KR20180051187A - 홀로그래픽 광학 소자의 제조 장치 및 홀로그램 재생 장치 - Google Patents
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Abstract
제 1 신호빔과 제 1 참조빔의 제 1 간섭 무늬가 기록되고, 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔과 제 2 참조빔의 제 2 간섭 무늬가 기록된 홀로그래픽 광학 소자;를 제조하는 장치 및 홀로그래픽 광학 소자를 이용하여 홀로그램 영상을 재생하는 장치를 제공한다.
Description
본 개시는 홀로그래픽 광학 소자의 제조 장치, 및 홀로그래픽 광학 소자를 이용하여 홀로그램 영상을 재생하는 장치에 관한 것이다.
최근, 영화, 게임, 광고, 의료영상, 교육, 군사 등 여러 분야에서, 보다 사실적이고 효과적으로 영상을 표현할 수 있는 3차원 영상 디스플레이 장치가 크게 요구되고 있다. 이에 따라 3차원 영상을 표시하기 위한 다양한 기술이 제안되고 있으며, 다양한 3차원 영상 디스플레이 장치가 이미 상용화되어 있다.
3차원 영상 디스플레이 장치에는 예를 들어 안경 방식과 무안경 방식이 있다. 또한, 안경 방식에는 편광 안경 방식과 셔터 안경 방식이 있으며, 무안경 방식 중에서 스테레오스코피(stereoscopy) 방식에는 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이를 이용하는 렌티큘러 방식과 다수의 배리어와 개구를 갖는 패럴랙스 배리어 방식이 있다.
뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하고 완전 시차(full parallax)를 제공할 수 있는 3차원 영상 디스플레이 방식으로서 홀로그램 방식과 집적 영상 방식이 제안되고 있다.
홀로그램(hologram)이란, 광파가 기록된 매체로서 광파의 세기와 위상 정보를 저장하고 있다. 보통의 사진이 세기 정보만을 기록하고 있는데 반해, 홀로그램의 경우 세기와 위상을 모두 저장하고 있어, 시각정보의 삼차원 재구성이 가능하다. 홀로그램의 기록을 위해서는 간섭성을 가지는 신호빔과 참조빔을 포함하는 두 개의 빔들이 필요하다. 신호빔은 기록하고자 하는 대상으로부터 변조 될 수 있는 빔이다. 신호빔과 참조빔 사이의 간섭 무늬의 세기 또는 위상 정보를 홀로그램 기록 매체에 기록하여, 변조된 신호빔의 세기 및 위상 정보를 기록할 수 있다. 기록에 사용된 참조빔과 동일한 광학 특성을 갖는 빔을 기록된 홀로그램에 입사시키면, 홀로그램에 저장된 신호빔이 재생될 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 홀로그래픽 광학 소자의 제조 장치, 및 홀로그래픽 광학 소자를 이용하여 홀로그램 영상을 재생하는 장치를 제공한다.
제 1 측면에 따른, 서로 다른 광학적 특성을 갖는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element)의 제조 장치는, 제 1 레이저 빔 및 제 2 레이저 빔을 순차적으로 조사하는 광 조사부; 제 1 레이저 빔을 제 1 신호빔과 제 1 참조빔으로 분리하고, 제 2 레이저 빔을 제 2 신호빔과 제 2 참조빔으로 분리하는, 빔 스플리터; 홀로그램 기록 매체; 제 1 신호빔을 홀로그램 기록 매체의 일 면에 조사하고, 제 1 참조빔을 홀로그램 기록 매체의 다른 일 면에 조사하여, 제 1 신호빔과 상기 제 1 참조빔의 제 1 간섭 무늬를 홀로그램 기록 매체에 기록하는, 제 1 광학계; 및 푸리에 렌즈(fourier lens)를 포함하고, 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔을 홀로그램 기록 매체의 일 면에 조사하고, 제 2 참조빔을 상기 홀로그램 기록 매체의 다른 일 면에 조사하여, 변조된 제 2 신호빔과 제 2 참조빔의 제 2 간섭 무늬를 홀로그램 기록 매체에 기록하는, 제 2 광학계;를 포함할 수 있다.
또한, 제 2 간섭무늬 기록 시 홀로그램 기록 매체에 조사되는 변조된 제 2 신호빔 및 제 2 참조빔의 에너지는, 제 1 간섭무늬 기록 시 홀로그램 기록 매체에 조사되는 제 1 신호빔 및 제 1 참조빔의 에너지보다, 크게 설정될 수 있다.
또한, 광 조사부는, 제 1 레이저 빔의 조사 시간보다 더 긴 시간 동안 제 2 레이저 빔을 조사할 수 있다.
또한, 제 1 간섭무늬 및 제 2 간섭 무늬가 기록된 홀로그램 기록매체는, 제 1 간섭 무늬에 대응되는 거울의 광학적 특성 및, 제 2 간섭 무늬에 대응되는 푸리에 렌즈의 광학적 특성을 갖을 수 있다.
제 2 측면에 따른 홀로그램 재생 장치는, 제 1 신호빔과 제 1 참조빔의 제 1 간섭 무늬가 기록되고, 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔과 제 2 참조빔의 제 2 간섭 무늬가 기록된 홀로그래픽 광학 소자; 공간 광 변조기; 및 제 1 참조빔과 대응되게, 제 1 기준빔을 홀로그래픽 광학 소자로 조사하는 광원;을 포함하고, 홀로그래픽 광학 소자는, 제 1 기준빔에 반응하여, 제 1 신호빔과 대응되게 제 1 재생빔을 재생하고, 제 1 재생빔을 공간 광 변조기로 조사하고, 공간 광 변조기는, 제 1 재생빔을 홀로그램 정보에 따라 변조하여 제 2 기준빔을 생성하고, 제 2 기준빔을 제 2 참조빔과 대응되게 홀로그래픽 광학 소자로 조사하고, 홀로그래픽 광학 소자는, 제 2 기준빔을 공간 상에 포커싱하여, 홀로그램 영상을 재생할 수 있다.
또한, 제 2 간섭무늬 기록 시 조사되는 변조된 제 2 신호빔 및 제 2 참조빔의 에너지는, 제 1 간섭무늬 기록 시 조사되는 제 1 신호빔 및 제 1 참조빔의 에너지보다, 크게 설정될 수 있다.
또한, 제 1 기준빔 및 제 2 기준빔 각각은, 제 1 참조빔 및 제 2 참조빔 각각과 브래그 매칭 조건(Bragg's matching condition)을 만족할 수 있다.
또한, 홀로그램 정보는 컴퓨터 홀로그램(Computer Generated Hologram)에 대한 정보일 수 있다.
또한, 2 기준빔은 푸리에 변환된 컴퓨터 홀로그램을 나타내고, 홀로그래픽 광학 소자는, 푸리에 변환된 컴퓨터 홀로그램을 역 푸리에 변환하여, 홀로그램 영상을 재생할 수 있다.
또한, 공간 광 변조기는, 공간 광 변조기와 홀로그래픽 광학 소자 간의 각도 차이가 고려된 홀로그램 정보에 따라 제 1 재생빔을 변조하여 제 2 기준빔을 생성할 수 있다.
또한, 홀로그램 재생 장치는, 공간 광 변조기를 전후로 서로 수직 방향으로 배치되는 편광판들; 및 절반 대역 통과 필터;를 더 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 홀로그래픽 광학 소자는, 광학적 투명 증강 현실(optical see-through augmented reality)을 구현 할 수 있으며, 푸리에 렌즈의 광학적 특성을 갖을 수 있는 바, 홀로그램 재생 장치는, 홀로그래픽 광학 소자를 통해, 3차원 홀로그램 영상 재생이 가능하며, 관찰자 입장에서는 3차원 홀로그램 영상뿐만 아니라 홀로그래픽 광학 소자 뒤편에 위치한 배경 물체 또한 왜곡 없이 관측할 수 있다.
또한, 본 개시에 따른 홀로그래픽 광학 소자는 제 1 간섭 무늬 및 제 2 간섭 무늬가 함께 기록될 수 있는 바, 제 1 간섭 무늬 및 제 2 간섭 무늬 각각에 대응되는 서로 다른 광학적 특성을 포함할 수 있다.
본 발명은, 다음의 자세한 설명과 그에 수반되는 도면들의 결합으로 쉽게 이해될 수 있으며, 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미한다.
도 1은 본 개시에 따른 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element)의 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 장치가 제 1 광학계를 통해 제 1 신호빔과 제 1 참조빔의 제 1 기록무늬를 홀로그램 기록매체에 기록하는 실시예를 나타낸다.
도 3은 장치가 제 2 광학계를 통해 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔과 제 2 참조빔의 제 2 기록무늬를 홀로그램 기록매체에 기록하는 실시예를 나타낸다.
도 4는, 일 실시예에 따라, 제 2 참조빔과 푸리에 렌즈를 통해 변조된 제 2 신호빔의 간섭 무늬가 홀로그램 기록 매체에 기록되는 과정을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 홀로그램 재생 장치의 일 실시예를 나타낸다.
도 6은 홀로그래픽 광학 소자가 제 1 기준빔에 반응하여 제 1 재생빔을 재생하는 구체적인 실시예를 나타낸다.
도 7은 홀로그래픽 광학 소자가 제 2 기준빔에 반응하여 제 2 재생빔을 재생하는 구체적인 실시예를 나타낸다.
도 8은 공간 광 변조기가 홀로그램 정보에 따라 제 2 기준빔을 생성하는 실시예, 및 홀로그래픽 광학 소자가 제 2 기준빔에 대한 퓨리에 변환을 수행하여 제 2 재생빔을 생성하는 실시예를 나타낸다.
도 9는 제 2 기준빔의 사입사에 따른 픽셀 크기 왜곡 현상의 실시예를 나타낸다.
도 10은 다른 실시예에 따른 홀로그램 재생 장치를 나타낸다.
도 11은 홀로그램 재생 장치가 홀로그램 영상을 표시하는 실시예를 나타낸다.
도 1은 본 개시에 따른 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element)의 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 장치가 제 1 광학계를 통해 제 1 신호빔과 제 1 참조빔의 제 1 기록무늬를 홀로그램 기록매체에 기록하는 실시예를 나타낸다.
도 3은 장치가 제 2 광학계를 통해 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔과 제 2 참조빔의 제 2 기록무늬를 홀로그램 기록매체에 기록하는 실시예를 나타낸다.
도 4는, 일 실시예에 따라, 제 2 참조빔과 푸리에 렌즈를 통해 변조된 제 2 신호빔의 간섭 무늬가 홀로그램 기록 매체에 기록되는 과정을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 홀로그램 재생 장치의 일 실시예를 나타낸다.
도 6은 홀로그래픽 광학 소자가 제 1 기준빔에 반응하여 제 1 재생빔을 재생하는 구체적인 실시예를 나타낸다.
도 7은 홀로그래픽 광학 소자가 제 2 기준빔에 반응하여 제 2 재생빔을 재생하는 구체적인 실시예를 나타낸다.
도 8은 공간 광 변조기가 홀로그램 정보에 따라 제 2 기준빔을 생성하는 실시예, 및 홀로그래픽 광학 소자가 제 2 기준빔에 대한 퓨리에 변환을 수행하여 제 2 재생빔을 생성하는 실시예를 나타낸다.
도 9는 제 2 기준빔의 사입사에 따른 픽셀 크기 왜곡 현상의 실시예를 나타낸다.
도 10은 다른 실시예에 따른 홀로그램 재생 장치를 나타낸다.
도 11은 홀로그램 재생 장치가 홀로그램 영상을 표시하는 실시예를 나타낸다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
도 1은 본 개시에 따른 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element)의 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서 홀로그래픽 광학 소자의 제조 장치(100)(이하, 장치(100)라고 한다.)는, 광 조사부(110), 빔 스플리터(beam splitter)(120), 홀로그램 기록 매체(150), 제 1 광학계(130), 및 제 2 광학계(140)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 장치(100)는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
광 조사부(110)는, 일 실시예에 따라, 제 1 레이저 빔 및 제 2 레이저 빔을 순차적으로 조사할 수 있다. 즉, 광 조사부(110)는, 일정 시간 동안 제 1 레이저 빔을 조사할 수 있고, 이어서, 일정 시간 동안 제 2 레이저 빔을 조사할 수 있다.
빔 스플리터(120)는, 일 실시예에 따라, 광 조사부(110)로부터 조사된 제 1 레이저 빔을 제 1 신호빔과 제 1 참조빔으로 분리할 수 있다. 또한, 광 조사부(110)로부터 조사된 제 2 레이저 빔을 제 2 신호빔과 제 2 참조빔으로 분리할 수 있다. 일 실시예에 따라, 빔 스플리터(120)는 반 투과 미러(half mirror)일 수 있으며, 입사되는 빔의 대략 50%를 투과시켜 참조빔으로 사용하게 할 수 있고, 입사되는 빔의 대략 50%를 반사하여 신호빔으로 사용하게 할 수 있다.
제 1 광학계(130)는 제 1 신호빔을 홀로그램 기록매체(150)의 일 면에 입사하고, 제 1 참조빔을 홀로그램 기록매체의 다른 일 면에 입사하여, 제 1 신호빔과 제 1 참조빔의 제 1 간섭 무늬를 홀로그램 기록 매체(150)에 기록할 수 있다. 보다 구체적인 실시예는 이하 도 2에서 살펴보기로 한다.
제 2 광학계(140)는 푸리에 렌즈(fourier lens)를 포함할 수 있고, 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔을 홀로그램 기록 매체(150)의 일 면에 입사하고, 제 2 참조빔을 홀로그램 기록 매체(150)의 다른 일 면에 입사하여, 변조된 제 2 신호빔과 제 2 참조빔의 제 2 간섭 무늬를 홀로그램 기록 매체(150)에 기록할 수 있다. 보다 구체적인 실시예는 이하 도 3에서 살펴보기로 한다.
홀로그램 기록 매체(150)는, 할로겐화 은(silver halide), 광 굴절 고분자(photorefractive polymer), 포토폴리머(photopolymer) 등이 될 수 있다.
따라서, 장치(100)는 홀로그램 기록 매체(150)에 제 1 간섭 무늬 및 제 2 간섭 무늬를 기록하여, 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element)를 제조할 수 있다. 장치(100)에 의해 제조된 홀로그래픽 광학 소자는 서로 다른 광학적 특성을 갖을 수 있는 바, 제 1 간섭 무늬에 따른 광학적 특성을 갖을 수 있으며, 동시에 제 2 간섭 무늬에 따른 광학적 특성을 갖을 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 광학 소자는 제 1 간섭 무늬에 따라 '거울'의 광학적 특성을 갖을 수 있으며, 동시에 제 2 간섭 무늬에 따라 '푸리에 렌즈'의 광학적 특성을 갖을 수 있다.
도 2는 장치가 제 1 광학계를 통해 제 1 신호빔과 제 1 참조빔의 제 1 기록무늬를 홀로그램 기록매체에 기록하는 실시예를 나타낸다.
일 실시예에 따라, 제 1 광학계(130)는 제 1 거울(132), 제 2 거울(134), 및 제 3 거울(136)을 포함할 수 있다.
광 조사부(110)는 제 1 레이저 빔을 조사할 수 있고, 빔 스플리터(120)는 제 1 레이저 빔을 제 1 참조빔 및 제 1 신호빔으로 분리할 수 있다. 다만, 도 2에서는 빔 스플리터(120)를 투과한 광이 제 1 참조빔이 되고, 빔 스플리터(120)에서 반사된 광이 제 1 신호빔으로 되는 것으로 도시 되었지만, 이는 예시적인 것이다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 빔 스플리터(120)를 투과한 광이 제 1 신호빔이 되고, 빔 스플리터(120)에서 반사된 광이 제 1 참조빔이 되도록 장치(100)의 광학적 배치가 변경될 수 있다.
이어서, 제 1 광학계(130)의 제 1 거울(132)은 빔 스플리터(120)로부터 분리된 제 1 신호빔을 반사하여, 반사된 제 1 신호빔을 홀로그램 기록매체(150)의 일 면에 조사할 수 있다. 또한, 제 1 광학계(130)의 제 2 거울(134) 및 제 3 거울(136)은 빔 스플리터(120)로부터 분리된 제 1 참조빔을 반사하여, 반사된 제 1 참조빔을 홀로그램 기록매체(150)의 다른 일 면에 조사할 수 있다.
제 1 광학계(130)는 조리개(미도시)를 더 포함할 수 있는 바, 조리개(미도시)를 통해 제 1 신호빔 및 제 1 참조빔이 홀로그램 기록매체(150)에 조사되는 면적을 조절할 수 있다.
따라서, 제 1 참조빔 및 제 1 신호빔이 서로 만나 제 1 간섭 무늬를 형성할 수 있고, 형성된 간섭 무늬는 홀로그램 기록매체(150)에 기록될 수 있다.
또한, 제 1 광학계(130)의 제 1 거울(132), 제 2 거울(134), 및 제 3 거울(136)은 제 1 신호빔 및 제 1 참조빔이 홀로그램 기록매체(150)로 조사되는 각도를 조절할 수 있다.
도 3은 장치가 제 2 광학계를 통해 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔과 제 2 참조빔의 제 2 기록무늬를 홀로그램 기록매체에 기록하는 실시예를 나타낸다.
일 실시예에 따라, 제 2 광학계(140)는 제 1 거울(142), 푸리에 렌즈(144), 및 제 2 거울(146)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제 1 거울(142)은 도 2의 제 1 거울(132)이 이동한 형태일 수 있으며, 제 2 거울(142)은 도 2의 제 2 거울(134)이 회전한 형태일 수 있다. 예를 들어, 제 2 광학계(140)는 전동 모터화 되어 이동할 수 있는 스테이지(미도시)를 더 포함하여, 스테이지(미도시)를 통해 도 2의 제 1 거울(132) 및 제 2 거울(134)을 이동 또는 회전시킬 수 있다.
광 조사부(110)는 제 2 레이저 빔을 조사할 수 있고, 빔 스플리터(120)는 제 2 레이저 빔을 제 2 참조빔 및 제 2 신호빔으로 분리할 수 있다. 다만, 도 3에서는 빔 스플리터(120)를 투과한 광이 제 2 참조빔이 되고, 빔 스플리터(120)에서 반사된 광이 제 2 신호빔으로 되는 것으로 도시 되었지만, 이는 예시적인 것이다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 빔 스플리터(120)를 투과한 광이 제 2 신호빔이 되고, 빔 스플리터(120)에서 반사된 광이 제 2 참조빔이 되도록 장치(100)의 광학적 배치가 변경될 수 있다.
이어서, 제 2 광학계(140)의 제 1 거울(142)은 빔 스플리터(120)로부터 분리된 제 2 신호빔을 반사하여, 반사된 제 2 신호빔을 푸리에 렌즈(144)에 수직 방향으로 조사할 수 있다. 따라서, 제 1 거울(142)로부터 반사된 제 2 신호빔은 푸리에 렌즈(144)를 투과하면서 변조될 수 있고, 변조된 제 2 신호빔이 홀로그램 기록매체(150)의 일 면에 조사될 수 있다. 또한, 제 2 광학계(140)의 제 2 거울(146)은 빔 스플리터(120)로부터 분리된 제 2 참조빔을 반사하여, 반사된 제 2 참조빔이 기 정의된 각도로 홀로그램 기록 매체(15)의 다른 일면에 조사되도록 할 수 있다. 또한, 장치(100)는 제 2 거울(146)을 통해 기 정의된 각도를 조절할 수 있다.
푸리에 렌즈(144)는 일 실시예에 따라 입사되는 빔을 공간 주파수에 대하여 푸리에 변환 또는 역푸리에 변환시키는 특성을 갖을 수 있다.
제 2 광학계(140)는 조리개(미도시)를 더 포함할 수 있는 바, 조리개(미도시)를 통해 제 2 신호빔 및 제 2 참조빔이 홀로그램 기록매체(150)에 조사되는 면적을 조절할 수 있다.
따라서, 푸리에 렌즈(144)에 의해 변조된 제 2 신호빔 및 제 2 참조빔이 서로 만나 제 2 간섭 무늬를 형성할 수 있고, 형성된 제 2 간섭 무늬는 홀로그램 기록매체(150)에 기록될 수 있다.
도 4는, 일 실시예에 따라, 제 2 참조빔과 푸리에 렌즈를 통해 변조된 제 2 신호빔의 간섭 무늬가 홀로그램 기록 매체에 기록되는 과정을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 참조빔은 평면파(plane-wave)로써 홀로그램 기록 매체(150)에 조사된다. 또한, 평면파의 제 2 신호빔은, 푸리에 렌즈(144)를 통과하여 푸리에 렌즈(144)의 광학적 특성을 갖는 구면파(spherical-wave)로 변조되어, 홀로그램 기록 매체(150)에 조사된다. 제 2 참조빔과 변조된 제 2 신호빔은 서로 만나 간섭 무늬를 형성하고, 형성된 간섭 무늬는 홀로그램 기록 매체(150)에 기록된다. 간섭 무늬가 기록된 홀로그램 기록 매체(150)는 홀로그래픽 광학 소자를 의미할 수 있다.
장치(100)는 도 2의 실시예를 통해 제 1 참조빔과 제 1 신호빔의 제 1 간섭 무늬를 홀로그램 기록매체(150)에 기록할 수 있고, 이어서, 도 3의 실시예를 통해 제 2 참조빔과 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔의 제 2 간섭 무늬를 홀로그램 기록 매체(150)에 기록할 수 있다. 일 실시예에 따라, 장치(100)는 제 2 간섭 무늬 기록 시 홀로그램 기록 매체(150)로 조사되는 변조된 제 2 신호빔 및 제 2 참조빔의 에너지를, 제 1 간섭무늬 기록 시 홀로그램 기록 매체(150)로 조사되는 제 1 신호빔 및 제 1 참조빔의 에너지보다, 크게 설정할 수 있다. 예를 들어, 광 조사부(110)가 조사하는 레이저 빔이 시간당 에너지량이 동일한 경우, 광 조사부(110)는 제 1 레이저빔의 조사 시간보다 더 긴 시간으로 제 2 레이저빔을 조사하여, 제 2 간섭 무늬 기록 시의 변조된 제 2 신호빔 및 제 2 참조빔의 에너지를, 제 1 간섭무늬 기록 시의 제 1 신호빔 및 제 1 참조빔의 에너지보다, 크게 설정할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제 1 간섭 무늬에 따른 광학적 특성에 대한 홀로그래픽 광학 소자의 회절 효율과 제 2 간섭 무늬에 따른 광학적 특성에 대한 홀로그래픽 광학 소자의 회절 효율을 대등하게 하기 위해, 장치(100)는, 제 2 간섭 무늬 기록 시의 변조된 제 2 신호빔 및 제 2 참조빔의 에너지를, 제 1 간섭무늬 기록 시의 제 1 신호빔 및 제 1 참조빔의 에너지보다, 크게 설정할 수 있다.
또한, 도 2 및 3에서, 장치(100)는, 신호빔과 참조빔이 홀로그램 기록 매체(150)의 양면 각각에 대해 입사하는 방식의 반사형 홀로그램 기록 방법을 사용하였지만, 다른 실시예에 따라, 장치(100)는, 신호빔과 참조빔이 홀로그램 기록 매체(150)의 한 면에 대해 각각 입사하는 방식의 투과형 홀로그램 기록 방법을 사용할 수도 있다.
도 5는 홀로그램 재생 장치의 일 실시예를 나타낸다.
홀로그램 재생 장치(500)는 일 실시예에 따라, 홀로그래픽 광학 소자(510), 광원(520) 및 공간 광 변조기(spatial light modultator)(530)를 포함할 수 있다. 도 5 에 도시된 홀로그램 재생 장치(500)는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 5에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
홀로그래픽 광학 소자(510)는 제 1 신호빔과 제 1 참조빔의 제 1 간섭 무늬가 기록되고, 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔과 제 2 참조빔의 제 2 간섭 무늬가 기록된 홀로그램 기록 매체일 수 있다. 일 실시예에 따라, 홀로그래픽 광학 소자(510)는 도 1 내지 3의 장치(100)에 의해 제조된 홀로그래픽 광학 소자일 수 있다.
광원(520)은 일 실시예에 따라, 제 1 기준빔을 홀로그래픽 광학 소자(510)로 조사할 수 있다. 특히, 광원(520)은 제 1 참조빔과 대응되게, 제 1 기준빔을 홀로그래픽 광학 소자(510)로 조사할 수 있다. 보다 구체적으로, 광원(520)은 홀로그래픽 광학 소자(510)의 제 1 간섭 무늬의 기록 단계에서 사용되었던 제 1 참조빔이 평행 빔(collimated light)이기 때문에, 브래그 매칭 조건(Bragg's matching condition)을 만족시키기 위해, 평행 빔(collimated light)을 홀로그래픽 광학 소자(510)로 투사할 수 있다. 브래그 매칭이란, 특정한 사잇각을 갖는 참조빔과 신호빔으로 기록된 홀로그램이, 기록시의 참조빔과 복원시의 빔 사이의 각에 강하게 의존하여 복원된다는 걸 의미한다. 즉, 예를 들어, 광원(520)는, 홀로그래픽 광학 소자(510)의 기록 단계에서 참조빔이 θ의 각도로 입사되었기 때문에, 평행 광을 홀로그래픽 광학 소자(510)로 θ의 각도로 투사할 수 있다.
홀로그래픽 광학 소자(510)는 광원(520)으로부터 조사되는 제 1 기준빔에 반응하여, 제 1 신호빔과 대응되게 제 1 재생빔을 재생할 수 있고, 제 1 재생빔을 공간 광 변조기(530)로 조사할 수 있다. 보다 구체적으로, 홀로그래픽 광학 소자(510)는 제 1 간섭 무늬의 기록 단계에서 사용되었던 제 1 참조빔과 브래그 매칭 조건을 만족하는 제 1 기준빔을 수광할 수 있고, 이에 따라 제 1 간섭 무늬의 기록 단계에서 사용되었던 제 1 신호빔을 복원하여 제 1 재생빔으로써 재생할 수 있다.
도 6은 홀로그래픽 광학 소자가 제 1 기준빔에 반응하여 제 1 재생빔을 재생하는 구체적인 실시예를 나타낸다.
도 6(a)을 살펴보면, 홀로그래픽 광학 소자(510)의 제조 시, 제 1 신호빔과 각도(θ)로 조사되는 제 1 참조빔에 의한 제 1 간섭 무늬가 홀로그램 기록 매체(150)에 기록될 수 있다.
도 6(b)에서, 홀로그래픽 광학 소자(510)는, 광원(520)으로부터 조사되는 제 1 기준빔이 각도(θ)로 조사되는 경우, 제 1 신호빔과 대응되게 재 1 재생빔을 재생하여, 제 1 재생빔을 공간 광 변조기(530)로 조사할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 공간 광 변조기(530)는 홀로그래픽 광학 소자(510)로부터 조사되는 제 1 재생빔을 홀로그램 정보에 따라 변조하여 제 2 기준빔을 생성할 수 있다. 즉, 공간 광 변조기(530)는 홀로그램 정보에 따라 변조된 제 1 재생빔을 제 2 기준빔으로써 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, 공간 광 변조기(530)는, 디지털 정보를 포함하는 전기 신호에 따라, 제 1 재생빔을 밝은 점과 어두운 점으로 이루어진 영상인 제 2 기준빔으로 변환시킬 수 있다. 일 실시예에 따라, 홀로그램 정보는 컴퓨터 홀로그램(Computer Generated Hologram)에 대한 정보일 수 있으며, 공간 광 변조기(530)는 제 1 재생빔을 변조하여, 푸리에 변환된 컴퓨터 홀로그램을 나타내는 제 2 기준빔을 생성할 수 있다. 일 실시예에 따라, 공간 광 변조기(530)는 반사형 공간 광 변조기일 수 있으며, 생성된 제 2 기준빔을 홀로그래피 광학 소자(510)로 조사할 수 있다. 일 실시예에 따라, 공간 광 변조기(530)는 진폭형 공간 광 변조기일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따라, 공간 광 변조기(530)로부터의 제 2 기준빔이 홀로그래픽 광학 소자(510)에 사입사(oblique incidence)되기 때문에, 공간 광 변조기(530)의 픽셀의 크기를 갖는 제 2 기준빔이 홀로그래픽 광학 소자(510) 상에서 왜곡된 픽셀의 크기로 나타날 수 있다. 따라서, 이러한 왜곡 현상에 의해 재생되는 홀로그램 영상의 수평 길이 및 수직 길이의 비율이 달라질 수 있으므로, 공간 광 변조기(530)는, 이러한 왜곡 현상을 미리 보정하기 위해, 홀로그래픽 광학 소자(510)와 공간 광 변조기(530) 간의 각도 차이가 고려된 홀로그램 정보에 따라, 제 2 기준빔을 생성할 수 있다. 보다 구체적인 실시예는 이하 도 9에서 살펴보기로 한다.
또한, 일 실시예에 따라, 홀로그램 재생 장치(500)는 별도의 프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있는 바, 프로세서(미도시)를 통해 홀로그램 정보를 생성할 수 있으며, 특히, 푸리에 변환된 컴퓨터 홀로그램에 대한 홀로그램 정보를 생성할 수 있다.
홀로그래픽 광학 소자(510)는 공간 광 변조기(530)로부터 조사되는 제 2 기준빔에 반응하여, 홀로그램 영상을 나타내는 제 2 재생빔을 재생할 수 있다. 보다 구체적으로, 홀로그래픽 광학 소자(510)는 제 2 간섭 무늬의 기록 단계에서 사용되었던 제 2 참조빔과 브래그 매칭 조건을 만족하는 제 2 기준빔을 수광할 수 있고, 제 2 간섭 무늬 시 기록된 푸리에 렌즈의 광학적 성질에 따라 제 2 기준빔을 공간 상에 포커싱하여, 홀로그램 영상을 나타내는 제 2 재생빔을 재생할 수 있다. 다시 말해, 제 2 기준빔은 푸리에 변환된 컴퓨터 홀로그램을 나타내는 바, 홀로그래픽 광학 소자(510)는 푸리에 렌즈의 광학적 성질에 따라, 제 2 기준빔에 대한 역 푸리에 변환을 수행하여, 홀로그램 영상을 나타내는 제 2 재생빔을 재생할 수 있다.
도 7은 홀로그래픽 광학 소자가 제 2 기준빔에 반응하여 제 2 재생빔을 재생하는 구체적인 실시예를 나타낸다.
도 7(a)을 살펴보면, 홀로그래픽 광학 소자(510)의 제조 시, 푸리에 렌즈(144)에 의해 변조된 제 2 신호빔과 각도(θ)로 조사되는 제 2 참조빔에 의한 제 2 간섭 무늬가 홀로그램 기록 매체(150)에 기록될 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 광학 소자(510)는 브래그 매칭 조건을 만족하는 광에 대해서는 푸리에 렌즈(144)의 광학적 성질을 갖을 수 있다.
도 7(b)에서, 홀로그래픽 광학 소자(510)는, 공간 광 변조기(530)으로부터 조사되는 제 2 기준빔이 각도(θ)로 조사되는 경우, 푸리에 렌즈(144)의 광학적 성질에 따라 제 2 기준빔을 공간 상에 포커싱하여, 3차원 홀로그램 영상을 나타내는 제 2 재생빔을 재생할 수 있다.
도 8은 공간 광 변조기가 홀로그램 정보에 따라 제 2 기준빔을 생성하는 실시예, 및 홀로그래픽 광학 소자가 제 2 기준빔에 대한 퓨리에 변환을 수행하여 제 2 재생빔을 생성하는 실시예를 나타낸다.
도 8을 살펴보면, 홀로그램으로 재생시키고자 하는 대상체의 파동 함수(wave function)가 
인 경우, 공간 광 변조기(530)는 홀로그램 정보에 따라 제 1 재생빔을 변조하여, 푸리에 변환된 컴퓨터 홀로그램인 
을 나타내는 제 2 기준빔을 생성할 수 있다. 도 8에서 개시되어 있듯이, 푸리에 변환에 의해 real term뿐만 아니라 imaginary term이 생성될 수 있고, imaginary term에 대해서는 제 2 기준빔으로 생성이 불가한 바, 
를 바로 이용하지 않고, conjugate term인 
과의 합인 
을 이용하였음을 확인할 수 있다.
이어서, 홀로그래픽 광학 소자(510)는 푸리에 렌즈의 광학적 성질에 따라, 
을 나타내는 제 2 기준빔에 대한 역퓨리에 변환을 수행하여, 
에 대한 홀로그램 영상인 제 2 재생빔을 재생할 수 있다. 한편, 도 8에서 개시되어 있듯이, 홀로그래픽 광학 소자(510)의 역푸리에 변환 결과, 
및 
이 생성될 수 있는 바, 홀로그램 재생 장치(500)는 필터링부(미도시)를 더 구비하여, 필터링을 통해 
및 
에 대해 제거할 수 있다.
도 9는 제 2 기준빔의 사입사에 따른 픽셀 크기 왜곡 현상의 실시예를 나타낸다.
도 9를 살펴보면, 공간 광 변조기(530)로부터의 제 2 기준빔이 홀로그래픽 광학 소자(510)로 각도(θ)로 입사되는 경우, 공간 광 변조기(530)의 픽셀의 크기 px를 갖는 제 2 기준빔이 홀로그래피 광학 소자(510)상에서는 px/cos(θ)의 크기로 확장될 수 있다. 또한, 픽셀의 크기가 확장됨에 따라 홀로그램 영상의 크기는 축소될 수 있으므로, 영상 크기의 왜곡을 가져올 수 있다. 따라서, 홀로그램 재생 장치(500)는 이러한 왜곡 현상을 미리 보정하기 위해, 각도(θ)를 고려한 홀로그램 정보에 따라, 제 2 기준빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 재생 장치(500)는 수평 방향에서 홀로그램 영상의 크기가 축소될 수 있으므로, 컴퓨터 홀로그램을 생성하는 단계에서 이를 미리 보정할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 관찰자(540)는 홀로그래픽 광학 소자(510)에 의해 재생되는 홀로그램 영상을 볼 수 있다. 또한, 홀로그래픽 광학 소자(510)는, 홀로그래픽 광학 소자(510)에 입사되는 광 중에서 브래그 매칭 조건을 만족하지 않는 광에 대해서는 그대로 투과하는 성질을 갖는 바, 투명(see-through) 특성을 가질 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 광학 소자(510)는, 광학적 투명 증강 현실(optical see-through augmented reality)에서 필수적인 요구 사항이라 할 수 있는 실제 세계 밝기의 저하 없는 투명 조건을 만족시킬 수 있다.
따라서, 본 개시에 따른 홀로그램 재생 장치(500)는, 일 실시예에 따라, 광학적 투명 증강 현실을 구현하는 휴대용 기기, 헤드 업 디스플레이(head up display) 기기, 3차원 디스플레이 기기, 영상 스크린 등에 이용될 수 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 홀로그램 재생 장치를 나타낸다.
홀로그램 재생 장치(500)는 일 실시예에 따라, 제 1 편광판(1010), 제 2 편광판(1020), 및 절반 대역 통과 필터(1030)을 더 포함할 수 있다.
제 1 편광판(1010) 및 제 2 편광판(1020) 각각은 공간 광 변조기(530)를 전후로 서로 수직 방향으로 배치될 수 있는 바, 공간 광 변조기(530)가 진폭형 모드로 동작할 수 있게 할 수 있다. 즉, 제 1 편광판(1010)은 제 1 기준빔의 경로 상에 배치될 수 있으며, 제 2 편광판(1020)은 제 2 재생빔의 경로 상에 배치될 수 있다.
절반 대역 통과 필터(1030)는 푸리에 평면에 배치될 수 있는 바, 홀로그램 영상 중 의도하지 않은 영상 및 신호에 대한 필터링을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 8에서, 절반 대역 통과 필터(1030)은 conjugate term인 
및 DC term인 
를 필터링하여 제거할 수 있다.
도 11은 홀로그램 재생 장치가 홀로그램 영상을 표시하는 실시예를 나타낸다.
도 11은 관찰자(540)의 입장을 카메라로 대체하여 홀로그램 영상을 촬영한 것이다.
도 11(a)은, 카메라의 초점이 푸리에 평면 상에 있는 상태에서 촬영한 영상을 나타내며, 도 11(b)는, 카메라의 초점이 홀로그래픽 광학 소자에 있는 상태에서 촬영한 영상을 나타내며, 도 11(c)는, 카메라의 초점이 홀로그래픽 광학 소자 뒤쪽에 위치한 배경 물체에 있는 상태에서 촬영한 영상을 나타낸다.
따라서, 도 11에서 개시?? 있듯이, 본 개시에 따른 홀로그램 재생 장치(500)는 광학적 투명 증강 현실을 구현할 수 있는 바, 관찰자 입장에서는 3차원 홀로그램 영상뿐만 아니라 홀로그래픽 광학 소자 뒤편에 위치한 배경 물체 또한 왜곡 없이 관측할 수 있다.
본 발명에 따른 홀로그래픽 광학 소자의 제조 장치 및 홀로그래픽 재생 장치 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 실시 예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
본 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
Claims (11)
- 서로 다른 광학적 특성을 갖는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element)의 제조 장치에 있어서,
제 1 레이저빔 및 제 2 레이저 빔을 순차적으로 조사하는 광 조사부;
상기 제 1 레이저빔을 제 1 신호빔과 제 1 참조빔으로 분리하고, 상기 제 2 레이저 빔을 제 2 신호빔과 제 2 참조빔으로 분리하는, 빔 스플리터;
홀로그램 기록 매체;
상기 제 1 신호빔을 상기 홀로그램 기록 매체의 일 면에 조사하고, 상기 제 1 참조빔을 상기 홀로그램 기록 매체의 다른 일 면에 조사하여, 상기 제 1 신호빔과 상기 제 1 참조빔의 제 1 간섭 무늬를 상기 홀로그램 기록 매체에 기록하는, 제 1 광학계; 및
푸리에 렌즈(fourier lens)를 포함하고, 상기 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔을 상기 홀로그램 기록 매체의 일 면에 조사하고, 제 2 참조빔을 상기 홀로그램 기록 매체의 다른 일 면에 조사하여, 상기 변조된 제 2 신호빔과 상기 제 2 참조빔의 제 2 간섭 무늬를 상기 홀로그램 기록 매체에 기록하는, 제 2 광학계;를 포함하는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 간섭무늬 기록 시 상기 홀로그램 기록 매체에 조사되는 상기 변조된 제 2 신호빔 및 제 2 참조빔의 에너지는, 상기 제 1 간섭무늬 기록 시 상기 홀로그램 기록 매체에 조사되는 상기 제 1 신호빔 및 제 1 참조빔의 에너지보다, 크게 설정되는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 조사부는,
상기 제 1 레이저빔의 조사 시간보다 더 긴 시간 동안 상기 제 2 레이저 빔을 조사하는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 간섭 무늬 및 상기 제 2 간섭 무늬가 기록된 홀로그램 기록매체는,
상기 제 1 간섭 무늬에 대응되는 거울의 광학적 특성 및, 상기 제 2 간섭 무늬에 대응되는 상기 푸리에 렌즈의 광학적 특성을 갖는, 장치. - 제 1 신호빔과 제 1 참조빔의 제 1 간섭 무늬가 기록되고, 푸리에 렌즈에 의해 변조된 제 2 신호빔과 제 2 참조빔의 제 2 간섭 무늬가 기록된 홀로그래픽 광학 소자;
공간 광 변조기; 및
상기 제 1 참조빔과 대응되게, 제 1 기준빔을 상기 홀로그래픽 광학 소자로 조사하는 광원;을 포함하고,
상기 홀로그래픽 광학 소자는,
상기 제 1 기준빔에 반응하여, 상기 제 1 신호빔과 대응되게 제 1 재생빔을 재생하고, 상기 제 1 재생빔을 상기 공간 광 변조기로 조사하고,
상기 공간 광 변조기는,
상기 제 1 재생빔을 홀로그램 정보에 따라 변조하여 제 2 기준빔을 생성하고, 상기 제 2 기준빔을 상기 제 2 참조빔과 대응되게 상기 홀로그래픽 광학 소자로 조사하고,
상기 홀로그래픽 광학 소자는,
상기 제 2 기준빔을 공간 상에 포커싱하여, 홀로그램 영상을 재생하는, 홀로그램 재생 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 간섭무늬 기록 시 조사되는 상기 변조된 제 2 신호빔 및 제 2 참조빔의 에너지는, 상기 제 1 간섭무늬 기록 시 조사되는 상기 제 1 신호빔 및 제 1 참조빔의 에너지보다, 크게 설정되는, 홀로그램 재생 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 기준빔 및 상기 제 2 기준빔 각각은,
상기 제 1 참조빔 및 상기 제 2 참조빔 각각과 브래그 매칭 조건(Bragg's matching condition)을 만족하는, 홀로그램 재생 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 홀로그램 정보는 컴퓨터 홀로그램(Computer Generated Hologram)에 대한 정보인, 홀로그램 재생 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 기준빔은 푸리에 변환된 컴퓨터 홀로그램을 나타내고,
상기 홀로그래픽 광학 소자는,
상기 푸리에 변환된 컴퓨터 홀로그램을 역 푸리에 변환하여, 상기 홀로그램 영상을 재생하는, 홀로그램 재생 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 공간 광 변조기는,
상기 공간 광 변조기와 상기 홀로그래픽 광학 소자 간의 각도 차이가 고려된 홀로그램 정보에 따라 상기 제 1 재생빔을 변조하여 상기 제 2 기준빔을 생성하는, 홀로그램 재생 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 공간 광 변조기를 전후로 서로 수직 방향으로 배치되는 편광판들; 및
절반 대역 통과 필터;를 더 포함하는, 홀로그램 재생 장치.
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