KR20200063645A - Holographic head mounted display apparatus with eyebox and depth of field control and display method thereof - Google Patents

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KR20200063645A
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Abstract

Provided are a holographic head mounted display device capable of adjusting the image depth and an eye position, and a display method using the same. According to one embodiment, the holographic head mounted display device comprises: a spatial light modulator (SLM) in which a plane wave from a laser source is modulated by a computer generated hologram (CGH); a 4f optical unit modulated by the SLM and then forming an intermediate holographic image; and a reflective holographic optical element (HOE) diffracting light from the intermediate holographic image and providing a magnified virtual holographic image at a greater distance than an eye of a user.

Description

영상 심도 및 눈의 위치 조절 가능한 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디스플레이 방법{HOLOGRAPHIC HEAD MOUNTED DISPLAY APPARATUS WITH EYEBOX AND DEPTH OF FIELD CONTROL AND DISPLAY METHOD THEREOF}Holographic head mounted display device with adjustable image depth and eye position and display method using the same{HOLOGRAPHIC HEAD MOUNTED DISPLAY APPARATUS WITH EYEBOX AND DEPTH OF FIELD CONTROL AND DISPLAY METHOD THEREOF}

아래의 실시예들은 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영상 심도 및 눈의 위치 조절 가능한 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디스플레이 방법에 관한 것이다. The following embodiments relate to a holographic head mounted display technology, and more particularly, to a holographic head mounted display device capable of adjusting image depth and eye position and a display method using the same.

광학식 시스루(see-through) 근접-눈-디스플레이(Near-Eye-Display, NED)는 증강 현실(Augmented Reality, AR) 애플리케이션을 위한 핵심 장치이며, 최근 주목 받고 있다. 기존 근접-눈-디스플레이(NED)의 문제점 중 하나는 수렴-조절 불일치(Vergence-Accommodation Conflict, VAC)이다. 인지된 거리 또는 수렴 거리(vergence distance)는 컨텐츠의 양안 불일치, 개별 눈의 초점 거리 또는 조절 거리(accommodation distance)에 따라 변하지만, 디스플레이 패널의 물리적 이미지 평면에 고정되어 있다. 이러한 불일치로 인해, AR 애플리케이션에서 실제 환경과 가상 이미지의 사실적인 광학적 매칭을 달성하는 것이 어려워지며, 눈의 피로 및 인식된 해상도 감소와 같은 많은 부작용의 원인으로 알려져 있다.Optical see-through Near-Eye-Display (NED) is a key device for Augmented Reality (AR) applications and has recently attracted attention. One of the problems of the existing proximity-eye-display (NED) is the Convergence-Accommodation Conflict (VAC). The perceived distance or vergence distance varies depending on the binocular disparity of the content, the focal length or the accommodation distance of the individual eyes, but is fixed to the physical image plane of the display panel. Due to this inconsistency, it is difficult to achieve realistic optical matching of the virtual image with the real environment in AR applications, and is known as a cause of many side effects such as eye fatigue and reduced perceived resolution.

맥스웰(Maxwellian) 근접-눈-디스플레이(NED)는 수렴-조절 불일치(VAC) 문제를 완화할 수 있는 가능한 접근 방법 중 하나이다. 맥스웰(Maxwellian) 구성에서, 디스플레이 패널로부터의 광은 눈동자 평면 내의 한 지점에 집중되고, 눈 망막 상에 투영된다. 이미지에 대한 효과적인 눈동자가 한 지점으로 축소되기 때문에, 피사계 심도(depth of field)가 확대되어 이미지가 눈 렌즈의 실제 초점 거리에 관계없이 항상 초점을 맞추게 된다. 초점 심도 큐(cue)의 제거는 수렴-조절 불일치(VAC) 문제를 부분적으로 해소하여 맥스웰(Maxwellian) 디스플레이를 매력적이게 만든다. 맥스웰(Maxwellian) 디스플레이의 단점은 아이박스(eyebox)가 눈동자 크기에 의해 제한된다는 것이다. Maxwellian proximity-eye-display (NED) is one possible approach to alleviating the convergence-control mismatch (VAC) problem. In a Maxwellian configuration, light from the display panel is concentrated at a point in the pupil plane and projected onto the eye retina. Since the effective pupil for the image is reduced to one point, the depth of field is enlarged so that the image is always focused regardless of the actual focal length of the eye lens. The removal of the depth of focus cue partially solves the convergence-control mismatch (VAC) problem, making the Maxwellian display attractive. The disadvantage of Maxwellian displays is that the eyebox is limited by the pupil size.

동적 거울을 이용하여 초점 지점을 조정하거나 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용하여 다중 초점을 생성함으로써 아이박스를 확대하는 기술이 보고되었지만, 이 방법들은 기계적인 움직임을 필요로 하거나 다중 초점 지점의 위치가 여전히 고정되어 있으므로 그 유용성이 제한된다.Techniques have been reported to magnify the eyebox by adjusting the focal point using a dynamic mirror or generating multiple focuses using a Holographic Optical Element (HOE), but these methods require mechanical movement or multiple Since the position of the focal point is still fixed, its usefulness is limited.

홀로그래픽 근접-눈-디스플레이(NED)는 또 다른 접근법이다. 이 방법은 임의의 거리에서 3D 피사체의 파면을 재구성하여 수렴-조절 불일치(VAC) 문제를 완전히 해결한다. 이러한 이점에 의해 홀로그래픽 근접-눈-디스플레이(NED)에 대한 다양한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 그러나, 현재 이용 가능한 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)의 공간 대역폭 곱(Space Bandwidth Product, SBP)이 충분하지 않으므로 근접-눈-디스플레이(NED) 구성의 아이박스는 제한적이다.Holographic proximity-eye-display (NED) is another approach. This method completely solves the convergence-control mismatch (VAC) problem by reconstructing the wavefront of a 3D object at an arbitrary distance. Due to these advantages, various studies on holographic proximity-eye-display (NED) have been actively conducted. However, since the spatial bandwidth product (SBP) of the currently available spatial light modulator (SLM) is not sufficient, the eyebox of the near-eye-display (NED) configuration is limited.

J.-H. Park, "Recent progresses in computer generated holography for three-dimensional scene," J. Inf. Disp. 18(1), 1-12 (2017).J.-H. Park, "Recent progresses in computer generated holography for three-dimensional scene," J. Inf. Disp. 18(1), 1-12 (2017).

실시예들은 영상 심도 및 눈의 위치 조절 가능한 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디스플레이 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 가상의 3차원 이미지 각각의 피사계 심도를 제어하고 동적 조정을 이용하여 아이박스를 복제할 수 있는 광학식 시스루 홀로그래픽 근접 눈 디스플레이 장치에 관한 기술을 제공한다. Embodiments describe a holographic head mounted display device capable of adjusting the image depth and the position of the eye and a display method using the same, and more specifically, controlling the depth of field of each virtual 3D image and using the dynamic adjustment to adjust the eyebox Provided is a technology for a reproducible optical see-through holographic proximity eye display device.

실시예들은 아이박스를 복제하는 다중화된(multiplexed) 오목 거울로써 기능하는 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 사용하여 이미지를 보다 넓은 범위에서 관찰할 수 있게 하고, 디스플레이된 3D 피사체의 피사계 심도를 개별적으로 제어하여 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)이 각도 스펙트럼의 서로 다른 범위에서 생성될 수 있는, 영상 심도 및 눈의 위치 조절 가능한 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디스플레이 방법을 제공하는데 있다. Embodiments use a holographic optical element (HOE) that functions as a multiplexed concave mirror that replicates the eyebox, allowing images to be viewed over a wider range and depth of field of the displayed 3D subject individually. To provide a holographic head-mounted display device capable of controlling image depth and eye position, which can be generated by controlling computer-generated holograms (CGH) in different ranges of an angular spectrum, and a display method using the same.

일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치는, 레이저 소스로부터의 평면파가 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에 의해 변조되는 공간 광 변조기(SLM); 상기 공간 광 변조기(SLM)에 의해 변조 후, 중간 홀로그래픽 이미지를 형성하는 4f 광학부; 및 상기 중간 홀로그래픽 이미지로부터의 광은 회절되어, 확대된 가상의 홀로그래픽 이미지를 사용자의 눈보다 먼 거리에 제공하는 반사형 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 포함하여 이루어질 수 있다. A holographic head mounted display device according to an embodiment includes: a spatial light modulator (SLM) in which a plane wave from a laser source is modulated by a computer generated hologram (CGH); A 4f optical unit that modulates the spatial light modulator (SLM) to form an intermediate holographic image; And light from the intermediate holographic image, including a reflective holographic optical element (HOE) that diffracts to provide an enlarged virtual holographic image at a greater distance than the user's eye.

상기 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는, 상기 공간 광 변조기(SLM)으로부터의 경사 평면파가 회절되어 다중 초점 지점을 형성하도록 기록되며, 다중화된(multiplexed) 경사 오목 거울로써 기능할 수 있다. The holographic optical element HOE is recorded so that oblique plane waves from the spatial light modulator SLM are diffracted to form multiple focal points, and can function as a multiplexed oblique concave mirror.

상기 홀로그래픽 광학 소자(HOE)의 초점 지점들 사이의 이격 거리는 눈 동공 크기보다 약간 크게 설정되고, 각각의 상기 초점 지점의 주위에서, 아이박스는 상기 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 합성에 사용된 각도 스펙트럼 범위에 의해 결정된 크기로 형성될 수 있다. The separation distance between the focal points of the holographic optical element (HOE) is set slightly larger than the eye pupil size, and around each of the focal points, the eyebox is an angular spectrum used for the computer generated hologram (CGH) synthesis. It can be formed to a size determined by the range.

상기 가상의 홀로그래픽 이미지에 해당하는 광은 상기 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 다중 초점 지점을 향해 복제되어, 임의의 아이박스에 위치한 눈은 디스플레이된 이미지를 볼 수 있다. The light corresponding to the virtual holographic image is replicated toward the multi-focus point by the holographic optical element (HOE), so that the eye located in any eyebox can see the displayed image.

다른 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 이용한 디스플레이 방법은, 레이저 소스로부터의 평면파가 공간 광 변조기(SLM)의 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에 의해 변조되는 단계; 상기 변조 후, 4f 광학부 이후에 중간 홀로그래픽 이미지를 형성하는 단계; 및 상기 중간 홀로그래픽 이미지로부터의 광은 반사형 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 회절되어 확대된 가상의 홀로그래픽 이미지를 사용자의 눈보다 먼 거리에 제공하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. A display method using a holographic head mounted display device according to another embodiment includes the steps of: a plane wave from a laser source being modulated by a computer generated hologram (CGH) of a spatial light modulator (SLM); After the modulation, forming an intermediate holographic image after the 4f optic; And light from the intermediate holographic image is diffracted by a reflective holographic optical element (HOE) to provide an enlarged virtual holographic image at a greater distance than the user's eye.

실시예들에 따르면 가상의 3차원 이미지 각각의 피사계 심도를 제어하고 동적 조정을 이용하여 아이박스를 복제함으로써 기계적 움직임 없이 초점을 조정할 수 있는 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디스플레이 방법을 제공할 수 있다. According to embodiments, it is possible to provide a holographic head mounted display device capable of adjusting focus without mechanical movement by controlling the depth of field of each virtual 3D image and replicating the eye box using dynamic adjustment, and a display method using the same have.

실시예들에 따르면 아이박스를 복제하는 다중화된(multiplexed) 오목 거울로써 기능하는 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 사용하여 이미지를 보다 넓은 범위에서 관찰할 수 있게 하고, 디스플레이된 3D 피사체의 피사계 심도를 개별적으로 제어하여 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)이 각도 스펙트럼의 서로 다른 범위에서 생성될 수 있는, 영상 심도 및 눈의 위치 조절 가능한 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디스플레이 방법을 제공할 수 있다.According to embodiments, a holographic optical element (HOE), which functions as a multiplexed concave mirror replicating an eyebox, allows images to be viewed over a wider range, and the depth of field of the displayed 3D subject. It is possible to provide a holographic head-mounted display device capable of controlling image depth and position of an eye and a display method using the computer-generated hologram (CGH) that can be individually controlled to be generated in different ranges of the angular spectrum.

도 1은 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 이용한 디스플레이 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 합성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 광학 소자(HOE)와 공간 광 변조기(SLM)의 좌표계를 나타내는 도면이다.
1 is a view for explaining a holographic head mounted display device according to an embodiment.
2 is a flowchart illustrating a display method using a holographic head mounted display device according to an embodiment.
3 is a diagram for explaining computer-generated hologram (CGH) synthesis according to an embodiment.
4 is a diagram illustrating a coordinate system of a holographic optical element (HOE) and a spatial light modulator (SLM) according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for a more clear description.

아래의 실시예들은 새로운 홀로그래픽 근접-눈-디스플레이(Near-Eye-Display, NED) 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 아이박스(eyebox) 조정 및 피사계 심도(depth of field control) 제어 기능을 가지는 광학식 시스루(see-through) 홀로그래픽 근접 눈 디스플레이에 관한 기술을 제안한다. The following embodiments relate to a new holographic Near-Eye-Display (NED) device, more specifically, an optical type having eyebox adjustment and depth of field control. A technique for see-through holographic proximity eye display is proposed.

일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 아이박스를 복제하는 다중화된(multiplexed) 오목 거울로써 기능하는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE)를 사용하여 이미지를 보다 넓은 범위에서 관찰할 수 있게 할 수 있다. 디스플레이된 3D 피사체의 피사계 심도를 개별적으로 제어하여, 컴퓨터 생성 홀로그램(Computer Generated Hologram, CGH)이 각도 스펙트럼의 서로 다른 범위에서 생성될 수 있다. The holographic head mounted display device according to an embodiment may use a holographic optical element (HOE) functioning as a multiplexed concave mirror replicating an eye box to view an image in a wider range. Can be made. By individually controlling the depth of field of the displayed 3D object, a computer generated hologram (CGH) may be generated in different ranges of the angular spectrum.

따라서, 일반적인 홀로그래픽 디스플레이 장치와 같이 얕은 피사계 심도의 임의의 거리에서 홀로그래픽 3D 이미지로 구성된 3D 장면을 표시할 수 있게 되며, 시간-다중화(time-multiplexing) 없는 동시에 일반적인 맥스웰(Maxwellian) 디스플레이 장치와 같이 큰 피사계 심도의 항상 초점이 맞춰진 이미지를 표시할 수 있게 된다. 각도 스펙트럼 제어는 맥스웰(Maxwellian) 뷰에서 초점 지점을 조정하여 눈동자 변화 및 안구 회전에 강인하게 만든다. 아날로그 홀로그램, 즉 다중화된(multiplexed) 경사 오목 거울을 갖는 홀로그래픽 광학 소자(HOE)와 디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술의 조합은 공간 광 변조기(SLM)의 종래 공간 대역폭 곱(SBP)이 가지는 한계보다 큰 아이박스의 확대에 기여한다.Therefore, it is possible to display a 3D scene composed of a holographic 3D image at an arbitrary distance of a shallow depth of field, such as a general holographic display device, and without time-multiplexing, it is possible to display a normal Maxwellian display device. It is possible to display an image that is always in focus at the same large depth of field. Angular spectral control adjusts the focal point in the Maxwellian view, making it robust to pupil changes and eye rotation. The combination of analog holograms, or holographic optical elements (HOEs) with multiplexed oblique concave mirrors and digital holographic display technology, is larger than the limits of the conventional spatial bandwidth product (SBP) of the spatial light modulator (SLM). Contributes to the expansion of the box.

다음은, 실현 가능성을 검증하는 광학 실험 결과를 이용하여 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 구성을 설명한다.Next, a configuration of a holographic head mounted display device according to an embodiment will be described using optical test results verifying feasibility.

도 1은 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a holographic head mounted display device according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치(100)는 공간 광 변조기(SLM, 120), 4f 광학부(130) 및 홀로그래픽 광학 소자(HOE, 140)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 영상 심도 및 눈의 위치 조절이 가능하다. Referring to FIG. 1, the holographic head mounted display device 100 according to an embodiment includes a spatial light modulator (SLM, 120), a 4f optical unit 130, and a holographic optical element (HOE, 140). It is possible to adjust the depth of the image and the position of the eyes.

공간 광 변조기(SLM, 120)는 레이저 소스(110)로부터의 평면파가 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에 의해 변조될 수 있다. The spatial light modulator (SLM, 120) may be a plane wave from the laser source 110 is modulated by a computer generated hologram (CGH).

4f 광학부(130)는 공간 광 변조기(SLM, 120)에 의해 변조 후, 중간 홀로그래픽 이미지(A)를 형성할 수 있다. After the 4f optical unit 130 is modulated by the spatial light modulators SLM 120, an intermediate holographic image A may be formed.

홀로그래픽 광학 소자(HOE, 140)는 중간 홀로그래픽 이미지(A)로부터의 광은 회절되어, 확대된 가상의 홀로그래픽 이미지(B)를 사용자의 눈보다 먼 거리에 제공할 수 있다. The holographic optical elements HOE 140 may diffract light from the intermediate holographic image A to provide an enlarged virtual holographic image B at a greater distance than the user's eyes.

여기서, 홀로그래픽 광학 소자(HOE, 140)는 공간 광 변조기(SLM, 120)으로부터의 경사 평면파가 회절되어 다중 초점 지점을 형성하도록 기록되며, 다중화된(multiplexed) 경사 오목 거울로써 기능할 수 있다. Here, the holographic optical element HOE 140 is recorded so that oblique plane waves from the spatial light modulators SLM 120 are diffracted to form multiple focal points, and can function as a multiplexed oblique concave mirror.

홀로그래픽 광학 소자(HOE, 140)의 초점 지점들 사이의 이격 거리는 눈 동공 크기보다 약간 크게 설정되고, 각각의 초점 지점의 주위에서, 아이박스(150)는 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 합성에 사용된 각도 스펙트럼 범위에 의해 결정된 크기로 형성될 수 있다. The separation distance between the focal points of the holographic optical element (HOE 140) is set slightly larger than the eye pupil size, and around each focal point, the eyebox 150 is used for computer generated hologram (CGH) synthesis. It can be formed to a size determined by the angular spectral range.

가상의 홀로그래픽 이미지(B)에 해당하는 광은 홀로그래픽 광학 소자(HOE, 140)에 의해 다중 초점 지점을 향해 복제되어, 임의의 아이박스(150)에 위치한 눈은 디스플레이된 이미지를 볼 수 있다. The light corresponding to the virtual holographic image B is replicated toward the multi-focus point by the holographic optical element HOE 140, so that the eye located in any eyebox 150 can see the displayed image. .

홀로그래픽 광학 소자(HOE, 140)에 의한 다중 초점 지점의 발생은 고차 회절에 의해 달성되지 않는다는 것을 유의해야 한다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE, 140)는 다중 초점 지점에서 수렴하는 단일 신호 파형으로 기록될 수 있다. 따라서 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치(100)는 다수의 지점을 생성하는 홀로그래픽 광학 소자(HOE, 140)의 1차 회절을 사용할 수 있다.It should be noted that the generation of multiple focal points by holographic optical elements (HOE 140) is not achieved by higher order diffraction. The holographic optical element HOE 140 can be recorded as a single signal waveform that converges at multiple focal points. Accordingly, the holographic head-mounted display apparatus 100 according to an embodiment may use first-order diffraction of the holographic optical elements HOE 140 generating a plurality of points.

아래에서 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치(100)에 대해 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the holographic head mounted display apparatus 100 will be described in more detail.

도 2는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 이용한 디스플레이 방법을 나타내는 흐름도이다. 2 is a flowchart illustrating a display method using a holographic head mounted display device according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 이용한 디스플레이 방법은, 레이저 소스로부터의 평면파가 공간 광 변조기(SLM)의 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에 의해 변조되는 단계(S110), 변조 후, 4f 광학부 이후에 중간 홀로그래픽 이미지를 형성하는 단계(S120), 및 중간 홀로그래픽 이미지로부터의 광은 반사형 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 회절되어 확대된 가상의 홀로그래픽 이미지를 사용자의 눈보다 먼 거리에 제공하는 단계(S130)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 2, in a display method using a holographic head mounted display device according to an embodiment, a plane wave from a laser source is modulated by a computer generated hologram (CGH) of a spatial light modulator (SLM) (S110) , After modulation, forming an intermediate holographic image after the 4f optic (S120), and the light from the intermediate holographic image is diffracted and enlarged by a reflective holographic optical element (HOE). It may be made by including the step (S130) of providing a distance greater than the user's eyes.

실시예들에 따르면 가상의 3차원 이미지 각각의 피사계 심도를 제어하고 동적 조정을 이용하여 아이박스를 복제함으로써 기계적 움직임 없이 초점을 조정할 수 있다. According to the embodiments, it is possible to adjust the focus without mechanical movement by controlling the depth of field of each of the virtual 3D images and replicating the eye box using dynamic adjustment.

특히, 아이박스를 복제하는 다중화된(multiplexed) 오목 거울로써 기능하는 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 사용하여 이미지를 보다 넓은 범위에서 관찰할 수 있다. 또한, 디스플레이된 3D 피사체의 피사계 심도를 개별적으로 제어하여 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)이 각도 스펙트럼의 서로 다른 범위에서 생성될 수 있다. In particular, images can be observed over a wider range using a holographic optical element (HOE) that functions as a multiplexed concave mirror that duplicates the eyebox. In addition, the computer generated hologram (CGH) may be generated in different ranges of the angular spectrum by individually controlling the depth of field of the displayed 3D object.

아래에서 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 이용한 디스플레이 방법을 하나의 예를 들어 설명한다. Hereinafter, a display method using a holographic head mounted display device according to an embodiment will be described as an example.

일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 이용한 디스플레이 방법은 앞에서 설명한 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 이용하여 보다 상세히 설명할 수 있다. 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 공간 광 변조기(SLM), 4f 광학부 및 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 포함하여 이루어질 수 있다.A display method using a holographic head mounted display device according to an embodiment may be described in more detail using a holographic head mounted display device according to an embodiment described above. The holographic head mounted display device according to an embodiment may include a spatial light modulator (SLM), a 4f optical unit, and a holographic optical element (HOE).

단계(S110)에서, 레이저 소스로부터의 평면파는 공간 광 변조기(SLM)의 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에 의해 변조될 수 있다. In step S110, the plane wave from the laser source may be modulated by the computer-generated hologram CGH of the spatial light modulator SLM.

단계(S120)에서, 공간 광 변조기(SLM)의 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에 의해 변조 후, 4f 광학부 이후에 중간 홀로그래픽 이미지를 형성할 수 있다. In step S120, after modulating by the computer-generated hologram CGH of the spatial light modulator SLM, an intermediate holographic image may be formed after the 4f optical unit.

단계(S130)에서, 중간 홀로그래픽 이미지로부터의 광은 반사형 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 회절되어 확대된 가상의 홀로그래픽 이미지를 사용자의 눈보다 먼 거리에 제공할 수 있다. In step S130, the light from the intermediate holographic image may be diffracted by the reflective holographic optical element (HOE) to provide an enlarged virtual holographic image at a greater distance than the user's eye.

여기서, 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는 공간 광 변조기(SLM)으로부터의 경사 평면파가 회절되어 다중 초점 지점을 형성하도록 기록되며, 다중화된(multiplexed) 경사 오목 거울로서 기능할 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 초점 지점들 사이의 이격 거리는 눈 동공 크기보다 약간 크게 설정될 수 있다. 각 초점 지점 주위에서, 아이박스는 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 합성에 사용된 각도 스펙트럼 범위에 의해 결정된 크기로 형성될 수 있다. 가상의 홀로그래픽 이미지에 해당하는 광은 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 다중 초점 지점을 향해 복제되므로, 임의의 아이박스에 위치한 눈은 디스플레이된 이미지를 볼 수 있다.Here, the holographic optical element (HOE) is recorded so that oblique plane waves from the spatial light modulator (SLM) are diffracted to form multiple focal points, and can function as a multiplexed oblique concave mirror. The separation distance between the holographic optical element (HOE) focal points may be set slightly larger than the eye pupil size. Around each focal point, the eyebox can be formed to a size determined by the angular spectral range used for computer generated hologram (CGH) synthesis. Since the light corresponding to the virtual holographic image is replicated toward the multi-focus point by the holographic optical element (HOE), the eye located in any eyebox can see the displayed image.

실시예들에 따르면 아이박스를 복제하는 다중화된(multiplexed) 오목 거울로써 기능하는 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 사용하여 이미지를 보다 넓은 범위에서 관찰할 수 있게 하고, 디스플레이된 3D 피사체의 피사계 심도를 개별적으로 제어하여 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)이 각도 스펙트럼의 서로 다른 범위에서 생성될 수 있다. According to embodiments, a holographic optical element (HOE), which functions as a multiplexed concave mirror replicating an eyebox, allows images to be viewed over a wider range, and the depth of field of the displayed 3D subject. By individually controlling, computer-generated holograms (CGH) can be generated in different ranges of the angular spectrum.

아래에서 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디스플레이 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a holographic head mounted display device and a display method using the same according to an embodiment will be described in more detail.

개별적인 홀로그래픽 이미지의 피사계 심도 제어Depth-of-field control of individual holographic images

일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서, 개별적인 홀로그래픽 이미지의 피사계 심도는 해당 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)의 합성에 사용된 각도 스펙트럼 범위에 의해 제어될 수 있다. 공간 광 변조기(SLM)의 픽셀 피치에 의해 제한되는 최대 각도 스펙트럼 범위에서, 그 이미지에 대한 유효 아이박스는 최대 크기를 가지므로 홀로그래픽 이미지의 지정된 거리 주변에서 피사계 심도가 최소화될 수 있다. 최소 각도 스펙트럼 범위에서, 피사계 심도는 항상 초점이 맞춰진 이미지를 제공하기 위해 최대화될 수 있다.In a holographic head mounted display device according to an embodiment, the depth of field of an individual holographic image may be controlled by an angular spectral range used for the synthesis of the corresponding computer generated hologram (CGH). In the maximum angular spectral range limited by the pixel pitch of the spatial light modulator (SLM), the effective eyebox for the image has a maximum size, so that the depth of field can be minimized around a specified distance of the holographic image. In the minimum angular spectral range, the depth of field can always be maximized to provide a focused image.

각도 스펙트럼 범위 제어를 이용한 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 합성은 여러 유형의 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)를 사용하여 달성할 수 있다(비특허문헌 1). 실시예에 따른 구현에서, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 합성에서 각도 스펙트럼의 직접 제어를 위해 분석 삼각형 메쉬 기반 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 기법을 사용한다. 분석 삼각형 메쉬 기반 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에서, 3D 피사체는 반송파에 의해 조명되는(illuminated) 삼각형 모양의 클리어한 조리개의 집합으로 모델링된다. 홀로그램이

Figure pat00001
평면에 위치하고 단일 삼각형 조리개가 3개의 정점 중 하나를 갖는
Figure pat00002
평면에 위치하도록, 즉
Figure pat00003
가 로컬 좌표 원점에 위치하도록, 글로벌
Figure pat00004
Figure pat00005
및 로컬
Figure pat00006
좌표 시스템이 정의된다고 가정한다. 단일 삼각형 조리개
Figure pat00007
의 각도 스펙트럼은 다음 식과 같이 주어질 수 있다.Computer-generated hologram (CGH) synthesis using angular spectral range control can be achieved using several types of computer-generated holograms (CGH) (Non-Patent Document 1). In an implementation according to an embodiment, an analytical triangular mesh based computer generated hologram (CGH) technique is used for direct control of the angular spectrum in computer generated hologram (CGH) synthesis. In an analytical triangular mesh-based computer-generated hologram (CGH), a 3D object is modeled as a set of clear apertures of a triangular shape illuminated by a carrier. Hologram
Figure pat00001
Located on a plane and a single triangular aperture has one of the three vertices
Figure pat00002
To be on the plane, i.e.
Figure pat00003
Global, so that is located at the local coordinate origin
Figure pat00004
Figure pat00005
And local
Figure pat00006
Assume that a coordinate system is defined. Single triangle aperture
Figure pat00007
The angular spectrum of can be given by the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서,

Figure pat00009
Figure pat00010
는 글로벌 좌표계 시스템의 공간 주파수의
Figure pat00011
Figure pat00012
벡터이다.
Figure pat00013
은 로컬 좌표계 시스템의 공간 주파수 벡터이며, 로컬 좌표계 시스템은
Figure pat00014
회전 행렬 R을 사용하는
Figure pat00015
에 의한 글로벌 공간 주파수 벡터
Figure pat00016
과 관련된다. 두 개의 공간 주파수 벡터
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
을 만족하며,
Figure pat00020
는 파장이다.
Figure pat00021
Figure pat00022
에 의해 주어지는
Figure pat00023
벡터이다.
Figure pat00024
은 이진 함수
Figure pat00025
의 푸리에 변환이다. 이진 함수
Figure pat00026
은 기준 삼각형 내부에서 1이며 외부에서 0이다. A는
Figure pat00027
에 의해 로컬 평면에서 삼각형 조리개를 기준 삼각형에 관련시키는
Figure pat00028
행렬이다. 그리고
Figure pat00029
Figure pat00030
에 대한 컨볼루션을 나타낸다.here,
Figure pat00009
And
Figure pat00010
Of the spatial frequency of the global coordinate system
Figure pat00011
And
Figure pat00012
It is a vector.
Figure pat00013
Is the spatial frequency vector of the local coordinate system, and the local coordinate system is
Figure pat00014
Using the rotation matrix R
Figure pat00015
Global space frequency vector by
Figure pat00016
It is related to. Two spatial frequency vector
Figure pat00017
And
Figure pat00018
silver
Figure pat00019
Satisfying,
Figure pat00020
Is the wavelength.
Figure pat00021
The
Figure pat00022
Given by
Figure pat00023
It is a vector.
Figure pat00024
Is a binary function
Figure pat00025
Is the Fourier transform. Binary function
Figure pat00026
Is 1 inside the reference triangle and 0 outside. A is
Figure pat00027
By relating the triangular aperture to the reference triangle in the local plane
Figure pat00028
It is a matrix. And
Figure pat00029
The
Figure pat00030
Represents the convolution for.

홀로그래픽 이미지의 각도 스펙트럼

Figure pat00031
는 아래와 같이 정의되는 수학식 1의
Figure pat00032
항을 조절하여 연산될 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.Angle spectrum of holographic image
Figure pat00031
Equation 1 defined as follows
Figure pat00032
It can be calculated by adjusting terms, and can be expressed as the following equation.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00033
Figure pat00033

여기서,

Figure pat00034
는 반송파의 각도 스펙트럼이다. here,
Figure pat00034
Is the angular spectrum of the carrier.

도 3은 일 실시예에 따른 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 합성을 설명하기 위한 도면이다. 3 is a diagram for explaining computer-generated hologram (CGH) synthesis according to an embodiment.

Figure pat00035
인 단일 평면 반송파의 경우, 홀로그래픽 이미지의 각도 스펙트럼
Figure pat00036
는, 도 3 (a)의 좌측에 도시된 바와 같이, 3D 피사체의 공간 대역폭과 평면파
Figure pat00037
의 공간 주파수 주위에 집중되어 있다. 눈동자 평면에서, 홀로그래픽 이미지의 좁은 각도 스펙트럼은, 도 3 (a)의 우측에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 복제된 초점 지점으로 변환된다. 초점 지점의 폭은 눈동자보다 훨씬 작으므로, 가상의 홀로그래픽 이미지는 사용자 눈의 실제 초점 거리에 관계없이 항상 초점이 맞춰진 큰 피사계 심도로 보여진다.
Figure pat00035
In the case of a single plane carrier, the angular spectrum of the holographic image
Figure pat00036
As shown in the left side of Fig. 3 (a), the spatial bandwidth and the plane wave of the 3D object
Figure pat00037
It is concentrated around the spatial frequency. In the pupil plane, the narrow angular spectrum of the holographic image is transformed into a focal point replicated by the holographic optical element (HOE), as shown on the right side of Fig. 3(a). Since the width of the focal point is much smaller than the pupil, the virtual holographic image is always shown with a large depth of focus, regardless of the actual focal length of the user's eye.

반대로, 평면파의 범위가

Figure pat00038
에 대해
Figure pat00039
가 되도록 하는 반송파로서 사용되면, 도 3 (b)의 좌측에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 이미지의 각도 스펙트럼이 확장되고, 도 3 (b)의 우측에 도시된 바와 같이, 눈동자 평면 내의 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 확장된 폭이 형성된다. 충분히 넓은 범위의 평면 반송파를 사용하면, 아이박스 폭이 눈동자보다 크므로, 재구성을 위해 관찰 가능한 최소 피사계 심도가 제공된다.Conversely, the range of a plane wave
Figure pat00038
About
Figure pat00039
When used as a carrier to be, the angular spectrum of the holographic image is expanded, as shown on the left side of Fig. 3(b), and the holographic optics in the pupil plane, as shown on the right side of Fig. 3(b) An extended width is formed by the element HOE. Using a sufficiently wide range of planar carriers, the eyebox width is larger than the pupil, providing a minimum observable depth of field for reconstruction.

이 각도 스펙트럼 제어는 피사체의 각 삼각형 조리개 또는 전체 장면의 각 3D 피사체에 대해 수행될 수 있다. 따라서, 각 피사체에 대해 서로 다른 피사계 심도를 가지는 3D 이미지를 재구성 할 수 있다.This angle spectrum control can be performed for each triangular aperture of the subject or for each 3D subject of the entire scene. Therefore, it is possible to reconstruct a 3D image having a different depth of field for each subject.

항상 초점이 맞춰진 이미지를 위한 초점 지점 조정Focus point adjustment for always-focused images

단일 평면 반송파의 경우, 디스플레이된 이미지는 일반적인 맥스웰(Maxwellian) 디스플레이 장치처럼 항상 초점이 맞춰진다. 그러나, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치가 어떠한 기계적 움직임 없이 초점을 조정할 수 있다는 것은 주목할 만하다. 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서의 초점 조정은 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)를 서로 다른 단일 평면 반송파와 합성함으로써 간단히 수행된다. 단일 평면파가 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 다중 초점 지점을 형성하도록 회절되고, 눈동자 평면 내의 횡 방향 위치 오프셋은 평면 반송파의 공간 주파수

Figure pat00040
에 의존하기 때문에, 다중 초점 지점은 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 합성에서
Figure pat00041
의 변화를 통해 그들의 분리를 유지하면서 조정될 수 있다. 초점 지점 분리는 눈동자 크기보다 약간 크게 설정되기 때문에, 눈 추적 시스템에 의해 그 위치가 검출되면, 눈동자에 단일 초점 지점을 투사하는 것이 가능하다. 이 특징은 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치가 종래의 맥스웰(Maxwellian) 디스플레이 장치 보다 눈동자의 크기 변화 및 안구 회전에 대해 더욱 강건해지게 한다.In the case of a single plane carrier, the displayed image is always focused, just like a typical Maxwellian display device. However, it is noteworthy that the holographic head mounted display device according to one embodiment can adjust the focus without any mechanical movement. Focus adjustment in a holographic head mounted display device according to an embodiment is simply performed by synthesizing a computer generated hologram (CGH) with different single plane carriers. A single plane wave is diffracted to form multiple focal points by a holographic optical element (HOE), and the lateral position offset within the pupil plane is the spatial frequency of the plane carrier.
Figure pat00040
Because it depends on the multi-focus point in computer generated hologram (CGH) synthesis
Figure pat00041
The changes can be adjusted while maintaining their separation. Since the focal point separation is set slightly larger than the pupil size, it is possible to project a single focal point into the pupil if its position is detected by the eye tracking system. This feature makes the holographic head mounted display device according to an embodiment more robust to eye size changes and eye rotation than a conventional Maxwellian display device.

홀로그래픽 광학 소자(HOE)의 수차(aberration) 보정Aberration correction of holographic optical elements (HOE)

일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서, 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는 오목 거울로서 기능하는데, 이 오목 거울은 먼 거리에서 자체의 가상 이미지를 형성하는 중간 홀로그래픽 이미지를 확대할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 기울어진 구성 및 큰 배율로 인해, 형성된 가상 이미지는 큰 수차를 겪는다. 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 이 수차를 사전 보상하여 가상 이미지를 명확한 형태로 형성할 수 있다.In a holographic head-mounted display device according to an embodiment, the holographic optical element (HOE) functions as a concave mirror, which can magnify an intermediate holographic image that forms its own virtual image at a distance. . Due to the tilted configuration and large magnification as shown in Fig. 1, the formed virtual image undergoes large aberration. The holographic head mounted display device according to an embodiment may precompensate the aberration to form a virtual image in a clear shape.

도 4는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 광학 소자(HOE)와 공간 광 변조기(SLM)의 좌표계를 나타내는 도면이다. 4 is a diagram illustrating a coordinate system of a holographic optical element (HOE) and a spatial light modulator (SLM) according to an embodiment.

도 4를 참조하면, 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 평면에 대해 각도

Figure pat00042
만큼 기울어진 공간 광 변조기(SLM)으로부터의 평면파가 회절되어 거리
Figure pat00043
에서 지점을 형성하도록 기록된다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 평면
Figure pat00044
Figure pat00045
내의 각각의 점에 대하여, 자유 공간 격자 벡터
Figure pat00046
는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 4, the holographic optical element (HOE) is angled relative to the holographic optical element (HOE) plane.
Figure pat00042
The distance from the plane wave diffracted from the spatial light modulator (SLM) tilted by
Figure pat00043
It is recorded to form a point at. Holographic optical element (HOE) plane
Figure pat00044
Figure pat00045
For each point within, a free space grid vector
Figure pat00046
Can be expressed as the following equation.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00047
Figure pat00047

여기서,

Figure pat00048
는 자유 공간
Figure pat00049
에서의 파수(wave number)이다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 매체 내부의 실제 격자 벡터는 이 매체의 굴절률로 인하여 수학식 3의 자유 공간 격자 벡터 K와는 다르다. 그럼에도 불구하고, 자유 공간 격자 벡터 K를 사용한 다음과 같은 분석은 자유 공간에서의 모든 파동 벡터 및 위상 분포에 대해 여전히 유효하다.here,
Figure pat00048
Is free space
Figure pat00049
It is the wave number in Esau. The actual grating vector inside the holographic optical element (HOE) medium is different from the free space grating vector K in Equation 3 due to the refractive index of the medium. Nevertheless, the following analysis using free space lattice vector K is still valid for all wave vectors and phase distributions in free space.

재구성에서, 도 4에 도시된 바와 같이,

Figure pat00050
에 가상 이미지 포인트를 형성하기 위해, 자유 공간에서 회절된 광의 파동 벡터
Figure pat00051
이 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. In the reconstruction, as shown in Figure 4,
Figure pat00050
Wave vector of light diffracted in free space to form a virtual image point on
Figure pat00051
It can be expressed as the following equation.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00052
Figure pat00052

위 수학식 4는 공간 광 변조기(SLM)으로부터의 입사광의 대응하는 파동 벡터

Figure pat00053
를 유도할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.Equation 4 above is the corresponding wave vector of the incident light from the spatial light modulator (SLM)
Figure pat00053
And can be expressed as the following equation.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00054
Figure pat00054

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00055
Figure pat00055

수학식 5 및 수학식 6으로부터, 우리는 아래와 같이, 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 평면 내 입사광

Figure pat00056
의 해당 위상 분포를 찾을 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.From Equation 5 and Equation 6, we enter the holographic optical element (HOE) plane incidence light, as shown below.
Figure pat00056
The corresponding phase distribution of can be found and can be expressed as the following equation.

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00057
Figure pat00057

위 수학식에서,

Figure pat00058
Figure pat00059
는 유도(미분)에 사용된다. In the above equation,
Figure pat00058
And
Figure pat00059
Is used for induction (differentiation).

수학식 7의 우변에 있는 처음 두 항들은 초점 길이

Figure pat00060
의 축간 오목 거울에서의 단일 포인트 이미지 형성의 위상 함수에 불과하다. 따라서 틸트에 의해 야기되는 수차를 보상하기 위해 고려해야 할 것은 각도 스펙트럼 영역에서 공간 주파수
Figure pat00061
축을 따라
Figure pat00062
에 의한 시프트에 해당하는 세 번째 항
Figure pat00063
이다. The first two terms on the right side of equation (7) are the focal length
Figure pat00060
It is only a phase function of single point image formation in the interaxial concave mirror of. Therefore, to compensate for the aberration caused by the tilt, the spatial frequency in the angular spectrum region
Figure pat00061
Along the axis
Figure pat00062
Third term corresponding to shift by
Figure pat00063
to be.

일반적인 중간 홀로그래픽 3D 이미지의 경우, 틸트 수차 보정

Figure pat00064
를 가지는 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 평면의 각도 스펙트럼은
Figure pat00065
에 의한 일반적인 축 상(on-axis) 각도 스펙트럼
Figure pat00066
와 관련된다.For normal intermediate holographic 3D images, tilt aberration correction
Figure pat00064
The angular spectrum of a holographic optical element (HOE) plane having
Figure pat00065
Typical on-axis angular spectrum by
Figure pat00066
Related to.

원하는 중간 홀로그래픽 이미지로부터 각도 스펙트럼

Figure pat00067
가 결정되면, 공간 광 변조기(SLM) 평면에서의 대응하는 각도 스펙트럼
Figure pat00068
이 두 평면 사이의 기하학적 관계로부터 얻어진다. 보다 구체적으로, 공간 광 변조기(SLM) 평면
Figure pat00069
의 각도 스펙트럼은 (비특허문헌 1)에 의해 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. Angle spectrum from the desired intermediate holographic image
Figure pat00067
Is determined, the corresponding angular spectrum in the spatial light modulator (SLM) plane
Figure pat00068
It is obtained from the geometric relationship between these two planes. More specifically, a spatial light modulator (SLM) plane
Figure pat00069
The angle spectrum of can be expressed by the following equation by (Non-Patent Document 1).

[수학식 8][Equation 8]

Figure pat00070
Figure pat00070

위 수학식 8에서, In Equation 8 above,

[수학식 9][Equation 9]

Figure pat00071
이며,
Figure pat00071
And

Figure pat00072
이다.
Figure pat00072
to be.

다시 말하면, 수학식 8을 사용하여 공간 광 변조기(SLM) 평면

Figure pat00073
내에서의 각도 스펙트럼이 공간 광 변조기(SLM)의 공간 주파수 그리드
Figure pat00074
에서 획득할 수 있다. 수학식 8의
Figure pat00075
은 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 확대될 원하는 중간 홀로그래픽 이미지에 대해, 앞에서 설명된 각도 스펙트럼 범위를 고려하여 일반적인 분석 삼각형 메쉬 기반 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 기법을 사용하여 평가될 수 있다. 공간 광 변조기(SLM) 평면
Figure pat00076
의 각도 스펙트럼은 최종 복소 진폭, 즉 공간 광 변조기(SLM) 평면 내의 홀로그램을 제공하기 위해 최종적으로 푸리에 변환될 수 있다.In other words, the spatial light modulator (SLM) plane using equation (8)
Figure pat00073
The angular spectrum within is a spatial frequency grid of a spatial light modulator (SLM)
Figure pat00074
Can be obtained from Equation 8
Figure pat00075
For a desired intermediate holographic image to be magnified by a holographic optical element (HOE), it can be evaluated using a general analysis triangle mesh based computer generated hologram (CGH) technique, taking into account the angular spectral range described above. Spatial Light Modulator (SLM) plane
Figure pat00076
The angular spectrum of can be finally Fourier transformed to provide a final complex amplitude, i.e. a hologram in the spatial light modulator (SLM) plane.

아이박스 크기 및 초점 지점 조정 범위Eyebox size and focus point adjustment range

일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서, 아이박스 크기와 초점 지점 조정 범위는 평면 반송파의 공간 주파수 범위에 의해 결정될 수 있다. In the holographic head mounted display apparatus according to an embodiment, the eyebox size and the focal point adjustment range may be determined by the spatial frequency range of the plane carrier.

공간 광 변조기(SLM)의 픽셀 피치를

Figure pat00077
로 나타내면, 공간 광 변조기(SLM)에 의해 지원되는 공간 주파수 범위는
Figure pat00078
와 같이 주어지며, 여기서
Figure pat00079
또는
Figure pat00080
이다. The pixel pitch of the spatial light modulator (SLM)
Figure pat00077
Expressed as, the spatial frequency range supported by the spatial light modulator (SLM) is
Figure pat00078
Is given as, where
Figure pat00079
or
Figure pat00080
to be.

수학식 8 및 9로부터, 축 상 각도 스펙트럼

Figure pat00081
에서
Figure pat00082
Figure pat00083
Figure pat00084
Figure pat00085
방향의
Figure pat00086
Figure pat00087
방향의
Figure pat00088
Figure pat00089
에 의해 공간 광 변조기(SLM)의 공간 주파수
Figure pat00090
Figure pat00091
와 관련된다. From Equations 8 and 9, on-axis angular spectrum
Figure pat00081
in
Figure pat00082
And
Figure pat00083
Figure pat00084
The
Figure pat00085
Directional
Figure pat00086
And
Figure pat00087
Directional
Figure pat00088
Figure pat00089
Spatial frequency of spatial light modulator (SLM)
Figure pat00090
And
Figure pat00091
Related to.

따라서,

Figure pat00092
에 대해 사용 가능한 공간 주파수 범위는
Figure pat00093
방향에 대해
Figure pat00094
Figure pat00095
이며,
Figure pat00096
방향에 대해
Figure pat00097
이다. 공간 주파수
Figure pat00098
를 가지는 평면 파동은 홀로그래픽 광학 소자(HOE) 초점 길이
Figure pat00099
를 가지는
Figure pat00100
Figure pat00101
에서 눈동자로 초점이 맞춰진다. 따라서, 단일 아이박스의 크기 또는 눈동자 평면의 초점 지점 조정 범위는 최종적으로 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. therefore,
Figure pat00092
The available spatial frequency range for
Figure pat00093
About direction
Figure pat00094
Figure pat00095
And
Figure pat00096
About direction
Figure pat00097
to be. Spatial frequency
Figure pat00098
A planar wave having a holographic optical element (HOE) focal length
Figure pat00099
Having
Figure pat00100
Figure pat00101
Is focused with the pupil. Therefore, the size of a single eyebox or the range of adjustment of the focal point of the pupil plane can be finally expressed as the following equation.

[수학식 10][Equation 10]

Figure pat00102
Figure pat00102

수학식 10은 단일 아이박스의 크기 또는 단일 초점 지점의 조정 범위를 나타낸다. 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 사용하여 아이박스 또는 초점 지점을 복제하므로, 눈이 위치할 수 있는 전체적인 범위가 다중화된다.Equation 10 represents the size of a single eyebox or the adjustment range of a single focal point. The holographic head mounted display device according to an embodiment uses an holographic optical element (HOE) to replicate an eyebox or a focal point, so that the entire range in which the eye can be located is multiplexed.

이상과 같이 광학식 시스루 기능 및 아이박스 복제의 경우, 홀로그래픽 광학 요소(holographic optical element)가 광학 결합기(optical combiner)로 사용되며, 이 광학 결합기는 아이박스의 여러 복사본을 형성하는 다중화된 틸트 오목 거울(multiplexed tilted concave mirrors)로 기능한다. 피사계 심도 제어 및 아이박스 조정을 위해, 컴퓨터로 생성된 3차원 피사체의 홀로그램이 각도 스펙트럼의 서로 다른 범위로 합성된다. As mentioned above, for optical see-through and eyebox replication, a holographic optical element is used as an optical combiner, which is a multiplexed tilt concave mirror that forms multiple copies of the eyebox. (multiplexed tilted concave mirrors). For depth-of-field control and eyebox adjustment, a hologram of a computer-generated three-dimensional object is synthesized into different ranges of the angular spectrum.

광학적 실험에서, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 항상 초점이 맞춰진 이미지를 나타낼 수 있음이 확인되었으며, 이 이미지는 시간-다중화(time-multiplexing) 없이 동시에 피사계 심도가 낮은 다른 거리에서 큰 피사계 심도 및 3차원 이미지를 갖는다.In optical experiments, it has been found that the holographic head-mounted display device according to one embodiment is capable of always displaying a focused image, which is large at different distances at the same time without time-multiplexing and at a low depth of field. It has a depth of field and a three-dimensional image.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented with hardware components, software components, and/or combinations of hardware components and software components. For example, the devices and components described in the embodiments include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor (micro signal processor), a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may run an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For convenience of understanding, a processing device may be described as one being used, but a person having ordinary skill in the art, the processing device may include a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or a processor and a controller. In addition, other processing configurations, such as parallel processors, are possible.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instruction, or a combination of one or more of these, and configure the processing device to operate as desired, or process independently or collectively You can command the device. Software and/or data may be interpreted by a processing device, or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. Can be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded in the medium may be specially designed and configured for the embodiments or may be known and usable by those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler.

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.As described above, although the embodiments have been described by a limited embodiment and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form from the described method, or other components Alternatively, even if replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (5)

레이저 소스로부터의 평면파가 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에 의해 변조되는 공간 광 변조기(SLM);
상기 공간 광 변조기(SLM)에 의해 변조 후, 중간 홀로그래픽 이미지를 형성하는 4f 광학부; 및
상기 중간 홀로그래픽 이미지로부터의 광은 회절되어, 확대된 가상의 홀로그래픽 이미지를 사용자의 눈보다 먼 거리에 제공하는 반사형 홀로그래픽 광학 소자(HOE)
를 포함하는, 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
A spatial light modulator (SLM) in which a plane wave from a laser source is modulated by a computer generated hologram (CGH);
A 4f optical unit that modulates the spatial light modulator (SLM) to form an intermediate holographic image; And
Light from the intermediate holographic image is diffracted, a reflective holographic optical element (HOE) that provides an enlarged virtual holographic image at a greater distance than the user's eye
A holographic head mounted display device comprising a.
제1항에 있어서,
상기 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는,
상기 공간 광 변조기(SLM)으로부터의 경사 평면파가 회절되어 다중 초점 지점을 형성하도록 기록되며, 다중화된(multiplexed) 경사 오목 거울로써 기능하는 것
을 특징으로 하는, 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
According to claim 1,
The holographic optical element (HOE),
Inclined plane waves from the spatial light modulator (SLM) are diffracted and recorded to form multiple focal points, functioning as a multiplexed inclined concave mirror
Holographic head mounted display device, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 홀로그래픽 광학 소자(HOE)의 초점 지점들 사이의 이격 거리는 눈 동공 크기보다 약간 크게 설정되고, 각각의 상기 초점 지점의 주위에서, 아이박스는 상기 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 합성에 사용된 각도 스펙트럼 범위에 의해 결정된 크기로 형성되는 것
을 특징으로 하는, 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
According to claim 1,
The separation distance between the focal points of the holographic optical element (HOE) is set slightly larger than the eye pupil size, and around each of the focal points, the eyebox is the angular spectrum used for the computer generated hologram (CGH) synthesis. Formed to size determined by range
Holographic head mounted display device, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 가상의 홀로그래픽 이미지에 해당하는 광은 상기 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 다중 초점 지점을 향해 복제되어, 임의의 아이박스에 위치한 눈은 디스플레이된 이미지를 볼 수 있는 것
을 특징으로 하는, 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
According to claim 1,
The light corresponding to the virtual holographic image is replicated toward the multi-focus point by the holographic optical element (HOE), so that the eye located in any eye box can see the displayed image
Holographic head mounted display device, characterized in that.
레이저 소스로부터의 평면파가 공간 광 변조기(SLM)의 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에 의해 변조되는 단계;
상기 변조 후, 4f 광학부 이후에 중간 홀로그래픽 이미지를 형성하는 단계; 및
상기 중간 홀로그래픽 이미지로부터의 광은 반사형 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 의해 회절되어 확대된 가상의 홀로그래픽 이미지를 사용자의 눈보다 먼 거리에 제공하는 단계
를 포함하는, 홀로그래픽 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 이용한 디스플레이 방법.
The plane wave from the laser source is modulated by a computer generated hologram (CGH) of a spatial light modulator (SLM);
After the modulation, forming an intermediate holographic image after the 4f optic; And
The light from the intermediate holographic image is diffracted by a reflective holographic optical element (HOE) to provide an enlarged virtual holographic image at a greater distance than the user's eye.
Display method using a holographic head mounted display device comprising a.
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