용되어 통합된다.

예시들은 가시광으로 SLM을 조명하는 것을 기술하고 있지만 당업자는 광원 및 SLM은 예를 들어 본원에 개시된 바와 같이 적외선 또는 자외선을 지향 시키는 데에도 동일하게 사용될 수 있다고 이해할 것이다. 예를 들어, 당업자는 사용자에게 정보를 제공하기 위해 적외선 및 자외선을 가시광으로 변환하는 기술을 인지할 것이다. 예를 들어, 본 개시는 이를 위해 형광체 및/또는 퀀텀닷(quantum dot)) 기술을 이용하는 것으로도 확장된다.

본 명세서에 기술된 방법 및 프로세스는 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 구현 될 수 있다. 용어 "컴퓨터 판독 가능 매체"는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 버퍼 메모리, 플래시 메모리 및 캐시 메모리와 같이 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하도록 구성된 매체를 포함한다. 또한, "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어가 기계를 실행하게 하는 것과 같이, 기계에 의한 실행을 위한 명령어를 저장할 수 있는 임의의 매체 또는 다중 매체의 조합을 포함하며, 본 명세서에 설명된 방법론 중 하나 이상을 전체적으로 또는 부분적으로 수행 할 수 있는 것일 수 있다.

"컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 또한 클라우드 기반 스토리지 시스템을 포함한다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는, 이에 한정되는 것은 아니나, 예시적 형태로서 솔리드 스테이트 메모리 칩, 광학 디스크, 자기(magnetic) 디스크, 또는 그 임의의 적절한 조합 내 하나 이상의 실재하며 비-일시적인 데이터 저장소들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 실행을 위한 명령어들은 전송 매체에 의해 전달 될 수 있다. 이러한 전송 매체의 예는 일시적인 매체(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.

첨부된 특허청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있으며 이는 당업자에게 명백 할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구항들 및 그 균등물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.

Claims (23)

1. 광을 소정의 종횡비를 갖는 직사각형 재생 필드로 투사하도록 구성된 홀로그램 프로젝션 시스템에 있어서,
   상기 홀로그램 프로젝션 시스템은:
   컴퓨터 생성 홀로그램을 수신하고 상기 직사각형 재생 필드에 홀로그래픽 재구성을 형성하는 공간적으로 변조된 광을 출력하도록 배열된, 개별적으로 어드레스 가능한 픽셀들의 어레이를 포함하는 공간 광 변조기로서, 상기 각 픽셀은 종횡비를 갖는 직사각형인, 공간 광 변조기; 및
   상기 재생 필드에 홀로그래픽 재구성을 형성하는 공간적으로 변조된 광을 형성하기 위해 복수의 픽셀들을 조명하도록 배치된 광원으로서, 상기 홀로그래픽 재구성은 상기 홀로그램 프로젝션 시스템에 대한 사람 관찰자에 의해 시인되도록 배열된 이미지 컨텐츠를 포함하는, 광원을 포함하되,
   상기 직사각형 재생 필드는 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리되고,
   상기 직사각형 재생 필드의 종횡비가 각각의 픽셀의 종횡비와 실질적으로 동일하되 상기 직사각형 재생 필드와 각각의 픽셀이 서로에 대해 직교하게 배향되도록, 상기 각각의 직사각형 픽셀의 종횡비가 상기 재생 필드의 소정의 종횡비에 일치된 것인
   홀로그램 프로젝션 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 홀로그래픽 재구성은 상기 재생 필드에서 상기 공간적으로 변조된 광의 간섭에 의해 형성되는 홀로그램 프로젝션 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공간적으로 변조된 광은 상기 공간 광 변조기의 픽셀에 의해 회절되는 홀로그램 프로젝션 시스템.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 직사각형 픽셀의 종횡비는 1:1.2 보다 크고 1:3보다 작은 홀로그램 프로젝션 시스템.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 픽셀 어레이의 일 방향에 대한 픽셀의 피치는 상기 어레이의 다른 방향에 대한 픽셀의 피치보다 큰 홀로그램 프로젝션 시스템.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 픽셀들의 어레이는 실질적으로 직사각형인 픽셀들로 이루어진 정사각형인 어레이 또는 실질적으로 직사각형인 픽셀들로 이루어진 원형 어레이를 형성하는 홀로그램 프로젝션 시스템.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 직사각형 픽셀은 방향을 갖는 네마틱 액정을 포함하되, 상기 방향은 상기 직사각형 픽셀의 장측변에 실질적으로 평행한 홀로그램 프로젝션 시스템.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 컴퓨터 생성 홀로그램은 상기 홀로그래픽 재구성을 수학적으로 변환하는 것인 홀로그램 프로젝션 시스템.
9. 제 8 항에 있어서, 수학적으로 변환하는 것은 푸리에 변환 또는 프레넬 변환이거나, 상기 컴퓨터 생성 홀로그램이 포인트 클라우드 방법에 의해 생성된 홀로그램인 홀로그램 프로젝션 시스템.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 픽셀은 광 변조 요소이거나,
    각각의 픽셀이 위상 변조 요소를 포함하거나,
    각각의 픽셀이 광 변조 요소이면서 위상 변조 요소를 포함하는
    홀로그램 프로젝션 시스템.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 픽셀 어레이의 픽셀은 서로 실질적으로 평행 한 홀로그램 프로젝션 시스템.
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 공간 광 변조기는 실리콘 공간 광 변조기 상에 있는 액정인 홀로그램 프로젝션 시스템.
13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광원은 단색 광원이거나,
    상기 광원은 적어도 부분적으로 코히어런트한 광을 방출하도록 배치되거나,
    상기 광원은 단색이면서 적어도 부분적으로 코히어런트한 광을 방출하도록 배치되는
    홀로그램 프로젝션 시스템.
14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 홀로그래픽 재구성은 상기 재생 필드에서 수광면 상에 형성되는 홀로그램 프로젝션 시스템.
15. 소정의 종횡비의 직사각형 형상을 갖는 홀로그램 재생 필드 내에 홀로그래픽 재구성을 형성하는 방법에 있어서,
    컴퓨터 생성 홀로그램을 수신하는 단계;
    종횡비를 가진 직사각형이며 독립적으로 어드레스 가능한 복수의 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기상에서 컴퓨터 생성 홀로그램을 나타내는 단계;
    공간 광 변조기를 사용하여 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하는 단계; 및
    홀로그램 재생 필드에서 홀로그래픽 재구성을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 홀로그램 재생 필드는 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리되고,
    상기 홀로그래픽 재구성은 사람 관찰자에 의해 시인되도록 배열된 이미지 컨텐츠를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 직사각형 재생 필드의 종횡비가 각각의 픽셀의 종횡비와 실질적으로 동일하되 상기 직사각형 재생 필드와 각각의 픽셀이 서로에 대해 직교하게 배향되도록, 상기 각각의 직사각형 픽셀의 종횡비를 상기 재생 필드의 소정의 종횡비에 일치시키는 단계
    를 더 포함하는 방법.
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