KR20180138111A - 비주기적으로 설계된 광학 소자를 이용하여 3차원 홀로그래픽 영상을 형성하는 장치 및 방법 - Google Patents

비주기적으로 설계된 광학 소자를 이용하여 3차원 홀로그래픽 영상을 형성하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

비주기적으로 설계된 광학 소자를 이용하여 3차원 홀로그래픽 영상을 형성하는 장치 및 방법이 개시된다. 3차원 홀로그래픽 영상 장치는, 빛을 방사하는 광원, 상기 광원으로부터 투사된 빛을 변조시키는 공간 광 제어기, 및 상기 공간 광 제어기에서 변조된 빛이 입사됨에 따라, 입사된 빛의 방향을 복수개의 방향으로 굴절, 회절 또는 반사시켜 상기 입사된 빛을 변조하는 비규칙적 광학 소자를 포함하고, 상기 광학 소자에서 변조된 빛에 기초하여 3차원 홀로그래픽 영상이 형성될 수 있다.

Description

비주기적으로 설계된 광학 소자를 이용하여 3차원 홀로그래픽 영상을 형성하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FORMING 3 DIMENSIONAL HOLOGRAPHIC IMAGE USING NON-PERIODICALLY STRUCTURED OPTICAL ELEMENTS}
본 발명의 실시예들은 3차원 영상 정보를 가진 빛의 파면을 직접적으로 만드는 3차원 홀로그래픽 영상 기술에 관한 것이다.
양안의 시차를 이용하여 각각의 눈에 다른 영상 정보를 표현하는 기술과는 달리, 홀로그래픽 기술은 실제 물체(object)로부터 나오는 빛 정보를 그대로 복원한다. 3차원 홀로그래픽 영상 기술을 이용하면, 관측자는 특수한 안경 없이도 깊이 정보를 담고 있는 3차원 영상을 볼 수 있으므로, 3차원 홀로그래픽 영상 기술이 각광받고 있다.
기존의 3차원 홀로그래픽 영상 기술은 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator)를 이용하여 빛이 3차원 영상 정보를 갖도록 변조한다. 이 경우, 3차원 영상의 크기 및 3차원 영상의 시청이 가능한 시야각의 크기가 공간 광 변조기가 제어할 수 있는 광학 모드의 개수에 의해 제한된다. 즉, 영상의 크기와 시야각의 곱으로 표현되는 공간대역폭(space-bandwidth product) 은 공간 광 변조기의 픽셀 수에 의해 제한된다.
이에 따라, 기존의 3차원 홀로그래픽 영상 기술을 이용하여 시야각이 큰 3차원 영상을 구현하려면, 구현하고자 하는 3차원 영상의 크기가 작아져야 하며, 영상의 크기가 큰 3차원 영상을 만들려면 시야각이 줄어드는 문제가 존재한다.
이러한 문제를 극복하기 위해 공간 광 변조기가 제어할 수 있는 픽셀 개수를 늘리는 기술이 연구되고 있으나, 픽셀 개수를 증가시키면 처리해야 하는 데이터의 양이 매우 많아져, 계산 복잡도가 증가하고, 비용이 증가하는 등의 기술적, 경제적 문제를 야기한다.
이외에, 아래의 비특허 문헌 [1] J. Hahn, H. Kim, Y. Lim , G. Park, and B. Lee, "Wide viewing angle dynamic holographic stereogram with a curved array of spatial light modulators," Opt. Express 16, 12372-12386 (2008).에 제시된 수 많은 공간 광 변조기를 이용하여 하나의 3차원 영상을 재생하는 공간 다중화(spatial-multiplexing) 및 아래의 비특허 문헌 [2] M. Park, B. G. Chae , H.-E. Kim, J. Hahn, H. Kim, C. H. Park, K. Moon, and J. Kim, "Digital holographic display system with large screen based on viewing window movement for 3D video service," ETRI journal 36, 232-241 (2014).에 제시된 시간적으로 서로 다른 이미지를 다양한 방향으로 재생하는 시간 다중화(time-multiplexing) 기술이 존재하나, 공간 다중화 및 시간 다중화 기술 모두 처리해야 하는 데이터의 양이 무척 많고, 복잡한 물리적 구동계 또는 광학계를 요구 한다. 아래의 비특허 문헌 [3] H. Yu , K. Lee, J. Park, and Y. Park, "Ultrahigh-definition dynamic 3D holographic display by active control of volume speckle fields," Nature Photonics 11, 186-192 (2017).에 제시된 무작위한 산란층을 이용한 홀로그래픽 디스플레이 기술을 이용하여 3차원 홀로그래픽 영상을 구현 가능하나, 무작위한 산란층을 이용하는 경우 투과행렬을 정밀하게 측정하기 위해 매우 오랜 시간이 필요하고, 계산량 역시 상당하다.
따라서, 무작위하지 않으면서, 구현하고자 하는 3차원 영상(즉, 원하는 3D 영상)의 크기와 시야각이 향상/확장된 홀로그램 영상 기술이 요구된다.
[1] J. Hahn, H. Kim, Y. Lim, G. Park, and B. Lee, "Wide viewing angle dynamic holographic stereogram with a curved array of spatial light modulators," Opt. Express 16, 12372-12386 (2008). [2] M. Park, B. G. Chae, H.-E. Kim, J. Hahn, H. Kim, C. H. Park, K. Moon, and J. Kim, "Digital holographic display system with large screen based on viewing window movement for 3D video service," ETRI journal 36, 232-241 (2014). [3] H. Yu, K. Lee, J. Park, and Y. Park, "Ultrahigh-definition dynamic 3D holographic display by active control of volume speckle fields," Nature Photonics 11, 186-192 (2017).
본 발명은 공간 광 제어기를 이용하여 넓은 공간 내에서 큰 시야각(예컨대, 공간 광 제어기로 표현 가능한 픽셀 수 이상의 시야각)을 가지는 3차원 홀로그램 영상을 형성하기 위한 것이다.
3차원 홀로그래픽 영상 장치는, 빛을 방사하는 광원, 상기 광원으로부터 투사된 빛을 변조시키는 공간 광 제어기, 및 상기 공간 광 제어기에서 변조된 빛이 입사됨에 따라, 입사된 빛의 방향을 복수개의 방향으로 굴절, 회절 또는 반사시켜 상기 입사된 빛을 변조하는 비규칙적 광학 소자를 포함하고, 상기 광학 소자에서 변조된 빛에 기초하여 3차원 홀로그래픽 영상이 형성될 수 있다.
일측면에 따르면, 형성되는 상기 3차원 홀로그래픽 영상은, 상기 공간 광 제어기의 픽셀 수에 해당하는 공간 대역폭보다 큰 공간 대역폭을 갖는 3차원 이미지를 나타낼 수 있다.
다른 측면에 따르면, 형성하고자 하는 상기 3차원 홀로그래픽 영상의 영상 정보 및 상기 비규칙적 광학 소자의 광학 특성에 기초하여 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴을 계산하는 계산부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 계산부는, 선형반응함수 알고리즘(linear response function algorithm,), 또는 반복적 알고리즘(iterative algorithm)에 기초하여 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴을 계산할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 공간 광 제어기는, 상기 광원으로부터 투사된 빛이 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴이 되도록, 상기 광원으로부터 투사된 빛의 파면 또는 패턴을 변조할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 비규칙적 광학 소자는, 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴에 대응하는 패턴을 갖도록 변조된 빛을 투과시킴으로써, 원하는 파면 또는 패턴을 갖는 상기 3차원 홀로그래픽 영상을 형성할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 비규칙적 광학 소자는, 미리 정의된 비규칙적으로 핀홀들이 배열된 핀홀 어레이(pinhole array), 마이크로렌즈 어레이(microlens array), 프리즘 어레이(prism array), 회절성 광학 소자(diffractive optical element), 및 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 비규칙적 광학 소자는, 상기 공간 광 제어기에서 변조된 빛에 해당하는 영상의 크기 및 시야각을 확장시킬 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 비규칙적 광학 소자와 상기 공간 광 제어기의 픽셀들(pixels) 각각은 일대일로 대응되는 구조를 가질 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 비규칙적 광학 소자는, 전자기파의 상기 공간 광 변조기의 픽셀 수에 해당하는 광학적 모드를 증가시킴으로써, 상기 공간 광 변조기로 표현되는 공간대역폭을 확장할 수 있다.
3차원 홀로그래픽 영상 방법은, 광원으로부터 공간 광 제어기로 투사된 빛을 변조시키는 단계, 및 변조된 상기 빛을 비규칙적 광학 소자로 입사시키고, 입사된 빛의 방향을 복수개의 방향으로 굴절, 회절 또는 반사시킴으로써 상기 입사된 빛을 변조하는 단계를 포함하고, 상기 광학 소자에서 변조된 빛에 기초하여 3차원 홀로그래픽 영상이 형성될 수 있다.
일측면에 따르면, 형성되는 상기 3차원 홀로그래픽 영상은, 상기 공간 광 제어기의 픽셀 수에 해당하는 공간 대역폭보다 큰 공간 대역폭을 갖는 3차원 이미지를 나타낼 수 있다.
다른 측면에 따르면, 형성하고자 하는 상기 3차원 홀로그래픽 영상의 영상 정보 및 상기 비규칙적 광학 소자의 광학 특성에 기초하여 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 계산하는 단계는, 선형반응함수 알고리즘(linear response function algorithm,), 또는 반복적 알고리즘(iterative algorithm)에 기초하여 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴을 계산할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 공간 광 제어기로 투사된 빛을 변조시키는 단계는, 상기 광원으로부터 투사된 빛이 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴이 되도록, 상기 광원으로부터 투사된 빛의 파면 또는 패턴을 변조할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 입사된 빛을 변조하는 단계는, 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴에 대응하는 패턴을 갖도록 변조된 빛을 투과시킴으로써, 원하는 파면 또는 패턴을 갖는 상기 3차원 홀로그래픽 영상을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 비규칙적 광학 소자는, 미리 정의된 비규칙적으로 핀홀들이 배열된 핀홀 어레이(pinhole array), 마이크로렌즈 어레이(microlens array), 프리즘 어레이(prism array), 회절성 광학 소자(diffractive optical element), 및 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 입사된 빛을 변조하는 단계는, 상기 공간 광 제어기에서 변조된 빛에 해당하는 영상의 크기 및 시야각을 확장시킴으로써, 상기 입사된 빛을 변조할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 비규칙적 광학 소자와 상기 공간 광 제어기의 픽셀들(pixels) 각각은 일대일로 대응되는 구조를 가질 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 입사된 빛을 변조하는 단계는, 상기 공간 광 변조기의 픽셀 수에 해당하는 광학적 모드와 관련된 전자기파를 증가시켜 상기 공간 광 변조기로 표현되는 공간대역폭을 확장함으로써, 상기 입사된 빛을 변조할 수 있다.
본 발명에 의하면, 공간 광 제어기를 이용하여 변조된 빛을 비규칙적 배열 구조를 갖는 광학 소자(즉, 비규칙적 광학 소자)를 이용하여 다시 한번 변조하여, 공간 광 제어기의 픽셀 수로 표현 가능한 시야각보다 큰(즉, 확장된) 시야각 및 크기를 갖는 3차원 영상을 형성할 수 있다. 즉, 단일의 공간 광 제어기의 픽셀 수로 표현 가능한 3차원 영상의 크기와 시야각을 비규칙적 광학 소자를 이용하여 모두 확장함으로써, 넓은 공간 내에서 확장된 크기와 시야각을 갖는 3차원 홀로그래픽 영상을 형성할 수 있다.
또한, 공간 광 제어기 및 비규칙적 광학 소자를 이용하여 큰 시야각을 가지는 3차원 홀로그램 영상을 형성함에 따라, 형성된 3차원 홀로그램 영상은 파동의 파장 및 종류에 제한되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 홀로그래픽 영상 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 홀로그래픽 영상 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 공간 광 제어기 및 광학 소자를 포함하는 광학계의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 공간 광 제어기의 광학적 모드를 증가시키는 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 투과형의 광학계 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 반사형의 광학계 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 빔 스플리터를 이용한 반사형 광학계 구조를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예들은, 공간 광 제어기 및 비규칙적 광학 소자를 이용하여 넓은 공간 내에 큰 시야각과 크기가 큰 3차원 홀로그램 영상을 형성하는 기술에 관한 것으로서, 특히, 공간 광 제어기의 픽셀 수에 해당하는 공간대역폭을 비규칙적 광학 소자를 이용하여 증가시키는 기술에 관한 것이다.
본 실시예들에서, "비규칙적 광학 소자"는 무작위하지는 않지만 비규칙적으로 광학 소자들이 배열되어, 배열을 미리 알고 있는 구조를 가진 광학 소자를 나타낼 수 있다. 예컨대, 비규칙적 광학 소자는, 미리 정의된 비규칙적으로 핀홀들이 배열된 핀홀 어레이(pinhole array), 마이크로렌즈 어레이(microlens array), 프리즘 어레이(prism array), 회절성 광학 소자(diffractive optical element), 및 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 비규칙적 광학 소자로 핀홀 어레이, 마이크로렌즈 어레이가 이용되는 경우, 3차원 홀로그래픽 영상을 형성하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치는 플랫 패널 3D 디스플레이(flat panel 3D display) 형태로 구현될 수 있다.
본 실시예들에서, "시야각(Field Of Vies, FOV)"은 망원경, 카메라, 광학 센서 등에 의해 한 번에 관측될 수 있는 영역의 크기를 각(Angle)으로 표현한 것을 나타낼 수 있다.
본 실시예들에서, "공간 광 제어기"는 입사되는 빛의 파면 또는 패턴을 변조시키는 광학기기로서, 파면제어기(wavefront modulator), 변형거울장치(deformable mirror), 디지털미소거울장치(digital micromirror device), 광굴절 물질(photorefractive material), 홀로그래픽 필름(holographic film) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 홀로그래픽 영상 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 홀로그래픽 영상 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1에서, 3차원 홀로그래픽 영상 장치(100)는 광원(light source, 110), 공간 광 제어기(120), 비규칙적 광학 소자(130) 및 계산부(140)를 포함할 수 있다. 여기서, 광원(110), 공간 광 제어기(120), 비규칙적 광학 소자(130)는 3차원 홀로그래픽 영상 장치(100)의 광학계에 해당하는 것으로서, 광학계의 자세한 구조는 도 5 내지 도 7을 참고하여 후술하기로 한다.
도 2의 각 단계들(210 내지 240 단계)은 도 1의 3차원 홀로그래픽 영상 장치(100)의 각 구성 요소(예컨대, 광원(110), 공간 광 제어기(120), 비규칙적 광학 소자(130) 및 계산부(140))에 의해 수행될 수 있다.
210 단계에서, 계산부(140)는 형상하고자 하는 3차원 홀로그래픽 영상의 영상 정보 및 비규칙적 광학 소자(130)의 광학 특성에 기초하여 공간 광 제어기(120)의 입사 패턴을 계산할 수 있다.
일례로, 계산부(140)는 구현하고자 하는 3차원 홀로그래픽 영상 정보를 입력받을 수 있다. 그리고, 입력된 영상 정보와 광학 소자(130)의 광학 특성으로부터 공간 광 제어기(120)의 입사 패턴을 계산할 수 있다. 예컨대, 계산부(140)는 상기 입력된 영상 정보와 광학 소자(130)의 광학 특성을 선형반응함수 알고리즘(linear response function algorithm), 또는 반복적 알고리즘(iterative algorithm)에 적용하여 상기 공간 광 제어기(120)의 입사 패턴을 계산할 수 있다.
일례로, 도 4를 참고하면, 3차원 홀로그래픽 영상 정보(421), 광학 소자(130)의 광학 특성(422)으로부터 공간 광 제어기(120)의 입사 패턴(423)(즉, 입사되는 광학 패턴)이 계산될 수 있다. 다시 말해, (E1, ..., EN)까지 N개의 광학적 모드를 갖고 있는 전자기파(즉, 영상정보)가 핀홀 어레이(pinhole array)를 투과하여 (E1',…, EaN') 까지 aN개의 광학적 모드를 가진 전자기파(즉, 영상정보)로 선형 변환될 수 있다.
예를 들어, 반복적 알고리즘(iterative algorithm)을 이용하는 경우, 선형 변환 연산자(Linear transformation operator) T{}, Propagator P{}, 원하는 홀로그래픽 이미지(Desired holographic image) I0, 및 초기 추정 패턴(Initial estimation pattern) E이 입력 파라미터로 설정되고, 최적의 인시던트 패턴(Optimal incident pattern) E' 이 출력 파라미터로 설정될 수 있다. 초기 추정 패턴 E를 기반으로 반복적 알고리즘을 적용하여 최적의 인시던트 패턴 E'을 얻을 수 있다. 구체적으로, 이전 반복 주기 E' 또는 초기 추정 패턴 E을 대상으로 비주기적으로 패턴화된 광학 구성 요소(즉, 선형 변환 연산자) T{}에 의해 선형 변환이 수행될 수 있다(S1). 선형 변환 이후, 홀로그래픽 이미지의 강도/세기 패턴(intensity pattern)의 이미지 공간 정규화(normalization)을 위한 전파(propagation), P{}가 수행될 수 있다(S2). 이때, 홀로그래픽 이미지 제약(Holographic image constraint)에 기초하여 원하는 홀로그래픽 이미지와 비교하고, 강도/세기 프로파일(intensity profile)이 업데이트될 수 있다(S3). 그러면, 이미지 공간으로부터 비주기적으로 패턴화된 광학 구성 요소인 P-1{}로 역전파가 수행될 수 있다(S4). 이어, 비주기적으로 패턴화된 광학 구성 요소인 T-1{}에 의해 선형(역) 광학 변환이 수행될 수 있다(S5). 이때, 인시던트 패턴 제약(Incident pattern constraint)에 기초하여 위상 패턴(phase pattern)이 업데이트될 수 있다(S6). 이처럼, 초기 추정 패턴 E로부터 T{}, P{}, 홀로그래픽 이미지 제약 조건, P-1{}, T-1{}, 인시던트 패턴 제약 조건을 적용하여 위상 패턴을 업데이트하는 과정(즉, S1 내지 S7)을 반복 수행함으로써, 최적의 인시던트 패턴 인시던트 패턴 E'(즉, 입사 패턴)을 계산할 수 있다.
220 단계에서, 공간 광 제어기(120)는 광원(110)으로부터 공간 광 제어기(120)로 투사된 빛을 변조시킬 수 있다.
예를 들어, 공간 광 제어기(120)는 광원(110)으로부터 투사된 빛이 계산부(140)에서 계산된 공간 광 제어기(120)의 입사패턴이 되도록, 공간 광 제어기(120)로 입사되는 빛의 파면 또는 패턴을 변조할 수 있다. 여기서, 광원(110)은 레이저 빔(laser beam)을 조사하는 레이저(laser)를 포함하고, 공간 광 제어기(120)는 입사되는 빛의 파면 또는 패턴을 변조시키는 광학기기로서, 파면제어기(wavefront modulator), 변형거울장치(deformable mirror), 디지털미소거울장치(digital micromirror device), 광굴절 물질(photorefractive material), 홀로그래픽 필름(holographic film) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
230 단계에서, 공간 광 제어기(120)에서 변조된 빛이 비규칙적 광학 소자(130)로 입사될 수 있으며, 비규칙적 광학 소자(130)는 공간 광 제어기(120)로부터 입사된 빛의 방향을 복수개의 방향(즉, 다양한 방향)으로 굴절, 회절 또는 반사시켜 상기 입사된 빛을 변조할 수 있다. 즉, 공간 광 제어기(120)에서 파면 또는 패턴이 변조된 빛은 비규칙적 광학 소자(130)에 의해 다시 한번 변조될 수 있다.
예를 들어, 비규칙적 광학 소자(130)는 미리 정의된 비규칙적으로 배열된 소자들(예컨대, 핀홀, 마이크로 렌즈, 회절성 소자, 홀로그래픽 소자 등) 각각으로 입사된 빛의 방향을 다양한 방향으로 굴절, 회절, 반사시킬 수 있다. 그러면, 비규칙적 광학 소자(130)를 투과한 빛을 기반으로 3차원 홀로그래픽 영상이 형성될 수 있다. 이때, 형성된 3차원 홀로그래픽 영상은 이미지의 크기(즉, 영상의 크기)와 시야각이 제한되지 않을 수 있다. 다시 말해, 공간 광 제어기(120)의 픽셀 수로 표현 가능한 시야각보다 상기 픽셀 수 이상에서 표현 가능한 시야각으로 시야각을 확장시킴과 동시에, 구현되는 3차원 홀로그래픽 영상의 크기 역시 상대적으로 크게 확장시킬 수 있다.
공간 광 제어기(120)의 광학 특성이 정해지면, 만들 수 있는(즉, 형성할 수 있는) 3차원 홀로그래픽 영상의 공간대역폭이 공간 광 제어기(120)의 픽셀 수로 제한되어, 3차원 홀로그래픽 영상의 크기와 시야각이 일정값 이하로 제한되나, 비규칙적 광학 소자(130)를 이용하여 공간 광 제어기(120)의 광학적 모드를 증가시킴으로써, 구현하고자 하는 3차원 홀로그래픽 영상의 크기와 시야각을 확장시킬 수 있다.
240 단계에서, 비규칙적 광학 소자(130)에서 변조된 빛에 기초하여 형성하고자 하는 3차원 홀로그래픽 영상이 형성될 수 있다. 여기서, 형성되는 3차원 홀로그래픽 영상은 공간 광 제어기(120)의 픽셀 수에 해당하는 공간 대역폭보다 큰 공간 대역폭을 갖는 3차원 이미지에 해당할 수 있다.
예컨대, 시간에 따라 다른 패턴의 빛이 공간 광 제어기(120)로 입력되어 변조되고, 변조된 빛이 비규칙적 광학 소자(130)에 의해 다시 한번 변조되어 출사됨에 따라, 움직이는 홀로그래픽 영상이 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 공간 광 제어기 및 광학 소자를 포함하는 광학계의 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 광학계 310와 같이 공간 광 제어기(312) 만을 이용하여 3차원 홀로그래픽 영상(313)을 형성하는 경우, 광원(311)으로부터 공간 광 제어기(312)로 입사된 빛은 변조되어 3차원 홀로그래픽 영상(313)이 형성될 수 있다. 이때, 3차원 홀로그래픽 영상의 공간 대역폭이 공간 광 제어기(312)의 픽셀 수로 제한되므로, 3차원 홀로그래픽 영상(313)의 크기 및 시야각(viewing angle, 314)이 일정값 이하로 제한됨을 확인할 수 있다.
광학계 320와 같이 공간 광 제어기(323) 및 비규칙적 광학 소자(323)를 이용하여 3차원 홀로그래픽 영상(324)을 형성하는 경우, 광원(321)으로부터 공간 광 제어기(322)로 입사된 빛은 변조된 후, 비규칙적 광학 소자(323)로 입사되어 다시 한번 변조된 후, 3차원 홀로그래픽 영상(324)이 형성될 수 있다. 즉, 비규칙적 광학 소자(323)에서 광간 광 제어기(322)로부터 입사된 빛을 다양한 방향으로 회절, 반사, 굴절시킴에 따라, 하나의 공간 광 제어기(312) 만을 이용할 때보다 상대적으로 시야각(325)이 확장되고, 크기가 확장된 3차원 홀로그래픽 영상(324)이 형성될 수 있다. 이때, 비규칙적 광학 소자(323)에 비규칙적으로 배열된 각 소자와 공간 광 제어기(322)의 픽셀 각각은 일대일로 대응하도록 배치될 수 있다.
예컨대, 비규칙적 광학 소자(323)가 비규칙적으로 배열된 복수개의 핀홀들이 배치된 핀홀 어레이인 경우, 각 핀홀과 공간 광 제어기(323)의 각 픽셀은 일대일 대응하도록 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 공간 광 제어기의 광학적 모드를 증가시키는 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 4를 참고하면, 공간 대역폭은 영상의 크기와 시야각의 곱으로 표현될 수 있다. 즉, 공간 대역폭은 영상의 크기와 관련된 공간 광 제어기의 픽셀수 N과 시야각과 관련된 파장 λ의 곱으로 표현될 수 있다. 도 4에서, M은 픽셀(pixel)의 개수를 나타내고, SBP는 공간대역폭(space-bandwidth product)을 나타낼 수 있다. 그리고, 도 4의 M은 도 4의 도번 410 및 420에 도시된 행렬식의 N에 해당할 수 있다. FOV는 이미지 크기, viewing angle은 시야각을 나타낼 수 있다.
410을 참고하면, 공간 광 제어기(예컨대, SLM) 만을 이용하여 3차원 홀로그래픽 영상을 구현하는 경우, 공간 광 제어기(120)에서 표현 가능한 3차원 이미지의 공간대역폭은 공간 광 제어기의 픽셀수 N과 파장 λ의 곱으로 계산될 수 있다. 이때, 420과 같이, 비규칙적 광학 소자(예컨대, 핀홀 어레이)를 이용하는 경우, 공간 광 변조기(120)의 픽셀 수에 해당하는 공간 대역폭을 α배 만큼 증가시킬 수 있다. 여기서, 420은 행렬로 홀로그래픽 이미지(전자기파)가 어떻게 변환되는지를 표현한 것으로서, 420을 참고하면, (E1, …, EN)까지 N개의 광학적 모드를 갖고 있는 전자기파(즉, 영상정보)가 핀홀 어레이(pinhole array)를 투과하여 (E1',…, EaN') 까지 aN개의 광학적 모드를 가진 전자기파(즉, 영상정보)로 선형 변환될 수 있다. 그리고 상기, α배는 핀홀의 모양 및 크기 등에 의해 결정될 수 있으며, 핀홀의 개수는 픽셀(pixel) 개수와 동일한 N개 이고, 각각의 픽셀(pixel)이 각각의 핀홀(pinhole)에 일대일로 대응할 수 있다.
예를 들어, 420을 참고하면, 비규칙적/비주기적으로 배열된 핀홀 어레이(pinhole array)를 통해 N개의 광학적 모드에서 나온 전자기파(즉, 공간 광 제어기(120)의 N개의 픽셀들에 해당하는 전자기파)를 α배만큼 증가시킬 수 있다. 그러면, 공간 광 제어기(120)를 이용하여 표현 가능한 3차원 홀로그래픽 영상의 공간 대역폭은 Nλ에서 αNλ로 증가할 수 있다. 이처럼, αNλ로 증가된 공간 대역폭에서 3차원 홀로그래픽 영상을 형성함에 따라, 하나의 공간 광 제어기(120)만을 이용할 때 보다 상대적으로 훨씬 더 큰 시야각과 이미지 크기를 갖는 디스플레이가 가능해질 수 있다.
이때, 비규칙적 광학 소자(130)를 이용하여 N개의 광학적 모드를 αN개의 광학적 모드로 변환하기 위해, 광학적 모드 변환은 비상관성(incoherent)을 가질 수 있으며, 비상관성(incoherent)을 가지는 경우에 3차원 홀로그래픽 영상(arbitrary 3D image)이 형성될 수 있다. 예컨대, 광학적 모드 변환이 비상관성(incoherent)을 갖도록 하기 위해, 랜덤 변환(random transformation)이 이용될 수 있다. 즉, 단일 공간 광 제어기와 비규칙적 광학 소자를 이용하여, 단일의 공간 광 제어기가 표현 가능한 공간 대역폭을 증가시킴에 있어서, 기존의 다중화(multiplexing) 방식이 아닌 랜덤 변환(random transformation) 등의 광학 변환(optical transformation)이 수행될 수 있다. 이러한, 광학 변환을 통해 단일 공간 광 제어기는 자신이 표현 가능한 광학적 모드를 증가시킬 수 있으며, 결국, 증가된 광학적 모드(즉, 공간 대역폭)을 갖는 3차원 홀로그래픽 영상이 형성될 수 있다. 그리고, 복잡한 구동계를 요구하는 다중화(multiplexing) 방식을 이용하지 않음에 따라, 구현의 복잡도 및 비용을 감소시킬 수 있다.
다시 말해, 다수의 공간 광 제어기를 공간적으로 이어 붙이거나(space domain multiplexing), 고속으로 동작하는 하나의 공간 광 제어기를 물리적 구동계를 통해 시간적으로 이어 붙인 경우(time domain multiplexing), 3D 홀로그래픽 영상을 재생하는 디스플레이가 물리적으로 커지고, 디스플레이의 하드웨어적 구성이 복잡해지며, 많은 광학적 모드를 공간 광 제어기에 동시에 띄워줘야 하므로 연산량 역시 많이 증가할 수 있다. 이때, 상기 다중화 방식이 아닌 비규칙적 광학 소자를 이용하여 광학 변환(optical transformation)을 통해 단일 공간 광 제어기에서 표현 가능한 공간대역폭(즉, 광학적 모드)을 물리적 구동계없이 증가시킴으로써, 디스플레이의 구현 복잡도를 낮추고, 물리적 크기와 연산량을 감소시킬 수 있다. 그리고, 물리적 구동계를 이용하지 않음에 따라, 단일 공간 광 제어기에서 표현 가능한 공간대역폭을 수 천배 이상 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 투과형의 광학계 구조를 도시한 도면이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 반사형의 광학계 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 광학계가 투과형으로 설계된 경우, 공간 광 제어기(Spatial Light Modulator, 520)는 광원(Light source, 510)으로부터 입사되는 빛을 계산된 공간 광 제어기(520)의 입사 패턴에 기초하여 변조할 수 있다. 그러면, 변조된 빛을 투과하도록 광학 소자(Optical Elements, 530)는 구현될 수 있다. 예컨대, 광학 소자(530)에 배치된 핀홀 등의 각 소자(elements)와 공간 광 제어기(520)의 픽셀들일 일대일 대응되도록 구현될 수 있다.
도 5와 같이 투과형으로 구현할 경우, 3차원 디스플레이를 얇은 디스플레이(thin display) 형태로 구현 가능하므로 모바일 디스플레이에 적합한 형태로 구현할 수 있다. 예컨대, 상업용 LCD 디스플레이(commercial LCD display)에 얇은 핀홀 어레이(pinhole array)를 붙이는 것(즉, 부착시키는 것)만으로 3D 디스플레이(display) 구현이 가능할 수 있다. 이때, 일반적인 얇은 LCD(thin LCD)의 경우, 전체 면적대비 픽셀(pixel)이 차지하는 면적 비(fill factor)가 상대적으로 낮아 홀로그래픽 이미지 품질(holographic image quality)에 영향을 줄 수 있다. 이에 따라, 투과형 이외에 도 6 및 도 7과 같이 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 6을 참고하면, 공간 광 제어기(620)는 변조된 빛을 광학 소자(630)로 반사시킬 수 있다.
도 6을 참고하면, 반사형으로 구현할 경우, 전체 면적대비 픽셀(pixel)이 차지하는 면적 비(fill factor)가 매우 높은(예컨대, >96%인) 반사형 디스플레이의 사용이 가능할 수 있다. 여러 개의 디스플레이 이미지를 하나의 큰 비주기적 패턴(nonperiodic pattern)에 입사시킬 수 있으므로 매우 큰 디스플레이(display)를 구현하는데 용이할 수 있다. 이처럼, 구현되는 디스플레이의 크기가 커짐에 따라, 시스템이 전체적으로 부피가 커(bulky) 질 수 있다.
도 7을 참고하면, 광원(710)과 공간 광 제어기(730) 사이에 빔 스플리터(beam splitter, 720)가 위치할 수 있으며, 빔 스플리터(720)는 공간 광 제어기(730)에서 변조되어 반사된 빛을 광학 소자(740)로 입사시킬 수 있다. 예를 들어, 빔 스플리터(720)는 광원(710) 및 공간 광 제어기(730)로부터 입사되는 빛들을 대상으로, 진동 방향이 서로 다른(예컨대, 직각 등으로 서로 다른 각도를 갖는) 빛을 분리하여 일부(즉, 광원으로부터 입사된 빛)는 공간 광 제어기(730)로, 나머지 빛(즉, 공간 광 제어기로부터 입사된 빛)은 광학 소자(740)로 출사시킬 수 있다.
도 7과 같이, 빔 스플리터(720)를 이용하는 경우 원리적으로 반사형 디스플레이와 동일하나, 광원에서 나온 빛의 입사 방향과 표현되는 3차원 이미지의 방향이 서로 수직함이 상이할 수 있다. 이처럼, 광원에서 나온 빛의 입사 방향과 표현되는 3차원 이미지의 방향이 서로 수직한 경우, 테이블 탑(table top) 형태의 3D 디스플레이(3D display)를 구현하기 위해 이용될 수 있다. 즉, 빔 스플리터 기반의 반사형 광학계 구조를 이용하는 경우, 광원이 얇은 테이블(table)의 in-plane방향에서 입사되고, 3차원 이미지는 out of plane 방향으로 구현 가능하므로, 테이블 탑(table top) 형태의 3D 디스플레이(3D display) 구현이 용이할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 빛을 방사하는 광원;
    상기 광원으로부터 투사된 빛을 변조시키는 공간 광 제어기; 및
    상기 공간 광 제어기에서 변조된 빛이 입사됨에 따라, 입사된 빛의 방향을 복수개의 방향으로 굴절, 회절 또는 반사시켜 상기 입사된 빛을 변조하는 비규칙적 광학 소자
    를 포함하고,
    상기 광학 소자에서 변조된 빛에 기초하여 3차원 홀로그래픽 영상이 형성되는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    형성되는 상기 3차원 홀로그래픽 영상은, 상기 공간 광 제어기의 픽셀 수에 해당하는 공간 대역폭보다 큰 공간 대역폭을 갖는 3차원 이미지를 나타내는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    형성하고자 하는 상기 3차원 홀로그래픽 영상의 영상 정보 및 상기 비규칙적 광학 소자의 광학 특성에 기초하여 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴을 계산하는 계산부
    를 더 포함하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 계산부는,
    선형반응함수 알고리즘(linear response function algorithm,), 또는 반복적 알고리즘(iterative algorithm)에 기초하여 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴을 계산하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 공간 광 제어기는,
    상기 광원으로부터 투사된 빛이 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴이 되도록, 상기 광원으로부터 투사된 빛의 파면 또는 패턴을 변조하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비규칙적 광학 소자는,
    상기 공간 광 제어기의 입사 패턴에 대응하는 패턴을 갖도록 변조된 빛을 투과시킴으로써, 원하는 파면 또는 패턴을 갖는 상기 3차원 홀로그래픽 영상을 형성하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 비규칙적 광학 소자는,
    미리 정의된 비규칙적으로 핀홀들이 배열된 핀홀 어레이(pinhole array), 마이크로렌즈 어레이(microlens array), 프리즘 어레이(prism array), 회절성 광학 소자(diffractive optical element), 및 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element) 중 적어도 하나를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비규칙적 광학 소자는,
    상기 공간 광 제어기에서 변조된 빛에 해당하는 영상의 크기 및 시야각을 확장시키는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비규칙적 광학 소자와 상기 공간 광 제어기의 픽셀들(pixels) 각각은 일대일로 대응되는 구조를 갖는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 비규칙적 광학 소자는,
    전자기파의 상기 공간 광 변조기의 픽셀 수에 해당하는 광학적 모드를 증가시킴으로써, 상기 공간 광 변조기로 표현되는 공간대역폭을 확장하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 장치.
  11. 광원으로부터 공간 광 제어기로 투사된 빛을 변조시키는 단계; 및
    변조된 상기 빛을 비규칙적 광학 소자로 입사시키고, 입사된 빛의 방향을 복수개의 방향으로 굴절, 회절 또는 반사시킴으로써 상기 입사된 빛을 변조하는 단계
    를 포함하고,
    상기 광학 소자에서 변조된 빛에 기초하여 3차원 홀로그래픽 영상이 형성되는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    형성되는 상기 3차원 홀로그래픽 영상은, 상기 공간 광 제어기의 픽셀 수에 해당하는 공간 대역폭보다 큰 공간 대역폭을 갖는 3차원 이미지를 나타내는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    형성하고자 하는 상기 3차원 홀로그래픽 영상의 영상 정보 및 상기 비규칙적 광학 소자의 광학 특성에 기초하여 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴을 계산하는 단계
    를 더 포함하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는,
    선형반응함수 알고리즘(linear response function algorithm,), 또는 반복적 알고리즘(iterative algorithm)에 기초하여 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴을 계산하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 공간 광 제어기로 투사된 빛을 변조시키는 단계는,
    상기 광원으로부터 투사된 빛이 상기 공간 광 제어기의 입사 패턴이 되도록, 상기 광원으로부터 투사된 빛의 파면 또는 패턴을 변조하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 입사된 빛을 변조하는 단계는,
    상기 공간 광 제어기의 입사 패턴에 대응하는 패턴을 갖도록 변조된 빛을 투과시킴으로써, 원하는 파면 또는 패턴을 갖는 상기 3차원 홀로그래픽 영상을 형성하는 단계
    를 포함하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 비규칙적 광학 소자는,
    미리 정의된 비규칙적으로 핀홀들이 배열된 핀홀 어레이(pinhole array), 마이크로렌즈 어레이(microlens array), 프리즘 어레이(prism array), 회절성 광학 소자(diffractive optical element), 및 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element) 중 적어도 하나를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 입사된 빛을 변조하는 단계는,
    상기 공간 광 제어기에서 변조된 빛에 해당하는 영상의 크기 및 시야각을 확장시킴으로써, 상기 입사된 빛을 변조하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 비규칙적 광학 소자와 상기 공간 광 제어기의 픽셀들(pixels) 각각은 일대일로 대응되는 구조를 갖는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 입사된 빛을 변조하는 단계는,
    전자기파의 상기 공간 광 변조기의 픽셀 수에 해당하는 광학적 모드를 증가시켜 상기 공간 광 변조기로 표현되는 공간대역폭을 확장함으로써, 상기 입사된 빛을 변조하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 홀로그래픽 영상 방법.
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