KR20220056112A - 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 디지털 홀로그램 영상 재생 방법 - Google Patents

디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 디지털 홀로그램 영상 재생 방법 Download PDF

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KR20220056112A
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채병규
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법은, 단위 픽셀 형상 또는 분포가 불규칙한 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 대응하는 개구수(Numerical Aperture;NA)가 큰 디지털 홀로그램을 생성하고 변환하는 단계, 상기 디지털 홀로그램을 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 기록하는 단계, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 가간섭성 평행광을 조사하는 단계, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 로드된 상기 디지털 홀로그램의 노이즈 영상을 제거하는 단계, 그리고 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 의해 재생되는 재생 영상을 구현하는 단계를 포함한다.

Description

디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 디지털 홀로그램 영상 재생 방법{DIGITAL HOLOGRAPHIC DISPLAY APPARATUS AND METHOD FOR DISPLAYING DIGITAL HOLOGRAPHIC IMAGE}
본 발명은 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디지털 홀로그램 영상 재생 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 개구수가 큰 디지털 홀로그램을 이용하여 시야각을 확대시킨 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디지털 홀로그램 영상 재생 방법에 관한 것이다.
홀로그래픽 디스플레이는 2차원 디지털 홀로그램 정보를 가지고 3차원 입체 영상을 공간적으로 재생하는 영상 기기이다. 하지만, 현재 기술로는 충분한 크기의 입체 영상을 광시야각(Wide viewing-angle)으로 재생하기에는 매우 어렵다. 홀로그램 입체 영상을 넓은 시야각으로 재생하기 위해서는 마이크로미터 이하의 픽셀 크기를 가진 공간 광변조기(Spatial Light Modulator; 이하, SLM)가 필요하다. 현재 홀로그램 표시 소자로 사용되고 있는 디스플레이 패널은 약 1~2도 이내의 시야각을 확보할 수 있는 정도에 그치고 있다. 향후 마이크로미터 이하의 픽셀 크기를 갖는 공간 광변조기(SLM)를 개발하더라도 현실적인 재생 영상 크기를 확보하기 위해서는 방대한 양의 홀로그램 데이터를 처리하여야 하는 한계가 있다. 그러므로 고 분해능 홀로그램 표시소자를 개발하거나, 기존 공간 광변조기를 공간적 또는 시간적으로 다중화하는 기술로는 홀로그래픽 디스플레이를 실현화하기에는 여전히 어려운 실정이다.
따라서, 홀로그래픽 디스플레이 상용화를 위해서 현재 데이터 처리 기술로도 홀로그램 영상 데이터를 효율적으로 다룰 수 있으면서, 홀로그램 재생 영상의 시야각을 증대시킬 수 있는 홀로그램 표시 장치의 개발이 연구되고 있다.
본 발명이 해결하려는 기술적 과제는 홀로그래픽 디스플레이에 있어서, 비정형 픽셀 구조를 갖는 공간 광변조기에 개구수가 큰 디지털 홀로그램을 표시하여 시야각 확보를 어렵게 하는 공간 광변조기의 픽셀 분해능 한계를 해결하기 위한 기술을 제공하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 충분한 크기의 홀로그램 3차원 입체 영상을 넓은 시야각으로 시청할 수 있게 하는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디지털 홀로그램 영상 재생 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법은, 단위 픽셀 형상 또는 분포가 불규칙한 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 대응하는 개구수(Numerical Aperture;NA)가 큰 디지털 홀로그램을 생성하고 변환하는 단계, 상기 디지털 홀로그램을 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 기록하는 단계, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 가간섭성 평행광을 조사하는 단계, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 로드된 상기 디지털 홀로그램의 노이즈 영상을 제거하는 단계, 그리고 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 의해 재생되는 재생 영상을 구현하는 단계를 포함한다.
이 실시 예에서, 상기 디지털 홀로그램을 생성하고 변환하는 단계에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 인코딩할 수 있는 개구수의 상기 디지털 홀로그램을 나이퀴스트 기준(Nyquist criterion)에 맞게 생성 및 변환한다.
이 실시 예에서, 상기 디지털 홀로그램은 레일리-좀머펠트 공식의 리만 적분(Riemann integral of Rayleigh-Sommerfeld formula), 푸리에 변환 기반 프레넬 공식(Fresnel formula) 또는 푸리에 홀로그램 생성 공식(Fourier hologram synthesis formula)을 이용하여 생성된다.
이 실시 예에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 인코딩하기 위한 상기 디지털 홀로그램은 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)의 픽셀 구조에 대응하는 비균일 퓨리에 변환(Nonuniform Fourier Transform) 알고리즘을 통하여 계산된다.
이 실시 예에서, 상기 디지털 홀로그램을 생성하고 변환하는 단계에서, 나이퀴스트-샤논 샘플링 정리(Nyquist-Shannon sampling theorem)를 만족하면서 객체 샘플링 간격을 줄이는 처리를 통해 수행되고, 상기 객체 샘플링 간격을 줄이는 것을 통해 상기 재생 영상의 크기를 증가시킨다.
이 실시 예에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)가 상기 가간섭성 평행광을 복소 진폭 변조(Complex-Amplitude Modulation) 방식, 진폭 변조(Amplitude Modulation) 방식, 그리고 위상 변조(Phase Modulation) 방식 중에서 적어도 하나를 사용하여 변조하는 단계를 더 포함한다.
이 실시 예에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)는 주기적 회절 패턴과 복제 홀로그램 무늬를 제거하여 충분한 화질을 가진 3차원 홀로그램 입체 영상을 기준치 이상의 시야각으로 제공한다.
이 실시 예에서, 상기 시야각은 30도 이상의 크기에 대응하는 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법.
본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 기준치 이상의 개구수에 대응하는 디지털 홀로그램을 생성하고 변환하는 디지털 홀로그램 생성/변환부, 가간섭성 평행광을 생성하도록 구성되는 백라이트 유닛, 상기 디지털 홀로그램을 전기적 신호로 기록하고 재생하도록 구성되는 단위 픽셀 형상 또는 분포가 불규칙한 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM), 그리고 상기 디지털 홀로그램의 노이즈 영상을 제거하고, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)로부터 재생하는 재생 영상에 대한 시야창을 제공하는 출력 광학계를 포함한다.
이 실시 예에서, 상기 백라이트 유닛은 적색 레이저, 녹색 레이저, 청색 레이저, 적색 발광 다이오드, 녹색 발광 다이오드, 그리고 청색 발광 다이오드 중 적어도 하나를 포함한다.
이 실시 예에서, 상기 디지털 홀로그램 생성/변환부는 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 대응하는 나이퀴스트-샤논 샘플링 정리(Nyquist-Shannon sampling theorem)를 만족하도록 상기 디지털 홀로그램을 생성 및 변환한다.
이 실시 예에서, 상기 디지털 홀로그램은 프레넬 회절 영역(Fresnel diffraction region), 프라운호퍼 회절 영역(Fraunhofer diffraction region), 그리고 레일리-좀머펠트 회절 영역(Rayleigh-Sommerfeld diffraction region) 중 적어도 하나에서 생성된다.
이 실시 예에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)는 복소 진폭 변조(Complex-Amplitude Modulation) 방식, 진폭 변조(Amplitude Modulation) 방식, 그리고 위상 변조(Phase Modulation) 방식 중에서 적어도 하나를 사용하여 변조하도록 구성된다.
이 실시 예에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)는 상기 디지털 홀로그램을 전기적 신호로 로딩하여 표시하는 비정형 픽셀 구조 2차원 패널을 포함한다.
이 실시 예에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)는 불규칙한 형상과 불규칙한 피치를 갖는 픽셀들을 포함하고, 단위 픽셀 형상과 픽셀 구조의 주기적 분포 때문에 나타나는 회절 무늬 발생을 방지하여 복제 영상의 재생을 차단하고, 디지털 홀로그램 샘플링에서 발생하는 홀로그램 패턴의 에일리어싱 효과를 차단한다.
이 실시 예에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)의 불규칙한 픽셀 분포, 모양, 그리고 픽셀 개구율은 주기적 회절 패턴과 복제 홀로그램 무늬들을 제거할 수 있도록 광의 회절 현상을 최적화하여 설계 및 제작된다.
이 실시 예에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)와 상기 출력 광학계 사이에 제공되는 푸리에 렌즈를 더 포함한다.
이 실시 예에서, 상기 출력 광학계는 비 회절빔(Non-diffraction beam)과 이중상(Twin image)을 제거하고, 적절한 거리에서 상기 재생 영상(Reconstructed Image)을 구현하도록 구성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치는 비정형 픽셀 구조의 공간 광변조기를 사용하여 개선된 화질 및 충분한 크기의 시야각으로 확대된 디지털 홀로그램 영상을 재생할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그램 영상 재생 방법에 따르면, 영상의 크기를 줄이지 않고도 확대된 시야각의 홀로그램 영상을 재생할 수 있다.
도 1은 주기적 픽셀 구조를 가진 공간 광변조기를 이용한 홀로그래픽 디스플레이에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 개구수가 큰 디지털 홀로그램 합성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 디지털 홀로그램 합성에서 보이는 샘플링 효과를 설명하기 위한 예시 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기의 픽셀 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치를 설명하는 블록도이다.
도 6은 도 5의 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치의 일 실시 예를 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치의 다른 실시 예를 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치를 이용한 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치를 이용하여 생성된 디지털 홀로그램의 특징을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치를 이용하여 디지털 홀로그램 영상 재생을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 그리고/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 ‘상(上)에’ 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시 예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 이를 이용한 디지털 홀로그램 영상 재생 방법에 대하여 상세히 설명한다.
홀로그래픽 디스플레이 시스템은 2차원 픽셀 구조를 갖는 공간 광변조기(SLM)에 디지털 홀로그램(Digital Hologram)을 로딩하고 가간섭성 광을 조사하여 홀로그램 입체 영상을 공간적으로 재생한다. 디지털 홀로그램의 최대 공간 주파수는 단위 픽셀 크기와 관련되어 있다. 따라서, 일반적으로 입체 영상에 대한 시야각은 공간 광변조기(SLM)의 단위 픽셀 회절각(Diffraction Angle)이 결정하는 것으로 알려져 왔다. 이 경우는 패널 소자의 픽셀 크기 'p'와 회절각 'θ'와의 관계는 아래와 같은 수학식 1로 나타낼 수 있으며, 충분한 시야각을 확보하기 위해서는 마이크로미터(㎛) 이하의 픽셀 크기를 가진 공간 광변조 패널이 필요한 것을 알 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 'λ'는 가간섭성 광의 파장이다. 현재 상용화되고 있는 공간 광변조기 픽셀 크기는 수 마이크로미터에 머무르고 있어 회절각이 수 도(°) 이내이므로 서브-마이크로미터 픽셀 크기를 가진 디스플레이 패널 개발이 요구된다.
도 1은 주기적 픽셀 구조를 가진 공간 광변조기를 이용한 홀로그래픽 디스플레이에 대한 개념도이다. 상술한 수학식 1에 따르면, 홀로그램 재생 영상의 시야(Field of View)는 1차 회절영역(120)으로 한정된다. 더구나 주기적 픽셀 구조 때문에 고차 회절항(122)이 나타난다.
도 1을 참조하면, 홀로그램 영상에 대한 시야각(Viewing angle, Ω)은 근원적으로 회절각보다는 홀로그램 개구수(Numerical Aperture; NA)에 의해서 결정됨을 알 수 있다. 즉 개구수(NA)가 큰 디지털 홀로그램은 입체 영상을 넓은 시야각으로 재생 가능하게 한다. 디지털 홀로그램 개구수는 홀로그램 크기(L=Np)와 재생 거리(z)로 'NA = L/(2z)' 표현될 수 있다. 여기서, 'N'은 광변조 패널 픽셀의 수이다. 이로부터 구한 홀로그램 재생 영상에 대한 시야각(Ω)은 아래 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure pat00002
위의 수학식 2는 편의상 1차원에 대해서 표현하였지만, 쉽게 2차원으로 확대 해석 가능할 것이다. 또한, 프레넬 회절영역(Fresnel Diffraction Regime)에 대한 수식이지만, 레일리-좀머펠트 영역(Rayleigh-Sommerfeld diffraction regime)으로 확장할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 수학식 2가 의미하는 바와 같이 재생 거리(z)가 작을수록, 즉, 디지털 홀로그램으로부터 가까울수록 큰 시야각으로 입체 영상을 재생할 수 있다. 하지만 시야각(Ω)이 회절각(θ)보다 큰 경우에는 원 영상이 고차 회절 영상과 겹쳐보이는 현상을 피할 수 없게 된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 개구수가 큰 디지털 홀로그램 합성을 설명하기 위한 개념도이다. 도 2를 참조하면, 회절각(θ)과 시야각(Ω)이 일치하는 홀로그램 합성 거리(zc)보다 작은 거리에서는 재생 영상의 시야각이 회절각보다 큰 디지털 홀로그램을 합성하게 된다.
디지털 홀로그램 생성시 합성 거리와 객체 크기의 관계는 하기 수학식 3으로 표현되는 나이퀴스트-샤논 샘플링 정리(Nyquist-Shannon sampling theorem)로 설명할 수 있다. u-축 및 v-축은 디지털 홀로그램이 제공되는 평면을 기술할 수 있고, x축 및 y축은 객체가 위치하는 평면을 기술할 수 있으며, z축은 두 평면 모두와 직교하는 방향일 수 있다.
Figure pat00003
구체적으로, 수학식 3에서 좌변은 객체 샘플링 간격(Δx)의 역수이고, 우변의 분모는 조사되는 가간섭성 평행 광의 파장(λ)과 홀로그램 합성 거리의 곱이다. 그리고 우변의 분자는 객체의 최대 크기를 나타낸다. 우변의 'x'값은 객체 샘플링 간격(Δx)과 공간 광변조기(110)의 u축 방향 픽셀 수(N)의 곱으로 결정된다.
상술한 수학식 3에 따르면, 좌변이 일정할 때(즉, 객체 샘플링 간격(Δx)이 일정할 때), 합성 거리(z)가 작아지면 객체의 최대 크기가 작아질 수 있다. 다시 도 2를 참조하면, 공간 광변조기(101)로부터 합성 거리(zc)보다 가까운 곳에서는 작은 크기의 객체(210) 만을 생성할 수 있는 한계를 갖는다. 이를 해결하기 위해, 홀로그램 합성 거리가 일정할 때 객체 샘플링 간격(Δx)을 줄이면 재생 영상의 최대 크기를 증가시킬 수 있다. 하지만, 도 2에 도시한 바와 같이 합성 거리(zc)보다 작은 영역에서는 디지털 홀로그램 패턴에 언더샘플링(Undersampling) 효과로 복제 패턴(220)이 나타난다. 결과적으로, 개구수가 크면서 재생 영상의 크기가 큰 디지털 홀로그램을 에일리어싱(Aliasing) 없이 생성하기 위해서는 디지털 샘플링 효과를 방지할 필요가 있다.
도 3은 디지털 홀로그램 합성에서 보이는 샘플링 효과를 설명하기 위한 예시 도면이다. 도 3을 참조하면, 프레넬 홀로그램을 합성할 때 사용하는 점확산 함수(Point spread function)에 대한 샘플링이 도시되어 있다. 픽셀 간격을 '2Δx'와 '4Δx'로 증가시켜 샘플링하면 각각 해당 복제 패턴들(310, 320)이 나타난다.
상기 기술한 바와 같이 개구수가 큰 디지털 홀로그램을 생성할 때 나타나는 복제 패턴을 방지하는 방법으로는 불규칙(Irregular)하게 샘플링하는 것이다. 불규칙한 샘플링은 정형화된 프레넬 존 형성을 억제한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기의 픽셀 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(410, IRregularly Pixelated Spatial Light Modulator; IRP SLM)는 앞서 설명된 도 1 및 도 2에서 기술한 주기적 픽셀 구조 때문에 나타나는 고차 회절항과 낮은 샘플링 레이트 때문에 발생하는 홀로그램 복제 패턴을 원천적으로 방지할 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(410)의 픽셀 구조(420)는 단위 픽셀 형상과 분포가 불규칙적인 특징을 갖는다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치를 설명하는 블록도이다. 도 5를 참조하면, 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)는 디지털 홀로그램 생성/변환부(510), 백라이트 유닛(520), 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530), 및 출력 광학계(540)를 포함할 수 있다.
디지털 홀로그램 생성/변환부(510)는 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)에 인코딩할 수 있는 디지털 홀로그램을 나이퀴스트 기준(Nyquist criterion)에 맞게 생성 변환하는 특징을 갖는다. 디지털 홀로그램 생성/변환부(510)는 높은 개구수(NA)의 디지털 홀로그램을 생성 및 변환하도록 구성될 수 있다. 디지털 홀로그램 생성/변환부(510)는 객체(Object)로부터 호이겐스-프레넬 원리(Huygens-Fresnel principle)에 따라 디지털 홀로그램을 생성할 수 있다. 디지털 홀로그램은 프레넬 회절 영역(Fresnel diffraction region)과 프라운호퍼 회절 영역(Fraunhofer diffraction region) 또는 레일리-좀머펠트 회절 영역(Rayleigh-Sommerfeld diffraction region)에서 생성될 수 있다.
디지털 홀로그램을 계산하기 위한 일 예로, 객체 면(Object plane)과 홀로그램 면(Hologram plane)의 픽셀 크기 및 픽셀 수를 임의로 정하여 계산하는 레일리-좀머펠트 공식(Rayleigh-Sommerfeld formula)의 리만 적분을 이용할 수 있다. 디지털 홀로그램을 계산하기 위한 다른 예로, 퓨리에 변환 기반 프레넬 공식을 이용할 수 있다. 이 경우, 비균일 퓨리에 변환(Nonuniform Fourier Transform)이 이용될 수 있다.
디지털 홀로그램 생성/변환부(510)는 수학식 3과 같이 나이퀴스트-샤논 샘플링 정리(Nyquist-Shannon sampling theorem)를 만족하도록 디지털 홀로그램을 생성 및 변환할 수 있다. 나이퀴스트-샤논 샘플링 정리는 신호의 샘플링 시에 에일리어싱(Aliasing)이 발생하지 않도록 신호의 최대 주파수의 2배 이상의 샘플링 레이트로 샘플링이 수행되어야 한다는 정리이다. 에일리어싱이란, 신호 등을 이산적으로 얻을 때 생기는 파형 일그러짐 현상을 의미한다.
상술한 실시 예에 따른 백라이트 유닛(520)은 복수의 레이저들 중 적어도 하나 또는 복수의 다이오드들 중 적어도 하나를 이용하며, 가간섭성 평행광(Coherent parallel light)(CL)을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 백라이트 유닛(520)은 적색, 녹색 및 청색 레이저들을 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 백라이트 유닛(520)은 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드들을 포함할 수 있다. 백라이트 유닛(520)은 생성된 가간섭성 평행광(CL)을 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)에 조사할 수 있다.
비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)는 디지털 홀로그램을 전기적 신호로 기록하고 재생하도록 구성되는 복수의 픽셀들을 포함하는 2차원 비정형 픽셀구조를 가진다. 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)는 주기적 픽셀구조(Periodic pixel structure) 때문에 나타나는 주기적 회절 패턴을 방지하도록 단위 픽셀 형상과 분포가 불규칙적인 특징을 갖는다. 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)는 공간 광변조기(SLM)의 2차원 주기적 픽셀 어레이 구조에서 낮은 픽셀 분해능 때문에 발생하는 에일리어싱 복제 홀로그램 무늬를 원천적으로 차단할 수 있다. 예를 들어, 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)는 픽셀들이 불규칙한 형상 및 불규칙한 피치를 갖는 경우, 단위 픽셀 형상과 픽셀 구조의 주기적 분포 때문에 나타나는 회절 무늬 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)는 고차 회절 영상의 재생을 막을 뿐만 아니라, 디지털 홀로그램 샘플링에서 발생하는 홀로그램 패턴의 에일리어싱 효과를 원천적으로 차단할 수 있다.
비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)의 불규칙한 픽셀 분포와 모양, 그리고 픽셀 개구율은 주기적 회절 패턴과 복제 홀로그램 무늬들을 효과적으로 제거할 수 있도록 광의 회절 현상을 최적화하여 설계 및 제작되어야 할 것이다. 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)는 LCD(Liquid Crystal Display), LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 및/또는 DMD(Digital Micro-mirror Device)를 포함할 수 있다. 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)는 백라이트 유닛(520)으로부터 조사되는 가간섭성 평행광(CL)을 복소 진폭 변조(Complex-amplitude Modulation) 방식으로 변조할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)는 가간섭성 평행광(CL)을 진폭 변조(Amplitude Modulation) 방식 또는 위상 변조(Phase Modulation) 방식으로 변조할 수 있다. 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)는 백라이트 유닛(520)과 서로 이격될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 출력 광학계(540)는 비 회절빔(Non-diffraction beam)과 이중상(Twin Image)을 제거하고, 적절한 거리에서 재생 영상(Reconstructed Image; RI)을 구현하도록 구성될 수 있다. 재생 영상(RI)이 구현되는 거리는 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)로부터 재생 영상(RI)까지의 거리로 정의될 수 있다.
도 6은 도 5의 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치의 일 실시 예를 설명하기 위한 개략도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)를 통해서 시청자(V)는 넓은 시야각(Wide viewing angle)(Ω)으로 충분한 크기의 재생 영상(RI)을 볼 수 있다. 시야각(Ω)은 약 10도 이상, 바람직하게는 약 30도 이상일 수 있다. 시야각(Ω)은, 예를 들어, 약 10도 내지 약 60도일 수 있다. 예를 들어, 재생 영상(RI)의 크기는 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)의 크기보다 크거나 같을 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치의 다른 실시 예를 설명하기 위한 개략도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)는 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)와 출력 광학계(540) 사이에 제공되는 푸리에 렌즈(FL)를 더 포함할 수 있다.
푸리에 렌즈(FL)를 포함하는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)에서, 디지털 홀로그램 생성/변환부(510)가 디지털 홀로그램을 계산하는 것은 푸리에 홀로그램 생성 공식(Fourier Hologram Synthesis Formula)을 이용할 수 있다. 디지털 홀로그램 생성/변환부(510)에 의해 생성 및 변환된 홀로그램은 푸리에 홀로그램(Fourier Hologram)으로 명명될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치를 이용한 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)를 사용하여 개선된 화질 및 충분한 크기의 시야각으로 확대된 디지털 홀로그램 영상을 재생할 수 있다.
S110 단계에서, 디지털 홀로그램 생성/변환부(510)는 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 맞게 개구수(NA)가 큰 디지털 홀로그램을 생성하고 변환한다.
S120 단계에서, 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)는 생성 및 변환된 디지털 홀로그램을 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)에 로딩한다.
S130 단계에서, 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)에 가간섭성 평행광이 조사된다.
S140 단계에서, 노이즈 영상이 제거된다.
S150 단계에서, 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)에 의해 재생되는 재생 영상이 구현된다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치를 이용하여 생성된 디지털 홀로그램의 특징을 설명하기 위한 개념도들이다. 도 9 및 수학식 3을 참조하면, 홀로그램을 합성할 때 객체 샘플링 간격(Δx)을 줄이면 개구수가 크면서 재생 영상의 크기가 큰 디지털 홀로그램을 생성할 수 있음을 기술하였다. 즉, 도 9에 도시한 바와 같이 합성 거리(zc)보다 작은 거리(z1)에서 일반적인 공간 광변조기(SLM)의 픽셀 크기에 의존하는 회절각(θ)에 의해 결정되는 영역보다 큰 객체 영역(620)에서 디지털 홀로그램(610)이 생성될 수 있다. ‘HOLO’라는 글자 영역(625)은 공간 광변조기(SLM)의 픽셀 크기에 의존하는 회절각(θ)에 의해 결정되는 영역일 수 있다.
상술한 바와 같이 합성한 디지털 홀로그램을 참조하면, 공간 광변조기(SLM)의 낮은 샘플링 레이트 때문에 홀로그램 복제 패턴이 형성되어 있다. 하지만, 상술한 바와 같이 비정형 픽셀 구조를 갖는 본 발명의 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)를 사용하면 이러한 복제 패턴을 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치를 이용하여 디지털 홀로그램 영상 재생을 설명하기 위한 개념도이다. 도 10을 참조하면, 불규칙한 형상 및 불규칙한 피치를 갖는 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)를 사용하여 샘플링한 디지털 홀로그램(710)은 고차 홀로그램 패턴이 나타나지 않는다. 또한, 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(530)에 의해서 홀로그램 영상을 재생할 때 나타나는 회절무늬 생성을 방지하여 복제 영상 재생을 막을 수 있다.
디지털 홀로그램(710)을 통해 재생된 영상(720)은 본 발명을 통해 개선된 화질 및 충분한 크기를 가질 수 있고, 확대된 시야각을 가질 수 있다. 결과적으로, 시청자(V)는 넓은 시야각(Ω)으로 디지털 홀로그램(710)을 통해 충분한 크기로 재생된 영상(720)을 볼 수 있다.
상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 단위 픽셀 형상 또는 분포가 불규칙한 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 대응하는 개구수(Numerical Aperture;NA)가 큰 디지털 홀로그램을 생성하고 변환하는 단계;
    상기 디지털 홀로그램을 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 기록하는 단계;
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 가간섭성 평행광을 조사하는 단계;
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 로드된 상기 디지털 홀로그램의 노이즈 영상을 제거하는 단계; 그리고
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 의해 재생되는 재생 영상을 구현하는 단계를 포함하는 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 홀로그램을 생성하고 변환하는 단계에서, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 인코딩할 수 있는 큰 개구수의 상기 디지털 홀로그램을 나이퀴스트 기준(Nyquist criterion)에 맞게 생성 및 변환하는 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 홀로그램은 레일리-좀머펠트 공식의 리만 적분(Riemann integral of Rayleigh-Sommerfeld formula), 푸리에 변환 기반 프레넬 공식(Fresnel formula) 또는 푸리에 홀로그램 생성 공식(Fourier hologram synthesis formula)을 이용하는 생성되는 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 인코딩하기 위한 상기 디지털 홀로그램은 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)의 픽셀 구조에 대응하는 비균일 퓨리에 변환(Nonuniform Fourier Transform) 알고리즘을 통하여 계산되는 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 디지털 홀로그램을 생성하고 변환하는 단계에서, 나이퀴스트-샤논 샘플링 정리(Nyquist-Shannon sampling theorem)를 만족하면서 객체 샘플링 간격을 줄이는 처리를 통해 수행되고,
    상기 객체 샘플링 간격을 줄이는 것을 통해 상기 재생 영상의 크기를 증가시키는 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)가 상기 가간섭성 평행광을 복소 진폭 변조(Complex-Amplitude Modulation) 방식, 진폭 변조(Amplitude Modulation) 방식, 그리고 위상 변조(Phase Modulation) 방식 중에서 적어도 하나를 사용하여 변조하는 단계를 더 포함하는 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)는 주기적 회절 패턴과 복제 홀로그램 무늬를 제거하여 충분한 화질을 가진 3차원 홀로그램 입체 영상을 기준치 이상의 시야각으로 제공하는 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 시야각은 30도 이상의 크기에 대응하는 디지털 홀로그램 영상의 재생 방법.
  9. 개구수에 대응하는 디지털 홀로그램을 생성하고 변환하는 디지털 홀로그램 생성/변환부;
    가간섭성 평행광을 생성하도록 구성되는 백라이트 유닛;
    상기 디지털 홀로그램을 전기적 신호로 기록하고 재생하도록 구성되는 단위 픽셀 형상 또는 분포가 불규칙한 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM); 그리고
    상기 디지털 홀로그램의 노이즈 영상을 제거하고, 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)로부터 재생하는 재생 영상에 대한 시야창을 제공하는 출력 광학계를 포함하는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 백라이트 유닛은 적색 레이저, 녹색 레이저, 청색 레이저, 적색 발광 다이오드, 녹색 발광 다이오드, 그리고 청색 발광 다이오드 중 적어도 하나를 포함하는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 디지털 홀로그램 생성/변환부는 상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)에 대응하는 나이퀴스트-샤논 샘플링 정리(Nyquist-Shannon sampling theorem)를 만족하도록 상기 디지털 홀로그램을 생성 및 변환하는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 디지털 홀로그램은 프레넬 회절 영역(Fresnel diffraction region), 프라운호퍼 회절 영역(Fraunhofer diffraction region), 그리고 레일리-좀머펠트 회절 영역(Rayleigh-Sommerfeld diffraction region) 중 적어도 하나에서 생성되는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)는 복소 진폭 변조(Complex-Amplitude Modulation) 방식, 진폭 변조(Amplitude Modulation) 방식, 그리고 위상 변조(Phase Modulation) 방식 중에서 적어도 하나를 사용하여 변조하도록 구성되는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)는 상기 디지털 홀로그램을 전기적 신호로 로딩하여 표시하는 비정형 픽셀 구조 2차원 패널을 포함하는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)는 불규칙한 형상과 불규칙한 피치를 갖는 픽셀들을 포함하고, 단위 픽셀 형상과 픽셀 구조의 주기적 분포 때문에 나타나는 회절 무늬 발생을 방지하여 복제 영상의 재생을 차단하고, 디지털 홀로그램 샘플링에서 발생하는 홀로그램 패턴의 에일리어싱 효과를 차단하는 특성을 갖는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)의 불규칙한 픽셀 분포, 모양, 그리고 픽셀 개구율은 주기적 회절 패턴과 복제 홀로그램 무늬들을 제거할 수 있도록 광의 회절 현상을 반영하여 설계 및 제작되는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 비정형 픽셀 구조 공간 광변조기(IRP SLM)와 상기 출력 광학계 사이에 제공되는 푸리에 렌즈를 더 포함하는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 출력 광학계는 비 회절빔(Non-diffraction beam)과 이중상(Twin image)을 제거하고, 특정 거리에서 상기 재생 영상(Reconstructed Image)을 구현하도록 구성되는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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