KR102580294B1 - 동공 확장 - Google Patents

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Abstract

광학 슬래브 및 광학 웨지를 포함하는 도파관이 개시된다. 광학 슬래브는 제1굴절률 n1 > 1을 갖는다. 광학 슬래브는 한 쌍의 대향 표면과 입력 포트로 구성된다. 한 쌍의 대향 표면은 평행 구조로 배열된다. 입력 포트는 일련의 내부 반사에 의해 제1표면 및 대향하는 제2표면 사이에서 광이 안내되는 각도로 광 슬래브 내부로 광을 수신하도록 배열된다. 광학 웨지는 제2굴절률 n2를 가지며, 여기서 1 < n2 < n1이다. 광학 웨지는 웨지 구조로 배열된 한 쌍의 대향 표면을 포함한다. 광학 웨지의 제1표면은 광학 슬래브의 제2표면과 접하여 광학 슬래브에 의해 안내된 광이 경계를 따라 복수의 지점에서 광학 웨지로 부분적으로 투과되도록 하여 광이 복수 회 분할되도록 하는 경계를 형성한다. 웨지의 각도는 경계에서 수신된 광이 광학 웨지의 제2표면을 통해 빠져나가도록 하여 도파관의 출사 동공이 광의 복수 분할에 의해 확장되도록 한다.

Description

동공 확장{PUPIL EXPANSION}
본 개시는 도파관 동공 확장기와 같은 동공 확장기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 헤드 업 디스플레이(head-up display)의 화상 생성 유닛을 위한 슬래브(slab) 도파관 동공 확장기(waveguide pupil expander)에 관한 것이다. 본 개시는 또한 프로젝터 및 홀로그래픽 프로젝션과 같은 프로젝션 방법에 관한 것이다. 일부 실시 예는 헤드 업 디스플레이 및 헤드 업 디스플레이의 뷰잉 윈도우(viewing window) 또는 아이 모션 박스(eye-motion-box)를 증가시키는 방법에 관한 것이다.
객체에서 산란된 빛은 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 조명함으로써 구성될 수 있다.
컴퓨터-생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 수치적으로 간섭 프로세스(interference process)를 시뮬레이션 할 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 프레넬(Fresnel) 또는 푸리에(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기술에 의해 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬/푸리에 변환 홀로그램 또는 단순히 프레넬/푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인/평면 표현 또는 객체의 주파수 도메인/평면 표현으로 간주될 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 또한 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기법(point cloud technique)에 의해 계산될 수 있다.
컴퓨터-생성 홀로그램은 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 배열된 공간 광 변조기 상에 인코딩 될 수 있다. 광 변조는 예컨대 전기적으로 어드레스 가능한 액정, 광학적으로 어드레스 가능한 액정 또는 마이크로 미러를 사용하여 달성될 수 있다.
공간 광 변조기는 통상 셀들(cells) 또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레스 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. 공간 광 변조기는 변조 광이 공간 광 변조기로부터 반사되어 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 공간 광 변조기를 투과하여 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.
여기에 기재된 시스템을 이용하여 홀로그래픽 프로젝터와 같은 홀로그래픽 디스플레이 장치가 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 헤드 업 디스플레이, "HUD"에 적용가능 하다.
광학 슬래브 및 광학 웨지(wedge)를 포함하는 도파관이 개시된다. 광학 슬래브는 제1굴절률 n1 > 1을 갖는다. 광학 슬래브는 한 쌍의 대향 표면 및 입력 포트 또는 더 간단히는 "입력"을 포함한다. 한 쌍의 대향 표면은 평행 구조로 배열된다. 즉, 광학 슬래브의 제1표면과 제2표면은 실질적으로 평행하다. 제1표면은 일련의 내부 반사에 의해 대향하는 제1 및 제2표면 사이에서 광이 안내되는 각도로 광 슬래브에 광을 수신하도록 배열된 입력(포트)을 포함한다. 따라서, 실시 예에서, 제1표면은 입력(포트)에서 제2표면과 평행이 아니다. 광학 웨지는 제2굴절률 n2를 가지며, 여기서 1 < n2 < n1이다.
광학 웨지는 웨지 구조로 배열된 한 쌍의 대향 표면을 포함한다. 즉, 광학 웨지의 제1표면과 제2표면은 평행하지 않다. 광학 웨지는 상대적으로 두꺼운 단부(end)와 상대적으로 얇은 단부를 가진다. 광학 웨지의 제1표면은 광학 슬래브의 제2표면에 접하고 - 광학 슬래브의 제2표면과 실질적으로 평행하여 - 광학 슬래브에 의해 유도된 광을 광이 여러 차례 분할되도록 경계(interface)를 따라 복수의 지점에서 광학 웨지로 부분적으로 투과시킬 수 있는 경계를 형성한다. 광학 웨지의 제1표면과 제2표면 사이는 일반적으로 예각을 가져, 도파관의 입력 단부로부터 거리가 증가할수록 웨지의 제2표면과 제1표면 사이의 (웨지의 제1표면에 실질적으로 수직인 방향으로) 거리 또는 분리는 감소한다. 따라서, 제2표면은 도파관의 출력 단부 쪽의 한 지점 또는 정점에서 제1표면과 만나도록 일반적으로 테이퍼 진다. 웨지의 각도는, 광의 복수의 분할에 의해 도파관의 출사 동공이 확장되는 방식으로, 경계에서 수신된 광이 광학 웨지의 제2표면을 통해 빠져나가도록 허용한다. 광은 슬래브의 제1표면과 주변 매체(예컨대, 공기) 사이의 경계에서 내부 전반사에 의해 도파관 내에 있도록 유지된다.
광학 슬래브의 제1표면 및 대향하는 제2표면은 슬래브의 도광(light-guiding) 표면이다. 즉, 광학 분야의 당업자에게 익숙한 방식으로 슬래브의 일단에서 타단으로 광을 전파하기 위해 내부 반사에 의해 그 사이에서 광을 반사하는 표면이다. 이와 관련하여, 광학 슬래브의 제1 및 제2표면은 광학 슬래브의 주 면이라고 할 수 있다. 여기서 슬래브라는 용어는 제1 및 제2표면이 실질적으로 평탄하고 실질적으로 평평하다는 것을 반영하기 위해 사용된다. 당업자는 실제 광선 경로가 두 도광 표면 사이에서 지그재그(zig-zag) 임에도 불구하고 광이 안내되는 일반적인 방향을 나타내는 전파 축 또는 전파 방향을 갖는 광학 슬래브에 익숙할 것이다. 광학 슬래브의 한 쌍의 도광 표면은 각각의 바운스(bounce, 반사)의 입사각이 일정하도록 실질적으로 평행하다.
광학 웨지의 제1(하부)표면은 광학 슬래브의 제2(상부)표면과 접한다. 광학 슬래브의 제1(하부)표면과 광학 웨지의 제2(상부)표면은 공기와 같은 저 굴절률 재료와 경계를 형성한다. 광학 슬래브 재료의 굴절률은 광학 웨지 재료의 굴절률보다 높다. 슬래브와 웨지 사이의 경계는 광선의 복수의 복제본을 생성한다. 웨지의 각진(angled) 제2(상부)표면은 광 경로 복제본이 도파관을 빠져나갈 수 있도록 한다. 도파관의 출사 동공은 광선의 복수의 복제본을 형성함으로써 확장된다. 웨지의 제1(하부)표면은 광을 수신하고 웨지의 제2(상부)표면은 광을 투과한다. 이와 관련하여, 광학 웨지의 제1 및 제2표면은 광학 웨지의 주 표면이라고 말할 수 있다. 여기서 '웨지'라는 용어는 구성 요소가 두께가 얇은 단부로 가늘어지는 두꺼운 단부를 가지고 있음을 반영하기 위해 사용된다. 테이퍼는 선형 또는 비선형 일 수 있다. 웨지라는 용어는 상부 표면과 하부 표면 사이에 각도가 있음을 반영한다. 각도는 웨지의 길이 방향 거리를 따라 일정하거나 변할 수 있다. 웨지의 제1(하부)표면에 대한 입사각은 웨지의 제2(상부)표면에 대한 입사각과 다르다. 본 명세서에 기술된 만곡 된 웨지 표면을 사용하는 실시 예에서, 웨지의 제1(하부)표면에 입사되는 광의 입사각은 웨지의 제2(상부)표면에 입사되는 광의 입사각보다 크다.
실시 예에서, 광학 슬래브의 제1(하부)표면으로부터의 반사는 내부 전반사 조건을 충족한다. 즉, 입사각이 슬래브와 공기 사이의 임계각보다 크다. 실시 예에서, 광학 슬래브의 제2(상부)표면으로부터의 반사는 내부 전반사에 대한 조건을 충족하지 않으므로 일부 광은 슬래브와 웨지 사이의 경계를 통해 투과된다. 이는 1 < n2 < n1이기 때문에 슬래브-웨지 경계의 임계 각도가 슬래브-공기 경계의 임계 각도보다 크기 때문이다. 슬래브-웨지 경계에서 반사될 때마다 광은 분할된다. 실시 예에서, 동공 확장을 위해 복수의 분할이 제공된다. 광학 웨지는 도파관에서 광을 추출하거나 결합하는 기능을 한다. 광학 웨지의 하부 표면은 공기보다 굴절률이 높기 때문에 슬래브 내부의 전반사 조건을 깨뜨린다. 광학 웨지의 상부 표면의 투과율은 하부 표면에 대해 상부 표면을 기울임으로써 증가한다. 본 개시 내용의 도파관은 제조하기에 복잡하지 않고 디커플링(decoupling) 구성 요소의 상부 표면으로부터 원치 않는 반사의 강도를 감소시키는 기술적 진보를 제공한다.
도파관 동공 확장기의 문제는 광이 각각의 바운스(반사) 마다 계속 분할되기 때문에 각각의 복제본(replica)의 강도가 동일하지 않다는 것이다. 본 발명자는 웨지의 상부 표면을 만곡시켜 이 문제를 해결했다. 특히, 광학 웨지의 제1표면 및 대향하는 제2표면 사이의 각도는 입력(포트)으로부터의 거리에 따라 변화된다. 실시 예에 따르면, 광학 웨지의 제1 및 대향하는 제2표면 사이의 각도는 입력 단부를 향해 더 크고 출력 단부를 향해 감소한다. 즉, 웨지의 각도는 입력 단부 쪽으로 가파르고 출력 단부 쪽으로 덜 가파르다(또는 더 얕다). 따라서, 복제본 간의 강도 차이를 보상할 수 있다. 다르게 표현하자면, 곡률은 각각의 반사에 따라 감소하는 복제본의 강도를 적어도 부분적으로 보상한다. 일부 경우에, 각 분할에서 투과된 광의 강도는 실질적으로 동일하게 만들어 질 수 있다. 당업자라면 프레넬 방정식에 대한 지식으로부터 이해되는 바와 같이, 도파관을 따라 거리에 따른 입사각의 변화(예컨대, 감소)가 투과율을 변화시키기 때문에 곡률은 여기에 설명된 대로 보상한다. 일부 실시 예에서, 광학 웨지의 제2표면은 도파관의 오목한 표면을 형성한다. 다른 실시 예에서, 광학 웨지의 제2표면은 도파관의 볼록한 표면을 형성한다.
도파관의 곡면이 헤드 업 디스플레이의 각진 커버 유리 또는 섬광 트랩(glare trap)을 형성하는, 도파관을 포함하는 헤드 업 디스플레이가 여기에 개시된다. 따라서, 본 개시의 도파관은 헤드 업 디스플레이 상부 표면의 태양 광 반사를 관리하는 추가적인 용도를 제공한다.
다른 실시 예에서, 웨지의 상부 표면은 실질적으로 평평하다. 즉, 광학 웨지의 제1표면 및 대향하는 제2표면 사이의 각도는 입력(포트)으로부터의 거리에 따라 실질적으로 일정하다.
일부 실시 예에서, 광학 웨지의 굴절률은 입력(포트)으로부터의 거리에 따라 변하고, 선택적으로 입력(포트)으로부터의 거리에 따라 증가한다. 광학 웨지의 굴절률이 입력으로부터 멀어짐에 따라 증가하면, 광학 웨지의 굴절률과 광학 슬래브의 굴절률 간의 해당 차이가 입력으로부터의 거리에 따라 감소하므로 슬래브-웨지 경계에서의 반사 크기가 감소한다. 따라서, 웨지와 슬래브 사이의 경계에서 투과되는 광의 비율은 슬래브의 입력(포트)으로부터의 거리에 따라 변한다. 이 굴절률 구배는 입력(포트)으로부터의 거리에 따라 각 복제본의 감소된 강도를 적어도 부분적으로 보상할 수 있다.
대안적인 실시 예에서, 굴절률((refractive) index) 매칭 유체 층이 광학 슬래브와 광학 웨지 사이에 끼워진다(sandwiched). 굴절률 매칭 유체의 굴절률은 입력(포트)으로부터의 거리에 따라 변할 수 있다. 굴절률 매칭 유체의 굴절률은 입력(포트)으로부터의 거리에 따라 증가할 수 있다. 다시 말하지만, 이는 입력으로부터의 거리가 증가함에 따라 슬래브-웨지 경계에서 광이 슬래브로 반사되는 대신 더 높은 비율의 잔여 광이 투과되도록 한다. 경계를 따라 거리에 따른 굴절률의 변화는 입력(포트)으로부터의 거리에 따라 각 복제본의 감소된 강도를 적어도 부분적으로 보상할 수 있다. 경계를 따라 거리에 따른 굴절률의 변화는 입력 (포트)으로부터의 거리에 따라 각 복제본의 감소된 강도를 적어도 부분적으로 보상할 수 있다.
다른 예에서, 광학 웨지는 적어도 부분적인 강도 보정을 수행하는 그라데이션(graded) 불투명 코팅과 같은 그라데이션 코팅을 추가로 포함한다. 그라데이션 코팅은 이색성(dichroic)일 수 있다. 다시 말하면, 그라데이션 코팅은 도파관을 따라 거리에 따라 각 복제본의 감소하는 강도를 적어도 부분적으로 보상한다. 예를 들어, 그라데이션 코팅의 불투명도는 도파관을 따라 거리에 따라 감소할 수 있다.
일부 실시 예에서, 광학 슬래브는 출력(또는 출구) 포트를 포함한다. 출력 포트는 입력 포트와 대향하는 것과 같이 입력 포트에 대해 보완적일 수 있다. 출력 포트는 입력 포트에 대해 광학 슬래브의 반대측 단부에 있을 수 있다. 입력 포트에서 슬래브의 다른 단부로 전달된(즉, 슬래브 내부에 남아있는) 광은 예를 들어 원하지 않는 역 반사를 방지하기 위해 출력 포트를 통해 광학 슬래브에서 제거될 수 있다. 따라서, 광학 슬래브는 광학 슬래브로부터 광을 방출하도록 배열된 출력 포트를 포함한다고 말할 수 있다. 보다 구체적으로, 출력 포트는 광학 웨지로 전송되지 않은 광을 방출한다.
또한, 여기에 패턴을 디스플레이 하도록 배열되되 입력(포트)에 의해 수신된 광은 화상 생성 유닛에 의해 표시되는 패턴의 광인 화상 생성 유닛 및 도파관을 포함하는 디스플레이 시스템(예컨대, 이미지 프로젝터)이 개시된다.
디스플레이 시스템은 화상 생성 유닛과 도파관 사이에 광학 시스템을 더 포함할 수 있다. 광학 시스템은 시준(collimation) 렌즈, 축소 망원경과 같은 망원경을 형성하도록 배열된 한 쌍의 렌즈 및 공간 필터를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 도파관은 시준된 광 또는 실질적으로 시준된 광을 수신하도록 배열된다.
화상 생성 유닛은 홀로그래픽 프로젝터 일 수 있다. 디스플레이 되는 패턴은 푸리에 또는 프레넬 홀로그램 같은 홀로그램이다. 이러한 실시 예는 디스플레이 장치(예컨대, 공간 광 변조기)와 시청자(viewer) 사이에 스크린이 없는 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 예는 시청자가 디스플레이 장치를 직접 바라보기 때문에 때때로 "직접 뷰(direct view)"라고 불린다. 이러한 구성에서 시청자의 눈은 홀로그램의 푸리에 변환을 수행한다고 종종 불린다.
디스플레이 되는 패턴은 홀로그램으로 형성된 홀로그래픽-재구성 화상과 같은 홀로그램에 대응하는 화상일 수 있다. 따라서, 도파관에 의해 수신된 광은 화상의 광이다. 화상의 광선은 도파관에 의해 복제된다고 할 수 있다. 때때로 화상이 도파관에 의해 복제된다고 표현된다. 화상은 확산(diffuse) 스크린과 같은 스크린에 형성될 수 있다.
동공 확장 방법이 또한 여기에 개시된다. 이 방법은 입력 포트를 통해 광학 슬래브로 광을 수신하는 제1단계를 포함하며, 여기서 광학 슬래브는 제1굴절률 n1 > 1을 갖는다. 이 방법은 일련의 내부 반사에 의해 광학 슬래브의 제1 및 대향하는 제2표면 사이에서 광을 안내하는 제2단계를 포함하며, 여기서 제1표면 및 대향하는 제2표면은 평행 구조로 배열된다. 이 방법은 광학 웨지의 제1표면과 광학 슬패브의 제2표면 사이에 경계를 형성함으로써 광을 복수 번 분할하는 제3단계를 포함하며, 이는 경계를 따라 복수의 지점에서 광학 웨지로 광의 부분적 투과를 허용하고, 광학 웨지는 제2굴절률 n2를 가지며, 1 < n2 < n1이다. 이 방법은 광학 웨지가 경계를 통해(즉, 제1표면을 통해) 수신한 광이 도파관의 출사 동공이 광의 복수 분할에 의해 확장되는 방식으로 광학 웨지의 제2표면을 통해 빠져나가도록 광학 웨지의 제1표면 및 대향하는 제2표면을 웨지 구조로 배열하는 제4단계를 포함한다.
"홀로그램"이라는 용어는 객체에 대한 진폭 정보 또는 위상 정보, 또는 그들의 몇몇 조합들을 포함하는 기록을 지칭하는데 사용된다. "홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)"이란 용어는 홀로그램을 조명하여 형성되는 물체의 광학적 재구성을 지칭하는 용어이다. "재생 필드(replay field)"라는 용어는 본 명세서에서 홀로그래픽 재구성이 형성되고 완전히 초점이 맞은 2D 영역을 지칭하는데 사용된다. 홀로그램이 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기 상에 표시되는 경우, 재생 필드는 복수의 회절 차수의 형태로 반복될 것이며, 각각의 회절 차수는 0차 재생 필드의 복제이다. 0차 재생 필드는 가장 밝은 재생 필드이므로 일반적으로 선호되는 재생 필드 또는 주 재생 필드에 해당한다. 명시적으로 달리 언급하지 않는 한, "재생 필드"라는 용어는 0차 재생 필드를 지칭하는 것으로 받아들여져야 할 것이다. "재생 평면(replay plane)"이라는 용어는 모든 재생 필드를 포함하는 공간 내의 평면을 지칭한다. "이미지", "재생 이미지" 및 "이미지 영역(image region)"이라는 용어는 홀로그래픽 재구성에 비추어 조명되는 재생 필드 영역을 가리킨다. 일부 실시예들에서, "이미지"는 "이미지 스폿(image spots)", 또는 단지 편의상 "이미지 픽셀"로 지칭될 수 있는 개별적인 스폿들(discrete spots)을 포함할 수 있다.
"쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"은 각각의 픽셀의 변조 레벨을 개별적으로 결정하는 복수의 제어값을 SLM의 복수의 픽셀들에 제공하는 프로세스를 기술하는 데 사용된다. SLM의 픽셀들은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "디스플레이" 하도록 구성된다고 할 수 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "디스플레이" 한다고 할 수 있으며, 홀로그램은 광 변조 값 또는 레벨의 어레이로 간주될 수 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. 일부 실시예들은 단지 예로서 위상-한정 홀로그램과 관련된다. 실시예들은 위상-한정 홀로그램에 관련되나 본 발명은 진폭-한정 홀로그래피에도 동등하게 적용 가능하다.
본 발명은 또한 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는데 동일하게 적용 가능하다. 일부 실시예에서, 이것은 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램을 사용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램으로 불릴 수 있다. 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 갖는 복소수로 표현될 수 있다. 일부 실시예에서, 완전-복소 컴퓨터-생성 홀로그램이 계산된다.
위상 값, 위상 성분, 위상 정보, 또는 간단히, 컴퓨터-생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 픽셀들의 위상을 "위상-지연"의 약자로서 참조할 수 있다. 즉, 기술된 임의의 위상 값은 사실 그 픽셀에 의해 제공된 위상 지연의 양을 나타내는 숫자(예를 들어, 0 내지 2π 범위인)이다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 픽셀이 위상 값 π/2를 갖는 것으로 기술된다면, 이는 전달된 광의 위상을 π/2 라디안만큼 변경할 것이다. 일부 실시예들에서, 공간 광 변조기의 픽셀 각각은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들)에서 동작 가능하다. "그레이 레벨"이란 용어는 복수의 이용 가능한 변조 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, "그레이 레벨"이란 용어는 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 정도를 제공하지 않더라도, 편의상 위상-한정 변조기의 복수의 가용 위상 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다. "그레이 레벨"이란 용어는 또한 복소 변조기에서 복수의 가용 복소 변조 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다.
따라서, 홀로그램은 그레이 레벨 어레이, 즉 위상 지연 값 또는 복소 변조 값의 어레이와 같은 광 변조 값의 어레이를 포함한다. 홀로그램은 또한 공간 광 변조기 상에 디스플레이 되고 공간 광 변조기의 픽셀 피치(pitch)와 비교할 수 있는, 일반적으로는 그보다 작은 파장을 갖는 광으로 조명될 때 회절을 야기하는 패턴이기 때문에 회절 패턴으로 간주된다. 여기서는 홀로그램을 렌즈 또는 격자(grating)로서 기능하는 회절 패턴과 같은 다른 회절 패턴과 조합하는 것을 언급한다. 예를 들어, 재생 평면 상에서 재생 필드를 이동하기 위해 격자로서 기능하는 회절 패턴이 홀로그램과 결합될 수 있거나 또는 니어-필드(near field) 내의 재생 평면 상에서 홀로그래픽 재구성의 초점을 맞추기 위해 렌즈로서 기능하는 회절 패턴이 홀로그램과 결합될 수 있다.
상이한 구성 및 구성의 그룹이 후술하는 상세한 설명에 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 구성 또는 구성의 그룹의 임의의 특징은 임의의 구성 또는 구성 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징들의 모든 가능한 조합 및 순열이 고려된다.
구체적인 구성은 다음의 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사형 SLM을 나타내는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 게르흐버그-색스톤(Gerchberg-Saxton) 타입 알고리즘의 제1 반복을 도시한다.
도 2b는 게르흐버그-색스톤 타입 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 2c는 게르흐버그-색스톤 타입 알고리즘의 대안적인 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 도파관을 포함하는 예시적인 동공 확장기를 도시한다.
도 5는 동공 확장을 위한 슬래브 형 도파관을 도시한다.
도 6은 예시적인 동공 확장기를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 동공 확장기의 기하학적 구조를 도시한다.
도 8은 예시적인 동공 확장기를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 도시한다.
도 9a는 실시 예들에 따른 선형 경사 웨지를 포함하는 도파관을 도시한다.
도 9b는 본 개시에 따른 도파관에 따른 광의 전파를 도시한다.
도 10은 실시 예들에 따른 곡선 형 웨지를 포함하는 도파관을 도시한다.
도 11은 실시 예들에 따른 웨지 및 굴절률 매칭 층을 포함하는 도파관을 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 곡면 커버 유리를 포함하는 헤드 업 디스플레이를 도시한다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭한다.
본 발명은 다음에 설명되는 구성에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 확장한다. 즉, 본 발명은 다른 형태로 실시될 수 있으며 설명의 목적으로 제시된 기재된 구성에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
단수형의 용어는 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 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 한 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.
광학 구성
도 1은 컴퓨터-생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기 상에 인코딩 되는 실시 예를 도시한다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 말할 수 있다. 일 실시 예에서, 공간 광 변조기는 실리콘 장치, "LCOS", 상의 반사형 액정이다. 홀로그램은 공간 광 변조기 상에 인코딩 되고, 홀로그래픽 재구성은 재생 필드, 예컨대 스크린 또는 디퓨저와 같은 수광 부재 또는 스크린에 형성된다.
예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 시준 렌즈(111)를 통해 SLM(140)에 조명하도록 배치된다. 시준 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 도 1에서, 파면의 방향은 (예컨대, 투명층의 평면 대비 완전 직각으로부터 2° 또는 3°정도 떨어진) 약간 오프노멀(off-normal)하다. 그러나, 다른 실시 예들에서, 전체적으로 평면인 파면은 법선 방향으로 입사되고, 입력 및 출력 광 경로를 분리하기 위한 빔 스플리터 배치(beam splitter arrangement)가 사용된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 후방면의 미러에 반사되며 출사 파면(exiting wavefront, 112)을 형성하기 위해 광 변조층과 상호작용하게 한다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다. 더욱 상세하게, 푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM(140)으로부터 출사되는 변조된 광의 빔을 전달받아 스크린(125)에 홀로그래픽 재구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환을 수행한다.
특히, 이러한 유형의 홀로그래피에서 홀로그램의 각 픽셀은 전체 재구성에 기여한다. 재생 필드의 특정 지점(또는 이미지 픽셀)과 특정 광 변조 요소 (또는 홀로그램 픽셀) 간에는 일대일 상관 관계가 없다. 다르게 표현하면, 광 변조 층을 나가는 변조된 광은 재생 영역을 가로 질러 분배된다.
이 실시 예들에서, 공간 상에서의 홀로그래픽 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절(포커싱) 파워(dioptric(focusing) power)에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이며 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 어떤 렌즈라도 푸리에 변환 렌즈 역할을 할 수 있지만, 수행되는 푸리에 변환의 정확도는 렌즈의 성능에 좌우된다. 통상의 기술자는 렌즈를 사용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해한다.
홀로그램 계산
일부 실시 예에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에 기반 홀로그램이고, 여기서 이미지는 양의 렌즈의 푸리에 변환 특성을 이용하여 파-필드(far-field)에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 재생 평면의 원하는 광 필드를 푸리에 변환하여 렌즈 평면에 오도록 계산된다. 컴퓨터 생성 푸리에 홀로그램은 푸리에 변환을 사용하여 계산될 수 있다.
푸리에 변환 홀로그램은 게르흐버그-색스톤과 같은 알고리즘을 사용하여 계산될 수 있다. 또한, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 공간영역(예컨대, 사진)의 진폭-한정 정보로부터 푸리에 도메인의 홀로그램(즉, 푸리에 변환 홀로그램)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 객체에 관한 위상 정보는 공간영역 내의 진폭-한정 정보로부터 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 몇몇 실시 예들에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 게르흐버그-색스톤 알고리즘 또는 그 변형 알고리즘을 이용해 진폭-한정 정보로부터 계산된다.
게르흐버그-색스톤 알고리즘은, 각각의 평면 A와 B에서 광선(light beam) IA(x, y) 및 IB(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 ΨA(x, y) 및 ΨB(x, y) 가 구해진다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 반복 프로세스(iterative process)를 따름으로써 이 문제에 대한 해결책을 찾는다. 더욱 상세하게, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 공간 영역과 푸리에(스펙트럼 또는 주파수) 영역 사이에서 IA(x, y) 및 IB(x, y)를 대표하는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전달하면서(repeatedly transferring) 공간적 및 스펙트럼 제약(constraints)을 반복적으로 적용한다. 스펙트럼 영역 내 상응하는 컴퓨터-생성 홀로그램이 이 알고리즘의 1 회 이상의 반복을 통해 얻어진다. 이 알고리즘은 입력 이미지를 나타내는 홀로그램을 생성하도록 구성되고 수렴된다. 홀로그램은 진폭-한정 홀로그램, 위상-한정 홀로그램 또는 완전-복소 홀로그램(fully-complex hologram)일 수 있다.
일부 실시 예에서, 위상-한정 홀로그램은 영국 특허 제2,498,170호 또는 제2,501,112호에 기술된 바와 같은 게르흐버그-색스톤 알고리즘에 기초한 알고리즘을 사용하여 계산되며, 이 특허들은 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다. 그러나, 여기에 개시된 실시 예는 단지 예시로서 위상-한정 홀로그램을 계산하는 것을 설명한다. 이들 실시 예에서, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 알려진 진폭 정보 T[x, y]를 발생시키는 데이터 세트의 푸리에 변환의 위상 정보 Ψ[u, v]를 검색하는데, 여기서 진폭 정보 T[x, y]는 타겟 이미지 (예컨대, 사진)를 나타낸다. 진폭과 위상은 푸리에 변환에서 본질적으로 결합되므로, 변환된 크기와 위상에는 계산된 데이터 세트의 정확성에 대한 유용한 정보가 포함된다. 따라서, 알고리즘은 진폭 및 위상 정보 모두에 대한 피드백을 반복적으로 사용할 수 있다. 그러나, 이들 실시 예에서, 위상 정보 Ψ[u, v]만이 홀로그램으로서 사용되어 이미지 평면에서 타겟 이미지의 홀로그래픽 표현을 형성한다. 홀로그램은 위상 값들의 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이다.
다른 실시 예에서, 게르흐버그-색스톤 알고리즘에 기초한 알고리즘은 완전-복소 홀로그램을 계산하는데 사용된다. 완전-복소 홀로그램은 크기 성분 및 위상 성분을 갖는 홀로그램이다. 홀로그램은 복소 데이터 값들의 어레이를 포함하는 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이고, 각각의 복소 데이터 값은 크기 성분 및 위상 성분을 포함한다.
일부 실시 예에서, 알고리즘은 복소 데이터를 처리하고, 푸리에 변환은 복소 푸리에 변환이다. 복소 데이터는 (i) 실수 성분 및 허수 성분 또는 (ii) 크기 성분 및 위상 성분을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 일부 실시 예에서, 복소 데이터의 2개의 성분은 알고리즘의 다양한 단계에서 다르게 처리된다.
도 2a는 위상-한정 홀로그램을 계산하기 위한 일부 실시 예에 따른 알고리즘의 제1반복을 도시한다. 알고리즘에 대한 입력은 픽셀 또는 데이터 값의 2D 어레이를 포함하는 입력 이미지(210)이며, 여기서 각 픽셀 또는 데이터 값은 크기 또는 진폭 값이다. 즉, 입력 이미지(210)의 각 픽셀 또는 데이터 값은 위상 성분을 갖지 않는다. 따라서, 입력 이미지(210)는 크기-한정 또는 진폭-한정 또는 세기-한정 분포로 간주될 수 있다. 이러한 입력 이미지(210)의 일례는 프레임의 시간적 시퀀스를 포함하는 비디오 또는 사진의 한 프레임이다. 알고리즘의 제1반복은 랜덤 위상 분포(또는 랜덤 위상 시드)(230)를 사용하여, 초기 복소 데이터 세트(starting complex data set)의 각각의 데이터 요소가 크기 및 위상을 포함하도록, 입력 이미지의 각 픽셀에 랜덤 위상 값을 할당하는 단계를 포함하는 데이터 형성 단계(202A)에서 시작한다. 초기 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.
제1프로세싱 블록(250)은 초기 복소 데이터 세트를 수신하고 복소 푸리에 변환을 수행하여 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성한다. 제2프로세싱 블록(253)은 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하여 홀로그램(280A)을 출력한다. 일부 실시 예에서, 홀로그램(280A)은 위상-한정 홀로그램이다. 이들 실시 예에서, 제2프로세싱 블록(253)은 각각의 위상 값을 양자화하고 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 각 진폭 값을 1로 설정한다. 각 위상 값은 위상-한정 홀로그램을 "디스플레이"하는데 사용될 공간 광 변조기의 픽셀 상에 표현될 수 있는 위상 레벨에 따라 양자화된다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 각 픽셀이 256 개의 상이한 위상 레벨을 제공하면, 홀로그램의 각 위상 값은 256개의 가능한 위상 레벨 중 하나의 위상 레벨로 양자화된다. 홀로그램(280A)은 입력 이미지를 나타내는 위상-한정 푸리에 홀로그램이다. 다른 실시 예에서, 홀로그램(280A)은 수신된 푸리에 변환된 복소 데이터 세트로부터 유도된 복소 데이터 값(각각 진폭 성분 및 위상 성분을 포함함)의 어레이를 포함하는 완전-복소 홀로그램이다. 일부 실시 예에서, 제2프로세싱 블록(253)은 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 복수의 허용 가능한 복소 변조 레벨 중 하나로 각각의 복소 데이터 값을 제한한다. 제한 단계는 복소수 평면에서 각 복소 데이터 값을 가장 가까운 허용 복소수 변조 레벨로 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 홀로그램(280A)은 스펙트럼 또는 푸리에 또는 주파수 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다. 일부 실시 예에서, 알고리즘은 이 시점에서 정지한다.
그러나, 다른 실시 예에서, 알고리즘은 도 2a의 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 계속된다. 즉, 도 2a의 점선 화살표를 따르는 단계는 선택적이다(즉, 모든 실시 예에 필수적인 것은 아니다).
제3프로세싱 블록(256)은 제2프로세싱 블록(253)으로부터 수정된 복소 데이터 세트를 수신하고, 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성하기 위해 역 푸리에 변환을 수행한다. 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.
제4프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하고, 진폭 값(211A)의 분포 및 위상 값(213A)의 분포를 추출한다. 선택적으로, 제4프로세싱 블록(259)은 진폭 값들(211A)의 분포를 평가한다. 구체적으로, 제4프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 진폭 값(211A)의 분포를, 당연히 진폭 값의 분포인, 입력 이미지(510)와 비교할 수 있다. 진폭 값들(211A)과 입력 이미지(210)의 분포 사이의 차이가 충분히 작으면, 제4프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 허용 가능한 것으로 결정할 수 있다. 즉, 진폭 값들(211A)의 분포와 입력 이미지(210)의 차이가 충분히 작으면, 제4프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 입력 이미지(210)를 충분히 정확하게 나타내는 것으로 결정할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 비교 과정에서 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 위상 값(213A)의 분포는 무시된다. 진폭 값들(211A) 및 입력 이미지(210)의 분포를 비교하기위한 임의의 수의 상이한 방법들이 이용될 수 있으며, 본 개시는 임의의 특정 방법에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 일부 실시 예들에서, 평균 제곱 차이가 계산되고, 평균 제곱 차이가 임계값 보다 작은 경우, 홀로그램(280A)은 수용 가능한 것으로 간주된다. 제4프로세싱 블록(259)이 홀로그램(280A)이 수용 가능하지 않다고 결정하면, 알고리즘의 추가 반복이 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 비교 단계는 필수적인 것은 아니며, 다른 실시 예에서, 수행된 알고리즘의 반복 횟수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자 정의된다.
도 2b는 알고리즘의 제2반복 및 알고리즘의 임의의 반복을 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 처리 블록을 통해 피드백 된다. 제1반복에서, 데이터 형성 단계(202A)는 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 랜덤 위상 분포(230)와 결합하여 제1복소 데이터 세트를 형성한다. 그러나, 제2 및 후속 반복에서, 데이터 형성 단계(202B)는 (i) 알고리즘의 이전 반복으로부터의 위상 값(213A)의 분포와 (ii) 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 합하여 복소 데이터 세트를 형성하는 단계를 포함한다.
도 2b의 데이터 형성 단계(202B)에 의해 형성된 복소 데이터 세트는 도 2a를 참조하여 기술된 것과 동일한 방식으로 처리되어 제2반복 홀로그램(280B)을 형성한다. 따라서 여기에서 프로세스의 설명은 반복되지 않는다. 알고리즘은 제2반복 홀로그램(280B)이 계산되면 중단될 수 있다. 그러나, 알고리즘의 임의의 수의 추가 반복이 수행될 수 있다. 제3프로세싱 블록(256)은 제4프로세싱 블록(259)이 요구되거나 더 많은 반복이 요구되는 경우에만 요구된다는 것을 이해할 것이다. 출력 홀로그램(280B)은 일반적으로 반복마다 개선된다. 그러나 실제로는, 측정 가능한 개선이 관찰되지 않거나, 처리 시간의 증가라는 부정적 효과가 추가 반복을 수행하는 긍정적 이점 보다 커지는 시점이 도달한다. 따라서, 알고리즘은 반복적이고 수렴적으로 기술된다.
도 2c는 제2 및 후속 반복의 대안적인 실시 예를 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백 된다. 진폭 값(211A)의 분포는 대안적인 진폭 값의 분포를 위해 소거된다. 이 대안적인 실시 예에서, 대안적인 진폭 값의 분포는 이전 반복의 진폭 값(211)의 분포로부터 도출된다. 특히, 프로세싱 블록(258)은 이전 반복의 진폭 값들(211)의 분포로부터 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 감산하고, 그 차이를 이득 계수 α만큼 스케일링하고, 입력 이미지(210)로부터 스케일링 된 차분을 감산한다. 이는 다음의 방정식에 의해 수학적으로 표현되며, 아래 첨자 텍스트 및 숫자는 반복 횟수를 나타낸다.
여기서:
F'는 역 푸리에 변환이고;
F는 순방향 푸리에 변환이고;
R[x, y]는 제3프로세싱 블록(256)에 의해 출력된 복소 데이터 세트이고;
T[x, y]는 입력 또는 타겟 이미지고;
∠는 위상 성분이고;
Ψ는 위상-한정 홀로그램 (280B)이고;
η은 진폭 값(211B)의 새로운 분포이며;
α는 이득 계수이다.
이득 계수 α는 고정되거나 가변적일 수 있다. 일부 실시 예에서, 이득 계수 α는 입력 타겟 이미지 데이터의 크기 및 속도(rate)에 기초하여 결정된다. 일부 실시 예에서, 이득 계수 α는 반복 횟수에 의존한다. 일부 실시 예에서, 이득 계수 α는 단지 반복 횟수의 함수이다.
도 2c의 실시 예는 다른 모든 면에서 도 2a 및 도 2b의 실시 예와 동일하다. 위상 전용 홀로그램 Ψ(u, v)는 주파수 또는 푸리에 도메인에서의 위상 분포를 포함한다고 말할 수 있다.
일부 실시예에서, 푸리에 변환은 공간 광 변조기를 사용하여 수행된다. 구체적으로, 홀로그램 데이터는 광 파워를 제공하는 제2데이터와 결합된다. 즉, 홀로그램은 객체를 나타내는 데이터 뿐만 아니라 렌즈를 나타내는 데이터를 포함한다. 공간 광 변조기에 표시되고 광이 조사되면 렌즈 데이터는 물리적인 렌즈를 모방(emulate)한다. 즉, 렌즈 데이터는 이에 상응하는 물리적인 광학 장치와 동일한 방식으로 광의 초점을 맞춘다. 따라서 렌즈 데이터는 광 파워 또는 포커싱(focusing)을 제공한다. 이러한 실시예에서, 도 1의 물리적 푸리에 변환 렌즈(120)는 생략될 수 있다. 렌즈를 나타내는 데이터를 계산하는 방법은 알려져 있다. 렌즈를 나타내는 데이터는 소프트웨어 렌즈로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 위상-한정 홀로그래픽 렌즈는 그 굴절률 및 공간적으로 변하는 광 경로 길이로 인해 렌즈의 각각의 포인트에 의해 야기되는 위상 지연을 계산함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 볼록 렌즈 중심에서의 광 경로 길이는 렌즈 가장자리에서의 광 경로 길이보다 길다. 진폭-한정 홀로그래픽 렌즈는 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 컴퓨터-생성 홀로그램의 기술 분야에서, 렌즈를 나타내는 데이터를 홀로그램과 결합함으로써 그 홀로그램의 푸리에 변환이 물리적 푸리에 렌즈의 필요없이 수행될 수 있는 방법이 알려져 있다. 일부 실시예에서, 렌즈 효과 데이터는 간단한 벡터 합산과 같은 단순 합산에 의해 홀로그래픽 데이터와 결합된다. 일부 실시예에서, 푸리에 변환을 수행하기 위해 소프트웨어 렌즈와 함께 물리적 렌즈가 사용된다. 대안적으로, 다른 실시 예들에서, 홀로그래픽 재구성이 파-필드(far-field)에서 발생하도록 푸리에 변환 렌즈는 모두 생략된다. 다른 실시 예에서, 홀로그램은 격자(grating) 데이터, 즉 빔 스티어링(beam steering)과 같은 격자의 기능을 수행하도록 형성된 데이터를 포함할 수 있다. 다시, 이 분야에서 그러한 홀로그래픽 데이터를 계산하고 이것을 객체를 나타내는 홀로그래픽 데이터와 결합시키는 방법은 알려져 있다. 예를 들어, 위상-한정 홀로그래픽 격자는 블레이즈 된 격자의 표면 상의 각 포인트에 의해 야기된 위상 지연을 모델링함으로써 형성될 수 있다. 진폭-한정 격자는 진폭-한정 홀로그램에 간단히 중첩(superimposed)되어 홀로그래픽 재구성의 각도 스티어링(angular steering)을 제공할 수 있다. 렌즈 및/또는 스티어링을 제공하는 제2데이터는 이미지 형성 함수 또는 이미지 형성 패턴으로 지칭될 수 있는 홀로그램 데이터와 구분하기 위해 광 처리 함수 또는 광 처리 패턴으로 지칭될 수 있다.
일부 실시 예에서, 푸리에 변환은 물리적 푸리에 변환 렌즈 및 소프트웨어 렌즈에 의해 공동으로 수행된다. 즉, 푸리에 변환에 기여하는 일부 광 파워는 소프트웨어 렌즈에 의해 제공되고, 푸리에 변환에 기여하는 나머지 광 파워는 물리적 광학 또는 광학들에 의해 제공된다.
일부 실시 예에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시 예에서, 이미지 데이터는 일련의 이미지 프레임을 포함하는 비디오이다. 다른 실시 예에서, 홀로그램은 사전 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되며, SLM 상에 디스플레이 하기 위해 필요에 따라 호출된다. 즉, 일부 실시 예에서, 소정의 홀로그램의 저장소가 제공된다.
실시 예의 푸리에 홀로그래피 및 게르흐버그-색스톤 타입 알고리즘은 단지 예시적인 것이다. 본 개시는 유사한 방법으로 계산될 수 있는 프레넬 홀로그래피 및 프레넬 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다. 본 개시는 포인트 클라우드 방법에 기초한 것과 같은 다른 기술에 의해 계산된 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다.
광 변조
공간 광 변조기는 컴퓨터-생성 홀로그램을 포함하는 회절 패턴을 디스플레이 하는데 사용될 수 있다. 홀로그램이 위상-한정 홀로그램인 경우, 위상을 변조하는 공간 광 변조기가 필요하다. 홀로그램이 완전-복소 홀로그램인 경우, 위상 및 진폭을 변조하는 공간 광 변조기가 사용될 수 있거나 위상을 변조하는 제1공간 광 변조기 및 진폭을 변조하는 제2공간 광 변조기가 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 공간 광 변조기의 광 변조 소자(즉, 픽셀)는 액정을 포함하는 셀이다. 즉, 일부 실시예에서, 공간 광 변조기는 광학 능동 소자가 액정인 액정 장치이다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨을 선택적으로 제공하도록 구성된다. 즉, 각 액정 셀은 어느 한 시점에서 복수의 가능한 광 변조 레벨 들로부터 선택된 하나의 광 변조 레벨에서 동작하도록 구성된다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨 중에서 다른 광 변조 레벨로 동적으로 재구성 가능하다. 일부 실시예에서, 공간 광 변조기는 실리콘(LCOS) 공간 광 변조기 상의 반사형 액정이지만, 본 개시는 이러한 유형의 공간 광 변조기에 한정하지 않는다.
LCOS 장치는 작은 개구(예를 들어, 폭이 수 센티미터) 내의 조밀한 어레이의 광 변조 소자 또는 픽셀을 제공한다. 픽셀은 통상 약 10미크론 이하이어서 수 도 수준의 회절각을 가지며, 이는 광학 시스템이 콤팩트 할 수 있다는 것을 의미한다. LCOS SLM의 작은 개구를 적절하게 조명하는 것은 다른 액정 장치의 큰 개구를 조명하는 것보다 용이하다. LCOS 장치는 통상 반사형이므로 LCOS SLM의 픽셀을 구동하는 회로를 반사 표면 아래에 묻을 수 있다. 결과적으로 개구율이 높아진다. 즉, 픽셀은 밀집되어 있어 픽셀 간에 낭비되는 공간(dead space)이 거의 없음을 의미한다. 이는 재생 필드에서의 광학 노이즈를 감소시키므로 유리하다. LCOS SLM은 픽셀이 광학적으로 편평하다는 이점을 갖는 실리콘 후면을 사용한다. 이 점은 위상 변조 장치에서 특히 중요하다.
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 이격 되며 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)에 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 파면(wavefront)에 위상-한정 변조가 가해지는 한편 어떤 진폭 효과도 발생하지 않는다.
전술한 LCOS SLM는 공간적으로 변조된 광을 반사에 의해 출력한다. 반사형 LCOS SLM은 신호 라인, 게이트 라인 및 트랜지스터가 미러 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). 그러나, 본 발명의 개시 내용은 투과형 LCOS SLM을 사용하여 동일하게 구현될 수 있다.
도파관 동공/뷰잉 윈도우 확장기
헤드 업 디스플레이(HUD)와 같은 홀로그래픽 프로젝션 시스템에서, 프로젝션 시스템에서 방출된 광을 성공적으로 보기 위해 사용자의 눈이 위치할 수 있는 영역 또는 볼륨은 아이 모션 박스(EMB: eye motion box), 아이-박스(eye-box), 더 일반적으로는 뷰잉 윈도우로 알려져 있다. 아이 박스를 향해 광을 방출하는 프로젝션 시스템의 해당 부분은 출사 동공으로 알려져 있다. 아이 박스 영역 또는 뷰잉 윈도우에 해당하는 출사 동공은 확장하는 것이 일반적으로 바람직하다. 특히, 시청자는 자신의 머리를 움직일 수 있어야 하고, 아이 박스/뷰잉 거리에서 제한된 영역 내의 모든 위치에서 완전한 이미지를 볼 수 있어야 한다. 따라서, 동공 확장기는 EMB, 아이-박스 또는 뷰잉 윈도우를 확대하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 동공 확장기는 입사 파면의 진폭을 분할함으로써 추가 광선을 생성하여 EMB를 확대한다.
도 4는 도파관을 포함하는 예시적인 동공 확장기를 도시한다. 이 예에서, 도파관은 두 개의 반사 표면을 포함하지만 다음 설명은 슬래브의 상부 표면과 하부 표면 사이의 내부 반사에 의해 슬래브 내부에서 광이 안내되는 슬래브 구조에도 동일하게 적용된다. 도파관의 일반적인 원리는 당 업계에 공지되어 있으며 여기서 자세히 설명하지 않는다. 도파관은 내부 반사에 의해 한 쌍의 평행 반사 표면 사이에서 층 내의 광을 안내한다. 동공 확장기는 제1그라데이션/부분 반사 표면(420)(예를 들어, 거리에 따라 다양한 반사율을 갖는 그라데이션 미러) 및 제2완전 반사 표면(410)(예를 들어, 실질적으로 100 % 반사율을 갖는 미러)을 포함하는 도파관으로부터 형성된다. 특히, 제1반사 표면(420)은 슬래브의 길이를 따라 감소하는 반사 코팅을 포함한다. 층은 유리 또는 방풍유리(Perspex) 일 수 있다. 따라서 도파관은 유리 또는 방풍유리 블록 또는 슬래브 일 수 있다. 제1반사 표면은 유리 블록의 제1표면 일 수 있고, 제2반사 표면은 유리 블록의 제2표면일 수 있으며, 여기서 제1표면은 제2표면에 대향하고 평행하다. 대안적으로, 층은 공기 일 수 있고 제1 및 제2반사 표면은 - 예컨대, 내부 반사에 의해 광이 전파되는 공기 갭을 형성하기 위해 공간적으로 분리된 제1 및 제2미러와 같은 - 별도의 구성 요소 일 수 있다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 입력 광선을 포함하는 (화상(즉, 화상/이미지의 광 또는 단순히 화상의 광)으로 인코딩 된 공간적으로 변조된 광을 포함할 수 있거나 아래에 설명된 바와 같이 홀로그램으로 인코딩 된 공간적으로 변조된 광을 포함할 수 있는) 입력 광 빔(402)이 그 입력 포트를 통해 도파관으로 들어간다. 도파관은 입력 포트에서 수신된 광을 뷰잉 윈도우로 안내하도록 배열된다. 예시된 배열에서, 입력 포트는 도파관의 일 단부 근처의 제1부분 반사 표면(420)에 갭을 포함하지만, 입력 포트에 대한 다른 위치도 가능하다. 뷰잉 윈도우는 여기에 설명된 대로 시청자가 이미지를 볼 수 있는 영역 또는 볼륨이다. 입력 광선(402)의 입사각은 광선이 제1부분 반사 표면(420) 및 제2완전 반사 표면(410)에 의한 내부 반사로 인해 도파관의 길이를 따라 전파되도록 한다. 예시 광선은 도 4에 도시되어 있다. 제1반사 표면 (420)의 그라데이션 반사율에 의해, 비례하는 광이 제1반사 표면(420)에 의해 투과되어 복수의 출력 광선(404a-f)(여기서는 입력 광선을 복제하기 때문에 "복제본"이라고 함)을 도파관의 길이를 따라 제공한다. 따라서, 제1반사 표면(420)은 뷰잉 표면을 형성한다. 동공(또는 뷰잉 윈도우)은 도파관에 의해 형성된 복제에 의해 확장된다고 표현된다. 특히, 도파관의 길이를 따라 복수의 복제본(404a-f)을 형성함으로써, 뷰잉 윈도우의 크기가 증가된다. 각각의 복제본(404a-f)은 입력 광 빔(402)의 진폭(강도 또는 밝기)의 비율에 대응한다. 각 복제본(404a-f)이 도파관의 길이를 따라 실질적으로 동일한 진폭을 갖도록 그라데이션(grading)이 제1반사 표면(420)의 반사율 감소(또는 반대로 투과율 증가)를 제공하는 것이 바람직하다. 따라서, 우측 시청 눈(viewer eye)(430R) 및 좌측 시청 눈(430L)을 갖는 시청자는 제1반사 표면(420)으로부터 뷰잉 거리에 있는 아이 박스에서 화살표(440)로 도시된 바와 같이 확장된 뷰잉 윈도우 내의 임의의 위치에서 이미지를 볼 수 있다.
도 4에 도시된 도파관은 뷰잉 윈도우를, 화살표(440)로 도시된 바와 같이, 광 빔이 도파관 내에서 전파되는 길이 방향에 해당하는 1차원으로 확장한다. 당업자라면 이해하는 바와 같이, 필요한 경우 2개의 직교 도파관을 사용하여 뷰잉 윈도우를 2차원으로 확장할 수 있다.
도파관의 제1반사 표면(420)은 필요한 그라데이션 반사율을 제공하기 위해 다수의 박막(예를 들어, 25 개 이상의 박막)을 포함하는 코팅으로 코팅 될 수 있다. 특히, 상술한 바와 같이, 이러한 박막 또는 유사한 코팅은 각각의 복제본(404a-f)의 밝기(광선 각도)가 실질적으로 일정하도록 전파 거리와 함께 감소하는 반사율을 제공하여 투과율을 증가시킬 필요가 있다. 전파되는 광 빔의 진폭(크기)은 복제본(404a-f)의 출력에 따른 전파 거리에 따라 감소하고 또한 제2반사 표면(410)으로부터의 불완전한 반사와 같은 임의의 다른 광학 손실로 인해 감소한다. 따라서, 제1반사 표면(420)의 그라데이션은 각각의 복제본(404a-f)이 실질적으로 동일한 강도를 가지도록 보장하면서 전파 거리에 따른 전파 광 빔의 강도 강하를 고려하여 보이는 이미지가 뷰잉 윈도우 전체(즉, 모든 시청 위치에서)에 걸쳐 균일한 밝기를 갖도록 설계된다.
도 5는 화상의 광 또는 홀로그램의 광과 같은 입력 광(510)을 수신하도록 배열된 입력 포트(501)를 포함하는 슬래브 도파관(500)을 도시한다. 슬래브는 공기보다 굴절률이 큰 재료로 만들어진다. 슬래브(500)로 수신된 광은 하부 표면(503b)과 대향하는 상부 표면(503a) 사이의 일련의 내부 반사에 의해 안내된다. 하부 표면(503b)은 미러와 같은 실질적으로 완벽한 반사체 일 수 있고 상부 표면(503a)은 전체적으로 반사성(reflective) 일 수 있다. 상부 표면(503a)은 광의 일부 투과를 허용할 수 있다. 따라서, 광은 일반적으로 내부 반사에 의해 슬래브를 따라 전파되지만, 상부 표면(503a)의 부분 투과율 때문에 광선의 일련의 복제본(R0 내지 R7)이 형성된다. 도 5에 표시된 광의 분할(또는 광선의 복제)은 도파관의 출사 동공을 확장하는 기능을 한다. 광선 복제에 의해 달성된 동공 확장은 우측 눈(530R) 및 좌측 눈(530L)을 가진 시청자가 화상의 광을 여전히 수신하는 동안 (예컨대, 화상 또는 홀로그램을 볼 수 있는 상태에서) 뷰잉 윈도우 영역(또는 볼륨) 내에서 (화살표 540으로 표시된 바와 같이) 이동할 수 있도록 한다. 도 4를 참조하여 설명한 것처럼, 상부 표면의 반사율은 입력 포트에서 멀어짐에 따라 감소하므로 R0에서 R7까지 각 복제본의 강도는 거의 동일하다. 상부 표면(503a)의 소위 그라데이션 반사율은 다층 유전체 코팅에 의해 제공될 수 있다. 실제로는, 고품질 디스플레이, 특히 풀 컬러 디스플레이에 적합한 유전체 코팅을 제작하는 것은 어렵다.
본 개시는 슬래브에 기초한 개선된 도파관을 제공한다. 의심의 여지를 없애기 위해, 본 개시에 따른 예시적인 시스템 구성을 예시하는 도 6, 도 7b 및 도 8은 단지 예로서 - 반사 코팅이 있는 슬래브가 아니라 - 두 개의 미러에 의해 형성된 도파관을 도시한다. 광 굴절의 효과는 단순성을 유지하기 위해 도 5에 완전히 설명되어 있지 않지만, 당업자라면 잘 이해하고 있을 것이다.
제1예시 시스템
도 6은 제1예시 시스템 구성에 따라 도파관 동공 확장기를 형성하는 도파관을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 도시한다. 도 6 내지 도 8은 단지 예로서 컬러 프로젝션 시스템을 참조하며, 본 개시는 단색 시스템에 동일하게 적용될 수 있다.
홀로그래픽 디스플레이 장치는 제1화상("제1이미지"라고도 함) 및 제2화상("제2이미지"라고도 함)을 형성하도록 배열된 화상 생성 유닛을 포함한다. 제1단색 채널("제1디스플레이 채널"이라고도 함)이 제1화상을 형성하도록 배열되고, 제1광원(610), 제1시준 렌즈(612) 및 제1다이크로익 미러(dichroic mirror, 614)를 포함한다. 제1다이크로익 미러(614)는 공간 광 변조기(SLM, 640)를 조명하기 위해 공통 광 경로를 따라 제1파장의 광을 반사하도록 배열된다. 광의 제1파장은 제1색상(예를 들어, 적색)의 제1디스플레이 채널에 대응한다. 제2단색 채널("제2디스플레이 채널"이라고도 함)이 제2화상을 형성하도록 배열되고, 제2광원(620), 제2시준 렌즈(622) 및 제2미러(624)를 포함한다. 제2미러(624)는 SLM(640)을 조명하기 위해 공통 광 경로를 따라 제2파장의 광을 반사하도록 배열된다. 광의 제2파장은 제2색상(예를 들어, 녹색)의 제2단색 채널에 대응한다. 후술하는 바와 같이, 다른 실시 예에서, 화상 생성 유닛은 제3화상을 형성하도록 배열된 제3단색/디스플레이 채널(제1 및 제2채널과 동등한 방식의)을 포함할 수 있으며, 여기서 제3단색 채널은 제3색상(예를 들어, 청색)의 광 파장에 대응한다. 예시된 실시 예에서, SLM(640)은 제1 및 제2파장 모두의 광에 의해 조명되는 광 변조 픽셀(예를 들어, LCOS)의 단일 어레이를 포함한다. 다른 실시 예에서, SLM(640)은 각각의 제1 및 제2파장의 광에 의해 조명되는 광 변조 픽셀의 개별 어레이를 포함할 수 있다.
홀로그래픽 디스플레이 장치는 화상 생성 유닛, 특히 여기에 기재된 바와 같은 화상 생성 유닛에 의해 출력되는 광을 제어하도록 배열된 홀로그래픽 제어기(602)를 더 포함한다. 제1화상에 대응하는 제1색상의 제1공간 변조 광은 SLM(640)에 의해 출력되어 스크린 또는 디퓨저(diffuser)와 같은 수광면(670) 상에 제1단색 이미지(예를 들어, 적색 이미지)를 형성한다. 제1단색 컴퓨터 생성 홀로그램은 홀로그래픽 제어기(602)에 의해 계산되고, 예를 들어 디스플레이 드라이버(642)에 의해 SLM(640) 상에 인코딩 된다. SLM(640)은 제1홀로그램을 디스플레이 하고, 재생 평면에 위치된 수광면(670) 상에 제1홀로그래픽 재구성을 형성하기 위한 제1단색/디스플레이 채널로부터의 제1색상의 광에 의해 조명된다.
유사하게, 수광면(670) 상에 제2단색 이미지(예를 들어, 녹색 이미지)를 형성하도록 제2화상에 대응하는 제2색상의 제2공간 변조 광이 SLM(640)에 의해 출력된다. 제2단색 컴퓨터 생성 홀로그램이 홀로그래픽 제어기(602)에 의해 SLM(640) 상에 인코딩 된다. SLM(640)은 제2홀로그램을 디스플레이 하고, 재생 평면에 위치된 수광면(670) 상에 제2홀로그래픽 재구성을 형성하기 위한 제2단색/디스플레이 채널로부터의 제2색상의 광에 의해 조명된다. 예시된 배열에서, 빔 스플리터 큐브(beam spitter cube, 630)는 SLM(640)에 대한 입력 광과 SLM(640)에 의해 출력되는 공간 변조 광을 분리하도록 배열된다. 푸리에 렌즈(650) 및 미러(660)가 수광면(670)에 대한 출력 공간 변조 광의 광학 경로에 제공된다. 수광면 (670) 상에 제1/제2화상이 형성된다고 말할 수 있다. 제1/제2화상은 제1/제2홀로그램 각각의 제1/제2홀로그래픽 재구성이다. 따라서, 제1 및 제2화상이 수광면(670) 상에서 결합되어 합성 컬러 화상이 형성될 수 있다. 프로젝션 렌즈(680)는 수광면(672)에 형성된 제1 및 제2화상을 도파관(690)의 형태인 동공 확장기의 입력 포트로 프로젝트 하도록 배열된다. 시청자(608)는, 프로젝션 렌즈(680)의 광학 파워로 인한, 도파관(690)에 의해 형성되는 확장된 아이 박스 - "뷰잉 윈도우" -로부터 화상의 확대된 이미지를 볼 수 있다. 도파관(690)은 도 4를 참조하여 상술한 바와 같이 제1 및 제2반사 표면에 의해 분리된 광학적으로 투명한 매체를 포함한다. 따라서, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 "간접 뷰" 구성 - 즉, 시청자는 홀로그래픽 재구성을 직접 보는 것이 아니라 수광면(670) 상에 형성된 화상을 보는 - 을 갖는다. 홀로그래픽 컨트롤러(602)는 당 업계에 알려진 컴퓨터 생성 홀로그램을 생성하는데 이용하기 위해 다른 외부 및 내부 입력(600)을 수신할 수 있다. 이러한 입력은 홀로그래픽 디스플레이 장치에 의한 디스플레이를 위한 이미지 콘텐츠를 결정할 수 있다.
도 6에 도시된 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 단지 예시적으로, 제1단색 홀로그램을 디스플레이 하도록 배열된 제1단색(예를 들어, 적색) 디스플레이 채널 및 제2단색 홀로그램을 디스플레이 하도록 배열된 제2단색(예를 들어, 녹색) 디스플레이 채널을 포함하는 화상 생성 유닛을 가진다. 예시적인 구현에서, 각각의 단색 홀로그램을 디스플레이 하도록 구성된 3개 이상의 디스플레이 채널이 제공될 수 있다. 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색의 단색 홀로그램을 각각 디스플레이 하여 풀 컬러 합성 이미지/화상을 형성할 수 있다. 본 개시는 단지 하나의 컬러 채널을 포함하는 임의의 수의 단일 컬러 채널을 포함하는 화상 생성 유닛을 사용하여 구현될 수 있다.
도파관 기하 구조
도 7a 내지 도 7c는 실시 예들에 따른 도파관 동공 확장기의 기하학적 구조를 도시한다. 특히, 도 7b 및 7c는 (상술한 바와 같은) 입력 이미지 빔(702)의 주 광선 및 시청자(730)에게 보이는 복제본의, 도파관을 따른 위치 및 전파를 도시한다. 상술한 바와 같이 도파관은 제1부분 반사 표면(720) 및 제2완전 반사 표면(710)을 포함한다.
도 7c에 도시된 기하 구조는 다음 방정식으로 표현될 수 있다.
(2)에서 (1)을 빼면 다음과 같다.
s1(2)에서 s2(1)을 빼면 다음과 같다.
제2예시 시스템
도 8은 제2예시 시스템 구성에 따른 도파관 동공 확장기를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 도시한다.
도 8에 예시된 홀로그래픽 디스플레이 시스템은 도 6의 홀로그래픽 디스플레이 시스템과 유사하지만 공간 광 변조기와 뷰잉 평면 사이에 스크린이 없다는 특징이 있다. 따라서, 이는 직접 뷰 구성이다. 특히, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 제1화상(또는 제1이미지) 및 제2화상(또는 제2이미지)을 형성하도록 배열된 화상 생성 유닛을 포함한다. 제1단색/디스플레이 채널(예를 들어, 적색 채널)은 제1광원(810), 제1시준 렌즈(812) 및 제1파장의 광으로 SLM(840)을 조명하도록 배열된 제1이색성 미러(814)를 포함한다. 제2단색/디스플레이 채널(예를 들어, 녹색 채널)은 제2광원(820), 제2시준 렌즈(822) 및 제2파장의 광으로 SLM(840)을 조명하도록 배열된 제2미러(824)를 포함한다. 제1디스플레이 채널은 시청자의 눈(808)에 제1이미지(예를 들어, 적색 이미지)를 형성하도록 배열된다. 제1단색 컴퓨터 생성 홀로그램은 홀로그래픽 컨트롤러(802)에 의해 SLM(840) 상에 인코딩 된다. SLM(840)은 제1홀로그램을 디스플레이 하고, 제1단색 채널로부터의 광에 의해 조명되어 재생 평면에 배치되는 수광면(870)에 제1홀로그래픽 재구성을 형성한다. 유사하게, 제2디스플레이 채널은 시청자의 눈(808)에 제2이미지(예를 들어, 녹색 이미지)를 형성하도록 배열된다. 제2단색 컴퓨터 생성 홀로그램은 홀로그래픽 컨트롤러(802)에 의해 SLM (840) 상에 인코딩 된다. SLM(840)은 제2홀로그램을 디스플레이 하고 제2단색 채널로부터의 광에 의해 조명되어 재생 평면의 수광면에 제2홀로그래픽 재구성을 형성한다.
홀로그래픽 디스플레이 장치는 SLM(840)으로의 입력 광과 출력 광을 분리하도록 배열된 빔 스플리터 큐브(830)를 더 포함한다. 그러나, 도 6과 대조적으로, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 직접 뷰 시스템이다. 예시된 배열에서, 렌즈(850)는 SLM(840)에 의해 출력되는 공간 변조 광의 광학 경로에 위치한다. 렌즈(850)는 선택 사항이다. 시청자(808)는 공간 광 변조기로부터 공간 변조 광을 직접 볼 수 있다. 상술한 바와 같이 일부 실시 예에서, 시청자 눈의 수정체는 눈의 망막에 홀로그래픽 재구성을 형성한다. 이들 실시 예에서, 시청자는 홀로그램으로 인코딩 된 공간적으로 변조된 광을 수신한다고 말할 수 있다. 다른 실시 예에서, 시청자는 화상의 광 또는 화상으로 인코딩 된 광을 수신한다. 화상은 자유 공간의 중간 평면에 형성될 수 있다. 도파관(890)은 상술한 바와 같이 제1 및 제2반사 표면에 의해 분리된 광학적으로 투명한 매체를 포함한다. 따라서 홀로그래픽 디스플레이 장치는 "직접 뷰" 구성을 갖는다. 즉, 시청자는 디스플레이 장치(즉, 공간 광 변조기)를 직접 바라보고, 도 6의 수광면은 선택 사항이다.
슬래브 및 웨지
도 9a는 실시 예들에 따른 도파관(900)을 도시한다. 도파관(900)은 도 5를 참조하여 설명된 것과 유사한 광학 슬래브(903)를 포함한다. 그러나, 이 실시 예에서, 광은 각각의 반사에서 - 슬래브의 상부 및 하부 표면에 반사 코팅을 적용한 경우보다 - 고 굴절률 물질과 저 굴절률 물질 사이의 내부 반사에 의해 슬래브에 의해 안내된다. 보다 구체적으로, 슬래브 하부 표면(도 9a의 아래쪽 표면)으로부터의 반사는 슬래브의 고 굴절률 재료와 주변 매체 - 예를 들어, 공기 - 사이의 임계각 조건을 충족하는 내부 전반사이다. 하부 표면 상의 입사각은 적어도 임계각 일 수 있다. 당업자라면 입력 포트(901)를 통해 슬래브로의 광의 주입 각도와 슬래브 및 주변 매체(예를 들어, 공기)의 굴절률을 선택하여 슬래브(903)의 하부 표면으로부터 완전 경계 반사를 달성할 수 있는 방법을 이해할 것이다.
광학 웨지(905)는 슬래브의 상부 표면(도 9a의 상부 표면)에 접한다. 광학 웨지(905)는 주변 매체보다 크지만 슬래브(903)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는다. 웨지(905)의 굴절률은 슬래브(903)의 상부 표면에서 임계각 상태를 깨뜨리기에 충분하므로 광은 슬래브(903)로부터 웨지(905)로 투과된다. 웨지의 각진/웨지형 상부 표면은 반사보다는 투과에 유리한 상이한(예를 들어 감소/낮은) 입사각을 제공한다. 다르게 표현하자면, 상부 표면의 입사각은 복제본의 거의 모든 광이 웨지에서 빠져나와 동공 확장에 기여하는 정도이다. 일부 실시 예에서, 수직 입사는 웨지의 상부 표면에서 발생한다. 도 9 내지 도 11에 도시된 도파관은 광을 안내하기 위해 (도 5에서와 같은 반사 표면이 아닌) 내부 전반사를 이용하는 것이 특징이고, 또한 슬래브의 상부 표면으로부터 광을 추출하도록 구성된 하부 표면 및 도파관에서 나오는 광의 비율을 증가시키도록 구성된 상부 표면을 갖는 웨지를 사용하는 것이 특징이다. 도 9a의 실시 예에서, 웨지는 입력 포트(901)로부터의 거리에 따라 두께가 감소한다. 웨지는 입력 포트(901)로부터의 거리에 따라 두께가 증가할 수 있다. 도 9a는 단순성을 유지하기 위해 광 굴절 효과를 완전하게 도시하지는 않는다.
도 9b는 도 9a의 도파관 내에서 광 전파와 관련된 일부 광 경계들을 도시한다. 고 굴절률 슬래브(903)와 저 굴절률 주변 매체 (n = 1) 사이의 제1경계(910)는 임계각 조건(즉, 입사각이 슬래브와 예를 들어 공기 사이의 임계각보다 크거나 같음)을 만족하므로 내부 전반사가 일어난다. 슬래브(903)와 중간 굴절률 웨지(905) 사이의 제2경계(920)는 웨지의 굴절률이 입사각 이상으로 임계각을 증가시키기에 충분하므로 임계각 조건을 만족하지 않는다(즉, 입사각이 슬래브와 웨지 사이의 임계각보다 작다). 웨지(905)와 저 굴절률 주변 매체 (n = 1) 사이의 제3경계(930)의 광은 수직 입사를 겪게 되고(즉, 제3경계(930)의 입사각이 0 임), 따라서 투과가 최대가 된다. 일부 실시 예에서, 제3경계(930) 상의 입사각은 0(수직)이 아니지만 경계(930)에서 반사된 광의 비율이 무시할 수 있도록 충분히 작다(즉, 법선 입사에서 약간 벗어난다). 제3경계에서의 입사각은 실질적으로 0이라고 말할 수 있다. 제3경계에서의 입사각은 웨지와 예를 들어 공기 사이의 임계각보다 작다. 제4경계는 제2경계(920)에서 웨지(905)로 투과되지 않은 광의 다음 상호 작용을 도시한다. 제4경계(940) - 다시, 슬래브와 주변 매체 사이 - 또한 내부 전반사가 일어난다. 일부 실시 예에서, 웨지의 적어도 하나의 표면은 반사 방지 코팅을 포함한다.
도 10은 상부/상단 표면이 만곡 된 추가 실시 예를 도시한다. 웨지의 두께는 입력 포트로부터의 거리에 따라 변화된다. 일부 실시 예에서, 상부 표면은 오목하거나 볼록하다.
일부 실시 예에서, 웨지의 굴절률은 그라데이션 된다. 즉, 입력 포트로부터의 거리에 따라 변화한다. 일부 실시 예에서, 입력 포트에 가장 가까운 웨지의 제1측면(side)은 상대적으로 낮은 (그러나 주변 매질보다 큰) 굴절률을 가지고, 입력 포트에서 가장 먼 웨지의 제2측면은 상대적으로 낮은 (그러나 슬래브 보다 작은) 굴절률을 가진다. 결과적으로, 슬래브의 굴절률과 웨지의 굴절률의 차이는 입력 포트로부터의 거리가 멀어짐에 따라 감소한다. 즉, 입력 포트로부터의 거리가 증가하고 남은 광의 양이 감소함에 따라, 반사율은 낮아지고 따라서 슬래브-웨지 경계에서 더 많은 투과가 일어난다는 것을 의미한다.
도 11에 도시된 것과 같은 다른 실시 예에서, 굴절률 매칭 유체(1150)의 층(또는 상응하는 유전체 코팅)은 슬래브(1103)와 웨지(1105) 사이에 끼워진다. 매칭 유체(1150) 층의 굴절률은 그라데이션 된다. 즉, 매칭 유체(1150)의 굴절률은 입력 포트(1101)로부터의 거리에 따라 변한다. 광학 분야의 숙련자라면 광학 슬래브와 광학 웨지 사이에 그라데이션 된 굴절률 매칭 유체가 제공될 수 있는 방법을 이해할 것이다.
일부 예에서, 슬래브의 굴절률은 1.8 내지 2.2와 같은 1.5 내지 2.5이고, 웨지의 굴절률은 1.3 내지 1.7과 같은 1.1 내지 1.9이다. 굴절률 매칭 층의 굴절률은 0.4 내지 0.6과 같이 총 0.2 내지 0.8만큼 도파관의 길이에 걸쳐 선형적으로 변할 수 있다. 도파관은 이색성(dichroic) 코팅을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 슬래브의 굴절률은 2.0 +/-0.2, 웨지의 굴절률은 1.5 +/-0.2, 주변 매체의 굴절률은 1.0 +/-0.2이다. 이 예에서 슬래브와 공기 사이의 (제1)임계각은 실질적으로 30.0 도이다. 슬래브와 웨지 사이의 (제2)임계각은 실질적으로 48.6도이고, 웨지와 공기 사이의 (제3)임계각은 실질적으로 41.8 도이다. 일부 실시 예에서, 슬래브 내의 광의 입사각은 제1임계각 이상이고 제2임계각 미만이다. 일부 실시 예에서, 제2임계각은 제3임계각보다 작다. 일부 실시 예에서, 도파관 및 입력 포트는 슬래브 내 광의 입사각이 30 내지 42도가 되도록 구성된다. 일부 실시 예에서, 슬래브 내 입사각은 40 +/-2 도와 같은 38 +/-4 도이다.
헤드 업 디스플레이
도 12a는 윈드스크린(1230) 및 대시 보드(1280)를 갖는 차량에서 헤드 업 디스플레이의 광학 시스템을 포함하는 하부 (또는 제1) 하우징(1225)을 도시한다. 하부 하우징은 적어도 본 개시의 실시 예들에 따른 화상 생성 유닛 및 도파관(이 도면에는 도시 되지 않음)을 포함한다. 헤드 업 디스플레이는 태양 광 대책을 포함하는 상부 (또는 제2) 하우징(1270)을 포함한다. 특히, 상부 하우징(1270)은 광 트랩(1274) 및 커버 유리(1272)를 포함한다. 커버 유리(1272)는 일반적인 포물선 또는 타원형과 같이 일반적으로 만곡 된다. 태양 광 대책의 기능은 도 12b를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 12b는 HUD 이미지(예를 들어, 화상의 윈드스크린에 형성된 가상 이미지)가 보일 수 있는 공간 영역인 헤드 업 디스플레이의 소위 아이-박스(1290)를 도시한다. 시청자의 눈이 아이-박스 안에 있으면 HUD 이미지가 보일 것이다. 시청자의 눈이 아이-박스 밖에 있으면 HUD 이미지가 보이지 않을 것이다. 아이-박스(1290)는 키가 크고 작은 운전자를 모두 수용하기에 충분하며 운전 중에 정상적인 머리 움직임을 허용한다. 도 12b는 HUD 이미지를 형성하는 하부 하우징(1225)으로부터의 광선을 포함하는 볼륨(1285)을 도시한다. 도 12b는 또한 윈드스크린(1230)을 통과하여 커버 유리(1272)에 도달하는 태양 광선(A)와 같은 태양 광선이 윈드스크린의 내부 표면에서 운전자의 눈으로 반사되지 않도록 커버 유리(1272)가 어떻게 구부러져 있는지를 보여준다. 통상적으로, 커버 유리(1272)의 곡률은 커버 유리(1272) 및 윈드스크린의 내부 표면에서 반사되는 태양 광선(A)와 같은 태양 광선이 도 12b에 도시된 바와 같이 운전자의 가슴 영역으로 아래로 향하도록 하는 것이다. 윈드스크린의 내부 표면에서 반사되는 반사가 4 % 미만일 수 있지만 (윈드스크린이 코팅된 경우 0.1 %에 불과할 수도 있음) 태양 광의 최고 강도로 인해 HUD에서 이러한 반사가 문제가 될 수 있음은 이해될 것이다. 커버 유리(1272)를 구부리는 것은 제조 복잡성이 추가되고 HUD에 볼륨이 추가된다.
상부 하우징의 제2구성 요소는 광 트랩(1274)이다. 광 트랩(1274)은 일부 태양광으로부터 HUD의 다른 구성 요소를 차폐하는 물리적 배플(baffle)이다. 특히, 광 트랩(1274)은 비교적 얕은 태양광(즉, 태양이 거의 일몰과 같이 하늘에서 상대적으로 낮을 때의 태양광-예를 들어, 태양 광선 (B))이 커버 유리(1272)에 도달하지 않도록 일반적으로 차폐한다.
도 12a 및 도 12b는 일반적으로 헤드 업 디스플레이를 태양광으로부터 보호하기 위해 별도의 구성 요소(종종 커버 유리라고 함)에 의해 곡선 형 상부 표면이 제공되는 방식을 보여준다. 본 개시에 따른 일부 실시 예들에서, 도파관의 광학 웨지의 만곡 된 상부 표면은 디스플레이 장치를 보호하기 위해 만곡 된 커버 유리 대신에 사용된다. 즉, 도파관의 만곡 된 상부 표면은 헤드 업 디스플레이의 보호 커버 유리 역할을 한다.
추가 기능
실시예는 단지 예로서 전기적으로 활성화된 LCOS 공간 광 변조기를 지칭한다. 본 개시의 교시는, 예컨대 임의의 전기적으로 활성화된 SLM, 광학적으로 활성화된 SLM, 디지털 마이크로 미러 디바이스 또는 마이크로 전자 기계적 디바이스와 같은 본 발명에 따른 컴퓨터-생성 홀로그램을 표시할 수 있는 임의의 공간 광 변조기 상에서 동일하게 구현될 수 있다.
일부 실시 예에서, 광원은 레이저 다이오드와 같은 레이저이다. 일부 실시 예에서, 디스플레이 평면은 확산면 또는 디퓨저와 같은 스크린을 포함한다. 본 개시의 홀로그래픽 프로젝션 시스템은 개선된 헤드 업 디스플레이(HUD)를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시 예에서, HUD를 제공하기 위해 차량에 설치된 HUD 및 홀로그래픽 프로젝션 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 차량은 자동차, 트럭, 밴, 화물차, 오토바이, 기차, 비행기, 보트 또는 선박과 같은 자동 차량일 수 있다.
일부 실시 예에서, 도파관에 의해 수신되고 복제되는 광은 편광 되지 않는다. 일부 실시 예에서, 광은 s-편광 되고 다른 실시 예에서, 광은 p-편광 된다. 일부 실시 예에서, 도파관에 의해 수신되고 복제된 광은 단색이고 다른 실시 예에서 광은 복수의 단색 성분을 포함한다.
여기에 설명된 방법 및 프로세스는 컴퓨터 판독가능 매체 상에 구현될 수 있다. 용어 "컴퓨터 판독가능 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 판독가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 기계가 여기에 기재된 방법론 중 하나 이상을 전체적으로 또는 부분적으로 수행하게 하는 명령들을 기계의 수행 지령으로서 저장할 수 있는 어떤 매체 혹은 다중의 매체의 조합을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
"컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 또한 클라우드 기반 스토리지 시스템을 포함한다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 솔리드-스테이트 메모리 칩, 광학 디스크, 자기(magnetic) 메모리의 예시적인 형태의 하나 이상의 유형 및 비 일시적 데이터 저장소(예를 들어, 데이터 볼륨)를 포함하지만, 디스크 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시 예에서, 실행을 위한 명령어는 캐리어 매체에 의해 전달될 수 있다. 이러한 캐리어 매체의 예는 일시적인 매체(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.
첨부된 청구 범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.

Claims (18)

  1. 제1굴절률 n1 > 1을 갖는 광학 슬래브로서, 평행 구조로 배열된 제1표면 및 대향하는 제2표면, 및 광이 일련의 내부 반사에 의해 상기 제1표면 및 대향하는 상기 제2표면 사이에서 안내되는 각도로 광 슬래브 내부로 광을 수신하도록 배열된 입력을 포함하는 광학 슬래브;
    제2굴절률 n2를 갖는 광학 웨지로서, 웨지 구조로 배열된 제1표면 및 대향하는 제2표면을 포함하며, 1 < n2 < n1인 광학 웨지;
    를 포함하되,
    상기 광학 웨지의 제1표면은 상기 광학 슬래브의 제2표면과 접하여 경계를 형성하고, 상기 경계는 상기 광학 슬래브에 의해 안내된 광이 복수 분할되도록 상기 경계를 따라 복수의 지점에서 상기 광학 웨지로 부분적으로 투과되도록 허용하며,
    상기 웨지의 각도는 상기 경계에서 수신된 광이 상기 광학 웨지의 제2표면을 통해 빠져나가도록 하여 상기 광의 복수 분할에 의해 도파관의 출사 동공이 확장되는,
    도파관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 웨지의 제1표면 및 대향하는 제2표면 사이의 상기 각도는 상기 입력으로부터의 거리에 따라 변화하는, 도파관.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 각도는 상기 입력으로부터의 거리에 따라 감소하는, 도파관.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학 웨지의 제2표면은 상기 도파관의 오목 표면을 형성하는, 도파관.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광학 웨지의 제1표면 및 대향하는 제2표면 사이의 각도는 상기 입력으로부터의 거리에 따라 실질적으로 일정한, 도파관.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광학 웨지의 굴절률은 상기 입력으로부터의 거리에 따라 변화하는, 도파관.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광학 웨지의 굴절률은 상기 입력으로부터의 거리에 따라 증가하는, 도파관.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광학 슬래브와 상기 광학 웨지 사이에 끼워진 굴절률 매칭 유체 층을 더 포함하고,
    상기 굴절률 매칭 유체의 굴절률은 상기 입력으로부터의 거리에 따라 변화하는, 도파관.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 굴절률 매칭 유체의 굴절률 변화는 상기 입력으로부터의 거리에 따라 증가하는, 도파관.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학 슬래브로부터 광을 방출하도록 배열된 출력 포트를 더 포함하는, 도파관.
  11. 제1항의 도파관을 포함하고,
    패턴을 디스플레이 하도록 배열된 화상 생성 유닛을 더 포함하며,
    상기 입력에 의해 수신된 광은 상기 화상 생성 유닛에 의해 디스플레이 되는 상기 패턴의 광인, 디스플레이 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 화상 생성 유닛과 상기 도파관 사이에 광학 시스템을 더 포함하고,
    상기 광학 시스템은, 시준(collimation) 렌즈, 축소 망원경과 같은 망원경을 형성하도록 배열된 한 쌍의 렌즈 및 공간 필터를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 화상 생성 유닛은 홀로그래픽 프로젝터 인, 디스플레이 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 디스플레이 된 패턴은 홀로그램 인, 디스플레이 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 디스플레이 된 패턴은 홀로그램으로부터 형성된 홀로그래픽 재구성된(holographically-reconstructed) 화상 인, 디스플레이 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 홀로그래픽 재구성된 화상은 확산(diffuse) 스크린과 같은 스크린 상에 형성되는, 디스플레이 시스템.
  17. 제11항에 따른 디스플레이 시스템을 포함하는 헤드 업 디스플레이로서,
    상기 광학 웨지의 제2표면은 상기 헤드 업 디스플레이의 각진(angled) 커버 유리 또는 섬광 트랩(glare trap)을 형성하는, 헤드 업 디스플레이.
  18. 입력 포트를 통해 광학 슬래브로 광을 수신하는 과정으로서, 상기 광학 슬래브는 제1굴절률 n1 > 1을 가지는, 과정;
    일련의 내부 반사에 의해 상기 광학 슬래브의 제1표면 및 대향하는 제2표면 사이에서 상기 광을 안내하는 과정으로서, 상기 제1표면 및 대향하는 상기 제2표면은 평행 구조로 배열되는, 과정;
    광학 웨지의 제1표면과 상기 광학 슬래브의 제2표면 사이에 경계를 형성함으로써 상기 광을 복수 분할하는 과정으로서, 상기 경계는 상기 경계를 따라 복수의 지점에서 상기 광학 웨지로 상기 광의 부분적 투과를 허용하고, 상기 광학 웨지는 제2굴절률 n2를 가지며, 1 < n2 < n1인, 과정; 및
    상기 광학 웨지의 제1표면 및 대향하는 제2표면을 웨지 구조로 배열하는 과정으로서, 상기 경계를 통해 상기 광학 웨지에 의해 수신된 광이 상기 광학 웨지의 제2표면을 통해 빠져나가되 도파관의 출사 동공이 상기 광의 복수 분할에 의해 확장되도록 하는, 과정
    을 포함하는 동공 확장 방법.
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