KR20220014515A - Image display unit using hologram array and spatial lighit modulator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 홀로그램 어레이와 공간 광 변조기를 이용한 영상 디스플레이 장치 및 그 방법에 관한 것으 로, 특히 컴퓨터로 설계된 홀로그램 어레이를 이용하여 문자 또는 다양하게 변화하는 영상을 실 시간적 으로 디스플레이 할 수 있는 디스플레이 장치 및 디스플레이 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image display apparatus and a method using a hologram array and a spatial light modulator, and more particularly, to a display apparatus and display capable of displaying characters or variously changing images in real time using a computer-designed hologram array it's about how
본 발명에서는 영상을 디스플레이 하기 위한 입출력 장치가 모두 빛을 이용하고 병렬로 처리된다는 점에 서 기존의 전자 디스플레이 장치와 크게 다르다. 따라서 디스플레이의 속도면에서 매우 빠르고 대용량의 영상이 병렬로 디스플레이 된다는 점과 특히 영상이 홀로그램으로 저장되기 때문에 3차원 입체 영상의 재생이 가능하다는 근본적이고도 중요한 의의를 가지고 있다. 따라서 본 발명은 빛을 이용해 영상을 디 스플레이 하는 새로운 방식으로 광정보처리나 광통신 분야에 매우 유용하게 사용될 수 있다.In the present invention, the input/output device for displaying an image is significantly different from the conventional electronic display device in that all of the input/output devices use light and are processed in parallel. Therefore, it has a fundamental and important significance in that it is very fast in terms of display speed and large-capacity images are displayed in parallel, and in particular, because the images are stored as holograms, 3D stereoscopic images can be reproduced. Therefore, the present invention can be very usefully used in optical information processing or optical communication fields as a new method of displaying images using light.
빛을 이용한 정보처리에 있어서 핵심이 되는 기술은 원하는 정보를 저장하고 보내고 조절하는 것이다. 홀로그램이나 회절격자와 같이 주기적인 구조를 갖는 매질에서의 광파의 회절에 대한 연구는 학술적 가 치와 응용성 때문에 많이 연구되고 있다. 최근 홀로그램은 컴퓨터의 도움으로 원하는 영상이 나오도록 설계할 수 있으며 반도체 공정이나 공간 광 변조기 등을 이용해 구현 할 수 있다.A key technology in information processing using light is to store, send, and control desired information. The study of the diffraction of light waves in a medium having a periodic structure such as a hologram or a grating is being studied a lot because of its academic value and applicability. Recently, holograms can be designed to display a desired image with the help of a computer, and can be implemented using a semiconductor process or a spatial light modulator.
따라서, 본 발명에서는 이와 같은 컴퓨터 홀로그램을 어레이로 만들어 적절하게 배열하고 이들을 이용해 다양한 영상을 디스플레이 할 수 있는 영상 디스플레이 장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide an image display apparatus and method capable of appropriately arranging such computer holograms in an array and using them to display various images.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영상 디스플레이 장치는 레이저 빛을 평행광으로 출력 하 기 위한 빔 확대기와, 상기 빔 확대기로부터 출력되는 평행광의 특정한 부분만을 통과시키기 위한 공간 광 변조기와, 개인용 컴퓨터로부터 제공되는 명령에 따라 상기 공간 광 변조기를 제어하기 위한 공간 광 변조기 구동용 컨트롤러와, 다양한 영상을 저장하고 있으며 상기 공간 광 변조기를 통해 통과되는 평행 광에 해당하는 특정한 부분만을 회절시키기 위한 홀로그램 어레이와, 상기 홀로그램 어레이에 의해 회절 된 광을 초 평면인 출력면에 영상으로 재생시키기 위한 렌즈와, 상기 렌즈의 초 평면인 출력면에 형성된 영상을 검출하여 상기 개인 컴퓨터에 연결된 모니터로 출력하기 위한 광 검출기를 포함하여 이루어진 것 을 특징으로 한다. An image display apparatus according to the present invention for achieving the above object includes a beam expander for outputting laser light as parallel light, a spatial light modulator for passing only a specific portion of the parallel light output from the beam expander, and a personal computer a controller for driving a spatial light modulator for controlling the spatial light modulator according to a command provided from , a lens for reproducing the light diffracted by the hologram array as an image on a super-planar output surface, and a photodetector for detecting the image formed on the super-planar output surface of the lens and outputting it to a monitor connected to the personal computer It is characterized in that it is made including
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영상 디스플레이 방법은 N×M 홀로그램 어레이를 설 계할 때 N개의 행은 문자를 디스플레이 시킬 N개의 위치 중에 같은 위치에 해당하는 문자에 대한 홀로 그램들로 배열하고, 상기 N개의 행에 대응하는 모든 M개의 열에는 같은 위치에 디스플레이 되는 서로 다 른 문자에 대한 홀로그램이 위치하도록 하여 특정한 위치에 출력 영상이 재생 되도록 한 것을 특징으로 한다.In addition, in the image display method according to the present invention for achieving the above object, when designing an N×M hologram array, N rows are holograms for characters corresponding to the same position among N positions at which characters are to be displayed. It is characterized in that the output image is reproduced at a specific position by placing holograms for different characters displayed at the same position in all M columns corresponding to the N rows.
상술한 바와 같이 본 발명은 홀로그램 어레이와 공간 광 변조기를 이용하여 다양한 영상을 실시간으로 디스플레이 하며, 특히 중간에 전자적으로 영상을 처리하는 단계가 없이 바로 빛을 이용하기 때문에 장 치가 간단하고 디스플레이의 속도가 빨라 광 정보처리 분야에 응용성 및 유용성을 증가 시켜주는 탁월한 효과가 있다.As described above, the present invention displays various images in real time by using a hologram array and a spatial light modulator, and in particular, since light is used directly without electronic image processing in the middle, the device is simple and the display speed is high. It has an excellent effect of increasing the applicability and usefulness in the field of optical information processing because it is fast.
홀로그램이나 회절격자와 같이 주기 구조를 갖는 임의의 함수 g(x, y)는 다음 [수학식 1]과 같이 퓨리에 시리즈로 전개할 수 있다.여기서, G(m, n)은 퓨리에 계수를 나타내고, Lx 와 Ly 는 각각 x와 y방향으로 홀로그램의 한 주기를 나타 내며, 퓨리에 계수 G(m, n)은 [수학식 2]와 같다.G(m, n)와 g(x, y)는 퓨리에 변환 관계에 있으며, g(x, y)를 입력면에서의 빛의 투과 함수라 하면 출력면(퓨리에 평면)에서의 빛의 세기는 |G(m, n)|에 비례한다.Any function g(x, y) having a periodic structure such as a hologram or a diffraction grating can be developed as a Fourier series as in Equation 1 below. Here, G(m, n) represents a Fourier coefficient, Lx and Ly represent one period of the hologram in the x and y directions, respectively, and the Fourier coefficient G(m, n) is as in [Equation 2]. G(m, n) and g(x, y) are Fourier There is a transformation relationship, and if g(x, y) is a function of light transmission on the input plane, the intensity of light on the output plane (Fourier plane) is proportional to |G(m, n)|.
광학적으로 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절이 [수학식 2]와 유사한 현상을 나타내며, 렌즈를 이용할 경우 초평면에서 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절을 생성하기 때문에 광학적으로 퓨리에 변환을 구성할 수 있다. Optically, Fraunhofer diffraction exhibits a phenomenon similar to [Equation 2], and when a lens is used, a Fourier transform can be optically configured because Fraunhofer diffraction is generated in the hyperplane.
스칼라 회절이론에 의하면 파장이 λ인 빛이 투과함수 g(x, y)를 지나고, 초점거리가 f인 볼록 렌즈의 초 평면에서 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절 된 빛의 세기는 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같이 표현된다.According to the scalar diffraction theory, the light of wavelength λ passes through the transmission function g(x, y), and the intensity of Fraunhofer diffracted light in the hyperplane of a convex lens with focal length f is [Equation 3] and [Equation 3] and [ It is expressed as Equation 4].
만약 g(x, y)가 N×M 개의 홀로그램으로 구성된 어레이 라면 [수학식 5]와 같이 표현된다.If g(x, y) is an array composed of N×M holograms, it is expressed as in [Equation 5].
여기서, Hmn 는 N×M 홀로그램 어레이 중 n행 m열의 홀로그램의 투과함수를 나타내고, Dx 와 Dy 는 각각 Here, Hmn represents the transmission function of a hologram of n rows and m columns in an N×M hologram array, and Dx and Dy are respectively
x 와 y 방향으로의 홀로그램의 크기를 나타내고, R 과 C는 각각 x와 y방향으로 홀로그램간의 중심에서의 간격을 나타낸다. It represents the size of the hologram in the x and y directions, and R and C represent the distance at the center between the holograms in the x and y directions, respectively.
각 홀로그램은 진폭은 일정하고 한 주기가 K×L개의 사각형 위상 셀로 이루어진 컴퓨터로 설계된 위상홀 로그램으로 이루어지고, 각 위상 셀들의 위상을ψk,l 라 하면 홀로그램의 투과함수는 다음 [수학식 6]과 같이 표현된다.Each hologram is composed of a computer-designed phase hologram with constant amplitude and one period of K×L square phase cells. If the phase of each phase cell is ψk,l, then the transmission function of the hologram is ] is expressed as
출력영상은 특정한 위치에 재생되도록 홀로그램을 설계 제작한다. 만약 N×M홀로그램 어레이를 설계한다 고 하면 N개의 행(row)은 문자를 디스플레이 시킬 N개의 위치(position) 중에 같은 위치에 해당하는 문 자에 대한 홀로그램들로 배열된다. 따라서 각 행의 모든 M개의 열(column)에는 같은 위치에 디스플레이 되는 서로 다른 문자에 대한 홀로그램이 위치한다. A hologram is designed and manufactured so that the output image is reproduced at a specific location. If an N×M hologram array is designed, N rows are arranged as holograms for the character corresponding to the same position among the N positions to display the character. Accordingly, holograms for different characters displayed at the same position are located in all M columns of each row.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 출력면에서의 문자영상의 배치도로서, 도 2의 홀로그램 어레이를 참조하여 설명하면 다음과 같 다. 예를 들어, 출력면의 (a), (b), (c) 세 위치에 영문 요일의 처음 세 문자 SUN, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT를 디스플레이 하기 위해서는 도 2와 같이 첫 문자 군에 해당하는 S, M, T, W, F의 홀로그램은 제 1 행의 제1,2,3,4,5열에 배열하고, 두 번째 문자 군인 U, O, E, H, R, A의 홀로그램은 제 2 행의 제1,2,3,4,5,6열에 배열하고, 세 번째 문자 군인 N, E, D, U, I, T는 제 2 행의 제1,2,3,4,5,6열에 배열 한다. 이때 제 1 행의 T와 같이 두 개 이상 중복되는 문자는 한번만 표시한다. 또한, 서로 다른 행에 배 열된 홀로그램은 그 출력도 서로 다른 위치에 나타나도록 설계한다. 따라서, SAT문자를 디스플레이 하기 위해서는 제 1 행의 제 1 열의 홀로그램과 제 2 행의 제 6 열의 홀로그램과 제 3 행의 제 6 열의 홀로그 램에만 빛을 통과시키면 된다. 만약 같은 행에 있는 홀로그램을 동시에 두개 이상 레이저 빛을 통과시키 면 출력면에 문자가 중복되어 나타나게 된다. 이와 같이 홀로그램 어레이를 만들고 레이저 빛을 어느 부 분에 통과시키느냐에 따라서 다양한 문자가 재생되게 된다. 레이저 빛을 선택적으로 통과시키는 역할은 홀로그램 바로 앞에 놓인 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator)(13)를 이용한다. 공간 광 변조기(13)는 공간 광 변조기 구동용 컨트롤러(18)를 통해 개인 컴퓨터(19)에 연결되어 있어, 실 시간적 으로 원하는 부분만 빛을 통과시킬 수 있기 때문에 다양한 문자의 디스플레이를 할 수 있다. 1 is a layout view of a character image on the output surface, which will be described with reference to the hologram array of FIG. 2 . For example, to display the first three characters of the English day of the week SUN, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT at three positions (a), (b), and (c) on the output surface, the first character as shown in FIG. 2 The holograms of S, M, T, W, and F corresponding to the group are arranged in columns 1, 2, 3, 4 and 5 of the first row, and the second letter of the group U, O, E, H, R, A is The holograms are arranged in columns 1, 2, 3, 4, 5 and 6 of the second row, and the third character group N, E, D, U, I, T is the first, 1,2,3,4 of the second row. , arranged in columns 5 and 6. In this case, two or more overlapping characters such as T in the first row are displayed only once. Also, the holograms arranged in different rows are designed so that their outputs appear in different positions. Therefore, in order to display the SAT character, light only needs to pass through the hologram in the first column of the first row, the hologram in the sixth column in the second row, and the hologram in the sixth column in the third row. If two or more laser beams pass through the holograms in the same row at the same time, the characters are duplicated on the output side. In this way, various characters are reproduced depending on which part the hologram array is made and the laser light is passed through. The role of selectively passing the laser light uses a spatial light modulator (13) placed right in front of the hologram. The spatial light modulator 13 is connected to the personal computer 19 through the spatial light modulator driving controller 18, so that only a desired part can pass light in real time, so that various characters can be displayed.
도 3은 홀로그램 어레이와 공간 광 변조기를 이용한 영상 디스플레이의 구성도로서, 레이저 빛(11)을 입 력으로하는 빔 확대기(12), 공간 광 변조기(13), 홀로그램 어레이(14), 렌즈(15), 광 검출기(16), 모니 터, 공간 광 변조기 구동용 컨트롤러(18) 및 개인용 컴퓨터(19)로 구성된다. 3 is a block diagram of an image display using a hologram array and a spatial light modulator. The beam expander 12, the spatial light modulator 13, the hologram array 14, and the lens 15 to which the laser light 11 is input. ), a light detector 16 , a monitor, a controller 18 for driving the spatial light modulator, and a personal computer 19 .
컴퓨터로 설계된 홀로그램 어레이(14)는 다양한 영상을 저장하고 있으며 빛을 이용하여 특정한 위치에 영상을 재생시키게 된다. 공간 광 변조기(13)는 개인 컴퓨터(19)와 이를 구동 시키는 공간 광 변조기 구 동용 컨트롤러(18)와 연결되어 빔 확대기(12)를 통해 입력되는 레이저 빛(11)이 홀로그램 어레이(14)의 특정한 부분에 만 통과 하도록 하는 역할을 한다. 그리고, 렌즈(15)는 홀로그램의 퓨리에 변환된 영상을 렌즈의 출력면인 초 평면에 맺게 한다. 광 검출기(16)인 CCD 카메라는 출력면에 생성된 영상을 검출하여 모니터(17)에 나타나게 한다. The computer-designed hologram array 14 stores various images and reproduces the images at a specific location using light. The spatial light modulator 13 is connected to the personal computer 19 and the spatial light modulator driving controller 18 that drives it, so that the laser light 11 input through the beam expander 12 is a specific type of the hologram array 14 . It serves to pass through only the part. Then, the lens 15 focuses the Fourier-transformed image of the hologram on the super-plane that is the output surface of the lens. The CCD camera as the photodetector 16 detects the image generated on the output surface and displays it on the monitor 17 .
즉, 먼저 레이저 빛(11)을 빔 확대기(12)로 통과시켜 평행광(collimated beam)을 만든다. 상기 평행광은 공간 광 변조기(13)을 지날 때 특정한 부분만 통과하게 되어 바로 뒤에 놓인 홀로그램 어레이(14)의 특 정부분을 지나 회절 되게 된다. 이 회절광은 뒤에 놓인 렌즈(15)를 지나 렌즈의 초 평면인 출력면에 영 상을 재생시킨다. 이 영상은 광 검출기(16)를 통하여 개인 컴퓨터(19)에 연결된 모니터(17)를 통해 나타 내거나, 출력면에서 스크린을 이용해 직접 확인할 수 있다. That is, first, the laser light 11 is passed through the beam expander 12 to make a collimated beam. When the collimated light passes through the spatial light modulator 13, only a specific portion passes and is diffracted through a specific portion of the hologram array 14 placed immediately behind it. This diffracted light passes through the rear lens 15 and reproduces an image on the output surface, which is the super-plane of the lens. This image can be displayed through the monitor 17 connected to the personal computer 19 through the photodetector 16, or can be directly checked using a screen on the output side.
도 4는 홀로그램 어레이를 지나기 전의 공간 광 변조기를 통과한 입력 패턴을 나타낸다. 도 5는 도 3의 실험장치를 이용하여 도 4의 패턴의 빛이 각각 홀로그램 어레이를 통과하여 출력면에서 나타나는 영상의 실험 결과이다. 4 shows an input pattern passing through the spatial light modulator before passing through the hologram array. FIG. 5 is an experimental result of an image appearing on an output surface through which light of the pattern of FIG. 4 passes through a hologram array, respectively, using the experimental apparatus of FIG. 3 .
영상이 원점을 중심으로 대칭인 것은 홀로그램의 위상이 0과 π로 이루 어진 이진 위상 홀로그램이기 때 문이다. 이 대칭인 상이 나오지 않게 하려면 위상이 4단계 이상인 다중위상 홀로그램으로 설계하면 되지 만 그 경우 제작도 더 복잡해진다. 홀로그램의 제작은 레이저로 직접 위상 패턴을 그려서 만들거나 전자 빔 리소그라피로 광 마스크를 만든 다음 이것을 이용해 포토레지스터가 입혀진 기판에 밀착한 후 노광하 고 현상하는 광리소그라피 방식으로 위상 홀로그램으로 만드는 방법이 있다. The image is symmetrical about the origin because it is a binary phase hologram whose phases are 0 and π. To prevent this symmetrical image from appearing, a multiphase hologram with four or more phases can be designed, but in that case, the production becomes more complicated. There is a method of making a hologram by drawing a phase pattern directly with a laser or making a photomask using electron beam lithography and then using this to make a phase hologram by using this method to make a phase hologram by attaching it to a substrate coated with a photoresistor, exposing it and developing it.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진에게 있어 본 발명의 기 술적 사상을 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 capable of various substitutions, modifications and changes within the scope without departing from the technical spirit of the present invention for those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It is not limited.
Claims (3)
상기 빔 확대기로부터 출력되는 평행광의 특정한 부분만을 통과시키기 위한 공간 광 변조기와,
개인용 컴퓨터로부터 제공되는 명령에 따라 상기 공간 광 변조기를 제어하기 위한 공간 광 변조기 구동 용 컨트롤러와,다양한 영상을 저장하고 있으며 상기 공간 광 변조기를 통해 통과되는 평행광에 해당하는 특정한 부분만 을 회절시키기 위한 홀로그램 어레이와,
상기 홀로그램 어레이에 의해 회절된 광을 초 평면인 출력면에 영상으로 재생시키기 위한 렌즈와,
상기 렌즈의 초 평면인 출력면에 형성된 영상을 검출하여 상기 개인 컴퓨터에 연결된 모니터로 출력하기 위한 광 검출기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 홀로그램 어레이와 공간 광 변조기를 이용한 영상 디스플레이 장치.
A beam expander for outputting laser light as parallel light;
a spatial light modulator for passing only a specific portion of the collimated light output from the beam expander;
A controller for driving a spatial light modulator for controlling the spatial light modulator according to a command provided from a personal computer; and a controller for storing various images and diffracting only a specific portion corresponding to parallel light passing through the spatial light modulator a hologram array;
a lens for reproducing the light diffracted by the hologram array as an image on an output surface that is a super-plane;
and a photodetector for detecting the image formed on the super-planar output surface of the lens and outputting it to a monitor connected to the personal computer.
When designing an N×M hologram array, N rows are arranged with holograms for characters corresponding to the same position among N positions to display the characters, and all M columns corresponding to the N rows have the same position. An image display method using a hologram array and a spatial light modulator, characterized in that the output image is reproduced at a specific position by positioning holograms for different characters to be displayed.
The method of claim 2, wherein the output image is reproduced by passing light through only a portion of the hologram array corresponding to the parallel light passing through the spatial light modulator.
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