KR20100017871A - 제어 가능한 마이크로 셀의 배치를 가진 홀로그래픽 재구성 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 공간 광 변조 수단(SLM) 및 광학 포커싱 수단(LA)을 포함하며 장면의 오브젝트 광점(OLP)을 3차원 재구성하기 위한 것인 홀로그래픽 재구성 시스템으로서, 상기 공간 광 변조 수단은 조명 수단(LQ1-LQ4)의 간섭성 광파를 하나 이상의 비디오 홀로그램으로 변조하고, 상기 광학 포커싱 수단(LA)은 변조된 광파를 재구성된 오브젝트 광점(OPL)으로 관찰자 눈의 하나 이상의 눈 위치(EP_R, EP_L)에 대해 포커싱하는 것인 홀로그래픽 재구성 시스템에 관한 것이다. 시스템 제어 수단(SC)에 의해 제어 가능한 전자-광학 편향 수단(DM)은 변조된 광파를 재구성된 오브젝트 광점으로 하나의 이상의 눈 위치에 포커싱하고, 눈 위치의 변동시 이것을 트래킹한다. 본 발명에 따라, 상기 전자-광학 편향 수단은 별도로 제어 가능한 마이크로 셀들(DMC)로 구성된 가변 표면 릴리프 구조를 가진 제어 가능한 광학 회절 격자이다. 상기 마이크로 셀들은 서로 간격을 두고 하나의 그리드 내에 배치되며, 전기 제어 신호의 작용 하에 표면 릴리프 격자의 회절 스펙트럼 내의 광학 회절 효율을 변화시킨다.

광 변조 수단, 포커싱 수단, 조명 수단, 전자-광학 편향 수단, 오브젝트 광 점, 광학 회절 격자, 마이크로 셀.

Description

제어 가능한 마이크로 셀의 배치를 가진 홀로그래픽 재구성 시스템{HOLOGRAPHIC RECONSTRUCTION SYSTEM WITH AN ARRANGEMENT OF CONTROLLABLE MICROCELLS}

본 발명은 홀로그래픽 코드를 갖추며 광 변조 수단의 조명을 위한 조명 수단을 구비한 공간 광 변조 수단을 포함하고 하나의 장면을 3차원 재구성하기 위한 홀로그래픽 재구성 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 비디오 홀로그램의 시퀀스를 이용한, 이동된 장면의 실시간 재구성 또는 실시간에 가까운 재구성에 관한 것이다. 홀로그램 신호 프로세서는 비디오 홀로그램을 계산하고, 이를 공간 광 변조 수단의 변조 셀 구조 상에 인코딩한다. 상기 공간 광 변조 수단은 간섭성 광을 생성할 수 있는 조명 수단에 의한 조명시 하나 이상의 광 파면을 홀로그래픽 정보로 공간적으로 변조한다. 변조된 광 파면은 광파의 간섭에 의해 장면을 재구성하고 눈 위치를 향해 전파됨으로써, 하나 또는 다수의 관찰자가 재구성된 오브젝트 광점들을 장면의 3차원 재구성으로 인지할 수 있다. 즉, 재구성된 오브젝트 광점들은 눈 위치 앞에서 장면의 광학적 출현을 3차원으로 재생한다. 공간 광 변조 수단 내의 변조기 셀들의 낮은 해상도 및 비디오 홀로그램을 계산하기 위한 낮은 계산 부하를 갖는 재구성 시스템에서는, 포커싱 수단을 이용하여 변조된 광 파면을 수 밀리미터 내지 수 센티미터의 가시성 범위로 줄이는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 재구성은 하나의 변조된 파면으로 관찰자의 두 눈에 대해 동시에 가시화될 수 없다. 이 경우, 시차(parallax)에 있어서 상이한 여러 비디오 홀로그램들은 관찰자의 눈에서 시간 분할 또는 공간 분할 멀티플렉스로 처리될 수 있다.

광 변조 수단으로는, 예컨대 수백만 화소의 해상도를 가진 고해상도의 평면 광 변조기가 특히 적합하며, 이러한 광 변조기는 비디오 장치 및 TV 장치 또는 프로젝터용 디스플레이에 사용된다. 광 변조 수단은 변조기 셀의 중심들 사이의 간격, 소위 변조기-피치가 작을수록 더 큰 광 회절 각을 얻는다.

발명의 명칭이 "비디오 홀로그램 및 비디오 홀로그램의 재구성 장치(Videohologramm und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen)"인 국제 공개 WO 2004/044659에는, 텔레비전 및 비디오 기술로부터 공지된, 종래의 해상도를 가진 액정 디스플레이(LCD)를 공간 광 변조를 위해 사용하는 재구성 시스템이 공지되어 있다. 이 재구성 시스템은 조명 수단과 광 변조 수단 사이에 포커싱 수단을 포함한다. 이들 시스템은, 비디오 홀로그램에 대해 비교적 낮은 종래의 액정 디스플레이의 변조기 해상도로 공간 광 변조기와 눈 위치에 있는 가시성 범위 사이의 재구성 공간에서 홀로그래픽으로 재구성된 장면을 넓은 시야각 및 큰 공간 깊이로 양호한 해상도에서 하나 이상의 관찰자에게 가시화되도록 할 수 있다.

이러한 광 변조기의 한 가지 단점은, 변조기가 변조기 셀들의 비교적 작은 피치에도 불구하고 여전히 매우 작은 회절각을 갖기 때문에, 관찰자가 두 눈으로 재구성을 관찰할 수 없다는 것이다.

국제 공개 WO 2004/044659에 따른 재구성 시스템은 이에 따라 추가로 다수의 가시성 범위의 위치를 조정 및 트래킹하기 위한 가능성을 공개한다. 특히, 재구성 시스템은, 재구성의 인지를 위한 가시성 범위를 형성하는 광원 이미지들을 이동시키기 위해, 가동 거울 또는 다수의 상이하게 위치 설정 가능한 광원을 이용하여 시스템 광축에 대해 측방향으로 광원의 기계식 또는 전자식 오프셋을 실시한다.

트래킹 영역이 큰 경우, 광이 포커싱 수단을 통과할 때 야기되는 큰 수차는 공간적 장면의 재구성을 방해한다는 단점이 있다.

발명의 명칭이 "3차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치{Device for holographic reconstruction of three-dimensional scenes}"인 국제 공개 WO 2006/119920에서, 출원인은 재구성을 관찰하기 위한 눈 위치에서 광 변조기의 변조기 면에 비해 작은 하나 이상의 가시성 범위를 이용하는 홀로그래픽 재구성 시스템을 또한 개시하고 있다. 도 1은 종래 기술에 따른 시스템의 동작 원리를 도시한다.

매트릭스로서 배치되며 표면 방사 백라이트를 형성하고 간섭성 광원들(LQ1 …LQ8)의 어레이가 공간 광 변조기(SLM)의 변조기 면을 조명하고, 포커싱 수단 어레이(LA)는 기계식으로 서로 결합된 수렴 렌즈들과 같은 다수의 이미징 소자들을 포함한다. 포커싱 수단 어레이(LA)의 각각의 이미징 소자에는 간섭성 광을 방출할 수 있는 다수의 광원이 할당 배치됨으로써, 모두 함께 변조기 면을 조명하는 조명 유닛들의 번들이 형성된다. 이때 각각의 조명 유닛은 단지 변조기 면의 부분 영역 만을 투과한다. 조명 유닛 내에서 간섭성 광원들은, 스위칭 가능한 변조기 매트릭스(SM)에 의해, 포커싱 수단 어레이의 이미징 소자들이 각각 할당된 광원을 하나의 눈 위치에 이미징하도록 활성화된다. 따라서, 각각의 조명 유닛은 부분 광파를 변조기 면의 부분 영역을 통해 전달하고, 개별적인 부분 영역들을 통한 별도의 변조 후에, 부분 광파들이 중첩되어 하나의 눈 위치(EP_R)에서 하나의 공통 가시성 범위를 형성한다.

변하는 눈 위치에 대해 가시성 범위의 위치를 조정 및 트래킹하는 것은, 광 투과성 상태로 스위칭 가능한 변조기 셀들을 가진 추가의 스위칭 가능한 변조기 매트릭스(SM), 예컨대 소위 LCD-셔터 어레이에 의해 이루어진다. 시스템 제어 수단(SC)은 아이 파인더(EF)에 의해 검출된 현재 눈 위치(EP_R 또는 EP_L)에 따라, 포커싱 수단 어레이 각각의 이미징 소자에 대해, 간섭성 광을 위한 점 형태의 광 출구(Ⅰ 또는 Ⅱ)를 개방하고, 상기 이미징 소자는 상기 간섭성 광을 눈 위치에 포커싱한다. 이 경우, 광 투과성 모드로 스위칭된 변조기 셀들의 패턴이 생긴다. 현재 눈 위치의 측방향 변동시, 시스템 제어 수단(SC)이 광 투과성으로 스위칭된 변조기 셀들의 패턴을 상응하게 측방향으로 이동시킴으로써, 가시성 범위의 위치가 조절된다. 눈 위치의 축방향 변동시, 시스템 제어 수단(SC)이 광 투과성으로 스위칭된 상기 패턴의 변조기 셀들의 간격을 변화시킨다. 상기 국제 공개 공보는 광 파동장의 전술한 조정 및 트래킹 과정을 실시하기 위해, 이산 활성화 가능한 점 광원을 가진 스위칭 가능한 광원 어레이를 사용하는 것을 개시한다.

그러나, 이러한 해결책에 따라 광 파동장의 전파를 조절함으로써 가시성 범위의 위치를 조정하고 트래킹하는 과정은, 수차 및 높은 광 손실과 같은 여러 가지 단점을 갖는 것으로 나타났다.

출원인은, 발명의 명칭이 "장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 방법 및 프로젝션 장치(Projecktionsvorrichtung und Verfahren zur holographischen Rekonstruktion von Szenen)"인 국제 공개 WO 2006/119760에서, 광 변조기를 위해 수 센티미터 크기의 대각선을 가진 마이크로-디스플레이를 사용하는 홀로그래픽 프로젝션 시스템을 개시하고 있다. 이러한 장치는 간섭성 광을 초점 면에 이미징하는 이미징 수단을 포함하므로, 하나의 눈 위치에 대해 가시성 범위가 생긴다. 제 1 이미징 수단은 광 변조기에서 인코딩된 비디오 홀로그램을 확대하여 포커싱 재생 디스플레이에 이미징한다. 재생 디스플레이는 하나의 눈 위치에 비디오 홀로그램의 공간 주파수 스펙트럼을 이미징한다. 따라서, 가시성 범위로부터 재생 디스플레이까지의 시야를 가진 장면의 광학적으로 확대된 재구성이 넓은 시야각으로 가시화된다. 따라서, 가시성 범위는 비디오 홀로그램의 푸리에 평면에서 사용되는 회절 차수의 이미지이다. 전술한 재구성 시스템에서와 같이, 광 변조기는 재구성 공간이 제2 이미징 수단 후방으로 연장되도록 인코딩될 수 있다.

국제 공개 공보 WO 2006/119760에 설명된 프로젝션 시스템은 또한 특별한 실시예에 따라 가시성 범위 위치의 조정 및 트래킹을 위해, 기계식, 전기식 또는 광학식 조정 및 트래킹을 실시하는 제어 가능한 편향 수단을 포함한다. 편향 수단은 제1 이미징 수단에 인접하게 배치되어 프리즘과 같이 공간적 스펙트럼을 사실상 이 동시키거나, 또는 재생 디스플레이에 인접하게 배치되어 가시성 범위를 측방향으로 그리고 선택적으로 축 방향으로 트래킹하기 위해, 프리즘 기능과, 선택적인 렌즈 기능을 구현한다.

모든 상기 재구성 시스템들은 이산 변조기 셀 구조 및 홀로그래피 용례에 대해 비교적 낮은 해상도를 가진 광 변조 수단을 사용한다. 이산 변조기 셀 구조는 한편으로는 공지된 바와 같이 홀로그래픽 재구성이 하나의 회절 인터벌의 다른 회절 차수에서 주기적으로 반복됨으로써 시야 장애가 나타나게 할 수 있다. 다른 한편으로는 변조기 셀 구조의 전술한 피치들이 비교적 작은 회절 각을 야기하므로, 실제로 장애 없는 가시성 범위를 위해 수 밀리미터 내지 수 센티미터의 회절 차수가 제공된다. 따라서, 이러한 장치는 위치 검출 및 트래킹 모듈과 조합되는 것이 타당하다. 이러한 모듈은, 광파 트래킹 수단에 의해 변조된 광파를 현재 눈 위치로 향하게 하고, 가시성 범위의 위치를 눈 위치에 따라 조절하며 눈 위치의 변동시마다 이것을 트래킹한다.

예로서, 국제 공개 공보 WO 2004/044659에 설명된 재구성 시스템은 가시성 범위의 위치를 조정 및 트래킹하기 위한 광원의 이동을 개시한다. 특히, 이 시스템은 광원 어레이 내의 액티브 광원을 기계식으로 또는 전자식으로 시스템의 광축에 대해 측방향으로 이동시킨다.

모든 전술한 트래킹 시스템의 단점은, 트래킹 영역이 큰 경우 이미징 수단의 수차들이 공간적 장면의 재구성을 방해한다는 것이다. 이 수차들은, 눈 위치에 따라 광이 장면의 재구성을 위한 이미징 수단을 상이한 각도로 통과함으로써 발생된 다.

또한, 광원의 기계식 위치 설정이 필요하거나 또는 광원 위치의 전자식 제어의 경우에, 광원 어레이의 높은 공간 해상도가 필요하다. 이 경우, 광원 어레이는 이미징 수단의 어레이의 각각의 이미징 소자에 대해 다수의 점 광원을 포함해야 한다.

발명의 명칭이 "전기 습윤 셀(Electrowetting Cell)"인 국제 공개 WO 2004/099847에는 제어 가능한 전기 광학 셀, 소위 전기 습윤 셀이 공지되어 있다. 상기 셀들은 모세관 효과를 이용하고, 정전기 포텐셜로 액체의 표면 장력을 변화시켜 광학 굴절 특성을 제어하기 위해, 전기 습윤을 이용한다. 전기 습윤 셀은 전극들 사이에 소수성 액체, 예컨대 오일 및 물로 채워진 커패시터를 기본적으로 포함하고, 전극들 중 하나는 소수성 재료로 코팅된다. 전기장이 가해지지 않으면, 오일이 코팅된 전극 위에 막으로 놓이고, 전기장이 가해지면 물이 오일 막을 밀어내는데, 그 이유는 인가된 전기장이 수면에서 쌍극자의 분극을 중단시키기 때문이다. 셀은 1 제곱 밀리미터 미만의 표면적을 갖는 전자적으로 조절 가능한 광학 렌즈 및 프리즘 요소를 구현할 수 있다.

발명의 명칭이 "오토스테레오스코픽 디스플레이(Autostereoscopic Display)"인 국제 공개 WO 2004/075526에 따른 오토스테레오스코픽 이미지 재생 장치는 이미지 광점들을 트래킹 장치 없이 수평으로 다수의 방향으로 전달한다. 이미지 재생 장치는 백라이트를 구비하며, 상기 백라이트는 콜리메이트된 광을 방사하고, 이 광은 이미지 디스플레이 장치의 이미지 광점들을 통해, 다이믹하게 조절 가능한 편향 특성을 가진 광학 편향 소자 어레이를 향해 전파된다. 광학 소자들은 특히, 조절 가능한 렌즈 또는 마이크로 프리즘으로서 작동되며 다이내믹하게 조절 가능한 빔 제어를 실시하는 전기 습윤 셀이다. 관찰자의 현재 눈 위치에 대한 이미지 표시의 트래킹을 피하기 위해, 시스템 제어 수단이 조절 가능한 광학 편향 소자 어레이로 각각의 비디오 이미지 주기 동안 광의 방출각을 여러 번 변화시키고 이미지 디스플레이 장치에 대해서도 이미지 내용을 여러 번 변화시킨다. 각각의 비디오 이미지 주기 내에, 수평으로 서로 밀접하게 위치하는 100개 까지의 방출 방향들이 이미지 섹터의 형태로 공간 분할 멀티플렉스 및 시간 분할 멀티플렉스의 조합으로 처리됨으로써, 각각의 관찰자 눈은 트래킹이 없이 시차에 있어서 상이한 비디오 이미지들을 보게 된다. 광학 편향 소자들은 이미지 재생 장치에 의해 시간적으로 상이하게 변조된 빔을 서로 밀접하게 위치하는 다수의 이미지 섹터를 통해 선회시킨다. 상기 국제 공개 공보는, 시스템 제어 수단이 광학 편향 소자 어레이에 의해 변조된 간섭성 파동장을 편향시킬 수 있는 방식을 설명하는 어떠한 기술적 수단도 개시하지 않는다.

본 발명의 대상과는 달리, 국제 공개 WO 2004/075526은 오브젝트 광점을 관찰자 공간에서 3차원 배치로서 홀로그래픽으로 재구성하지 않는 오토스테레오스코픽 이미지 재생 장치에 관한 것이다. 재구성된 오브젝트 광점들 대신에, 오토스테레오스코픽 이미지 재생 장치가 변조기 면에 2차원 이미지를 조명 화소의 형태로 디스플레이하고, 상기 이미지들은 2개의 관찰자 눈에 대해 다수의 이미지 정보를 전달한다. 전술한 국제 공개 공보는 이미지 재생시 광 회절 및 광 간섭이 어떤 유 용한 기능을 한다는 것을 제시하지 않는다. 다이내믹하게 조절 가능한 빔 제어는 비가간섭성(incoherent) 광을 가진 빔 번들의 간단한 편향을 위해 설계되고, 편향된 광빔들 간의 간섭 조건에 대한 요구를 하지 않는다. 특히, 서로 인접한 빔 번들에 의해 기생 회절 차수의 광이 유입되지 못하도록 할 수 없다. 또한, 전기 습윤 셀들의 에지 영역에서의 비선형 투과 특성은 변조된 간섭성 광파의 전파에 영향을 줄 것이고, 재구성 시스템의 간섭 특성, 및 이에 따른 재구성의 질을 상당히 떨어뜨릴 것이다.

상기 국제 공개 공보는, 시스템 제어 수단이 광학 편향 소자의 어레이로 변조된 간섭성 파동장을 편향시킬 수 있고 기생 회절 차수의 영향이 방지되게 하는 어떠한 기술적 수단도 개시하지 않는다.

본 발명의 목적은 변조된 광파가 관찰자의 현재 눈 위치와 관계없이 트래킹 영역에서 재구성 시스템을 통한 거의 일정한 광로를 가짐으로써, 시스템의 광학 컴포넌트에 대한 요구가 최소화되고 재구성 시스템의 광로의 대부분이 장면의 재구성 전에 정적 상태에서 광파 전파의 보정에 포함될 수 있는, 광-전자 트래킹 방식 홀로그래픽 재구성 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 조정시 광 손실이 발생하지 않아야 하고 광파 트래킹의 광학 컴포넌트의 광학 전달 특성이 간섭성 발생을 위해 요구되는 엄격한 조건에 맞춰짐으로써, 3차원 장면의 오브젝트 광점들이 장면의 구조 내의 국부적 위치에서 에러 없이 그리고 가급적 오리지널에 충실한 광 강도 값들로 재구성되어야 한다. 광 변조 수단의 변조기 셀의 구조에 대해 광파 트래킹 수단을 정확하게 정렬할 필요가 없어야 한다.

본 발명은, 조명 수단의 간섭성 광파를 하나 이상의 비디오 홀로그램으로 변조하는 공간 광 변조 수단을 포함하며 장면의 오브젝트 광점을 3차원 재구성하기 위한 홀로그래픽 재구성 시스템에 관한 것이다.

광학 포커싱 수단은 변조된 광파를 재구성된 오브젝트 광점으로 관찰자 눈의 하나 이상의 눈 위치에 대해 포커싱하고, 시스템 제어 수단은 전자-광학 편향 수단에 의해, 포커싱되고 변조된 광파를 하나의 이상의 눈 위치로 향하게 하고, 눈 위치의 변동시 이것을 트래킹한다. 광 변조 수단은, 광파가 광파의 조정 및 트래킹과 관계없이 눈 위치 앞에 오브젝트 광점들을 재구성하도록 광파를 변조한다.

본 발명에 따라, 상기 전자-광학 편향 수단은 조절 가능한 마이크로 셀들을 가진 하나 이상의 편향 수단 어레이를 포함하고, 상기 편향 수단 어레이는, 이산적으로 조절 가능한 광 편향을 가지며 공지된 바와 같이 규칙적으로 구조화된 공지된 다수의 전기 습윤 셀을 포함한다.

편향 수단 어레이 내에 규칙적으로 구조화된 전기 습윤 셀들이 단지 수 마이크로 미터의 셀 피치를 가지면, 마이크로 셀 어레이는 가간섭성(coherent) 조명 하에서 가변 표면 릴리프 구조를 가진 제어 가능한 회절 격자와 같이 작용한다. 상기 회절 격자는 시스템 제어 수단에 의해 진폭 격자 구조 또는 바람직하게는 위상 격자 구조로서 조절될 수 있고, 상기 구조는 가간섭성 광을 주기적 회절 스펙트럼에서 다수의 회절 차수로 회절시킨다.

조절 가능한 위상 격자는 광학 회절 격자 하에서, 광학 회절 격자들이 광 진폭 대신에 광 위상에 영향을 준다는 장점을 갖는다. 따라서, 이상적인 위상 격자에서는 강도가 감소하지 않는다. 이상적인 경우, 광 손실이 나타나지 않는다.

다수의 회절 차수를 가진 주기적 회절 스펙트럼에서 가간섭성 광의 회절은, 이러한 전자-광학 편향 수단의 파동장에 대한 편향 각의 조절이 연속적으로 이루어질 수 없는 결과를 초래한다. 제어 전기장에 의해 조절 가능한 마이크로 셀의 프리즘 각이 변하면, 광 파동장의 개별 회절 차수에서 회절 효율이 변화된다. 즉, 강도의 분포가 격자 방정식에 의해 정해진 각에 대해 이루어진다. 프리즘 각의 변동, 즉 제어 전기장에 의해 조절 가능한 마이크로 셀에서 프리즘의 표면 경사는 개별적인 회절 차수에서 회절 효율의 변동에 상응한다. 즉, 광파의 전파는 이산적인 방향으로만 이루어지고, 이 방향들에서 강도는 변동될 수 있다.

조절 가능한 마이크로 셀의 이러한 격자 구조에서 각의 이산 스위칭에도 불구하고, 본 발명에 따른 재구성 시스템에서 상기 격자 구조는 간섭성 파동장에 대한 편향 각의 연속 조절을 위해 사용될 수 있다. 이를 위해, 시스템 제어 수단은 제어 전기장에 의해 프리즘 각을, 최대 회절 효율을 가진 격자 회절 차수가 현재 눈 위치의 목표 방향에 가장 가까이 놓이도록 조절하고 편향 수단 어레이의 가간섭성 조명의 입사각을 변화시킴으로써, 상기 격자 회절 차수가 목표 방향과의 편차를 극복하고 간섭성 파동장이 소정 눈 위치를 향하도록 구현한다.

연속 트래킹의 대안은, 이산 위상 이동 수단에 의해 광로에서 인접한 마이크로 셀들의 위상 전달 특성이 연속적으로 변화되고, 인접한 조절 가능한 마이크로 셀들이 통합되어 하나의 복합 셀을 형성함으로써, 격자에서 마이크로 셀의 격자 간격이 증가하는 것이다. 격자 간격의 변화에 따라 편향 각이 변화될 수 있다.

마이크로 습윤 셀의 단점은 편향 각이 커짐에 따라 상기 셀의 투과가 감소한다는 것이며, 그 이유는 산란 광의 양이 커지기 때문이다. 상이한 굴절률을 가진 광학 매체로 비스듬히 광이 입사할 경우, 상기 매체는 단지 광의 일부만을 투과시킨다. 입사각이 전반사의 각보다 크면, 광이 전혀 투과되지 않는다.

마이크로 셀에서 편향 각의 크기가 커짐에 따라 더 많은 산란 광이 생기며, 상기 산란 광은 다중 반사에 의해 기능을 떨어뜨리고 이에 따라 홀로그래픽 재구성에 부정적인 영향을 준다.

본 발명에 따르면, 마이크로 셀들의 측벽들은 광 트랩(light trap)으로서 반사된 산란 광을 흡수하도록 형성된다.

본 발명의 특별한 실시예에서, 가변 마이크로 셀의 측벽들은 소수성이며 전기 절연성이다. 소수성 층의 표면 거칠기는 필요한 습윤 특성을 제공한다. 측벽의 코팅을 위해 사용되는 재료는 바람직하게는 흡수성으로 구현된다. 흡수를 실시하기 위한 다른 특징은, 매우 얇은, 즉 예컨대 조명의 파장(λ)의 수분의 1인 소수성 층으로 측벽을 코팅하는 것이다. 이는 전극과 소수성 평면 사이에, 예컨대 필요한 습윤 특성을 갖지 않는 흡수성 재료를 제공할 수 있게 한다. 후자의 실시예는 예컨대, 다공성 플라스틱 재료에 의한 불충분한 전기 절연을 방지한다는 추가적인 장점을 갖는다.

전기 습윤 셀의 다른 단점은 상기 셀의 기능이 온도에 무시할 수 없을 정도로 상당히 의존한다는 것이다.

광학 재료의 굴절률은 온도에 의존한다. 즉, n = n(T). 오일은 예컨대 굴절률의 변화를 가지며, 이 변화는 고려되고 보상되어야 한다.

마이크로 셀의 온도 변화는 마이크로 셀을 채우는 재료의 굴절률(n)의 변화를 야기한다. 이는 셀을 통한 광의 광로를 변화시킨다. 결과적으로, 마이크로 셀의 온도 변화는 위상 특성 및 광의 전파각을 변화시킨다. 굴절률의 변화는 격자의 각각의 셀들의 표면을 가로질러 구현되는 위상 함수 곡선의 변화에 상응한다.

소정 트래킹 각을 구현하는, 회절 차수에 대한 회절 효율이 최대가 되도록 편향 수단 어레이가 조절되는 경우, 예컨대 몇 도 정도 온도가 변하면 개별 회절 차수의 회절 효율의 변화를 유발하며, 소정 트래킹의 방향으로 놓이지 않은 다른 회절 차수가 증가된 강도를 갖도록 야기하고, 이는 이상적인 홀로그램 재구성을 방해한다.

이러한 단점을 보상하기 위해, 본 발명에 따른 재구성 시스템은,

- 온도의 변화 또는 이로부터 초래되는 위상의 변화, 즉 광로 거리 모듈로 2π를 검출하고 보정하는 기술적 수단,

- 보정 테이블을 이용해서, 즉 예컨대 공지된 함수 n(T) 곡선을 이용해서 셀 어레이에 사용된 재료의 굴절률의 변화를 보상하기 위해, 온도 및/또는 온도 분포 T(x,y)를 측정하는 기술적 수단,

- 실제 구성에 대해 충분한 함수 T(x,y)의 측정 정확도를 얻기 위해, 광학 스캐닝 또는 광학 이미징 IR-센서에 의해, 편향 수단 어레이의 평면에 배치된 온도 센서를 이용해서 온도 및/또는 온도 분포를 측정하는 기술적 수단을 포함한다.

패널에 집적된 센서들은 예컨대 간단히 저항의 형태로 실시될 수 있으며, 고려 대상 온도 범위에서 함수 R(T)의 충분히 큰 기울기를 구현한다.

온도 또는 온도 분포의 측정 외에, 온도의 변화에 의해 야기된 광로의 변화, 즉 위상의 변화 φ = φ(T)를 측정하고 이 측정 값들을 기초로 조절하려는 프리즘 각을 보정할 수 있는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 예컨대 파면이 파면 센서에 의해 측정되어, 재구성 충실도의 제어에 사용될 수 있다. 파면은 광로로부터 측면으로 안내되고, 이로써 측정/제어가 동작 중에 가능하다.

온도 또는 온도 분포의 측정 외에, 바람직하게는 온도의 변화에 의해 야기된 광로의 변화, 즉 위상의 변화가 강도 분포의 변화, I = I(φ(T))에 의해 측정 가능하다. 즉, 카메라에 의해 검출된, 적합하게 선택된 강도 분포는 재구성의 성능의 액티브한 제어에 사용된다.

재구성 충실도의 제어에 사용되는 강도 분포는, 예컨대 매우 낮은 회절 효율을 가진 격자에 의해 SLM 후방의 평면으로부터 측면으로 분리될 수 있다. 프로젝션 구성에서 측면 분리는 예컨대 동일 평면의 플레이트에 의해 이루어질 수 있다.

보정은 반복적으로 이루어질 수 있다. 방정식 시스템의 다의성은 추가로 도입된 변수, 즉 예컨대 φ_i(x,y) 및/또는 I_i(x,y)를 가진 변수의 군에 의해 제거될 수 있다.

개별 마이크로 셀들과 변조기 셀들 사이에 나타나는 상대 위상의 직접적이고 간단한 측정은, 가간섭성 광으로 조명되는 시스템에서, 관찰되는 점들로부터 나오는 하나 또는 다수의 구면 파의 간섭의 평가에 의해 간단히 실시될 수 있다.

인접한 점들로부터 나오며 가간섭성으로 중첩되는 구면 파들은 공통 중첩 영역에서 간섭 패턴을 형성한다. 이러한 패턴, 예로서 주어진 스트립 패턴은, 스트립들의 위치가 결정됨으로써, 즉 상대 광로 차이가 결정됨으로써 직접 평가될 수 있다. 이는, 간단히 임계값 형성 및 에지 파인딩에 의해 이루어질 수 있다. 스트립 위치는 대안으로 푸리에 변환(반송 주파수 방법)에 의해서도 이루어질 수 있다. 예컨대 5 개의 위상들φ_i(x,y),i=1...5의 추가 도입, 즉 위상 이동 간섭법(interferometry)의 사용은 2π/200 미만의 측정 부정확도, 즉 광로 차이에서 λ/200 미만의 측정 부정확도를 허용한다.

다수의 점들 사이의 상대 위상의 결정은 재구성의 이미지 시퀀스들 사이에서 이루어진다. 즉, 측정될 점을 제외한 모든 점들이 0으로 세팅됨으로써 이루어진다. 카메라는 동기식으로 결과적인 강도 분포를 기록할 수 있다. 위상 이동 간섭법의 경우, 도입된 위상 이동들 사이에 이미지 시퀀스가 놓일 수도 있다.

짧은 시간 내에 충분한 개수의 점들의 상대 위상이 측정될 수 있기 때문에, 예컨대 온도 변화로 인해 필요한 위상 보정이 이루어질 수 있다. 소정 영역에 대한 상대 위상 위치의 적분에 의해, 관찰된 전체 평면의 위상 분포, 일반적으로 무시되는 일정 부분을 제외한 위상 분포가 얻어진다. 따라서, 부분 광파의 분리 수단을 구비한 홀로그래픽 디스플레이는 파면의 변화를 검출할 수 있는 간섭계이다.

위상 분포의 측정 방식은 일반적으로, 예컨대 이미지 생성을 위해 위상 이동 셀 소자를 구비한 시스템에서 유리하다.

마이크로 셀의 다른 문제점은 인가된 전압에 대한 그 기능의 의존도이다.

접촉 각 및 이에 따른 프리즘 각은 인가된 전압, 또는 전압 차이에 의존한다. 평가 결과, 액체 셀의 각 범위는 적어도 10 비트, 즉 2¹⁰= 1024 값으로 제어되어야 한다. 따라서, 외부 간섭 전기장의 영향이 최소로 유지되어야 한다. 이는 본 발명의 다른 특징에 따라 마이크로 셀들이 정전기적으로 차폐됨으로써 이루어진다. 이는 패널의 상부면 및 하부면에서, 전하 방출에 적합하고 충분히 투명한 코팅에 의해 이루어질 수 있다. 이는, 예컨대 포토리소그래픽 코팅일 수 있다. 마이크로 셀의 제어에 사용되는 인접한 전극들은 서로 절연되어야 하고, 이들 사이에는, 차폐에 사용되며 예컨대 V=0으로 세팅된 전극이 배치된다.

특히, 2차원 편향을 위한 마이크로 셀들은 인가된 전압 차에 의존한다. 프리즘 각이 전압 차에 의존하기 때문에, 2D-편향을 실시하는 마이크로 셀에서, 셀의 에지 영역에 제어 전극에 의해 생성된 필드들이 중첩된다.

2D-편향시 크로스토크의 감소는, 제어 전극들 사이에 고정 전위, 예컨대 0 V를 갖는 추가 전극이 제공됨으로써 이루어진다.

높은 표면 에너지를 가진 재료의 경우, 직접적으로 또는 간접적으로 제어 가능한 전극(도 4: U_ij (x, y))을 2D-편향에 사용되는 전극들 사이로 도입하면, 셀의 가장자리 영역까지 더 편평한 경계면이 얻어질 수 있다. 가장자리에서 나타나는 휘어짐 또는 모세관 작용에 대한 의도된 대응 제어를 가능하게 하는 접촉 각이 코너에서 의도대로 조절될 수 있다.

액체 셀은 제조에 기인한, 무시될 수 없는 위상 변동을 가질 수 있다.

전기 습윤 셀 어레이를 액체 성분으로 채우는 것은 충전량에 있어서 예컨대, 단 하나의 액정을 가진 위상 변조기에서보다 훨씬 더 변하기 쉽다. 위상 변동, 개별 셀들 사이의 위상 오프셋은 오브젝트의 재구성에 부정적 영향을 준다. 개별 마이크로 셀을 2개의 광학 매체로 불균일하게 채우면, 셀을 통한 광의 불균일한 광로가 주어진다. 즉, 마이크로 셀의 개별 성분의 충전량 변동은 셀을 통해 전파되는 광의 위상 변동에 상응한다. 불균일하게 채워진 셀들의 편향 어레이는 불균일한 위상 이동을 실시한다.

따라서, 재구성 시스템은 개별 셀들에 의해 주어지는 위상의 변동, 즉 광학 거리 모듈로 2π를 검출하고 이를 홀로그램의 인코딩시 고려하는 기술적 수단을 포함한다.

위상 에러를 보상하기 위해, 광로 길이의 보상이 이루어지도록, 추가의 위상 이동을 실시하는 위상 이동 소자들이 추가로 광로에 배치된다.

전기 습윤 셀들은 높은 스위칭 주파수에서 고유 공진 및 일반적으로 경계층의 진동을 나타낼 수 있다. 즉, 높은 스위칭 주파수에서, 증가된 진폭을 가진 경계면의 진동이 나타나고 셀들은 예컨대 시간 평균으로 단지 위상 웨지(phase wedge)를 실시할 수 있다.

진동 댐핑은 제어 펄스 U(t), 또는 U₁(t) 및 U₂(t)의 적합한 형태에 의해 이루어질 수 있다. 바람직하게는 펄스 파형이 계단 함수(step function)의 형태로 선택되지 않고, 공진을 최대한 억제하도록 선택된다. 최적의 펄스 형태는 재료에 의존하며, 모델에 의해 또는 경험적으로 검출될 수 있다. 또한, I(t)는 적합하게 선택되거나 또는 제한될 수 있다.

온도 의존도는 보정 테이블에 저장될 수 있고 온도에 따라 펄스 형태를 보정하기 위해 사용될 수 있다.

전기 습윤 셀들은 예컨대 화학 반응에 의한 에이징 효과를 갖는다.

소수성 플라스틱 재료는 고려 대상 층 두께가 500 nm 미만일 때 약간의 다공성을 갖는다. 테프론은 예컨대 오일과 접촉하여 팽창한다. 이는 전기 절연의 감소에 상응하고 스위칭 주파수에 따라 전력 손실을 증가시킨다. 즉, 액체 셀의 평면에서 열을 발생시킨다.

비용 절감 및 제조 공정의 단순화를 이유로, 예컨대 구리로 이루어진 금속 전극의 사용이 바람직하다. 그러나, 물 및/또는 오일과의 접촉은 전극의 부식을 일으킨다. 추가로, 내방 확산된 이온, 예컨대 금속 이온이 화학적 포텐셜을 변화시킴으로써, 전기 습윤 셀의 기능을 현저히 변화시킨다.

확산 스톱 층으로서 전기 절연 층을 전극에 제공하면, 전력 손실이 감소하고, 전극과 전기 습윤 셀의 액체 사이에 나타나는 산화 과정이 방지된다.

다공성이고 소수성인 플라스틱 코팅의 단점은, 이 플라스틱 재료를 사용하지 않음으로써 제거될 수 있다. 소수성 표면 특성은, 예컨대 플라즈마-공정에서 생길 수 있다. 변형된 에칭 공정에 의해 산화 실리콘 상에 소수성 표면이 형성될 수 있고, 이 표면은 플라스틱 코팅의 단점을 나타내지 않는다.

도 1은 국제 공개 WO 2006/119920에 공지되어 있으며 본 발명에 따른 수단 없이 간섭성 광 파동장을 트래킹하는 홀로그래픽 재구성 시스템을 도시한다.

도 2는 스위칭 매트릭스(SM) 대신에 간섭성 광 파동장의 트래킹을 위한 회절 마이크로 셀 구조를 가진 편향 수단 어레이(DM)를 이용하는 것인 국제 공개 WO 2006/119920에 따른 홀로그래픽 재구성 시스템을 도시한다.

도 3은 제어 전극들 사이에 고정 전위, 즉 예컨대 V=0를 가진 추가의 전극들이 제공됨으로써, 2D-편향시 크로스토크가 감소되는 개별 마이크로 셀의 구조를 도시한다.

도 4는 셀의 가장자리 영역까지 평면 경계면을 실시하기 위해 사용되는 것으로, 마이크로 셀에서 제어 가능한 전극의 삽입을 나타낸 도면이다.

도 2에는 본 발명에 따라 장면의 오브젝트 광점의 3차원 재구성을 위한 홀로그래픽 재구성 시스템이 도시된다. 시스템은

- 조명 수단(LQ1 내지 LQ4)의 간섭성 광파를 하나 이상의 비디오 홀로그램으로 변조하는 공간 광 변조 수단(SLM),

- 변조된 광파를 재구성된 오브젝트 광점(OLP)(예시적인 광점이 도시됨)으로 관찰자 눈의 하나 이상의 눈 위치(EP_R 또는 EP_L)에 포커싱하는 광학 포커싱 수단(LA)을 포함한다.

도 2에는 재구성될 장면이 단지 단일 광점(OLP)으로만 도시되었다.

시스템 제어 수단(SC)은, 포커싱되고 변조된 광파를 재구성된 오브젝트 광점으로 하나 이상의 눈 위치(EP_R 또는 EP_L)로 향하게 하고 눈 위치의 변동시 눈 위치를 트래킹하는 것인 전자-광학 편향 수단(DM)을 제어한다.

본 발명에 따라 제어 가능한 전자-광학 편향 수단(DM)은, 바람직하게는 시스템의 광학 출구에, 즉 광로에서 광 변조기(SLM) 후방에 놓인 전자적으로 어드레싱 가능한 마이크로 셀들(DMC)을 가진 편향 수단 어레이이다.

편향 수단 어레이는, 별도로 제어 가능한 마이크로 셀들이 가간섭성 조명 하에서 가변 표면 릴리프 구조를 가진 제어 가능한 회절 격자의 기능을 구현하는 것인 주기적인 구조의 셀 그리드를 포함한다. 상기 시스템 제어 수단(SC)은 전기 제어 신호에 의해 표면 릴리프 구조의 회절 스펙트럼에서 회절 차수 내의 광학 회절 특성을 변화시킬 수 있다.

바람직하게, 편향 수단 어레이는 변조된 파동장의 조정시 광 손실을 최소화하기 위해 위상 격자로서 작동된다.

실시예에서, 편향 수단 어레이는 광학적으로 투명한 액체로 채워진 중공체를 가진 전기 습윤 셀을 포함한다.

액체의 표면은 중공체의 벽에 대해 소위 접촉 각을 갖는다. 중공체 내에서 액체의 접촉 각은, 시간적으로 변하지 않는 주어진 기하학적 형상, 재료 및 조건에 대해 일정하고 Young 방정식으로 표시될 수 있다. 액체와 중공체의 벽들 중 하나 사이의 유전체 시스템 또는 중공체의 2개의 대향 측벽들 사이의 유전체 시스템에서의 전기장의 인가에 의해, 평형 조건이 변하고 이에 따라 중공체의 측벽과 액체의 표면 사이에 형성되는 접촉 각이 변한다. 소위 전기 습윤 효과는 소위 Lippmann 방정식에 의해 표시될 수 있다. 하나 또는 다수의 전기장의 변동에 의해, 접촉 각 및 이에 따른 액체의 경계면 형상이 변화됨으로써, 전달되는 광빔의 편향이 굴절의 법칙에 따라 변한다.

상기 중공체는 예컨대 직사각형 베이스 면을 가진 원통형 중공체일 수 있으므로, 중공체의 대향 측벽들은 각각 커패시터의 전극 쌍을 형성한다. 전극과 전기 접지된 액체 사이에는 바람직하게는 친수성 특성을 가진 전기 절연 층이 형성된다. 커패시터의 차단시, 액체는 거의 구면의 경계면을 나타냄으로써, 단지 국부적으로만 제한된 광빔이 경계면의 국부적 곡률에 따라 편향될 수 있다.

연장된 광 번들에 대한 프리즘 기능의 실시는, 광 번들의 전체 직경에 걸쳐 전기 습윤 셀의 일정한 프리즘 각을 필요로 한다. 이를 위해, 대향 전극들을 상응하는 전압으로 제어함으로써, 대향 전극들에서의 접촉 각이 서로 독립적으로 조절된다. 예컨대, 2개의 대향 접촉 각이 각각 동일하게 90°가 되도록 제어 전압을 선택할 수 있다. 이 경우, 프리즘 효과가 나타나지 않고, 즉 전기 습윤 셀이 동일 평면 플레이트와 같이 작용한다. 또한, 값은 동일하지 않지만, 그 합은 동일하게 180°인 2개의 대향 접촉 각을 형성하기 위한 제어 전압 쌍이 주어진다. 이 경우, 상기 소자는 프리즘으로 작용한다. 전극들은 바람직하게는 쌍으로 스위칭 가능하므로, x-방향 및 y-방향에서의 편향이 가능하고, 따라서 가시성 범위가 관찰자에 대해 2차원으로 트래킹될 수 있다.

대안적 실시예에서, 전기 습윤 셀은 다수의 혼합 불가능하고 광학적으로 투명한 액체로 충전되는 중공체를 포함할 수 있다. 액체들 사이의 경계면에서 굴절률 차이가 나타나기 때문에, 전달되는 광의 편향이 이루어진다. 다수의, 특히 2개의 액체를 사용할 때의 장점은 이로 인해 액체의 캡슐화가 가능하다는 것이다. 즉, 중공체가 완전히 폐쇄되고 액체로 완전히 채워진다. 또한, 액체의 밀도 조정시 중력 문제가 방지될 수 있다. 즉, 2개의 액체가 대략 동일한 밀도를 가지면, 전기 습윤 셀의 이동, 충격 또는 진동 시에 중공체 내의 액체 배치가 중력으로 인해 변화되지 않거나 단지 미미하게 변화된다. 또한, 중공체의 베이스 면은 반드시 직사각형일 필요는 없으며, 다른 형상, 예컨대 6각형 또는 8각형일 수 있다. 또한, 이러한 액체 셀들이 직렬로 접속될 수 있다. 즉, 광의 전파 방향으로 차례로 배치될 수 있다.

Claims (11)

1. 장면의 오브젝트 광점들을 3차원으로 재구성하기 위한 홀로그래픽 재구성 시스템으로서,

   - 조명 수단(LQ1 … LQ4)의 간섭성 광파를 하나 이상의 비디오 홀로그램으로 변조하는 공간 광 변조 수단(SLM),

   - 변조된 광파를 재구성된 오브젝트 광점(OLP)으로 관찰자 눈의 하나 이상의 눈 위치(EP_R/EP_L)에 포커싱하는 광학 포커싱 수단(LA),

   - 포커싱되고 변조된 광파를 상기 재구성된 오브젝트 광점으로 하나 이상의 눈 위치(EP_R 또는 EP_L)로 향하게 하도록 시스템 제어 수단(SC)에 의해 제어 가능하며 눈 위치의 변동시 눈 위치를 트래킹하는 것인 전자-광학 편향 수단(DM)을 포함하는 홀로그래픽 재구성 시스템에 있어서,

   제어 가능한 상기 전자-광학 편향 수단(DM)은 전자적으로 어드레싱 가능한 마이크로 셀들(DMC)을 가진 편향 수단 어레이를 포함하고, 상기 셀들은 셀 그리드 내에 주기적인 구조를 가짐으로써, 별도로 제어 가능한 마이크로 셀들(DMC)이 가간섭성 조명 하에서 가변 표면 릴리프 구조를 가진 제어 가능한 광학 회절 격자의 기능을 하고, 상기 시스템 제어 수단(SC)은 표면 릴리프 구조의 회절 스펙트럼에서 회절 차수 내의 광학 회절 특성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 편향 수단 어레이는 변조된 파동장의 조정시 광 손실을 최소화하기 위해 위상 격자로서 작동되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 시스템 제어 수단(SC)은 상기 편향 수단 어레이의 상기 전자적으로 어드레싱 가능한 마이크로 셀(DMC)에 대해 프리즘 각을 조절하여, 상기 편향 수단 어레이의 격자 회절 스펙트럼에서 최대 회절 효율로 격자 회절 차수가 현재 눈 위치(EP)의 목표 방향에 가장 가까이 놓이도록 하고, 상기 시스템 제어 수단(SC)은 상기 조명 수단(LQ1 … LQ4)의 광 입사각을 변화시킴으로써, 상기 격자 회절 차수와 상기 목표 방향의 편차를 최소화하여, 간섭성 파동장이 소정 눈 위치로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 격자 회절 차수와 목표 방향 사이의 편차를 보상하기 위해 제어 장치로 상기 광원(LQ1 … LQ4)을 이동시키는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
5. 제3항에 있어서, 상기 시스템 제어 수단은 다수의 마이크로 셀들을 조절 가능한 하나의 위상 그리드를 형성하도록 통합함으로써 회절 스펙트럼에서 인접한 회절 차수들 사이의 간섭성 광파의 편향을 변화시키고, 그 결과로서 회절 차수들 간 의 편향값이 우선 순위 인터벌의 감소에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 광학 편향 수단 어레이는 전기 습윤 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 전기 습윤 셀의 측벽들은 반사된 산란 광을 흡수하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
8. 제6항에 있어서, 상기 전기 습윤 셀의 측벽들은 소수성이며 전기 절연성인 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
9. 제6항에 있어서, 상기 전기 습윤 셀들 사이에 정전기 차폐 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
10. 제6항에 있어서, 상기 전기 습윤 셀들에 대한 커버로서 투명한 전도성 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.
11. 제6항에 있어서, 상기 전기 습윤 셀 구조의 온도 보상을 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 재구성 시스템.

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