KR102638504B1 - 홀로그래픽 핑거프린트 - Google Patents

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Abstract

프로젝션을 위한 광 패턴의 홀로그램을 표시하고 디스플레이에 따라 광을 공간적으로 변조하여 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 배열된 공간 광 변조기를 포함하는 홀로그래픽 프로젝터로서, 홀로그래픽 재구성은 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리된다. 홀로그래픽 프로젝션이 제대로 작동하는 경우 형성된 홀로그래픽 재구성은 광 패턴과 일치한다. 홀로그래픽 프로젝터는 또한 홀로그래픽 재구성의 각각의 복수의 위치에 대응하는 광을 검출하고 광 검출과 관련된 각각의 복수의 출력 신호를 제공하도록 배열된 복수의 광 검출 소자를 포함하는 검출기 어레이 및 광 패턴의 광 분포에 기초하여 각각의 복수의 광 검출 소자로부터의 복수의 출력 신호 중 하나 이상을 복수의 기대 신호 중 하나 이상과 비교하도록 배열된 결함 검출 회로를 포함한다.

Description

홀로그래픽 핑거프린트{HOLOGRAPHIC FINGERPRINT}
본 개시는 프로젝터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 홀로그래픽 프로젝터, 홀로그래픽 프로젝션 방법 및 홀로그래픽 프로젝션 시스템에 관한 것이다. 본 개시의 실시예들은 장면의 비행 시간 측정을 수행하도록 구성된 LIDAR(light detection and ranging) 시스템 및, 예를 들어 안전 모니터링을 위한, LIDAR 시스템의 작동을 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 일부 실시예는 자동차LiDAR 시스템 또는 휴대용 장치 내에 포함된 LiDAR 시스템에 관한 것이다. 다른 실시예들은 향상된 안전성을 갖는 헤드-업 디스플레이에 관한 것이다.
객체에서 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는 간섭 줄무늬를 포함하는 홀로그래픽 레코딩 또는 "홀로그램"을 형성하도록 잘 알려진 간섭 기술에 의해, 예컨대, 감광성 플레이트 상에 캡쳐될 수 있다. 홀로그램은 원래의 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성 또는 재생 이미지(replay image)를 형성하기에 적절한 광을 조사(illumination)함으로써 재구성될 수 있다.
컴퓨터-생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 수치적으로 간섭 프로세스를 시뮬레이션할 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램(computer-generated hologram)은 프레넬(Fresnel) 또는 푸리에(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기술을 이용하여 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬/푸리에 변환 홀로그램 혹은 간단히 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 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기술(point cloud technique)에 의해 계산될 수도 있다.
컴퓨터-생성 홀로그램은 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기(spatial light modulator) 상에 인코딩될 수 있다. 광 변조는, 예컨대, 전기적으로 어드레스 가능한(electrically-addressable) 액정, 광학적으로 어드레스 가능한(optically-addressable) 액정 또는 마이크로 미러를 사용하여 달성될 수 있다.
공간 광 변조기는 셀들(cells) 또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레스 가능한 픽셀들을 일반적으로 포함할 수 있다. 광 변조 방식은 이진(binary), 다중 레벨(multilevel) 또는 연속적(continuous)일 수 있다. 이와는 달리, 장치는 연속적일 수 있으며(즉, 픽셀로 구성되지 않은), 이에 따라 광 변조는 장치 전체에 걸쳐서 연속적일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 반사로 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 투과로 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.
본 명세서에 기술된 시스템을 이용하여 홀로그래픽 프로젝터가 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 헤드-업 디스플레이(head-up display: HUD), 그리고 예를 들어 근안 장치(near-eye device)를 포함한 헤드-마운트 디스플레이(head-mounted display: HMD)에 적용 가능하다. 홀로그래픽 프로젝터는 LIDAR (light detection and ranging)에 사용될 수 있다. LIDAR 시스템은 휴대용 디바이스와 차량을 포함한 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다.
홀로그래픽 프로젝터와 같은 간섭성 광을 사용하는 장치에서 이미지 품질을 개선하기 위해 이동식 디퓨저(moving diffuser)가 사용될 수 있다.
본 개시는, 예를 들어 LIDAR 시스템 내에서, 홀로그래픽 프로젝터의 모니터링 작동의 개선에 관련되어 있다. 특히, 이러한 개선은 LIDAR 시스템 내에서 홀로그램 디스플레이 장치의 안전한 작동을 모니터링하기 위한 보다 신뢰할 수 있는 및/또는 보다 정확한 기술들을 포함할 수 있다.
본 개시의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 정의된다.
일반적으로, 예를 들어 장면의 비행시간(time of flight; ToF) 측정을 위해 배열된 LIDAR 시스템 내에 포함된 홀로그래픽 프로젝터의 작동 장면의 비행 측정을 위해 배치된 홀로그래픽 프로젝터인, 홀로그래픽 프로젝터의 작동을 정확하고 효율적으로 모니터링하고 제어할 수 있는 방법, 시스템 및 장치가 제공된다. 모니터링 및 제어는 홀로그래픽 프로젝터의 안전한 작동과 홀로그래픽 프로젝터를 비추도록 배치된 광원의 안전한 작동을 보장할 수 있다. 광 신호들을 모니터링하기 위해 하나 이상의 광 검출기가 제공된다. 모니터링되는 광 신호들은, 광 패턴의 홀로그램을 표시하는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator; SLM)과 같은 디스플레이 장치가 레이저 광과 같은 적절한 광에 의해 조사될 때 형성되는, 홀로그래픽 재구성으로부터 유래될 수 있다. 다른 예에서, 모니터링되는 광 신호들은 조사된 SLM으로부터 홀로그래픽 재생 평면을 향해 이동하는 광으로부터 유래될 수 있으며, 따라서 아직 홀로그래픽 재구성을 완전히 형성하지 않은 것일 수 있다. 이러한 예에서 모니터링되는 광은 '부분적(partial)' 홀로그래픽 재구성인 것으로, 또는 부분적 홀로그래픽 재구성 내에 포함된 것으로, 지칭될 수 있다. 또 다른 예에서, 모니터링되는 광 신호들은, 홀로그래픽 재생 평면 상에, '중간(intermediate)' 홀로그래픽 재구성으로 지칭될 수 있는, 홀로그래픽 재구성을 형성한, 그리고 스크린, 디퓨저(diffuser) 또는 다른 평면을 향해 투사되어 그 위에 중간 홀로그래픽 재구성의 이미지를 형성하는, 광으로부터 유래될 수 있다. 그 위에 중간 홀로그래픽 재구성의 이미지를 형성한다. 중간 홀로그래픽 재구성은 그 자체로 자유 공간에서 형성될 수 있거나, 예를 들어 디퓨저와 같은 스크린 상에 형성될 수 있다.
검출기들은, 주어진 시간에 특정 홀로그램에 대해 검출기들에 의해 검출된 광 신호를, 홀로그래픽 프로젝터가 정확하고 안전하게 작동하는 경우에 해당 시간에 그 특정 홀로그램에 대해 검출되어야 하는 광 신호의 기대치와 비교하도록 구성된 프로세서 또는 결함(fault) 검출 회로를 포함하거나 이에 통신적으로 결합된다. 특히, 상기 방법은 홀로그래픽 재구성으로부터의 광 신호들에 기초하여, 디스플레이 장치가 주어진 시간에 원하는 홀로그램을 정확하게 디스플레이하고 있는지 여부 및/또는 광이 눈에 안전한 밝기 또는 강도 수준인지 여부를 결정할 수 있다.
상기 방법은, 올바르게 기능하지 않을 수 있다는 표시가 있는 경우, 디스플레이 장치를 조사하는 것(즉, 비추는 것)를 일시 중지 또는 중단하도록, 혹은 조사하는 광의 파라미터를 변경하기 위해 광원을 제어하는 것을 더 포함할 수 있다. 따라서 이것은, 디스플레이 장치가 부정확하거나 부적절한 작동을 계속하도록 허용된 경우에 발생할 수 있었을, 관찰자의 눈 손상 및/또는 눈의 불편함에 대한 보호 수단(safeguard)으로 작용할 수 있다. 일부의 경우에, 상기 방법은 조사 강도를 감소시키기 위해 광원을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 이는 SLM (또는 프로젝터의 다른 측면)이 오류 상태(error state)에서 복구되었는지/복구된 시점을 결정하기 위해 모니터링하기에 충분한 광을 계속 제공하면서 눈의 안전을 보장할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로젝션을 위한 광 패턴의 홀로그램을 디스플레이하고 홀로그래픽 재구성을 형성하기 위해, 디스플레이에 따라, 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM)를 포함하는 홀로그래픽 프로젝터가 제공되며, 여기서, 홀로그래픽 재구성은 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리된다. 홀로그래픽 프로젝션이 제대로 작동하는 경우, 형성된 홀로그래픽 재구성은 광 패턴에 대응되어야 한다. 홀로그래픽 프로젝터는 또한, 홀로그래픽 재구성의 각각의 복수의 위치들에 대응하는 광을 검출하고 광 검출과 관련된 각각의 복수의 출력 신호들을 제공하도록 구성된 복수의 광 검출 소자들을 포함하는 검출기 어레이, 그리고 배열된 결함 검출 회로를 포함한다. 광 패턴의 광 분포에 기초하여 각각의 복수의 광 검출 소자로부터의 복수의 출력 신호들 중 하나 이상을, 복수의 기대 신호들 중 하나 이상과 비교하도록 구성된 결함 검출 회로를 포함한다.
결함 검출 회로 - 또는 홀로그래픽 프로젝터 내에 구성되거나 통신적으로 연결된 다른 프로세서 혹은 회로 - 는, 상기 비교의 결과로, 복수의 출력 신호들 중 하나 이상과 복수의 기대 신호들 중 하나 이상 사이에 차이가 있는지 여부를 결정하도록 구성될 수 있다.
결함 검출 회로에 의해 이루어지는 비교의 목적은 홀로그래픽 재구성의 유효성(validity)을 평가하는 것일 수 있다. 비교는 홀로그래픽 프로젝터가 안전히 작동하는지 또는 그렇지 않을 수 있는 위험이 있는지 여부를 결정할 수 있다. 비교는, 주어진 시간 또는 시간들에서, 복수의 광 검출 소자들 각각으로부터의 출력 신호를 이들 광 검출 소자들 각각으로부터의 기대되는 출력 신호와 비교할 수 있다. 하나 이상의 기대 시간 신호들은 시간에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 예상하는 신호가 시간적으로 변동하는 것은 홀로그램이 변경되어 조명 패턴이 변경될 것이라는 예상으로 인해, 및/또는 광 패턴이 위치(position) 또는 장소(location)를 동적으로 변경하여 주어진 시간 또는 시간들에서 특정 광 검출 소자의 위치에서 발생할 것으로 기대되는 광 패턴의 어느 부분(있는 경우)을 변경할 것이라는 예상으로 인한 것일 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 재구성은 재생 평면에 걸쳐 번역되거나 "스캔될"(translated or "scan") 것으로 예상될 수 있다. 어떤 경우에는, 광 신호/신호들이 예상되는 검출 소자/소자들의 아이덴티티(identity)가 시간이 지남에 따라 변경될 수 있다.
각각의 복수의 광 검출 소자들로부터의 복수의 출력 신호들(및/또는 복수의 기대 신호들)은 검출기 어레이 내의 복수의 광 검출 소자들(또는 복수의 광 검출 소자들의 서브 그룹 또는 서브 세트)로부터의 결합된 혹은 연결된(concatenated) 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 검출 소자들은, 주어진 시간에, 광 신호의 존재 ('1') 또는 부재 ('0')를 가리키는 이진 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 연결된 신호는 복수의 광 검출 소자들 각각으로부터의 이진 출력들의 시퀀스(또는 이러한 광 검출 소자들로부터의 기대 이진 출력들(expected binary outputs)의 시퀀스)를 포함할 수 있다. 그러한 연결된 이진 신호의 비트 단위의 길이는 그것이 관련된 광 검출 소자들의 수와 같을 수 있다. 다른 예에서, 광 검출 소자는, 예를 들어, 검출된 광의 강도 또는 밝기에 대한 정보를 제공하는 비-이진 ("그레이스케일") 신호들을 제공하도록 구성될 수 있다.
홀로그래픽 프로젝터는 광원을 포함하거나 광원과 함께 제공될 수 있다. 광원은 레이저 광원일 수 있다. 광은, 예를 들어, 적외선 (IR) 광, 가시 광 또는 자외선 광일 수 있다.
결함 검출 회로는 임의의 적절한 제어기 또는 프로세서를 포함하거나 그 내부에 포함되거나 또는 통신적으로 결합될 수 있다. 그 제어기 또는 프로세서는 홀로그래픽 프로젝터와 관련하여 다른 동작들을 수행하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 공간 광 변조기상에 홀로그램들의 선택 및 디스플레이를 제어하도록 배열될 수 있다. 결함 검출 회로는 단순히 '제어기' 또는 '신호 비교 회로' 또는 기타 적절한 용어로 지칭될 수 있다. 결함 검출 회로는, 홀로그램의 안전한 작동을 보장하기 위해, 각각의 복수의 검출 소자들로부터의 상기 하나 이상의 출력 신호들과 하나 이상의 기대 신호들 사이의 차이를 식별하는 경우에, 추가 광 프로젝션을 변경하거나 방지하도록 배열될 수 있다. 일부 경우에, 추가 광 프로젝션을 완전히 방지하지는 않고, 예를 들어 그 강도를 감소시킴으로써, 광 프로젝션을 변경하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 프로젝터는, 각각의 복수의 검출 소자들로부터의 상기 하나 이상의 출력 신호와 하나 이상의 기대 신호 사이의 차이를 식별하는 경우에, 광원으로부터 공간 광 변조기(spatial light modulator: SLM)를 향한 추가 광 프로젝션을 방지 또는 감소시키고/시키거나, SLM에 의해 방출되는 광을 방지 또는 감소시키고/시키거나, SLM에 의해 방출된 광이 대상 객체 또는 장면에 도달하는 것을 방지 또는 감소시키고/시키거나, 광이 그 장면이나 객체로부터 관찰자를 향해 반사되는 것을 방지하거나 감소시키도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 광원의 작동이 일시 중지되거나 다이얼-다운(dialed-down)될 수 있고/있거나 SLM의 작동이, 예를 들어 광원과 SLM 사이에 및/또는 SLM과 조명하도록 배열된 장면 혹은 대상 사이에 또는 장면 혹은 대상과 관찰자 사이에 위치한, 셔터 혹은 기타 배리어(barrier)의 활성화를 통해, 일시 중지되거나 무효화될 수 있다. 일부 경우에, 광원과 관찰자 사이의, 다수의 상이한 각각의 위치들(locations) 또는 포지션들(positions)에서 광 경로를 차단하기 위해, 다수의 배리어(barrier)들 또는 셔터(shutter)들이 사용될 수 있다.
결함 검출 회로는 각각의 복수의 검출 소자들로부터의 하나 이상의 출력 신호들과 하나 이상의 기대 신호들 사이의 어떤 차이들을 허용하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 차이가 수용가능 값보다 크지 않은 값(즉, 크기 또는 범위)인 경우에 차이가 허용될 수 있다 (따라서 추가 광 프로젝션이 허용됨). 다시 말해, 결함 검출 회로는 미리 결정된 임계값까지 어떤 차이들이 존재하도록 허용할 수 있지만, 미리 결정된 임계값을 초과하는 값의 차이는 수용가능하지 않아서, 그 차이의 원인을 조사하고 적절한 경우 해결될 때까지, 추가 광 프로젝션이 중단, 감소 또는 일시 중지되어야 한다고 결정할 수 있다. 결함 검출 회로는 상이한 각각의 유형들 또는 특성들의 차이를 구별하도록 배열될 수 있다. 수신 신호와 기대 신호 사이에는 그 크기에 관계없이 수용할 수 없는 것으로 간주되는 일부 차이들(또는 불일치들(mis-matches))이 있을 수 있는 반면, 수신 신호와 기대 신호 사이의 다른 차이들(또는 불일치들)은, 그 크기가 상대적으로 작다면, 수용가능한 것으로 그리고 낮은 안전 리스크를 제시하는 것으로 간주될 수 있다. 일부 경우에, 수신 신호와 기대 신호 사이의 어떤 차이(또는 불일치)가, 적어도 미리 결정된 시간 윈도우 동안, 제어기로 하여금 광의 강도를 감소시키되 완전히 막지는 않도록 유도할 수 있으며, 따라서 이는 그 시간 윈도우 동안 프로젝터의 작동을 완전히 중단할 필요없이 그 차이의 원인을 해결하고 바로잡을 기회를 줄 수 있다.
일부 배열에서, 검출된 차이의 유형 및/또는 정도는 광원과 관찰자 사이에서 광 경로를 차단하기 위해 취해지는 단계 또는 단계들을 결정(또는 결정에 기여)할 수 있다.
홀로그램이 나타내는, 광 패턴의 홀로그래픽 재구성은 자유 공간의 홀로그래픽 재생 평면 또는 디퓨저와 같은 스크린 또는 관찰자의 눈에 형성될 수 있다. 홀로그래픽 재생 평면은 평면적(planar)일 수 있다. 경우에 따라, 홀로그래픽 재생 필드가 평면적이 아닐 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 재구성 내의 상이한 스팟들은 동일한 3 차원(3D) 이미지 내의 서로 다른 깊이에서 초점을 맞출 수 있다.
홀로그램에 의해 표현되는 광 패턴은 시간 가변적일 수 있어서, 복수의 기대 신호들 중 하나 이상도 시간 가변적일 수 있다. 예를 들어, 광 검출과 관련된 신호를 출력할 것으로 기대되는, 검출기 어레이 내의, 광 검출 소자 또는 소자들의 동일성(identity) 및/또는 위치는 시간에 따라 달라질 수 있다.
일련의 광 패턴은, 광원으로부터의 광을 SLM에 조사함(irradiating)으로써 형성되는 홀로그래픽 재구성들의 대응하는, 시퀀스(또는 복수의 홀로그래픽 재구성들, 또는 일련의 홀로그래픽 재구성들)로 표현될 수 있다. 광 패턴들의 시퀀스에서 각각의 광 패턴은 상이한 각각의 홀로그램에 대응할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 광 패턴들의 시퀀스에서 2 개 이상의 광 패턴들은, 시퀀스에서 각각의 상이한 광 패턴에 대해 상이한 각각의 격자 기능(grating function)과 결합된, 공통 홀로그램에 대응할 수 있다. 즉, 시퀀스에서 2 개의 광 패턴들 간의 차이는 홀로그래픽 재생 평면에서 각각의 홀로그래픽 재구성(및 각각의 홀로그래픽 재생 필드)의 위치(position) 또는 위치(location)의 차이를 포함할 수 있다.
프로젝션을 위한 광 패턴들의 시퀀스의 각각의 광 패턴은, 한 번에(at a time), 복수의 검출 소자들 중 하나의 검출 소자만이 그 광 패턴의 홀로그래픽 재구성에 대응하는 광을 수신하도록 구성될 수 있다. 경우에 따라, 광을 수신해야 하는 검출 소자는 광 패턴들의 시퀀스의 각 연속적인 광 패턴과 함께 변경될 수 있다. 어떤 경우에는, 하나 보다 많은 검출 소자들이 한 번에 광을 수신할 것으로 기대될 수 있지만, 광을 수신할 것으로 기대되는 소자들의 특정 조합은 광 패턴들의 시퀀스에서 각 광 패턴과 함께 변경될 수 있다.
검출 소자들은 광 패턴의 (중간) 홀로그래픽 재구성이 형성되는 홀로그래픽 재생 평면에 실질적으로 위치할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 검출 소자들 중 일부 또는 전부는 중간 홀로그래픽 재구성의 이미지가 형성되는 이미지 평면에 위치할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 검출 소자들 중 일부 또는 전부가 홀로그래픽 재생 평면의 업스트림(즉, SLM과 홀로그래픽 재생 평면 사이) 및/또는 홀로그래픽 재생 평면의 다운스트림(예컨대, 홀로그래픽 재생 평면과 이미지 평면 사이)에 위치할 수 있다. 따라서, 일부 경우에, 홀로그래픽 재구성이, 하나 이상의 검출 소자들의 위치에, 아직 완전히 형성되지 않을 수 있거나/있고, 적절하게 포커스되지 않을 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 눈(eye)의 렌즈를 푸리에 렌즈로 사용하여, 홀로그래픽 재생 필드가 관찰자의 눈의 망막(retina)에 위치할 수도 있다. 따라서, SLM로부터 나오는 광의 모니터링은 이러한 배열에서 푸리에 렌즈의 업스트림에 있을 것이다.
각각의 복수의 광 검출 소자들이 존재하는, 홀로그래픽 재구성의, 복수의 위치들은 홀로그래픽 재구성 자체의 일부 또는 일부들의 복수의 위치들일 수 있다. 예를 들어, 이들은, 홀로그래픽 재생 평면 상에 홀로그래픽 재구성을 변환(translate)하는 데에 사용되는 격(grating) 또는 다른 기능이 사용될 때, 홀로그래픽 재구성 내의 광 스팟(또는 광 스팟들)이 이동할 수 있는 복수의 위치들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이들은, 주어진 시간에, 가능한 홀로그램들의 선택 중 하나가 조사(irradiated)되는 것에 의존하여, 홀로그래픽 재구성 내에서, 광 스팟이 발생할 수 있는(또는 발생하지 않을 수 있는) 복수의 위치들을 포함할 수 있다.
복수의 광 검출 소자들은 광 검출 소자들이, 홀로그래픽 재구성이 완전히 형성되고 포커스되는, 홀로그램 응답 평면에 실제로 위치하지 않을 수 있다는 의미에서 홀로그래픽 재구성의 각각의 복수의 위치들에 '대응하는' 광을 검출하도록 배열될 수 있다. 대신, 이들은 홀로그램 재생 평면과 평행할 수 있는 다른 평면에 있을 수 있다. 다시 말해, 이들은, 홀로그래픽 재생 평면이 아닌, 광의 궤적 또는 광경로에서 상이한 지점에 위치할 수 있다. 광 검출 소자들은, 홀로그래픽 재구성을 형성하기 위해, 홀로그래픽 재생 평면을 향해 이동하는 광, 및/또는 이미 홀로그래픽 재구성을 형성한 홀로그래픽 재생 평면으로부터 상방으로(onwards) 프로젝트되는 광을 검출할 수 있다.
광 검출 소자는 홀로그래픽 재구성 내에서 하나 이상의 광 스팟들을 형성할 수도 있는 (혹은 형성했을 수도 있는) 광이 적어도 특정 시간들에 또는 특정 상황들에서 존재할 것으로 기대되는 위치들에 위치할 수 있다. 따라서, 광 검출 소자들은 광이 검출될 수 있는 각각의 복수의 위치들에서 특정 홀로그래픽 재구성을 위한 홀로그래픽 재생 평면의 업스트림에 있는 평면에 위치할 수 있으며, 여기서 그 광은 홀로그래픽 재생 평면을 향한 궤적(또는 광경로)에 있으며, 홀로그래픽 재구성 내에 하나 이상의 광 스팟들을 형성할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 광 검출 소자들은, 광이 검출될 수 있는 각각의 복수의 위치들에서, 특정 홀로그래픽 재구성을 위한 홀로그래픽 재생 평면의 다운스트림에 있는 평면 상에 위치할 수 있으며, 여기서 그 광은 재생 평면으로부터 떨어진 궤적(또는 광경로)에 있으며, 그 광은 홀로그래픽 재구성 내에 하나 이상의 광 스팟들을 이미 형성했을 수 있다.
프로젝션을 위한 광 패턴은 일차적인 광 패턴 영역 및 이차적인 광 패턴 영역을 포함할 수 있다. 광 검출 소자들이 광을 검출하도록 배열되는 복수의 위치들 각각은 이차적인 광 패턴 영역 내에 있을 수 있다.
이차적인(secondary) 광 패턴 영역은 일차적인(primary) 광 패턴 영역과 상이 할 수 있으며, 선택적으로, 예를 들어, 이차적인 광 패턴 영역은 일차적인 광 패턴 영역으로부터 공간적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 일차적인 광 패턴 영역은 뷰어(viewer)가 보도록 의도된 이미지 콘텐츠를 포함할 수 있다. 반대로, 이차적인 광 패턴 영역은 뷰어가 보도록 의도된 이미지 콘텐츠를 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 홀로그램은 타겟 이미지의 홀로그램일 수 있으며, 일차적인 광 패턴은 타겟 이미지의 이미지 콘텐츠에 대응하고, 이차적인 광 패턴은 추가적인 홀로그램 콘텐츠에 대응한다. 예를 들어, 홀로그램은 오리지널 영상 콘텐츠에 마커(marker) 또는 식별자(identifier)가 추가된 수정된 대상 영상의 홀로그램 일 수 있다. 일차적인 광 패턴 영역은 타겟 이미지의 원본 이미지 컨텐츠에 대응할 수 있고, 이차적인 광 패턴은 추가된 마커 또는 식별자에 대응할 수 있다. 추가된 마커 또는 식별자는 "홀로그래픽 핑거프린트(holographic fingerprint)"이라고 할 수 있다.
이차적인 광 패턴 영역 내의 광이 실질적으로 홀로그래픽 재생 평면을 넘어 전달되는 것을 방지하기 위해, 블록, 배플(baffle) 또는 배리어(barrier)가 제공될 수 있다. 일차적인 광 패턴 영역 내의 광이 실질적으로 홀로그래픽 재생 평면을 넘어 전달되는 것이 허용되도록 개구부(aperture) 또는 개구부(opening) 또는 윈도우(window)가 제공될 수 있다.
이차적인 광 패턴 영역 및 일차적인 광 패턴 영역은 홀로그래픽 재생 평면상의 홀로그래픽 재생 필드의 공통의 차수 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 둘 모두 0 차(zeroth-order) 홀로그래픽 재생 필드 내에 포함될 수 있다.
대안적으로, 이차적인 광 패턴 영역 및 일차적인 광 패턴 영역은 홀로그래픽 재생 평면상에서 홀로그래픽 재생 필드의 상이한 각각의 차수들 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 일차적인 광 패턴 영역은 0 차(zeroth-order) 홀로그래픽 재생 필드 내에 포함될 수 있고, 이차적인 광 패턴 영역은 1 차(first-order) 홀로그래픽 재생 필드 내에 포함될 수 있다.
복수의 검출 소자들에 의해 각각 모니터링되는 복수의 포지션들의 위치들은 이차적인 광 패턴 영역과 일치할 수 있다. 검출 소자가 홀로그래픽 재생 평면의 업스트림에 제공되는 경우, 복수의 검출 소자들에 의해 각각 모니터링되는 복수의 위치들은, 홀로그래픽 재생 평면에 도달 할 때 이차적인 광 패턴 영역을 형성할, 광과 일치할 수 있다. 검출 소자들이 홀로그래픽 재생 평면의 다운스트림에 제공되는 경우, 복수의 검출 소자들에 의해 각각 모니터링되는 복수의 위치들은 홀로그래픽 재생 평면 상에 이전에 이차적인 광 패턴 영역을 형성한 광과 일치할 수 있다. 따라서, 복수의 검출 소자들에 의해 각각 모니터링되는 복수의 포지션들의 위치는 0 차(zeroth-order) 홀로그래픽 재생 필드 내에 있을 수 있거나 0 차 홀로그래픽 재생 필드의 고차 반복(higher-order repeat) 내에 있을 수 있다. 고차 반복 내의 복수의 포지션들은 0 차 홀로그래픽 재생 필드에 실질적으로 인접할 수 있다.
복수의 검출 소자들에 의해 각각 모니터링되는 복수의 위치들이 0 차 홀로그래픽 재생 필드의 고차 반복 내에 있는 경우, 검출기 어레이는 홀로그래픽 재생 평면과 실질적으로 동일 평면에 있거나 실질적으로 수직일 수 있다.
광 패턴은 "LIDAR"를 위한 광 스팟들의 어레이를 포함 할 수 있다. 홀로그래픽 프로젝터는 장면 또는 대상을 관찰하거나 조사(interrogate)하기 위해 LIDAR 시스템 내에 포함될 수 있다.
LIDAR 제어기는 홀로그래픽 재생 필드를 이동하거나 변경하도록 제공되고 배열될 수 있으며, 그 홀로그래픽 재생 필드에는 홀로그래픽 재구성이 제때에 형성되어, 광 스팟들의 어레이의 각 광 스팟이 스캔 기간 동안 홀로그래픽 재생 평면 상의 복수의 상이한 포지션들을 효과적으로 차지하도록 한다. 홀로그래픽 재생 필드가 이동되거나 변경되면, 광 스팟들의 어레이가 전체적으로 이동한다. 스캔 기간 동안 광 스팟들의 상이한 포지션들로의 이동은 복수의 검출 소자들에 의해 각각 모니터링되는 복수의 포지션들과 관련될 수 있다. 다시 말하면, 복수의 검출 소자들은 하나 이상의 특정 광 스팟들로부터 광 신호를, 광 스팟들의 어레이 내에서, 그/그들이 주위를 이동할 때 하나 이상의 특정 광 스팟들로부터 광 신호를 캡처하도록 위치될 수 있다.
예를 들어, LIDAR에 사용되는 광 스팟들의 '메인(main)' 어레이에 기여하지 않지만 그럼에도 불구하고 광 스팟들의 '메인' 어레이를 포함하는 동일한 홀로그래픽 재구성 내에 포함되는, 광 스팟(또는 스팟들 또는 기타 광 형태)은 스캔 기간 동안 홀로그래픽 재생 평면상의 모니터링된 복수의 상이한 위치들 중 둘 이상 사이에서 이동할 수 있다. 그 광 스팟(또는 스팟들 또는 기타 광 형태)은 홀로그래픽 재구성을 위한 홀로그래픽 식별자 또는 '핑거프린트'를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 프로젝터가 주어진 시간에 올바르게 작동하는지 여부를 결정하기 위해, 핑거프린트의 하나 이상의 특성(들)이 모니터링될 수 있다. 주어진 시간에, 홀로그래픽 프로젝터가 정확하고 안전하게 작동하는지 여부를 결정하기 위해, 핑거프린트 또는 핑거프린트의 일부의 검출로 인해 생성되는 하나 이상의 신호가 모니터링될 수 있으며 하나 이상의 대응하는 기대 신호들과 비교될 수 있다.
복수의 검출 소자들 중 적어도 하나의 검출 소자에 의한 광의 검출은 광 스팟들(light spots)의 어레이의 광 스팟을 사용하여 비행 시간(ToF) 측정의 시작을 트리거 하는 데 사용될 수 있다.
광 패턴은 헤드-업 디스플레이를 위한 이미지일 수 있다.
일 측면에 따르면, 홀로그래픽 프로젝터의 동작을 모니터링하는 방법이 제공되며, 홀로그래픽 프로젝터는 광 패턴의 홀로그램을 디스플레이하고 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 광을 공간적으로 변조하도록 배열된 공간 광 변조기, 여기서 홀로그래픽 재구성은 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리됨; 홀로그래픽 재구성의 각각의 복수의 위치에서 광을 검출하고 광 검출과 관련된 각각의 복수의 출력 신호를 제공하도록 배열된 복수의 광 검출 소자를 포함하는 검출기 어레이; 및 결함 검출 회로를 포함한다. 상기 방법은 공간 광 변조기에서 광 패턴의 홀로그램을 디스플레이하는 단계; 광 패턴의 홀로그래픽 재구성을 형성하기 위해 공간 광 변조기를 조명(illuminating)하는 단계; 검출기 어레이에서 홀로그래픽 재구성에 대응하는 광 신호를 검출하는 단계; 결함 검출 회로에서, 홀로그래픽 재구성에 대응하는 검출된 광 신호와 관련하여 검출기 어레이 내의 광 검출 소자로부터 출력 신호를 수신하는 단계; 및 수신된 출력 신호를 광 패턴의 광 분포에 기초한 복수의 기대 신호 중 하나 이상과 비교하는 단계를 포함한다.
복수의 기대 신호들 중 하나 이상은 시변(time-varying)일 수 있다. 프로젝션을 위한 광 패턴은 일차적인 광 패턴 영역 및 이차적인 광 패턴 영역을 포함 할 수 있으며, 여기서 복수의 위치들의 각각의 위치는 이차적인 광 패턴 영역 내에 있을 수 있다.
홀로그램 프로젝션이 적절하고 안정적으로 작동하는 경우 형성된 홀로그래픽 재구성은 조명 패턴과 일치해야한다. 결함 검출 회로는, 홀로그래픽 프로젝터가 올바르게 작동하고 공간 광 변조기 (SLM) 상에 디스플레이되는 하나 또는 복수의 대응하는 홀로그램으로 표현되는 하나 또는 복수의 특정 광 패턴의 홀로그램 재구성(들)을 적절히 형성하는 경우, 검출기 어레이로부터 수신될 것으로 예상되는 복수의 기대 신호를 저장하거나 액세스 할 수 있도록 배열될 수 있다. 결함 검출 회로는 현재 디스플레이된 홀로그램에 대한 광 패턴에 대응하는 하나 이상의 특정 기대 신호에 액세스하고 광 검출 소자로부터 수신된 출력 신호를 하나 이상의 특정 기대 신호와 비교하도록 배열될 수 있다.
상기 방법은, 상기 비교의 결과로서, 수신된 출력 신호와 복수의 기대 신호들 중 하나 이상 사이에 어떠한 차이가 존재하는지 여부를 더 결정하는 것과, 선택적으로 그 차이가 허용치보다 큰지 여부도 결정하는 오류 검출을 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 수신된 출력 신호와 복수의 기대 신호들 중 하나 이상 사이에 차이가 존재하는 것으로 판단되는 경우, 및/또는 수용가능 값(acceptability value)보다 큰 차이가 존재한다고 판단되는 경우, 추가 광 프로젝션이 변경되거나 방지되도록 홀로그래픽 프로젝터를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가 광 프로젝션의 변경 또는 방지는, 광원에 의한 SLM의 조명(illumination)을 중단 혹은 일시 중지하거나 조명의 매개 변수를 변경하는 단계를 수행하는 단계를 포함할 수 있거나/있고, 그것은 광원과 관찰자 사이의 홀로그래픽 프로젝터 내에 광 경로를 따라 하나 이상의 배리어들 또는 셔터들을 활성화하는 것을 포함할 수 있다.
상기 측면들 중 임의의 것에 따른 홀로그래픽 프로젝터는 LIDAR(light detection and ranging) 시스템 내에 포함될 수 있다.
상기 측면들 중 임의의 것에 따른 방법은 컴퓨터-구현 방법일 수 있다.
데이터 프로세싱 장치에 의해 실행될 때, 데이터 프로세싱 장치로 하여금 상기 측면들 중 임의의 것에 따른 방법을 수행하게하는 명령어들을 포함하는 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다.
상기 측면에 따른 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체가 제공될 수 있다.
용어 "홀로그램(hologram)"은 객체에 대한 진폭 정보 혹은 위상 정보 또는 이들의 일부 조합을 포함하는 레코딩(recoding)을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "홀로그래픽 재구성 holographic reconstruction)"은 홀로그램을 조사하여 형성된 객체의 광학적 재구성을 지칭하는 데 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템은, 홀로그래픽 재구성이 실제 이미지이고 홀로그램으로부터 공간적으로 분리되기 때문에, "홀로그래픽 프로젝터(holographic projector)"로서 설명된다. 용어 "재생 필드 (replay field)"는 홀로그래픽 재구성이 형성되고 완전히 포커스되는 2D 영역(2D area)을 지칭하는 데 사용된다. 홀로그램이 픽셀들을 포함하는 공간 광 변조기 상에 디스플레이되면, 재생 필드는 복수의 회절 차수(diffracted order)의 형태로 반복될 것이며, 여기서 각각의 회절된 차수는 0 차 재생 필드(zeroth-order replay field)의 복제물이다. 0 차 재생 필드는 가장 밝은 재생 필드이기 때문에 선호 혹은 일차적인 재생 필드에 일반적으로 해당한다. 달리 명시되지 않는 한, "재생 필드"라는 용어는 0 차 재생 필드를 가리키는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "재생 평면(replay plane)" 는 모든 재생 필드들을 포함하는 공간의 평면을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "이미지(image)", "재생 이미지(replay image)" 및 "이미지 영역(image region)"은 홀로그래픽 재구성의 광(light)에 의해 비춰지는 재생 필드의 영역들을 지칭한다. 일부 실시예에서, "이미지"는 "이미지 스팟들(image spots)" 또는 편의상 "이미지 픽셀들(image pixels)"로 지칭될 수 있는 개별적인 스팟들을 포함할 수 있다.
용어 "인코딩(encoding)", "쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"은 각각의 픽셀의 변조 레벨을 결정하는 각각의 복수의 제어 값들을 SLM의 복수의 픽셀들에게 제공하는 프로세스를 기술하는 데 사용된다. SLM의 픽셀은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "디스플레이(display) "하도록 구성된다고 말할 수 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "디스플레이"한다고 말할 수 있고 홀로그램은 광 변조 값들 혹은 레벨들의 어레이로 간주될 수 있다.
수용 가능한 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래의 객체의 푸리에 변환과 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 레코딩은 위상-한정 홀로그램(phase-only hologram)으로 지칭될 수 있다. 실시예들은 위상-한정 홀로그램에 관한 것이지만, 본 개시는 진폭-한정 홀로그래피(amplitude-only holography)에도 동일하게 적용될 수 있다. 본 개시는 또한 원래의 객체의 푸리에 변환과 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는 데에도 동일하게 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이것은 원래의 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램(fully complex hologram)을 사용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램이라고 지칭될 수 있다. 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 모두 갖는 복소수로 표현될 수 있다. 일부 실시예에서, 완전-복소 컴퓨터-생성 홀로그램(fully-complex computer-generated hologram)이 계산된다.
컴퓨터-생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 픽셀들의 위상 값, 위상 성분, 위상 정보 또는, 단순히, 위상이 "위상-지연(phase-delay)"의 약어로 참조될 수 있다. 즉, 설명된 모든 위상 값은, 실제로는, 해당 픽셀이 제공하는 위상 지연(phase retardation)의 양을 나타내는 (예컨대, 0 내지 2π 범위의) 숫자이다. 예를 들어, 위상 값이 π/2 인 것으로 설명된 공간 광 변조기의 픽셀은 수신된 광의 위상을 π/2 라디안만큼 지연시킨다. 일부 실시예에서, 공간 광 변조기의 각 픽셀은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들) 중 하나로 작동 가능하다. 용어 "그레이 레벨(grey level)"은 복수의 이용 가능한 변조 레벨들을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 용어 "그레이 레벨"은 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 음영들을 제공하지 않더라도 위상-한정 변조기에서 복수의 이용 가능한 위상 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다. 용어 "그레이 레벨"은 또한 복소 변조기에서 이용 가능한 복수의 복소 변조 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다.
따라서 홀로그램은 그레이 레벨들의 어레이를 - 즉, 위상-지연 값들 또는 복소 변조 값들의 어레이와 같은 광 변조 값들의 어레이를 - 포함한다. 또한 홀로그램은, 공간 광 변조기에 디스플레이될 때 그리고 공간 광 변조기의 픽셀 피치(pixel picth)에 필적하는, - 일반적으로 그보다는 작은 - 파장을 갖는 광으로 조사될 때, 회절을 유발하는 패턴이기 때문에, 회절 패턴으로 간주된다. 홀로그램을 렌즈 또는 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴들과 같은 다른 회절 패턴들과 결합하는 것이 본 명세서에 참조된다. 예를 들어, 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴이 재생 평면 상에 재생 필드를 변환하도록 홀로그램과 결합되거나, 렌즈로 기능하는 회절 패턴이 근거리 필드(near field)의 재생 평면 상에 홀로그래픽 재구성을 포커스하도록 홀로그램과 결합될 수 있다.
다양한 실시예들 및 실시예들의 그룹이 후술되는 상세한 설명에서 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합(combination)과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징의 모든 가능한 조합 및 순열(permutation)이 고려된다.
도 1은 스크린상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사형 SLM을 보이는 개략도이다.
도 2A는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 첫 번째 반복을 도시한다.
도 2B는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복들을 도시한다.
도 2C는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 대안적인 두 번째 및 후속 반복들을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는, LIDAR 시스템의 일부로 사용될 수 있는, 광원 시스템 또는 홀로그래픽 프로젝터의 개략도이다.
도 5는 LIDAR 시스템의 일부로 사용될 수 있는 광 검출기 시스템의 개략도이다.
도 6은 LIDAR 시스템의 일부로서 사용될 수 있는 결합된 광원 및 검출기 시스템의 개략도이다.
도 7A 및 7B는 실시예들에 따른 개선된 홀로그래픽 LIDAR 시스템을 도시한다.
도 8A는 제1 격자 위치에서 홀로그래픽 재구성을 도시한다.
도 8B는 제4 격자 위치에서 도 8A의 홀로그래픽 재구성을 도시한다.
도 8C는 제13 격자 위치에서 도 8A의 홀로그래픽 재구성을 도시한다.
도 8D는 제16 격자 위치에서 도 8A의 홀로그래픽 재구성을 도시한다.
도 8E는 복수의 격자 위치들에서 도 8A의 홀로그래픽 재구성을 검출하도록 구성된, 4 개의 각각의 광 검출기들로부터의 기대 신호들을 도시한다.
도 9는 실시예들에 따른 개선된 LIDAR 시스템을 위한 보호(safeguarding) 방법의 개략적인 표현을 도시한다.
도 10A는 추가 실시예들에 따른 개선된 LIDAR 시스템을 위한 제 1 배치예를 도시한다.
도 10B는 추가 실시예들에 따른 개선된 LIDAR 시스템을 위한 제 2 배치예를 도시한다.
도 10C는 추가 실시예들에 따른 개선된 LIDAR 시스템을 위한 제 3 배치예를 도시한다.
도 11은 일부 실시예들에 따른 한 쌍의 평행 거울들을 포함하는 도파관 동공 확장기(waveguide pupil expander)를 도시한다.
도 12는 다른 실시예들에 따른 투명 재료의 광학 슬래브(optical slab)를 포함하는 도파관 동공 확장기를 도시한다.
도 13은 중간 홀로그래픽 재생 스크린 및 도파관 동공 확장기를 포함하는 간접 뷰 홀로그래픽 시스템을 도시한다.
도 14는 도파관 동공 확장기를 포함하는 직접 뷰 홀로그래픽 시스템을 도시한다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다.
본 발명은 다음에 설명되는 실시예들에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 연장한다. 즉, 본 발명은 다른 형태들로 실시될 수 있으며 설명의 목적으로 제시된 기재된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
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 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.
본 명세서에서 다양한 요소들을 설명하기 위해 "제1", "제2" 등의 용어가 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 청구범위를 벗어남 없이 제1요소로 지칭될 수 있다.
상이한 실시예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양한 형태로 서로 상호 작용할 수 있다. 일부 실시예들은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 서로 연계되어 함께 수행될 수도 있다.
광학 구성
도 1은 컴퓨터-생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기에서 인코딩되는 실시예를 도시한다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 할 수 있다. 본 실시예에서, 공간 광 변조기는 반사형의 액정-온-실리콘 (liquid crystal on silicon: "LCOS") 장치이다. 홀로그램은 공간 광 변조기에서 인코딩 되고 홀로그래픽 재구성은 재생 필드, 예컨대 스크린 또는 디퓨저(diffuser)와 같은 수광 표면(light receiving surface)에 형성된다.
예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅 렌즈(collimating lens, 111)를 통해 SLM(140)을 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 도 1에서, 파면의 방향은 (예컨대, 투명층의 평면에 대해 완전 수직으로부터 2도 또는 3도 정도 떨어진) 오프-노멀(off-normal)하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 전체적으로 평면인 파면은 법선 방향으로 입사되고, 입력 및 출력 광경로들을 분리하기 위한 빔 스플리터 배치(beam splitter arrangement)가 사용된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 미러형 후방 표면(mirrored rear surface)에 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 관여한다. 재생 필드의 특정 지점들 (또는 이미지 픽셀들)과 특정 광-변조 요소들 (또는 홀로그램 픽셀들) 사이에는 일대일 상관 관계가 없다. 다르게 표현하면, 광-변조 층을 나가는 변조된 광은 재생 필드에 분포된다.
이러한 실시예들에서, 공간에서 홀로그래픽 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절(포커싱) 파워(dioptric(focusing) 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. 어떤 렌즈라도 푸리에 변환 렌즈 역할을 할 수 있지만, 수행되는 푸리에 변환의 정확도는 렌즈의 성능에 좌우된다. 통상의 기술자라면 렌즈를 사용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해할 수 있다.
홀로그램 계산
일부 실시예에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에-기반 홀로그램이며, 여기서 이미지는 포지티브 렌즈의 푸리에 변환 특성을 이용하여 원거리 장(far field)에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 재생 평면에서 원하는 광 필드(light field)를 푸리에 변환하여 렌즈 평면에 오도록 계산된다. 컴퓨터-생성 푸리에 홀로그램은 푸리에 변환을 사용하여 계산될 수 있다.
푸리에 변환 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하여 계산될 수 있다. 더욱이, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 공간 도메인(예컨대, 사진)의 진폭-한정 정보로부터 푸리에 도메인의 홀로그램(즉, 푸리에 변환 홀로그램)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 객체와 관련된 위상 정보는 공간 도메인에서 진폭-한정 정보로부터 효과적으로 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘 또는 그 변형 알고리즘을 이용해 진폭-한정 정보로부터 계산된다.
Gerchberg Saxton 알고리즘은 평면 A 및 B에서 각각의 광빔(light beam) IA(x, y) 및 IB(x, y)의 강도 단면(intensity cross-section)들이 알려져 있고, IA (x, y) 및 IB(x, y)가 단일 푸리에 변환에 의해 연관되는 상황을 고려한다. 주어진 강도 단면에 대해, 평면 A 및 B에서의 각각의 위상 분포에 대한 근사치인 ΨA(x, y) 및 ΨB(x, y) 가 구해진다. Gerchberg-Saxton 알고리즘은 반복 프로세스를 따름으로써 이 문제에 대한 솔루션을 찾는다. 더 구체적으로, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 공간 도메인과 푸리에(스펙트럼 또는 주파수) 도메인 사이에서 IA(x, y) 및 IB(x, y)를 나타내는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전달하면서 공간 제한(constraint) 및 스펙트럼 제한을 반복적으로 적용한다. 스펙트럼 영역에서 상응하는 컴퓨터-생성 홀로그램은 알고리즘의 적어도 1 회 이상의 반복을 통해 얻어진다. 알고리즘은 입력 이미지를 나타내는 홀로그램을 생성하도록 구성되고 수렴된다. 홀로그램은 진폭 전용 홀로그램(amplitude-only hologram), 위상 전용 홀로그램(phase-only hologram) 또는 완전 복소 홀로그램(fully complex hologram) 일 수 있다.
일부 실시예에서, 위상-한정 홀로그램은 영국 특허 제2,498,170호 또는 제2,501,112호에 기술된 바와 같은 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초한 알고리즘을 사용하여 계산되며, 이 특허들은 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다. 그러나, 여기에 개시된 실시예는 단지 예시로서 위상-한정 홀로그램을 계산하는 것을 설명한다. 이들 실시예에서, Gerchberg-Saxton 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 실시예에서, 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 실시예에서, Gerchberg-Saxton 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 실시예에서, 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 실시예에서, 복소 데이터의 2개의 성분은 알고리즘의 다양한 단계에서 다르게 처리된다.
도 2A는 위상-한정 홀로그램을 계산하기 위한 일부 실시예에 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 실시예에서, 홀로그램(280A)은 위상-한정 홀로그램이다. 이들 실시예에서, 제2프로세싱 블록(253)은 각각의 위상 값을 양자화하고 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 각 진폭 값을 1로 설정한다. 각 위상 값은 위상-한정 홀로그램을 "표시"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 실시예에서, 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 실시예에서, 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 실시예에서, 알고리즘은 이 시점에서 정지한다.
그러나, 다른 실시예에서, 알고리즘은 도 2A의 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 계속된다. 즉, 도 2A의 점선 화살표를 따르는 단계는 선택적이다(즉, 모든 실시예에 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 실시예들에서, 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 실시예들에서, 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 실시예에서, 수행된 알고리즘의 반복 횟수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자 정의된다.
도 2B는 알고리즘의 두 번째 반복 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, 두 번째 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 두 번째 및 후속 반복의 대안적인 실시예를 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 실시예에서, 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.
[수학식 1]
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 실시예에서, 이득 계수 α는 입력 목표 이미지 데이터의 크기 및 속도(rate)에 기초하여 결정된다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 반복 횟수에 의존한다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 단지 반복 횟수의 함수이다.
도 2C의 실시예는 다른 모든 면에서 도 2A 및 도 2B의 실시예와 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 표시되면서 광이 조사될 때, 렌즈화 데이터(lensing data)는 물리적인 렌즈를 모방(emulate)하는데, 즉, 렌즈화 데이터는 이에 상응하는 물리적인 광학 장치와 동일한 방식으로 광의 초점을 맞춘다. 따라서 렌즈화 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 광경로 길이는 렌즈 가장자리에서의 광경로 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, 렌즈화 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 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성이 파-필드(far-field)에서 발생하도록 푸리에 변환 렌즈는 모두 생략된다. 다른 실시예에서, 홀로그램은 그레이팅(grating) 데이터, 즉 이미지 스티어링(image steering)과 같은 그레이팅의 기능을 수행하도록 형성된 데이터를 포함할 수 있다. 다시, 당해 분야에서 그러한 데이터를 계산하는 방법은 알려져 있다. 예를 들어, 위상-한정 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 스티어링(angular steering)을 제공할 수 있다. 렌즈 및/또는 스터어링을 제공하는 제 2 데이터는 이미지 형성 기능 또는 이미지 형성 패턴으로 지칭될 수 있는 홀로그램 데이터와 구별하기 위해 광 처리 기능 또는 광 처리 패턴으로 지칭될 수 있다.
일부 실시예에서, 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 실시예에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시예에서, 이미지 데이터는 일련의 이미지 프레임을 포함하는 비디오이다. 다른 실시예에서, 홀로그램은 사전 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되며, SLM 상에 디스플레이하기 위해 필요에 따라 호출된다. 즉, 일부 실시예에서, 소정의 홀로그램의 저장소가 제공된다.
실시예는 단지 예시로서 푸리에 홀로그래피 및 Gerchberg-Saxton 유형의 알고리즘들에 관한 것이다. 본 개시는 유사한 방법으로 계산될 수 있는 프레넬 홀로그래피 및 프레넬 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다. 본 개시는 또한 포인트 클라우드 방법에 기초한 것과 같은 다른 기술에 의해 계산된 프레넬 홀로그래피 및 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 레벨들로부터 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 발명은 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 조광하는 것은 다른 액정 장치의 큰 개구를 조광하는 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 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)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.
정사각형 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 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). 그러나, 본 발명의 개시 내용은 투과형 LCOS SLM을 사용하여 동일하게 구현될 수 있다.
'LIDAR'또는 LiDAR'(Light Detection and Ranging) 시스템
여기에 설명된 것과 같은 홀로그래픽 컴포넌트들과 기술들은 LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템의 기초를 형성하는 데 사용될 수 있다는 것이 이미 개시되었다. 통상의 기술자는, 일반적으로, LIDAR가 펄스 레이저 광으로 대상을 조명(illuminating)하고 센서 혹은 검출기를 이용하여 대상으로부터 반사되는 광과 관련된 파라미터를 측정하여 대상까지의 거리를 측정할 수 있는 배치 및 방법을 기술한다는 것을 알고 있을 것이다. 예를 들어, 반사된 광의 복귀 시간(return times)이 측정될 수 있으며, 장면 또는 장면 내 대상의 3 차원(3D) 표현과 같은, 표현을 형성하는 데 사용될 수 있다.
WO2019/224052는 LIDAR 시스템의 일부로서 대상(또는 장면 혹은 평면)을 관찰하거나 조사(interrogate)하기 위해, 소위 '구조화된 광(structured light)'을 사용하여, 대상, 장면 또는 평면을 조명(illuminate)하는 데 사용되는 홀로그래픽 프로젝터를 개시한다. 예를 들어, 구조화된 광은 특정 형태(form) 및/또는 모양(shape) 및/또는 패턴(pattern)을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다. 구조화된 광의 패턴은, 홀로그래픽 프로젝터 내에서, 공간 광 변조기에 의해 디스플레이되고 레이저 광원에 의해 조명되는 홀로그램으로부터 발생한다. 홀로그래픽 프로젝터는 대상에 형성되는 구조화된 광 패턴을 동적으로 변화시키기 위해 복수의 상이한 홀로그램들을 순차적으로(즉, 하나씩) 조명하도록 배치될 수 있다.
LIDAR는 본 명세서의 도 4 내지 도 6 그리고 다음 설명을 참조하여 추가로 이해될 수 있다.
도 4는, 단지 예로서, 구조화된 광 패턴을 프로젝트하도록 배열된 광원 시스템 또는 '홀로그래픽 프로젝터'를 보여준다. 광원 시스템은 홀로그램을 디스플레이하도록 구성된 픽셀들의 어레이를 포함하는 공간 광 변조기(spatial light modulator: SLM; 402)를 포함한다. 도 4에서, SLM(402)은 픽셀들의 5 x 5 어레이(즉, 총 25개의 픽셀들)를 갖는 것으로 도시되어 있지만 이것은 단지 예시일 뿐이며 픽셀들의 수와 배치가 도시된 특정 예와는 다를 수 있다고 이해될 것이다.
도 4에는 프로젝션 렌즈(404)도 있으며, 이 렌즈(404)를 통해 광이 SLM(402)으로부터 재생 필드(406)를 향해 이동한다. 재생 필드(406)는, 예를 들어, 스크린 또는 디퓨저와 같은 수광 표면(light receiving surface)을 포함할 수 있다. 재생 필드(406)는, 예를 들어, 현실 세계의 대상 객체 또는 장면을 포함할 수 있다. 광원 시스템은 현실세계의 대상 객체 또는 장면을 조사(interrogate) 혹은 관찰하고/하거나, 이와 관련하여 하나 이상의 측정 값을 얻고/얻거나, 현실 세계의 대상 또는 장면 내의 하나 이상의 특징들의 목표 조명(target illumination)을 제공하도록 배치될 수 있다.
SLM(402)은, 홀로그램을 조사(irradiate)하기 위해, 레이저 다이오드와 같은 광원 (미도시)으로부터 광을 수신하도록 배치된다. 이 예에서의 홀로그램은 컴퓨터-생성 홀로그램이다. SLM(402)은 적절한 제어기(도시 되지 않음)로부터 컴퓨터-생성 홀로그램을 수신하고 컴퓨터-생성 홀로그램으로 인코딩되도록 구성된다. SLM(402)은 복수의 상이한 컴퓨터-생성 홀로그램들을 수신하고, 상이한 각각의 시간에 디스플레이하기 위해 이들 홀로그램을 저장하거나 그렇지 않으면 이들 홀로그램에 액세스하도록 배치될 수 있다.
도 4에는 도시되지 않았지만, 홀로그래픽 재생 필드에, 조사된 홀로그램(irradiated hologram)의 홀로그래픽 재구성을 형성하기 위해, 푸리에 변환 (Fourier Transform: FT) 렌즈가 광원 시스템에 포함될 수 있다. '홀로그래픽 재생 필드'는, 대응하는 홀로그램을 조사(irradiation)할 때, 원하는 광 패턴의 홀로그래픽 재구성이 형성되는 ('홀로그래픽 재생 평면'내의) 2 차원 구역이다. 이러한 FT 렌즈는 물리적 렌즈(도 4에 표시되지 않음) 또는 SLM에 형성된 소프트웨어 렌즈 또는 소프트웨어 렌즈와 물리적 렌즈의 조합일 수 있다. 통상의 기술자는 홀로그램의 홀로그래픽 재구성을 형성하는 FT 렌즈와 그 역할에 익숙할 것이므로 이 특징에 대한 추가 설명은 여기에 제시되지 않는다.
몇몇 배치예에서, 조사된(irradiated) 홀로그램의 홀로그래픽 재구성은, SLM(402)과 프로젝션 렌즈(404) 사이에 위치하는 중간 홀로그래픽 재생 필드(408)의 자유 공간에서와 같이, SLM(402)의 하류쪽(downstream)에 형성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 프로젝션 렌즈(404)는 중간 홀로그래픽 재생 필드(408)의 이미지를 형성하고, 이를 광 검출 및 거리 측정에 사용되는 홀로그래픽 재생 필드(406)상에 프로젝트(project)한다. 그러므로 홀로그래픽 재생 필드(406)는 실제로 프로젝션 렌즈(402)에 의해 형성된 중간 홀로그래픽 재생 필드(408)의 이미지라는 것이 이해될 것이다. 일부 실시예에서, 프로젝션 렌즈(402)에 의해 형성된 홀로그래픽 재생 필드(406)의 이미지는 중간 홀로그래픽 재생 필드(408)의 확대된 이미지일 수 있다. 이러한 배치에서, 용어 "재생 필드"는 일반적으로 중간 홀로그래픽 재생 필드(408)의 이미지를 지칭하는 데 사용되며, 이는 그것이 실제로 사용되는 재생 필드이기 때문이다.
일부 다른 배치에서, 프로젝션 렌즈(404)는 SLM(402) 상에 디스플레이된 홀로그램의 (광학적) 푸리에 변환에 기여하고, 따라서 홀로그래픽 재생 필드는 SLM(402) 및 프로젝션 렌즈(404) 모두의 하류쪽(downstream)에 위치한다.
도 4의 시스템에서, 재생 필드(406)는 복수의 개별 광 구역들을 포함한다 - 이 예에서, 4 개의 개별 광 구역들이 있지만, 개별 광 구역들의 개수가 도시된 예와 다를 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 4의 홀로그램의 조사(irradiation)는, 이 예에서, 재생 필드 (406)의 4 개의 개별 광 구역들 각각에 하나씩, 4 개의 개별 광 스팟들을 포함하는 홀로그래픽 재구성(및 홀로그래픽 재구성의 이미지)을 초래한다. 이러한 광 패턴은 재생 필드(406)의 대응하는 복수의 개별 구역들(또는 하위-구역들)에 광을 제공하는 복수의 개별 광 특징들 또는 하위-풋프린트를 포함하기 때문에 소위 '구조화된 광'으로 간주된다. 어두운 구역들에 의해 분리된, 광 스팟들과 같은, 개별 광 특징들의 임의의 패턴이 형성될 수 있고 각 광 피쳐 또는 스팟의 밝기가, 주어진 시간에, SLM(402)상에 적절한 각각의 홀로그램의 선택 및 조사(irradiation)에 기초하여 개별적으로 조정(tuned)될 수 있다.
도 4에서, 4 개의 개별(discrete) 광 스팟들은 재생 필드(406)의 각각의 개별 광 구역들 내에서 고정된 위치들에 있는 것으로 도시되어 있다. 일부 배치에서, 광 스팟들(또는 다른 광 형상들)이 제 위치에 고정되어 있지 않을 수 있지만, 예를 들어 소프트웨어 그레이팅을 사용하여, 각 구역들 주위에서 이동되거나 스캔될 수 있다. 이는 본 명세서의 뒷부분에서 후속 도면들과 관련하여 더 자세히 설명된다.
도 4에 도시된 예에서, 홀로그램의 픽셀들과 재생 필드(406)의 광 특징들(또는 이산 광 구역들(discrete light areas)) 사이에 일대일 상관 관계가 없다. 대신, 모든 홀로그램 픽셀들이 재생 필드(406)의 모든 구역들(areas)에 기여한다. 재생 필드 내의 구조화된 광 패턴은 장면을 조사하는 데에, 예를 들어 장면의 정확한 이미지 또는 모델 (또는 일련의 이미지들 또는 모델들)을 형성하는 것을 돕고 /하거나 장면의 측정을 만드는 데에, 사용될 수 있다.
광원 시스템(또는 홀로그래픽 프로젝터)이 구조화된 광을 지향하도록 하는 장면은 평면형(planar)이 아닐 수 있지만 깊이를 가질 수 있다. 따라서 홀로그래픽 프로젝터는, 재생 필드(406) 및 홀로그래픽 재생 평면의 정확한 위치를 변경하기 위해 그 동작 파라미터들을 동적으로 조정하여, 장면 내에서 상이한 각각의 깊이들을 탐색하도록 구성될 수 있다. 임의의 주어진 시간에, 관심 평면상의 구조화된 광 패턴의 초점을 유지하기 위해, 렌즈 기능이 홀로그램(402)에 추가될 수 있다. 일부 경우에, 홀로그래픽 재생 필드는 그 자체가 평면형이 아닐 수 있으며, 따라서 홀로그래픽 재생 필드는 동일한 3D 재구성(또는 이미지) 내에서 상이한 각각의 깊이들에 포커스되도록 배열된 광 스팟을 포함할 수 있다. 광원 시스템(또는 홀로그래픽 프로젝터)은, 주어진 시간에, 탐색되는 임의의 관심 평면에 대해, 필드의 고유 깊이(inherent depth) 또는 초점 깊이(focus)를 갖도록 보장하기 위해 렌즈 또는 기타 적절한 광학계(optics)를 포함할 수 있다.
홀로그래픽 프로젝터의 SLM(및 홀로그램)과 관심 평면 사이의 거리는 '측정거리(range)'라고 지칭될 수 있다. 범위는 SLM(및 홀로그램)의 중심과 0 차 재생 필드의 중심을 연결하는 (가상의) 선을 따라 측정될 수 있다. 이 선은 '프로젝션 축'이라고 지칭될 수 있다. 따라서, 도 4의 홀로그래픽 프로젝터는 프로젝션 축을 따라 측정거리를 바꾸기 위해 (예를 들어, 렌즈 기능 또는 복수의 렌즈 기능들을 사용하여) 제어될 수 있고, 그리하여 대상 또는 장면과 함께 복수의 평면들 및 여러 깊이들을 관찰하는 것이 가능하게 할 수 있다. 이는 후속 도면들과 관련하여 아래에서 추가로 논의된다.
도 5는 광 검출기(502) 및 이미징 렌즈(504)를 포함하는 광 검출기 시스템을 도시한다. 광 검출기 (502)는 어레이로 배열된 복수의 개별적인 광 검출 소자들을 포함한다. 도 5에 도시된 예에는 4 개의 광 검출 소자들이 있으며, 이러한 광 검출 소자들은 각각 1에서 4까지 번호가 매겨져 있다. 통상의 기술자는 이러한 광 검출 소자의 개수가 단지 예시일 뿐이며, 어레이의 다른 크기들 및 배열들 그리고 다른 개수의 광 검출 소자들이 고려될 수 있다고 이해할 것이다.
광 검출기(502)는, 예를 들어, CCD(charge-coupled device) 소자들의 어레이를 포함하는 CCD 카메라를 포함할 수 있다. 대안적으로, 광 검출기(502)는 단일 광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode; SPAD) 소자들의 어레이를 포함하는 SPAD 어레이일 수 있다.
광 검출기(502)는 조사될(interrogated) 또는 관찰될 대상 또는 장면(506)으로부터 반사된 광을 수신하도록 배열된다. 관찰된 장면(506)으로부터의 광은 이미징 렌즈(504)를 통해 광 검출기(502)를 향해 이동한다.
광 검출기(502)는 적합한 제어기를 포함할 수 있거나 이에 통신적으로 결합될 수 있다. 제어기는, 후속 도면들과 관련하여 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 관찰된 장면(506)의 측정을 획득하거나 이와 관련된 다른 판단들을 하기 위해 광 검출기(502)로부터의 광 검출 신호들을 처리하도록 구성될 수 있다.
도 5의 배치예에서, 관찰된 장면(506)은 A, B, C 및 D로 라벨링된 객체들을 포함한다. 도 5에서 광 검출기(502)의 각각의 개별 광 검출 소자(1, 2, 3, 4)는 관찰된 장면(506) 내 하나씩 대응하는 객체(A, B, C, D)로부터 광을 수신하도록 배열된다. 도 5의 예에서 각각의 광 검출 소자는 오직 대응하는 객체로부터 광을 수신하여 관찰된 장면 (506) 내의 '다른' 객체들로부터는 광을 수신하지 않도록 배열된다. 즉, 광 검출기 시스템의 광학계(optics)는, 예를 들어, 소자 1은 객체 A로부터만 광을 수신하고, 소자 2는 객체 B로부터만 광을 수신하고, 소자 3은 객체 C로부터만 광을 수신하고, 소자 4는 객체 D로부터만 광을 수신하도록 배열된다. 따라서, 광 검출 소자들과 객체들은, 각각 상이한 크기를 가질 수는 있으나, 관찰된 장면(506) 내에서 개별 광 검출 소자(1, 2, 3, 4)와 그에 대응하는 객체(A, B, C, D) 사이에 일대일 상관 관계가 있다고 볼 수 있다. 대안적으로, 소자 4는 객체 A로부터만 광을 수신할 수 있고, 소자 3은 객체 B로부터만 광을 수신할 수 있으며, 소자 2는 객체 C로부터만 광을 수신할 수 있으며, 소자 1은 객체 D로부터만 광을 수신할 수 있다.
A, B, C 및 D가 도 5에서 특정 기하학적 형상(입방체)으로 표현되었지만, 이것은 단지 예시일 뿐이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 실제로, 광 검출기(502)의 개별 광 검출 소자(1, 2, 3, 4)는, 광 검출기(502)를 향해 광이 반사되는, 장면 또는 대상의 각자의 영역들 또는 구역들(또는 하위-영역들 또는 하위-구역들)과 일대일 상관 관계를 갖도록 구성될 수 있다. 따라서 광 검출 소자들은, 주어진 시간에, 장면의 대응하는 영역들에 존재하는 어떤 객체(들) 또는 형상(들) 또는 존재(들)로부터라도 반사 광을 수신하도록 구성될 수 있다. 본 개시에서 간결성을 위해, 주어진 시간에 장면의 특정 영역에 존재하는 것은 무엇이든 "객체"로 지칭된다. 통상의 기술자는 각 "객체"가 실제로 동일한 객체(예컨대, 자동차 또는 나무)의 다른 구역일 수 있다고 이해할 것이다.
본 개시에 따르면, 각각의 광 검출 소자(1, 2, 3, 4)는 장면의 각자의 또는 대응하는 개별 시야(각각 A, B, C, D)를 갖는다고 볼 수 있다. 예를 들어, 도 5의 광 검출 소자 번호 1의 개별 시야는 개별 시야 A 내의 객체로부터 반사된 광을 검출하는 것을 가능하게 하지만, 개별 시야 B, C 또는 D 내의 객체로부터 반사된 광을 검출하는 것을 가능하게 하지는 않는다. 일부 실시예에서, 개별 시야들(예를 들어, A, B, C, D)은 겹치지 않는다. 실시예들에서, 개별 시야들은 집합적으로 장면의 한 구역의 실질적으로 연속적인 커버리지를 제공한다. 그러나, 통상의 기술자는, 실제에서, 광이 시스템에 의해 검출될 수 없는 개별 시야들 사이의 "데드 존(dead zone)들"이 있을 수 있음을 이해할 것이다. 통상의 기술자는 이미징 렌즈(504)가 각 광 검출 소자(1, 2, 3, 4)와 개별 시야(A, B, C, D) 사이의 일대일 상관 관계를 형성하는 역할을 어떻게 수행하는지 이해할 것이다. 이미징 렌즈를 설계하는 방법과, 시스템의 작동 파라미터들에 따라 여러 가지 이미징 렌즈들을 사용할 수 있다는 것은 이미징 분야에서 알려져 있다. 통상의 기술자는 또한 이미징 렌즈(504)가 도 5의 각각의 "객체"(A, B, C, D)의 광 검출 및 거리 측정이 동시에 수행될 수 있도록 하는 필드의 깊이(depth of field)를 제공한다는 것을 이해할 것이다. 즉, 본 개시에서 언급된 "측정거리(range)"는 허용오차(tolerance)를 포함한다 - 예를 들어, 측정거리는 100 +/- 2 미터일 수 있으며, 여기서 +/- 2 미터는 필드의 깊이를 반영한다. 이 예는 예시 적이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다 - 다른 크기의 범위 및 다른 필드의 깊이가 고려된다. 의심을 피하기 위해, 이미징 렌즈 (504)에 의해 제공되는 필드의 깊이 때문에 도 5에 도시된 4 개의 "객체들" (A, B, C, D)와 관련하여 광 검출 및 거리 측정을 수행하기 위해서는 예를 들어 소프트웨어 렌즈의 지속적인 조정이 요구되지 않는다.
통상의 기술자는 관찰된 장면(506) 내에서 개별 광 검출 소자와 그에 대응하는 개별 시야 사이의 일대일 상관 관계를 제공하는 데에 다양한 유형의 광학 시스템이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 실시예들에서, 광학 시스템은 (카메라에서와 같이) 단일 렌즈, 또는 각 마이크로-렌즈가 개별 검출기와 연관되는 마이크로-렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 그러나 광 센싱 소자들의 어레이를 포함하는 임의의 적절한 포토디텍터(photodetector)가 가능하며 이러한 목적으로 사용될 수 있다.
도 5에서, 라벨링된 모든 객체들(A, B, C, D)이 각각의 다른 객체들처럼 광 검출기(502)로부터 동일한 거리에 위치하지는 않음을 알 수 있다. 이 예에서 객체 C는 광 검출기(502)에 가장 가깝고, 객체 A 및 D는 광 검출기(502)로부터 서로 동일한 거리에서 다음으로 가장 가깝고, 객체 B는 광 검출기(502)로부터 가장 먼 거리에 있다. 광 검출기(502) 및/또는 광 검출기(502)에 통신적으로 결합되는 제어기(도 5에 도시 되지 않음)는 관찰된 장면 내의 하나 이상의 객체들의 상이한 각자의 깊이들을 책임지도록(account for) 구성될 수 있다. 이것은 예를 들어 본원 출원인에 의해 출원되고, 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되는, 영국특허출원 제2002276.0호에서 논의된다. 그러나, 위 특허출원에 제시된 방법들은 본 개시의 주요 초점이 아니므로 여기에서 반복하지 않는다.
도 6은 홀로그래픽 프로젝터(또는 광원)와 광 검출기를 포함하는 결합된 시스템을 도시하며, 이는 도 4 및 도 5에 도시된 홀로그래픽 프로젝터와 광 검출기 시스템과 유사하다. 홀로그래픽 프로젝터는 SLM(402)과 프로젝션 렌즈(404)를 포함한다. 홀로그래픽 프로젝터는 SLM (402)과 프로젝션 렌즈 (404) 사이의 자유 공간 (미도시)에서 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 배열된 푸리에 변환 렌즈 (미도시)를 더 포함한다. 전술한 바와 같이, 프로젝션 렌즈(404)는 '중간', 자유 공간, 홀로그래픽 재구성의 이미지를 형성한다. 그 이미지는 확대된 이미지 일 수 있으며, 장면 (506)에 투영된 중간 홀로그래픽 재구성의 구조화된 광 패턴을 포함한다. 또한 SLM(402)의 상류에 광원이 있으며, 도 6에 도시되지는 않았으나 이는SLM (402)을 향해 광을 전송하도록 배열된다. 광은 적용대상의 요구 사항에 따라 적외선 (IR), 가시 광선 또는 자외선 일 수 있다. LIDAR와 관련된 실시예에서, 광원은 적외선 일 수 있다. 헤드 업 디스플레이와 관련된 실시예에서, 광원은 가시광 일 수 있다.
도 6에서 SLM(402) 및 프로젝션 렌즈(404)는 중심 위치가 어긋나(decentered) 있다. 이는, 프로젝션 렌즈(404)로부터 관찰된 장면(506)을 향해 이동하는, 홀로그래픽 광의 콘(holographic light cone; 410)이, 장면(506)으로부터 이미징 렌즈(504) 및 광 검출기(502)을 향해 이동하는, 반사된 구조화된 광의 콘(reflected structured light cone; 510)과 부분적으로 겹칠 수 있도록 하기 위한 것이다.
도 6에서, SLM (402)을 지나서 프로젝션 렌즈 (404)를 통해 이동 한 홀로그램 광의 콘(cone) (410)은 관찰된 장면 (506)을 향해 이동하는 것으로 도시 되어있다. 광은, SLM (402) 상의 홀로그램에 의해 인코딩된 광을 포함하며 관찰된 장면(506)을 조명하는 구조화된 광 패턴을 형성하기 때문에, '홀로그램'인 것으로 기술된다. 이후 광은 광 검출기 (502)를 향해 장면으로부터 반사된다. 도 4와 관련하여 전술 한 바와 같이; SLM (402)은 상이한 각각의 시간에 복수의 홀로그램을 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 일부 배치예에서, SLM (402)은 홀로그램의 시퀀스(일련 또는 복수의 홀로그램)를 차례로 표시하도록 구성될 수 있으므로, 관찰된 장면 (506)에 여러 개의 서로 다른 구조화된 광 패턴이 차례로 형성된다.
위에서 논의된 도 5의 배치예의 경우와 같이, 관찰된 장면 (506)의 모든 라벨링된 요소 또는 '객체'가 광 검출기 (502)로부터 서로 동일한 거리에 위치하는 것은 아니다. 대신, 객체 C는 광 검출기 (502)에 가장 가깝고, 객체 A와 D는 광 검출기 (502)로부터 서로 동일한 거리에 있으며 다음으로 가장 가까운 거리에 있고, 객체 B는 광 검출기 (502)에서 가장 먼 거리에 있다. 프로젝션 렌즈(404)는 관찰된 장면 (506)에 형성되는 구조화된 광 패턴이 서로 동일평면 상에 있지 않더라도 객체 A, B, C 및 D 각각에 동시에 "초점"이 되도록 배열된다. 홀로그래픽 광 (410)은 관찰된 장면 (506) 내의 객체 A, B, C 및 D에 의해 반사되고 그 결과 반사광 (510)은 이미징 렌즈 (504)를 향해 그리고 광 검출기 (502)를 향해 이동한다. 앞서 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이, 도 6의 광 검출기 (502)는 관찰된 장면에서 객체 (A, B, C, D)와 일대일 상관 관계를 갖는 광 검출 소자들의 어레이를 포함한다. 상이한 객체의 각 개수와 배열을 갖는 다른 유형의 장면, 및 다른 어레이의 광 검출 소자를 갖는 광 검출기도 역시 고려될 수 있다.
도 6에 명시 적으로 도시 되지는 않았지만, 광 검출기 (502)의 광 검출 소자는, 반사된 광이 수신될 때, 관찰된 장면 (506)으로부터 광 검출기 (502)에서 각각 광 응답 신호를 출력하도록 배열될 수 있다. 통상의 기술자라면, 홀로그래픽 프로젝터로부터 온 구조화된 광 패턴은 "디스플레이 이벤트"의 시퀀스를 생성하기 위해 ON-OFF로 개폐될 수 있다고 이해할 것이다. 선택적으로, 각각의 디스플레이 이벤트는 상이한 홀로그램에 대응될 수 있고 이에 따라 상이한 구조화된 광 패턴에 대응될 수 있다. 홀로그래픽 프로젝터로부터 온 ON-OFF 개폐식 구조화된 광 패턴은 광 검출기 (502)로부터 출력되는 광 응답 신호의 스위칭을 야기할 수 있다. 광 응답 신호는 계산에 사용하기 위해 및/또는 저장 또는 표시 목적으로 프로세서 또는 제어기로 전송될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 대응하는 광 감지 요소에 의해 출력되는 광 응답 신호를 기초로, 관찰된 장면 (506) 내에서 각 객체 (A, B, C, D)로 및/또는 각 객체 (A, B, C, D)로부터 이동하는 광에 대해 비행시간(Time of Flight; "TOF") 값이 계산될 수 있다.
따라서 도 6의 배치는, 장면을 스캔하거나 조사(survey)하도록 배열될 수 있는, 광 검출 및 거리 측정("LIDAR") 시스템의 일부로 제공될 수 있다.
다른 많은 레이저 기반 응용 프로그램과 마찬가지로 홀로그래픽 프로젝터에서 안전은 중요한 고려 사항이다. 홀로그래픽 프로젝터 시스템 내에서 레이저에 의해 방출되는 전력은 일반적으로 "접근 가능한 방출 제한"(Accessible Emission Limit; "AEL")과 같은 미리 결정된 안전 제한 내에 있도록 제어 되어야한다. 이는 시스템 내 장비가 안전 작동 수준인 것을 보장하고 임의의 사용자들 또는 다른 관찰자들의 눈의 안전을 보장하기 위한 것이다. LIDAR 시스템과 같은 특정 시스템에서, 예를 들어, 관찰자 (차량 운전자)가 레이저 광원에 의해 조사되는 공간 광 변조기 (SLM)를 실제로 직접 관찰하는 차량 내부에 구비되는 직접관찰형 헤드 업 디스플레이 (HUD)에서, 레이저는, 운전자가 조명된 SLM에 의해 '현혹되지(dazzled)' 않도록 레이저를 추가로 제어하여 안전하게 운전할 수 있다.
홀로그래픽 프로젝터 시스템의 잠재적인 안전 위험은 SLM의 위험이며, 이는, 예를 들어 위에 설명된 LCOS (Liquid Crystal on Silicon) SLM이 홀로그램을 올바르게 표시하지 못하여 조사된 레이저 광이 의도한 대로 배광되지 않을 수 있다. 예를 들어 SLM이 LCOS SLM이고 소프트웨어 렌즈를 적용하기 전에 모든 LCOS 픽셀에 균일한 위상을 제공하는 것에 오류가 생긴 경우, 이후, 마치 물리적인 렌즈처럼, 렌즈가 일 지점으로 균일하게 조명되도록 초점을 맞추기 때문에, 방출된 레이저가 단일 지점에 집중될 수 있다. 이러한 레이저 광의 밀도는, 일부 예시에서, 관찰자의 눈에 손상을 줄 수 있다. 따라서 레이저 안전에 관한 분류 규칙은 일반적으로 이러한 유형의 LCOS 오류와 같은 '스캐닝 시스템' 오류와 같은 경우에 대한 엔지니어링적인 제어를 요구한다.
통상의 기술자라면, 홀로그래픽 프로젝터 시스템에서 레이저 방출을 모니터링하고 제어하는 것이 안전상의 이유로 필요하지만 실제로는 사용자 관점에서 시스템의 효율성 및 원활한 작동과 균형을 이루어야 할 필요가 있다고 인식 할 것이다.
공지된 레이저 모니터링 기술이 있으며, 그중 일부는 홀로그래픽 프로젝터 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, WO2018 / 100395는 일차적인 홀로그램 이미지와 함께 이차적인 홀로그램 이미지를 제공하는 방법을 설명하며, 이차적인 홀로그램 이미지는 일차적인 이미지의 관찰자를 위한 정보를 포함하지 않지만 광 파워의 측정 값을 얻는 데 사용될 수 있다.
본 발명자는 핵심 기능을 저해하지 않고 홀로그래픽 프로젝터가 작동하는 것을 보다 정확하고 효율적으로 모니터링 할 수 있다는 것을 인식하였다. 일반적으로; 홀로그램을 포함하는 SLM이 레이저에 의해 조명될 때 (또는 '조사될 때'), 홀로그래픽 재구성이 형성된 홀로그래픽 재생 필드에서, 개구부의 외부에 위치된 또는 다른 관찰 영역에 위치된 홀로그램 식별자를 검출하기 위한, 검출기 또는 검출 시스템이 제공될 수 있다. 홀로그램 식별자는 홀로그램 재생 평면상에 0 차 홀로그래픽 재생 필드 내에 포함되거나 홀로그래픽 재생 평면에서 0 차 홀로그래픽 재생 필드의 고차 반복 내에 포함될 수 있다. 이는 아래의 자세한 예를 통해 더 잘 이해될 수 있다.
홀로그램 식별자는 시간에 따라 변할 수 있으며, 그 위치 및/또는 다른 감지된 특성, 및/또는 핑거프린트의 전부 또는 일부가 감지되는 것으로 인해 생성되는 신호는, SLM이 정상작동 되었다면, 상이한 개별 시간들 사이에서, 특정 방식으로 달라질 것이다. 검출기는, 피드백 루프가 구현될 수 있도록, 레이저 광원을 제어하기 위해, 제어기를 포함하거나 그에 통신적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 식별자를 검출하는 것이, SLM이 예상된 방식으로 작동하지 않음을 나타내어 레이저 광이 안전하지 않은 방식으로 관찰자에게 전송될 위험이 있는 것이라고 인식한 경우, 제어기는 레이저 광원의 스위치를 끄도록 또는 잠재적인 오작동 문제가 해결될 때까지 레이저 광원이 SLM을 더 비추는 것을 차단 또는 차폐하거나, 레이저 조명의 강도를 줄이도록 구성될 수 있다.
일반적으로, 홀로그래픽 프로젝터 시스템 내에서 SLM에 의해 표시되는 각 홀로그램은 "타겟 이미지(target image)"로부터 온 알고리즘을 사용하여 계산된다. "타겟 이미지"는 예를 들어 디지털 사진과 같은 종래의 이미지를 포함한다. 본 발명자는, 예를 들어 타겟 이미지 내의 주변 영역 (예: 한쪽 모서리) 및/또는 타겟 이미지의 바로 주변 영역에, 핑거프린트 또는 식별자가 타겟 이미지에 추가될 수 있음을 인식했다. 이후 추가된 핑거프린트를 포함하는 타겟 이미지에 대한 홀로그램을 계산하여 홀로그램이 적절하게 표시되고 조사될 때 타겟 이미지에 핑거프린트가 재구성되도록 할 수 있다. 타겟 이미지에 추가되는 핑거프린트는 임의의 적절한 형태일 수 있다. 예를 들어, 사각형 배열과 같은 단순한 기하학적 패턴을 포함 할 수 있다.
본 발명자가 인식한 것을 구현할 수 있는 홀로그래픽 프로젝터 시스템의 한 유형은 홀로그래픽 LIDAR 시스템이다. 도 7a 및 도 7b는 본 발명자에 의해 이루어진 인식을 구현하는 LIDAR 시스템의 예시에 대한 시스템 다이어그램을 포함한다. LIDAR 시스템은 예를 들어 차량, 내비게이션 시스템의 일부, 또는 휴대용 장치 또는 다양한 다른 애플리케이션에 제공될 수 있다.
시스템은 SLM (754) 및 광 검출기를 포함하며, 이 예에서는 어레이 검출기 (774)를 포함하며, 어레이 검출기 (774)는 공통 평면에서 서로 동일한 평면에 제공되지만 서로 공간적으로 분리되어 있다. SLM (754)은 프로젝션 렌즈 (756)와 함께 제공되고 검출기 (774)는 이미징 렌즈 (776)와 함께 제공된다. 이 예에서 레이저 다이오드 (752)를 포함하는 광원이 있다. 레이저 다이오드 (752)는 SLM(754)를 향해 광을 지향하도록 배열되고, 이는 홀로그램으로 인코딩 되고, 또한 이는, 레이저 다이오드 (752)로부터의 광으로 홀로그램을 조명 할 때, 프로젝션 렌즈 (756)를 통해 구조화된 광을 이미지 평면 (760)을 향해 반사하도록 배열된다. 이미지 평면 (760)은, 그 위에 구조화된 광 패턴 (758)이 형성되는 것을 통해, 관찰되거나 확인(interrogated)될 타겟 장면과 일치하도록 위치된다. 구조화된 광은 이미징 렌즈 (776)를 통해 어레이 검출기 (774)를 다시 향하여 타겟 장면으로부터 적어도 부분적으로 반사될 것이다.
레이저 다이오드(752)는 입사광이 SLM(754)의 중앙 측면 축(미도시)에 대해 예각으로 도달하도록 위치하고 배향된다. 결과적으로, 구조화된 광은 또한 프로젝션 렌즈(756)을 통해 SLM(754)로부터 반사되어 예각으로 이미지 평면(760)을 향한다.
명시적으로 도시 되지는 않았지만, SLM (754)은 홀로그래픽 재구성의 이미지가 프로젝션 렌즈 (756)의 평면으로부터 떨어진 각각의 상이한 거리들에 포커싱되도록 할 수 있는 소프트웨어 렌즈 기능을 포함할 수 있다. 이것은 일부 고유한 깊이를 가지는 대상 장면을 수용할 수 있으며, 따라서 복수의 상이한 깊이에서 장면을 관찰할 수 있게 한다. SLM (754)에 대한 원하는 범위를 달성하기 위해 필요한 경우/필요할 때 선택을 위해, 각각 상이한 초점 거리를 가진 복수의 상이한 렌즈 기능들이 적절한 저장소에 제공되어 저장될 수 있다. 다른 배치예에서, 프로젝션 렌즈 (754)는 소프트웨어 렌즈를 사용하여 초점을 미세 조정(fine-tuning)할 필요가 없도록 배열된다.
도 7a 및 7b에 도시되지 않았지만, FT (Fourier Transform: 푸리에 변환) 렌즈가 SLM (754)과 함께 제공된다. FT 렌즈는 소프트웨어 렌즈 또는 하드웨어 렌즈 또는 이 둘의 조합일 수 있다. FT 렌즈는 SLM (754)과 프로젝션 렌즈 (756) 사이에 위치하는, 홀로그래픽 재생 평면 (741)상의, 홀로그래픽 재생 필드의 자유 공간에 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 SLM (754)과 함께 작동 가능하다. 따라서, 이전 도면들과 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 프로젝션 렌즈 (756)는, LIDAR 시스템 (700)을 사용하여 관찰될 대상 장면과 일치하는, 이미지 평면(760)을 향해 홀로그래픽 재구성의 이미지를 투영한다.
배리어 (742)는 SLM (754)과 프로젝션 렌즈 (756) 사이에서, 반사된 광의 광학 경로를 따라 위치한다. 이 예에서 배리어 (742)는 실질적으로 중앙의 개구부(opening) 또는 개구부(746)의 어느 한쪽에 위치한 실질적으로 제 1 (744) 및 제 2 (745) 벽(wall)들을 포함한다. 그러나, 다른 형태의 배리어 및/또는 개구부도 고려된다.
배리어(742)는 도 7a 및 도 7b에 도시된 예시적인 배열에서 홀로그래픽 재생 평면 (741) 상에 또는 실질적으로 홀로그래픽 재생 평면(741) 상에 위치하도록 배열된다. 더욱이, 배리어 (742) 내의 개구부(746)는 0 차 홀로그래픽 재생 필드와 일치하도록 위치, 크기 및 형상화되어, 0 차 홀로그래픽 재구성의 적어도 일부가 개구부(746) 내에, 자유 공간에서, 형성될 것이다.
다른 예들에서, 배리어는 홀로그래픽 재생 평면이 아닌 다른 평면상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 그것은 홀로그래픽 재생 평면과 실질적으로 평행하지만 그 위쪽 또는 아래쪽인 평면상에 위치할 수 있다.
개구부 (746)의 특정 크기 및 형상은 상이한 각각의 배치예들 사이에서 변할 수 있다. 일반적으로, 개구부 (746)는 홀로그래픽 재생 필드의 크기에 맞춰질 수 있으며, 이는 자체적으로 SLM (754)의 픽셀 크기 및 광의 파장과 같은 다수의 인자에 의존한다. 홀로그래픽 재생 필드의 크기와 모양은 상이한 각각의 홀로그램들 간의 홀로그램 콘텐츠의 변경에 영향을 받지 않는다. 그러나, 홀로그래픽 재생 필드는 소프트웨어 그레이팅(grating)를 사용하여 홀로그래픽 재생 평면에서 변환될 수 있다. 따라서 이러한 움직임을 수용하기 위해 개구부 크기에 약간의 허용오차(tolerance)가 필요할 수 있다. 다시 말해, 개구부 (746)는 홀로그래픽 재생 필드보다 약간 더 크도록 크기 및 형상화될 수 있다. 그러나 숙련된 독자는 그러한 움직임의 크기가 매우 작다는 것을 알 것이다. 일부 배열에서, 개구부 (746) 및 배리어 (742)는 이동 가능할 수 있다.
이 예에서, 개구부 (746)는 아래에 논의되는 도 8a 내지 도 8d에서 더 잘 볼 수 있는 바와 같이 실질적으로 사각형이지만, 각각의 다른 광학 배치예들에서 다른 유형의 개구부도 고려될 수 있다. 도 7a 및 도 7b의 예시에서 개구부 (746)는 0 차 홀로그래픽 재생 필드의 대부분을 차지하고 홀로그래픽 재구성의 제 1 일부(part) 또는 제 1 부분(portion)을 둘러싸는 위치, 크기 및 형상을 가지며, 이는, 대상 장면의 관찰을 위해, 이미지 평면 (760) 상에 홀로그래픽 재구성의 제 1 부분의 이미지를 형성하기 위해 프로젝션 렌즈 (756)를 향하여 앞으로 이동되기 위한 것이다.
본 명세서에 설명된 방법들에 따르면, 홀로그래픽 재구성의 제2 일부(part) 또는 제2 부분(portion)이 있을 수 있으며, 이는 개구부 (746) 내에 위치하지 않으므로 배리어 (742)의 벽들(744, 745)에 의해 전방으로 전달되는 것이 차단될 것이다. 홀로그래픽 재구성의 제 2 부분은 홀로그램 '핑거프린트'로 지칭될 수 있는 홀로그램 식별자를 포함 할 수 있다. 핑거프린트는 임의의 적절한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 핑거프린트는, SLM(754) 상에 표시되고 조명되는 홀로그램(들)에 그레이팅(grating)을 적용하므로써 상이한 개별 홀로그램 사이에서 변경되거나 이동되는, 광이 분포된 것일 수 있다. 전술한 바와 같이, 핑거프린트는 홀로그램 계산 전에 타겟 이미지에 통합되고 홀로그램 조사 시 나머지 타겟 이미지로 홀로그램 적으로 재구성된 마커 또는 핑거프린트로부터 유래될 수 있다.
전술한 홀로그래픽 재구성의 제 1 및 제 2 부분은 각각의 제 1 및 제 2 광 패턴 영역으로 지칭될 수 있다.
도 7b는 도 7a 내의 영역 (790)의 확대도를 보여준다. 도 7b에서보다 명확하게 알 수 있듯이, 홀로그램 식별자 또는 '핑거프린트'를 검출하기 위해 하나 이상의 광 검출기가 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 7a 및 7b에는 배리어 (742)의 제1 벽(744) 및 제2 벽(745) 각각 상에, 개구부 (746)의 양쪽에 제공되는 제1 포토 다이오드(748) 및 제2 포토 다이오드(749)가 있다. 도 7a 및 7b에서, 포토 다이오드들(748, 749)은, 배리어 (742)의 SLM 측에 있는 벽들(744, 745)의 면에 제공된다. 그러나, 특정 배치예에서, 광 검출기에 대해 다른 위치가 고려될 수 있다. 나아가, 도 7a 및 7b의 예시에서 단지 2 개의 포토 다이오드가 도시되어 있지만, 임의의 적절한 수 및 배열의 광 검출기가 제공될 수 있다.
도 7a및 7b의 포토 다이오드들 (748, 749)과 같은 광 검출기는 홀로그래픽 핑거프린트의 존재를 검출하고 검출 신호를 적절한 프로세서 또는 제어기에 전송하도록 구성될 수 있다. 이에 대해, 아래에서 자세히 설명한다. 이러한 프로세서 또는 제어기는 레이저 다이오드 (752)의 동작을 포함하여 LIDAR 시스템 (700)의 다른 측면의 동작을 제어하는 다른 프로세서 또는 제어기에 통신적으로 결합될 수 있다. 피드백 루프가 구현될 수 있으며, 여기서, 포토 다이오드 (748, 749)로부터 검출된 신호가, SLM (754)이 주어진 시간에 현재 홀로그램을 올바르게 표시했다면 감지되었을 하나 이상의 기대 신호와 다르며, LIDAR 시스템의 제어 방식은 SLM(754)의 부정확한 작동을 방지하거나 감소하는 조치를 취하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템 (700)의 제어 방식은, SLM (754)에 도달하기 전 및 / 또는 SLM (754)과 관찰자 사이에서, 적어도 SLM (754)이 확인될 수 있고 필요한 경우 수정될 수 있을 때까지, 레이저 다이오드 (752)의 작동을 일시 중지 또는 중단하거나 그 강도를 감소 시키거나 레이저 광의 경로를 차단하도록 구성될 수 있다.
복수의 포토 다이오드가 제공될 때, 홀로그래픽 핑거프린트는 주어진 시간에 포토 다이오드 중 단지 하나 (또는 더 큰 그룹 내의 하위 그룹)로부터만 검출 신호를 트리거 할 것으로 예상될 수 있다. 핑거프린트로 인해 광 신호를 감지 할 것으로 예상되는 포토 다이오드는 각 시간 프레임 또는 시간 인스턴스에 따라 다를 수 있다. 이것은, 예를 들어, 소프트웨어 그레이팅(grating)의 존재로 인해 홀로그래픽 재생 필드가 홀로그래픽 재생 평면에서 변환되기 때문일 수 있다. 이러한 상황에서 핑거프린트를 구성하는 광 스팟 또는 기타 광 분포(들)는 홀로그래픽 재생 필드가 변환될 때 홀로그래픽 재구성의 나머지 광과 함께 변환된다.
일반적으로, 각기 다른 광 감지 요소에 의해 감지되는 움직이는 핑거프린트를 갖는 것은 안전 점검이 하나의 센서에만 의존하지 않기 때문에 홀로그래픽 프로젝터가 제대로 작동하고 있다는 안정감을 증가시킬 수 있다. 대신, 시간에 따라 복수의 센서 각각에 대해 하나 이상의 기대 신호(또는 하나 이상의 기대 신호 패턴)와 검출된 신호를 비교할 수 있으므로 더 높은 수준의 검증을 제공한다. 예를 들어, 홀로그래픽 프로젝터 시스템은 핑거프린트 검출 전용인 복수의 광 센서 각각으로부터의 다수의 시변 신호(time-varying signals)에 기초하여 홀로그램이 조사되는 것을 검증(또는 무효화)하도록 배열될 수 있다. 센서 간의 리던던시(redundancy), 선택적으로 비교되는 신호 인스턴스간에 리던던시가 있으면, 홀로그래픽 프로젝터 시스템이 SLM과 같은 구성 요소가 제대로 작동하는지 여부를 정확하게 결정하도록 구성될 가능성이 높아진다. 또한, 레이저 안전을 위해 레이저 출력을 매우 빠르게 차단하거나 줄여야 할 수 있고, 예를 들어, 두 개의 그레이팅(grating) 또는 홀로그램 변경 내에서, SLM 오류 발생시 관찰자에게 눈에 위험이 없도록 해야 한다. 홀로그래픽 재구성 내에서 하나 이상의 광 스팟의 여러 가능한 위치에 대응하는 다수의 검출기를 갖는 것은 상대적으로 적은 수의 그레이팅/ 홀로그램 변화 내에서 결함을 검출 할 확률을 증가시키고 따라서 그러한 SLM의 실패를 감지하고, 가능한 경우, 그것을 해소할 수 있다.
도 7a 및 7b의 예에서, LIDAR 시스템 (700)의 제어 방식은 시스템 제어기 (705), 홀로그램 제어기 (710) 및 장면 검출 제어기 (720)를 포함하는 것으로 표현된다. 시스템 제어기 (705)는, LIDAR 시스템 (700)에 대한 전체(또는 '중앙식') 제어기이며, 홀로그램 제어기 (710) 및 장면 검출 제어기 (720) 모두로부터 입력을 수신하고 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 7a 및 7b에서, 시스템 제어기 (705)는 또한 포토 다이오드(748, 749)로부터 입력을 수신하도록 구성된다. 또한 시스템 제어기 (705)에 제공되는 다른 입력 (730)이 있을 수 있고 및/또는 시스템 제어기 (705)는 하나 이상의 다른 출력 (740)을 제공 할 수 있다.
홀로그램 제어기 (710)는 SLM (754)으로의 홀로그램 공급을 제어하고 레이저 다이오드 (752)의 동작을 제어하도록 구성된다. 장면 검출 제어기 (720)는, 어레이 검출기 (774)로부터 광 검출 신호를 수신하고 이들 수신된 광을 송신하도록 구성되거나, 또는 수신된 광 검출 신호와 관련하여 이루어진 결정을 시스템 제어기 (705)로 전송하여, 이미지 평면 (760)과 일치하는 타겟 장면에 대한 관측이 이루어 지도록 한다. 이러한 장면의 관측을 위한 LIDAR 기술은 공지되어 있으며 본 개시의 주요 논점이 아니므로 본 명세서에서 더 자세히 논의되지 않는다.
시스템 제어기 (705), 홀로그램 제어기 (710) 및 장면 검출 제어기 (720)와 같은 제어 방식들이 서로 물리적으로 구별되는 것으로 도 7a및 7b에 도시되어 있지만, 이것은 개략적/기능적 표현 일 뿐이다. 실제로, 이들의 기능은 임의의 적절한 컴퓨터 (들), 제어기 (들) 또는 프로세서 (들)에 의해 임의의 적절한 조합으로 수행될 수 있다.
시스템 제어기 (705)는 SLM (754)에 디스플레이하기 위해 적절한 홀로그램 및/또는 적절한 그레이팅 기능 및/또는 적절한 소프트웨어 렌즈를 선택하는 것을 제어하도록 구성된다. 홀로그램 제어기 (710) 및/또는 시스템 제어기 (705)는 또한, 예를 들어, SLM (754)을 향한 광 펄스의 타이밍을 제어하기 위해, 레이저 다이오드 (752)에 대한 동작 신호 조합할 수 있다.
SLM (754)은 상이한 각각의 시간에 상이한 홀로그램을 디스플레이하도록 제어될 수 있다. 각각의 홀로그램은, 조사될 때, 별개의 (특정 밝기를 갖는) 광의 영역과 그 사이에 어두운 영역이 있는 별개의 구조화된 광 패턴의 홀로그래픽 재구성을 생성한다. 복수의 서로 다른 홀로그램은 개별적으로 무작위로 또는 순차적으로 표시될 수 있다. 일 실시예에서, 장면에 투사된 구조화된 광 패턴은 두 홀로그램 사이에서 동일하게 유지되지만 "핑거프린트"는 그들 사이에서 변경된다. 이는 LiDAR 시스템이 구조화된 광 패턴을 변경할 필요가 없는 경우에도 SLM이 (포토 다이오드의 신호 변경으로 인해) 여전히 올바르게 작동하고 있다는 증거를 제공한다.
일 예에 따르면, SLM (754)은 제 1 홀로그램과 제 2 홀로그램을 차례로 표시하도록 제어될 수 있으며, (타겟 이미지를 나타내는) 홀로그램의 '주요' 부분은 제 1 홀로그램과 제 2 홀로그램 사이에서 변경되지 않지만 홀로그램 핑거프린트는 제1 및 제2 홀로그램에서 각각 다르다. 이러한 예시에서 장면에 투사되는 구조화된 광 패턴은 두 홀로그램 간에 동일하게 유지되지만 "핑거프린트"는 두 홀로그램 사이에서 변경된다. 따라서 예상되는 광 검출 신호는 제 1 및 제 2 홀로그램 각각에 대해 다를 수 있다. 이는 LiDAR 시스템이 장면의 구조화된 광 패턴을 변경할 필요가 없는 경우에도 SLM이 여전히 올바르게 작동하고 있는지 (또는 그렇지 않은 지) 제시간에 증거를 제공 할 수 있다.
홀로그램 제어기 (710)는 주어진 시간에 SLM (754) 상에 디스플레이하기 위해 적절한 홀로그램을 계산하거나 메모리로부터 적절한 홀로그램을 검색하도록 구성될 수 있다. 이는 하드웨어와 소프트웨어의 적절한 조합으로 구성될 수 있다. 이는 메모리를 포함 할 수 있고 및/또는 별도의 메모리에 대한 접근권한을 가질 수 있다. 이는 또한 예를 들어 FPGA (Field-Programmable Gate Array)를 포함 할 수 있는 데이터 프레임 생성기 및 디스플레이 엔진으로 구성되거나 그 것에 통신적으로 결합될 수 있다. 디스플레이 엔진은, SLM (754)에 의해 표시하기 위한, 소프트웨어 렌즈 및/또는 소프트웨어 그레이팅과 같은 임의의 다른 적절한 방식으로, 생성된 및 검색된 홀로그램을 결합하도록 구성될 수 있다.
홀로그램 제어기 (710)는, SLM (754)을 제어 (또는 '구동')하여 소프트웨어 렌즈 및/또는 소프트웨어 그레이팅이 선택되면 적절한 홀로그램을 표시 할 수 있다. 결과적으로 SLM이 레이저 다이오드 (752)에 의해 조사될 때, 이로 인한 홀로그래픽 재구성이 이미지 평면 (760)에서 형성될 것이며, 홀로그래픽 재구성은 장면을 관찰하기 위해 레이 검출기 (774)의 개별 시야 (IFOV)와 정렬 되어야한다.
전술한 바와 같이; 도 7a 및 7b의 시스템은 피드백 루프에 기초하여 동작 할 수 있으며, 여기에서, 하나 이상의 이전 프레임으로부터 도출된 정보는 후속 선택 및/또는 다른 작동을 구동하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 포토 다이오드 (748, 749)로부터 도출된 정보는 레이저 다이오드 (752)의 후속 제어를 제어하는 데 사용될 수 있다. 특히, 포토 다이오드(748, 749)는 표시되어야 하는 홀로그래픽 핑거프린트의 존재 (또는 부재)를 검출하기 위해 위치 할 수 있고, 이 핑거프린트는 주어진 시간에 SLM (754)상에 홀로그램을 조명하는 것으로 인해, 홀로그래픽 재생 평면 (741)에 형성된 홀로그래픽 재구성의 제 2 부분 (또는 제 2 광 패턴 영역)에 디스플레이 되어야하는 것이다.
시스템 제어기 (705)는, 홀로그래픽 핑거프린트의 하나 이상의 특성을 나타내는 포토 다이오드 (748, 749)로부터 하나 이상의 광 검출 신호를 수신하고, 이를 홀로그래픽 핑거프린트에 대해, 정확한 홀로그램이 주어진 시간에 올바르게 조명되고 있는 경우, 예상되었던 대응하는 하나 이상의 특성과 비교하도록 구성될 수 있다. 이러한 의미에서 '특성'은 예를 들어 하나 이상의 특정 센서에서 홀로그램 핑거프린트의 광의 존재 또는 부재에 대한 이진 표식(binary indicator)을 포함 할 수 있다. 따라서, 시스템 제어기는, 예를 들어, 주어진 시간에 어떤 센서가 홀로그램 핑거프린트의 광을 감지 할 것으로 예상되는지를 센서가 실제로 어떤 센서가 그 당시 홀로그램 핑거프린트의 광을 감지했는지에 대한 기록 또는 측정치와 비교하도록 구성될 수 있다. 시스템 제어기는 또한 또는 대신에, 일정 기간 동안 홀로그램 핑거프린트의 광을 검출하는 (각각 다른 위치에 있는) 상이한 개별 센서의 기대 시간 패턴 또는 시퀀스를 실제로 센서가 해당 기간 동안 홀로그램 핑거프린트의 광을 감지한 것인 어떤 패턴 또는 시퀀스의 기록 또는 측정치와 비교하도록 구성될 수 있다.
몇몇 경우에, 홀로그래픽 핑거프린트의 특성은 광 센서 신호로부터 도출된 크기 또는 기타 측정과 같은 비-이진(non-binary) (또는 '그레이스케일(greyscal)') 표식을 포함 할 수 있다. 예를 들어, 핑거프린트가 각각의 크기 및/또는 밝기가 다른 하나 이상의 광 스팟을 포함하는 경우, 시스템 제어기는, 수신된 광 센서 신호로부터, (센서에 의해 감지될 것으로 기대되는) 주어진 시간에 감지된 기대 크기 및/또는 밝기를 갖는 광 스팟이 있는지 여부를 결정하도록 구성될 수 있다.
시스템 제어기 (705)는 위에서 상세히 설명한 바와 같이 주어진 시간에 (예를 들어, LIDAR 시스템 작동의 특정 '프레임'동안) 어떤 홀로그램이 표시되어야 하는지를 '알고'(그리고 아마도 제어 할 수 있도록) 프로그래밍될 수 있다. 700. 본 개시에 따르면, 시스템 제어기 (705)는 또한 어떤 홀로그램 핑거프린트가 그것의 0 차 홀로그래픽 재구성의 제 2 광 패턴 영역 내에 포함되어야 하는지를 '알고'(가능하게는 제어 할) 프로그래밍될 수 있다. 레이저 다이오드 (752)에 의해 정확하고 안전하게 조명될 때 홀로그램. 주어진 시간에 홀로그래픽 핑거프린트의 검출에 기초하여 하나 이상의 대응하는 기대 신호를 갖는 포토 다이오드 (748, 749)로부터의 신호.
포토 다이오드는, 홀로그래픽 핑거프린트와 관련한 다음의 임의의 예시들의 조합을 검출하도록 구성될 수 있다: 예를 들어, 핑거프린트의 존재 또는 부재 (즉, 핑거프린트가 검출되었는지 여부의 표식); 핑거프린트의 위치 표식 (예: 감지된 포토 다이오드 표식); 밝기, 모양, 배광 패턴 또는 크기에 대한 표식. 전술한 바와 같이; 여러 센서가 핑거프린트를 감지하도록 구성될 수 있으며, 일부 경우 핑거프린트가 홀로그래픽 재생 평면 주변에서 변환되기 때문에 핑거프린트를 감지 할 것으로 예상되는 센서는 시간에 따라 달라질 수 있다.
핑거프린트는 임의의 적절한 모양 또는 배광 패턴을 가질 수 있고, 예를 들어, 두 개의 광 스팟과 같은 단순한 패턴을 포함 할 수 있거나 더 복잡 할 수 있다. 예를 들어, 핑거프린트는. 핑거프린트 내에서 서로 다른 각각의 스팟 또는 다른 위치 사이에서 빛의 강도에 대한 그레이스케일 변화가 있는 패턴 또는 형상을 포함 할 수 있다. 핑거프린트의 복잡성과 무관하게, 시스템 제어기 (705)는 핑거프린트 (또는 핑거프린트의 일부)가 광 센서와 상호 작용하는 방식(및/또는 시기)을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 도 7a 및 7b의 예시에서, 시스템 제어기 (705)는, 센서의 위치 및 핑거프린트의 광 패턴의 형상/구조 및 홀로그래픽 재생 평면 (741) 주위에서 핑거프린트의 (적용 가능한 경우) 예상되는 움직임을 기반으로, 각 시간 프레임마다, 어떤 복수의 센서가 활성화 되어야 하고 또한 활성화되지 않아야 하는지 알도록 배열될 수 있다. 따라서, 시스템 제어기 (705)는 포토 다이오드 (748, 749)와 같은 복수의 센서 각각의 출력을 사용하여 주어진 시간 프레임 동안 시스템 작동을 검증(유효화)하거나 무효화한다.
비교에 의해 핑거프린트에 대한 검출 신호가, 주어진 시간에, 적어도 미리 결정된 허용 수준 내에서, 해당 핑거프린트에 대해 예상한 것과 일치하지 않는다고 결정되면, 시스템 제어기 (705)는, 예를 들어 레이저 눈부심의 위험 및/또는 관찰자에게 눈 손상을 유발하는 위험을 방지하기 위해 LIDAR 시스템 (700)의 오작동 위험을 피하거나 적어도 줄이기 위한 조치를 취하도록 구성될 수 있다.
핑거프린트와 관련된 감지 신호가 예상과 일치하지 않는 경우 시스템 제어기 (705)가 취하도록 구성될 수 있는 조치는 예상과 감지 사이에 불일치가 있는 신호의 세부 사항에 따라 그리고, 잠재적이 불일치의 성격 및 / 또는 정도에 따라 달라질 수 있다. 시스템 제어기 (705)는 어떤 신호(들) (및/또는 특성 (들))가 그 기대와 일치하지 않는지에 따라 및/또는 그것이 얼마나 많은 지에 따라 및/또는 예상 수준 / 위치 / 크기 등이 얼마나 다른 지에 따라 각각 다른 절차를 따르도록 프로그래밍(또는 구성)될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에, 시스템 제어기(705)가 홀로그램 핑거프린트와 관련된 검출 신호가 적어도 미리 결정된 허용 수준 내에서 기대치를 충족하지 않는다고 결정하는 경우, 시스템 제어기(705)는 정지 신호를 발생하거나 적어도 레이저 다이오드(752)의 작동을 일시 중지하거나 또는 그 전력을 줄이거나 및/또는 그렇지 않으면 SLM(754)를 통해 레이저 다이오드 752와 관찰자 사이 광 경로를 차단하도록 구성될 수 있다. 이는 SLM(754)에 의해 관찰자에게 잘못 전송되는, 예를 들어, 집중된 광점으로 전송되는, 레이저 광의 위험을 방지하기위한 것이고, 이는 관찰자에게 눈에 손상을 입히고 관찰자를 현혹시켜 일시적으로 볼 수 없게 한다. 레이저 광이 집중되지 않거나 눈에 손상을 입힐 만큼 강력하지 않더라도 관찰자가 차량의 운전자인 경우 눈부심을 당할 위험이 매우 높을 수 있다.
일부 배치예에서, 시스템은, 장면을 관찰하기 위하여 어레이 검출기 (774)의 개별 시야 (Individual Field of View; "IFOV")와 정렬되는 홀로그래픽 재구성 (또는 홀로그래픽 재구성의 이미지)이 각 IFOV에 대해 눈에 안전한 한계 내에 있는 광 파워를 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, SLM이 올바르게 기능한다면, 어레이 검출기 (774)에 의해 검출되고 관찰자에 의해 관찰될 수 있는 광 파워는 관찰자에게 눈 손상의 위험을 초래하지 않아야 한다. 그러나 이러한 배열에서 각 개별 IFOV는 눈에 안전한 양의 광 파워를 가질 수 있지만 모든 IFOV (또는 여러 IFOV가 결합된 경우)의 총 광 파워는 (잠재적으로) 눈의 안전 한계를 초과 할 수 있다. 따라서, SLM이 오기능하여, 예를 들어 모든 광 파워가 단일 중앙 지점에 집중된 경우, 해당 지점의 광 파워는 관찰자의 눈에 잠재적으로 매우 위험 할 수 있다. 따라서 이러한 배열에서 SLM이 올바르게 작동하여 장면 내에서 다양한 개별 시야 (IFOV)에 걸쳐 빛을 확산시키고 이에 따라 광 파워를 확산시키는 것이 매우 중요하다.
하나 이상의 기대 신호와 하나 이상의 측정된 신호를 비교하는 것은 임의의 적절한 간격으로 수행될 수 있다. 예를 들어, SLM (754)의 프레임 간격과 동기화될 수 있다. 일부 배치예에서 비교하는 것, SLM 프레임 속도와 무관하게 주기적으로 , 또는 예를 들어 레이저 펄스 속도와 동기화되거나, 적절한 주파수로 수행될 수 있다.
도 8a 내지 8d는 홀로그래픽 핑거프린트를 포함하고 이는 홀로그래픽 투영 시스템, 예를 들어 도 7a 및 7b에 도시된 것과 같은 LIDAR 시스템에 의해 형성될 수 있는 홀로그래픽 재구성의 예를 도시한다. 이 예는 예시에 불과하며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 되는 것으로 이해되어야 한다. 도 8a에서, 0 차 홀로그래픽 재생 필드 (820)는 실질적으로 사각형 영역 인 것으로 도시되어 있다. 이는 홀로그래픽 재생 평면 상에 또는 내부에 구성되지만, 홀로그래픽 재생 평면의 나머지 부분은 단순화를 위해 도 8a에 도시 되지 않았다. 고차 홀로그래픽 재생 필드도 그림 8a에 표시되어 있지 않았으나 통상의 기술자라면 SLM (예: LCOS SLM)과 같은 픽셀화된 디스플레이 장치의 조사가, 0 차가 중앙에 있고 재생 필드 중 가장 밝은 필드인, 다중 차수의 재생 필드를 생성하는 것으로 이어질 것이라고 인식할 것이다. 편의상 0 차 홀로그래픽 재생 필드 (820)는 본 설명에서 '홀로그래픽 재생 필드 (820)'로 지칭될 것이다.
개구부(840)는 홀로그래픽 재생 필드 (820) 내에 정의된다. 개구부(840)는 도 7a및 도 7b에 도시된 배리어 (742)와 같은 배리어 내의 창 또는 개구로서 또는 다른 적절한 형상으로 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 배리어의 벽은 그 벽에 의해 차단될 피처(feature)를 쉽게 볼 수 있도록 그림 8a에 표시되지 않았다. 개구부(840)는 홀로그래픽 재구성이 형성되는 홀로그래픽 재생 필드의 제 1 부분 (또는 제 1 광 패턴 영역)을 프레이밍 하도록 본 예시에서 형상, 크기 및 위치를 가진다. 홀로그래픽 재구성은 도 7a 및 7b에 도시된 것과 같은 광학 배열을 사용하여 SLM에 홀로그램을 조사하여 생성된다. 제 1 광 패턴 영역은 그리드 형태로 배열된 복수의 광 블록 (830)을 포함하고, 각 광 블록 (830)은 그리드 형태 내에서 자신의 개별 영역 (또는 좌표)을 차지한다. 이 예에서는 4 x 4 격자 형태로 배열된 16 개의 빛 블록 (830)이 있다. 격자 형태의 광 블록 (830)은 구조화된 광 패턴을 형성한다. 구조화된 광 패턴은 홀로그래픽 재생 평면 주위에서 변환 또는 스캔될 수 있으며, 이는 아래에서 더 자세히 논의될 것이다.
도 7a 및 7b와 관련하여 전술한 예시에 따라, 이 예시의 개구부(840) (그리고 개구부(840)가 형성된 배리어 또는 다른 형태)는 내부에 즉, 개구부(840)의 주변 영역내에 형성되는 제1 광 패턴 영역이 포함된 구조화된 광 패턴이 투과되도록 구성된다. 따라서 16 개의 블록의 격자를 포함하는 구조화된 광 패턴은, 예를 들어, 그 구조화된 광 패턴의 이미지가 관찰하거나 확인될 장면 내에서 이미지 평면에 형성되도록 프로젝션 렌즈를 향해 투과될 수 있다.
또한 도 8a의 홀로그래픽 재구성 내에 제 2 부분 또는 제 2 광 패턴 영역이 있다. 제 2 광 패턴 영역은 홀로그래픽 재생 필드 (820) 내의 영역을 포함하며, 이는 제 1 광 패턴 영역의 외부에 놓이면서 이로써 개구부(840)의 주변 외부에 놓인다. 따라서 실제로, 개구부(840)가 장벽 내에 형성될 때 또는 다른 형태에서, (개구부를 둘러싸는) 그 배리어의 벽은 제 2 광 패턴 영역 내의 임의의 광이 예를 들어 프로젝션 렌즈, 이미지 평면 또는 관찰될 장면 또는 객체를 향해 투과되는 것을 방지 할 것이다. 따라서 제 2 광 패턴 영역 내의 모든 광은 타겟 장면 또는 객체에 입사되는 구조화된 광 패턴에 관여하지 않다.
위와 같음에도 불구하고; 본 발명자들은 제 2 광 패턴 영역 내에 광 패턴을 제공하는 것 (예를 들어, 홀로그래픽 식별자 또는 핑거프린트를 제공하는 것)이 매우 유용 할 수 있음을 인식했다. 이는 이러한 홀로그램 핑거프린트가 검출될 수 있고, 따라서 홀로그램 재생 필드는, 대상 장면이나 객체에 전송될 구조화된 광 패턴의 일부를 구성하는 제 1 광 패턴 영역이 있는 개구부 또는 영역 바로 외부에서 모니터링 될 수 있기 때문이다. 그러나, 홀로그래픽 식별자 자체는 적어도 일부 배치예에서 타겟 장면 또는 관심 대상으로 전송되는 것이 방지될 수 있다.
이 방법에 따르면 홀로그램 식별자는 시간에 따라 달라질 수 있는 최종 핑거프린트를 포함 할 수 있으며, 그 특성은 LIDAR 시스템과 같은 광학 시스템 내에서, 특히 잠재적인 결함을 감지하기 위해, 홀로그램이 조명되는 방식에 대한 결정을 내리는 데 사용될 수 있다.
광 검출기와 같은 적합한 검출기는 홀로그램 핑거프린트를 검출 및 / 또는 모니터링하기 위해 홀로그래픽 재생 필드의 이차적인 광 패턴 영역 내에 위치 할 수 있다. 도 8a에서, 이를 위해 4 개의 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)가 제공된다. 이 예에서, 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)의 위치는 홀로그래픽 핑거프린트의 복수의 상이한 미리 결정된 위치와 일치하도록 선택되었다. 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)는 두 방향 (도 8a에서 수직 (y) 및 수평 (x) 방향으로 표시됨)으로 서로 공간적으로 분리되어 있다. 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)는 개구부 (840)의 주변 바로 바깥쪽에 위치한다. 따라서 이들은 제2 광 패턴 영역에서 식별자 또는 핑거프린트의 존재를 감지하도록-제1 광 패턴 영역 내 임의의 광을 감지하는 것이 아님- 구성된다.
일부 배치예에서, 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)는 홀로그래픽 핑거프린트 내에서 빛의 크기, 크기 또는 강도를 검출하도록 구성될 수 있다. 다른 배치예에서, 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)는 이진 동작(binary operation)용으로 구성된다. 이러한 배치예에서, 각 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)의 출력은 0 (빛 없음) 또는 1 (빛 있음)이 될 것이다. 4 개의 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)에 대한 개별 이진 판독 값의 조합을 포함하는 결합되거나 연결된 출력이 제공될 수 있다. 예를 들어, 특정 프레임에 대해 제1 및 제2 포토 다이오드(801, 802)는 핑거프린트의 광을 감지 할 것으로 예상되고, 제 3 및 제4 포토 다이오드(803, 804)는 핑거프린트의 광을 감지하지 않을 것으로 예상될 때, 예상되는 연결 출력은 '1100'이된다. 실제로 해당 프레임에 대해 4 개의 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)에서 연결된 출력이 '1100'이 아닌 경우, 이는, 앞서 설명된 바와 같은 조치되어야 할 단계와 관련하여,시스템 내 '오작동'의 표식으로 간주될 수 있다. 핑거프린트 센서에서 제공하는 출력은 재생 평면의 조명 패턴에 따라 지속적으로 변경된다.
이 예에서 홀로그래픽 핑거프린트는 상대적으로 작은 두 개의 빛 블록으로 구성되며, 두 방향으로 서로 오프셋 된다 (그림 8a에서 수직 (y) 및 수평 (x) 방향으로 표시됨). 편의를 위해, 이러한 블록은 여기서 '상부' 블록 및 '하부' 블록이라고 한다. 그러나, 이러한 상대적 위치 용어는 도 8a 내지 8d에 도시된 예와 관련하여 예시 목적으로 만 사용되기 위한 것일 뿐 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 유사하게, 여기에서 '좌측', '우측'또는 기타 상대적 위치 용어에 대한 언급은 도 8a 내지 8d에 도시된 예시적인 예의 이해를 돕기 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
제 1 광 패턴 영역을 차지하는 광 블록 그리드 (830)와 제 2 광 패턴 영역에서 홀로그래픽 핑거프린트를 구성하는 두 광 블록을 포함하는 홀로그래픽 재구성은 도 8a의 제1 위치에 표시된다. 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 소프트웨어 그레이팅은 SLM상의 홀로그램과 결합될 수 있으며, 소프트웨어 그레이팅의 기능은 홀로그래픽 재생 필드의 위치(실제로, 홀로그래픽 재생 평면에서 도 8a내지 8d에 도시 되지 않은 고차를 포함하는 재생 필드의 어레이 전체의 위치)를 결정하거나 이동 또는 시프팅하는 것이다. 편의를 위해, 이는 홀로그래픽 재생 평면을 '스캐닝'하는 것으로 지칭될 수 있으나, 당업자는 본 명세서에 개시된 홀로그래픽 구조화된 광 시스템과 예를 들어 회전 프리즘을 이용하여 "스캔"하는 LIDAR 시스템 간에 근본적인 차이점이 있다고 이해할 것이다. 따라서, 도 8a에 도시된 홀로그래픽 재생 필드의 제 1 위치 및 홀로그래픽 재구성의 제 1 위치는 홀로그램에 적용되는 제 1 그레이팅 또는 예를 들어 그레이팅이 적용되지 않는 것에 대응될 수 있다. 이 예에서, 홀로그래픽 재구성에 대한 16 개의 다른 위치가 있으며, 각각은 다른 각각의 그레이팅 함수에 대응한다. 즉, 4 개의 다른 - 그레이팅 및 4 개의 다른 - 그레이팅, 결과적으로 16 개의 다른 조합이 생성된다.
제1 광 패턴 영역을 차지하는 광 블록 격자(830)가 (16 개 중) 제1 위치에 있을 때, 각 광 블록 (830)은 격자 내에서 각 정사각형 또는 좌표의 왼쪽 상단 모서리를 차지한다. 제 2 광 패턴 영역에서 홀로그래픽 핑거프린트를 구성하는 상부 및 하부 광 블록이 제 1 위치 (도 8a에서 위치 814A로 표시됨)에 있을 때, 하부 블록은 제 1 포토 다이오드 (801)와 일치한다. 이에, 홀로그래픽 재구성이 제1 위치에 있을 때 핑거프린트 (또는 핑거프린트 내의 적어도 하부 블록)이 감지될 수 있다. 상단 블록은 이 위치에서 어떠한 포토 다이오드와도 일치하지 않다. 따라서 이 위치에 대해 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)에서 예상되는 광 신호는 이진 형식 '1000'이된다.
도 8a에 도시된 홀로그래픽 재생 필드(및 홀로그래픽 재구성)가 LIDAR 시스템 내에 구성될 때, 홀로그래픽 재구성(또는 그 이미지)이 타겟 객체 또는 장면에 투사되고 광 검출기가 대상 또는 장면에서 반사된 빛을 감지하도록 배치된다. 실시예에서, 도 8a의 홀로그래픽 재생 필드의 격자 내에서 각각의 정사각형 또는 좌표 내의 빛에 의해 조명되는 대상 또는 장면의 각 부분은 LIDAR 감지기에서 규칙적인 배열로 배열된 복수의 센서 내에서 각각의 센서에 의해 감지된다. 격자 내의 각 광 스팟 (830)이 각각의 정사각형 또는 좌표를 통해 (소프트웨어 격자를 사용하여) 스캔될 때, LIDAR 검출기 내에서 정사각형 또는 좌표 당 하나의 센서만 한 번만 광을 수신하며 각 사각형 또는 감지기의 다른 센서들은 어두워서 감지 신호를 생성하지 않는다.
도 8a 내지 8d는 3 개의 추가 개별 격자 기능에 대응하는 3 개의 추가 가능한 위치에 있는 도 8a의 홀로그래픽 재구성을 도시한다.
도 8b에서, 이는 (16 개 중) 제 4 그레이팅 함수에 대응하고, 제 1 광 패턴 영역의 각 광 블록 (830)은 격자 내에서 각각의 정사각형 또는 좌표의 오른쪽 상단 모서리를 차지한다. 제 4 위치(도 8b에서 위치 814B로 표시됨)의 제 2 광 패턴 영역에서, 홀로그래픽 핑거프린트의 하부 블록은 다른 제 2 포토 다이오드 (802)에 일치한다. 따라서, 핑거프린트 (또는 핑거프린트 내의 적어도 하부 블록)가, 홀로그래픽 재구성이 네 번째 위치에 있을 때 감지된다. 상단 블록은 이 위치에서 어떠한 포토 다이오드와도 일치하지 않는다. 따라서 이 위치에 대해 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)로부터 예상되는 광 신호는 이진 형식 '0100'이된다.
도 8c에서, (16 개 중) 13 번 째 격자 함수(grating function)에 대응하는, 제 1 광 패턴 영역의 각 광 블록 (830)은 격자 내에서 각각의 정사각형 또는 좌표의 좌측 하단 코너를 차지한다. 13 번째 위치 (도 8c에서 위치 814c로 표시됨)의 제2 광 패턴 영역에서 홀로그래픽 핑거프린트의 상단 블록은 제3 포토 다이오드 (803)와 일치한다. 따라서 핑거프린트 (또는 핑거프린트 내 적어도 상단 블록) 홀로그래픽 재구성이 13 번째 위치에 있을 때 감지 가능한다. 하부 블록은 이 위치에서 어떤 포토 다이오드와도 일치하지 않다. 따라서 이 위치에 대해 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)로부터 예상되는 광 신호는 이진 형식 '0010'이된다.
(16 개 중) 16 번째 격자 함수에 대응하는 도 8d에서, 제 1 광 패턴 영역의 각 광 블록 (830)은 그리드 내에서 각각의 정사각형 또는 좌표의 우측 하단 코너를 차지한다. 16 번째 위치 (도 8d에서 위치 814D로 표시됨)의 제 2 광 패턴 영역에서, 상부 블록은 제 4 포토 다이오드 (804)와 일치한다. 따라서, 핑거프린트 (또는 적어도 핑거프린트 내의 상부 블록)은 홀로그래픽 재구성이 16 번째 위치에 있을 때 검출 가능하다. 하부 블록은 이 위치에서 어떤 포토 다이오드와도 일치하지 않다. 따라서 이 위치에 대해 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)에서 예상되는 광 신호는 이진 형식 '0001'이된다.
SLM은 주기적으로 홀로그램에 격자 기능을 적용하여 16 개의 가능한 위치를 통해 해당 홀로그래픽 재구성을 반복적으로 이동하도록 구성 또는 제어될 수 있다. SLM은 복수의 서로 다른 홀로그램을 동적으로 표시하도록 구성되거나 제어될 수 있으며, 이러한 홀로그램 중 적어도 일부에 대해 하나 이상의 그레이팅 기능을 적용하여 동적 기반의 홀로그래픽 재생 평면 상에서 해당 홀로그래픽 재구성 (들)의 위치를 변경한다.
도 7a 및 7b의 LIDAR 시스템 (700)의 시스템 제어기 (705) 또는 임의의 다른 적절한 제어기와 같은 홀로그래픽 시스템의 제어기는 어떠한 홀로그램이'', 적용 가능하다면, 어떠한 그레이팅 및/또는 소프트웨어 렌즈가 특정 시간에 SLM에 표시되고 조명 되어야 하는 지 "알도록" 구성될 수 있다. 이러한 제어기는 예상되는 핑거프린트와 대응하는 핑거프린트의 광을 감지하는 신호가 무엇이어야 하는지 '알도록' 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 홀로그래픽 핑거프린트의 일부 또는 전부가 주어진 시간에 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)의 위치에 대해 절대적으로 및/또는 상대적으로 어떤 위치에 있어야 하는지 알도록 프로그래밍될 수 있다. 도 8a 내지 도 8d의 예에서, 이는 시스템 제어기가 특정 시간에 (예: SLM의 작동 중인 특정 프레임 동안) 홀로그램 핑거프린트 블록 중 하나 또는 다른 블록에 의해 조명되어야 하는 포토 다이오드를 알아야 함을 의미한다. 따라서, 시스템 제어기 (705)는 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)로부터 수신된 검출 신호가 하나 이상의 예상된 검출 신호 또는 시간 신호의 예상 시간 시퀀스와 일치하는 지 여부를 검증하도록 구성될 수 있다.
통상의 기술자는, 홀로그램 핑거프린트가 도 8a 내지 도 8d의 예시의 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804) 중 어느 것과도 일치하지 않을 것으로 예상될 수 있는 시간 (예를 들어, 특정 그레이팅 기능에 대응하여 재생 평면상의 홀로그래픽 재구성의 특정 위치에 대응함)이 있다고 인식 할 것이다. 이때 4 개의 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)에서 예상되는 이진 출력은 '0000'이된다. 이는 본 명세서의 도 8e에 도시되며 이는 시간이 지남에 따라 제 1 내지 제 4 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804) 각각으로부터의 예상되는 광 검출 신호에 각각 대응하는 신호 트레이스(signal traces) (861, 862, 863, 864)를 도시한다. 신호 트레이스 (861, 862, 863, 864)는 홀로그래픽 재구성이 16 개의 다른 위치를 통해 순환하는 한 시간 주기 (852)에 걸쳐 도시된다. 이 예에서, 시스템 제어기는 그 기간 (852) 동안 하나 이상의 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)로부터 수신된 (즉, 실제로 측정된 ) 신호 트레이스를 도 8e에 도시된 바와 같은 기대 신호 트레이스(들)에 비교하도록 구성될 수 있다. 포토 다이오드 801, 802, 803, 804 중 하나 로부터 수신된 신호의 타이밍 및/또는 강도에 대해 불일치가 있다면, 해당 기간 (852) 동안, 제어기는 이를 잘못된 홀로그램이 조명되거나 및/또는 홀로그램이 부정확하게 조명된 것을 나타내는 표시로 간주할 수 있고, 예를 들어, 이는 우측 홀로그램이 표시되지 않는다는 것(또는 아무런 홀로그램도 전혀 표시되지 않았음)을 의미하는SLM 또는 SLM 드라이버의 결함으로 인한 것이다. 따라서 이것은 제어기 (또는 사용자)가 잠재적인 문제를 추가로 확인해야 계기로 작용할 수 있다. SLM을 비추는 레이저 광원의 작동을 일시 중지 또는 중지하거나 레이저 광원과 관찰자 사이의 빛 방출을 중지하고, 다른 방식으로 사용자의 눈 손상 및 / 또는 관찰자를 눈부시게 할 수 있는 오작동 가능성을 제거하기위한 물리적 장벽 또는 셔터를 사용하는 계기가 될 수 있다.
격자의 스캐닝 순서는 전술된 "좌측에서 우측으로, 상부에서 하부로" 순서를 따를 필요가 없다고 이해될 것이다. 예를 들어, 핑거프린트의 데드 타임이 최소화되도록 격자의 순서를 구성 할 수 있고, 즉, 포토 다이오드의 예상 출력이 '0000'이되는 최소 시간이다. 이러한 예에서는 감지된 신호와 비교하기 위해 항상 적어도 하나의 감지된 포토 다이오드 신호가 있기 때문에 핑거프린트가 올바른 신호를 표시하는지 여부에 대한 증거가 항상 존재한다.
요약하면, 도 9는 본 발명자들에 의해 이루어진 인식에 따라, LIDAR 시스템 제어기 또는 다른 적절한 제어기 또는 프로세서에 의해 채택될 수 있는 보호 방법을 예시한다. 이 방법 (900)은 피드백 루프를 포함하며, 방법 (900)의 단계는 주기적으로 발생할 수 있다. 해당 단계는 다음과 같다.
단계(902)에서, 도 7a및 도 7b의 LIDAR 시스템 (700)의 레이저 다이오드 (752)와 같은 광원은 예를 들어 레이저 광을 방출한다. 광은 픽셀화된 디스플레이 장치, 예를 들어 SLM, 예를 들어 LCOS SLM과 같은 디스플레이 장치를 지향한다. 레이저 광원은 적절한 제어기의 제어 하에 광을 방출 할 수 있다.
단계(904)에서, 디스플레이 장치가 조명 된다. LCOS SLM 일 수 있는 디스플레이 장치는 그레이팅 및/또는 소프트웨어 렌즈와 결합될 수 있는 홀로그램을 표시하도록 구성된다. LCOS SLM과 함께 FT 렌즈가 제공되어 조명이 홀로그래픽 재구성을 형성 할 수 있다.
단계(906)에서, 검출기, 예를 들어 포토 다이오드(또는 포토 다이오드들)와 같은 광 검출기는 디스플레이 장치의 조명에 의해 형성되는 홀로그래픽 재구성 내의 광 신호를 검출한다. 본 출원에서 지금까지 논의된 예는 홀로그래픽 재구성이 형성되는 0 차 홀로그래픽 재생 필드에 위치한 포토 다이오드를 가지고 있지만, 이후의 예시들과 관련하여 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 홀로그래픽 재구성의 이미지가 형성되고 및/또는 고차 홀로그래픽 재생 필드 내에 위치되는 이미지 평면에 위치되는 포토 다이오드에도 또한 가능하다. 포토 다이오드 (들)가 중간 위치, 예를 들어 SLM과 홀로그래픽 재생 평면 사이 또는 홀로그래픽 재생 필드와 다운 스트림 이미지 평면 사이에 위치하는 것도 가능한다. 하나 이상의 검출기가 있을 수 있고 그것은 특정 홀로그램 식별자 또는 핑거프린트와 같은 홀로그래픽 재구성의 특정 특징을 검출하기 위한 위치, 크기 및/또는 모양을 가질 수 있다.
단계(908)에서, 검출기(들)로부터의 하나 이상의 신호가 제어기에 의해 수신되고 처리된다. 제어기는 레이저 광원으로부터의 광의 방출을 제어하는 제어기를 포함하거나 그 안에 포함되거나 통신적으로 결합된다. 단계(908)에서 제어기는 검출기 (들)로부터의 신호 (들)를 처리하여 그들이 예상한 대로 인지 여부를 판단한다. 만일 그렇다면 제어기는 홀로그램 식별자 또는 핑거프린트를 확인할 수 있다.
홀로그램 식별자 또는 핑거프린트가 제어기에 의해 확인된 경우, 단계(910)에서 제어기 (또는 이에 통신 적으로 연결된 다른 제어기)는 레이저에 빛을 방출 (또는 계속해서 빛을 방출)하라는 명령을 내리고, 이 때, 방법 (900)은 단계(902)로 돌아가서 이 상태를 반복한다. 그러나 홀로그램 식별자 또는 핑거프린트가 단계(908)에서 확인되지 않은 경우, 보호 방법은, 발광의 광 출력을 일시 중지 또는 중지하거나 감소시켜 가능한 문제 조사를 수행하여 시스템의 안전한 작동을 보장하기 위해 적절한 수정을 수행한다.
도 9에 예시된 보호 방법 (900)을 또한 구현하는 다른 예에 따르면, LIDAR 시스템과 같은 홀로그래픽 시스템이 올바르게 작동하는 지를 여부를 평가하기 위하여, 하나 이상의 광 검출기가 더 고차의 홀로그래픽 재생 필드에 제공될 수 있다.
도 10a는 각각 0 차 홀로그래픽 재생 필드 및 1 차 (즉, 방향을 음의 1 차, 또는 (0,-1) 차수)의 1 인스턴스의 홀로그래픽 재생 필드를 형성하는 광 콘 (1008, 1010)의 단면을 도시하며, 이는 홀로그램을 표시하는 SLM이 적절한 레이저 광으로 조명될 때 발생한다. 간결성을 위해, 광원과 SLM 그 자체는 도 10a에 도시되지 않는다.
홀로그래픽 재생 평면 (1014)은 도 10a에서 광 콘 (1008, 1010)의 단면의 상부 에지를 가로 지르는 점선으로 도시 된다. 홀로그래픽 재생 평면 (1014)은 (중간) 홀로그래픽 재생 필드가 위치하는 평면으로서, 조명된 홀로그램의 복수의 홀로그래픽 재구성 (0 차 이상)이 형성되는 평면이다.
0 차 홀로그래픽 재생 필드의 폭 (즉, 축을 따른 측면 범위)은 도 10a에서 양쪽 화살표 (1006)로 표시된다. 배리어와 같은 형태(1002)는 화살표 (1004)로 표시된 광의 이동 방향으로 홀로그래픽 재생 평면 (1014)의 바로 하류에 제공된다. 광은 조명된 SLM (미도시)으로부터 이동된다. 예를 들어 LIDAR 시스템의 일부로 관찰 할 장면 (미도시)을 향한다. 배리어(1002)는 0 차 홀로그래픽 재생 필드 (1006)의 일부 또는 전부의 크기 및 형상과 일치하도록 크기 및 형상화되는 개구부 또는 개구를 포함한다. 일부 배치예에서, 0 차 홀로그래픽 재생 필드 (1006)의 오직 일부만이 필요할 수 있고 , 이는 각각 다른 부분들이 노이즈 (이미지 콘텐츠가 아님)를 포함하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 예를 들어, 이러한 노이즈는 홀로그램 계산 알고리즘에서 발생할 수 있다. 따라서 이러한 노이즈는 개구부에 의해 의도적으로 잘라낼 수 있다. 이에, 개구부는 0 차 홀로그래픽 재구성 내의 모든 광 (또는 0 차 홀로그래픽 재구성 내의 원하는 모든 광)을 관찰될 장면을 향해 전송하도록 구성된다.
위의 케이스에서; 광 검출기가 0 차 홀로그래픽 재구성의 일부에서 광을 검출하도록 위치되는 것은 단점을 가질 수 있는데, 이는 장면을 향한 0 차 홀로그래픽 재구성의 경로가 방해를 받기 때문이다. 따라서, 이 예시에서, 하나 이상의 광 검출기 (1012A)는 고차 홀로그래픽 재생 필드 (이 경우 방향으로 음의 1차 또는 (0, -1) 차수 재생 필드)를 모니터링하기 위해 제공된다.
이 예의 방법론은 0 차 홀로그래픽 재구성의 일부를 모니터링하는 것과 관련하여 위에서 설명한 것과 매우 유사하다. 간단히 말해서, 하나 이상의 적절하게 배치된 광 검출기 (1012A)는 음의 1 차 홀로그래픽 재생 필드 신호를 모니터링하는 데 사용될 수 있고, 보다 구체적으로, 홀로그램 핑거프린트를 포함하는 (0, -1) 재생 필드 내에서 이차적인 광 패턴 영역과 관련된 광 검출 신호를 모니터링하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 신호의 타이밍 및/또는 강도 뿐만 아니라 특정 개별 (또는 하위 그룹) 검출기 (1012A)가 홀로그래픽 핑거프린트의 광을 검출하는 타이밍 및/또는 순서가 모니터링 될 수 있다. 이러한 모니터링은 시스템, 특히 SLM이 올바르게 작동하는지 평가하기 위한 증거를 제공하기 위해 수행될 수 있다. 광 검출기 (1012A) 또는 그에 연결된 제어기는, 예를 들어, 그레이팅이 홀로그래픽 재생 평면 주위로 홀로그래픽 재생 필드를 이동시켜 예상되는 동작과 감지된 시스템 동작 사이의 임의의 특이점을 검출하도록 적용될 때, 검출기 (1012A) 중 하나 이상으로부터의 신호 변화를 모니터링 할 수 있다.
도 10a의 예에서, 광 검출기 (1012A)는 1 차 (0, -1) 홀로그래픽 재생 필드의 전체 폭에 걸쳐 제공된다. 따라서, 1 차 홀로그래픽 재구성은 검출기 (1012A)에 의해 전체적으로 검출될 수 있다.
도 10b는, 광 검출기 (1012B)가 1 차 (0, -1) 홀로그래픽 재생 필드의 일부에만 제공된다는 점을 제외하고는, 도 10a의 배치예과 매우 유사한 대안적인 배치예를 도시한다. 따라서, 1 차 홀로그래픽 재구성의 일부만이 검출기 (1012B)에 의해 검출될 수 있다. 그러나 이는, 많은 경우에서, 시스템 기능에 대한 안정적인 모니터링을 제공하기에 충분할 수 있다.
도 10c는 광 검출기 (1012C)가 SLM (미도시)과 홀로그래픽 재생 평면(1014) 사이에서 ( 축을 따라) 연장되며 음의 1 차 (0, -1) 홀로그래픽 재생 필드를 형성하는 광 콘 (1010) 내에서, 홀로그래픽 재생 평면 (1014)에 실질적으로 수직인 평면 (1011)을 따라서 배열된다는 점을 제외하고는 도 10a 및 10b의 배열과 매우 유사한 또 다른 대안 배열을 보여준다. 따라서, 1 차 홀로그래픽 재구성은 도 10c의 광 검출기 (1012C)에 초점을 맞추지 않을 것이다. 그럼에도 불구하고, 이들 광 검출기 (1012C)의 위치에서의 광은 조명된 홀로그램에 대한 핑거프린트 또는 식별자로서 작용할 수 있다. 따라서 이러한 광 검출기 (1012C)로부터의 광 신호는 많은 경우에 시스템의 기능에 대한 신뢰할 수 있는 모니터링을 제공하기에 충분할 수 있다.
통상의 기술자에게 알려져 있는 바와 같이, 홀로그램 조명 시 형성되는 1 차 홀로그래픽 재구성은 기본적으로 0 차 홀로그래픽 재구성의 재현이다. 따라서 1 차 홀로그램을 복원하는 것은 일반적으로 0 차 홀로그램을 복원하는 것을 나타내는 식별자 또는 핑거프린트로서, 특정 홀로그램이 올바르게 조명 되었는지 여부에 대한 지표로서 매우 신뢰할 만한 것이다. 1 차 홀로그래픽 재구성의 강도는 0 차 홀로그래픽 재구성에 비해 sinc2 포락선(envelope) 만큼 감소한다. 따라서, 1 차 홀로그래픽 재구성에서 광 신호를 검출하기 위한 하나 이상의 광 검출기의 감도는 상대적으로 높아야 한다.
따라서, 일부 실시예에서, 대응하는 홀로그램이 계산되기 전에, 별도의 마커 또는 핑거프린트가 타겟 이미지에 도입되지 않는다. 대신, 메인 이미지의 일부에 대한 고차 복제물 (즉, 제1 광 패턴 영역의 일부에 대한 고차 복제물)이 핑거프린트로 사용된다. 예를 들어, 제 1 광 패턴 영역 내에 포함된 메인 이미지는 도 8a 내지 8d에 도시된 광 스폿 어레이 일 수 있다. 특정 고차 재생 필드의 어떤 부분을 모니터링 해야하는지에 대한 선택이 이루어질 수 있으며, 이에 따라 광 검출기가 배치된다. 예를 들어, 포토 다이오드 (801, 802, 803, 804)는 (0, -1) 재생 필드에서 광 스폿의 최상단 행 (또는 최상단의 2 개 행)의 고차 복제물에 정렬될 수 있다. 이후, 시스템은, 다른 실시예와 관련하여 상술 한 바와 같이, 하나 이상의 기대치와 비교하여 광 검출기로부터의 신호를 모니터링 할 수 있다.
홀로그램 핑거프린트로 작동하기 위해, 고차 재생 필드 (일부)를 사용하는 것은 전용 핑거프린트가 실제로 주 이미지에 통합될 필요가 없다는 것을 의미하기 때문에 이점을 가진다. 따라서 본 명세서에 기술된 방법이 단순화된다. 또한 핑거프린트를 추가하는 것은 본질적으로 사용 가능한 빛을 필요로 하기 때문에 광학적으로 효율적이지고, 한편, 픽셀화된 디스플레이 장치의 홀로그램 (또는 격자)이 조사될 때 고차 재생 필드가 기본적으로 생성된다. 따라서 홀로그래픽 재구성을 모니터링하는 데 1 차 빛을 사용하면 광학 전력이 낭비되지 않는다. 따라서 이러한 모니터링은 제로 전력 손실 방법으로 설명될 수 있다.
통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 각각의 0 차 홀로그래픽 재구성에 대해 네 개의 다른 1 차 홀로그래픽 재구성이 있고 - 이는 두 방향 (예: 및 방향)에서 각각 음수 및 양수임-. 4 개의 서로 다른 1 차 홀로그래픽 재구성은 SLM이 포함된 시스템의 광학 설정에 따라 서로 다른 강도를 가질 수 있다. 그러므로 제어기 또는 프로세서는 광 신호를 모니터링하기 위해 4 개의 1 차 홀로그래픽 재생 필드 중 어느 것이 검출기 (또는 복수의 검출기)에 위치해야 하는지를 결정하도록 구성될 수 있다. 실시예에서, 제어기는 모든 격자 위치에 대해 평균적으로 가장 밝은 1 차 재생 필드인 고차 재생 필드를 모니터링하도록 배열된다.
도파관 동공 /관찰 윈도우 확장기
본 명세서에 설명된 방법 및 시스템은 예를 들어 차량 내비게이션 시스템의 일부를 형성하는 LIDAR 시스템에서와 같이 다양한 상이한 홀로그래픽 투영 시스템에서 구현될 수 있다. 통상의 기술자에게 알려진 홀로그래픽 프로젝션 시스템의 한 유형의 예는 직접관찰 헤드 업 디스플레이 (HUD) 시스템이다. 이러한 시스템에서 광학 장치는 운전자 (즉, 관찰자)가 확산 장치없이 SLM을 효과적으로 직접 볼 수 있도록 구성된다. 따라서 운전자의 눈 손상을 방지하고 주어진 시간에 너무 많은 빛으로 운전자의 운전 능력을 손상시킬 수 있는 '눈부심'을 방지하기 위해 SLM이 올바르게 작동하는지 확인하는 안전이 필수적이다.
헤드 업 디스플레이 (HUD)와 같은 홀로그래픽 프로젝션 시스템에서는 아이 박스 영역 또는 관찰 윈도우에 해당하는 출사 동공(exit pupil)을 확장하는 것이 바람직하다. 특히, 시청자는 자신의 머리를 움직일 수 있어야하고, 아이 박스 / 시야 거리에서 제한된 영역 내의 모든 위치에서 완전한 이미지를 볼 수 있어야한다. 이것은 아이 모션 박스 (EMB), 아이 박스 또는 보다 일반적으로 관찰 윈도우로 알려져 있다. 따라서, 동공 확장기는 EMB 또는 관찰 윈도우를 확대하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 동공 확장기는 입사 파면의 진폭을 분할하여 추가 광선을 생성하여 EMB를 확대한다.
도 11은 도파관을 포함하는 예시적인 동공 확장기를 도시한다. 이 예에서, 도파관은 두 개의 반사 표면을 포함하지만 다음 설명은 슬래브(slab)의 상단 표면과 하단 표면 사이의 내부 반사에 의해 슬래브 내부에서 빛을 안내하는 슬래브 구성에도 동일하게 적용된다. 도파관의 일반적인 원리는 당 업계에 알려져 있으며 여기에서 자세히 설명하지 않는다. 도파관은 내부 반사에 의해 한 쌍의 평행 반사 표면 사이에서 레이어 내의 빛을 안내한다. 동공 확장기는 제 1 단계형(graded)/부분 반사 표면 (1120) (예를 들어, 거리에 따라 다양한 반사율을 갖는 단계형 거울) 및 제 2 완전 반사 표면 (1110) (예를 들어, 실질적으로 100 % 반사율을 갖는 거울)을 포함하는 도파관으로부터 형성된다. 특히, 제 1 반사 표면 (1120)은 슬래브의 길이를 따라 감소하는 반사 코팅을 포함한다. 이 층은 유리 또는 퍼스펙스(Perspex )일 수 있다. 따라서 도파관은 유리 또는 퍼스펙스(Perspex )블록 또는 슬래브 일 수 있다. 제 1 반사 표면은 유리 블록의 제 1 표면 일 수 있고, 제 2 반사 표면은 유리 블록의 제 2 표면 일 수 있으며, 여기서 제 1 표면은 제 2 표면에 대향하고 평행하다. 대안적으로, 층은 공기 일 수 있고 제 1 및 제 2 반사 표면은 별도의 구성 요소로서, 예를 들어, 내부 반사에 의해 빛이 전파되는 에어 갭을 형성하도록 공간적으로 분리된 제 1 및 제 2 미러 일 수 있다.
따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 입력 광을 포함하는 (사진 (즉, 사진 / 이미지의 광 또는 단순히 사진) 또는 홀로그램으로 인코딩된 공간 변조 광을 포함 할 수 있는 공간 변조 광을 포함 할 수 있는) 입력 광 빔 (1102) 광선은 입력 포트를 통해 도파관으로 들어간다. 도파관은 입력 포트에서 수신된 광을 관찰 윈도우로 안내하도록 배열된다. 예시된 배치예에서, 입력 포트는 도파관의 일 단부 근처의 제 1 부분 반사 표면 (1120)에 있는 갭을 포함하지만, 입력 포트에 대한 다른 위치에도 있을 수 있다. 관찰 윈도우는 본 명세서에서 설명된 대로 관찰자가 이미지를 볼 수 있는 영역 또는 공간 볼륨(volume)이다. 입력 광선 (1102)의 입사각은 광선이 제 1 부분 반사 표면 (1120) 및 제 2 완전 반사 표면 (1110)에 의한 내부 반사로 인해 도파관의 길이를 따라 전파 되도록 한다. 예시적인 광선이 도 11에 도시되어 있다. 제 1 반사 표면 (1120)의 단계적인(graded) 반사율로 인해, 일 비율의 광이 제 1 반사 표면 (1120)에 의해 투과되어 복수의 출력 광선 (1104a-f) (여기서는 입력 광선을 복제하기 때문에 "복제물"이라고 함)이 도파관의 길이를 따라 제공된다. 따라서, 제 1 반사 표면 (1120)은 관찰 표면을 형성한다. 동공 (또는 관찰 윈도우)은 도파관에 의해 형성되는 복제물에 의해 확장된다. 특히, 도파관의 길이를 따라 복수의 복제물 (1104a-f)을 형성함으로써, 관찰 윈도우의 크기가 증가된다. 각각의 복제물 (1104a-f)은 입력 광선 (1102)의 진폭 (강도 또는 밝기)의 비율에 대응한다. 각 복제anf (1104a-f)이 실질적으로 동일한 진폭을 갖도록 도파관의 길이를 따라 제 1 반사 표면 (1120)의 반사율dl 감소(또는 반대로 투과율 증가)하도록 단계화하는 것(grading)이 바람직하다. 따라서, 제 1 반사 표면 (1120)으로부터의 시야 거리에 있는 아이 박스에서 우측 관찰자 눈 (1130R) 및 좌측 관찰자 눈 (1130L)을 갖는 관찰자는 화살표 (1140)로 도시된 바와 같이 확장된 관찰 윈도우 내의 임의의 위치에서 이미지를 볼 수 있다.
도 11에 도시된 도파관은 화살표 1140으로 도시된 바와 같이 광 빔이 도파관 내에서 전파되는 길이 방향에 대응하는 일차원으로 관찰 윈도우를 확장한다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이 관찰 윈도우를 필요한 경우 2 개의 직교 도파관을 사용하여 2 차원으로 확장하는 것이 가능하다.
도파관의 제 1 반사 표면 (1120)은 필요한 단계적인 반사율을 제공하기 위해 다수의 박막 (예를 들어, 25 개 이상의 박막)을 포함하는 코팅으로 코팅 될 수 있다. 특히, 전술 한 바와 같이, 이러한 박막 또는 유사한 코팅은 각각의 복제물 (1104a-f)의 밝기 (광선 강도)가 실질적으로 일정하도록 전파 거리와 함께 감소하는 반사율을 제공하여 투과율을 증가시킬 필요가 있다. 전파하는 광 빔의 진폭은 복제물 (1104a-f)의 출력 및 제 2 반사 표면 (1110)으로부터의 불완전한 반사와 같은 임의의 다른 광학 손실로 인해 전파 거리에 따라 감소한다. 따라서, 제 1 반사 표면 (1120)을 단계화하는 것은, 각각의 복제물 (1104a-f)이 실질적으로 동일한 강도를 가지도록 보장하면서 전파 거리에 따른 전파 광 빔의 강도 강하를 고려하여 보이는 이미지가 관찰 윈도우 전체 (즉, 모든 관찰 위치에서)에 걸쳐 균일 한 밝기를 갖도록 설계된다.
본 명세서에서 설명된 방법에 따르면, 도 11에 도시된 복수의 출력 광선(1104a-f)과 같은 도파관의 복제물 중 하나 이상은 홀로그래픽 재구성 내에서 빛을 모니터링하는 데 사용할 수 있고, 예를 들어, 홀로그램 핑거프린트의 존재 및/또는 하나 이상의 특성을 검출하기 위해 및/또는 그러한 핑거프린트의 존재 또는 부재를 나타내는 검출 신호를 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 복제물은 관찰 윈도우를 확장 할 뿐만 아니라 SLM과 같은 디스플레이 장치의 올바른 작동을 모니터링하여 관찰자를 눈 손상 및 눈부심으로부터 보호하는 데 사용될 수 있다.
도파관의 핵심 기능을 저해하지 않으면서 광을 모니터링하기 위해 적절한 위치에 하나 이상의 광 검출기가 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 예에서, 하나 이상의 포토 다이오드가 복제 광선 중 하나가 접촉 할 것으로 예상되는 지점에서 제 1 반사 표면 (1120) 또는 그 근처에 위치 할 수 있다. 도 11에 도시 되지 않았지만, 추가 복제 광선이 제공될 수 있는데, 이는 관찰 윈도우를 확장하기 위해 제 1 반사 표면 (1120)을 통과하지 않고 대신 광 검출기에 의해 실질적으로 흡수 (또는 편향 또는 다른 방식으로 차단)된다. 예를 들어, 이러한 추가 복제물은 도 11에 표시된 것처럼 복제물(1104f) 직후에 포함될 수 있다. 피드백 루프가 구현될 수 있으며, 이에 따라, 이전 도면들과 관련하여 전술한 바와 같이, 도파관에서 하나 이상의 검출기에 의해 출력된 신호가 레이저 광원의 후속 동작을 제어하는 데 사용될 수 있다.
도파관-HUD의 일부 배치예, 예를 들어 아래에서 상세히 논의되는 도 14의 배치예에서, 홀로그래픽 재구성은 관찰자의 눈의 망막에 도달 할 때까지 형성되지 않는다. 즉, 관찰자의 눈 렌즈가 홀로그래픽 재구성을 형성하는 푸리에 렌즈 역할을 한다. 이러한 배치예에서, 모니터링에 사용되는 복제 광선에만 작용하기 위한 푸리에 렌즈가 포함될 수 있다. 따라서 복제 광선은 도파관에서 추출되어 푸리에 렌즈를 통해 전파된 다음 하나 이상의 모니터링 포토 다이오드를 향해 이동할 수 있다.
도 12는 사진의 빛 또는 홀로그램의 빛과 같은 입력 광(1210)을 수신하도록 배열된 입력 포트 (1201)를 포함하는 슬래브 도파관 (1200)을 도시한다. 슬래브는 공기보다 굴절률이 큰 재료로 만들어진다. 슬래브 (1200)로 수신된 광은 바닥면 (1203b)과 대향하는 상부면 (1203a) 사이의 일련의 내부 반사에 의해 안내된다. 하부 표면 (1203b)은 거울과 같은 실질적으로 완전 반사체 일 수 있고 상부 표면 (1203a)은 대체로 반사성 일 수 있다. 상부 표면 (1203a)은 광의 일부 투과를 허용 할 수 있다. 따라서, 빛은 일반적으로 내부 반사에 의해 슬래브를 따라 전파되지만, 상부 표면 (1203a)의 부분 투과율로 인해 광선의 일련의 복제물 (R0 내지 R7)이 형성된다. 도 12에 표시된 빛의 분할 (또는 광선의 복제)은 도파관의 출사 동공을 확장하는 기능을 한다. 광선 복제에 의해 달성된 동공 확장은 오른쪽 눈 (1230R) 및 왼쪽 눈 (1230L)을 가진 관찰자가 (화살표 1240으로 표시된 바와 같이) 사진의 빛을 수신하는 동안 계속해서, 즉, 여전히 그림 또는 홀로그램을 볼 수 있으면서, 관찰 윈도우 영역(또는 볼륨) 내에서 이동될 수 있게(화살표 1240으로 표시됨) 한다. 도 11을 참조하여 설명된 바와 같이, 상부 표면의 반사율은 입력 포트로부터의 거리에 따라 감소하므로 각 복제본의 강도 (Ro to R7)는 실질적으로 동일하다. 상부 표면 (1203a)의 소위 단계적인 반사율은 다층 유전체 코팅에 의해 제공될 수 있다. 실제로 고품질 디스플레이, 특히 풀 컬러 디스플레이를 위해 적절한 유전체 코팅을 제작하는 것은 어렵다.
도 11과 관련하여 위에서 상세히 설명된 바와 같이, 본 명세서에서 설명된 방법에 따라, 하나 이상의 광 검출기가 도 12의 도파관에 포함될 수 있다. 예를 들어, 광을 제공 할 목적을 갖는 추가 복제 광선이 제공될 수 있고, 이는 SLM의 작동을 모니터링하고 관찰자의 눈의 안전과 편안함을 보장하기 위해 포토 다이오드 또는 기타 감지기에 신호를 보낸다.
본 개시는 또한 슬래브에 기초한 개선된 도파관을 제공한다. 의심의 여지를 없애기 위해, 본 개시에 따른 예시적인 시스템 구성을 예시하는 도 13 및 14는 단지 예로서 반사 코팅을 갖는 슬래브가 아니라 2 개의 거울에 의해 형성된 도파관을 도시한다. 광 굴절의 효과는 명료성을 위해 도면에 완전히 설명되어 있지 않지만, 당업자에 의해 잘 이해될 것이다.
제1 예시 시스템
도 13은 제 1 예시 시스템 구성에 따라 도파관 동공 확장기를 형성하는 도파관을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 도시한다. 도 13 및 도 14는, 단지 예시로서, 컬러 프로젝션 시스템을 참조하며, 본 개시는 단색 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다.
홀로그래픽 디스플레이 장치는 제 1 화상 ("제 1 이미지"라고도 함) 및 제 2 화상 ("제 2 이미지"라고도 함)을 형성하도록 배열된 화상 생성 유닛을 포함한다. 제 1 단일 컬러 채널 ("제 1 디스플레이 채널"이라고도 함)이 제 1 화상을 형성하도록 배열되고 제 1 광원 (1310), 제 1 콜리메이팅 렌즈(collimating lens) (1312) 및 제 1 다이크로익 미러(dichroic mirror) (1314)를 포함한다. 제1 다이크로익 미러 (1314)는 제1 파장의 광을 공통 광 경로를 따라 반사하여 공간 광 변조기 (SLM) (1340)를 조명하도록 배열된다. 광의 제 1 파장은 제 1 컬러 (예를 들어, 적색)의 제 1 디스플레이 채널에 대응한다. 제 2 단일 컬러 채널 ("제 2 디스플레이 채널"이라고도 함)이 제 2 화상을 형성하도록 배열되고 제 2 광원 (1320), 제 2 시준 렌즈 (1322) 및 제 2 미러 (1324)를 포함한다. 제 2 미러 (1324)는 공통 광 경로를 따라 제 2 파장의 광을 반사하여 SLM (1340)을 조명하도록 배열된다. 광의 제 2 파장은 제 2 컬러 (예를 들어 녹색)의 제 2 단일 컬러 채널에 대응한다. 다른 실시예에서, 화상 생성 유닛은 제 3 화상을 형성하도록 배열된 제 3 단일 컬러 / 디스플레이 채널 (제 1 및 제 2 채널에 대응)을 포함 할 수 있으며, 여기서 제 3 컬러 채널은 제 3 컬러의 광의 파장 (예를 들어, 푸른색)에 대응한다. 예시된 실시예에서, SLM (1340)은 제 1 및 제 2 파장 모두의 광에 의해 조명되는 광 변조 픽셀 (예를 들어, LCOS)의 단일 어레이를 포함한다. 다른 실시예에서, SLM (1340)은 각각의 제 1 및 제 2 파장의 광에 의해 조명되는 광 변조 픽셀의 개별 어레이를 포함 할 수 있다.
홀로그래픽 디스플레이 장치는 화상 생성 유닛을 제어하도록 배열된 홀로그래픽 제어기 (1302)를 더 포함한다. 제1 화상에 대응하는 제1 컬러의 제1 공간 변조된 광은 SLM (1340)에 의해 출력되어 스크린 또는 확산기와 같은 수광면(light receiving surface) (1370) 상에 제 1 단색 이미지 (예를 들어, 적색 이미지)를 형성한다. 제 1 단색 컴퓨터 생성 홀로그램은 홀로그램 제어기 (1302)에 의해 계산되고, 예를 들어 디스플레이 드라이버 (1342)에 의해 SLM (1340)에서 인코딩된다. SLM (1340)은 제 1 홀로그램을 표시하고 제 1 컬러/디스플레이 채널로부터 온 제 1 컬러의 광에 의해 조명되어 재생 평면에 위치된 수광면 (1370) 상에 제 1 홀로그래픽 재구성을 형성한다. 유사하게, 제 2 화상에 대응하는 제 2 컬러의 제 2 공간 변조된 광은 SLM (1340)에 의해 출력되어 수광면 (1370) 상에 제 2 단일 컬러 이미지 (예: 녹색 이미지)를 형성한다. 제 2 단일 컬러 컴퓨터 생성 홀로그램은 홀로그램 제어기 (1302)에 의해 SLM (1340) 상에 인코딩된다. SLM (1340)은 제 2 홀로그램을 표시하고 제 2 컬러/디스플레이 채널로부터 온 제 2 컬러의 광에 의해 조명 되어 재생 평면에서 수광 표면 상에 제 2 홀로그래픽 재구성을 형성한다.
예시된 배치예에서, 빔 스플리터 큐브 (1330)는 SLM (1340)에 대한 입력 광과 SLM (1340)에 의해 출력되는 공간 변조된 광을 분리하도록 배열된다. 푸리에 렌즈 (1350) 및 미러 (1360)는 수광면(1370)으로 출력되는 공간 변조 광의 광학 경로상에 제공된다. 이는 수광면 (1370) 상에 제 1 / 제 2 화상이 형성된다고 볼 수 있다. 제 1 / 제 2 화상은 각각의 제 1 / 제 2 홀로그램의 제 1 / 제 2 홀로그래픽 재구성이다. 따라서, 제 1 및 제 2 화상을 결합한 수광면 (1370) 상에 합성 컬러 화상이 형성될 수 있다. 프로젝션 렌즈 (1380)는 수광면 (1332)에 형성된 제 1 및 제 2 영상을 도파관 (1390)의 형태를 갖는 동공 확장기의 입력 포트에 투사하도록 배열된다. 관찰자(1308)는 확장된 아이 박스로부터 온 화상의 확대된 이미지를 볼 수 있고, 여기서, "관찰 윈도우(viewing window"는 프로젝션 렌즈 (1380)의 광학 파워에 기인하여 도파관 (1390)에 의해 형성된다. 도파관 (1390)은 도 11을 참조하여 전술한 바와 같이 제 1 및 제 2 반사 표면에 의해 분리된 광학적으로 투명한 매체를 포함한다. 따라서, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 "비직접 관찰" 구조(indirect view configuration)를 가지며, 즉, 관찰자는 홀로그래픽 재구성을 직접 보지 않고 수광면 (1370) 상에 형성된 화상을 본다.
다른 예시적인 구현예에서, 각각의 단일 컬러 홀로그램을 디스플레이하도록 구성된 3 개 이상의 디스플레이 채널이 제공될 수 있다. 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색의 단색 홀로그램을 각각 표시하여 풀 컬러 합성 이미지 / 화상을 형성 할 수 있다. 본 발명은 단지 하나의 컬러 채널을 포함하는 임의의 수의 단일 컬러 채널을 포함하는 화상 생성 유닛을 사용하여 구현될 수 있다.
제2 예시 시스템
도 14는 제 2 예시 시스템 구성에 따른 도파관 동공 확장기를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 도시한다.
도 14에 예시된 홀로그래픽 디스플레이 시스템은 도 13의 홀로그래픽 디스플레이 시스템과 유사하지만 공간 광 변조기와 관찰 평면 사이에 스크린이 없다는 특징이 있다. 도 13의 구성 요소와 유사한 도 14의 구성 요소에는 유사한 참조 번호가 사용되며, '13'대신'14'로 시작한다. 제 1 디스플레이 채널은 재생 평면에 위치하는 수광면 상에 제 1 이미지 (예를 들어, 적색 이미지)를 형성하도록 배열된다. 단색인 제 1 컬러 컴퓨터 생성 홀로그램은 홀로그램 제어기 (1402)에 의해 SLM (1440)에서 인코딩된다. SLM (1440)은 제 1 홀로그램을 표시하고 제 1 컬러 채널로부터의 광에 의해 조명 되어 수광면 상에 제 1 홀로그래픽 재구성을 형성한다. 유사하게, 제 2 디스플레이 채널은 수광면 상에 제 2 이미지 (예를 들어, 녹색 이미지)를 형성하도록 배열된다. 단색인 제2 컴퓨터 생성 홀로그램은 홀로그램 제어기 (1402)에 의해 SLM (1440)에서 인코딩된다. SLM (1440)은 제2 홀로그램을 표시하고 제2 컬러 채널로부터의 광에 의해 조명 되어 재생 평면에서 수광면에 제2 홀로그래픽 재구성을 형성한다.
홀로그래픽 디스플레이 장치는 SLM (1440)으로의 입력 광과 출력 광을 분리하도록 배열된 빔 스플리터 큐브 (1430)를 더 포함한다. 그러나, 도 13과 대조적으로, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 직접 관찰(direct view) 시스템이다. 예시된 배치예에서, 렌즈 (1450)는 SLM (1440)에 의해 출력되는 공간적으로 변조된 광의 광학 경로에 위치한다. 렌즈 (1450)는 선택 사항이다. 관찰자(1408)는 공간 광 변조기로부터 공간적으로 변조된 광을 직접 볼 수 있다. 일부 실시예에서, 전술 한 바와 같이, 관찰자의 눈의 수정체는 눈의 망막에 홀로그래픽 재구성을 형성한다. 이들 실시예에서, 관찰자는 홀로그램으로 인코딩된 공간적으로 변조된 광을 수신한다고 볼 수 있다. 다른 실시예에서, 관찰자는 화상의 빛 또는 화상으로 인코딩된 빛을 수신한다. 화상은 자유 공간의 중간 면에 형성될 수 있다. 도파관 (1490)은 전술 한 바와 같이 제 1 및 제 2 반사 표면에 의해 분리된 광학적으로 투명한 매체를 포함한다. 따라서, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 "직접관찰" 구조를 가지며, 관찰자는 디스플레이 장치 (즉, 공간 광 변조기)를 직접 바라보며, 도 13의 수광 표면은 선택 사항이다.
다시, 도 13 및 14의 배치예들은 여기에 설명된 방법에 따라 SLM 1340 및/또는 SLM과 같은 SLM으로부터 방출된 광을 검출하기 위해 도파관 내에 하나 이상의 광 검출기를 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도파관 (1390) 또는 도파관 (1490)은 하나 이상의 복제 광선의 존재 또는 부재, 그리고, 선택적으로 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위해 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하도록 구성될 수 있다. 도파관 (1390, 1490)은 도 13 및 14에 도시 되고 위에서 설명된 것들에 추가하여 추가 복제 광선을 제공하도록 구성될 수 있으며, 여기서 추가 광선 또는 광선들은, SLM(1340, 1440)의 출력을 모니터링하기위해, 하나 이상의 적절한 광 검출기들에 의해 검출되고, 검출기는 각 시스템의 안전한 작동을 보장한다.
특정 예시들이 앞서 상세히 예시되어 설명되었지만, 다른 변형도 고려될 수 있다. 예를 들어, 도 7a및 7b에서 개구부 (746) 및 포토 다이오드 (748, 749)는 실질적으로 자유 공간(free space) 내 중간 홀로그래픽 재생 평면에 위치하는 것으로 도시 되고 설명되며, 여기서 초기 (또는 '원본' 또는 '중간') 홀로그래픽 재구성이 형성된다. 그러나, 일부 배치예에 따르면, 개구부 및 포토 다이오드는 SLM과 이미지 평면 사이에 선택적으로 존재하는 물리적 렌즈 (도 7a 및 7b에 도시된 이미징 렌즈 (756)와 유사)와 함께 이미지 평면에 대신 배치될 수 있다. 디퓨저와 같은 이미지 평면에 물리적 광학 부품이 있을 수 있다.
일부 배치예에 따르면 홀로그래픽 재생 평면을 방향으로 이동시키기 위해 물리적 렌즈가 포함될 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 재생 평면은 본 명세서의 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이 SLM과 이미징 렌즈 사이에 위치하지 않을 수 있다.
다른 배치예에서, 하나 이상의 검출기가 프로젝션 렌즈, 예컨대 도 7a 및 7b에 도시된 프로젝션 렌즈 (756)의 내부 표면에서 떨어져 홀로그래픽 재구성의 0 차 재생 필드 내에 포함된 구조화된 광의 산란(의 분포)을 이미징 및 / 또는 모니터링하기 위해 구현될 수 있다. 그러한 검출기는 빛이 "안전한"분포인지에 대한 증거를 모니터링 할 수 있으며, SLM의 안전 또는 작동의 지표로서, 그 조사가 홀로그래픽 재구성을 형성한다.
SLM의 안전한 작동을 결정하기 위해 빛을 모니터링하는 데 사용되는 하나 이상의 빛 감지기 또는 포토 다이오드는 다른 기능을 가질 수도 있다. 예를 들어, SLM이 올바른 콘텐츠를 표시하는지 여부를 모니터링하는 위에 설명된 예가 있지만, 하나 이상의 광 검출 소자를 사용하여 레이저 광원에서 방출된 전력을 모니터링 할 수도 있다. 이것은 여기에 설명된 보호 방법이 레이저의 전력이 임계 값 미만이고 SLM이 광을 올바르게 분배하고 있는지 모두 모니터링 할 수 있게 한다.
예를 들어, 일부 배치예에서 LIDAR 비행 시간 측정을 위한 시간 트리거로서 하나 이상의 포토 다이오드 측정값을 사용할 수 있다. 즉; 포토 다이오드는 SLM에서 방출된 (예를 들어, 반사된) 빛의 "전송"경로에 위치하므로 포토 다이오드에 의해 기록된 신호의 시간 기호(time signature)를 사용하여, SLM을 떠나 장면에서 다시 반사되어 LIDAR 시스템의 장면 감지기로 오게 될 광의 펄스 시간을 기록하는 "클럭 시작(start the clock)"을 할 수 있다. 통상의 기술자라면, 현재 "클럭 시작" 트리거는 나가는 빛의 시간을 직접 측정하는 대신 레이저 펄스를 구동하는 전자 장치에서 얻어질 수 있음을 인지할 것이다. 따라서 전송 경로를 따라 포토 다이오드 신호의 타이밍을 사용하면 LIDAR 시스템 측정 및 관찰의 전체 정확도가 향상될 수 있다.
따라서, 예를 들어 LIDAR 시스템 내에서 SLM이 안전하고 올바르게 작동하는지 확인하고 관찰자의 눈의 안전이나 편안함 또는 운전 안전을 위험에 빠뜨리지 않도록 SLM에 대한 모니터링을 제공하는 방법 및 시스템이 본 명세서에서 기술된다.
본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 LIDAR 시스템에서 장면 조명의 매우 안정적인 모니터링을 가능하게 할 수 있다. 이는 예를 들어 홀로그래픽 재구성의 특성(또는 홀로그래픽 재구성의 이미지)이 주변 온도에 따라 변하기 쉬운 경우에 특히 유용 할 수 있다. 그러한 상황에서; 홀로그래픽 재구성의 실제 특성 및/또는 실제 감지 신호를 정확하고 면밀히 모니터링함으로써 그 특성에 대한 결정을 내릴 수 있으므로 시스템에 대한 후속 조명 패턴을 설정하거나 수정하기 위해 적절한 선택을 할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 시스템 및 방법은 간단하고 상대적으로 저렴한 방식으로 제공될 수 있다. 개구부 및 하나 이상의 광 검출기의를 포함하는 것은 기존 광학 장치 및/또는 향후의 광학 장치에서 쉽게 구현될 수 있다. 더욱이, 하나 이상의 광 검출기로부터의 신호 모니터링 및 이에 따라 제어 신호의 발행은 과도한 계산 부담 없이 기존 제어기 또는 기타 프로세서에 의해 쉽게 수행될 수 있다.
추가 특징들
실시예들은 단지 예시로서 전기적으로-활성화된 LCOS 공간 광 변조기를 참조한다. 본 개시의 가르침들은, 예를 들어, 임의의 전기적으로-활성화된 SLM, 광학적으로-활성화된 SLM, 디지털 마이크로미러 장치(digital micromirror device) 또는 마이크로전자기계 장치(microelectromechanical device)와 같은 본 개시에 따라 컴퓨터-생성 홀로그램을 디스플레이 할 수 있는 어떠한 공간 광 변조기에서도 동일하게 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 광원은 레이저 다이오드와 같은 레이저이다. 일부 실시예에서, 수광 표면은 디퓨저(diffuser)와 같은 디퓨저 평면 혹은 스크린이다. 본 발명의 홀로그래픽 프로젝션 시스템은 개선된 헤드-업 디스플레이(head-up display: HUD) 또는 헤드-마운트 디스플레이를 제공하는 데에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, HUD를 제공하기 위해 차량에 설치된 홀로그래픽 프로젝션 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 차량은 자동차, 트럭, 밴, 화물차, 오토바이, 기차, 비행기, 보트 또는 선박과 같은 운송 수단일 수 있다.
예시들은 가시 광으로 SLM을 조사하는 것을 설명하지만, 통상의 기술자라면 광원 및 SLM이 예를 들어 본 명세서에 개시된 바와 같이 적외선 또는 자외선 광을 지향(direct)하는 데 똑같이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 통상의 기술자라면 정보를 사용자에게 제공하기 위해 적외선 및 자외선 광을 가시 광으로 변환하는 기술을 인지하고 있을 것이다. 예를 들어, 본 개시는 이러한 목적을 위해 인광체(phosphors) 및/또는 양자점(quantum dot) 기술을 사용하는 것으로 확장된다.
일부 실시예들은 단지 예시로서 2D 홀로그래픽 재구성들을 설명한다. 다른 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성은 3D 홀로그래픽 재구성이다. 즉, 일부 실시예에서, 각각의 컴퓨터-생성 홀로그램은 3D 홀로그래픽 재구성을 형성한다.
본 명세서에 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(solid-state memory chip), 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 실시예에서, 실행을 위한 명령어는 캐리어 매체에 의해 전달될 수 있다. 이러한 캐리어 매체의 예는 일시적인 매체(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.
첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.

Claims (20)

  1. 홀로그래픽 프로젝터에 있어서,
    프로젝션을 위한 광 패턴의 홀로그램을 표시하고 광을 공간적으로 변조하여 타겟 이미지와 관련된 제1 광 패턴 영역 및 홀로그래픽 핑거프린트와 관련된 제2 광 패턴 영역을 포함하는 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 배열된 공간 광 변조기로서, 상기 홀로그래픽 재구성은 상기 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리되는, 공간 광 변조기;
    홀로그래픽 재구성의 상기 제2 광 패턴 영역의 복수의 위치들 중 각각의 복수의 위치 각각에 대응하는 광을 검출하도록 배열된 각 광 검출 소자, 및 광 검출과 관련된 개별적인 복수의 출력 신호를 제공하도록 추가로 배열된 복수의 광 검출 소자를 포함하는 검출기 어레이; 및
    광 패턴의 광 분포를 기초로 복수의 광 검출 소자 각각으로부터의 복수의 출력 신호들 중 하나 이상을 복수의 기대 신호 중 하나 이상과 비교하도록 배열된 결함 검출 회로를 포함하는,
    홀로그래픽 프로젝터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 결함 검출 회로는 복수의 검출 소자 각각으로부터의 하나 이상의 출력 신호와 상기 하나 이상의 기대 신호 사이의 차이를 식별하는 경우, 추가 광 프로젝션를 변경하거나 방지하도록 배열되는 홀로그래픽 프로젝터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 결함 검출 회로는 식별된 차이가 허용 값보다 큰 경우에만 추가 광 프로젝션을 변경하거나 방지하도록 배열되는 홀로그래픽 프로젝터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 기대 신호 중 하나 이상은 시간에 따라 변하는 홀로그래픽 프로젝터.
  5. 제 1 항에 있어서, 프로젝션을 위한 일련의 광 패턴 중 각각의 광 패턴은, 한 번에, 복수의 검출 소자 중 하나의 검출 소자 만이 홀로그래픽 재구성의 광을 수신하도록 구성되는 홀로그래픽 프로젝터.
  6. 제 1 항에 있어서, 프로젝션을 위한 일련의 광 패턴 중 각각의 광 패턴은, 광을 수신해야하는 검출 소자 또는 검출 소자들의 특정 조합이 일련의 광 패턴들 중 각각의 연속적인 광 패턴으로 변화하도록 구성되는 홀로그래픽 프로젝터.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 광 패턴 영역은 상기 제1 광 패턴 영역과 상이한 홀로그래픽 프로젝터.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 광 패턴 영역은 상기 제1 광 패턴 영역으로부터 공간적으로 분리되는 홀로그래픽 프로젝터.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 검출 소자에 의해 각각 모니터링되는 상기 제2 광 패턴 영역의 복수의 위치의 각각의 위치는 0 차 홀로그래픽 재생 필드의 고차 반복 내에 있는 홀로그래픽 프로젝터.
  11. 제 10 항에 있어서, 고차 반복 내의 복수의 위치는 실질적으로 0 차 홀로그래픽 재생 필드에 인접하는 홀로그래픽 프로젝터.
  12. 제 1 항에 있어서, 광 패턴은 광 검출 및 거리 측정기(LIDAR)를 위한 광 스팟 어레이, 를 포함하는 홀로그래픽 프로젝터.
  13. 제 12 항에 있어서, 홀로그래픽 프로젝터는 스캐닝 기간 동안 홀로그래픽 재생 평면 상의 홀로그래픽 재생 필드를 시간 내에 이동 또는 변경하여 상기 광 스팟 어레이의 각각의 광 스팟이 상기 홀로그래픽 재생 평면의 복수의 상이한 위치를 효과적으로 차지하도록 배열된 LIDAR 제어기를 더 포함하고, 상기 스캐닝 기간동안 상기 광 스팟의 상이한 위치들로의 이동은, 복수의 상기 검출 소자에 의해 각각 모니터링되는 홀로그래픽 재구성의 제2 광 패턴 영역의 복수의 위치들에 연관되는, 홀로그래픽 프로젝터.
  14. 홀로그래픽 프로젝터의 동작을 모니터링하는 방법으로서, 홀로그래픽 프로젝터는:
    프로젝션을 위한 광 패턴의 홀로그램을 표시하고 광을 공간적으로 변조하여 타겟 이미지와 관련된 제1 광 패턴 영역 및 홀로그래픽 핑거프린트와 관련된 제2 광 패턴 영역을 포함하는 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 배열된 공간 광 변조기로서, 상기 홀로그래픽 재구성은 공간 광 변조기로부터 공간적으로 분리되는 공간 광 변조기;
    홀로그래픽 재구성의 상기 제2 광 패턴 영역의 복수의 위치들 중 각각의 위치에 대응하는 광을 검출하도록 배열된 각 광 검출 소자, 및 상기 광 검출과 관련된 복수의 출력 신호를 제공하도록 배열된 복수의 상기 광 검출 소자를 포함하는 검출기 어레이; 및
    결함 검출 회로를 포함하고,
    상기 방법은,
    공간 광 변조기에서 광 패턴의 홀로그램을 표시하는 단계;
    공간 광 변조기를 조명하여 광 패턴의 홀로그래픽 재구성을 형성하는 단계,
    검출기 어레이에서 홀로그래픽 재구성의 상기 제2 광 패턴 영역 중 하나의 위치 각각에 대응하는 광 신호를 검출하는 단계;
    결함 검출 회로에서, 홀로그래픽 재구성의 상기 제2 광 패턴 영역 중 하나의 위치 각각에 대응하는 검출된 광 신호와 관련하여 검출기 어레이 내의 광 검출 소자로부터 출력 신호를 수신하는 단계; 및
    수신된 출력 신호를 광 패턴의 광 분포를 기초로 복수의 기대 신호 중 하나 이상과 비교하는 단계를 포함하는
    방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 결함을 검출하는 것은, 비교하는 단계의 결과, 수신된 출력 신호와 복수의 기대 신호 중 하나 이상 사이에 임의의 차이가 존재하는지 여부를 추가로 결정하는 것인 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 결함을 검출하는 것은, 차이가 존재하는 경우 허용 값보다 큰지 여부를 추가로 결정하는 것인 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 수신된 출력 신호와 상기 복수의 기대 신호 중 하나 이상 사이에 차이가 존재한다고 판단되거나, 허용 값보다 큰 차이가 존재한다고 판단되면, 추가 광 프로젝션을 변경하거나 방지하도록 상기 홀로그래픽 프로젝터를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 방법은 컴퓨터로 구현되는 것인 방법.
  19. 데이터 처리 장치에 의해 실행될 때, 데이터 처리 장치가 제 14 항에 따른 방법을 수행하게 하도록 하는 명령어를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  20. 제 19 항에 따른 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
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