KR102421737B1 - 향상된 화질을 제공하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법 - Google Patents

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Abstract

향상된 화질을 제공하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법을 개시한다. 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 다수의 프레임의 홀로그램 영상들을 축비킴 방식으로 순차적으로 재생하며, 재생될 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 주기적인 회절 패턴을 각각의 프레임마다 수평 이동시키도록 구성될 수 있다.

Description

향상된 화질을 제공하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법 {Holographic display apparatus and method of providing enhanced image quality}
개시된 실시예들은 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축비킴(off-axis) 방식으로 홀로그램 영상을 재생할 때 화질을 향상시키기 위한 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법에 관한 것이다.
3차원 영상을 구현하는 방식으로서 안경 방식과 무안경 방식이 널리 상용화되어 사용되고 있다. 안경 방식에는 편광 안경 방식과 셔터 안경 방식이 있으며, 무안경 방식에는 렌티큘러 방식과 패럴랙스 배리어 방식이 있다. 이러한 방식들은 두 눈의 양안시차(binocular parallax)를 이용하는 것으로, 시점 수의 증가에 한계가 있을 뿐만 아니라, 뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하지 않아서 시청자로 하여금 피로감을 느끼게 한다.
뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하고 완전 시차(full parallax)를 제공할 수 있는 3차원 영상 디스플레이 방식으로서, 최근 홀로그래픽 디스플레이 방식이 점차 실용화되고 있다. 홀로그래픽 디스플레이 방식은, 원본 물체로부터 반사된 물체광과 참조광을 간섭시켜 얻은 간섭무늬를 기록한 홀로그램 패턴에 참조광을 조사하여 회절시키면, 원본 물체의 영상이 재생되는 원리를 이용하는 것이다. 현재 실용화되고 있는 홀로그래픽 디스플레이 방식은 원본 물체를 직접 노광하여 홀로그램 패턴을 얻기 보다는 컴퓨터로 계산된 홀로그램(computer generated hologram; CGH)을 전기적 신호로서 공간 광변조기에 제공한다. 입력된 CGH 신호에 따라 공간 광변조기가 홀로그램 패턴을 형성하여 참조광을 회절시킴으로써 3차원 영상이 생성될 수 있다.
향상된 화질을 제공하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 참조광을 제공하는 광원; 참조광을 변조하여 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴을 형성하는 것으로, 다수의 프레임의 홀로그램 영상들을 순차적으로 재생하기 위하여 다수의 홀로그램 패턴들을 순차적으로 형성하도록 구성된 공간 광변조기; 및 상기 공간 광변조기에서 형성될 홀로그램 패턴의 홀로그램 데이터 신호를 제공하는 제어부;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제어부는 재생될 홀로그램 영상의 홀로그램 영상 평면에서의 위치를 조절하는 주기적인 회절 패턴을 형성하기 위한 회절 패턴 데이터 신호를 상기 공간 광변조기에 더 제공하도록 구성되고, 상기 제어부는 상기 주기적인 회절 패턴이 각각의 프레임마다 수평 이동되도록 회절 패턴 데이터 신호를 상기 공간 광변조기에 제공할 수 있다.
상기 홀로그램 영상은 서로 다른 색을 갖는 제 1 컬러 영상, 제 2 컬러 영상 및 제 3 컬러 영상을 포함하고, 상기 회절 패턴은 제 1 컬러 영상의 위치를 조절하는 제 1 주기 회절 패턴, 제 2 컬러 영상의 위치를 조절하는 제 2 주기 회절 패턴, 및 제 3 컬러 영상의 위치를 조절하는 제 3 주기 회절 패턴을 가지며, 상기 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들이 서로 다른 주기를 가질 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 주기는 각각 제 1 내지 제 3 컬러의 빛의 파장에 비례할 수 있다.
상기 회절 패턴은 제 1 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안 상기 공간 광변조기에서 표시되는 제 1 프레임 회절 패턴 및 제 2 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안 상기 공간 광변조기에서 표시되는 제 2 프레임 회절 패턴을 포함하며, 상기 제 1 프레임 회절 패턴과 제 2 프레임 회절 패턴은 서로에 대해 수평 이동되어 공간 광변조기 상에서 표시될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 프레임 회절 패턴과 제 2 프레임 회절 패턴이 수평 이동된 거리는 상기 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 주기들의 최소 공배수 보다 작을 수 있다.
N개의 프레임을 주기로 상기 회절 패턴의 위치가 변화할 경우, 상기 제 1 프레임 회절 패턴과 제 2 프레임 회절 패턴이 수평 이동된 거리는 상기 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 주기들의 최소 공배수를 N 등분한 값의 배수가 되도록 선택될 수 있다.
상기 회절 패턴이 상기 공간 광변조기에서 표시되는 위치는 상기 회절 패턴 데이터 신호를 생성하기 위한 프리즘 격자 함수의 위상에 따라 결정될 수 있다.
상기 회절 패턴은 제 1 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안 상기 공간 광변조기에서 표시되는 제 1 프레임 회절 패턴 및 제 2 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안 상기 공간 광변조기에서 표시되는 제 2 프레임 회절 패턴을 포함하며, 상기 제 1 프레임 회절 패턴의 프리즘 격자 함수의 위상과 상기 제 2 프레임 회절 패턴의 프리즘 격자 함수의 위상이 서로 다를 수 있다.
상기 제어부는, 다수의 프레임의 홀로그램 영상들을 순차적으로 재생하는 동안, 상기 프리즘 격자 함수의 위상을 순차적으로 변화시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 다수의 프레임의 홀로그램 영상들을 순차적으로 재생하는 동안, 상기 프리즘 격자 함수의 위상을 불규칙적으로 변화시키도록 구성될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 방법은 다수의 프레임의 홀로그램 영상들을 순차적으로 재생하기 위하여 공간 광변조기가 다수의 홀로그램 패턴들을 순차적으로 표시하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 공간 광변조기는 재생되는 홀로그램 영상의 홀로그램 영상 평면에서의 위치를 조절하기 위한 주기적인 회절 패턴을 더 표시하고, 상기 주기적인 회절 패턴은 각각의 프레임마다 상기 공간 광변조기 상에서 수평 이동되어 표시될 수 있다.
한편, 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 참조광을 제공하는 광원; 참조광을 변조하여 서로 다른 색을 갖는 제 1 컬러 영상, 제 2 컬러 영상 및 제 3 컬러 영상을 포함하는 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴을 표시하는 공간 광변조기; 및 상기 공간 광변조기에 표시될 홀로그램 패턴의 홀로그램 데이터 신호를 제공하는 제어부;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제어부는 재생될 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 주기적인 회절 패턴을 표시하기 위한 회절 패턴 데이터 신호를 상기 공간 광변조기에 더 제공하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 제 1 컬러 영상, 제 2 컬러 영상, 및 제 3 컬러 영상 중에서 제 1 컬러 영상의 빛의 파장만을 기준으로 상기 회절 패턴의 주기를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는 관찰자와 공간 광변조기 사이의 거리를 측정하는 거리 측정부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는, 상기 회절 패턴에 의한 제 2 컬러 영상과 제 3 컬러 영상의 색분산이 허용 착란원보다 작도록, 상기 재생되는 홀로그램 영상의 깊이를 상기 관찰자와 공간 광변조기 사이의 거리를 기초로 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 홀로그램 영상이 재생되는 깊이에서 상기 제 2 컬러 영상과 제 3 컬러 영상의 위치가 제 1 컬러 영상의 위치와 일치하도록, 상기 공간 광변조기에서 표시되는 홀로그램 패턴의 홀로그램 데이터 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 홀로그램 패턴은 상기 홀로그램 영상이 재생되는 깊이에서 상기 회절 패턴에 의한 제 2 컬러 영상의 색분산을 상쇄하기 위하여 제 2 컬러 영상의 색분산에 반대 방향으로 제 2 컬러 영상을 이동시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 홀로그램 패턴은 상기 홀로그램 영상이 재생되는 깊이에서 상기 회절 패턴에 의한 제 3 컬러 영상의 색분산을 상쇄하기 위하여 제 3 컬러 영상의 색분산에 반대 방향으로 제 3 컬러 영상을 이동시키도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 참조광을 제공하는 광원; 참조광을 진폭 변조하여 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광변조기; 및 재생될 홀로그램 영상의 홀로그램 데이터로부터 진폭 변조값을 추출하여 상기 공간 광변조기에 제공하는 제어부;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제어부는, 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 실수부에서 진폭이 양수인 부분과 진폭이 음수인 부분 중에서 어느 하나의 부분만을 선택하고, 선택되지 않은 홀로그램 데이터의 실수부를 0으로 처리하고, 선택된 홀로그램 데이터의 실수부의 절대값을 진폭 변조값으로서 공간 광변조기에 제공하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 제 1 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안, 진폭이 양수인 부분을 선택하고 진폭이 음수인 부분을 0으로 처리하며, 제 1 프레임에 후속하는 제 2 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안, 진폭이 음수인 부분을 선택하고 진폭이 양수인 부분을 0으로 처리하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 추출된 진폭 변조값을 상기 공간 광변조기에 제공하기 전에, 저역 통과 필터를 이용하여 추출된 진폭 변조값의 고차 공간 주파수 성분을 제거하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 참조광을 제공하는 광원; 참조광을 진폭 변조하여 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광변조기; 및 재생될 홀로그램 영상의 홀로그램 데이터로부터 진폭 변조값을 추출하여 상기 공간 광변조기에 제공하는 제어부;를 포함할 수 있으며, 상기 제어부는, 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 절대값에 홀로그램 데이터의 실수부의 값과 홀로그램 데이터의 허수부의 값 중에서 적어도 하나를 가산하여 진폭 변조값을 계산하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 진폭 변조값은 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 절대값과 홀로그램 데이터의 실수부의 값의 합일 수 있다.
다른 예에서, 상기 진폭 변조값은 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 절대값과 홀로그램 데이터의 허수부의 값의 합일 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 진폭 변조값은 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 실수부의 값과 제 1 계수의 곱, 홀로그램 데이터의 허수부의 값과 제 2 계수의 곱, 및 홀로그램 데이터의 절대값과 제 3 계수의 곱을 가산하여 계산될 수 있다.
여기서, 상기 제 3 계수는 0이 아닌 값이며, 상기 제 1 및 제 2 계수의 값은 모든 좌표에서 상기 진폭 변조값이 0 이상이 되도록 선택될 수 있다.
개시된 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법에 따르면, 축비킴 방식으로 홀로그램 영상을 재생할 때 물결무늬 영상잡음(Moire noise)이 완화되어 덜 드러나기 때문에 홀로그램 영상의 화질이 향상될 수 있다.
또한, 개시된 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법에 따르면, 진폭 변조 방식의 공간 광변조기를 사용하여 축비킴 방식으로 홀로그램 영상을 재생할 때에도 명암대비율(contrast ratio; CR)이 감소되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 2는 축비킴 방식으로 홀로그램 영상을 재생하는 원리를 보이는 개념도이다.
도 3은 축비킴 방식으로 홀로그램 영상을 재생하기 위하여 공간 광변조기에 표시되는 주기적인 회절 패턴을 예시적으로 보인다.
도 4는 주기가 상이한 다수의 주기적인 회절 패턴들이 맥놀이 현상(beating)을 일으켜서 발생하는 물결무늬 영상잡음을 예시적으로 보인다.
도 5a 내지 도 5c는 물결무늬 영상잡음을 완화하기 위하여 프레임에 따라 회절 패턴들의 위치를 수평 이동시키는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 방법을 예시적으로 보인다.
도 6은 프레임에 따라 회절 패턴들의 위치를 수평 이동시키기 위하여 제어부에서 홀로그램 데이터 신호와 회절 패턴 데이터 신호를 생성하는 과정을 예시적으로 보인다.
도 7은 축비킴 방식으로 홀로그램 영상을 재생할 때 하나의 주기적인 회절 패턴만을 사용하는 경우에 재생되는 홀로그램 영상에서 발생하는 색분산을 예시적으로 보인다.
도 8은 하나의 주기적인 회절 패턴만을 사용하더라도 색분산을 발생하지 않도록 위하여 공간 광변조기에서 표시되는 홀로그램 패턴을 예시적으로 보인다.
도 9는 하나의 주기적인 회절 패턴만을 사용하더라도 색분산을 발생하지 않도록 하기 위하여 제어부에서 홀로그램 데이터 신호와 회절 패턴 데이터 신호를 생성하는 과정을 예시적으로 보인다.
도 10은 공간 광변조기가 진폭 변조만을 수행할 수 있는 진폭 변조기인 경우에도 명암대비율이 감소되지 않도록 공간 광변조기의 진폭 변조값을 조절하는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 방법을 예시적으로 보인다.
도 11은 도 10의 (c)에 도시된 그래프에서 저역 통과 필터로 고차 공간 주파수 성분을 제거한 결과를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 12는 공간 광변조기가 진폭 변조만을 수행할 수 있는 진폭 변조기인 경우에도 홀로그램 데이터의 허수부를 반영하면서 명암대비율이 감소되지 않도록 공간 광변조기의 진폭 변조값을 조절하는 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 방법을 예시적으로 보인다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 향상된 화질을 제공하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 구성을 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는, 참조광을 제공하는 광원(110), 참조광을 변조하기 위한 홀로그램 패턴을 형성하는 공간 광변조기(120), 및 공간 광변조기(120)의 동작을 제어하는 제어부(140)를 포함할 수 있다. 또한, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 관찰자의 동공 위치를 추적하는 시선 추적부(130)를 더 포함할 수도 있다. 비록 도 1에는 도시되지 않았지만, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 공간 광변조기(120)에 의해 변조된 참조광이 소정의 공간 상에 포커싱되도록 하는 푸리에 렌즈를 더 포함할 수 있다. 변조된 참조광이 푸리에 렌즈에 의해 소정의 공간 상에 포커싱됨으로써 공간 상에 홀로그램 영상이 재생될 수 있다. 그러나, 광원(110)이 집속된 참조광을 제공한다면 푸리에 렌즈가 생략될 수도 있다.
광원(110)은 높은 가간섭성을 갖는 참조광을 공간 광변조기(120)에 제공하기 위하여 레이저를 포함할 수도 있다. 그러나, 참조광이 일정 수준 이상의 공간 간섭성(spatial coherence)을 가지면 공간 광변조기(120)에 의해 충분히 회절 및 변조될 수 있기 때문에, 광원(110)으로서 발광 다이오드(LED)를 사용하는 것도 가능하다. 발광 다이오드 외에도 공간 간섭성을 갖는 광을 방출한다면 다른 어떤 광원도 사용이 가능하다. 도 1에는 편의상 하나의 광원(110)이 도시되어 있지만, 광원(110)은 다수의 레이저 또는 발광 다이오드들의 어레이를 포함할 수 있다.
공간 광변조기(120)는 제어부(140)로부터 제공되는 홀로그램 데이터 신호에 따라 참조광을 회절시켜 변조하기 위한 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 공간 광변조기(120)는 위상 변조만 수행할 수 있는 위상 변조기, 진폭 변조만 수행할 수 있는 진폭 변조기, 및 위상 변조와 진폭 변조를 모두 수행할 수 있는 복합 변조기 중 어느 것을 사용할 수도 있다. 비록 도 1에는 공간 광변조기(120)가 투과형 공간 광변조기인 것으로 도시되어 있지만 반사형 공간 광변조기를 사용하는 것도 가능하다. 투과형인 경우, 공간 광변조기(120)는 예를 들어 GaAs와 같은 화합물 반도체를 기반으로 한 반도체 변조기, 또는 LCD(liquid crystal device)를 사용할 수 있다. 반사형인 경우, 공간 광변조기(120)는, 예컨대 DMD(digital micromirror device), LCoS(liquid crystal on silicon), 또는 반도체 변조기를 사용할 수 있다.
시선 추적부(130)는 카메라 등을 통해 관찰자의 영상을 얻고, 영상 내에서 관찰자의 동공을 검출하여 그 위치를 분석할 수 있다. 또한, 시선 추적부(130)는 관찰자와 공간 광변조기(120) 사이의 거리를 측정하는 거리 측정부의 역할도 수행할 수 있다. 따라서, 시선 추적부(130)는 관찰자의 동공 위치 변화 및 관찰자와 공간 광변조기(120) 사이의 거리 변화를 실시간으로 추적하여 그 결과를 제어부(140)에 제공할 수 있다.
제어부(140)는 관찰자에게 제공할 홀로그램 영상에 따라 홀로그램 데이터 신호를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제어부(140)는 시선 추적부(130)로부터 입력된 관찰자의 동공 위치 변화에 따라 공간 광변조기(120)의 동작을 능동적으로 제어할 수 있다. 이러한 제어부(140)는 소프트웨어를 이용하여 구현될 수도 있으며, 또는 그러한 소프트웨어의 기능이 내장되어 있는 반도체 칩의 형태로 구현될 수도 있다.
이러한 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 동작은 다음과 같다. 먼저, 제어부(140)는 홀로그램 데이터 신호를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공한다. 홀로그램 데이터 신호는 목표한 홀로그램 영상이 공간 상에 재생되도록 계산된 CGH 신호일 수 있다. 제어부(140)는 재생될 홀로그램 영상에 따라 홀로그램 데이터 신호를 생성할 수 있다. 공간 광변조기(120)는 제어부(140)로부터 제공된 홀로그램 데이터 신호에 따라 공간 광변조기(120)의 표면 상에 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 공간 광변조기(120)가 홀로그램 패턴을 형성하는 원리는, 예를 들어, 디스플레이 패널이 영상을 표시하는 원리와 같을 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 패턴은 재생될 홀로그램 영상의 정보를 갖고 있는 간섭무늬의 형태로 공간 광변조기(120)에서 표시될 수 있다.
이와 동시에, 광원(110)은 공간 광변조기(120)에 참조광을 제공한다. 공간 광변조기(120)에서 형성된 홀로그램 패턴에 의해 참조광이 회절 및 간섭되면서, 공간 광변조기(120) 앞의 소정의 공간 상에 입체감이 있는 홀로그램 영상(HI)이 재생될 수 있다. 이렇게 공간상에서 영상을 입체감 있게 구성하는 여러 단면들 각각을 홀로그램 영상 평면(hologram image plane)이라고 부를 수 있다. 그리고, 홀로그램 영상 평면과 광간 광변조기(120) 사이의 평균적인 거리가 깊이(d)라고 부를 수 있다. 재생될 홀로그램 영상(HI)의 모양과 깊이(d)는 공간 광변조기(120)에서 형성되는 홀로그램 패턴에 따라 결정될 수 있다. 그러면, 관찰자는 공간 광변조기(120)로부터 D만큼 떨어져 있는 위치에서 홀로그램 영상(HI)을 감상할 수 있다. 이 위치에서 관찰자의 동공을 포함하는 가상의 면이 동공 평면(pupil plane)이 된다.
그런데, 위상 변조와 진폭 변조 중에서 어느 하나만을 수행하는 일반적인 공간 광변조기(120)는 다수의 화소들의 어레이로 구성되어 있기 때문에, 다수의 화소들의 어레이가 격자로서 작용하게 된다. 따라서, 참조광은 공간 광변조기(120)에서 형성된 홀로그램 패턴뿐만 아니라, 공간 광변조기(120)의 화소들의 어레이로 구성된 화소 격자에 의해서도 회절 및 간섭하게 된다. 또한, 참조광 중에서 일부는 홀로그램 패턴에 의해 회절되지 않고 공간 광변조기(120)를 그대로 투과하게 된다. 그 결과, 홀로그램 영상(HI)이 점으로 모아지는 관찰자의 동공 평면 상에는 다수의 격자점(lattice spot)들이 나타나게 된다. 이러한 다수의 격자점들은 홀로그램 영상(HI)의 화질을 저하시키고 홀로그램 영상(HI)의 감상을 불편하게 만드는 영상 노이즈로서 작용한다.
이러한 다수의 격자점들이 관찰자의 눈에 보이지 않도록 하기 위하여, 홀로그램 영상(HI)의 초점이 동공 평면에서 다수의 격자점들을 피하여 재생되도록 축비킴(off-axis) 방식으로 홀로그램 영상을 재생할 수 있다. 다수의 격자점들은 공간 광변조기(120)의 내부 구조에 의해 발생하는 것이고 홀로그램 패턴과는 무관하기 때문에, 다수의 격자점들의 위치는 언제나 고정되어 있다. 반면, 홀로그램 영상(HI)의 초점의 동공 평면 상에서 위치는 홀로그램 패턴에 의해 결정되므로, 다수의 격자점들이 없는 위치에 홀로그램 영상(HI)이 재생되도록 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 이렇게 홀로그램 영상(HI)의 초점의 위치를 조절하는 것은, 결국 홀로그램 영상의 홀로그램 영상 평면(hologram image plane)에서의 위치를 조절하는 역할을 하게 된다.
예를 들어, 도 2는 축비킴 방식으로 홀로그램 영상을 재생하는 원리를 보이는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 중앙에 있는 하나의 격자점(N1)은 회절 없이 공간 광변조기(120)를 투과한 참조광에 의해 발생한 것이며, 주변에 있는 다수의 격자점(N2)들은 공간 광변조기(120)의 화소 격자에 의해 회절 및 간섭된 참조광에 의해 발생한 것이다. 이러한 격자점(N1, N2)들을 고려하지 않고 홀로그램 패턴을 형성할 경우, 일반적으로 재생된 홀로그램 영상의 초점 영역(HI1)의 중심에 격자점(N1, N2)들이 위치하게 된다. 도 2에는 편의상, 중앙에 있는 격자점(N1)에만 홀로그램 영상의 초점 영역(HI1)을 표시하였는데, 실제로는 다른 격자점(N2)들의 위치에도 2차 이상의 고차 회절에 의해 발생하는 어두운 홀로그램 영상의 초점 영역들이 형성될 수도 있다. 그 결과, 관찰자의 동공이 홀로그램 영상의 초점 영역(HI1)의 위치에 있을 때, 홀로그램 영상과 함께 격자점(N1)의 노이즈 영상도 함께 보이게 된다.
따라서, 이러한 격자점(N1, N2)들이 관찰자에게 보이지 않도록, 격자점(N1, N2)들을 피해 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)을 형성하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 원래의 홀로그램 영상의 초점 영역(HI1)을 x-방향으로 Δx만큼 이동시키고 y-방향으로 Δy만큼 이동시킨 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)을 형성할 수 있다. 그러면, 관찰자가 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)의 중심에 동공을 위치시켜 홀로그램 영상을 볼 때, 격자점(N1)에 의한 노이즈 영상이 보이지 않거나 적게 느끼게 된다. 한편, 원래의 홀로그램 영상의 초점 영역(HI1)을 이동시킨 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)을 형성할 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 격자점(N1)을 중심으로 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)의 대칭적인 위치에는 복소 켤레 영상(complex conjugate image)의 초점 영역(HI2*)이 나타날 수 있다.
홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)의 위치를 상술한 방식으로 조절하기 위하여, 공간 광변조기(120)는 재생될 홀로그램 영상의 정보를 담고 있는 홀로그램 패턴과 함께 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)의 위치를 조절하는 주기적인 회절 패턴을 더 형성할 수 있다. 이를 위해, 제어부(140)는 홀로그램 데이터 신호뿐만 아니라 회절 패턴 데이터 신호를 함께 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다. 참조광은 공간 광변조기(120)에서 표시되는 주기적인 회절 패턴에 의해 진행 방향이 꺾이게 되므로, 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)의 위치가 격자점(N1, N2)으로부터 벗어날 수 있다. 빛의 진행 방향을 꺾어주는 이러한 주기적인 회절 패턴은 일종의 프리즘 역할을 하므로, 주기적인 회절 패턴을 프리즘 격자(prism grating)라고 부를 수도 있다. 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)의 위치가 이동하는 정도는 회절 패턴의 주기에 따라 결정될 수 있다.
예컨대, 도 3은 축비킴 방식으로 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)을 형성하기 위하여 공간 광변조기(120)에 표시되는 회절 패턴(P)을 예시적으로 도시하고 있다. 도 3에는 편의상 회절 패턴(P)만이 도시되어 있으나 공간 광변조기(120)는 회절 패턴(P)과 홀로그램 패턴을 함께 표시할 수 있다. 도 3에 표시된 바와 같이, 회절 패턴(P)은 x-방향의 주기(Λx)와 y-방향의 주기(Λy)를 갖는다. 여기서, x-방향의 주기(Λx)는 회절 패턴(P)을 구성하는 각각의 격자선 사이의 x-방향의 간격이고, y-방향의 주기(Λy)는 회절 패턴(P)을 구성하는 각각의 격자선 사이의 y-방향의 간격이다. 이러한 주기(Λx, Λy)는, 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)이 형성되는 동공 평면에서 홀로그램 영상의 초점 영역(HI2)의 이동 거리(Δx, Δy), 공간 광변조기(120)로부터 시역까지의 거리(D), 및 빛의 파장(λ)에 의해 다음의 수학식 1과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112021098968490-pat00001
한편, 컬러 홀로그램 영상을 구현하기 위하여 광원(110)은 적색광, 녹색광, 및 청색광을 포함하는 백색 참조광을 제공할 수 있다. 그리고, 공간 광변조기(120)에서 표시되는 홀로그램 패턴은 적색광을 회절시켜 적색 홀로그램 영상을 재생하기 위한 성분, 녹색광을 회절시켜 녹색 홀로그램 영상을 재생하기 위한 성분, 및 청색광을 회절시켜 청색 홀로그램 영상을 재생하기 위한 성분을 포함할 수 있다. 이러한 적색 홀로그램 영상, 녹색 홀로그램 영상, 및 청색 홀로그램 영상이 홀로그램 영상 평면 상의 동일한 위치에 일치하여 재생되면 컬러 홀로그램 영상이 구현될 수 있다.
또한, 수학식 1과 같이, 회절 패턴(P)의 주기(Λx, Λy)가 빛의 파장에 의존하므로, 컬러 홀로그램 영상을 구현할 경우에 회절 패턴(P)은 주기가 서로 다른 3종류의 회절 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 회절 패턴(P)은 적색 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 제 1 주기 회절 패턴, 녹색 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 제 2 주기 회절 패턴, 및 청색 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 제 3 주기 회절 패턴을 포함할 수 있다. 적색 홀로그램 영상, 녹색 홀로그램 영상, 및 청색 홀로그램 영상이 홀로그램 영상 평면 상의 동일한 위치에 일치하여 재생되기 위하여, 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들은 서로 다른 주기를 가질 수 있다. 예를 들어, 동공 평면에서 적색 홀로그램 영상, 녹색 홀로그램 영상 및 청색 홀로그램 영상의 초점 영역의 이동 거리(Δx, Δy)와 공간 광변조기(120)로부터 시역까지의 거리(D)는 공통된 값이므로, 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 주기는 적색 홀로그램 영상, 녹색 홀로그램 영상, 및 청색 홀로그램 영상의 빛의 파장에만 비례할 수 있다.
도 3에는 설명의 편의상 회절 패턴(P)이 하나의 주기를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 공간 광변조기(120)는 실제로는 상이한 주기를 갖는 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들을 모두 함께 표시할 수 있다. 그런데, 주기가 상이한 다수의 회절 패턴들이 공간 광변조기(120)에서 동시에 표시되는 경우, 맥놀이 현상(beating)이 일어날 수 있다. 예를 들어, 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 각각의 격자선들이 공간 광변조기(120) 상의 일부 영역에는 밀집하여 위치하고 다른 일부 영역에서는 산재되어 위치할 수 있다. 그 결과, 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들이 어떤 한 지점에서 동시에 세기가 강할 때는 흰색 선이 나타나며, 어떤 다른 지점에서 동시에 세기가 약할 때는 검정색 선이 나타나게 된다. 이로 인하여, 공간 광변조기(120) 및 재생되는 홀로그램 영상에서는 주기적으로 흰색 선과 검정색 선이 번갈아 나타나게 된다. 흰색 선과 검정색 선이 번갈아 나타나는 주기는 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 주기들의 최소 공배수(또는 최소 공배수에 가까운 근사값)가 된다. 이러한 흰색 선과 검정색 선이 번갈아 나타나는 주기가 관찰자의 육안의 각 분해능보다 클 경우에는 빗금 같은 영상 잡음이 보이게 되는데, 이를 물결무늬 영상잡음(Moire noise)이라고 부른다. 예를 들어, 도 4는 주기가 상이한 주기를 갖는 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들이 맥놀이 현상을 일으켜서 발생하는 물결무늬 영상잡음을 예시적으로 도시하고 있다. 도 4에서 (A)로 표시된 영역은 검정색 선이 나타나는 어두운 영역이며, (B)로 표시된 영역은 흰색 선이 나타나는 밝은 영역이다.
물결무늬 영상잡음을 완화하기 위한 하나의 방법으로서, 흰색 선과 검정색 선이 공간 광변조기(120) 상에서 나타나는 위치를 시간에 따라 변화시켜 흰색 선과 검정색 선을 전체적으로 평균화하는 것이 가능하다. 물결무늬 영상잡음의 흰색 선과 검정색 선의 위치는 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 각각의 격자선들의 위치에 따라 결정된다. 따라서, 공간 광변조기(120)에서 표시되는 전체 회절 패턴(P)의 위치를 시간에 따라 변화시킴으로써 물결무늬 영상잡음의 흰색 선과 검정색 선의 위치를 시간에 따라 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 도 5a 내지 도 5c는 물결무늬 영상잡음을 완화하기 위하여 프레임에 따라 회절 패턴(P1, P2, P3)들의 위치를 수평 이동시키는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 방법을 예시적으로 도시하고 있다. 도 5a 내지 도 5c에는 설명의 편의상 회절 패턴(P1, P2, P3)들만이 표시되어 있지만, 공간 광변조기(120)는 회절 패턴(P1, P2, P3)들과 홀로그램 패턴들을 동시에 표시할 수 있다. 즉, 공간 광변조기(120)는 다수의 프레임들의 홀로그램 영상들을 순차적으로 재생하기 위하여 다수의 홀로그램 패턴들을 순차적으로 형성하여 표시할 수 있다. 예를 들어, 공간 광변조기(120)는 제 1 프레임의 홀로그램 영상을 재생하기 위한 제 1 홀로그램 패턴을 제 1 프레임에서 표시한 후, 제 2 프레임에서는 제 2 프레임의 홀로그램 영상을 재생하기 위한 제 2 홀로그램 패턴을 표시할 수 있다. 또한, 도 5a 내지 도 5c에는 설명의 편의상 각각의 프레임마다 하나의 회절 패턴(P1, P2, P3)만이 도시되어 있지만, 실제로는 각각의 회절 패턴(P1, P2, P3)은 적색 홀로그램 영상, 녹색 홀로그램 영상, 및 청색 홀로그램 영상을 각각 이동시키기 위한 상이한 주기의 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들을 포함할 수 있다.
각각의 프레임에서 홀로그램 패턴을 표시하는 동시에, 공간 광변조기(120)는 재생될 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 주기적인 회절 패턴을 형성하여 표시할 수 있다. 이때, 물결무늬 영상잡음을 완화하기 위하여, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 공간 광변조기(120)는 각각의 프레임마다 회절 패턴(P1, P2, P3)을 수평 이동하여 표시할 수 있다. 예를 들어, 제 2 프레임에서 공간 광변조기(120)가 형성한 회절 패턴(P2)의 위치는 제 1 프레임에서 공간 광변조기(120)가 형성한 회절 패턴(P1)보다 d1만큼 우측으로 수평 이동될 수 있다. 또한, 제 3 프레임에서의 회절 패턴(P3)의 위치는 제 1 프레임에서의 회절 패턴(P1)보다 d2만큼 우측으로 수평 이동될 수 있다. 이렇게 회절 패턴(P1, P2, P3)의 위치가 매 프레임마다 변화하면 물결무늬 영상잡음의 흰색 선과 검정색 선이 나타나는 위치도 매 프레임마다 변화하므로 전체적으로 흰색 선과 검정색 선이 평균화될 수 있다. 따라서, 다수의 프레임 동안 흰색 선과 검정색 선이 평균화되기 때문에 물결무늬 영상잡음이 완화될 수 있다.
매 프레임마다 회절 패턴(P1, P2, P3)이 수평 이동하는 거리는 d1으로 일정할 수도 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 흰색 선과 검정색 선이 번갈아 나타나는 주기는 적색 홀로그램 영상, 녹색 홀로그램 영상, 및 청색 홀로그램 영상을 위한 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 주기들의 최소 공배수(또는 최소 공배수에 가까운 근사값)가 된다. 물결무늬 영상잡음을 완화하기 위해서는, 매 프레임마다 회절 패턴(P1, P2, P3)이 수평 이동하는 거리(d1)가 흰색 선과 검정색 선이 번갈아 나타나는 주기보다 작은 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 흰색 선과 검정색 선이 번갈아 나타나는 주기를 Prgb라고 할 때, 2개의 프레임마다 회절 패턴(P1, P2)의 위치가 변화할 경우, d1 = Prgb/2일 수 있다. 만약, d1 = Prgb라면 모든 프레임에서 흰색 선과 검정색 선의 위치가 일정하기 때문에, 흰색 선과 검정색 선이 평균화되지 않을 것이다. 또한, N개의 프레임을 주기로 회절 패턴(P1, P2, P3)의 위치가 변화한다면, 매 프레임마다 회절 패턴(P1, P2, P3)이 수평 이동하는 거리(d1)는 Prgb/N일 수 있다.
그러나, 필요에 따라서는 회절 패턴(P1, P2, P3)들이 각각의 프레임마다 불규칙한 간격으로 수평 이동할 수도 있다. 또한, 도 5a 내지 도 5c에서는 회절 패턴(P1, P2, P3)들이 일정한 방향으로 수평 이동하는 것으로 도시되어 있으나, 좌우로 불규칙하게 수평 이동할 수도 있다. 예를 들어, N개의 프레임을 주기로 회절 패턴(P1, P2, P3)의 위치가 변화할 경우, 흰색 선과 검정색 선이 번갈아 나타나는 주기(Prgb)(또는, 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 주기들의 최소 공배수)를 N 등분한 값의 배수들 중에서 어느 하나의 값을 갖는 간격으로 회절 패턴(P1, P2, P3)들이 좌우로 불규칙하게 수평 이동할 수 있다.
이러한 공간 광변조기(120)의 동작은 제어부(140)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 공간 광변조기(120)에서 형성될 홀로그램 패턴의 홀로그램 데이터 신호와 주기적인 회절 패턴(P1, P2, P3)을 형성하기 위한 회절 패턴 데이터 신호를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다. 이때, 제어부(140)는 각각의 프레임마다 회절 패턴(P1, P2, P3)들이 상술한 방식으로 수평 이동되도록 회절 패턴 데이터 신호를 생성하여 공간 광변조기(140)에 제공할 수 있다.
예를 들어, 도 6은 N개의 프레임을 주기로 회절 패턴(P1, P2,..., PN)들의 위치를 수평 이동시키기 위하여 제어부(140)에서 홀로그램 데이터 신호와 회절 패턴 데이터 신호를 생성하는 과정을 예시적으로 도시하고 있다. 도 6을 참조하면, 제 1 프레임에서 제어부(140)는 제 1 프레임의 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴의 정보를 담고 있는 홀로그램 데이터 신호(CGH1)를 생성한다. 예컨대, 제어부(140)는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT) 알고리즘을 이용하여 홀로그램 데이터 신호(CGH1)를 생성할 수 있다. 그리고, 제어부(140)는 제 1 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안 공간 광변조기(120)에서 표시되는 제 1 프레임 회절 패턴(P1)의 회절 패턴 데이터 신호를 생성한다. 이러한 회절 패턴 데이터 신호는 회절 패턴을 나타내는 다음의 수학식 2와 같은 프리즘 격자 함수를 이용하여 생성될 수 있다.
Figure 112021098968490-pat00002
위의 수학식 2에서, x 및 y는 공간 광변조기(120) 상의 좌표를 나타낸다. 그리고, fx, fy는 각각 x축 방향, y축 방향의 공간 주파수(spatial frequency)로서, 회절 패턴의 주기(Λx, Λy)의 역수와 같으며, 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021098968490-pat00003
또한,
Figure 112021098968490-pat00004
는 i번째 프레임에서에서 회절 패턴의 프리즘 격자 함수의 위상을 나타낸다. 회절 패턴이 공간 광변조기(120) 상에서 표시되는 위치는 수학식 2의 프리즘 격자 함수의 위상에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 각각의 프레임마다 Φi의 값을 변화시킴으로써 공간 광변조기(120) 상에서 회절 패턴이 수평 이동할 수 있다. 예컨대, N개의 프레임을 주기로 회절 패턴(P1, P2,..., PN)들의 위치를 순차적으로 수평 이동시킨다면, i번째 프레임에서
Figure 112021098968490-pat00005
값은 다음의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021098968490-pat00006
다시 도 6을 참조하면, 제어부(140)는 상술한 프리즘 격자 함수를 이용하여 제 1 프레임의 회절 패턴 데이터 신호를 생성할 수 있다. 예컨대, 제 1 프레임에서 회절 패턴(P1)의 프리즘 격자 함수의 위상은 0일 수 있다. 즉, 제 1 프레임에서 회절 패턴(P1)의 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 프리즘 격자 함수들의 각각의 위상이 모두 0일 수 있다. 그런 후, 제어부(140)는 제 1 프레임의 홀로그램 데이터 신호(CGH1)와 회절 패턴 데이터 신호를 함께 공간 광변조기(120)에 제공한다. 예를 들어, 제어부(140)가 공간 광변조기(120)에 제공하는 최종적인 신호는 홀로그램 데이터 신호(CGH1)와 회절 패턴 데이터 신호의 곱으로 표현될 수 있다. 공간 광변조기(120)는 제어부(140)에서 제공된 신호에 따라 홀로그램 패턴 및 회절 패턴(P1)을 형성하여 표시할 수 있다.
또한, 제 2 프레임에서 제어부(140)는 제 2 프레임의 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴의 정보를 담고 있는 홀로그램 데이터 신호(CGH2)를 생성하고, 제 2 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안 공간 광변조기(120)에서 표시되는 제 2 프레임 회절 패턴(P2)의 회절 패턴 데이터 신호를 생성한다. 제 2 프레임에서는 회절 패턴(P1)의 프리즘 격자 함수의 위상이 2π/N일 수 있다. 즉, 제 2 프레임에서 회절 패턴(P2)의 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들의 프리즘 격자 함수들의 각각의 위상이 모두 2π/N일 수 있다. 이에 따라, 공간 광변조기(120)에서 표시되는 회절 패턴(P2)의 위치는 제 1 프레임의 회절 패턴(P1)에 대해 수평 이동할 수 있다.
이러한 방식으로 제어부(140)는 N번째 프레임의 홀로그램 데이터 신호(CGHN)와 회절 패턴(PN)의 회절 패턴 데이터 신호를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다. 그런 후, N+1번째 프레임에서, 제어부(140)는 다시 제 1 프레임의 회절 패턴(P1)과 동일한 회절 패턴 데이터 신호를 생성하고, 이를 N+1번째 프레임의 홀로그램 데이터 신호(CGHN+1)와 함께 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다.
도 6의 예에서, 각각의 프레임에서 재생되는 홀로그램 영상은 정지 영상인 경우에 동일할 수 있다. 즉, 홀로그램 데이터 신호(CGH1, CGH2,..., CGHN, CGHN+1)들이 모든 프레임에서 동일할 수도 있다. 또한, 동영상인 경우에는 각각의 프레임에서 재생되는 홀로그램 영상이 서로 다를 수 있다. 즉, 각각의 프레임의 홀로그램 데이터 신호(CGH1, CGH2,..., CGHN, CGHN+1)들이 서로 다를 수도 있다.
상술한 예에서는, 다수의 프레임의 홀로그램 영상들을 순차적으로 재생하는 동안, 제어부(140)가 프리즘 격자 함수의 위상을 수학식 4와 같이 순차적으로 변화시키는 것으로 설명하였다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제어부(140)는 수학식 4에서 i의 값을 프레임 순서와 관계 없이 임의적으로 선택할 수 있다. 이 경우, 다수의 프레임의 홀로그램 영상들을 순차적으로 재생하는 동안, 프리즘 격자 함수의 위상이 불규칙하게 변화할 수 있다. 이에 따라, 회절 패턴(P1, P2,..., PN)들이 각각의 프레임마다 불규칙한 간격으로 수평 이동할 수 있다.
물결무늬 영상잡음을 완화하기 위한 또 다른 방법으로서, 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들 중에서 어느 하나만을 사용하는 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 물결무늬 영상잡음은 상이한 주기를 갖는 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들이 맥놀이 현상을 일으켜서 발생하는 것이다. 따라서, 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들 중에서 어느 하나만으로 홀로그램 영상을 이동시킨다면, 물결무늬 영상잡음이 발생하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 녹색 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 제 2 주기 회절 패턴의 홀로그램 데이터 신호만을 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다. 또는, 제어부(140)는 적색 또는 청색 홀로그램 영상의 빛의 파장만을 기준으로 회절 패턴의 주기를 결정하여 홀로그램 데이터 신호를 생성하고 이를 공간 광변조기(120)에 제공할 수도 있다.
그런데, 이 경우에 서로 다른 빛의 파장을 각각 갖는 적색, 녹색 및 청색 홀로그램 영상들이 홀로그램 영상 평면에서 각각 재생되는 위치들이 서로 달라지게 되어 색분산(chromatic dispersion)이 일어날 수 있다. 예를 들어, 도 7은 축비킴 방식으로 홀로그램 영상을 재생할 때 하나의 주기적인 회절 패턴만을 사용하는 경우에 재생되는 홀로그램 영상에서 발생하는 색분산을 예시적으로 도시하고 있다. 도 7을 참조하면, 청색 홀로그램 영상(HIB)과 적색 홀로그램 영상(HIR) 사이에 녹색 홀로그램 영상(HIG)이 재생되며, 청색 홀로그램 영상(HIB)과 적색 홀로그램 영상(HIR) 사이의 색분산 정도를 길이로 환산했을 때 δ일 수 있다. 이러한 색분산이 발생하더라도 색분산이 충분히 작다면 관찰자가 이를 인지하지 못할 수 있다. 관찰자가 인지할 수 없는 최대 색분산은 허용착란원(circle of confusion; CoC)의 크기, 공간 광변조기(120)와 관찰자 사이의 거리(D), 및 재생되는 홀로그램 영상의 깊이(d)에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 색분산이 다음의 수학식 5와 같은 조건을 만족한다면 관찰자가 색분산을 감지하지 못할 수 있다.
Figure 112021098968490-pat00007
위의 수학식 5에서 Leye는 수정체로부터 망막까지의 거리를 나타낸다. 또한, 위의 수학식 5에서 CoC의 기준 위치는 관찰자의 망막이다. Leye와 CoC는 실질적으로 고정되어 있는 값이며, 공간 광변조기(120)와 관찰자 사이의 거리(D)는 시선 추적부(130)에서 측정하여 얻을 수 있다. 따라서, 제어부(140)는 색분산 δ가 관찰자가 인지할 수 없는 최대 색분산 δmax보다 작아지도록, 관찰자와 공간 광변조기 사이의 거리(D)를 기초로 재생되는 홀로그램 영상의 깊이(d)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 시선 추적부(130)에서 제공되는 관찰자와 공간 광변조기 사이의 거리(D)를 이용하여, 색분산 δ가 최대 색분산 δmax보다 작도록 하는 홀로그램 영상의 깊이(d)를 계산할 수 있다. 그리고, 제어부(140)는 계산된 깊이(d)에서 홀로그램 영상이 재생되도록 홀로그램 데이터 신호를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다. 따라서, 관찰자의 이동에 따라 홀로그램 영상의 깊이를 변화시킴으로써 관찰자가 색분산을 감지하지 못하도록 할 수 있다.
또한, 제 1 내지 제 3 주기 회절 패턴들 중에서 어느 하나만으로 홀로그램 영상을 이동시킬 때, 원영상의 위치를 색별로 보정함으로써 색분산을 제거하는 것도 가능하다. 즉, 제 2 주기 회절 패턴만으로 홀로그램 영상을 이동시킬 때, 홀로그램 영상 평면에서 적색 홀로그램 영상과 청색 홀로그램 영상의 위치가 녹색 홀로그램 영상의 위치와 일치하도록, 홀로그램 데이터 신호에 담긴 적색 홀로그램 데이터의 위치와 청색 홀로그램 데이터의 위치를 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 8은 하나의 주기적인 회절 패턴만을 사용하더라도 색분산을 발생하지 않도록 위하여 공간 광변조기(120)에서 표시되는 홀로그램 패턴(Hr, Hg, Hb)을 예시적으로 도시하고 있다. 도 8에 도시된 홀로그램 패턴(Hr, Hg, Hb)의 형태는 단순한 예이며, 재생하고자 하는 홀로그램 영상의 모양, 위치, 깊이에 따라 홀로그램 패턴(Hr, Hg, Hb)의 형태는 크게 달라질 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 색별로 원영상의 위치를 미리 보정함으로써, 재생되는 각 색의 홀로그램 영상들의 위치를 홀로그램 영상이 재생되는 깊이(즉, 홀로그램 영상 평면)에서 일치시킬 수 있다.
이를 위해, 제어부(140)는 재생되는 각 색의 홀로그램 영상들의 위치가 홀로그램 영상 평면에서 일치하도록 홀로그램 데이터를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 9는 하나의 주기적인 회절 패턴만을 사용하더라도 색분산을 발생하지 않도록 하기 위하여 제어부(140)에서 홀로그램 데이터 신호와 회절 패턴 데이터 신호를 생성하는 과정을 예시적으로 도시하고 있다. 도 9에서는 녹색 파장을 기준으로 회절 패턴의 주기를 결정하였다고 가정한다.
도 9를 참조하면, 먼저 제어부(140)는 색분산을 고려하지 않은 원래의 홀로그램 데이터 신호(CGH)에서 적색 홀로그램 데이터 성분(CGHr), 녹색 홀로그램 데이터 성분(CGHg), 및 청색 홀로그램 데이터 성분(CGHb)을 분리할 수 있다. 그런 후, 제어부(140)는 적색 홀로그램 데이터 성분(CGHr)에서 적색 홀로그램 영상의 위치를 보정하도록 새로운 적색 홀로그램 데이터 성분(CGHr')을 생성하고, 청색 홀로그램 데이터 성분(CGHb)에서 청색 홀로그램 영상의 위치를 보정하도록 새로운 청색 홀로그램 데이터 성분(CGHb')을 생성할 수 있다. 예를 들어, 보정된 적색 홀로그램 데이터 성분(CGHr')과 청색 홀로그램 데이터 성분(CGHb')에서 적색 홀로그램 영상과 청색 홀로그램 영상의 위치는 원래의 홀로그램 데이터 신호(CGH)에 비해 아래의 수학식 6과 같이 이동할 수 있다.
Figure 112021098968490-pat00008
위의 수학식 6에서, Λx와 Λy는 회절 패턴의 주기이며, d는 홀로그램 영상의 깊이, 즉 공간 광변조기(120)로부터 홀로그램 영상 평면까지의 거리이다. 또한, Δλ는 회절 패턴의 주기를 결정하는 기준이 되는 파장과 위치를 보정하고자 하는 홀로그램 영상의 색의 파장 사이의 차이를 나타낸다. 예를 들어, 녹색 파장을 기준으로 회절 패턴의 주기를 결정하였다고 가정하면, 적색 홀로그램 영상의 위치를 보정하고자 하는 경우에 Δλ는 적색 파장과 녹색 파장의 차이가 된다. 또한, 수학식 6에서 음(-)의 부호는 색분산에 반대 방향으로 영상을 이동시킨다는 것을 의미한다.
마지막으로, 제어부(140)는 보정된 적색 홀로그램 데이터 성분(CGHr')과 청색 홀로그램 데이터 성분(CGHb')을 녹색 홀로그램 데이터 성분(CGHg)과 다시 결합하여 새로운 홀로그램 데이터 신호(CGH')를 생성한다. 또한, 제어부(140)는 녹색 파장을 기준으로 회절 패턴 데이터 신호(Pg)를 생성하고, 보정된 홀로그램 데이터 신호(CGH')와 회절 패턴 데이터 신호(Pg)를 함께 공간 광변조기(120)에 제공한다. 예를 들어, 제어부(140)가 공간 광변조기(120)에 제공하는 최종적인 신호는 보정된 홀로그램 데이터 신호(CGH')와 회절 패턴 데이터 신호(Pg)의 곱(CGH'×Pg)으로 표현될 수 있다
그러면 공간 광변조기(120)는 보정된 홀로그램 데이터 신호(CGH')와 회절 패턴 데이터 신호(Pg)로부터 홀로그램 패턴과 회절 패턴을 형성하여 표시할 수 있다. 이때, 공간 광변조기(120)에서 표시되는 홀로그램 패턴은 홀로그램 영상이 재생되는 깊이에서 적색 홀로그램 영상의 색분산에 반대 방향으로 적색 홀로그램 영상을 이동시켜 적색 홀로그램 영상의 색분산을 상쇄할 수 있다. 또한, 상기 홀로그램 패턴은 홀로그램 영상이 재생되는 깊이에서 청색 홀로그램 영상의 색분산에 반대 방향으로 청색 홀로그램 영상을 이동시켜 청색 홀로그램 영상의 색분산을 상쇄할 수 있다. 이에 따라, 하나의 주기만을 갖는 회절 패턴을 이용하여 홀로그램 영상을 이동시키더라도 색분산이 발생하지 않을 수 있다.
상술한 방식으로 색분산을 방지할 때, 홀로그램 영상이 재생되는 깊이에서만 색분산이 정확히 상쇄되어 나타나지 않으며, 그 외의 영역에서는 색분산이 발생할 수 있다. 그리고, 홀로그램 영상이 재생되는 깊이에서 멀어질수록 색분산이 커지게 된다. 따라서, 관찰자의 수정체의 초점이 홀로그램 영상이 재생되는 깊이에 맞추어진 경우에는 관찰자에게 색분산이 보이지 않으며, 홀로그램 영상이 재생되는 깊이의 앞뒤로 수정체의 초점을 변경할 경우에는 색분산이 보이게 된다. 또한, 수정체의 초점이 홀로그램 영상이 재생되는 깊이로부터 멀어질수록 색분산이 더 잘 보이게 된다. 이는 카메라의 아웃 포커싱(out focusing)과 같은 현상으로서, 상술한 방식에 따르면 관찰자에게 초점조절 효과(accommodation effect)를 추가적으로 제공할 수도 있다.
한편, 수학적으로 계산된 홀로그램 데이터는 통상적으로 아래의 수학식 7과 같은 복소 함수로 표현될 수 있다.
Figure 112021098968490-pat00009
위의 수학식 7에서 Re(x,y)는 실수부이고 Im(x,y)는 허수부이다. 수평축을 실수부로 정의하고 수직축을 허수부로 정의하는 복소 평면에 홀로그램 데이터를 나타낼 경우, 홀로그램 데이터는 원점으로부터의 거리인 진폭 성분과 수평축으로부터의 각도인 위상 성분을 가질 수 있다. 따라서, 공간 광변조기(120)가 진폭 변조와 위상 변조를 모두 수행할 수 있는 복합 변조기인 경우, 수학적으로 계산된 홀로그램 데이터의 모든 성분을 손실 없이 홀로그램 패턴으로 나타낼 수 있다.
반면, 공간 광변조기(120)가 진폭 변조만을 수행할 수 있는 진폭 변조기인 경우에는, 수학적으로 계산된 홀로그램 데이터 중에서 불가피하게 실수부만을 이용하여 홀로그램 패턴을 나타낼 수 있다. 또한, 홀로그램 데이터 신호와 회절 패턴 데이터 신호를 생성하기 위한 인코딩 과정에서 실수부에 음(-)의 값이 발생하게 되는데, 진폭 변조기는 음의 진폭을 표현할 수 없으므로, 공간 광변조기(120)가 진폭 변조만을 수행할 수 있는 진폭 변조기인 경우에는 음의 값이 발생하지 않도록 전체적으로 실수부의 진폭을 증가시키게 된다. 이로 인해, 재생되는 홀로그램 영상에서 어두워야 할 영상 영역도 일부 밝아지게 될 수 있다. 그 결과, 재생되는 홀로그램 영상의 명암대비율(contrast ratio; CR)이 감소할 수 있다.
도 10은 공간 광변조기(120)가 진폭 변조기인 경우에도 명암대비율이 감소되지 않도록 공간 광변조기(120)의 진폭 변조값을 조절하는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 방법을 예시적으로 도시하고 있다. 도 10에서 (a)로 표시된 그래프는 회절 패턴 데이터를 포함하는 홀로그램 데이터의 실수부의 값을 예시적으로 나타내는 것으로, 수직축은 공간 광변조기(120)에서 표시될 홀로그램 패턴의 계조값(즉, 진폭 변조값)을 나타내며, 수평축은 공간 광변조기(120)에서 표시될 홀로그램 패턴의 위치를 나타낸다. 도 10의 (a)와 같이 수학적으로 계산된 홀로그램 데이터는 음의 진폭을 갖는데, 이러한 음의 진폭은 일반적인 진폭 변조기로는 표현할 수 없다. 종래에는 도 10의 (b)로 표시된 그래프와 같이, 음의 진폭이 발생하지 않도록 실수부의 진폭을 전체적으로 증가시키기 때문에, 계조값이 0이어야 할 영역이 밝아지게 될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 도 10의 (c) 및 (d)로 표시된 그래프와 같이 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 실수부에서 진폭이 양수인 부분과 진폭이 음수인 부분 중에서 어느 하나의 부분만을 선택할 수 있다. 예컨대 제어부(140)는, 재생될 홀로그램 영상의 홀로그램 데이터로부터 진폭 변조값을 추출하여 공간 광변조기(120)에 제공할 때, 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이, 홀로그램 데이터의 실수부에서 진폭이 양수인 부분만을 선택하고 선택되지 않은 홀로그램 데이터의 실수부를 0으로 처리할 수 있다. 그리고, 제어부(140)는 이렇게 처리된 홀로그램 데이터를 이용하여 홀로그램 데이터 신호를 생성하고 이를 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다. 또한, 제어부는(120)는 도 10의 (d)에 도시된 바와 같이, 홀로그램 데이터의 실수부에서 진폭이 음수인 부분만을 선택하고 선택되지 않은 홀로그램 데이터의 실수부를 0으로 처리할 수 있다. 그리고, 제어부(140)는 선택된 홀로그램 데이터의 실수부의 절대값을 진폭 변조값으로서 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 홀로그램 데이터의 실수부의 음의 진폭과 양의 진폭을 시분할 방식으로 모두 이용할 수도 있다. 예컨대, 제어부(140)는 제 1 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안, 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이, 진폭이 양수인 부분을 선택하고 진폭이 음수인 부분을 0으로 처리할 수 있다. 그리고, 제어부(140)는 제 1 프레임에 후속하는 제 2 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안, 도 10의 (d)에 도시된 바와 같이, 진폭이 음수인 부분을 선택하고 진폭이 양수인 부분을 0으로 처리할 수도 있다. 이러한 방식으로 제어부(140)는 진폭이 양수인 부분과 진폭이 음수인 부분을 시간의 흐름에 따라 번갈아 선택하여 홀로그램 데이터 신호를 생성할 수 있다.
상술한 방식에 따르면, 계조값이 0에 가까운 영역을 억지로 높은 계조값으로 올리지 않기 때문에 명암대비율이 증가할 수 있다. 또한, 진폭이 양수인 부분과 진폭이 음수인 부분을 번갈아 사용하면, 회절 패턴의 검정색 선이 관찰자의 육안에 드러나지 않게 하는 효과를 더 얻을 수 있다. 더욱이, 상술한 방식에 따르면, 공간 광변조기(120)의 패널의 고착화(sticky) 현상을 완화시킬 수도 있다. 고착화 현상이란, 패널의 동일한 영역에 계속 동일한 신호가 입력됨으로써 액정이 고착화되어 다음 프레임의 동작시에 노이즈가 발생하는 현상이다.
한편, 도 10의 (c) 및 (d)의 그래프를 보면, 진폭이 0이 아닌 영역과 진폭이 0인 영역 사이가 불연속적인데, 이로 인해 재생되는 홀로그램 영상에 노이즈가 발생할 수도 있다. 따라서, 진폭이 0이 아닌 영역과 진폭이 0인 영역 사이의 연결을 매끄럽게 하기 위하여, 저역 통과 필터(low-pass filter)를 이용하여 고차 공간 주파수 성분(high spatial frequency component)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 도 11은 도 10의 (c)에 도시된 그래프에서 저역 통과 필터로 고차 공간 주파수 성분을 제거한 결과를 예시적으로 보이는 그래프이다. 이를 위해 제어부(140)는, 홀로그램 데이터에서 추출된 진폭 변조값을 공간 광변조기(120)에 제공하기 전에, 저역 통과 필터를 이용하여 상기 추출된 진폭 변조값의 고차 공간 주파수 성분을 제거할 수 있다. 즉, 제어부(140)는 진폭이 양수인 부분과 진폭이 음수인 부분을 시간의 흐름에 따라 번갈아 선택하여 홀로그램 데이터 신호를 생성한 다음, 홀로그램 데이터 신호를 저역 통과 필터로 처리한 후 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다. 여기서, 저역 통과 필터는 물리적인 필터라기 보다는 소프트웨어 또는 전자 회로로 구현되는 논리적인 필터일 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 방식은 수학적으로 계산된 홀로그램 데이터의 허수부를 여전히 반영하지 못하고 있다. 공간 광변조기(120)가 진폭 변조기인 경우에도, 홀로그램 데이터의 허수부를 반영하면서 명암대비율이 감소되지 않도록 공간 광변조기(120)의 진폭 변조값을 조절할 수도 있다.
도 12는 공간 광변조기(120)가 진폭 변조만을 수행할 수 있는 진폭 변조기인 경우에도 홀로그램 데이터의 허수부를 반영하면서 명암대비율이 감소되지 않도록 공간 광변조기(120)의 진폭 변조값을 조절하는 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 방법을 예시적으로 보인다. 예를 들어, 도 12의 그래프는 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 실수부의 값과 홀로그램 데이터의 절대값을 더한 결과(즉, Re(CGH) + Abs(CGH))를 나타낸다. 도 12의 그래프를 참조하면, 음의 진폭 변조값이 발생하지 않고 계조값이 0인 부분 근처에서 곡선이 매끄럽게 연결되므로 도 10 및 도 11과 같은 별도의 후처리가 필요하지 않다. 또한, 공간 광변조기(120) 상에서 계조값이 0이어야 할 위치에서 계조값이 그대로 0을 유지할 수 있다. 따라서, 계조값이 0이어야 할 위치에서 계조값의 오프셋으로 인한 엉뚱한 산란이 발생하지 않으므로 명암대비율의 감소를 방지할 수 있다.
도 12는 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 실수부의 값과 홀로그램 데이터의 절대값을 더한 그래프를 예시적으로 보이고 있지만, 다른 방식으로 홀로그램 데이터의 허수부를 반영할 수도 있다. 즉, 홀로그램 데이터의 실수부, 허수부, 및 절대값의 다양한 조합이 가능하다. 예를 들어, 제어부(140)에서 계산된 진폭 변조값은 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 절대값과 홀로그램 데이터의 허수부의 값의 합(즉, Im(CGH) + Abs(CGH))일 수 있다. 즉, 제어부(140)는 홀로그램 데이터의 절대값과 홀로그램 데이터의 허수부의 값을 더하여 홀로그램 데이터 신호를 생성하고 이를 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 다음의 수학식 8과 같이 진폭 변조값을 계산할 수도 있다.
Figure 112021098968490-pat00010
즉, 진폭 변조값은 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 실수부의 값과 제 1 계수(α1)의 곱, 홀로그램 데이터의 허수부의 값과 제 2 계수의 곱(α2), 및 홀로그램 데이터의 절대값과 제 3 계수(α3)의 곱을 가산하여 계산될 수 있다. 여기서, 제 3 계수는 0이 아닌 값을 가지며, 제 1 및 제 2 계수의 값은 공간 광변조기(120) 상의 모든 좌표에서 진폭 변조값이 0 이상이 되도록 선택될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 향상된 화질을 제공하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 홀로그래픽 디스플레이 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100.....홀로그래픽 디스플레이 장치
110.....광원 120.....공간 광변조기
130.....시선 추적부 140.....제어부

Claims (8)

  1. 참조광을 제공하는 광원;
    참조광을 진폭 변조하여 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광변조기; 및
    재생될 홀로그램 영상의 홀로그램 데이터로부터 진폭 변조값을 추출하여 상기 공간 광변조기에 제공하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는, 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 실수부에서 진폭이 양수인 부분과 진폭이 음수인 부분 중에서 어느 하나의 부분만을 선택하고, 선택되지 않은 홀로그램 데이터의 실수부를 0으로 처리하고, 선택된 홀로그램 데이터의 실수부의 절대값을 진폭 변조값으로서 공간 광변조기에 제공하도록 구성되고,
    상기 공간 광변조기는 상기 제어부로부터 제공된 진폭 변조값을 기초로 상기 참조광을 진폭 변조하는, 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    제 1 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안, 진폭이 양수인 부분을 선택하고 진폭이 음수인 부분을 0으로 처리하며,
    제 1 프레임에 후속하는 제 2 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 동안, 진폭이 음수인 부분을 선택하고 진폭이 양수인 부분을 0으로 처리하도록 구성된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 추출된 진폭 변조값을 상기 공간 광변조기에 제공하기 전에, 저역 통과 필터를 이용하여 추출된 진폭 변조값의 고차 공간 주파수 성분을 제거하도록 구성된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  4. 참조광을 제공하는 광원;
    참조광을 진폭 변조하여 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광변조기; 및
    재생될 홀로그램 영상의 홀로그램 데이터로부터 진폭 변조값을 추출하여 상기 공간 광변조기에 제공하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는, 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 절대값에 홀로그램 데이터의 실수부의 값과 홀로그램 데이터의 허수부의 값 중에서 적어도 하나를 가산하여 진폭 변조값을 계산하도록 구성되고,
    상기 공간 광변조기는 상기 제어부로부터 제공된 진폭 변조값을 기초로 상기 참조광을 진폭 변조하는, 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 진폭 변조값은 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 절대값과 홀로그램 데이터의 실수부의 값의 합인 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 진폭 변조값은 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 절대값과 홀로그램 데이터의 허수부의 값의 합인 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 진폭 변조값은 복소수로 표현되는 홀로그램 데이터의 실수부의 값과 제 1 계수의 곱, 홀로그램 데이터의 허수부의 값과 제 2 계수의 곱, 및 홀로그램 데이터의 절대값과 제 3 계수의 곱을 가산하여 계산되는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 계수는 0이 아닌 값이며, 상기 제 1 및 제 2 계수의 값은 모든 좌표에서 상기 진폭 변조값이 0 이상이 되도록 선택되는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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