KR20220135046A - 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20220135046A
KR20220135046A KR1020210040539A KR20210040539A KR20220135046A KR 20220135046 A KR20220135046 A KR 20220135046A KR 1020210040539 A KR1020210040539 A KR 1020210040539A KR 20210040539 A KR20210040539 A KR 20210040539A KR 20220135046 A KR20220135046 A KR 20220135046A
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유현승
송훈
안중권
이홍석
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삼성전자주식회사
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Abstract

홀로그래픽 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 부분 복소영역을 표현하며 광을 회절시켜 홀로그램을 재생하는 공간 광변조기와, 공간 광변조기를 제어하는 프로세서를 포함한다. 프로세서는 공간 광변조기의 부분 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 공간 광변조기를 제어한다.

Description

홀로그래픽 디스플레이 장치{Holographic display apparatus}
홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근 들어 공간 광변조기(SLM)을 이용하여 홀로그래픽 디스플레이를 구현하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 광원에서 출발한 빛을 렌즈로 모아 시청자의 눈에 초점이 맞도록 제공할 때, 공간 광변조기로 컴퓨터로 계산된 홀로그램(Computer-generated hologram: CGH) 정보를 표시하면 3차원 홀로그램 영상을 만들어낼 수 있다. 이 때 공간 광변조기의 픽셀 간격에 의해 시청 영역이 결정되는데, 고해상도의 패널을 사용하더라도 시청 영역이 매우 좁다.
더 나아가 패널에서 CGH를 표현할 때, 빛의 위상 및 진폭 정보를 모두 표현 할 수 있어야만 픽셀 간격에 의한 시청 영역을 모두 확보할 수 있는데, 진폭 정보 만 표현 가능하거나, 위상 정보만 표현 가능할 경우 시청 영역이 더욱더 줄어들게 된다.
시야창을 확대할 수 있으며, 정보 손실 없이 홀로그램 생성이 가능한 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
일 유형에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 부분 복소영역을 표현하며 광을 회절시켜 홀로그램을 재생하는 공간 광변조기와; 상기 공간 광변조기의 부분 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 상기 공간 광변조기를 제어하는 프로세서;를 포함한다.
상기 공간 광변조기는, 복수의 픽셀 어레이를 각각 구비하며, 서로 나란하게 배열되는 제1 및 제2공간 광변조기의 조합에 의해 부분 복소영역을 표현하도록 마련될 수 있다.
상기 제1 및 제2공간 광변조기 중 하나는 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기로 마련되고, 나머지 하나는 진폭 변조 공간 광변조기를 포함할 수 있다.
상기 진폭 변조 공간 광변조기는 TN-LCD 패널을 포함할 수 있다.
상기 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기는 제1편광판, 복수의 픽셀 어레이를 구비하는 변조 패널, 사반파장판, 제2편광판의 순서의 배열을 포함할 수 있다.
상기 변조 패널은 TN-LC 패널을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2공간 광변조기는, 각각 부분 복소 변조 패널을 포함할 수 있다.
상기 공간 광변조기의 픽셀의 개구 크기로 인해 발생하는 고차 회절 노이즈를 제거하는 회절 방지 필터;를 더 포함할 수 있다.
가간섭성의 콜리메이팅 조명광을 제공하는 백라이트 유닛;을 더 포함할 수 있다.
상기 공간 광변조기는, 전체 복소 정보의 50% 이상, 100% 미만을 표현하도록 마련될 수 있다.
상기 알고리즘은, 목표 홀로그램의 위상을 상수 또는 랜덤으로 설정하고, 이를 역전파하여 상기 공간 광변조기 면에서의 CGH를 계산하여 적용하도록 마련될 수 있다.
상기 알고리즘은, 상기 공간 광변조기의 복소 표현 범위가 허용하는 한계 내에서, 목표 홀로그램의 위상이 제한적 랜덤값을 표현하며 재생하도록 마련될 수 있다.
상기 알고리즘은 목표 홀로그램의 위상을 랜덤으로 설정할 때, 역전파하여 상기 공간 광변조기 면에서의 계산된 CGH의 위상을 상기 공간 광변조기에서 표현 가능한 부분 복소영역에 맞게 제한하도록 마련될 수 있다.
상기 알고리즘은 위상이 제한된 CGH로부터 재생된 홀로그램의 진폭과 초기에 설정한 홀로그램의 진폭 사이의 차이가 목표값보다 작아지도록 최적화하여, 제한적 랜덤 위상을 가지는 홀로그램을 재생하도록 마련될 수 있다.
상기 알고리즘은, 시스템 파라미터의 학습을 통해 시스템의 불완전성을 보정하도록 마련될 수 있다.
상기 시스템 파라미터는, 입사광 패턴의 불균일성이나 상기 공간 광변조기 정렬 오차를 포함할 수 있다.
상기 공간 광변조기는, 복수의 픽셀 어레이를 각각 구비하며, 서로 나란하게 배열되는 제1 및 제2공간 광변조기의 조합에 의해 부분 복소영역을 표현하며, 상기 알고리즘은, 상기 제1공간 광변조기와 제2공간 광변조기의 정렬 파라미터를 추정하여 CGH를 최적화하도록 마련될 수 있다.
실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치에 따르면, 부분 복소 영역을 표현하는 공간 광변조기를 부분 복소 영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 제어함으로써, 목표 홀로그램을 정보 손실 없이 재생할 수 있다.
또한, 공간 광변조기의 부분 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 공간 광변조기를 제어함으로써, 홀로그램을 정보 손실 없이 재생할 수 있다.
또한, 부분 복소영역을 표현하는 공간 광변조기에 의해 진폭과 위상을 모두 변조할 수 있으므로, 홀로그램 재생시, 시야창 안의 노이즈를 제거할 수 있어, 충분한 시야창을 확보할 수 있다.
도 1은 진폭 변조만 가능한 패널을 적용한 홀로그래픽 디스플레이 장치를 예시적으로 보여준다.
도 2는 도 1에 의해 형성되는 시야창(Viewing window)을 보여준다.
도 3은 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치를 개략적으로 보여준다.
도 4는 도 3의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 적용될 수 있는 공간 광변조기 구성의 일 예를 보여준다.
도 5는 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치를 개략적으로 보여준다.
도 6은 도 4의 배열을 갖는 공간 광변조기에 대해 회절 방지 필터를 더 구비하는 구조를 보여준다.
도 7은 구현하고자하는 홀로그램에 대한 CGH의 계산 원리를 보여준다.
도 8a 및 도 8b는 각각 홀로그램 위상(φ(m,n))이 랜덤(random)일 때와 상수일 때, 복소영역에서의 홀로그램 위상(φ(m,n)) 분포를 보여준다.
한편, 홀로그램 복소장의 위상값이 하나의 값으로 일정 즉, 위상값이 픽셀에 관계없이 상수인 단일 위상 홀로그램을 구현하기 위한 알고리즘은 예를 들어, 도 9와 같이 실행될 수 있다.
도 9는 홀로그램 복소장의 위상값이 하나의 값으로 일정 즉, 위상값이 픽셀에 관계없이 상수인 단일 위상 홀로그램을 구현하기 위한 알고리즘을 보여준다.
도 10은 위상이 [-π, π], 진폭이 [0, 1]인 조절 가능한 Full-complex 변조 패널과, 위상이 [-0.5π, 0.5π], 진폭이 [0, 1]인 조절 가능한 Half-complex 변조 패널에서 생성된 홀로그램을 비교하여 보여주는 것으로, 부분 복소 변조가 가능한 시스템에서 단일 위상 홀로그램 재생을 시뮬레이션 결과를 보여준다.
한편, 홀로그램 복소장이 단일 위상이 아닌 랜덤 위상인 경우, 랜덤 위상 홀로그램 재생을 위한 부분 복소 변조 알고리즘은 도 11와 같이 실행될 수 있다.
도 11은 홀로그램 복소장이 단일 위상이 아닌 랜덤 위상인 경우, 랜덤 위상 홀로그램 재생을 위한 부분 복소 변조 알고리즘을 보여준다.
도 12 및 도 13은 일반적인 CGH 계산 방식과 시스템의 불완전함을 고려한 CGH 계산 방식을 비교하여 보여준다.
도 14 및 도 15은 두 장의 공간 광변조기를 겹쳐 시스템을 구성하였을 때, 공간 광변조기) 간의 정렬 오차나 입사 광원의 불균일성을 보정하는 실시예를 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것으로, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
홀로그래픽 디스플레이는 광필드(optical field)를 직접 제어하여 원하는 3차원 홀로그램 정보를 생성하는 기술로서, 눈의 피로를 야기시키지 않는 궁극의 3차원 디스플레이 기술로 여겨지고 있다.
광원에서 출발한 빛을 렌즈로 모아 시청자의 눈에 초점이 맞도록 제공할 때, 예를 들어, 공간 광변조기(SLM)을 이용하여 컴퓨터로 계산된 홀로그램(Computer-generated hologram: CGH) 정보를 표시하여 3차원 홀로그램 영상을 만들어낼 수 있다.
공간 광변조기를 이용하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서, 시청 영역은 공간 광변조기의 픽셀 간격에 의해 시청 영역이 결정된다. 예를 들어, 픽셀 간격이 약 50um인 고해상도 패널을 공간 광변조기로 적용할 때, 시청 영역은 예를 들어, 약 5mm 정도가 된다. 더 나아가 패널에서 CGH를 표현할 때, 빛의 위상 및 진폭 정보를 모두 표현 할 수 있어야 픽셀 간격에 의한 시청 영역을 모두 확보할 수 있다.
현재 공간 광변조기로 널리 사용되는 LCD 패널과 같이 진폭 정보 만이 표현 가능하거나, LCoS-SLM과 같이 위상 정보만 표현 가능할 경우, DC 정보 및 Conjugate Signal의 발생으로 인해 시청 영역이 줄어들 수 있다.
픽셀 간격이 더욱 줄어든 고해상도 패널을 사용하거나, 진폭과 위상 정보를 모두 표현할 수 있는 복소 변조 패널을 적용한다면 홀로그래픽 디스플레이의 좁은 시야각 문제를 해결할 수 있으며, 궁극적인 3차원 디스플레이로서 기존의 2D 디스플레이를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 공간 광변조기로 복소 변조 패널을 적용한다. 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 박형 플랫 패널 구조로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 3D 태블릿, 3D 휴대폰, 3D 스마트폰 등 모바일 디스플레이의 전분야에 적용될 수 있다. 이외에도 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다.
실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 3차원 홀로그램을 재생하기 위한 것으로, 공간 상에 깊이감 있는 영상을 제공하며, 실제 3차원 이미지의 광 필드를 직접적으로 재생하기 때문에 실감 나고 피로감 없는 영상 제공이 가능하다.
실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 광필드를 재생하기 위해 빛의 간섭 효과를 이용하며, 따라서 간섭성(coherent) 광원으로부터 출사된 광을 콜리메이팅하여 사용한다. 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 디스플레이의 두께를 줄이기 위해 도파로와 그레이팅 기반의 출광 구조를 가지는 콜리메이션 백라이트 유닛을 이용할 수 있다.
한편 홀로그래픽 디스플레이 장치의 시야각과 이미지 크기를 확보하기 위해서는 매우 높은 해상도의 공간 광변조 정보량과 데이터 처리가 필요한데, 이러한 한계를 극복하기 위해서, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 플랫 렌즈 등을 이용하여 관찰자의 양안에 빛을 집속 하여 제한된 영역에 홀로그램을 재생하도록 마련될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 관찰자의 눈이 이동할 경우 눈 추적(eye-tracking)을 통해 변화된 위치를 측정하고, 눈 추적 신호에 따라 홀로그램 재생하는 정보인 CGH(Computer generated hologram)를 재처리 하거나 빔 편향기를 조정하여 투사 방향을 이동시키도록 마련될 수 있다.
한편, 홀로그래픽 디스플레이 장치에 의해 광필드를 표현하여 실감 나는 3차원 이미지를 표현하기 위해서는, 빛의 진폭과 위상을 모두 재생할 수 있어야 하는데, 현재 널리 쓰이는 패널들은 진폭 만을 제어하거나 위상 만을 제어할 수 있다.
이에 반해, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치에 따르면, 부분 복소영역을 표현하도록 된 공간 광변조기를 적용함에 의해, 진폭 및 위상을 모두 변조할 수 있다.
도 1은 진폭 변조만 가능한 패널을 적용한 홀로그래픽 디스플레이 장치(10)를 예시적으로 보여주며, 도 2는 도 1에 의해 형성되는 시야창(Viewing window)을 보여준다.
도 1을 참조하면, 홀로그래픽 디스플레이 장치(10)는 백라이트 유닛(11), 공간 광변조기(13) 및 홀로그래픽 영상을 공간에 포커싱하는 렌즈(14)를 포함할 수 있다. 공간 광변조기(13)로 LCD 패널을 적용하는 경우, 공간 광변조기(13)는 진폭 변조만 가능할 수 있다.
도 1에서와 같이, 진폭 변조만 가능한 경우, 홀로그램을 재생하기 위한 CGH를 공간 광변조기(13)에서 표현할 때, 복소 정보를 빛의 세기로 변환하는 과정이 필수적이며 이 때 정보 손실이 필연적이 발생한다.
이로 인해 도 2에 보인 바와 같이, 시야창 내에 보여주고자 하는 홀로그램 signal 뿐만 아니라, 0차 DC와 conjugate signal이 함께 발생된다. 따라서 실제로 관찰자가 올바른 관찰할 수 있는 영역은 시야창 안의 0차 DC노이즈와 conjugate signal 노이즈 영역을 제외한 매우 좁은 영역이며, 이러한 현상은 진폭 변조 공간 광변조기뿐만 아니라, 위상 만을 표현할 수 있는 공간 광변조기에서도 동일하게 나타난다. 결국 DC와 conjugate signal 없이 신호빔(Signal beam) 만을 표현하기 위해서는 진폭과 위상을 모두 변조할 수 있는 복소 변조 공간 광변조기가 필요하다.
이하에서 설명하는 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 부분 복소영역을 표현하도록 된 공간 광변조기를 적용함에 의해, 진폭 및 위상을 모두 변조할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)를 개략적으로 보여준다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는, 부분 복소영역을 표현하며 광을 회절시켜 홀로그램을 재생하는 공간 광변조기(150)와, 상기 공간 광변조기(150)의 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하며 공간 광변조기(150)를 제어하는 프로세서(170)를 포함한다. 또한, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는, 가간섭성의 콜리메팅된 조명광을 제공하는 백라이트 유닛(110)과, 홀로그래픽 영상을 공간 상에 포커싱하는 렌즈 예컨대, 푸리에 렌즈(140)를 더 포함할 수 있다. 도면에서는 푸리에 렌즈(140)가 공간 광변조기(150)의 입광면에, 다시 말해 백라이트 유닛(110)과 공간 공변조기 사이에 배치되는 것으로 도시되었지만, 푸리에 렌즈(140)의 위치가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 푸리에 렌즈(140)는 공간 광변조기(150)의 출광면에 배치될 수도 있다.
백라이트 유닛(110)은, 빛의 간섭 효과를 이용하여 광필드의 재생이 가능하도록 가간섭성의 콜리메이팅 조명광을 제공하는 콜리메이션 백라이트 유닛(110)을 구비할 수 있다. 이를 위하여, 백라이트 유닛(110)은 가간섭성 광원 예컨대, 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 백라이트 유닛(110)은 레이저 다이오드 이외에도, 공간 간섭성을 갖는 광을 방출한다면 다른 어떤 광원도 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 백라이트 유닛(110)은 레이저 다이오드에서 방출된 빛을 확대하여 균일한 세기 분포를 갖는 콜리메이팅된 평행광을 만드는 광학계를 더 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(110)은 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 두께를 줄이기 위해 도파로와 그레이팅 기반의 출광 구조를 가질 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(110)은 공간 광변조기(150)의 액티브 영역보다 큰 면광원을 구성하도록 마련될 수 있다.
이러한 백라이트 유닛(110)은 균일한 세기 분포를 갖는 평행한 가간섭성 조명광을 공간 광변조기(150)의 전체 영역에 제공할 수 있다.
공간 광변조기(150)는 프로세서(170)로부터 제공되는 홀로그램 데이터 신호, 예컨대 CGH 데이터 신호에 따라 입사되는 조명광을 회절 및 변조하도록 구성될 수 있다. 공간 광변조기(150)는, 서로 나란하게 배열되는 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)의 조합에 의해 부분 복소영역을 표현하도록 마련될 수 있다. 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)는 부분 위상 변조와 진폭 변조를 분리하여 수행하도록 마련되거나, 각각이 부분 복소 변조를 수행하도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 중 하나는 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기로 마련되고, 나머지 하나는 진폭 변조 가능한 공간 광변조기(진폭 변조 패널)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)는 각각 부분 복소 변조 패널을 포함하며, 두 부분 복소 변조 패널의 조합에 의해 진폭 및 위상을 변조하도록 마련될 수도 있다.
이때, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)는 각각 조명광을 회절시키기 위한 홀로그램 패턴을 표시하기 위하여 2차원 배열된 다수의 활성 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)는 각각 복수의 픽셀 어레이를 구비할 수 있으며, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)에서 복수의 픽셀 어레이는 2차원으로 배열될 수 있다. 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)는 각각의 활성 영역의 동작을 제어하기 위한 구동 회로가 배치될 수 있으며, 구동 회로의 제어에 따라 각각의 활성 영역에서 광의 진폭 및 위상 중 적어도 어느 하나가 변조될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)로 LCD(liquid crystal device), 반도체 변조기, LCoS(liquid crystal on silicon) 등을 적용할 수 있으며, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)의 조합에 의해 부분 복소영역을 표현하도록 구동될 수 있다.
제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 중 하나가 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기로 마련되고, 나머지 하나가 진폭 변조 가능한 공간 광변조기(진폭 변조 패널)을 포함할 때, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)는 예를 들어, 도 4에 예시적으로 보인 바와 같이, 액정 패널을 포함할 수 있다.
도 4는 도 3의 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에 적용될 수 있는 공간 광변조기(150)의 구성의 일 예를 보여준다.
도 4를 참조하면, 공간 광변조기(150)의 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 중 하나는 부분 위상 변조가 가능하도록 마련되고, 나머지 하나는 진폭 변조 패널(135)을 포함할 수 있다. 도 4에서는 예시적으로 제1공간 광변조기(120)가 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기로 마련되고, 제2공간 광변조기(130)가 진폭 변조 패널(135)을 포함하는 경우를 보여주는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1공간 광변조기(120)가 진폭 변조 패널을 포함하고, 제2공간 광변조기(130)가 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기로 마련될 수도 있다.
본 실시예에 있어서, 제1공간 광변조기(120)는 부분 위상 변조가 가능하도록, 변조 패널(125)과, 변조 패널(125)의 앞에 배치되는 제1편광기(121), 변조 패널(125) 뒤에 배치되는 제2편광기(123), 변조 패널(125)과 제2편광기(123) 사이에 배치되는 사반파장판(127)을 포함할 수 있다. 즉, 제1공간 광변조기(120)는 제1편광판(121), 변조 패널(125), 사반파장판(127), 제2편광판(123)의 순서의 배열을 포함할 수 있다. 제2공간 광변조기(130)는 진폭 변조 패널(135)을 포함할 수 있다.
도 4에서는 제1공간 광변조기(120)를 구성하는 제1편광판(121), 변조 패널(125), 사반파장판(127), 제2편광판(123)이 분리되어 있는데, 이 구성요소들은 서로 결합되어 패널 구조를 이룰 수 있으며, 위상 변조 패널을 구성할 수 있다.
제1공간 광변조기(120) 및 제2공간 광변조기(130)는 예를 들어, 액정 패널을 포함할 수 있다. 즉, 제1공간 광변조기(120)의 변조 패널(125)로 예를 들어, 액정 패널을 적용할 수 있다. 예를 들어, 제1공간 광변조기(120)의 변조 패널(125)로 TN-LC (twisted nematic liquid crystal) 패널을 적용할 수 있다. 제2공간 광변조기(130)는 진폭 변조 패널(135)로 진폭 변조가 가능하도록 마련된 액정 패널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2공간 광변조기(130)를 위한 진폭 변조 패널(135)로 TN-LCD 패널을 사용할 수 있다. 여기서, TN-LC 패널은 TN-LCD 패널에서, 편광판을 제거한 구조에 해당할 수 있다.
도 4에서는, 제1공간 광변조기(120)와 제2공간 광변조기(130)에 액정 패널을 적용하는 것으로 예시하고 있는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 공간 광변조기(150)의 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)는 각각 부분 복소 변조 패널을 구비할 수 있으며, 두 부분 복소 변조 패널의 조합에 의해 홀로그램의 광필드를 변조할 수 있다. 부분 복소 변조 패널은 예를 들어, 부분 복소영역을 복수의 위상 구간들로 구분하고, 각 위상 구간에 대응하는 진폭값들을 변조하도록 광학 패턴들이 형성될 수 있다. 진폭값들은 광학 패턴들의 너비 및 길이 중 적어도 어느 하나에 의해 조절될 수 있다.
실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에서 보여주고자 하는 홀로그램은 진폭 정보와 위상 정보를 포함한다. 공간 광변조기(150)의 픽셀 (m,n)에서의 진폭을 A(m,n), 위상을 φ(m,n)로 표현할 때, 홀로그램의 광필드(optical field)는 A(m,n)exp(jφ(m,n))으로 표현된다.
따라서, 상기한 바와 같이 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 중 하나로 위상을 변조하고, 나머지 하나로 진폭을 변조하면, 홀로그램 정보를 디스플레이할 수 있다. 또한, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 각각을 홀로그램의 광필드를 변조할 수 있는 부분 복소 변조 패널을 구비하여, 두 부분 복소 변조 패널의 조합에 의해 진폭 및 위상을 변조함으로써, 홀로그램 정보를 디스플레이할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에 있어서, 공간 광변조기(150)는 전체 복소 정보의 50% 이상, 100% 미만을 표현하도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 홀로그램 광필드의 위상의 전체 영역이 [-π, π]일 때, 본 실시예의 공간 광변조기(150)는 예를 들어, [-0.5 π, 0.5 π]의 위상 범위를 가져, 전체 복소영역의 50%를 표현하도록 마련될 수 있다. 이러한 부분 복소영역의 표현은, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 중 하나를 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기로 마련하고, 나머지 하나를 진폭 변조 패널로 구성하거나, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 각각으로 부분 복소 변조 패널을 구비하면서, 두 부분 복소 변조 패널의 조합에 의해 진폭 및 위상을 변조함으로써, 구현될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에 있어서, 프로세서(170)는, 공간 광변조기(150)의 부분 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 공간 광변조기(150)를 제어할 수 있다.
이때, 공간 광변조기(150) 제어를 위한 알고리즘은, 목표 홀로그램의 위상을 상수 또는 랜덤으로 설정하고, 이를 역전파하여 공간 광변조기(150) 면에서의 CGH를 계산하여 적용하도록 마련될 수 있다.
알고리즘은 공간 광변조기(150)의 복소 표현 범위가 허용하는 한계 내에서, 목표 홀로그램위 위상이 제한적 랜덤값을 표현하며 재생하도록 마련될 수 있다.
목표 홀로그램의 위상을 랜덤으로 설정할 때, 알고리즘은, 제한적 랜덤 위상을 가지는 홀로그램을 재생하도록 마련될 수 있으며, 또한, 역전파하여 공간 광변조기(150) 면에서의 계산된 CGH의 위상을 공간 광변조기(150)에서 표현 가능한 부분 복소영역에 맞게 제한하도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 알고리즘은 위상이 제한된 CGH로부터 재생된 홀로그램의 진폭과 초기에 설정한 홀로그램의 진폭 사이의 차이가 목표값보다 작아지도록 최적화하여, 제한적 랜덤 위상을 가지는 홀로그램을 재생하도록 마련될 수 있다.
또한, 알고리즘은, 시스템 파라미터의 학습을 통해 시스템의 불완전성을 보정하도록 마련될 수 있다. 여기서, 시스템 파라미터는, 입사광 패턴의 불균일성이나 공간 광변조기(150) 정렬 오차 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 공간 광변조기(150)의 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)가, 복수의 픽셀 어레이를 각각 구비하며, 서로 나란하게 배열되는 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)의 조합에 의해 부분 복소영역을 표현하도록 된 경우, 알고리즘은, 제1공간 광변조기(120)와 제2공간 광변조기(130)의 정렬 파라미터를 추정하여 CGH를 최적화하도록 마련될 수 있다.
다른 예로서, 알고리즘은, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에 의해 구현되는 홀로그램을 직접적으로 촬영한 촬영 이미지에 암시적으로 반영된 f system의 정보를 이용하여 CGH를 최적하도록 마련될 수도 있다.
또한, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 실제 구현에서는 시스템 파라미터를 학습하는 알고리즘과, CGH를 최적화 하는 알고리즘이 서로 상보적이므로 두 알고리즘을 결합하여 사용할 수도 있다.
실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에 따르면, 공간 광변조기(150)를 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)의 조합에 의해 부분 복소영역을 표현하도록 프로세서(170)에 의해 제어함으로써 진폭과 위상을 모두 변조할 수 있으므로, 홀로그램 재생시, 시야창 안의 0차 DC노이즈와 conjugate signal 노이즈 등을 제거할 수 있어, 충분한 시야창을 확보할 수 있다.
또한, 공간 광변조기(150)의 부분 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 공간 광변조기(150)를 제어함으로써, 전체 복소공간의 50% 영역 이상, 100% 미만 영역을 변조할 수 있으므로, 홀로그램을 정보 손실 없이 재생할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 공간 광변조기(150)의 픽셀의 개구 크기로 인해 발생하는 고차 회절 노이즈를 제거하도록 추가적인 구성을 더 구비할 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(200)를 개략적으로 보여주며, 도 6은 도 4의 배열을 갖는 공간 광변조기(150)에 대해 회절 방지 필터(190)를 더 구비하는 구조를 보여준다. 도 5 및 도 6과, 도 3 및 도 4를 비교할 때, 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(200)는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에 대해 공간 광변조기(150)의 픽셀의 개구 크기로 인해 발생하는 고차 회절 노이즈를 제거하도록 회절 방지 필터(190)를 더 구비하는 점에 차이가 있다.
공간 광변조기(150)의 픽셀의 개구 크기로 인해 시야창 외부에 도 2에 예시적으로 보인 바와 같이, 고차 회절 노이즈가 발생할 수 있는데, 회절 방지 필터(190)를 더 구비하면, 이러한 고차 회절 노이즈도 제거할 수 있다.
따라서, 부분 복소 변조가 가능한 공간 광변조기(150)와 회절 방지 필터(190)를 결합하면 시야창의 제한이 없는 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)를 구현할 수 있다.
이상에서와 같은 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)에 따르면, 프로세서(170)에 의해 부분 복소영역을 표현하는 공간 광변조기(150)를 부분 복소 영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 제어함으로써, 목표 홀로그램을 정보 손실 없이 재생할 수 있다.
실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)에 따르면, 공간 광변조기(150)에서 변조해야 할 광필드 즉,CGH는 홀로그램 광필드를 역전파시켜 구할 수 있다.
도 7은 구현하고자하는 홀로그램에 대한 CGH의 계산 원리를 보여준다.
도 7을 참조하면, 도 3 및 도 4, 도 5 및 도 6에 예시적으로 보인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)에서 보여주고자 하는 홀로그램은 진폭 정보와 위상 정보로 기술할 수 있다. 공간 광변조기(150)의 픽셀 (m, n)에서의 진폭을 A(m,n), 위상을 φ(m,n) 로 두면, 홀로그램의 광필드는 A(m,n)exp(jφ(m,n))으로 표현된다.
도 7에서와 같이, 홀로그램의 광필드가 주어졌을 때, 이를 생성하기 위해 공간 광변조기(150)에서 변조해야 하는 광필드는 홀로그램 광필드 (A(m,n)exp(jφ(m,n)))을 역전파 시켜 구할 수 있으며, 이 결과를 |CGH(m,n)|exp(j∠CGH(m,n))의 형태로 표현할 수 있다.
공간 광변조기(150)의 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 중 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기는 위상 (∠CGH(m,n)) 에 대한 정보를 변조할 수 있으며, 진폭 변조 패널을 이용하는 공간 광변조기는 진폭 |CGH(m,n)|에 대한 정보를 변조한다.
또한, 공간 광변조기(150)의 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 각각으로 부분 복소 변조 패널을 구비하면서, 두 부분 복소 변조 패널의 조합에 의해 부분 복소 영역을 표현하는 경우, 부분 복소 변조 패널 각각이 위상 (∠CGH(m,n)) 에 대한 정보 및 진폭 |CGH(m,n)|에 대한 정보를 변조할 수 있다.
한편, 사람의 눈은 진폭 정보만을 감지할 수 있으므로, 홀로그램의 위상 정보, 즉 φ(m,n)는 임의의 값을 취할 수 있다. 도 8a 및 도 8b는 각각 홀로그램 위상(φ(m,n))이 랜덤(random)일 때와 상수일 때, 복소영역에서의 홀로그램 위상(φ(m,n)) 분포를 보여준다.
홀로그램 위상 값에 특별한 제약이 없다면, 도 8a와 같이 이 홀로그램을 재생하기 위해 필요한 CGH를 역전파를 이용해 계산하면 그 정보가 복소영역에 고루 퍼지게 분포한다.
반면에, 도 8b와 같이 홀로그램 복소장의 위상값이 하나의 값으로 일정하다면(φ(m,n) 값이 픽셀에 관계없이 상수인 경우), 역전파된 CGH의 위상은 특정한 상수 α에 대하여 [-0.5π+α 0.5π+α] 범위로 표현될 수 있다. 위상은 상대적 값이므로 상수 α를 무시할 수 있으며, 따라서 역전파된 CGH의 위상이 [-0.5π 0.5π] 범위로 표현될 수 있다.
이렇게 위상의 범위가 [-π, π]가 아닌 [-0.5π, 0.5π]로 제한되는 것은 역전파 커널의 성질에서 기인할 수 있다. 전술한 바와 같이 공간 광변조기(150)면에서의 광필드는 목표 홀로그램을 역전파시켜 구할 수 있는데, 이 역전파는 수학적으로 홀로그램 광필드와 역전파 커널과의 컨벌루션(convolution)으로 표현될 수 있다. 이때, 역전파 커널의 중심부에서 위상 변화가 크지 않기 때문에 컨벌루션된 광필드의 위상 정보도 여전히 같은 방향성을 띨 수 있다. 이러한 성질을 이용하면 위상의 전체 영역인 [-π, π]이 아닌, 절반의 영역을 표현할 수 있는 공간 광변조기만으로도 정보 손실 없이 CGH 생성이 가능할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에 따르면, 프로세서(170)에 의해 공간 광변조기(150)의 부분 복소영역 표현 예컨대, 전체 복소 정보의 50% 이상, 100% 미만 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 공간 광변조기(150)를 제어함으로써, 부분 복소영역을 표현하는 공간 광변조기(150)를 적용함에 의해서도 정보 손실 없이 CGH 생성이 가능하다.
한편, 홀로그램 복소장의 위상값이 하나의 값으로 일정 즉, 위상값이 픽셀에 관계없이 상수인 단일 위상 홀로그램을 구현하기 위한 알고리즘은 예를 들어, 도 9와 같이 실행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 우선 목표 홀로그램(target hologram) H의 위상을 상수로 설정한 뒤, 이를 역전파하여 공간 광변조기(150)면에서의 CGH를 계산할 수 있다. 이 때 CGH의 위상은 이미 예컨대, [-0.5π 0.5π] 에 분포하지만 노이즈 등의 요인으로 범위를 벗어난 값이 존재할 수 있으므로, 강제적으로 모든 값의 범위를 제한하는 과정을 추가적으로 실행할 수 있다. 최종적으로 부분 복소영역을 표현할 수 있는 공간 광변조기(150)로 재생하게 되면 목표 홀로그램 H가 정보 손실 없이 표현될 수 있다. 한편, 노이즈 등의 요인으로 인해 [-0.5π, 0.5π]를 벗어난 값을 포함하고자 하는 경우, 공간 광변조기(150)의 부분 위상 변조가 허용하는 내에서 이 범위 제한을 확장할 수 있다.
한편, 진폭 변조 패널로 흔히 사용되는 액정 패널을 개조하면 위상 변조가 가능하지만, 위상의 전체 영역인 [-π, π]의 약 60% ~ 85% 정도만 변조가 가능하다. 이러한 불완전한 위상 변조 패널과 진폭 변조 패널을 연속적으로 겹치게 되면, 위상 변조 영역이 제한됨에 따라 전체 복소 공간 역시 60% ~ 85% 만큼 변조가 가능하다.
따라서, 공간 광변조기(150)의 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 중 하나를 부분 위상 변조가 가능한 위상 변조 패널로 구성하고, 나머지 하나를 진폭 변조 패널로 구성하는 경우, 부분 복소영역을 표현할 수 있으며, 프로세서(170)에 의해 공간 광변조기(150)의 부분 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 공간 광변조기(150)를 제어함으로써, 목표 홀로그램 H을 정보 손실 없이 재생할 수 있다.
또한, 공간 광변조기(150)의 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 각각을 부분 복소 변조 패널을 적용하는 경우에도, 전체 복소공간의 50% 영역 이상을 변조하여, 단일 위상 홀로그램을 정보 손실 없이 재생할 수 있다.
한편, 이상에서는 공간 광변조기(150)에 부분 복소 변조 패널을 적용하는 경우에도, 공간 광변조기(150)가 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)를 겹쳐 사용하는 것으로 예를 들어, 설명 및 도시하였는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 공간 광변조기(150)는 전체 복소 공간의 50% 영역 이상 변조 가능한 단일 부분 복소 변조패널만으로 이루어질 수 있으며, 이 경우에도, 단일 위상 홀로그램을 정보 손실 없이 재생할 수 있다.
도 10은 위상이 [-π, π], 진폭이 [0, 1]인 조절 가능한 Full-complex 변조 패널과, 위상이 [-0.5π, 0.5π], 진폭이 [0, 1]인 조절 가능한 Half-complex 변조 패널에서 생성된 홀로그램을 비교하여 보여준다. 도 10은 부분 복소 변조가 가능한 시스템에서 단일 위상 홀로그램 재생을 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 10을 참조하면, 변조 패널로부터 일정한 거리만큼 (30 cm, 45 cm 또는 60 cm) 떨어진 곳에 재생하고자 하는 이미지를 설정한다. 이 이미지를 목표 진폭으로 설정하고, 위상 값을 0으로 설정한 뒤, 변조 패널에서 생성해야하는 CGH를 계산한다. 도 10의 첫번째 행은 변조 패널이 모든 복소 영역을 표현할 수 있다고 가정했을 때 계산된 CGH를 재생하여 얻어진 홀로그램의 이미지를 보여준다. 도 10의 두 번째 행은 변조 패널이 복소 영역의 절반 만을 표현할 수 있을 때, 계산된 CGH의 위상 범위를 [-0.5π, 0.5π]로 제한한 후 재생한 홀로그램의 이미지를 나타낸다. 목표 거리에 상관없이 예를 들어, 절반의 복소 영역 표현 만으로도 완전한 복소 변조 패널 대비 화질 손실 없이 홀로그램 재생이 가능함을 알 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)에서와 같이, 부분 복소영역을 표현하는 공간 광변조기(150)를 구비하고, 공간 광변조기(150)의 부분 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 공간 광변조기(150)를 제어하면, 50% 이상 100% 미만 예컨대, 절반의 복소 영역 표현 만으로도 완전한 복소 변조 패널 대비 화질 손실 없이 홀로그램을 재생할 수 있다.
한편, 홀로그램 복소장이 단일 위상이 아닌 랜덤 위상인 경우, 랜덤 위상 홀로그램 재생을 위한 부분 복소 변조 알고리즘은 도 11와 같이 실행될 수 있다.
도 11은 랜덤 위상 홀로그램 재생으로 확장한 알고리즘을 보여준다. 도 8a에서와 같이, 홀로그램의 위상에 아무런 제약이 없는 랜덤값이면 CGH의 정보가 전체 복소영역에 분포할 수 있다. 하지만, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)에 따르면, 공간 광변조기(150)가 부분 복소 영역을 표현하도록 마련되므로, 홀로그램 복소장이 단일 위상이 아닌 랜덤 위상인 경우, 도 11의 알고리즘을 적용함으로써, 부분 복소 영역에 맞게 최적화된 '제한적 랜덤 위상' 홀로그램을 재생할 수 있다.
도 11을 참조하면, 우선 목표 홀로그램(target hologram)의 위상을 랜덤으로 설정하고, 공간 광변조기(150)에서 CGH를 계산한 후 표현 가능한 복소 영역에 맞게 위상값을 제한할 수 있다. 값이 제한된 CGH로부터 재생된 홀로그램 H reconstruction 의 진폭을 계산할 수 있으며, 만약 이 재생된 홀로그램의 진폭과 초기에 설정한 홀로그램의 진폭 |A(m,n)|과의 차이 E가 충분히 작다면, 랜덤 위상 홀로그램이 정보 손실 없이 표현된다고 볼 수 있다. 만약 에러 E가 크다면, 이 에러를 반영하여 홀로그램의 위상을 재보정할 수 있고, E가 목표값보다 작아지도록 순차적 최적화를 할 수 있다. 최종적으로 얻어진 CGH (final) 을 부분 복소 영역을 표현할 수 있는 공간 광변조기(150)로 투사하게 되면, 제한적 랜덤 위상을 가지는 홀로그램을 재생할 수 있다. 한편, 공간 광변조기(150)의 부분 위상 변조가 허용하는 범위 내에서 [-0.5π, 0.5π]의 범위 제한을 확장함으로써, 제한적 랜덤 위상의 표현 범위를 증가시키거나 에러 E를 감소시킬 수 있다.
한편, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에 따르면, 부분 복소영역을 표현하도록 공간 광변조기(150)가 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)를 포함하는 경우, 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130) 사이의 정렬 오차 혹은 불완전한 정렬로 인한 이미지 손실이 발생할 수 있다. 이상적인 공정에서는 두 개 이상의 공간 광변조기(120)(130)를 연속적으로 결합할 때 픽셀들의 위치가 빛의 전파 방향에 대해서 동일해야 하지만, 실제로는 완벽한 정렬을 얻기는 어렵다.
따라서, 공정시 시스템에서 직접적으로 촬영한 이미지들을 피드백으로 하여 시스템의 정렬 파라미터 (두 공간 광변조기(120)(130) 간의 수평 수직 위치 차이, 회전, 거리 등)을 추정하여 CGH를 최적화함으로서, 시스템의 공정 오차를 극복하는 요구된다.
도 12 및 도 13은 일반적인 CGH 계산 방식과 시스템의 불완전함을 고려한 CGH 계산 방식을 비교하여 보여준다.
도 12를 참조하면, 일반적인 계산 방식으로 CGH를 계산할 때는 광원 즉, 백라이트 유닛에서부터 홀로그램 까지를 빛의 전파를 시술하는 시스템 전파 함수 f ideal 가 이상적이라는 가정을 따른다. 따라서 이 경우에는 불균일한 입사광 패턴이나 공간 광변조기(150)를 구성하는 패널 간의 정렬 에러 등을 고려할 수 없으며, 실제 재생되는 홀로그램은 화질 저하를 겪게 된다.
반면에, 도 13에서와 같이 패널 즉, 공간 광변조기(150)에서 CGH를 투사하였을 때 실제 홀로그램을 카메라로 촬영하게 되면, 이 카메라 이미지는 실제 시스템의 전파함수 f system 에 대한 정보를 암시적으로 반영하게 된다. 따라서 시스템에서 직접적으로 촬영한 이미지들을 피드백으로 하여 시스템의 정렬 파라미터 (두 공간 광변조기(120)(130) 간의 수평 수직 위치 차이, 회전, 거리 등)을 추정하거나, 촬영된 이미지가 목표 이미지와의 오차가 줄어드는 방향으로 CGH를 최적화함으로서, 시스템의 공정 오차를 극복하는 것이 가능하다.
도 14 및 도 15은 두 장의 공간 광변조기(120)(130)를 겹쳐 시스템을 구성하였을 때, 공간 광변조기(120)(130) 간의 정렬 오차나 입사 광원 예컨대, 백라이트 유닛으로부터 제공되는 조명광의 불균일성을 보정하는 실시예를 보여준다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 시스템 전파 함수 f system을 두 공간 광변조기(120)(130) 간의 정렬을 나타내는 파라미터 γ (두 공간 광변조기(120)(130) 간의 수평 수직 위치 차이, 회전, 거리 등)와 입사 광원을 나타내는 θ 에 대한 함수로 모델링할 수 있다. 이 경우 데이터셋(Dataset)에 대해 생성한 여러 장의 CGH 복소 정보를 두 공간 광변조기(120)(130)에 투사한 뒤, 형성된 홀로그램 이미지를 카메라로 각각 촬영한다. 한편 주어진 CGH에 대하여 모델링된 f system 로 예측한 홀로그램 이미지는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
이 예측 이미지와 촬영된 이미지 I capture 사이의 오차를 반영한 loss function이 줄어드는 방향으로 매번 γ, θ을 수학식 2에서와 같이 업데이트하게 되면, 실제 시스템에 대한 γ, θ의 추정값을 구할 수 있다.
Figure pat00002
이러한 학습과정을 거치면 최종적으로 f system(γ, θ)을 실제 시스템과 가깝게 모델링 할 수 있고, 도 15에서와 같이 이 정보를 이용하여 새로운 홀로그램(target image)에 대하여 시스템의 불완정성(f system(γ, θ))이 고려된 CGH를 계산할 수 있다.
도 14 및 도 15에서와 같이, 시스템 전파 함수 f system는 직접적으로 추정할 수 있다. 이러한 시스템 전파 함수의 추정은 공간 광변조기(150)를 구성하는 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)의 정렬 과정, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200) 조립 과정 또는 시스템 조립 완료 후에 이루어질 수 있다.
다른 예로서, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)에 의해 구현되는 홀로그램을 직접적으로 촬영한 촬영 이미지에 암시적으로 반영된 f system의 정보를 이용하여 CGH를 최적할 수도 있다. 이 경우 현재 투사된 CGH i 에 의해 생성된 홀로그램을 직접 카메라로 촬영한 이미지는 수학식 3과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00003
이 촬영 이미지와 보여주고자 하는 목표 이미지 I target 사이의 오차를 반영한 loss function이 줄어드는 방향으로 매번 CGH 를 수학식 4에서와 같이 업데이트 함으로써 홀로그램의 화질을 개선시킬 수 있다.
Figure pat00004
실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)의 실제 구현에서는 시스템 파라미터를 학습하는 알고리즘과, CGH를 최적화 하는 알고리즘이 서로 상보적이므로 결합하여 사용할 수도 있다.
이상에서와 같은, 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)에 따르면, 공간 광변조기(150)를 제1 및 제2공간 광변조기(120)(130)의 조합에 의해 부분 복소영역을 표현함으로써, 진폭과 위상을 모두 변조할 수 있으므로, 홀로그램 재생시, 시야창 안의 0차 DC노이즈와 conjugate signal 노이즈 등을 제거할 수 있어, 충분한 시야창을 확보할 수 있다.
또한, 공간 광변조기(150)의 부분 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 공간 광변조기(150)를 제어함으로써, 홀로그램을 정보 손실 없이 재생할 수 있다.
또한, 회절 방지 필터(190)를 더 구비함으로써, 고차 회절 노이즈도 제거할 수 있으므로, 부분 복소 변조가 가능한 공간 광변조기(150)와 회절 방지 필터(190)를 결합하면 시야창의 제한이 없는 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)를 구현할 수 있다.
상술한 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)(200)는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100,200: 홀로그래픽 디스플레이 장치 110: 백라이트 유닛
120,130: 제1 및 제2공간 광변조기 140: 푸리에 렌즈
150: 공간 광변조기 170: 프로세서

Claims (19)

  1. 부분 복소영역을 표현하며 광을 회절시켜 홀로그램을 재생하는 공간 광변조기와;
    상기 공간 광변조기의 부분 복소영역 표현에 맞추어 홀로그램 정보를 계산하는 알고리즘을 적용하여 상기 공간 광변조기를 제어하는 프로세서;를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공간 광변조기는,
    복수의 픽셀 어레이를 각각 구비하며, 서로 나란하게 배열되는 제1 및 제2공간 광변조기의 조합에 의해 부분 복소영역을 표현하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2공간 광변조기 중 하나는 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기로 마련되고, 나머지 하나는 진폭 변조 공간 광변조기를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 진폭 변조 공간 광변조기는 TN-LCD 패널을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 부분 위상 변조가 가능한 공간 광변조기는 제1편광판, 복수의 픽셀 어레이를 구비하는 변조 패널, 사반파장판, 제2편광판의 순서의 배열을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 변조 패널은 TN-LC 패널을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2공간 광변조기는, 각각 부분 복소 변조 패널을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 공간 광변조기의 픽셀의 개구 크기로 인해 발생하는 고차 회절 노이즈를 제거하는 회절 방지 필터;를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  9. 제2항에 있어서, 가간섭성의 콜리메이팅 조명광을 제공하는 백라이트 유닛;을 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 공간 광변조기의 픽셀의 개구 크기로 인해 발생하는 고차 회절 노이즈를 제거하는 회절 방지 필터;를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  11. 제1항에 있어서, 가간섭성의 콜리메이팅 조명광을 제공하는 백라이트 유닛;을 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공간 광변조기는,
    전체 복소 정보의 50% 이상, 100% 미만을 표현하도록 마련되는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 알고리즘은,
    목표 홀로그램의 위상을 상수 또는 랜덤으로 설정하고, 이를 역전파하여 상기 공간 광변조기 면에서의 CGH를 계산하여 적용하도록 마련된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 알고리즘은,
    상기 공간 광변조기의 복소 표현 범위가 허용하는 한계 내에서, 목표 홀로그램의 위상이 제한적 랜덤값을 표현하며 재생하도록 마련된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 알고리즘은
    목표 홀로그램의 위상을 랜덤으로 설정할 때, 역전파하여 상기 공간 광변조기 면에서의 계산된 CGH의 위상을 상기 공간 광변조기에서 표현 가능한 부분 복소영역에 맞게 제한하도록 마련된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 알고리즘은
    위상이 제한된 CGH로부터 재생된 홀로그램의 진폭과 초기에 설정한 홀로그램의 진폭 사이의 차이가 목표값보다 작아지도록 최적화하여, 제한적 랜덤 위상을 가지는 홀로그램을 재생하도록 마련된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 알고리즘은, 시스템 파라미터의 학습을 통해 시스템의 불완전성을 보정하도록 마련된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 시스템 파라미터는, 입사광 패턴의 불균일성이나 상기 공간 광변조기 정렬 오차를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 공간 광변조기는, 복수의 픽셀 어레이를 각각 구비하며, 서로 나란하게 배열되는 제1 및 제2공간 광변조기의 조합에 의해 부분 복소영역을 표현하며,
    상기 알고리즘은, 상기 제1공간 광변조기와 제2공간 광변조기의 정렬 파라미터를 추정하여 CGH를 최적화하도록 마련되는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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