KR20210026203A - Method and apparatus for color image generation using computer generated holograms - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이진 위상 홀로그램을 이용하여 칼라 영상을 재생 가능하게 하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 적색, 녹색, 청색 세 개의 레이저와 여기에 대응하는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 3개의 홀로그램을 공간적으로 분리시키고 또한 홀로그램의 주기를 파장에 비례하게 하여 각 홀로그램은 특정한 파장의 레이저 빛만 통과시키도록 한 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for reproducing a color image using a binary phase hologram, in particular, three lasers of red, green, and blue, and red (R), green (G), and blue ( B) It relates to a method and apparatus for generating a color image using a computer hologram in which three holograms are spatially separated and the period of the hologram is proportional to the wavelength so that each hologram passes only laser light of a specific wavelength.
이진 위상 홀로그램은 컴퓨터 홀로그램(Computer Generated Hologram: CGH)으로 재생시키고자 하는 영상의 퓨리에(Fourier)변환을 계산하여 이 패턴을 광학적으로 제작하는 것이다. 제작된 홀로그램에 레이저 빛을 비추고 렌즈를 통과 시켜 퓨리에 역변환을 시키면 렌즈의 초평면(focal plane)에 원하는 영상이 재생된다. 이진위상 홀로그램은 설계와 제작이 용이하여 최근에 자유공간광연결이나 광정보처리 분야에서 많이 연구가 되어 왔다. 그러나 지금까지는 이진 위상 홀로그램의 재생에 단색광 레이저를 이용해서 재생하여야 하기 때문에 칼라 영상의 구현이 불가능하다.The binary phase hologram is to optically produce this pattern by calculating the Fourier transform of the image to be reproduced with a computer generated hologram (CGH). When laser light is irradiated on the produced hologram and the Fourier transform is performed by passing it through the lens, the desired image is reproduced on the focal plane of the lens. Since binary phase holograms are easy to design and manufacture, many studies have recently been conducted in the field of free space optical connection and optical information processing. However, until now, it is impossible to implement a color image because it has to be reproduced using a monochromatic laser to reproduce a binary phase hologram.
본 발명은 칼라영상이 가능한 CGH를 개발함에 있어서 적색, 녹색, 청색 세 개의 레이저를사용하고, 여기에 대응하는 3개의 이진 위상 홀로그램을 적절하게 설계 제작하여 칼라 영상의 구현이 가능하도록 함으로써, 상기한 단점을 해결할 수 있는 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의생성 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다The present invention uses red, green, and blue three lasers in developing a color image capable CGH, and appropriately design and manufactures three binary phase holograms corresponding thereto, thereby enabling color images to be implemented. The purpose of this is to provide a method and apparatus for generating color images using computer holograms that can solve the shortcomings.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법은목표 패턴인 칼라 영상으로부터 파장이 각각 λ(R), λ(G), λ(B)인 적색, 녹색 및 청색 영상의세 개의 칼라 영상 레이저로 분리하는 단계와, 상기 분리된 세 개의 칼라 영상 레이저 빛에 대하여 항상 일정한 크기의 영상이 나오도록 주기가 각각 P(R), P(G), P(B)인 R, G, B 세 개의 홀로그램을 형성하는 단계와, 상기 홀로그램의 설계시 세 홀로그램을 한 평면에 적당한 간격으로 인접하게 위상 홀로그램을 형성하는 단계와, 상기 위상 홀로그램을 R, G, B 세 레이저를 이용해 칼라 영상을 재생하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. The method of generating a color image using a computer hologram according to the present invention for achieving the above object is the red, green, and blue wavelengths of λ(R), λ(G), and λ(B), respectively, from the color image as a target pattern. The step of separating the image into three color image lasers, and the periods of each of P(R), P(G), and P(B) so that an image of a constant size is always displayed for the separated three color image laser light. The steps of forming three holograms R, G, B, forming a phase hologram adjacent to the three holograms at appropriate intervals on one plane when designing the hologram, and forming the phase hologram with three lasers R, G, B It characterized in that it comprises the step of reproducing the color image using.
본 발명은 이진위상 홀로그램을 이용하여 칼라 영상이 재생되므로 영상의 디스플레이에 시각적 효과뿐만 아니라 광정보처리 분야에 그 응용성 및 유용성을 증가 시켜주는 탁월한 효과가 있다.In the present invention, since a color image is reproduced using a binary phase hologram, there is an excellent effect of increasing the applicability and usefulness in the optical information processing field as well as a visual effect on the display of the image.
본 발명을 상세히 설명하기로 한다.The present invention will be described in detail.
레이저의 파장이 λ이고, 렌즈의 초점이 f, 홀로그램의 한 주기가 P일 때, 출력 면에서 영상을 구성하는 스폿(spot)들 사이의 간격 S는 다음 [수학식 1]과 같다.When the wavelength of the laser is λ, the focal point of the lens is f, and the period of the hologram is P, the spacing S between spots constituting an image on the output surface is as follows [Equation 1].
보는 바와 같이 렌즈의 초점 f 는 고정된 값이라고 가정하면, 파장λ에 따라 출력면에서 얻어지는 스폿의 간격 S도 달라지게 된다. 따라서, 홀로그램 영상이 파장이 다른 색에 따라 서로 다른 크기의 영상을 맺기 때문에 선명한 영상을 얻을 수 없다.As can be seen, assuming that the focal point f of the lens is a fixed value, the spacing S of spots obtained from the output surface varies according to the wavelength λ. Therefore, since the holographic image produces images of different sizes according to colors with different wavelengths, a clear image cannot be obtained.
따라서, 위와 같은 문제를 해결하기 위해서는 R, G, B세 개의 홀로그램의 주기를 서로 다르게 하여 각 홀로그램의 특정한 파장의 레이저 빛만 통과하도록 하면 된다. 이러한 작용이 가능한 구체적인 원리를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Therefore, in order to solve the above problem, the periods of the three holograms R, G, and B are different so that only laser light of a specific wavelength of each hologram passes through. A detailed principle capable of such an operation will be described with reference to FIG. 1 as follows.
도 1은 본 발명에 따른 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법을 설명하기 위해 도시한흐름도이다.1 is a flow chart illustrating a method of generating a color image using a computer hologram according to the present invention.
목표 패턴인 칼라 영상(1)으로부터 파장이 각각 λ(R), λ(G), λ(B)인 적색 영상, 녹색 영상, 청색 영상을 분리(2)한다. 상기 분리된 세 개의 칼라 영상(적색 영상, 녹색 영상, 청색 영상)의 레이저 빛에 대하여 항상 일정한 크기의 영상이 나오도록 주기가 각각 P(R), P(G), P(B)인 R, G, B 세 개의 홀로그램을 설계(3) 한다. 홀로그램의 제작 시 세 홀로그램을 한 평면에 적당한 간격으로인접하게 제작(4)한다. 이후, R, G, B 세 레이저를 이용해 칼라 영상을 재생(5)시킨다.A red image, a green image, and a blue image whose wavelengths are λ(R), λ(G), and λ(B) are separated (2) from the target pattern color image 1. R with a period of P(R), P(G), P(B), respectively, so that an image of a certain size is always displayed for the laser light of the separated three color images (red image, green image, and blue image), Design (3) three holograms G and B. When making a hologram, three holograms are made adjacent to one plane at appropriate intervals (4). After that, the color image is reproduced (5) using three lasers R, G, and B.
이때, 홀로그램은 공간적으로 분리되어 있기 때문에 도 2의 칼라 영상 구현 장치에 도시된 바와같이 각기 파장에 해당되는 적색 레이저(11), 녹색 레이저(12) 및 청색 레이저(13)가 홀로그램 평면(14)의 해당 홀로그램인 적색 영상을 위한 홀로그램(15), 녹색 영상을 위한 홀로그램(16) 및 청색 영상을 위한 홀로그램(17)을 각각 통과하게 할 수 있다. 즉, 파장 (R)의 레이저는 주기가 P(R)인 홀로그램을 통과하게 하고, 파장 (G)의 레이저는 주기가 P(G)인 홀로그램을 통과하게 하며, 파장 (B)의 레이저는 주기가 P(B)인 홀로그램을 통과하게 한다. 이후 렌즈(18)를 통해 출력 면(19)에 칼라 영상을 재생한다.At this time, since the holograms are spatially separated, the red laser 11, the green laser 12, and the blue laser 13 corresponding to the respective wavelengths, as shown in the color image realization apparatus of FIG. 2, are separated from the hologram plane 14. A hologram 15 for a red image, a hologram 16 for a green image, and a hologram 17 for a blue image, which are the corresponding holograms of may pass through, respectively. In other words, a laser of wavelength (R) makes it pass through a hologram with a period of P(R), a laser with a wavelength (G) makes it pass through a hologram with a period of P(G), and a laser of wavelength (B) makes it Pass through the hologram with P(B). Thereafter, a color image is reproduced on the output surface 19 through the lens 18.
홀로그램을 설계할 때는 원하는 영상의 적색 부분에 해당하는 영상은 적색용 홀로그램에서만 재생되도록 설계하고, 녹색 부분에 해당하는 영상은 녹색용 홀로그램에서만 재생되도록 설계하며, 청색 부분에 해당하는 영상은 청색용 홀로그램에서만 재생되도록 설계한다. 이 때 각각의 홀로그램의 주기 P(R), P(G), P(B)는 [수학식 2]와 같이 파장에 관계없이 출력 면에서의 영상의 크기는 항상 일정하게 하려면 파장에 비례하게 하여야 한다.When designing a hologram, the image corresponding to the red part of the desired image is designed to be played only in the red hologram, and the image corresponding to the green part is designed to be played only in the green hologram, and the image corresponding to the blue part is designed to be played in the blue hologram. It is designed to be played only on. At this time, the period P(R), P(G), P(B) of each hologram should be proportional to the wavelength in order to keep the size of the image on the output surface always constant regardless of the wavelength as shown in [Equation 2]. do.
또한, 세 개의 홀로그램이 한 평면상에서 적당한 간격으로 떨어져 위치하지만 뒤에 놓인 렌즈 때문에 출력 영상은 각 홀로그램으로부터 나온 영상은 출력 면에서 한곳으로 합해져 칼라 영상이 구현된다. 위와 같은 현상은 볼록 렌즈가 [수학식 3]과 같은 이동 불변(Shift-invariant)의 성질을가지고 있는 퓨리에 변환을 광학적으로 수행하기 때문이다.In addition, the three holograms are located at appropriate intervals on one plane, but due to the lens placed behind the output image, the image from each hologram is combined into one place on the output surface to create a color image. The above phenomenon is because the convex lens optically performs the Fourier transform, which has a shift-invariant property as shown in [Equation 3].
여기서, F{ }는 퓨리에 변환을 나타낸다. 이 때 렌즈는 단일렌즈 대신에 구면수차와 색수차 등이제거된 이중렌즈나 다중렌즈를 사용한다.Here, F{} represents a Fourier transform. In this case, instead of a single lens, a double lens or multiple lenses from which spherical aberration and chromatic aberration have been removed are used.
이차원 위상 홀로그램의 위상 투과 함수를 g(x, y)라 하고, 이것의 퓨리에 변환을 G(m, n)이라 하면, 스칼라 회절 이론에 의하여 홀로그램의 파장이 λ인 레이저 빔과 초점거리가 f 인 퓨리에 변환렌즈에 의한 초평면에서 회절 된 영상은 [수학식 4]와 같이 나타낸다.Assuming that the phase transmission function of a two-dimensional phase hologram is g(x, y) and its Fourier transform is G(m, n), a laser beam with a hologram wavelength of λ and a focal length of f according to scalar diffraction theory. The image diffracted in the hyperplane by the Fourier transform lens is expressed as [Equation 4].
만약 3개의 이진 위상 홀로그램이 한 평면에 적당한 간격으로 인접해 있고 각 홀로그램에 특정한파장의 레이저만을 통과시킨다면 홀로그램의 위상 투과 함수는 [수학식 5]와 같다.If three binary phase holograms are adjacent to one plane at appropriate intervals and only a laser of a specific wavelength is passed through each hologram, the phase transmission function of the hologram is as shown in [Equation 5].
여기서, (k)는 k=1, 2, 3의 경우, 각각 (R), (G), (B)를 나타내고 (xk, yk)는 각 홀로그램이 위치한 좌표를 나타낸다.Here, in the case of k=1, 2, and 3, (k) represents (R), (G), and (B), respectively, and (xk, yk) represents the coordinates where each hologram is located.
상기와 같이 세 개의 홀로그램을 이용하는 방법은 한 홀로그램만을 사용했을 때 얻어지는 영상이As described above, the method of using three holograms is that the image obtained when only one hologram is used is
파장에 따라서 크기가 달라지는 문제점을 해결할 수 있으며, 또한 렌즈를 통해서 출력이 한곳에서It is possible to solve the problem that the size varies depending on the wavelength, and the output is transmitted in one place through the lens.
재생되기 때문에 색의 합성이 가능해 R, G, B 이외의 색을 갖는 영상도 쉽게 얻을 수가 있다.Because it is reproduced, colors can be synthesized, and images with colors other than R, G, and B can be easily obtained.
홀로그램을 설계 할 때는 한 주기 내의 모든 정보가 N× N개의 셀(cell)에 위상 값으로 저장된다. When designing a hologram, all information within a period is stored as a phase value in N×N cells.
또한 이 셀의 크기가 모두 일정하기 때문에 홀로그램의 주기 P는 셀의 수인 N에 비례하게 된다. In addition, since the sizes of these cells are all constant, the period P of the hologram is proportional to the number of cells, N.
또한 R, G , B 세 개의 홀로그램을 설계할 때 셀의 수는 [수학식 2]에서 보는 바와 같이 파장에비례하게 정해야 한다. 따라서, 홀로그램 셀의 수(주기에 비례)는 [수학식 6]과 같은 비율로 구해진다.In addition, when designing three holograms of R, G and B, the number of cells should be determined in proportion to the wavelength as shown in [Equation 2]. Therefore, the number of hologram cells (proportion to the period) is obtained at the same ratio as in [Equation 6].
예를 들어 현재 상용화된 레이저의 파장으로 가능한 것은 λ(R)= 632.8nm, λ(G)= 543.5nm, λ(B)= 488nm 이 있다.[수학식 6]의 비율로 구해지는 셀 수의 정수 값은 비록 없다 할지라도 정수 값에 가장 근접한 값은 [수학식 7]과 같다.For example, λ(R) = 632.8nm, λ(G) = 543.5nm, and λ(B) = 488nm are possible with the wavelength of a commercially available laser. The number of cells obtained by the ratio of [Equation 6] Even if there is no integer value, the value closest to the integer value is as shown in [Equation 7].
예를 들어 각 파장별로 셀의 수가 100에서 300사이의 수로 [수학식 7]을 최소화시키는N(R):N(G):N(B)의 정수 비는 262:225:202가 된다.이진 위상 홀로그램의 제작은 광리소그라피나 레이저로 직접기록(laser direct writing)등의 기술이 공지되어있다.For example, the integer ratio of N(R):N(G):N(B) that minimizes [Equation 7] to a number between 100 and 300 for each wavelength is 262:225:202. Binary For the production of phase holograms, techniques such as optical lithography or laser direct writing are known.
생하고자 하는 영상은 R, G, B 칼라로 구성된 'ETRI' 로고를 택하였다.For the video to be created, the'ETRI' logo composed of R, G, and B colors was chosen.
도 3의 (a), (b), (c)에 도시된 바와 같이 로고는 빨강 색의 T자(a), 파란색의 E,R,I자(b), 그리고 초록색의 부분 원형 모양(c)으로 구성되어있다.As shown in (a), (b), and (c) of Fig. 3, the logo has a red T-shape (a), a blue E, R, I-shape (b), and a green partial circular shape (c). ).
도 4의 (a), (b), (c)는 각각 도 3의 (a), (b), (c)의 영상이 나오도록 R, G, B 의 세 파장에 대하여 일정한 크기의 영상이 나오도록 설계된 위상 홀로그램의 한 주기 패턴을 나타낸다.Figure 4 (a), (b), (c) shows images of a certain size for the three wavelengths of R, G, and B so that the images of Figure 3 (a), (b), and (c) appear, respectively. It represents a periodic pattern of a phase hologram designed to come out.
여기서 홀로그램 패턴의 흰 부분과 검정부분은 π의 위상 차가 난다. 도 4의 (a)는 한 주기가262x262 개의 셀로 설계된 적색 파장의 홀로그램을 나타내며, 도 4의 (b)는 한 주기가 225x225 개의 셀로 설계된 녹색 파장의 홀로그램, 그리고 도 4의 (c)는 한 주기가 202x202 개의 셀로 설계된청색 파장의 홀로그램을 각각 나타낸다.Here, the white part and the black part of the hologram pattern have a phase difference of π. FIG. 4(a) shows a hologram of red wavelength designed with 262x262 cells in one period, FIG. 4(b) is a hologram with green wavelength designed with 225x225 cells in one period, and FIG. 4(c) shows one period Each represents a hologram of blue wavelength designed with 202x202 cells.
도 5는 도 4의 R, G, B 세 개의 홀로그램을 사용할 경우 [수학식 4]와 [수학식 5]를 이용해 얻어진 시뮬레이션 결과이다.영상이 원점을 중심으로 대칭인 이유는 홀로그램의 위상이 이진(0또는 π)이기 때문이다. 위상이4단계 이상인 다중 위상 홀로그램을 사용하면 대칭 영상을 없앨 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예로 색이 R, G, B 3개만으로 구성된 영상을 사용했는데 출력 면에서 각각의 색이 적절하게 합쳐지도록 영상을 선택하면 임의의 색을 가진 영상도 재생시킬 수 있다.5 is a simulation result obtained by using [Equation 4] and [Equation 5] when three holograms R, G, and B of FIG. 4 are used. The reason why the image is symmetric about the origin is that the phase of the hologram is binary. Because it is (0 or π). Symmetrical images can be eliminated by using a multi-phase hologram with a phase of 4 or more. In addition, in an exemplary embodiment of the present invention, an image composed of only three colors R, G, and B is used. If an image is selected so that each color is appropriately combined on the output surface, an image having an arbitrary color can be reproduced.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본발명의 기술적 사상이 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 도면에 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is limited to the above-described embodiments and drawings because various substitutional modifications and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention for those of ordinary skill in the art. It is not.
Claims (4)
상기 위상 홀로그램을 R, G, B 세 레이저를 이용해 칼라 영상을 재생하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 컴퓨터 홀로그램을 이용한 칼라 영상의 생성 방법.
Separating the target pattern color image into three color image lasers of red, green, and blue images with wavelengths of λ(R), λ(G), and λ(B), respectively, and the separated three color image lasers Forming three holograms with periods P(R), P(G), and P(B) so that an image of a certain size is always displayed with respect to light, and when designing the hologram, three holograms are formed. Forming a phase hologram adjacent to one plane at appropriate intervals,
A method of generating a color image using a computer hologram, comprising the step of reproducing a color image using three lasers R, G, and B on the phase hologram.
The method of claim 1, wherein the three holograms of red, green and blue are positioned adjacent to the three holograms at appropriate intervals on one plane when the hologram is formed, and pass only a specific wavelength corresponding to each of the holograms. Method of generating color images using computer hologram
The method of claim 1, wherein the red, green, and blue holograms have a size of one period in proportion to wavelengths of red, green, and blue lasers, respectively.
A color image laser of red, green, and blue images, a hologram plane on which a hologram for the red, green, and blue images is formed, and for reproducing the red, green, and blue images passing through the hologram plane in one place. A color image generation apparatus using a computer hologram, comprising: a lens and an output surface for reproducing a color image formed by the lens.
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