KR20200132974A

KR20200132974A - 홀로그램 프로젝터

Info

Publication number: KR20200132974A
Application number: KR1020207029938A
Authority: KR
Inventors: 크리스마스 제미슨; 니올 맥기
Original assignee: 듀얼리타스 리미티드
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2020-11-25
Also published as: CN112136085B; US11726432B2; GB2574823B; KR102481541B1; WO2019243096A1; CN112136085A; GB2574823A; US20210216041A1; GB201809983D0

Abstract

이미지 평면까지의 전파 거리를 형성하는 컴퓨터 생성 회절 패턴을 출력하도록 배열된 처리 엔진;
처리 엔진, 공간 광 변조기, 광원 및 수광 표면을 포함하는 홀로그램 프로젝터가 제공된다. 처리 엔진은 이미지 평면까지의 전파 거리를 형성하는 컴퓨터 생성 회절 패턴을 출력한다. 공간 광 변조기는 컴퓨터 생성 회절 패턴을 표시다. 광원은 0보다 큰 입사각으로 공간 광 변조기를 조명한다. 수광 표면은 공간 광 변조기로부터 공간 변조 광을 수신한다. 수광 표면은 공간 광 변조기와 실질적으로 평행하다. 수광 표면은 컴퓨터 생성 회절 패턴에 의해 형성된 전파 거리에 의해 공간 광 변조기와 분리된다.

Description

홀로그램 프로젝터

본 개시는 프로젝터에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시는 홀로그램 프로젝터 및 홀로그램 프로젝션 시스템에 관한 것이다. 일부 실시예들은 헤드 업 디스플레이 및 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것이다. 일부 실시예들은 홀로그램 재생 필드에서 이미지 스팟의 크기를 줄이는 방법에 관한 것이고, 일부 실시예는 홀로그램 재생 필드에서 해상도를 증가시키는 방법에 관한 것이다.

물체에서 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는 예컨대 잘 알려진 간섭 기술에 의해 감광성 플레이트 상에 캡쳐 되어 홀로그래픽 기록 또는 간섭 줄무늬를 포함하는 "홀로그램"을 형성할 수 있다. 홀로그램은 원 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성(reconstruction) 또는 재생(replay) 이미지를 형성하기에 적절한 광을 조사함으로써 구성될 수 있다.

컴퓨터 생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 수치적으로 간섭 프로세스(interference process)를 시뮬레이션 할 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램 "CGH"는 프레넬(Fresnel) 또는 푸리에(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기술에 의해 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬 또는 푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 표현 또는 객체의 주파수 도메인 표현으로 간주될 수 있다. CGH는 또한 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기법(point cloud technique)에 의해 계산될 수 있다.

CGH는 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 형성된 공간 광 변조기, "SLM", 상에 인코딩 될 수 있다. 광 변조는 예컨대 전기적으로 어드레스 가능한 액정, 광학적으로 어드레스 가능한 액정 또는 마이크로 미러를 사용하여 달성될 수 있다.

SLM은 셀들(cells) 또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레싱 가능한 화소들을 포함할 수 있다. 광 변조 방식은 이진(binary), 다중 레벨(multilevel) 또는 연속(continuous)일 수 있다. 대안적으로, 이 장치는 연속적일 수 있으며(즉, 화소로 구성되지 않은), 이에 따라 광 변조는 장치 전체에 걸쳐서 연속적일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 공간 광 변조기로부터 반사되어 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 공간 광 변조기를 투과하여 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.

기재된 기술을 이용하여 이미징을 위한 홀로그래픽 프로젝터가 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 예를 들어, 헤드업 디스플레이 "HUD" 및 근안장치(near-eye devices)를 포함하는 헤드마운트 디스플레이 "HMD"에 적용된다.

본 명세서는 개선된 홀로그램 프로젝션 시스템 및 방법을 개시한다.

본 발명의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 정의된다.

처리 엔진, 공간 광 변조기, 광원 및 수광 표면을 포함하는 홀로그램 프로젝터가 제공된다. 처리 엔진은 이미지 평면으로의 전파 거리를 형성(또는 통합)하는 컴퓨터 생성 회절 패턴을 출력한다. 공간 광 변조기는 컴퓨터 생성 회절 패턴을 표시한다. 광원은 0보다 큰 입사각으로 공간 광 변조기를 조명한다. 수광 표면은 공간 광 변조기로부터 공간 변조 광을 수신한다. 수광 표면은 공간 광 변조기와 실질적으로 평행하다. 수광 표면은 컴퓨터 생성 회절 패턴에 의해 형성된 전파 거리만큼 공간 광 변조기와 분리된다. 홀로그램 재구성은 임의의 표면 상에 형성 될 수 있기 때문에, 본 명세서에서 수광 표면은 광범위한 것으로 지칭된다.

공간 광 변조기는 평행 광(collimated light)으로 조명된다. 광학 분야의 당업자는 "수직 입사(nomal incident)"의 개념에 익숙할 것이다. 그러나, 본 개시는 소위 "축외 조명(off-axis illumination)"에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 홀로그램을 포함하는 회절 패턴을 표시하는 공간 광 변조기의 축외 조명에 관한 것이다. 용어 "축외 조명"은 공간 광 변조기상의 광의 입사각이 0이 아니거나 0보다 큰 경우를 지칭하기 위해 본원에서 사용된다. 보다 구체적으로, 입사광의 광선과 입사 지점에서 공간 광 변조기의 평면에 대한 법선 사이의 방위각은 0이 아니거나 0보다 크다. 따라서, 본 개시는 공간 광 변조기의 "비수직 입사(non-normal incidence)"에 관한 것이라고 볼 수 있다.

수광 표면은 공간 광 변조기로부터 공간 변조 광을 수신한다. 공간 광 변조기에 의해 회절되지 않는 광(예 : 0 차 재생 필드에서 소위 DC 스팟)은 본 명세서에서 공간 광 변조기의 "출력 광축(output optical axis)"으로 정의되는 공간 광 변조기의 출력 경로를 따른다. 출력 광축은 공간 광 변조기에서 나오는 광의 전반적인 전파 방향을 정의하는 것으로서 공간 광 변조기와 수광 표면 사이의 직선이다.

프로젝션 시, 수광 표면에 대한 법선이 출력 광축에 평행하도록 수광 표면을 배향하는 것이 일반적이다. 이는, 특히 이미지가 이미지 스팟들 또는 픽셀들로 형성되는 경우에, 통상적으로 최상의 이미지를 형성한다. 그러나, 본 발명자들은 이 기하구조로 홀로그램 프로젝션을 하는 것이 홀로그램 재구성이 최적에 부족하게 한다는 것을 실제로 알아 내었으며, 이는 홀로그램 프로세스에 의해 형성된 이미지 스팟의 크기가, 특히 홀로그램 재생 필드의 가장자리의 이미지 스팟이 악영향을 받기 때문이다. 본 명세서에서, 본 발명자들은, 공간 광 변조기 상으로 축외 조명을 하는 홀로그램 프로젝션에서, 공간 광 변조기 상에 표시되는 홀로그램 재구성에서 이미지 스팟의 크기가 공간 광 변조기와 수광 표면 사이의 평행성을 따라 감소될 수 있다는 것을 개시한다. 더 작은 이미지 스팟(c.f. 이미지 픽셀)일 수록 디스플레이 장치에서 유리하다.

컴퓨터 생성 회절 패턴은(i) 소프트웨어 렌즈 기능과 결합 된 푸리에 홀로그램 또는(ii) 프레넬 홀로그램 일 수 있다. 두 경우 모두 물리적 렌즈(또는 렌즈화 효과가 있는 임의의 구성 요소)가 공간 광 변조기로부터 수광 표면까지의 전파 경로 내에 포함되지 않는다. 공간 광 변조기로부터 수광 표면까지의 광의 전파는 자유 공간을 통한 전파라고 볼 수 있다. 두 경우 모두 공간 광 변조기로부터 수광 표면을 포함하는 평면까지의 거리는 표시되는 광 변조 패턴에 의해 전적으로 결정된다고 볼 수 있다. 보다 구체적으로, 공간 광 변조기와 수광 표면 사이의 수직 거리 또는 최단 직선 거리는 전적으로 회절 패턴에 의해 결정된다. 렌즈 구성 요소(또는 수신된 광에 렌즈화 효과를 제공하는 구성 요소)가 컴퓨터 생성 회절 패턴에 내장되거나 포함되어 있으며, 그 렌즈 구성 요소는 공간 광 변조기에서 수광 표면까지의 거리를 전적으로 결정하는 것으로 간주 될 수 있다.

컴퓨터 생성 회절 패턴을 나타내는 광 변조 데이터가 공간 광 변조기에 제공된다. 광 변조 데이터는 2D 어레이인 데이터 값과 같은 데이터 값의 어레이를 포함한다. 공간 광 변조기는 복수의 픽셀을 포함 할 수 있고 각각의 광 변조 데이터 값은 대응하는 픽셀에 할당 될 수 있다. 즉, 공간 광 변조기의 각 픽셀은 광 변조 데이터 값의 어레이의 각 광 변조 데이터 값에 대응하는 광 변조 레벨에서 동작 할 수 있다. 데이터 값은 위상 지연 값 또는 진폭 감쇠 레벨 또는 둘 다일 수 있다.

푸리에 케이스에서, 필요한 렌즈 기능이 푸리에 홀로그램 데이터에 추가된 렌즈 데이터를 사용하여 적적으로 소프트웨어적으로 제공된다. 공간 광 변조기에서 수광 표면까지의 거리인, 소위 전파 거리는 렌즈 데이터에 의해 에뮬레이션된 소프트웨어 렌즈의 초점 파워에 의해 결정된다. 전파 거리는 소프트웨어 렌즈의 초점 길이와 같다. 전파 거리는 푸리에 경로 길이와 같으며, 이는 차례로 소프트웨어 렌즈의 초점 길이와 같다. 본 방법은 푸리에 변환 홀로그램의 주파수-공간 변환을 수행하는 렌즈를 더 포함 할 수 있다. 이 경우 공간 광 변조기로부터 수광 표면까지의 거리는 렌즈의 초점 길이와 같다.

프레넬 케이스에서, 전파 거리는 홀로그램을 계산하는 데 사용되는 프레넬 변환에 관한 것이다. 이 용어는 홀로그램 평면으로부터 이미지 평면까지의 거리를 결정한다. 즉, 공간 광 변조기에서 수광 표면이 위치해야 하는 초점 평면까지의 거리이다. 따라서 공간 광 변조기에서 수광 표면까지의 거리는 프레넬 변환으로 인코딩 된 전파 거리 z와 같다고 볼 수 있다.

각도는 60도 미만일 수 있고, 예컨대 45도 미만 또는 30도 미만일 수 있다. 단지 예시로서 설명 된 실시예에서, 각도는 20도 이하이다. 이러한 경우 보다 더 소형인 시스템이 제공된다. 실제로 각도는 더 큰 시스템 설계의 일부로서 최적화 될 수 있다.

공간 광 변조기는 위상 변조기 일 수 있고 광 변조 데이터는 위상 지연 데이터 값의 어레이를 포함 할 수 있다. 푸리에의 경우, 렌즈에 대응하는 위상 지연 데이터가 쉽게 계산되며 홀로그램의 홀로그램 데이터와, 계산이 요구되지 않는 랩핑 추가(wrapped addition)에 의해 결합될 수 있다. 따라서 위상 변조 방식이 선호 될 수 있다.

수광 표면은 확산성을 가질 수 있다. 예를 들어, 수광 표면은 디퓨져일 수 있다. 수광 표면은 회전 또는 진동과 같은 움직임을 가질 수 있다. 따라서 재생 필드에서는 키스톤 효과(keystone effect) 또는 이미지 확장(image stretching)이 관찰되지 않는다.

공간 광 변조기는 실리콘 공간 광 변조기상의 액정 일 수 있고 공간 광 변조기는 코히어런트 광(coherent light)으로 조명된다. 광원은 레이저 다이오드와 같은 레이저 일 수 있다.

"홀로그램"이라는 용어는 객체에 대한 진폭 정보 또는 위상 정보, 또는 그들의 몇몇 조합들을 포함하는 기록을 지칭하는데 사용된다. "홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)"이란 용어는 홀로그램을 조광하여 형성되는 물체의 광학적 재구성을 지칭하는 용어이다. "재생 평면(replay plane)"이라는 용어는 홀로그래픽 재구성이 완전히 형성되는 공간 내의 평면을 지칭한다. "재생 필드(replay field)"라는 용어는 공간 광 변조기로부터 공간-변조된 광을 수신할 수 있는 재생 평면의 부 영역(sub-area)을 지칭한다. "이미지", "재생 이미지" 및 "이미지 영역(image region)"이라는 용어는 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 광에 의해 조광되는 재생 필드의 영역을 가리킨다. 일부 실시예들에서, "이미지"는 "이미지 화소"로 지칭될 수 있는 불연속적인 스팟들(discrete spots)을 포함할 수 있다.

"인코딩", "쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"은 각각의 화소의 변조 레벨을 개별적으로 결정하는 복수의 제어값을 SLM의 복수의 화소들에 제공하는 프로세스를 기술하는 데 사용된다. SLM의 화소들은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "디스플레이"하도록 구성될 수 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "디스플레이"한다고 할 수 있으며, 홀로그램은 광 변조 값 또는 레벨의 배열로 간주될 수 있다.

허용 가능한 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래의 객체와 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 기록은 위상-한정 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 일부 실시예들은 단지 예로서 위상-한정 홀로그램과 관련된다. 실시예들은 위상-한정 홀로그램에 관련되나 본 발명은 진폭-한정 홀로그래피에도 동등하게 적용 가능하다.

본 발명은 또한 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는데 동일하게 적용 가능하다. 일부 실시예에서, 이것은 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램을 사용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 화소에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램으로 불릴 수 있다. 각 화소에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 갖는 복소수로 표현될 수 있다. 일부 실시예에서, 완전-복소 컴퓨터 생성 홀로그램이 계산된다.

위상 값, 위상 성분, 위상 정보, 또는 간단히, 컴퓨터 생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 화소들의 위상을 "위상-지연"의 약자로서 참조할 수 있다. 즉, 기술된 임의의 위상 값은 사실 그 화소에 의해 제공된 위상 지연의 양을 나타내는 숫자(예를 들어, 0 내지 2π범위인)이다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 화소가 위상 값 π/2를 갖는 것으로 기술된다면, 이는 전달된 광의 위상을 π/2라디안만큼 변경할 것이다. 일부 실시예들에서, 공간 광 변조기의 화소 각각은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들)에서 동작 가능하다. "그레이 레벨"이란 용어는 복수의 이용 가능한 변조 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, "그레이 레벨"이란 용어는 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 정도를 제공하지 않더라도, 편의상 위상-한정 변조기의 복수의 가용 위상 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다. "그레이 레벨"이란 용어는 또한 복소 변조기에서 복수의 가용 복소 변조 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다.

본 발명은 "초점 거리를 갖는 렌즈에 대응하는 렌즈 데이터"를 참조한다. 이러한 용어가 사용되어 렌즈 데이터가 광학 경로 내 물리적 렌즈와 같은 렌즈의 기능(즉, 초점 능력(focusing power))를 제공하거나 에뮬레이트(emulate) 한다는 것을 반영한다. 렌즈 데이터는 소프트웨어 렌즈라고도 지칭된다. 소프트웨어 렌즈는 물리적 렌즈보다 우선적으로 사용된다.

상이한 실시예들 및 실시예들의 그룹이 후술하는 상세한 설명에 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 실시예들 또는 실시예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 실시예들 또는 실시예들의 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징들의 모든 가능한 조합 및 순열이 고려된다.

구체적인 실시예들은 다음의 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사형 SLM을 나타내는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 첫 번째 반복을 도시한다.
도 2b는 Gerchberg-Saxton 형 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 2c는 Gerchberg-Saxton 형 알고리즘의 대안적인 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4a는 본 개시에 따른 기본적인 광학 설정을 도시한다.
도 4B는도 4a에 대응하는 개략도이다.
도 5는 복수의 필드 포인트를 포함하는 재생 필드의 개략도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 실시예에 따른 재생 필드에서의 이미지 스팟을 도시한다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 대안적인 예에서 재생 필드에서의 이미지 스팟을 도시한다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 다른 대안적인 예에서 재생 필드에서의 이미지 스팟을 도시한다.
도 9a, 도 9b 및 9c는 또 다른 대안적인 예에서 재생 필드의 이미지 스팟을 보여준다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭한다.

본 발명은 다음에 설명되는 구성에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 확장한다. 즉, 본 발명은 다른 형태로 실시될 수 있으며 설명의 목적으로 제시된 기재된 구성에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

구조물의 상부/하부 또는 상/하에 형성된 구조물이라고 기술된 경우, 구조물들이 서로 접촉하는 경우 및 제3의 구조물이 그 사이에 배치되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

시간 관계를 서술함에 있어서, 사건의 시간 순서가 예를 들어 "후", "후속", "다음", "전" 등으로 기술될 때, 본 개시는 별도로 규정하지 않는 한은 연속적 및 비연속적 사건을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 그 기재가 "막(just)", "바로(immediate)" 또는 "직접(direct)"라는 기재가 사용되지 않는 한, 비연속적 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제1요소는 제2요소로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2요소는 첨부된 청구 범위를 벗어남 없이 제1요소로 지칭될 수 있다.

상이한 구성의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양한 형태로 서로 상호 작용할 수 있다. 어떤 구성은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 서로 연계되어 함께 수행될 수도 있다.

광학 구성

도 1은 컴퓨터 생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기 상에 인코딩 되는 실시예를 도시한다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 말할 수 있다. 일 실시예에서, 공간 광 변조기는 실리콘 장치, “” 상의 반사형 액정이다. 홀로그램은 공간 광 변조기 상에 인코딩 되고, 홀로그래픽 재구성은 재생 필드, 예컨대 스크린 또는 디퓨져와 같은 수광 부재 또는 스크린에 형성된다.

예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens, 111)를 통해 SLM(140)에 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 파면의 방향은(예컨대, 투명층의 평면 대비 완전 직각으로부터 2° 또는 3°정도 떨어진) 약간 오프노멀(Off-Normal)하다. 다른 실시들예에서, 전체적으로 평면 파면은 예를 들어 빔 스플리터를 사용하여 수직 입사 방식으로 제공된다. 도 1에 도시된 예시에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 후방면의 미러에 반사되며 출사 파면(Exiting Wavefront, 112)을 형성하기 위해 위상-변조층(phase-modulating layer)과 상호작용하게 한다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다. 보다 구체적으로, 푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM(140)으로부터 변조 된 광 빔을 수신하고 스크린(125)에서 홀로그래픽 재구성을 생성하기 위해 주파수 공간 변환을 수행한다.

특히, 이러한 유형의 홀로그램에서 홀로그램의 각 픽셀들이 전체 재구성에 관여한다. 재생 필드 상의 특정 지점들(또는 이미지 픽셀들)과 특정 광 변조 요소들(또는 홀로그램 픽셀들) 간에는 일대일 상관 관계가 없다. 즉, 광 변조층으로부터 출사되는 변조된 광은 재생 필드에 걸쳐서 분배된다.

공간 상에서의 홀로그래픽 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 광 파워(optical power)에 의해 결정된다. 도 1에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이며 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 임의의 렌즈가 푸리에 변환 렌즈로 작동 할 수 있지만 렌즈의 성능은 푸리에 변환의 정확도를 제한할 것이다. 당업자라면 렌즈를 사용하여 광학 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해한다고 볼 것이다.

홀로그램 계산

일부 실시예에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에 기반 홀로그램이고, 여기서 이미지는 양의 렌즈의 푸리에 변환 특성을 이용하여 파-필드(far-field)에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 재생면의 원하는 광 필드를 푸리에 변환하여 렌즈 평면에 오도록 계산된다. 컴퓨터 생성 푸리에 홀로그램은 푸리에 변환을 사용하여 계산될 수 있다.

푸리에 변환 홀로그램은 게르흐버그-섹스톤(Gerchberg-Saxton) 알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하여 계산 될 수 있다. 또한, 게르흐버그-섹스톤 알고리즘은 공간 도메인 내 진폭-한정 정보(예컨대, 사진) 로부터 푸리에 도메인 내 홀로그램(예를 들어, 푸리에 변환 홀로그램)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 즉, 객체에 관한 위상 정보는 공간영역 내의 진폭-한정 정보로부터 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 몇몇 실시예들에서 컴퓨터 생성 홀로그램은 게르흐버그-섹스톤 알고리즘 또는 그 다양한 변환 응용법들을 이용해 진폭-한정 정보로부터 계산된다.

게르흐버그-색스톤 알고리즘은, 각각의 평면 A와 B에서 광빔(light beam) I_A(x, y) 및 I_B(x, y)의 강도 단면(intensity cross-sections)이 각각 단일 푸리에 변환으로 상호 연관되어 있는 상황을 고려한다. 주어진 강도 단면에서, 평면 A 및 B에서의 각각의 위상 분포에 대한 근사치인 Ψ_A(x, y) 및 Ψ_B(x, y) 가 구해진다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 반복 프로세스(iterative process)를 따름으로써 이 문제에 대한 해결책을 찾는다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 공간 영역과 푸리에(스펙트럼 또는 주파수) 영역 사이에서 I_A(x, y) 및 I_B(x, y)를 대표하는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전달하면서(repeatedly transferring) 공간적 및 스펙트럼 제약(constraints)을 반복적으로 적용한다. 공간 및 스펙트럼 제약 조건은 각각 I_A(x, y) 및 l_B(x, y)이다. 공간 또는 스펙트럼 영역의 제약 조건은 데이터 세트의 진폭에 부여된다. 해당 위상 정보는 일련의 반복을 통해 얻어진다.

몇몇 실시예들에서, 위상한정 홀로그램은 영국 특허 제2,498,170 호 또는 제2,501,112 호에 기술 된 바와 같은 게르흐버그-색스톤 알고리즘에 기반한 알고리즘을 사용하여 계산되며, 이는 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다. 다만, 본 명세서에 기술된 위상 한정 홀로그램을 계산하는 것은 단지 예시로서 기술된 것에 불과하다. 이 실시예들에서, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 알려진 진폭 정보 T[x, y]를 나타내는 데이터 세트에 푸리에 변환의 위상 정보 Ψ[u, v]를 획득하고, 여기서, 진폭 정보 T[x, y]는 대상 이미지(예컨대, 사진)를 나타낸다. 크기 및 위상은 푸리에 변환에 의해 본질적으로 결합되기 때문에, 변환된 크기 및 위상은 계산된 데이터 세트의 정확도와 관련된 유용한 정보를 내포한다. 이에, 이 알고리즘은 진폭 및 위상 정보 모두를 피드백 하는 방식으로 반복적으로 사용될 수 있다. 그러나, 이 실시예들에서, 위상 정보 Ψ[u, v]만이 이미지 평면에서 대상 이미지를 표현하는 홀로그램을 형성하기 위해 홀로그램으로서 사용된다. 홀로그램은 위상 값들의 데이터 세트(예, 2D 어레이)이다.

다른 실시예들에서, 게르흐버그-섹스톤 알고리즘에 기반한 알고리즘이 완전 복소 홀로그램(fully-complex hologram)을 계산하기 위해 사용된다. 완전 복소 홀로그램은 크기 성분 및 위상 성분을 갖는 홀로그램이다. 홀로그램은 복소 데이터 값을 갖는 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이며, 여기서 각각의 복소 값은 크기 성분 및 위상 성분을 가진다.

몇몇 실시예들에서, 이 알고리즘은 복소 데이터를 처리하고 푸리에 변환은 복소 푸리에 변환이다. 복소 데이터는(i) 실수 성분 및 허수 성분 또는(ii) 크기 성분 및 위상 성분을 포함하는 것으로 간주 될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복소수 데이터의 2 개의 성분은 알고리즘의 여러 단계들에서 상이하게 처리된다.

도 2a는 위상-한정 홀로그램을 계산하기 위한 일부 실시예에 따른 알고리즘의 제1반복을 도시한다. 알고리즘에 대한 입력은 화소 또는 데이터 값의 2D 어레이를 포함하는 입력 이미지(210)이며, 여기서 각 화소 또는 데이터 값은 크기 또는 진폭 값이다. 즉, 입력 이미지(210)의 각 화소 또는 데이터 값은 위상 성분을 갖지 않는다. 따라서, 입력 이미지(210)는 크기-한정 또는 진폭-한정 또는 세기-한정 분포로 간주될 수 있다. 이러한 입력 이미지(210)의 일례는 프레임의 시간적 시퀀스를 포함하는 비디오 또는 사진의 한 프레임이다. 알고리즘의 제1반복은 랜덤 위상 분포(또는 랜덤 위상 시드)(230)를 사용하여, 초기 복소 데이터 세트(starting complex data set)의 각각의 데이터 요소가 크기 및 위상을 포함하도록, 입력 이미지의 각 화소에 랜덤 위상 값을 할당하는 단계를 포함하는 데이터 형성 단계(202A)에서 시작한다. 초기 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.

제1프로세싱 블록(250)은 초기 복소 데이터 세트를 수신하고 복소 푸리에 변환을 수행하여 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성한다. 제2프로세싱 블록(253)은 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하여 홀로그램(280A)을 출력한다. 일부 실시예에서, 홀로그램(280A)은 위상-한정 홀로그램이다. 이들 실시예에서, 제2프로세싱 블록(253)은 각각의 위상 값을 양자화하고 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 각 진폭 값을 1로 설정한다. 각 위상 값은 위상-한정 홀로그램을 "표시"하는데 사용될 공간 광 변조기의 화소 상에 표현될 수 있는 위상 레벨에 따라 양자화된다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 각 화소가 256 개의 상이한 위상 레벨을 제공하면, 홀로그램의 각 위상 값은 256개의 가능한 위상 레벨 중 하나의 위상 레벨로 양자화된다. 홀로그램(280A)은 입력 이미지를 나타내는 위상-한정 푸리에 홀로그램이다. 다른 실시예에서, 홀로그램(280A)은 수신된 푸리에 변환된 복소 데이터 세트로부터 유도된 복소 데이터 값(각각 진폭 성분 및 위상 성분을 포함함)의 어레이를 포함하는 완전-복소 홀로그램이다. 일부 실시예에서, 제2프로세싱 블록(253)은 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 복수의 허용 가능한 복소 변조 레벨 중 하나로 각각의 복소 데이터 값을 제한한다. 제한 단계는 복소수 평면에서 각 복소 데이터 값을 가장 가까운 허용 복소수 변조 레벨로 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 홀로그램(280A)은 스펙트럼 또는 푸리에 또는 주파수 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다. 일부 실시예에서, 알고리즘은 이 시점에서 정지한다.

그러나, 다른 실시예에서, 알고리즘은 도 2A의 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 계속된다. 즉, 도 2a의 점선 화살표를 따르는 단계는 선택적이다(즉, 모든 실시예에 필수적인 것은 아님).

제3 프로세싱 블록(256)은 제2프로세싱 블록(253)으로부터 수정된 복소 데이터 세트를 수신하고, 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성하기 위해 역 푸리에 변환을 수행한다. 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.

제4프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하고, 진폭 값(211A)의 분포 및 위상 값(213A)의 분포를 추출한다. 선택적으로, 제4프로세싱 블록(259)은 진폭 값들(211A)의 분포를 평가한다. 구체적으로, 제4프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 진폭 값(211A)의 분포를, 당연히 진폭 값의 분포인, 입력 이미지(510)와 비교할 수 있다. 진폭 값들(211A)과 입력 이미지(210)의 분포 사이의 차이가 충분히 작으면, 제4프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 허용 가능한 것으로 결정할 수 있다. 즉, 진폭 값들(211A)의 분포와 입력 이미지(210)의 차이가 충분히 작으면, 제4프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 입력 이미지(210)를 충분히 정확하게 나타내는 것으로 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비교 과정에서 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 위상 값(213A)의 분포는 무시된다. 진폭 값들(211A) 및 입력 이미지(210)의 분포를 비교하기위한 임의의 수의 상이한 방법들이 이용될 수 있으며, 본 개시는 임의의 특정 방법에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 일부 실시예들에서, 평균 제곱 차이가 계산되고, 평균 제곱 차이가 임계 값 보다 작은 경우, 홀로그램(280A)은 수용 가능한 것으로 간주된다. 제4프로세싱 블록(259)이 홀로그램(280A)이 수용 가능하지 않다고 결정하면, 알고리즘의 추가 반복이 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 비교 단계는 필수적인 것은 아니며, 다른 실시예에서, 수행된 알고리즘의 반복 횟수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자 정의된다.

도 2b는 알고리즘의 두 번째 반복 및 알고리즘의 임의의 반복을 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 처리 블록을 통해 피드백 된다. 제1반복에서, 데이터 형성 단계(202A)는 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 랜덤 위상 분포(230)와 결합하여 제1복소 데이터 세트를 형성한다. 그러나, 두 번째 및 후속 반복에서, 데이터 형성 단계(202B)는(i) 알고리즘의 이전 반복으로부터의 위상 값(213A)의 분포와(ii) 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 합하여 복소 데이터 세트를 형성하는 단계를 포함한다.

도 2b의 데이터 형성 단계(202B)에 의해 형성된 복소 데이터 세트는 도 2A를 참조하여 기술된 것과 동일한 방식으로 처리되어 제2반복 홀로그램(280B)을 형성한다. 따라서 여기에서 프로세스의 설명은 반복되지 않는다. 알고리즘은 제2반복 홀로그램(280B)이 계산되면 중단될 수 있다. 그러나, 알고리즘의 임의의 수의 추가 반복이 수행될 수 있다. 제3프로세싱 블록(256)은 제4프로세싱 블록(259)이 요구되거나 더 많은 반복이 요구되는 경우에만 요구된다는 것을 이해할 것이다. 출력 홀로그램(280B)은 일반적으로 반복마다 개선된다. 그러나 실제로는, 측정 가능한 개선이 관찰되지 않거나, 처리 시간의 증가라는 부정적 효과가 추가 반복을 수행하는 긍정적 이점 보다 커지는 시점이 도달한다. 따라서, 알고리즘은 반복적이고 수렴적으로 기술된다.

도 2c는 두 번째 및 후속 반복의 대안적인 실시예를 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백 된다. 진폭 값(211A)의 분포는 대안적인 진폭 값의 분포를 위해 소거된다. 이 대안적인 실시예에서, 대안적인 진폭 값의 분포는 이전 반복의 진폭 값(211)의 분포로부터 도출된다. 특히, 프로세싱 블록(258)은 이전 반복의 진폭 값들(211)의 분포로부터 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 감산하고, 그 차이를 이득 계수 α만큼 스케일링하고, 입력 이미지(210)로부터 스케일링 된 차분을 감산한다. 이는 다음의 방정식에 의해 수학적으로 표현되며, 아래 첨자 텍스트 및 숫자는 반복 횟수를 나타낸다.

여기서:

F'는 역 푸리에 변환이고;

F는 순방향 푸리에 변환이고;

R[x, y]는 제3프로세싱 블록(256)에 의해 출력된 복소 데이터 세트이고;

T[x, y]는 입력 또는 대상 이미지이고;

∠는 위상 성분이고;

ψ는 위상-한정 홀로그램(280B)이고;

η은 진폭 값(211B)의 새로운 분포이며;

α는 이득 계수이다.

이득 계수 α는 고정되거나 가변적일 수 있다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 입력 목표 이미지 데이터의 크기 및 속도(rate)에 기초하여 결정된다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 반복 횟수에 의존한다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 단지 반복 횟수의 함수이다.

도 2c의 실시예는 다른 모든 면에서 도 2a 및 도 2b의 실시예와 동일하다. 위상-한정 홀로그램 ψ(u, v)는 주파수 또는 푸리에 도메인에서의 위상 분포를 포함한다고 볼 수 있다.

본 개시에 따르면, 홀로그램은 렌즈를 나타내는 데이터 뿐만 아니라 물체를 나타내는 데이터를 포함한다. 도 1에 도시된 물리적 푸리에 변환 렌즈(120)는 실재하는 것은 아니다. 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터를 계산하는 방법은 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서 알려져 있는 것이다. 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터는 소프트웨어 렌즈라고 지칭될 수도 있다. 예를 들어, 그 굴절률과 공간적으로 변하는 광로 길이로 인해 렌즈의 각 지점에서 발생하는 위상 지연을 계산함으로써 위상-한정 홀로그램 렌즈를 형성 할 수 있다. 예를 들어, 볼록 렌즈 중앙에서의 광학 경로 길이는 렌즈 가장자리의 광학 경로 길이보다 크다. 진폭-한정 홀로그램 렌즈는 프레넬 존 플레이트에 의해 형성 될 수 있다. 또한, 물리적인 푸리에 렌즈 없이도 푸리에 변환이 수행 될 수 있도록 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터와 물체를 나타내는 홀로그램 데이터를 결합하는 방법이 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서 알려져 있다. 일부 실시예에서, 렌즈화 데이터(lensing data)는 단순 벡터 가산과 같은 단순 가산에 의해 홀로그램 데이터와 결합된다. 추가 실시예에서, 홀로그램은 격자 데이터(grating data), 즉 빔 스티어링과 같은 격자의 기능을 수행하도록 배열된 데이터를 포함 할 수 있다. 다시 말해, 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서는 이러한 홀로그램 데이터를 계산하고 이를 객체를 나타내는 홀로그램 데이터와 결합하는 방법이 알려져 있다. 예를 들어, 블레이즈 격자(blazed grating) 표면의 각 지점에서 발생하는 위상 지연을 모델링하여 위상-한정 홀로그램 격자를 형성 할 수 있다. 진폭-한정 홀로그램의 각도 조정을 제공하기 위해 진폭-한정 홀로그램 격자는 객체를 나타내는 진폭-한정 홀로그램에 단순히 중첩 될 수 있다.

일부 실시예에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시예에서, 이미지 데이터는 일련의 이미지 프레임을 포함하는 비디오이다. 다른 실시예에서, 홀로그램은 사전 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되며, SLM 상에 디스플레이하기 위해 필요에 따라 호출된다. 즉, 일부 실시예에서, 소정의 홀로그램의 저장소가 제공된다.

실시예는, 단지 예시적으로, 푸리에 홀로그램 및 게르흐버그-색스톤 타입 알고리즘에 관한 것이다. 본 개시는 프레넬 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다.

광 변조

공간 광 변조기는 컴퓨터 생성 홀로그램을 디스플레이 하는 데 사용될 수 있다. 홀로그램이 위상-한정 홀로그램인 경우, 위상을 변조하는 공간 광 변조기가 필요하다. 홀로그램이 완전-복소 홀로그램인 경우, 위상 및 진폭을 변조하는 공간 광 변조기가 사용될 수 있거나 위상을 변조하는 제1공간 광 변조기 및 진폭을 변조하는 제2공간 광 변조기가 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 공간 광 변조기의 광 변조 소자(즉, 화소)는 액정을 포함하는 셀이다. 즉, 일부 실시예에서, 공간 광 변조기는 광학 능동 소자가 액정인 액정 장치이다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨을 선택적으로 제공하도록 구성된다. 즉, 각 액정 셀은 어느 한 시점에서 복수의 가능한 광 변조 레벨들로부터 선택된 하나의 광 변조 레벨에서 동작하도록 구성된다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨 중에서 다른 광 변조 레벨로 동적으로 재구성 가능하다. 일부 실시예에서, 공간 광 변조기는 실리콘(LCOS) 공간 광 변조기 상의 반사형 액정이지만, 본 발명은 이러한 유형의 공간 광 변조기에 한정하지 않는다.

LCOS 장치는 작은 개구(예를 들어, 폭이 수 센티미터) 내의 조밀한 어레이의 광 변조 소자 또는 화소를 제공한다. 화소는 통상 약 10미크론 이하이어서 수 도 수준의 회절각을 가지며, 이는 광학 시스템이 콤팩트 할 수 있다는 것을 의미한다. LCOS SLM의 작은 개구를 적절하게 조광하는 것은 다른 액정 장치의 큰 개구를 조광하는 것보다 용이하다. LCOS 장치는 통상 반사형이므로 LCOS SLM의 화소를 구동하는 회로를 반사 표면 아래에 묻을 수 있다. 결과적으로 개구율이 높아진다. 즉, 화소는 밀집되어 있어 화소 간에 낭비되는 공간(dead space)이 거의 없음을 의미한다. 이는 재생 필드에서의 광학 노이즈를 감소시키므로 유리하다. LCOS SLM은 화소가 광학적으로 편평하다는 이점을 갖는 실리콘 후면을 사용한다. 이 점은 위상 변조 장치에서 특히 중요하다.

단지 예시로서, 적합한 LCOS SLM이 도 3을 참조하여 아래와 같이 기술된다. LCOS 소자는 단결정 실리콘 기판(302)을 사용하여 형성된다. 이는 간극(301a)에 의해 이격되며 기판의 상부 표면에 배치된 사각 평면형 알루미늄 전극(301)의 2차원 어레이를 가진다. 전극(301) 각각은 기판(302)에 매설된 회로(302a)를 통해 형성될 수 있다. 각각의 전극들은 각각의 평면 미러를 형성한다. 배향층(Alignment Layer, 303)이 전극 어레이 상에 배치되고, 액정층(304)은 배향층(303)에 배치된다. 제2배향층(305)은 액정층(304)에 배치되고, 예컨대, 유리로 된 평면 투명층(306)은 제2배향층(305)에 배치된다. 예컨대 ITO로 된 단일 투명 전극(307)은 투명층(306)과 제2배향층(305) 사이에 배치된다.

사각 전극(301) 각각은, 투명전극(307) 영역 상부와 중간에 개재되는 액정물질과 함께, 종종 화소로 지칭되는 제어 가능한 위상 변조 소자(308)를 형성한다. 유효 화소 영역, 즉 충전율은 화소(301a) 사이의 공간까지 고려하여 광학적으로 활성인 총 화소의 비율이다. 각각의 전극(301)에 인가된 투명전극(307)에 대한 전압을 제어함으로써, 위상 변조된 요소의 액정 물질의 특성은 변화될 수 있고, 따라서 그에 입사되는 입사광에 가변 지연을 제공한다. 이렇게 함으로써 파면(wavefront)에 위상-한정 변조가 가해지는 한편 어떤 진폭 효과도 발생하지 않는다.

전술한 LCOS SLM는 공간적으로 변조된 광을 반사에 의해 출력한다. 반사형 LCOS SLM은 신호 라인, 게이트 라인 및 트랜지스터가 거울 면 아래에 있으며, 높은 충전율(일반적으로 90 % 이상) 및 고해상도를 얻을 수 있는 이점이 있다. 반사형 LCOS 공간 광 변조기를 사용하는 또 다른 이점은 투과형 장치가 사용되는 경우에 필요한 것보다 요구되는 액정 층 두께가 절반일 수 있다는 것이다. 이것은 액정의 스위칭 속도를 크게 향상시킨다(움직이는 비디오 이미지의 투영을 위한 주요 이점). 그러나, 본 발명의 개시 내용은 투과형 LCOS SLM을 사용하여 동일하게 구현될 수 있다.

공간 광 변조기 및 수광 표면의 상대적 기울기

도 4a는 3 개의 광 채널을 도시한다. 각각의 광 채널(light channel)은 광원, 공간 광 변조기 및 수광 표면으로 구성된다. 각 광 채널은 하나의 색상으로 홀로그램 재구성 제공한다. 따라서, 적색, 녹색 및 청색 채널과 같은 복수의 단일 색상 채널을 사용하여 재생 평면에서 그 단일 색상을 중첩함으로써 복합 색상을 갖는 홀로그램 재구성이 제공 될 수 있다. 각 채널의 홀로그램은 그 채널의 색상 콘텐츠에 맞게 조정된다. 도 4a는 예를 들어 3 개의 광 채널을 보여준다. 3 개의 채널은 실질적으로 평행하고 공통 공간 광 변조기(common spatial light modulator)를 공유할 수 있고, 예를 들어, 공통 공간 광 변조기의 픽셀들의 서브 세트는 각각의 색상 채널에 할당되거나 또는 각각의 채널은 그 자체 공간 광 변조기를 가질 수 있다. 3 개의 대응하는 재생 필드는 재생 평면에서 서로 일치 할 수 있다. 본 개시 내용에서 교시하는 것은 하나의 광 채널 또는 임의의 수의 광 채널을 포함하는 홀로그램 프로젝터에 동일하게 적용될 수 있다는 것이다. 간결성을 위하여, 이하에서는 단지 하나의 광 채널에 대해서만 참조하여 설명한다.

도 4a는 실리콘 공간 광 변조기(403A)상의 대응하는 액정을 조명하는 광원(401A)을 도시한다. 광은 공간 광 변조기(403A)의 법선에 대해 0보다 큰 각도로 공간 광 변조기(403A)에 입사된다. 공간 광 변조기(403A)는 평면형이고 반사형이므로 공간 변조 된 광은 공간 광 변조기(403A)의 법선에 대해 동일한 각도로 출력된다. 공간적으로 변조된 광은 수광 표면(405A)에 의해 수신된다.

같은 내용이 도 4b에 개략적으로 도시된다. 광원(401B)은 공간 광 변조기(403B)의 법선에 대한 각도 θ로 공간 광 변조기(403B)를 조명한다. 수광 표면(405B)은 수광 표면(405B)의 법선에 대한 각도 α로 공간 광 변조기(403B)로부터 공간 변조 된 광을 수신한다. 실시예들에서, 공간 광 변조기(403B) 및 수광 표면(405B)은 평행하다. 즉, θ와 α는 같다. 도시된 예시에서, θ는 20도이지만 θ은 0이 아닌 임의의 값을 가질 수 있다.

공간 광 변조기(403A/403B)의 각 픽셀은 각각의 광 변조 레벨인 각각의 광 변조 데이터를 표시한다. 광 변조 데이터는 프로젝션용 이미지에 대응하는 홀로그램 데이터를 포함한다. 광 변조 데이터는 또한 광 파워를 갖는 렌즈에 대응하는 렌즈 데이터를 포함한다. 렌즈는 초점 거리를 가진다. 홀로그램 재구성은 렌즈 데이터의 초점력(focusing power)로 인해 수광 표면(405A / 405B)의 평면에서 형성된다. 전술 한 바와 같이, 렌즈 데이터는 "소프트웨어 렌즈"로 명명 될 수 있으며 물리적 렌즈를 나타내는 수학적 함수이다. 소프트웨어 렌즈는 동일한 렌즈 굴절력(dioptric power)인 물리적 광학 렌즈와 동일한 기능, 즉 초점력(focusing power)를 제공한다. 소프트웨어 렌즈는 대응하는 광학 부품의 형상에 대응하는 위상 지연 값의 어레이 일 수 있다. 이미지의 홀로그램 재구성은 수광 표면(405A / 405B) 상에 형성된다. 렌즈는 홀로그램의 수학적 변환(예 : 푸리에 변환)을 수행 할 수 있다. 푸리에 변환은 주파수-공간 변환이라고 이해될 수 있다. 푸리에 변환 홀로그램을 사용하는 실시예에서, 홀로그램은 프로젝션 대상인 이미지의 주파수 도메인 표현이고, 홀로그램 프로젝션은 이미지의 공간 도메인 표현이며, 소프트웨어 렌즈는 홀로그램을 주파수-공간 변환을 수행하는 것이라고 볼 수 있다.

다시 말해, 본 개시 내용은 θ가 0이 아닌(즉, 0보다 큰) 특정 경우에 관한 것이며, 본 발명자들은, 이러한 특정 경우에, 공간 광 변조기 상에 표시되는 홀로그램 재구성에서 이미지 스팟의 크기가 공간 광 변조기와 수광 표면 사이의 평행성을 따라 감소될 수 있다는 것을 관찰하였다. 이 결과를 확인하기 위해 광 추적 소프트웨어(ray tracing software)가 사용되었다. 본 발명자들은, 축외 방식(off-axis scheme)에서, 공간 광 변조기와 수광 표면이 평행 할 때 이미지 스팟들의 크기가 회절-제한적(diffraction-limited)이 된다는 것을 발견했다. 본 명세서에서, 결과들의 샘플이 예로서 제공되지만 달성된 기술적 효과는 청구 범위의 전체 범위에서 관찰되었다. 특히, 관찰된 기술적 효과는 0보다 큰 공간 광 변조기에서 가능한 모든 입사각에서 발견되었고, 즉, 공간 광 변조기상의 축외 입사각은 0보다 크고 90도 보다 작은 모든 각도 일 수 있다.

도 5는 홀로그램 재생 필드(501)의 개략도이며 도 6 내지 도 9를 더 잘 이해하기 위해 제공된다. 도 5의 재생 필드(501)는 재생 필드 내에 있는 소위 9 개의 필드 포인트(FP1 내지 FP9로 지칭됨)를 도시한다. 광 추적(ray tracing)은 틸트 각도 범위에 대해 각 필드 포인트(FP1 ~ FP9)에서 이미지 스팟의 크기와 모양을 결정하는 데 사용되었다.

도 6 내지 도 9는 도 5의 9 개 필드 포인트(FP1 ~ FP9)에 대응하는 9 개의 이미지 스팟을 도시한다. 필드 포인트에 대응하는 이미지 스팟들은 좌에서 우로 오름차순으로 표시된다. 즉, FP1의 이미지 스팟은 맨 왼쪽에 표시되고 FP9의 이미지 스팟은 맨 오른쪽에 표시된다.

도 6 내지 도 9 각각은 3 개의 개별 행들에 있는 3 개의 이미지 스팟 세트를 도시한다. 이미지 스팟의 최상단 세트(도 6a, 도 7a 도 8a, 도 9a)는 파장이 450nm 인 청색광을 사용하여 형성되고, 이미지 스팟의 중간 세트(도 6b, 도 7b 도 8b, 도 9b)는 파장이 520 nm의 녹색광을 사용하여 형성되고, 이미지 스팟의 최하단 세트(도 6c, 도 7c 도 8c, 도 9c)는 파장 650 nm의 적색광을 사용하여 형성된다. 각 이미지 스팟에 대해 도시된 실선 원 또는 점은 대응하는 회절 한계이다.

도 6 내지 도 9에 나타낸 결과는 표 1에서 보여지는 케이스를 통해 얻어진 것이다. 표 1에 나타낸 각도는 법선에 대한 각도이다. 상대 각도는 수광 표면에 대한 SLM의 각도이며 θ과 α의 차이에 해당한다.

표 1: 도 6 내지 도 9 그리고 표 2 내지 표 5에 따른 결과를 얻기 위해 사용된 각도들

각 필드 포인트들에서 이미지 스팟의 크기가 측정되었으며 이러한 측정값들은 이하에서 마이크로 미터 단위로 표시된다. 표 2 내지 표 5의 "상대 각도"는 공간 광 변조기에 대한 수광 표면의 각도(단위 도)이다.

명확히 하기 위하여, 홀로그램 재생 필드의 모든 이미지 스팟은 동일한 컴퓨터 생성 회절 패턴에서 동시에 형성된다. 예를 들어, 9 개의 필드 포인트(FP1 내지 FP9)에서 9 개의 이미지 스팟이 동시에 형성된다. 이것은 각 이미지가 비트별로 형성되는 빔 스캐닝 시스템과는 대조적이다.

표 2: 도 6에 상응하는 이미지 스팟 크기 측정값(회절 제한은 4.287μm )

표 3: 도 7에 상응하는 이미지 스팟 크기 측정값(회절 제한은 4.141μm )

표 4: 도 8에 상응하는 이미지 스팟 크기 측정값(회절 제한은 4.027μm )

표 5: 도 9에 상응하는 이미지 스팟 크기 측정값(회절 제한은 4.284μm )

표 2 내지 표 5의 측정 결과는, 축외 조명의 경우, 공간 광 변조기와 수광 표면이 평행하다면(즉, 상대 각도가 0 인 경우) 더 작은 이미지 스팟이 형성됨을 보여준다. 홀로그램 재생 필드에서 더 높은 해상도를 제공할 수 있기 때문에 작은 이미지 스팟이 바람직하다.

추가 특징들

실시예는 단지 예로서 전기적으로 활성화된 LCOS 공간 광 변조기를 지칭한다. 본 개시의 교시는, 예컨대 임의의 전기적으로 활성화된 SLM, 광학적으로 활성화된 SLM, 디지털 마이크로 미러 디바이스 또는 마이크로 전자 기계적 디바이스와 같은 본 발명에 따른 컴퓨터 생성 홀로그램을 표시할 수 있는 임의의 공간 광 변조기 상에서 동일하게 구현될 수 있다.

일부 실시예에서, 광원은 예컨대, 레이저 다이오드이다. 일부 실시예에서, 수광 표면은 디퓨져 표면 또는 디퓨져와 같은 스크린이다. 본 발명의 홀로그램 프로젝션 시스템은 개선 된 헤드 업 디스플레이(HUD) 또는 헤드 마운트 디스플레이를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, HUD를 제공하기 위해 차량에 설치된 홀로그램 투영 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 차량은 자동차, 트럭, 밴, 트럭, 오토바이, 기차, 비행기, 보트 또는 선박과 같은 자동 차량 일 수 있다.

홀로그래픽 재구성의 품질은 화소화 된 공간 광 변조기를 사용함에 따른 회절 특성에 의한 결과로서 소위 0차(zero order) 문제에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 0차 광은 "잡음"으로 간주될 수 있으며, 예를 들어 SLM으로부터의 경면 반사광 및 다른 원하지 않는 광을 포함한다.

푸리에 홀로그램의 예에서, 이러한 "잡음"는 푸리에 렌즈의 초점 위치에 초점을 맞추어 홀로그래픽 재구성의 중심에 밝은 지점을 만든다. 0차 광은 단순히 차단될 수 있지만, 밝은 스팟을 어두운 스팟으로 교체하는 것을 의미할 것이다. 일부 실시예는 0차 광의 평행화된(collimated) 광선 만을 제거하는 각도 선택 필터를 포함한다. 또한, 실시예는 유럽특허 제2,030,072 호에 개시된 0차(zero-order)를 관리하는 방법을 포함하며, 상기 특허는 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다.

일부 실시예에서, 홀로그램의 크기(각 방향의 픽셀 수)는 공간 광 변조기의 크기와 동일하며 이에 홀로그램은 공간 광 변조기를 채운다. 즉, 홀로그램은 공간 광 변조기의 모든 픽셀을 사용한다. 다른 실시예에서, 홀로그램의 크기는 공간 광 변조기의 크기보다 작다. 이러한 다른 실시예 중 일부에서, 홀로그램의 일부(즉, 홀로그램의 픽셀의 연속적인 서브 세트)가 미사용 픽셀에서 반복된다. 이 기술은 공간 광 변조기의 표면 영역이, 적어도 홀로그램의 서브 세트를 나타내는 다수의 "타일"로 분할되는 "타일링"으로 지칭 될 수 있다. 따라서 각 타일은 공간 광 변조기보다 크기가 작다.

일부 실시예에서, "타일링"기술은 이미지 품질을 증가시키기 위해 구현된다. 특히, 일부 실시예는 홀로그래픽 재구성으로 보내지는 신호 내용의 양을 최대화하면서 이미지 화소의 크기를 최소화하기 위해 타일링 기술을 구현한다.

일부 실시예에서, 공간 광 변조기에 기록된 홀로그래픽 패턴은 적어도 하나의 전체 타일(즉, 완전한 홀로그램) 및 타일의 적어도 하나의 부분(즉, 홀로그램의 화소의 인접한 서브 세트)을 포함한다.

홀로그래픽 재구성은 공간 광 변조기에 의해 정의된 전체 윈도우의 0차 회절 차수 내에서 생성된다. 제1 및 후속 차수는 이미지와 겹치지 않도록 충분히 이격되어 공간 필터를 사용하여 차단될 수 있는 것이 바람직하다.

실시예들에서, 홀로그래픽 재구성은 컬러이다. 본 명세서에 개시된 예에서, 3개의 상이한 컬러 광원 및 3개의 대응하는 SLM이 복합 컬러를 제공하기 위해 사용된다. 이들 예는 공간적으로 분리된 컬러, "SSC(spatially-separated colour)"로 지칭될 수 있다. 본 개시 내용을 포함하는 변형 예에서, 각각의 컬러에 대한 상이한 홀로그램은 동일한 SLM의 상이한 영역에 디스플레이 된 다음 합성 컬러 이미지를 형성하기 위해 결합된다. 그러나, 통상의 기술자라면 본 개시의 장치 및 방법 중 적어도 일부가 복합 컬러 홀로그램 이미지를 제공하는 다른 방법에 동일하게 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

이러한 방법 중 하나로 프레임 순차 색상(FSC: Frame Sequential colour) 방법이 알려져 있다. 예시적인 FSC시스템에서, 3개의 레이저(적색, 녹색 및 청색)가 사용되며, 각각의 레이저는 단일 SLM에서 연속적으로 발사되어 비디오의 각 프레임을 생성한다. 관찰자가 3개의 레이저에 의해 형성된 이미지의 조합으로부터 다색 이미지를 볼 정도로 충분히 빠른 속도로 컬러가(적색, 녹색, 청색, 적색, 녹색, 청색 등) 순환된다. 따라서 각 홀로그램은 색상별로 구분된다. 예를 들어 초당 25프레임의 비디오에서 첫 번째 프레임은 초당 75분의 1 초 동안 빨간색 레이저를 발사한 다음, 초당 1/75초 동안 녹색 레이저를 발사하고, 최종적으로 청색 레이저는 1/75초 동안 발사될 것이다. 그런 다음 빨간색 레이저로 시작하여 다음 프레임이 생성되는 방식이다.

FSC 방식의 장점은 각 컬러에 대해 전체 SLM이 사용된다는 것이다. 이는 SLM의 모든 화소가 각각의 컬러 이미지로 사용되기 때문에 생성된 세가지 색 이미지의 화질이 손상되지 않을 것을 의미한다. 반면, FSC방법의 단점은, 각 레이저가 단지 1/3시간을 사용하기 때문에 생성된 전반적인 이미지가 SSC방법에 의해 생성된 이미지보다 1/3배 정도로 어둡다는 것이다. 이러한 단점은 레이저를 오버드라이브(overdriving)하거나 보다 강한 레이저를 사용함으로써 잠재적으로 해결될 수 있으나, 이는 더 많은 전력을 요구하고, 고비용을 수반하며, 시스템이 덜 콤팩트 하게 된다.

SSC 방법의 장점은 3 개의 레이저가 동시에 발사되어 이미지가 밝아진다는 것이다. 그러나 공간 제한으로 인해 하나의 SLM 만 사용해야하는 경우 SLM의 표면적을 세 부분으로 나눌 수 있으며 실질적으로 세 개의 개별 SLM처럼 작동한다. 이것의 단점은 각각의 단색 이미지에 대해 이용 가능한 SLM 표면적의 감소로 인해 각각의 단색 이미지의 품질이 저하된다는 것이다. 따라서 다색 이미지의 품질이 저하된다. 사용 가능한 SLM 표면적의 감소는 SLM의 더 적은 화소가 사용될 수 있음을 의미하므로 결과적으로 이미지의 품질이 저하된다. 해상도가 낮아짐에 따른 이미지 품질 저하를 의미한다. 실시예는 영국특허 제2,496,108호에 개시된 개선된 SSC 방법을 이용하며, 상기 특허는 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다.

예시들은 가시 광선으로 SLM을 조명하는 것을 설명하지만, 당업자는 광원 및 SLM이 적외선 또는 자외선을, 예를 들어 본 명세서에 개시된 바와 같이, 지향하는 것에도 동등하게 사용될 수 있다고 이해할 것이다. 예를 들어, 당업자는 사용자에게 정보를 제공 할 목적으로 적외선 및 자외선을 가시광으로 변환하는 기술을 알고 있을 것이다. 예를 들어, 본 개시는 이러한 목적을 위해 인광체 및/또는 양자점 기술을 사용하는 것으로 확장된다.

일부 실시예는 2D 홀로그래픽 재구성을 단지 예로서 기술한다. 다른 실시예에서, 홀로그래픽 재구성은 3D 홀로그래픽 재구성이다. 즉, 일부 실시예에서, 각각의 컴퓨터 생성 홀로그램은 3D 홀로그래픽 재구성을 형성한다.

여기에 설명된 방법 및 프로세스는 컴퓨터 판독가능 매체 상에 구현될 수 있다. 용어 "컴퓨터 판독가능 매체"는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 버퍼 메모리, 플래시 메모리 및 캐시 메모리와 같이 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하도록 구성된 매체를 포함한다. 또한, "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 기계가 여기에 기재된 방법론 중 하나 이상을 전체적으로 또는 부분적으로 수행하게 하는 명령들을 기계의 수행 지령으로서 저장할 수 있는 어떤 매체 혹은 다중의 매체의 조합을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

"컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 또한 클라우드 기반 스토리지 시스템을 포함한다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 솔리드-스테이트 메모리 칩, 광학 디스크, 자기(magnetic) 메모리의 예시적인 형태의 하나 이상의 유형 및 비 일시적 데이터 저장소(예를 들어, 데이터 볼륨)를 포함하지만, 디스크 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 실행을 위한 명령어는 캐리어 매체에 의해 전달될 수 있다. 이러한 캐리어 매체의 예는 일시적인 매체(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.

첨부된 청구 범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.

Claims

이미지 평면까지의 전파 거리를 형성하는 컴퓨터 생성 회절 패턴을 출력하도록 배열된 처리 엔진;
상기 컴퓨터 생성 회절 패턴을 표시하도록 배열된 공간 광 변조기;
0보다 큰 입사각으로 상기 공간 광 변조기를 조명하도록 배열된 광원; 및
상기 공간 광 변조기로부터 공간 변조 된 광을 수신하도록 배열된 수광 표면을 포함하되,
상기 수광 표면은 상기 공간 광 변조기와 실질적으로 평행하며 상기 컴퓨터 생성 회절 패턴에 의해 형성된 전파 거리만큼 공간 광 변조기와 분리되고,
상기 컴퓨터 생성 회절 패턴은: 상기 전파 거리와 동일한 초점 길이를 갖는 렌즈에 대응하는 푸리에 홀로그램 및 렌즈 함수의 합; 및 프레넬 홀로그램을 포함하는 그룹 중 하나인 홀로그램 프로젝터.
제1 항에 있어서, 입사각은 60도 미만, 예컨대 45도 미만 또는 30도 미만인 홀로그램 프로젝터.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 공간 광 변조기는 위상 변조기이고 상기 컴퓨터 생성 회절 패턴은 위상 지연 값의 분포인 홀로그램 프로젝터.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 엔진은 상기 컴퓨터 생성 회절 패턴을 계산하도록 배열되는 홀로그램 프로젝터.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수광 표면은 디퓨져와 같은 스크린인 홀로그램 프로젝터.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 따른 홀로그램 프로젝터를 포함하는 헤드 업 디스플레이.
홀로그램 프로젝션 방법에 있어서,
이미지 평면에 대한 전파 거리를 형성하는 컴퓨터 생성 회절 패턴을 제공하는 단계로서, 컴퓨터 생성 회절 패턴은 (i) 전파 거리와 동일한 초점 거리를 갖는 렌즈에 대응하는 푸리에 홀로그램 및 렌즈 기능의 결합 또는 (ii) 프레넬 홀로그램인, 단계;
공간 광 변조기 상에 컴퓨터 생성 회절 패턴을 표시하는 단계;
0보다 큰 입사각으로 상기 공간 광 변조기를 조명하는 단계; 및
수광 표면 상에 상기 공간 광 변조기로부터 공간 변조 된 광을 수신하는 단계로서, 상기 수광 표면은 상기 공간 광 변조기와 실질적으로 평행하고 상기 컴퓨터 생성 회절 패턴에 의해 형성된 전파 거리만큼 상기 공간 광 변조기와 분리되는, 단계를 포함하는 방법.
제7 항에 있어서, 푸리에 변환을 사용하여 상기 컴퓨터 생성 회절 패턴을 계산하는 단계를 더 포함하는 홀로그램 프로젝션 방법.
이미지 평면까지의 전파 거리를 형성하는 컴퓨터 생성 회절 패턴을 출력하도록 배열된 처리 엔진;
상기 컴퓨터 생성 회절 패턴을 표시하도록 배열된 공간 광 변조기;
0보다 큰 입사각으로 상기 공간 광 변조기를 조명하도록 배열된 광원; 및
상기 공간 광 변조기로부터 공간 변조 된 광을 수신하도록 배열된 수광 표면을 포함하되,
수광 표면은 공간 광 변조기와 실질적으로 평행하고 컴퓨터 생성 회절 패턴에 의해 형성된 전파 거리만큼 공간 광 변조기와 분리되는 홀로그램 프로젝터.