KR20230012460A - 홀로그래픽 파면 프린팅을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20230012460A
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강 리
기승 방
앤드류 메이몬
창원 장
멩페이 왕
애프순 자말리
준렌 왕
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

홀로그래픽 기록 시스템은 홀로그래픽 재료 층을 위치시키도록 구성된 선형 병진 스테이지, 레이저 빔을 방출하도록 구성된 광원, 레이저 빔을 제1 광 빔과 제2 광 빔으로 분할하고 제2 광 빔을 홀로그래픽 재료 층을 향해 지향시키도록 구성된 빔 분할 서브시스템, 물체 빔을 생성하기 위해 제1 광 빔을 변조하는 프린지 패턴을 구현하도록 구성된 공간 광 변조기, 물체 빔을 필터링하도록 구성된 필더, 물체 빔을 축소하도록 구성된 축소 광학 서브시스템, 및 제2 광 빔과 간섭하도록 홀로그래픽 재료 층을 향해 한 세트의 방향들로 물체 빔을 지향시키도록 구성 가능한 전환 가능 격자 스택을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전환 가능 격자 스택은 스택으로 배열된 복수의 편광 격자들 및/또는 복수의 전환 가능 파장판들을 포함한다.

Description

홀로그래픽 파면 프린팅을 위한 시스템 및 방법
본 개시내용은 일반적으로 홀로그래픽 광학 요소들에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 복잡한 자유형 파면들을 재생할 수 있는 큰 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 기술들이 본 명세서에 개시되어 있다.
홀로그래픽 기록은 일반적으로 홀로그램과 같은 홀로그래픽 광학 요소(HOE)를 기록하기 위해 기록 재료에 간섭 패턴을 생성하는 데 (예를 들면, 기록 또는 인코딩될 물체로부터의 또는 이를 나타내는) 신호파(signal wave) 및 기준파(reference wave)를 사용한다. 따라서, 홀로그램은 물체 또는 장면으로부터의 광학 필드의 진폭 및 위상 정보 양쪽 모두를 인코딩할 수 있는 반면, 사진은 일반적으로 광학 필드의 2차원(2D) 진폭만을 기록할 수 있다. HOE가 기준파를 이용하여 예시될 때, HOE는 신호파를 재생하기 위해 기준파를 회절시키고, 따라서 물체 또는 장면의 광학 필드를 재구성할 수 있다. 홀로그래픽 기술들은, 3차원(3D) 디스플레이, 광학 계측, 의학, 상업 등과 같은, 많은 분야들에서 사용될 수 있다.
본 개시내용은 일반적으로 홀로그래픽 광학 요소들에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 복잡한 자유형 파면들을 재생할 수 있는 큰 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 기술들이 본 명세서에 개시되어 있다. 시스템들, 서브시스템들, 모듈들, 디바이스들, 컴포넌트들, 재료들, 방법들, 조성들, 프로세스들 등을 포함하는, 다양한 발명 실시예들이 본 명세서에서 설명된다.
특정 실시예들에 따르면, 홀로그래픽 기록 시스템은 홀로그래픽 재료 층을 위치시키도록 구성된 선형 병진 스테이지; 레이저 빔을 방출하도록 구성된 광원; 레이저 빔을 제1 광 빔과 제2 광 빔으로 분할하고 제2 광 빔을 홀로그래픽 재료 층을 향해 지향시키도록 구성된 빔 분할 서브시스템; 물체 빔을 생성하기 위해 제1 광 빔을 변조하는 프린지 패턴을 구현하도록 구성된 공간 광 변조기; 물체 빔을 축소하도록 구성된 축소 광학 서브시스템(demagnification optical subsystem); 및 제2 광 빔과 간섭하도록 홀로그래픽 재료 층을 향해 한 세트의 방향들로 물체 빔을 지향시키도록 구성 가능한 전환 가능 격자 스택을 포함한다.
홀로그래픽 기록 시스템의 일부 실시예들에서, 물체 빔은 자유형 파면을 특징으로 할 수 있다. 프린지 패턴은 컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램을 포함할 수 있다. 프린지 패턴은 제1 광 빔의 위상 또는 진폭 중 적어도 하나를 변조하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 기록 시스템은 공간 광 변조기가 렌즈의 한 초점 평면에 있도록 공간 광 변조기에 대해 위치된 렌즈, 및 렌즈의 다른 초점 평면에 위치되고 물체 빔을 필터링하도록 구성된 저역 통과 필터를 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 축소 광학 서브시스템은 상이한 각자의 초점 거리들에 의해 특징지어지는 2 개의 렌즈를 포함하는 텔레센트릭 서브시스템(telecentric subsystem)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 한 세트의 방향들은 적어도 전환 가능 격자 스택의 표면 법선 방향에 대해 30° 초과의 각도에 의해 특징지어지는 방향을 포함할 수 있다.
홀로그래픽 기록 시스템의 일부 실시예들에서, 전환 가능 격자 스택은 스택으로 배열되는 복수의 편광 격자들을 포함할 수 있다. 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는 우방향성 원 편광된 광 빔을 제1 방향으로 지향시키고 좌방향성 원 편광된 광 빔을 제2 방향으로 지향시키도록 구성 가능할 수 있다. 복수의 편광 격자들은 우방향성 원 편광 격자 또는 좌방향성 원 편광 격자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 복수의 편광 격자들은 편광 체적 격자, 수동 PBP(Pancharatnam-Berry Phase) 격자, 또는 능동 PBP 격자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는 우방향성 원 편광된 광 빔을 ±1 회절 차수들 중 하나로 회절시키고, 좌방향성 원 편광된 광 빔을 ±1 회절 차수들 중 다른 하나로 회절시키도록 구성 가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는 우방향성 원 편광된 광 빔 및 우방향성 원 편광된 광 빔 중 하나를 ±1 회절 차수들 중 하나로 회절시키고, 우방향성 원 편광된 광 빔 및 우방향성 원 편광된 광 빔 중 다른 하나의 전파 방향을 유지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 기록 시스템은 복수의 편광 격자들과 인터리빙되는 복수의 전환 가능 반파장판들을 또한 포함할 수 있으며, 여기서 복수의 전환 가능 반파장판들 각각은 스위치 온될 때 우방향성 원 편광된 입력 빔을 좌방향성 원 편광된 출력 빔으로 변환하고 좌방향성 원 편광된 입력 빔을 우방향성 원 편광된 빔으로 변환하며, 전압 신호에 의해 스위치 오프될 때 입력 빔의 편광 상태를 유지하도록 구성될 수 있다. 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는 상이한 각자의 격자 주기를 특징으로 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 복수의 편광 격자들은 복수의 능동 격자들을 포함할 수 있고; 복수의 능동 격자들 내의 각각의 능동 격자는: 스위치 온될 때, 원 편광된 광 빔을 회절시켜 원 편광된 광 빔의 편광 상태를 변경하며; 전압 신호에 의해 스위치 오프될 때, 입사 빔의 전파 방향 및 편광 상태를 유지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 기록 시스템은: 공간 광 변조기가 렌즈의 초점 평면에 있도록 공간 광 변조기에 대해 위치된 렌즈; 및 렌즈의 다른 초점 평면에 위치되고 물체 빔을 필터링하도록 구성된 저역 통과 필터를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 축소 광학 서브시스템은 상이한 각자의 초점 거리들에 의해 특징지어지는 2 개의 렌즈를 포함하는 텔레센트릭 서브시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 한 세트의 방향들은 적어도 전환 가능 격자 스택의 표면 법선 방향에 대해 30° 초과의 각도에 의해 특징지어지는 방향을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 기록 시스템은 제2 광 빔을 변조하는 제2 프린지 패턴을 구현하도록 구성된 제2 공간 광 변조기, 및 제2 광 빔을 축소하고 제2 광 빔을 홀로그래픽 재료 층을 향해 지향시키도록 구성된 제2 축소 광학 서브시스템을 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 기록 시스템은 제2 공간 광 변조기가 렌즈의 초점 평면에 있도록 제2 공간 광 변조기에 대해 위치된 렌즈; 및 렌즈의 다른 초점 평면에 위치되고 제2 광 빔을 필터링하도록 구성된 저역 통과 필터를 또한 포함할 수 있다.
특정한 실시예들에 따르면, 홀로그램의 복수의 홀로그램 요소들 중 한 홀로그램 요소를 기록하는 방법은 선형 병진 스테이지 상의 홀로그래픽 재료 층을 제1 위치에 위치시키도록 선형 병진 스테이지를 제어하는 단계; 프린지 패턴을 구현하기 위한 데이터를 공간 광 변조기에 제공하는 단계 - 프린지 패턴은, 콜리메이팅된 광 빔에 의해 조명될 때, 물체 빔을 생성할 수 있음 -; 물체 빔을 필터링하는 단계; 물체 빔을 축소하는 단계; 물체 빔을 한 세트의 이산 방향들 중 한 방향으로 조종하도록 전환 가능 격자 스택을 구성하는 단계; 및 홀로그램 요소를 형성하기 위해 홀로그래픽 재료 층의 한 구역을 물체 빔 및 기준 빔에 노광시키는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 이 방법은 제2 프린지 패턴을 구현하기 위한 데이터를 제2 공간 광 변조기에 제공하는 단계 - 제2 프린지 패턴은, 제2 콜리메이팅된 광 빔에 의해 조명될 때, 기준 빔을 생성할 수 있음 -; 기준 빔을 필터링하는 단계; 및 기준 빔을 축소하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전환 가능 격자 스택은 스택으로 배열되는 복수의 편광 격자들 및 복수의 전환 가능 반파장판들을 포함할 수 있다. 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는 우방향성 원 편광된 광 빔을 제1 방향으로 지향시키고 좌방향성 원 편광된 광 빔을 제2 방향으로 지향시키도록 구성 가능할 수 있다.
이 요약은 청구된 주제의 핵심적인 또는 필수적인 특징들을 식별해 주도록 의도되지도 않고, 청구된 주제의 범위를 결정하는 데 별도로 사용되도록 의도되지도 않는다. 본 주제는 본 개시내용의 전체 명세서의 적절한 부분들, 임의의 또는 모든 도면들, 및 각각의 청구항을 참조하여 이해되어야 한다. 전술한 내용은, 다른 특징들 및 예들과 함께, 이하의 명세서, 청구범위, 및 첨부 도면들에서 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
예시적인 실시예들은 이하의 도면들을 참조하여 아래에서 상세히 설명된다.
도 1a는 특정 실시예들에 따른 홀로그래픽 기록 시스템의 예를 예시한다. 도 1b는 물체파와 기준파를 사용하여 홀로그래픽 재료 층에 홀로그래픽 광학 요소를 기록하는 예를 예시한다.
도 2는 2 단계 포토폴리머를 포함하는 홀로그래픽 기록 재료의 예를 예시한다.
도 3a 및 도 3b는 포토폴리머 재료 층에 홀로그래픽 광학 요소를 기록하는 예를 예시한다. 도 3a는 노광되지 않은 포토폴리머 재료 층의 예를 예시한다. 도 3b는 포토폴리머 재료 층에서 홀로그래픽 기록 동안의 모노머 확산 및 중합의 예를 예시한다.
도 4는 특정 실시예들에 따른 큰 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 홀로그래픽 프린터의 예를 예시한다.
도 5는 특정 실시예들에 따른 큰 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위해 자유형 물체파들을 생성하기 위한 공간 광 변조기를 포함하는 홀로그래픽 프린터의 광학 서브시스템의 예를 예시한다.
도 6은 특정 실시예들에 따른 큰 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위해 자유형 물체파들을 생성하기 위한 공간 광 변조기를 포함하는 홀로그래픽 파면 프린터의 예의 단순화된 블록 다이어그램을 포함한다.
도 7a는 홀로그래픽 재료 층에 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 물체파들의 원하는 파면들의 예들을 예시한다. 도 7b는 도 7a의 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 홀로그래픽 프린터의 광학 서브시스템에 의해 생성되는 물체파들의 예들을 예시한다.
도 8a는 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 원하는 물체파들을 생성하기 위한 방법의 예를 예시한다. 도 8b는 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 원하는 물체파들을 생성하기 위한 컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램들의 예들을 예시한다.
도 9a는 홀로그래픽 광학 요소를 기록하기 위해 원하는 물체파를 생성하기 위한 공간 광 변조기를 사용하여 구현되는 프린지 패턴의 예, 및 푸리에 평면 상에서의 프린지 패턴의 푸리에 스펙트럼을 예시한다. 도 9b는 홀로그래픽 광학 요소를 기록하기 위해 원하는 물체파를 생성하기 위한 공간 광 변조기를 사용하여 구현되는 프린지 패턴의 예, 및 푸리에 평면 상에서의 프린지 패턴의 푸리에 스펙트럼을 예시한다. 도 9c는 홀로그래픽 광학 요소를 기록하기 위해 원하는 물체파를 생성하기 위한 공간 광 변조기를 사용하여 구현되는 프린지 패턴의 예, 및 푸리에 평면 상에서의 프린지 패턴의 푸리에 스펙트럼을 예시한다.
도 10a는 특정 실시예들에 따른 공간 광 변조기 및 전환 가능 격자 스택을 포함하는 홀로그래픽 파면 기록 시스템의 예를 예시한다. 도 10b는 특정 실시예들에 따른 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위해 원하는 물체파들을 생성하기 위한 공간 광 변조기를 사용하여 구현되는 프린지 패턴들의 예들, 및 푸리에 평면 상에서의 프린지 패턴들의 푸리에 스펙트럼을 예시한다.
도 11은 특정 실시예들에 따른 물체 빔을 큰 각도 범위로 조종하기 위한 전환 가능 격자 스택을 포함하는 빔 조종 디바이스의 예를 예시한다.
도 12는 특정 실시예들에 따른 도 11에 도시된 전환 가능 격자 스택에 의한 물체 빔 조종의 예들을 예시하는 다이어그램을 포함한다.
도 13a 내지 도 13d는 특정 실시예들에 따른 편광 체적 격자들의 예들의 동작들을 예시한다. 도 13a는 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광에 대한 우방향성 편광 체적 격자의 동작을 예시한다. 도 13b는 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광에 대한 우방향성 편광 체적 격자의 동작을 예시한다. 도 13c는 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광에 대한 좌방향성 편광 체적 격자의 동작을 예시한다. 도 13d는 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광에 대한 좌방향성 편광 체적 격자의 동작을 예시한다.
도 14a는 특정 실시예들에 따른 전환 가능 PBP(Pancharatnam-Berry phase) 격자의 예의 평면도이다. 도 14b는 특정 실시예들에 따른 도 14a에 도시된 전환 가능 PBP 격자의 예의 측면도이다. 도 14c는 특정 실시예들에 따른 스위치 오프되는 전환 가능 PBP 격자의 예의 평면도이다.
도 15a 내지 도 15c는 특정 실시예들에 따른 전환 가능 PBP 격자의 예의 동작들을 예시한다. 도 15a는 "ON" 상태에 있는 전환 가능 PBP 격자에 의한 우방향성 원 편광된 입사 광 빔의 회절의 예를 예시한다. 도 15b는 "ON" 상태에 있는 전환 가능 PBP 격자에 의한 좌방향성 원 편광된 입사 광 빔의 회절의 예를 예시한다. 도 15c는 "OFF" 상태에 있는 전환 가능 PBP 격자에 의한 입사 광 빔의 투과의 예를 예시한다.
도 16a 내지 도 16c는 특정 실시예들에 따른 전환 가능 PBP 격자의 예의 동작들을 예시한다. 도 16a는 "ON" 상태에 있는 전환 가능 PBP 격자에 의한 우방향성 원 편광된 입사 광 빔의 회절의 예를 예시한다. 도 16b는 "ON" 상태에 있는 전환 가능 PBP 격자에 의한 좌방향성 원 편광된 입사 광 빔의 회절의 예를 예시한다. 도 16c는 "OFF" 상태에 있는 전환 가능 PBP 격자에 의한 입사 광 빔의 투과의 예를 예시한다.
도 17a는 특정 실시예들에 따른 전환 가능 격자 스택의 동작의 예를 예시한다. 도 17b는 특정 실시예들에 따른 도 17a의 전환 가능 격자 스택의 동작의 예를 예시한다.
도 18a는 특정 실시예들에 따른 전환 가능 격자 스택의 동작의 예를 예시한다. 도 18b는 특정 실시예들에 따른 도 18a의 전환 가능 격자 스택의 동작의 예를 예시한다.
도 19는 특정 실시예들에 따른 홀로그래픽 프린터의 예의 단순화된 블록 다이어그램을 포함한다.
도 20은 특정 실시예들에 따른 홀로그래픽 광학 요소를 프린팅하는 방법의 예를 예시하는 단순화된 플로차트이다.
도 21은 특정 실시예들에 따른 근안 디스플레이를 포함하는 디스플레이 시스템 환경의 예의 단순화된 블록 다이어그램이다.
도 22는 본 명세서에서 개시되는 실시예들 중 일부를 구현하기 위한 컴퓨터 시스템의 예를 예시한다.
도면들은 예시 목적으로만 본 개시내용의 실시예들을 묘사한다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는, 이하의 설명으로부터, 예시된 구조들 및 방법들의 대안적인 실시예들이 본 개시내용의 원리들, 또는 내세우는 이점들을 벗어나지 않으면서 이용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.
첨부된 도면들에서, 유사한 컴포넌트들 및/또는 특징부들은 동일한 참조 라벨을 가질 수 있다. 게다가, 동일한 유형의 다양한 컴포넌트들은 참조 라벨 다음에 유사한 컴포넌트들을 구별하는 대시 및 제2 라벨을 뒤따르게 하는 것에 의해 구별될 수 있다. 명세서에서 첫 번째 참조 라벨만이 사용되는 경우, 두 번째 참조 라벨과 관계없이 동일한 첫 번째 참조 라벨을 갖는 유사한 컴포넌트들 중 임의의 것에 이 설명이 적용 가능하다.
본 명세서에서 개시되는 기술들은 일반적으로 홀로그래픽 광학 요소들에 관한 것이다. 더 구체적으로는 그리고 제한 없이, 홀로그래픽 파면 기록 프로세스들을 사용하여 높은 공간 주파수들을 갖는 홀로그래픽 광학 요소들을 제조하기 위한 기술들이 본 명세서에서 개시된다. 시스템들, 서브시스템들, 모듈들, 디바이스들, 컴포넌트들, 방법들, 프로세스들, 조성들, 재료들 등을 포함하는 다양한 발명 실시예들이 본 명세서에서 설명된다.
많은 기존의 3차원(3D) 디스플레이들은 디스플레이될 3D 물체들 또는 장면들로부터의 원래의 광파들을 재현하기보다는, 3D 물체들 또는 장면들의 상이한 투시 이미지들을 보는 사람의 두 눈에 개별적으로 디스플레이하는 것에 의해 3D 물체들 또는 장면들을 모방한다. 반면, 홀로그램들은 3D 물체들 또는 장면들로부터의 원래의 광파들을 재현할 수 있다. 홀로그램들 또는 다른 홀로그래픽 광학 요소들(HOE들)은 일반적으로 기록 재료에 간섭 패턴을 생성하기 위해 신호파(예를 들면, 물체로부터의 광파, 물체파 또는 물체 빔이라고도 지칭됨) 및 기준파를 사용하여 기록된다. 많은 응용 분야들에서, 임의의 복잡한 파면으로 광학 필드를 재구성할 수 있는 홀로그래픽 광학 요소를 기록하기 위해 자유형 파면 기록이 필요할 수 있다. 원하는 자유형 파면들을 갖는 신호파들은, 구형 렌즈들, 원통형 렌즈들, 및 프리즘들과 같은, 종래의 광학 장치를 사용하여 생성하기 어려울 수 있다. 일부 홀로그래픽 프린팅 시스템들에서, 공간 광 변조기(SLM)는 원하는 파면의 적어도 일 부분을 갖는 신호파를 생성하는 데 사용될 수 있다. 신호파는 (예를 들면, 0차 회절(DC) 성분을 제거하기 위해 DC 필터를 사용하여 그리고 고차 회절 성분들을 제거하기 위해 저역 통과 필터를 사용하여) 필터링될 수 있고, 이어서 홀로그래픽 기록 재료 층에 홀로그램 요소(종종 호겔(hogel)이라고 지칭됨)를 형성하기 위해, 예를 들어, 4-f 시스템을 통해 중계 및 (예를 들면, 횡방향 해상도(lateral resolution)를 개선시키기 위해) 축소될 수 있다. 홀로그래픽 기록 재료 층 또는 기록 시스템은 수정된 신호파로 다음 홀로그램 요소를 기록하기 위해 상이한 위치로 이동될 수 있다. 이러한 방식으로, 홀로그래픽 기록 재료 층 또는 기록 시스템을 스캐닝하는 것에 의해 큰 디스플레이 크기 및 큰 시야각 범위들을 위한 많은 홀로그램 요소들을 포함하는 큰 홀로그램이 기록될 수 있다.
일부 3D 디스플레이 시스템들과 같은 일부 응용 분야들에서, 높은 공간 주파수들(따라서 디스플레이된 이미지들에서의 높은 해상도들), 재구성된 광학 필드들에서의 큰 가시 각도 범위들(따라서 넓은 시야), 및 높은 회절 효율들(따라서 디스플레이된 이미지들에서의 높은 밝기)을 갖는 HOE들이 사용될 수 있다. 예를 들어, SLM들의 제한된 해상도 또는 공간 주파수 대역폭(및 완전 컬러 능력)으로 인해 기존의 홀로그래픽 프린팅 기술들을 사용하여 그러한 큰 HOE를 기록하기는 어려울 수 있다.
특정 실시예들에 따르면, 높은 효율들에서 큰 회절 각도들로 광을 회절시킬 수 있는 큰 HOE들을 기록하기 위해 홀로그래픽 프린팅 시스템에서 빔 조종 디바이스가 사용될 수 있다. SLM은 기본 공간 주파수들을 갖는 물체 빔을 생성하는 데 사용될 수 있고, 빔 조종 디바이스는 SLM에 의해 생성되는 물체 빔을 상이한 틸팅 각도들만큼 틸팅시키는 데 사용될 수 있다. 빔 조종 디바이스는 SLM에 의해 생성되는 기본 공간 주파수들을 더 높은 주파수들(예를 들면, SLM의 공간 주파수들과 빔 조종 디바이스의 공간 주파수의 합)로 이동시키기 위해 가변 캐리어 공간 주파수를 가질 수 있다. 환언하면, 높은 공간 주파수들을 갖는 원하는 SLM은 낮은 공간 주파수들을 갖는 SLM과 빔 조종 디바이스의 조합에 의해 달성될 수 있다. 이러한 방식으로, 더 낮은 해상도 또는 공간 주파수 대역폭을 갖는 SLM을 사용하여 큰 회절 각도들 및 높은 회절 효율들을 갖는 큰 HOE들이 기록될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기준 빔은 또한 SLM에 의해 변조될 수 있고/있거나 빔 조종 디바이스에 의해 틸팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 작은 홀로그램 요소들을 기록하기 위해 물체 빔 및 기준 빔이 축소될 수 있다.
빔 조종 디바이스는, 예를 들어, 전환 가능 브래그 격자들, PBP(Pancharatnam-Berry Phase) 격자들, 편광 체적 격자들, 액정 격자들, SLM들, 광학 위상 어레이들 등을 사용하여 구현될 수 있다. 일 예에서, 빔 조종 디바이스는 PBP 격자들의 스택을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 PBP 격자는 입사 광을 상이한 각자의 각도들만큼 틸팅시키도록 구성될 수 있으며, 따라서 상이한 전체 틸트각들이 스택에서의 개별 PBP 격자들의 상이한 구성에 의해 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, PBP 격자들은 스위치 온 또는 오프될 수 있는 능동 격자들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 빔 조종 디바이스는 PBP 격자들과 인터리빙되는 하나 이상의 전환 가능 편광 변환기를 포함할 수 있으며, 여기서 전환 가능 편광 변환기들은 PBP 격자들에 입사하는 입력 빔들의 편광 상태들을 설정하는 데 사용될 수 있다.
이하의 설명에서, 설명 목적으로, 본 개시내용의 예들에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 세부 사항들이 기재된다. 그렇지만, 이러한 특정 세부 사항들 없이 다양한 예들이 실시될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 예를 들어, 디바이스들, 시스템들, 구조들, 어셈블리들, 방법들, 및 다른 컴포넌트들은 예들을 불필요한 세부 사항으로 모호하게 하지 않기 위해 블록 다이어그램 형태의 컴포넌트들로서 도시될 수 있다. 다른 경우에, 잘 알려진 디바이스들, 프로세스들, 시스템들, 구조들, 및 기술들은 예들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 필요한 세부 사항 없이 도시될 수 있다. 도면들 및 설명은 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 개시내용에서 이용된 용어들 및 표현들은 제한이 아니라 설명으로서 사용되며, 그러한 용어들 및 표현들을 사용하는 데 있어서 도시되고 설명된 특징부들 또는 그의 부분들의 임의의 균등물들을 배제하려는 의도는 없다. “예시적인”이라는 단어는 본 명세서에서 "예, 인스턴스, 또는 예시로서 역할하는" 것을 의미하기 위해 사용된다. 본 명세서에서 "예시적인"으로서 설명되는 임의의 실시예 또는 설계는 반드시 다른 실시예들 또는 설계들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
홀로그램은 광학 필드의 진폭 및 위상 정보 양쪽 모두를 인코딩할 수 있는 반면, 사진은 일반적으로 광학 필드의 2차원(2D) 진폭만을 기록할 수 있다. HOE들을 기록하기 위한 원하는 광 간섭 패턴을 생성하기 위해, 적어도 2 개의 간섭성 빔이 일반적으로 사용될 수 있으며, 여기서 하나의 빔은 기준 빔일 수 있고 다른 빔은 기록될 물체 또는 장면의 원하는 파면을 가질 수 있는 물체 빔일 수 있다. 기록된 HOE들이 기준 빔에 의해 조명될 때, 원하는 파면을 갖는 물체 빔이 재구성될 수 있다. 홀로그래픽 기술들은 많은 분야들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 3D 물체들 및 장면들을 홀로그램으로 기록하기 위해 홀로그래픽 프린팅 기술들이 사용될 수 있으며, 여기서 보는 사람이 상이한 시점들로부터 3D 물체들 및 장면들을 볼 수 있도록 홀로그램들이, 예를 들어, 백색 광에 의해 조명될 때 3D 물체들 및 장면들로부터의 광 필드들이 재구성될 수 있다.
도 1a는 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 홀로그래픽 기록 시스템(100)의 예를 예시한다. 홀로그래픽 기록 시스템(100)은, 입사하는 콜리메이팅된 레이저 빔(102)을 간섭성이고 유사한 강도들을 갖는 2 개의 광 빔(112 및 114)으로 분할할 수 있는, 빔 스플리터(110)(예를 들면, 편광 빔 스플리터 큐브)를 포함한다. 광 빔(112)은 반사된 광 빔(122)으로 도시된 바와 같이 제1 미러(120)에 의해 플레이트(130)를 향해 반사될 수 있다. 다른 경로에서, 광 빔(114)은 제2 미러(140)에 의해 반사될 수 있다. 반사된 광 빔은 물체(144)를 조명하기 위해 물체(144)(예를 들면, 기록될 물체 또는 SLM)로 지향될 수 있다. 물체(144)로부터의 광 빔(142)은 플레이트(130)를 향해 지향될 수 있고, 플레이트(130)에서 광 빔(122)과 간섭하여 밝은 프린지들 및 어두운 프린지들을 포함할 수 있는 간섭 패턴을 생성할 수 있다. 홀로그래픽 기록 재료 층(150)은 플레이트(130) 상에 또는 플레이트(130) 상에 실장된 기판 상에 형성될 수 있다. 간섭 패턴은 위에서 설명된 바와 같이 홀로그래픽 광학 요소가 홀로그래픽 기록 재료 층(150)에 기록되게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 마스크(160)는 홀로그래픽 기록 재료 층(150)의 상이한 영역들에 상이한 HOE들을 기록하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 마스크(160)는 홀로그래픽 기록을 위한 애퍼처(162)를 포함할 수 있고, 상이한 기록 조건들(예를 들면, 상이한 각도들 또는 상이한 파면들을 갖는 빔들을 기록하는 것) 하에서 상이한 영역들에 상이한 HOE들을 기록하기 위해 홀로그래픽 기록 재료 층(150) 상의 상이한 영역들에 애퍼처(162)를 배치하도록 이동될 수 있다.
도 1b는 물체 빔(182)(예를 들면, 광 빔(142)) 및 기준 빔(184)(예를 들면, 광 빔(122))을 사용하여 홀로그래픽 재료 층(180)에 홀로그래픽 광학 요소를 기록하는 예를 예시한다. 물체 빔(182)과 기준 빔(184)은 간섭성일 수 있다, 예컨대, 동일한 레이저 소스로부터의 것일 수 있다. 물체 빔(182)은 기록될 물체 또는 장면을 나타내는 임의의 파면을 가질 수 있다. 예를 들어, 렌즈를 기록하기 위해, 물체 빔(182)의 파면은 구형일 수 있다. 가상 물체를 기록하기 위해, 물체 빔(182)은 컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램(CGH)에 의해 회절된 빔일 수 있다. 기준 빔(184)은, 예를 들어, 평면파일 수 있거나 평평하지 않은 파면을 가질 수 있다. 물체 빔(182)과 기준 빔(184)은, 간섭성이기 때문에, 홀로그래픽 재료 층(180)에 원하는 광학 프린지 패턴(예를 들면, 밝고 어두운 프린지들)을 생성하기 위해 서로 간섭할 수 있다. 광학 프린지 패턴은 감광성 홀로그래픽 재료 층(180)에 고유한 굴절률 변조 패턴을 생성할 수 있으며, 여기서 굴절률 변조 패턴은 광학 프린지 패턴에 대응할 수 있다.
감광성 재료 층은, 예를 들어, 할로겐화은 에멀션, 중크롬화 젤라틴, 폴리머 매트릭스에 현탁된 광중합성 모노머를 포함하는 포토폴리머, 광굴절성 결정 등을 포함할 수 있다. 감광성 홀로그래픽 재료 층에서의 홀로그래픽 기록 재료(예를 들면, 홀로그래픽 기록 재료 층(150) 또는 홀로그래픽 재료 층(180))는, 공간 주파수 응답, 다이내믹 레인지, 감광도, 물리적 치수, 기계적 특성들, 파장 감도, 및 홀로그래픽 기록 재료에 대한 현상 또는 표백(bleaching) 방법과 같은, 홀로그래픽 기록 재료의 일부 파라미터들에 기초하여 특정 응용 분야들을 위해 선택될 수 있다.
다이내믹 레인지는 홀로그래픽 기록 재료에서 달성될 수 있는 굴절률 변화를 나타낸다. 다이내믹 레인지는, 예를 들어, 높은 효율을 달성하는 디바이스의 두께, 및 홀로그래픽 재료 층에서 다중화될 수 있는 홀로그램 수에 영향을 미칠 수 있다. 다이내믹 레인지는 굴절률 변조에 의해 표현될 수 있으며, 총 굴절률 변화의 1/2일 수 있다. 일반적으로, 회절 효율을 개선시키고 동일한 홀로그래픽 재료 층에 다수의 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위해 홀로그래픽 광학 요소들에서의 큰 굴절률 변조가 요망된다. 그렇지만, 홀로그래픽 포토폴리머 재료의 경우, 홀로그래픽 포토폴리머 재료에서의 모노머의 용해도 제한으로 인해, 최대 달성 가능 굴절률 변조 또는 다이내믹 레인지가 제한될 수 있다.
공간 주파수 응답은 홀로그래픽 재료가 기록할 수 있는 피처 크기의 척도이며 달성될 수 있는 브래그 조건의 유형을 좌우할 수 있다. 공간 주파수 응답은, 다양한 주파수들의 사인파를 나타내는 곡선일 수 있는, 변조 전달 함수에 의해 특징지어질 수 있다. 일반적으로, 단일 공간 주파수 값은, 굴절률 변조가 떨어지기 시작하거나 굴절률 변조가 3dB만큼 감소되는 공간 주파수 값을 나타낼 수 있는, 주파수 응답을 나타내는 데 사용될 수 있다. 공간 주파수 응답은 또한 선 수/mm, 선 쌍 수/mm, 또는 사인파의 주기에 의해 나타내어질 수 있다.
홀로그래픽 기록 재료의 감광도는, 100%(또는 광굴절성 결정의 경우 1%)와 같은, 특정 효율을 달성하는 데 사용되는 광선량(photo-dosage)을 나타낼 수 있다. 특정 홀로그래픽 재료에서 달성될 수 있는 물리적 치수는 HOE 디바이스의 스펙트럼 선택성뿐만 아니라 애퍼처 크기에 영향을 줄 수 있다. 홀로그래픽 기록 재료의 물리적 파라미터는, 예를 들어, 손상 임계값 및 환경 안정성을 포함할 수 있다. 파장 감도는 기록 셋업을 위한 광원을 선택하는 데 사용될 수 있으며, 최소 달성 가능 주기에도 영향을 미칠 수 있다. 일부 재료들은 넓은 파장 범위의 광에 민감할 수 있다. 많은 홀로그래픽 재료들은 노광 후(post-exposure) 현상 또는 표백을 필요로 할 수 있다. 현상 고려 사항은 기록 후에 홀로그램 재료가 어떻게 현상되거나 달리 처리되는지를 포함할 수 있다.
인공 현실 시스템을 위한 홀로그래픽 광학 요소를 기록하기 위해, 홀로그래픽 재료가 가시 광에 민감하고, 큰 굴절률 변조(Δn)(예를 들면, 하이 다이내믹 레인지(high dynamic range))를 생성할 수 있으며, 사슬 이동 및 종결(chain transfer and termination) 반응이 억제될 수 있도록 모노머 및/또는 폴리머의 시간적으로 및 공간적으로 제어 가능한 반응 및/또는 확산을 가질 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 홀로그래픽 기록을 위한 홀로그래픽 재료 층의 일 예는 2 단계 포토폴리머이다.
도 2는 2 단계 포토폴리머를 포함하는 홀로그래픽 기록 재료의 예를 예시한다. 2 단계 포토폴리머의 원료(210)는 매트릭스 전구체(212) 및 이미징 성분(214)을 포함하는 수지일 수 있다. 원료(210) 내의 매트릭스 전구체(212)는 중합하여 폴리머 바인더(222)에 의해 형성되는 가교 매트릭스를 포함하는 포토폴리머 필름(220)을 형성하기 위해 제1 단계에서 열적으로 또는 달리 경화될 수 있는 모노머를 포함할 수 있다. 이미징 성분(214)은 라이팅 모노머(writing monomer) 및, 감광성 염료, 개시제, 및/또는 사슬 이동제(chain transfer agent)와 같은, 중합 개시제를 포함할 수 있다. 따라서, 포토폴리머 필름(220)은 폴리머 바인더(222), 라이팅 모노머(예를 들면, 아크릴레이트 모노머), 및, 감광성 염료, 개시제, 및/또는 사슬 이동제와 같은, 개시제를 포함한다. 폴리머 바인더(222)는 라이팅 모노머 및 개시제에 대한 백본(backbone) 또는 지지 매트릭스로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 폴리머 바인더(222)는, 홀로그래픽 노광 동안 기계적 지지를 제공하고 광 패턴에 의한 굴절률 변조가 영구적으로 보존되도록 보장할 수 있는, 저굴절률(예를 들면, < 1.5) 고무상 폴리머(rubbery polymer)(예를 들면, 폴리우레탄)를 포함할 수 있다.
라이팅 모노머 및 중합 개시제를 포함하는 이미징 성분(214)은 지지 매트릭스에 분산될 수 있다. 라이팅 모노머는 굴절률 변조기로서 역할할 수 있다. 예를 들어, 라이팅 모노머는 개시제와 반응하여 중합할 수 있는 고굴절률 아크릴레이트 모노머를 포함할 수 있다. 감광성 염료는, 라디칼, 양이온(예를 들면, 산), 또는 음이온(예를 들면, 염기)와 같은, 활성종(active species)을 생성하기 위해 광을 흡수하고 개시제와 상호작용하는 데 사용될 수 있다. 활성종(예를 들면, 라디칼)은 모노머를 공격하는 것에 의해 중합을 개시할 수 있다. 예를 들어, 일부 모노머들에서, 하나의 전자 쌍은 시그마 결합에서 2 개의 탄소 사이에 단단히 고정될 수 있고, 다른 전자 쌍은 파이 결합에서 더 느슨하게 고정될 수 있으며, 자유 라디칼은 파이 결합으로부터의 하나의 전자를 사용하여 2 개의 탄소 원자에서의 제1 탄소 원자와 더 안정적인 결합을 형성할 수 있다. 파이 결합으로부터의 다른 전자는 2 개의 탄소 원자에서의 제2 탄소 원자로 돌아가 전체 분자를 다른 라디칼로 바꿀 수 있다. 따라서, 모노머 사슬(예를 들면, 폴리머)은 모노머 사슬의 끝에 추가적인 모노머를 추가하는 것 및 모노머 사슬의 끝으로 라디칼을 이동시켜 더 많은 모노머들을 공격하고 사슬에 추가하는 것에 의해 형성될 수 있다.
기록 프로세스(예를 들면, 제2 단계) 동안, 2 개의 간섭성 빔(240 및 242) 사이의 간섭에 의해 생성되는 간섭 패턴은 밝은 프린지 내의 감광성 염료 및 개시제로 하여금, 개시제로부터의, 라디칼, 양이온(예를 들면, 산), 또는 음이온(예를 들면, 염기)과 같은, 활성종을 생성하게 할 수 있으며, 여기서 활성종(예를 들면, 라디칼)은 개시제로부터 모노머로 이동하고 위에서 설명된 바와 같이 밝은 프린지에서의 모노머의 중합을 유발할 수 있다. 개시제 또는 라디칼은 폴리머 매트릭스 상의 수소 원자를 추출할 때 폴리머 매트릭스에 결합될 수 있다. 라디칼은 사슬에 더 많은 모노머들을 추가하기 위해 모노머 사슬의 끝으로 이동될 수 있다. 밝은 프린지에서의 모노머가 모노머 사슬에 부착되는 동안, 노광되지 않은 어두운 영역에서의 모노머는 중합을 향상시키기 위해 밝은 프린지로 확산될 수 있다. 그 결과, 중합 농도 및 밀도 구배가 광중합 필름(220)에 형성될 수 있고, 라이팅 모노머의 더 높은 굴절률로 인해 광중합 필름(220)에서의 굴절률 변조를 결과할 수 있다. 예를 들어, 더 높은 농도의 모노머 및 중합을 갖는 구역은 더 높은 굴절률을 가질 수 있다. 따라서, 홀로그램 또는 홀로그래픽 광학 요소(230)가 포토폴리머 필름(220)에 형성될 수 있다.
노광 동안, 하나의 모노머 사슬의 끝에 있는 라디칼이 다른 모노머 사슬의 끝에 있는 라디칼과 결합하여 더 긴 사슬을 형성하고 중합을 종결할 수 있다. 라디칼 결합(radical combination)으로 인한 종결 외에도, 중합은 또한 폴리머의 불균등화 반응(disproportionation)에 의해 종결될 수 있으며, 여기서 한 사슬로부터의 수소 원자가 다른 사슬로 추출되어 말단 불포화기(terminal unsaturated group)를 갖는 폴리머 및 말단 포화기(terminal saturated group)를 갖는 폴리머를 생성할 수 있다. 불순물 또는 억제제(예를 들면, 산소)와의 상호작용으로 인해 중합이 또한 종결될 수 있다. 추가적으로, 노광 및 중합이 진행됨에 따라, 더 적은 모노머가 확산 및 중합에 이용 가능할 수 있고, 따라서 확산 및 중합이 억제될 수 있다. 더 이상 모노머가 없을 때까지 또는 노광으로 인해 모노머 사슬이 종결될 때까지 중합이 중단될 수 있다. 모든 또는 실질적으로 모든 모노머가 중합된 후에, 더 이상 새로운 홀로그래픽 광학 요소(예를 들면, 격자)가 포토폴리머 필름(220)에 기록될 수 없다.
일부 실시예들에서, 감광성 재료 층에서의 기록된 홀로그래픽 광학 요소는, 예를 들어, 염료 표백, 중합을 완료하는 것, 기록된 패턴을 영구적으로 고정시키는 것, 및 굴절률 변조를 향상시키는 것을 위해 UV 경화되거나 열 경화 또는 강화될 수 있다. 프로세스의 끝에서, 홀로그래픽 격자와 같은, 홀로그래픽 광학 요소가 형성될 수 있다. 홀로그래픽 격자는, 예를 들어, 수 미크론, 수십 미크론, 또는 수백 미크론의 두께를 갖는 체적 브래그 격자일 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 포토폴리머 재료 층(300)에 홀로그래픽 광학 요소를 기록하는 예를 예시한다. 도 3a는 지지 폴리머 매트릭스(305)(예를 들면, 폴리머 바인더(222)에 의해 형성되는 가교 매트릭스)를 포함할 수 있는 수지에 현탁되는 모노머(310)를 포함할 수 있는 노광되지 않은 포토폴리머 재료 층(300)을 예시한다. 모노머(310)는 포토폴리머 재료 층(300) 내에 실질적으로 균일하게 분포될 수 있다.
도 3b는 홀로그래픽 기록 동안의 모노머 확산 및 중합의 예를 예시한다. 포토폴리머 재료 층(300)이 광 패턴(320)에 노광될 때, 모노머(310)는 포토폴리머 재료 층(300)의 밝은 프린지로 확산되고 위에서 설명된 바와 같이 중합되어 밝은 프린지에 폴리머(330 및 340)를 형성할 수 있다. 폴리머(330)와 같은 일부 폴리머들은 폴리머 매트릭스(305)에 결합될 수 있다. 폴리머(340)와 같은 일부 폴리머들은 폴리머 매트릭스(305)에 결합되지 않을 수 있다. 그 결과, 중합 농도 및 밀도 구배가 포토폴리머 재료 층(300)에 형성될 수 있고, 라이팅 모노머의 더 높은 굴절률로 인해 포토폴리머 재료 층(300)에서의 굴절률 변조를 결과할 수 있다. 따라서, 더 높은 농도의 모노머 및 중합을 갖는 구역은 더 높은 굴절률을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 광 패턴(320)이 포토폴리머 재료 층(300)에 기록될 수 있다.
3D 물체 또는 장면의 방향, 색상 및 깊이 정보를 인코딩할 수 있는 홀로그래픽 광학 요소 또는 홀로그램은, 홀로그래픽 스테레오그램 프린터, 홀로그래픽 프린지 프린터, 및 홀로그래픽 파면 프린터와 같은, 홀로그래픽 프린터를 사용하여 홀로그래픽 재료로 제조될 수 있다. 홀로그래픽 프린터에서, 광 프린지 패턴을 형성하도록 기준 빔과 간섭하기 위해 물체파가 생성될 필요가 있을 수 있다. 구형 렌즈, 원통형 렌즈, 프리즘 등과 같은, 종래의 물리적 광학 컴포넌트를 사용하여 임의의 자유형 파면을 생성하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 프린터에서, 기록될 정보는 일반적으로 수치적으로 합성된 물체파의 파면을 생성하기 위해 SLM에 의해 디스플레이될 수 있다. 홀로그래픽 프린터는 이어서 SLM에 의해 제공되는 정보를 위에서 설명된 바와 같이 아날로그 홀로그램이 기록되는 방식으로 감광성 홀로그래픽 재료에 기록할 수 있다.
공간 광 변조기는 입사 광 파의 강도, 위상, 편광 상태 및/또는 방향을 변조할 수 있다. 변조는 SLM의 개별 주소 지정 가능 픽셀에 제어 신호를 인가할 수 있는 제어 회로에 의해 제어될 수 있다. SLM의 예는 LCOS(liquid-crystal-on-silicon) SLM 및 DMD(digital micro-mirror device)를 포함할 수 있다. LCOS SLM은 일반적으로 DMD SLM보다 더 작은 픽셀 피치를 가질 수 있다. LCOS SLM을 포함하는 위상 SLM에서, 실리콘 기판 상의 액정 층은 원하는 광 변조를 수행하기 위해 전압 신호에 의해 제어될 수 있다. 주소 지정 회로가 실리콘 기판 상에 형성될 수 있고, 액정 층의 양면에 픽셀에 대한 개별 전극이 형성될 수 있다. 전압 신호가 픽셀의 전극들에 인가될 때, 액정 층에서의 전기장은 액정 분자를 전기장과 상관관계가 있을 수 있는 각도만큼 틸팅시킬 수 있고, 이는 픽셀의 굴절률(따라서 광학 경로 길이)의 변화를 야기할 수 있다. 광학 경로 길이의 변화는 SLM을 통과하는 광학 빔의 위상을 변화시킬 수 있다. 픽셀의 굴절률이 액정 분자의 배향에 의존할 수 있고, 액정 분자의 배향이 차례로 전기장의 강도 및 방향에 의존할 수 있기 때문에, 픽셀에 인가되는 전압 신호를 변경하는 것에 의해 픽셀의 위상 지연이 변경될 수 있다. 예를 들어, SLM에서의 픽셀은 2 개의 레벨, 4 개의 레벨, 8 개의 레벨, 16 개의 레벨, 또는 그 이상의 레벨과 같은, 다중 레벨의 위상 지연을 갖도록 제어될 수 있다. 픽셀에 인가되는 전압 신호에 의해 제어될 수 있는 액정 분자의 배향의 변화에 의해 입사 광 빔의 편광 상태, 강도 및 전파 방향이 또한 변경될 수 있다.
SLM은 최대 몇 평방 인치의 면적을 가질 수 있는 2D 어레이로 배열된 특정 수의 개별적으로 제어 가능한 픽셀(셀이라고도 지칭됨)을 가질 수 있다. 픽셀은 각각 특정 크기를 가질 수 있다. 2D 어레이의 피치는 1 미크론 미만 내지 수 미크론, 수십 미크론, 또는 그 이상의 범위일 수 있다. 따라서, SLM의 총 픽셀 수, 해상도(예를 들면, 단위 면적 내의 픽셀 수), 및 최대 달성 가능 공간 주파수(예를 들면, 단위 길이 내의 주기 또는 사이클 수, 예를 들면, 1/주기)가 제한될 수 있다.
나노미터 크기의 감광성 입자를 갖는 홀로그래픽 재료에 기록되는 아날로그 홀로그램은 SLM보다 훨씬 더 높은 해상도와 공간 주파수를 달성할 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 프린팅에 사용되는 SLM의 제한된 크기, 해상도, 및 공간 주파수 대역폭으로 인해, 프린팅된 홀로그램은 일반적으로 여러 번의 노광을 통해 기록되는 홀로그램 요소들의 2D 어레이를 포함할 수 있다. 전체 홀로그램의 기록은 SLM에 의해 생성되는 물체파의 각자의 부분들 및 홀로그래픽 재료 층들을 상이한 위치들의 2D 어레이에 위치시킬 수 있는 전동식 2D 선형 병진 스테이지를 사용한 홀로그램 요소들의 연속적인 노광들에 의해 수행될 수 있다.
홀로그래픽 스테레오그램 프린터는 2D 투시 이미지들의 배열로부터 합성되는 홀로그래픽 스테레오그램을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 홀로그래픽 스테레오그램을 만들기 위해, 물체 또는 장면의 2D 이미지 시퀀스가 다수의 시점들로부터 비간섭적으로 획득된다. 투시 이미지에 의해 전달되는 방향 정보는 시차 관련 이미지를 형성하도록 처리되며, 이 시차 관련 이미지가 물체의 신호파의 강도를 변조하고, 투영 스크린에 디스플레이한 후에, 위에서 설명된 2 빔 기록 방식으로 간섭성 소스에 의해 홀로그래픽 감광성 재료에 기록된다. 전체 홀로그램은 시차 관련 이미지에 순차적으로 노광되는 많은 홀로그램 요소들(호겔들이라고 지칭됨)로 분할될 수 있다. 홀로그램에 기록되는 프린지 패턴의 조명은 투시도의 공간 다중화에 의해 3D 물체 또는 장면을 재구성할 수 있다. 따라서, 보는 사람의 좌안과 우안은 물체 또는 장면에 대한 상이한 시점들을 관찰할 수 있으며, 따라서 보는 사람이 양안 시차로 인해 입체시를 인지할 수 있다. 백색 광 가시성 홀로그래픽 스테레오그램은 2차원 이미지를 공간적으로 다중화하고, 따라서 실제 3차원 이미지을 재구성하지 못할 수 있다.
홀로그래픽 스테레오그램 프린터는 디스플레이 시스템의 공간 대역폭(SBP) 및 깊이 성능을 개선시키기 위해 다수의 홀로그램 요소들의 공간 이동을 통한 준 3D(quasi-3D) 시각화에 사용할 수 있다. 홀로그래픽 스테레오그램 프린팅은 카메라에 의해 캡처되거나 컴퓨터 그래픽을 사용하여 모델링되는 실제 또는 가상 물체의 이미지로부터 고해상도 완전 시차 재구성을 제공할 수 있다. 방향 정보만 렌더링하는 계산과 펄스 레이저 소스를 사용한 구현은 큰 크기의 홀로그램을 프린팅하는 것을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 스테레오그램 프린팅은 큰 물체의 고품질 홀로그래픽 준 3D 이미징을 가능하게 할 수 있다. 홀로그래픽 스테레오그램 기술이 조밀한 광선들의 기록에 기초하기 때문에, 회절 효과 및 유한 이산 시점 세트로부터의 광선들의 공간/각도 샘플링은 재구성된 준 3D 이미지의 품질의 저하를 야기할 수 있다. 홀로그래픽 스테레오그램 프린터는 일반적으로 SLM에 의해 회절되는 광의 제0 회절 차수를 이용한다.
홀로그래픽 프린지 프린터는 광에 민감한 재료 상에 3D 물체 또는 장면의 컴퓨터에 의해 생성된 프린지 패턴(예를 들면, CGH)을 직접적으로 프린팅할 수 있다. CGH의 프린지 패턴은 철저한 회절 분석에 기초하여 계산될 수 있는데, 이는 시간이 많이 소요될 수 있다. 계산된 프린지 패턴의 일 부분이 SLM 상에 디스플레이될 수 있고, 프린지 패턴의 해당 부분의 축소된 버전은, 재구성을 위해 레이저 조명을 필요로 할 수 있는, 얇은 홀로그램 요소로서 홀로그래픽 재료 층에 기록될 수 있다. 노광 후에, 홀로그래픽 재료 층은 다른 홀로그램 요소를 기록하기 위해 스테핑 모터에 의해 제어되는 매우 정확한 2D 선형 병진 스테이지에 의해 이동될 수 있다. 프린팅된 프린지 패턴의 해상도는 SLM의 품질 및 SLM으로부터 홀로그래픽 재료 층으로 이미지를 전사하는 데 사용되는 광학 장치에 의존할 수 있다. 홀로그래픽 프린지 프린터에서 사용되는 SLM은 넓은 시야각을 보장하기 위해 높은 공간 해상도를 가질 필요가 있을 수 있다.
홀로그래픽 파면 프린터는 3D 물체 또는 장면으로부터의 물체파 또는 CGH(예를 들면, SLM에 의해 디스플레이됨)로부터의 물체파를 아날로그 체적 홀로그램(analog volume hologram)으로서 기록한다. 물체의 방향 정보 및 깊이 정보 양쪽 모두가 기록된다. 대상 3D 물체 또는 장면의 디지털적으로 설계된 파면이 CGH에 의해 광학적으로 재현되고 홀로그램 기록 재료에 기록되기 때문에, 진폭과 위상 분포 양쪽 모두를 완전히 제어하는 임의의 파면이 기록될 수 있다. SLM 디바이스가 전체 홀로그램을 디스플레이할 수 없기 때문에, 홀로그램에 대한 데이터가 한 세트의 홀로그램 요소들에 대한 데이터 세트로 분할될 수 있으며, 각각의 홀로그램 요소에 대한 파면이 SLM을 사용하여 순차적으로 생성되고 전동식 선형 병진 스테이지에 의해 위치되는 홀로그램 기록 재료 층의 영역에 기록된다. 홀로그래픽 파면 프린터는 일반적으로 SLM에 의해 회절되는 광의 제1 회절 차수를 사용한다.
도 4는 특정 실시예들에 따른 큰 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 홀로그래픽 프린터(400)의 예를 예시한다. 홀로그래픽 프린터(400)는 위에서 설명된 홀로그래픽 스테레오그램 프린터, 홀로그래픽 프린지 프린터, 또는 홀로그래픽 파면 프린터일 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 프린터(400)는 홀로그래픽 스테레오그램 프린터일 수 있으며, 여기서 물체 또는 장면의 투시 이미지가 확장된 레이저 빔(410)에 의해 조명되는 SLM(420) 상에 디스플레이될 수 있고 광학 서브시스템(430)(예를 들면, 렌즈)에 의해 홀로그래픽 재료 층(460)의 미리 정의된 구역 상에 물체 빔(432)으로서 수렴될 수 있다. 미리 정의된 구역은 홀로그램 요소(470)(종종 호겔이라고 지칭됨)의 크기를 결정할 수 있다. 기준 빔(440)은 반대편 측면으로부터 동일한 구역에 입사하여 홀로그램 요소(470)를 생성한다. 따라서, SLM 상에 디스플레이되는 투시 이미지에 관한 정보가 물체 빔(432)과 기준 빔(440)에 의해 형성되는 간섭 패턴으로서 홀로그램 요소(470)에 기록된다. 하나의 홀로그램 요소(470)가 기록된 후에, 전동식 2축 선형 스테이지(450)는 홀로그래픽 재료 층(460)을 x 방향 및/또는 y 방향으로 다음 기록 위치로 병진시킬 수 있고, 다음 홀로그램 요소에 대한 투시 이미지가 다음 홀로그램 요소 기록을 위해 SLM 상에 디스플레이될 수 있다. 전동식 2축 선형 스테이지(450)가 각각의 축을 따라 병진하는 스텝은 홀로그램 요소의 크기보다 크거나 같을 수 있다.
일부 실시예들에서, 홀로그래픽 프린터(400)는 홀로그래픽 파면 프린터일 수 있고, 여기서 SLM(420)은 홀로그램 요소를 기록하기 위한 원하는 파면을 갖는 물체 빔(432)을 생성하기 위해 CGH를 디스플레이할 수 있다. SLM(420)에 의해 생성되는 물체 빔(432)은 축소되어 광학 서브시스템(430)에 의해 홀로그래픽 재료 층(460) 상으로 중계될 수 있다.
도 5는 특정 실시예들에 따른 큰 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위해 자유형 물체파들을 생성하기 위한 공간 광 변조기(510)를 포함하는 홀로그래픽 프린터의 광학 서브시스템(500)의 예를 예시한다. 광학 서브시스템(500)은 도 4의 SLM(420)과 광학 서브시스템(430)의 조합의 예일 수 있다. 예시된 예에서, 광학 서브시스템(500)은 SLM(510), 초점 거리 f1을 갖는 제1 렌즈(520), 마스크(530), 초점 거리 f2를 갖는 제2 렌즈(540), 및 초점 거리 f3을 갖는 제3 렌즈(550)를 포함할 수 있다. SLM(510)은 제1 렌즈(520)의 한쪽 측면에서 거리 f1에 위치될 수 있다. 마스크(530)는 제1 렌즈(520)의 다른 쪽 측면에서 거리 f1에 위치될 수 있고 제2 렌즈(540)로부터 거리 f2에 있을 수 있다. 홀로그래픽 재료 층(560)이 제3 렌즈(550)로부터 거리 f3에 배치될 수 있다. 제2 렌즈(540)의 초점 거리 f2는 제1 렌즈(520)의 초점 거리 f1보다 짧거나 같을 수 있다.
홀로그래픽 스테레오그램 프린터에서, SLM(510)에 의해 생성되는 투시 이미지는, 콜리메이팅된 빔(502)에 의해 조명될 때, 제1 렌즈(520)에 의해 마스크(530)가 위치하는 푸리에 평면으로 푸리에 변환될 수 있다. 마스크(530)를 통과한 후에, 신호 빔은 축소되어 제2 렌즈(540) 및 제3 렌즈(550)(예를 들면, 4-f 광학 장치)를 통해, 예를 들어, 위에서 설명된 포토폴리머를 포함할 수 있는, 홀로그래픽 재료 층(560)으로 중계될 수 있다. 홀로그래픽 재료 층(560)의 평면에서, 중계된 신호 빔은 반대편 측면으로부터의 기준 빔(570)과 간섭하여 간섭 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, SLM 상의 정보가 간섭 패턴에 대응하는 굴절률 변조를 갖는 홀로그래픽 재료 층(560)에 기록될 수 있다.
마스크(530)는 홀로그램 요소의 크기 및 형상을 설정하도록 설계되는 애퍼처를 포함할 수 있다. 예를 들어, 마스크(530)에서의 애퍼처의 크기가 더 작을 때 홀로그램 요소의 크기는 더 작을 수 있다. 마스크(530)가 푸리에 평면에 위치하기 때문에 마스크(530)는 또한 SLM(510)으로부터의 신호 빔의 푸리에 스펙트럼의 공간 필터링을 수행할 수 있다. 마스크(530)는 SLM(510)에 의해 디스플레이되는 이미지의 높은 회절 차수 성분들을 차단하는 저역 통과 공간 필터로서 기능할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 일반적으로, 홀로그래픽 스테레오그램 프린터에서, 마스크(530)는 SLM(510)으로부터 회절되는 광의 제0 회절 차수만이 통과하도록 할 수 있다. 그 결과, 작은 호겔을 달성하기 위해 마스크(530)에서의 애퍼처가 매우 작은 경우, SLM(510)에 의해 디스플레이되는 투시 이미지가 홀로그래픽 재료 층으로 완전히 전사되지는 않을 수 있고, 따라서 흐릿한 이미지가 기록될 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 스테레오그램의 높은 횡방향 해상도를 달성하기 위해 작은 크기의 호겔을 기록하는 것은 투시 이미지의 고주파 성분의 손실을 야기할 수 있고, 따라서 기록된 이미지의 품질을 저하시킬 수 있다.
도 6은 특정 실시예들에 따른 큰 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위해 자유형 물체파들을 생성하기 위한 공간 광 변조기(610)를 포함하는 홀로그래픽 파면 프린터(600)의 예의 단순화된 블록 다이어그램을 포함한다. 예시된 예에서, 홀로그래픽 파면 프린터(600)는 SLM(610), 원하는 CGH(예를 들면, 디지털적으로 설계된 HOE)를 구현하도록 SLM(610)을 제어하는 제어기(605), 편광 빔 스플리터(PBS)(620), 제1 초점 거리 f1을 갖는 제1 렌즈(630), 필터(640), 제2 초점 거리 f2를 갖는 제2 렌즈(650), 및 선택적으로 제3 렌즈(660) 및 제4 렌즈(670)를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 파면 프린터(600)는 홀로그래픽 재료 층(680)이 형성되는 플레이트(684)를 위치시키기 위해 하나 이상의 스텝 모터에 의해 구동될 수 있는 전동식 2D 병진 스테이지(685)를 또한 포함할 수 있다. 홀로그래픽 파면 프린터(600)는 원하는 CGH를 구현하도록 SLM(610)을 제어하는 제어기(605)(예를 들면, 컴퓨터, 마이크로컨트롤러, 또는 다른 제어 회로)를 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(605)는 또한 전동식 2D 병진 스테이지(685)의 동작을 제어하거나 SLM(610)과 전동식 2D 병진 스테이지(685)의 동작들을 동기화시킬 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, SLM(610)은 대상 물체 또는 장면의 전체 파면을 재현하는 원하는 해상도, 공간 주파수 대역폭, 및 픽셀 수를 갖지 않을 수 있다. 따라서, 전체 홀로그램에 대한 데이터는 한 세트의 홀로그램 요소들에 대한 데이터 세트로 분할될 수 있으며, 각각의 홀로그램 요소에 대한 데이터로부터 생성되는 파면은 전동식 2D 병진 스테이지(685)를 사용하여 홀로그래픽 재료 층(680)의 상이한 구역들에 순차적으로 기록될 수 있다.
홀로그래픽 파면 프린터(600)의 작동 동안, (예를 들면, 약 532 nm의) 콜리메이팅된 물체 빔(602)이 PBS(620)에 의해 SLM(610)으로 지향될 수 있다. SLM(610)은 홀로그램 요소에 대응하는 홀로그래픽 프린지 패턴(예를 들면, CGH)을 구현하기 위해 제어기(605)로부터 데이터를 수신할 수 있다. 변조된 물체 빔이 대상 3D 물체 또는 장면의 광학 필드의 일부의 파면을 가질 수 있도록 물체 빔이 SLM(610)에 의해 변조될 수 있다. 변조된 물체 빔은 제1 렌즈(630)에 의해 푸리에 변환될 수 있다. 고차 회절파 및 변조되지 않은 0차 파와 같은 원하지 않는 광은 푸리에 평면에서 필터(640)에 의해 필터링될 수 있으며, 여기서 SLM(610)에 의한 1차(±1차) 회절만이 통과하도록 허용될 수 있다. 예를 들어, 필터(640)는 변조되지 않은 0차 파를 필터링 제거할 수 있는 DC 필터(예를 들면, 크롬 스폿(chrome spot)), 및 높은 회절 차수들을 필터링 제거할 수 있는 저역 통과 필터(예를 들면, 애퍼처)를 포함할 수 있다. 1차 회절을 포함하는 물체 빔은 제1 렌즈(630) 및 제2 렌즈(650)를 포함하는 텔레센트릭 시스템에 의해 축소될 수 있으며, 여기서 물체 빔이 축소될 수 있도록 제1 렌즈(630)의 초점 거리 f1은 제2 렌즈(650)의 초점 거리 f2보다 길 수 있다. 일부 실시예들에서, 플레이트(684) 및 홀로그래픽 재료 층(680)은 제2 렌즈(650)의 초점에 위치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 렌즈(660) 및 제4 렌즈(670)를 포함하는 제2 텔레센트릭 시스템은, 대안적으로 또는 추가적으로, 물체 빔을 축소하는데 사용될 수 있으며, 여기서 플레이트(684) 및 홀로그래픽 재료 층(680)은 제4 렌즈(670)의 초점에 위치할 수 있다. 물체 빔의 축소되고 변조된 파면은 반사형 체적 홀로그램 요소(682)를 형성하기 위해 물체 빔의 반대편 측면으로부터 홀로그래픽 재료 층(680)에서 입사하는 기준 빔(690)(예를 들면, 평면파)과 간섭할 수 있다.
다음 홀로그램 요소를 기록하기 위해, 다음 홀로그램 요소에 대한 데이터가 SLM(610)으로 송신될 수 있고, 플레이트(684) 및 홀로그래픽 재료 층(680)이 전동식 2D 병진 스테이지(685)에 의해 다음 위치로 이동될 수 있다. 모든 홀로그램 요소들이 기록된 후에, 홀로그래픽 재료 층(680)은 대상 물체 또는 장면의 광학 필드의 파면을 인코딩하는 원하는 홀로그램을 형성하기 위해 처리된다, 예컨대, 경화되거나 표백된다. 홀로그램은 백색 광 조명 하에서 재구성될 수 있다.
도 6에 도시되어 있지 않지만, 일부 실시예들에서, 기준 빔(690)은 또한, 홀로그래픽 재료 층(680)에 도달하기 전에, 공간 광 변조기에 의해 변조되고, DC 필터 및/또는 저역 통과 필터에 의해 필터링되며, 하나 이상의 텔레센트릭 시스템에 의해 축소될 수 있다. 평면파보다는 변조된 기준 빔을 사용하는 것은, 예를 들어, 임의의 복잡한 파면을 재구성할 수 있고/있거나 물체 빔을 변조하는 데 사용되는 SLM에 대한 요구 사항을 감소시킬 수 있는 홀로그램을 기록하는 데 도움이 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기준 빔은 또한 빔 조종 디바이스에 의해 조종될 수 있다.
일부 3차원 디스플레이 시스템들과 같은, 일부 응용 분야들에서, 높은 공간 주파수, 재구성된 광학 필드에서의 큰 시야각 범위, 및 높은 회절 효율을 갖는 HOE가 사용될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이 각각의 노광에서 홀로그램 요소들의 2D 어레이를 포함하는 HOE의 하나의 홀로그램 요소가 기록되는 일련의 노광들에서 HOE가 기록되더라도, 예를 들어, SLM의 제한된 해상도와 공간 주파수 대역폭으로 인해 위에서 설명된 홀로그래픽 프린팅 기술을 사용하여 그러한 큰 HOE를 기록하는 것은 어려울 수 있다.
도 7a는 홀로그래픽 재료 층(750)에 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 물체파들의 원하는 파면들의 예들을 예시한다. 도시된 예에서, 원하는 HOE들(712, 722, 732)은 홀로그래픽 렌즈들일 수 있다. 예를 들어, HOE(712)는 중심이 홀로그래픽 렌즈의 광학 축으로부터 오프셋된 홀로그래픽 렌즈일 수 있고, 물체파(710)를 사용하여 기록될 수 있다. HOE(722)는 중심이 홀로그래픽 렌즈의 광학 축에 있는 홀로그래픽 렌즈일 수 있고, 물체파(720)를 사용하여 기록될 수 있다. HOE(732)는 중심이 홀로그래픽 렌즈의 광학 축으로부터 오프셋된 홀로그래픽 렌즈일 수 있고, 물체파(730)를 사용하여 기록될 수 있다. 물체파(710), 물체파(720), 및 물체파(730)는 구면파일 수 있으며, 여기서 파면들은 각각 구체의 표면의 일 부분일 수 있다.
도 7b는 홀로그래픽 재료 층(750)에 도 7a의 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 홀로그래픽 프린터의 광학 서브시스템(740)에 의해 생성되는 물체파들의 예들을 예시한다. 광학 서브시스템(740)은 CGH 또는 다른 프린지 패턴들을 구현할 수 있는 SLM을 포함할 수 있다. 콜리메이팅된 빔에 의해 조명될 때, SLM에 의해 구현되는 홀로그래픽 프린지 패턴은 홀로그래픽 재료 층(750)에 홀로그래픽 광학 요소를 기록하기 위한 원하는 파면을 갖는 물체파를 생성하기 위해 콜리메이팅된 빔을 (예를 들면, 회절에 의해) 변조할 수 있다. 예를 들어, HOE(712)를 기록하기 위해, 광학 서브시스템(740)은 물체파(710)을 생성할 수 있고; HOE(722)를 기록하기 위해, 광학 서브시스템(740)은 물체파(720)를 생성할 수 있으며; HOE(732)를 기록하기 위해, 광학 서브시스템(740)은 물체파(730)를 생성할 수 있다. 광학 서브시스템(740)에 의해 생성되는 물체파는 기준 빔(예를 들면, 평면파)과 간섭하여 홀로그래픽 재료 층(750)에 프린지 패턴을 형성할 수 있다.
도 8a는 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 원하는 물체파들을 생성하기 위한 방법의 예를 예시한다. 홀로그래픽 렌즈를 기록하기 위한 구면파를 생성하기 위해, 콜리메이팅된 레이저 빔(평면파)이 렌즈(810)의 일 부분을 통과할 수 있으며, 여기서 렌즈는 레이저 빔의 파면을 평면파로부터 구면파로 수정할 수 있다. 콜리메이팅된 레이저 빔이 렌즈(810)에 입사되는 위치에 따라, 렌즈(810)는 레이저 빔의 파면의 전파 방향을 상이하게 변경할 수 있다. 예를 들어, 콜리메이팅된 광 빔(820)이 제1 영역(812)에서 렌즈(810)에 입사할 때, 중심(805) 및 전파 방향(822)을 갖는 구면파가 생성될 수 있다. 콜리메이팅된 광 빔(830)이 제2 영역(814)(예를 들면, 중심 영역)에서 렌즈(810)에 입사할 때, 중심(805) 및 전파 방향(832)을 갖는 구면파가 생성될 수 있다. 콜리메이팅된 광 빔(840)이 제3 영역(816)에서 렌즈(810)에 입사할 때, 중심(805) 및 전파 방향(842)을 갖는 구면파가 생성될 수 있다. 렌즈(810) 또는 렌즈(810)의 각각의 영역의 파면 수정 기능은 SLM을 사용하여 구현될 수 있는 CGH에 의해 달성될 수 있다.
도 8b는 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위한 원하는 물체파들을 생성하기 위한 컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램들의 예들을 예시한다. 예를 들어, CGH(850)는 렌즈(810)의 파면 수정 기능을 수행할 수 있다. CGH(850)의 일 부분(852)은 렌즈(810)의 제1 영역(812)의 파면 수정 기능을 수행할 수 있다. CGH(850)의 일 부분(854)은 렌즈(810)의 제2 영역(814)의 파면 수정 기능을 수행할 수 있다. CGH(850)의 일 부분(856)은 렌즈(810)의 제3 영역(816)의 파면 수정 기능을 수행할 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, CGH(850)의 부분들(852 및 856)에서의 프린지 패턴들은 CGH(850)의 부분(854)에서의 프린지 패턴보다 훨씬 더 높은 공간 주파수들을 가질 수 있다.
도 9a는 홀로그래픽 광학 요소를 기록하기 위해 원하는 물체파를 생성하기 위한 공간 광 변조기를 사용하여 구현되는 프린지 패턴(910)의 예, 및 푸리에 평면 상에서의 프린지 패턴(910)의 푸리에 스펙트럼(912)을 예시한다. 프린지 패턴(910)은, 렌즈(810)의 제1 영역(812)과 같은, 중심에서 벗어난 렌즈의 파면 변조 기능을 수행할 수 있다. 프린지 패턴(910)의 푸리에 스펙트럼(912)은 푸리에 스펙트럼(912)의 중심 영역에 없는 성분들을 포함하며, 이는 프린지 패턴(910)이 높은 공간 주파수를 가질 수 있음을 나타낸다.
도 9b는 홀로그래픽 광학 요소를 기록하기 위해 원하는 물체파를 생성하기 위한 공간 광 변조기를 사용하여 구현되는 프린지 패턴(920)의 예, 및 푸리에 평면 상에서의 프린지 패턴(920)의 푸리에 스펙트럼(922)을 예시한다. 프린지 패턴(920)은, 렌즈(810)의 제2 영역(814)과 같은, 중심에 있는 렌즈의 파면 변조 기능을 수행할 수 있다. 프린지 패턴(920)의 푸리에 스펙트럼(922)은 푸리에 스펙트럼(922)의 중심 영역에 있는 성분들을 포함하며, 이는 프린지 패턴(920)이 낮은 공간 주파수를 가질 수 있음을 나타낸다.
도 9c는 홀로그래픽 광학 요소를 기록하기 위해 원하는 물체파를 생성하기 위한 공간 광 변조기를 사용하여 구현되는 프린지 패턴(930)의 예, 및 푸리에 평면 상에서의 프린지 패턴(930)의 푸리에 스펙트럼(932)을 예시한다. 프린지 패턴(930)은, 렌즈(810)의 제3 영역(816)과 같은, 중심에서 벗어난 렌즈의 파면 변조 기능을 수행할 수 있다. 프린지 패턴(930)의 푸리에 스펙트럼(932)은 푸리에 스펙트럼(932)의 중심 영역에 없는 성분들을 포함하며, 이는 프린지 패턴(930)이 높은 공간 주파수를 가질 수 있음을 나타낸다.
도 8b 및 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 일부 프린지 패턴들의 공간 주파수들은 매우 높을 수 있으며, 따라서 SLM이 충분히 많은 수의 픽셀들을 가지더라도 제한된 해상도와 공간 주파수를 가질 수 있는 SLM을 사용하여 프린지 패턴이 생성되지 않을 수 있다.
특정 실시예들에 따르면, 높은 회절 효율들에서 큰 회절 각도들로 광을 회절시킬 수 있는 큰 HOE들을 기록하기 위해 홀로그래픽 프린팅 시스템에서 공간 광 변조기와 조합하여 빔 조종 디바이스가 사용될 수 있다. SLM은 기본 공간 주파수들을 갖는 물체 빔을 생성할 수 있다. 빔 조종 디바이스는 이어서 SLM에 의해 생성되는 물체 빔을 원하는 방향으로 조종할 수 있으며, 이는 물체 빔의 기본 공간 주파수들을 높은 공간 주파수들로 이동시킨다. 따라서, SLM과 빔 조종 디바이스는, 결합하여, 높은 공간 주파수들을 갖는 물체 빔을 생성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 빔 조종 디바이스는 가변 피치를 갖는 능동 격자를 포함할 수 있다. 가변 피치를 갖는 능동 격자는 가변 공간 주파수를 가질 수 있고, 따라서 SLM에 의해 생성된 물체 빔의 기본 공간 주파수들을 더 높은 공간 주파수들로 이동시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 빔 조종 디바이스는, 갈보 미러(Galvo mirror) 또는 MEMS(micro-electro-mechanical system) 미러와 같은, 스캐닝 미러를 포함할 수 있다.
특정 실시예들에 따르면, 빔 조종 디바이스는 동일하거나 상이한 피치들을 갖는 다수의 격자들을 포함하는 전환 가능 격자 스택을 포함할 수 있다. 전환 가능 격자 스택은 SLM에 의해 생성되는 물체 빔을 원하는 방향으로 지향시키도록 전환될 수 있으며, 이는 물체 빔의 기본 공간 주파수들을 높은 공간 주파수들로 이동시킨다. 따라서, SLM과 빔 조종 디바이스의 조합에 의해 원하는 높은 공간 주파수들을 갖는 물체 빔들이 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 더 낮은 해상도 또는 더 낮은 최대 달성 가능 공간 주파수를 갖는 SLM을 사용하여 큰 회절 각도들을 갖는 큰 HOE들이 기록될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전환 가능 격자 스택에서의 격자들은 전환 가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전환 가능 격자 스택은 전환 가능 편광 변환기들(예를 들면, 전환 가능 반파장판들)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전환 가능 격자 스택은 전환 가능 격자 또는 전환 가능 편광 변환기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 10a는 특정 실시예들에 따른 공간 광 변조기(1010) 및 전환 가능 격자 스택(1020)을 포함하는 홀로그래픽 파면 기록 시스템(1000)의 예를 예시한다. 위에서 설명된 바와 같이, SLM(1010)은 제어 회로에 의해 제어되는 픽셀들의 2D 어레이를 포함할 수 있다. 제어 회로는 프린지 패턴(예를 들면, CGH)에 대한 데이터를 수신하고 수신된 데이터에 기초하여 SLM(1010)의 픽셀들에 상이한 전압 신호들을 인가하며, 그에 따라 SLM(1010)이 프린지 패턴을 구현할 수 있다. 콜리메이팅된 빔에 의해 조명될 때, 프린지 패턴을 구현하는 SLM(1010)의 픽셀들은 물체 빔(1012)을 생성하기 위해 회절에 의해 콜리메이팅된 빔의 위상 및/또는 진폭을 변조할 수 있다. SLM(1010)에 의해 구현될 수 있는 프린지 패턴의 제한된 해상도 및 공간 주파수로 인해, 물체 빔(1012)은 상대적으로 작은 회절 각도들을 가질 수 있고, 따라서 작은 각도 범위로부터 보일 수 있을 수 있다.
전환 가능 격자 스택(1020)은 입사 광을 회절시키거나 회절하지 않도록, 또는 상이한 회절 각도들만큼 상이한 편광 상태들의 입사 광을 회절시키도록 구성될 수 있는 다수의 격자들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전환 가능 격자 스택(1020)에서의 격자들은 전환 가능 격자에 전압 신호가 인가되지 않을 때 입사 광을 회절시키기 위해 "ON" 상태에 있을 수 있고 임계 전압보다 높은 전압 신호가 전환 가능 격자에 인가될 때 입사 광을 회절시키지 않기 위해(예를 들면, 투과시키기 위해) "OFF" 상태로 전환될 수 있는 전환 가능 격자들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전환 가능 격자 스택(1020)에서의 하나 이상의 격자는 편광 의존적일 수 있고 상이한 편광 상태들의 입사 광을 상이한 방향들로 회절시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 전환 가능 격자 스택(1020)은, 입사 광의 편광 상태를 변경하도록 또는 입사 광의 편광 상태를 유지하도록 구성될 수 있는 전환 가능 반파장판들 및/또는 전환 가능 편광기들과 같은, 하나 이상의 전환 가능 편광 변환기를 포함할 수 있다.
전환 가능 격자 스택(1020)에서의 다수의 격자들은 상이한 격자 주기들 또는 동일한 격자 주기를 가질 수 있다. 일 예에서, 다수의 격자들 각각은 상이한 각자의 격자 주기를 가질 수 있고, 따라서 상이한 회절 각도들만큼 입사 빔을 회절시킬 수 있다. 따라서, 전환 가능 격자 스택(1020)에서의 다수의 격자들이 상이하게(예를 들면, 스위치 온 또는 오프되는 것, 또는 상이한 편광 상태들의 광을 수신함) 구성될 때, 전환 가능 격자 스택(1020)은 상이한 방향들로 전파하는 물체 빔들(1022, 1024, 및 1026)에 의해 예시된 바와 같이 입사 물체 빔(1012)을 상이한 방향들로 회절시킬 수 있다. 이에 따라, 전환 가능 격자 스택(1020)은 입사 광을 한 세트의 방향들로 지향시킬 수 있는 빔 조종 디바이스일 수 있다. 추가적으로, 전환 가능 격자 스택(1020)에서의 격자들 사이의 거리 및 홀로그래픽 재료 층(1030)과 전환 가능 격자 스택(1020) 사이의 거리는 입사 광이 홀로그래픽 재료 층(1030) 상의 한 세트의 원하는 영역들로 지향될 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 전환 가능 격자 스택(1020)은 입사 광 빔이 원하는 방향으로부터 홀로그래픽 재료 층(1030) 상의 원하는 영역에 도달하도록 전환 가능 격자 스택(1020)에 의해 조종될 수 있도록 제어될 수 있다.
도 10b는 특정 실시예들에 따른 홀로그래픽 광학 요소들을 기록하기 위해 원하는 물체파들을 생성하기 위한 공간 광 변조기(예를 들면, SLM(1010))를 사용하여 구현되는 프린지 패턴들의 예들, 및 푸리에 평면 상에서의 프린지 패턴들의 푸리에 스펙트럼을 예시한다. 예를 들어, 물체 빔(1022)을 생성하기 위해, SLM은, 렌즈(810)의 제2 영역(814)과 같은, 중심에 있는 렌즈의 파면 변조 기능을 수행할 수 있는 프린지 패턴(1040)을 구현하도록 제어될 수 있다. 프린지 패턴(1040)의 푸리에 스펙트럼(1042)은 푸리에 스펙트럼(1042)의 중심 영역에 있는 성분들을 포함하며, 이는 프린지 패턴(1040)이 낮은 공간 주파수들을 가질 수 있음을 나타낸다. 프린지 패턴(1040)에 의한 콜리메이팅된 레이저 빔의 회절에 의해 생성되는 물체 빔(예를 들면, 물체 빔(1012))은 이어서 물체 빔(1012)을 도 10a에 도시된 물체 빔 방향(1022)으로 지향시키도록 구성된 전환 가능 격자 스택(1020)에 의해 조종될 수 있다.
물체 빔(1024)을 생성하기 위해, SLM은, 렌즈(810)의 제2 영역(814)과 같은, 중심에 있는 렌즈의 파면 변조 기능을 수행할 수 있는 프린지 패턴(1050)을 구현하도록 제어될 수 있다. 따라서, 프린지 패턴(1050)은 프린지 패턴(1040)과 동일하거나 유사할 수 있다. 프린지 패턴(1050)의 푸리에 스펙트럼(1052)은 푸리에 스펙트럼(1052)의 중심 영역에 있는 성분들을 포함하며, 이는 프린지 패턴(1050)이 낮은 공간 주파수들을 가질 수 있음을 나타낸다. 프린지 패턴(1050)에 의한 콜리메이팅된 레이저 빔의 회절에 의해 생성되는 물체 빔(예를 들면, 물체 빔(1012))은 이어서 도 10a에 도시된 물체 빔 방향(1024)으로 전환 가능 격자 스택(1020)에 의해 조종될 수 있다. 예를 들어, 전환 가능 격자 스택(1020)에서의 격자들은 격자들에 전압 신호들을 인가하는 것에 의해 스위치 오프될 수 있거나, 물체 빔(1012)이 전환 가능 격자 스택(1020)을 통과한 후에 전파 방향을 변경하지 않을 수 있도록 각각의 격자에 입사하는 광의 편광 상태가 (예를 들면, 전환 가능 편광 변환기에 의해) 설정될 수 있다.
물체 빔(1026)을 생성하기 위해, SLM은, 렌즈(810)의 제2 영역(814)과 같은, 중심에 있는 렌즈의 파면 변조 기능을 수행할 수 있는 프린지 패턴(1060)을 구현하도록 제어될 수 있다. 따라서, 프린지 패턴(1060)은 프린지 패턴(1040) 및 프린지 패턴(1050)과 동일하거나 유사할 수 있다. 프린지 패턴(1060)의 푸리에 스펙트럼(1062)은 푸리에 스펙트럼(1062)의 중심 영역에 있는 성분들을 포함하며, 이는 프린지 패턴(1060)이 낮은 공간 주파수들을 가질 수 있음을 나타낸다. 프린지 패턴(1060)에 의한 콜리메이팅된 레이저 빔의 회절에 의해 생성되는 물체 빔(예를 들면, 물체 빔(1012))은 이어서 물체 빔(1012)을 도 10a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 물체 빔 방향(1026)으로 지향시키도록 구성된 전환 가능 격자 스택(1020)에 의해 조종될 수 있다.
이에 따라, 도 7a 내지 도 9c와 관련하여 위에서 설명된 홀로그래픽 프린팅 시스템들에서의 SLM과 비교하여, 홀로그래픽 파면 기록 시스템(1000)에서 사용되는 SLM(1010)은 HOE들(712, 722 및 732)을 기록하기 위해 높은 해상도 및 높은 달성 가능 공간 주파수를 가질 필요가 없을 수 있다.
도 11은 특정 실시예들에 따른 물체 빔을 큰 각도 범위로 조종하기 위한 전환 가능 격자 스택을 포함하는 빔 조종 디바이스(1100)의 예를 예시한다. 빔 조종 디바이스(1100)는 전환 가능 격자 스택(1020)의 예일 수 있다. 예시된 예에서, 전환 가능 격자 스택은 제1 편광 격자(1110), 제2 편광 격자(1120), 및 제3 편광 격자(1130)를 포함할 수 있다. 제1 편광 격자(1110), 제2 편광 격자(1120), 및 제3 편광 격자(1130)는 상이한 편광 상태들의 입사 광을 상이하게 회절시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 편광 격자는 좌방향성 원 편광된 광을 회절시키고 우방향성 원 편광된 광을 투과시킬 수 있거나, 우방향성 원 편광된 광을 회절시키고 좌방향성 원 편광된 광을 투과시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 편광 격자는 좌방향성 원 편광된 광을 제1 방향으로 회절시키고 우방향성 원 편광된 광을 제2 방향으로 회절시킬 수 있거나, 우방향성 원 편광된 광을 제1 방향으로 회절시키고 좌방향성 원 편광된 광을 제2 방향으로 회절시킬 수 있다.
제1 편광 격자(1110), 제2 편광 격자(1120), 및 제3 편광 격자(1130)는, 얇은 기판들 또는 박막들과 같은, 스페이서들(1112 및 1122)에 의해 분리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 11에 도시된 전환 가능 격자 스택은 스택에서의 하나 이상의 격자 이전에 하나 이상의 수동 또는 능동 편광기 또는 다른 편광 변환기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스페이서들(1112 및 1122)은 하나 이상의 편광기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 편광 변환기는 광 빔의 편광 상태를 변경할 수 있다, 예컨대, 광 빔의 편광 상태를 좌방향성 원 편광(LHCP)으로부터 우방향성 원 편광(RHCP)으로 또는 그 반대로 변환할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 편광 변환기는 스위치 온 또는 오프될 수 있는 능동 편광 변환기들일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 편광 변환기는 입사 광의 편광 상태를 반대 편광 상태로(예를 들면, LHCP로부터 RHCP로, 또는 RHCP로부터 LHCP로) 변경하기 위해 스위치 온될 수 있고, 입사 광의 편광 상태를 유지하기 위해 스위치 오프될 수 있는 전환 가능 반파장판들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 편광 격자(1110), 제2 편광 격자(1120), 또는 제3 편광 격자(1130) 중 적어도 하나는 입사 광을 회절시키기 위해 스위치 온될 수 있고 입사 광을 투과시키기 위해 스위치 오프될 수 있는 능동 격자일 수 있다. 예를 들어, 편광 격자는 전압 신호가 편광 격자에 인가되지 않을 때 입사 광을 회절시키기 위해 "ON" 상태에 있을 수 있고, 임계 레벨보다 높은 전압 신호가 편광 격자에 인가될 때 입사 광을 회절시키지 않기 위해(예를 들면, 투과시키기 위해) "OFF" 상태로 전환될 수 있다.
편광 격자들은 상이한 각자의 격자 주기들을 가질 수 있고, 따라서 상이한 회절 각도들만큼 입사 빔을 회절시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 편광 격자(1110)는 상이한 원 편광된 입사 빔들을 제1 회절 차수들에서 약 ±5.3°만큼 회절시킬 수 있고, 제2 편광 격자(1120)는 상이한 원 편광된 입사 빔들을 제1 회절 차수들에서 약 ±10.8°만큼 회절시킬 수 있으며, 제3 편광 격자(1130)는 상이한 원 편광된 입사 빔들을 제1 회절 차수들에서 약 ±22°만큼 회절시킬 수 있다. 따라서, 스택에서의 편광 격자들 및/또는 편광 변환기들이 상이하게(예를 들면, 스위치 온 또는 오프) 구성될 때, 전환 가능 격자 스택은 도 11에 도시된 바와 같이 입사 물체 빔(1150)을 상이한 방향들로 회절시킬 수 있다.
또한, 제1 편광 격자(1110), 제2 편광 격자(1120), 및 제3 편광 격자(1130)는 스페이서들에 의해 특정 거리들만큼 서로 분리될 수 있다. 도 11에 도시된 예에서, 스페이서(1112)는 약 0.3 mm의 두께를 가질 수 있고, 스페이서(1122)도 또한 약 0.3 mm의 두께를 가질 수 있다. 제3 편광 격자(1130)는 스페이서(1132)에 의해 기판(1142) 상에 있는 홀로그래픽 재료 층(1140)으로부터 분리될 수 있다. 도 11에 도시된 예에서, 스페이서(1132)는 약 0.4 mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 편광 격자(1110), 제2 편광 격자(1120), 제3 편광 격자(1130), 및 홀로그래픽 재료 층(1140)은 입사 물체 빔(1150)이 도 11에 도시된 바와 같이 상이한 각자의 방향들로부터 홀로그래픽 재료 층(1140) 상의 적어도 8 개의 상이한 영역으로 지향될 수 있도록 배열될 수 있다.
도 12는 특정 실시예들에 따른 도 11에 도시된 전환 가능 격자 스택에 의한 물체 빔 조종의 예들을 예시하는 다이어그램(1200)을 포함한다. 각각의 원(1210)은 전환 가능 격자 스택에 의해 조종되는 물체 빔의 중심을 나타낸다. 도 12에서 원(1210)에 중심을 둔 상자(1220)는 전환 가능 격자 스택에 의해 이동되는 바와 같은 기본 물체 빔을 생성하기 위해 SLM에 의해 구현되는 프린지 패턴의 공간 주파수 범위를 나타낸다. 물체 빔이 X-Y 평면에서 각각의 방향으로 약 ±60°의 시야를 커버할 수 있도록, 전환 가능 격자 스택은 물체 빔의 중심을 X-Y 평면에서 각각의 방향으로 8 개의 위치 중 하나로 조종할 수 있다.
위에서 설명된 전환 가능 격자 스택은, 예를 들어, 편광 체적 격자(PVG), 전환 가능 브래그 격자(SBG), PBP(Pancharatnam-Berry phase) 격자, 광학 위상 어레이(OPA), 액정 격자, SLM, 수동 또는 능동 선형 편광기, 수동 또는 능동 원 편광기, 수동 또는 능동 파장판, 또는 이들의 임의의 조합들을 사용하여 구현될 수 있다.
도 13a 내지 도 13d는 특정 실시예들에 따른 편광 체적 격자들의 예들의 동작들을 예시한다. PVG는, 예를 들어, 광 정렬 재료, 또는 다른 패터닝된 복굴절 나노구조를 갖는 액정 분자를 포함할 수 있다. PVG는 반사 모드 또는 투과 모드에서 작동할 수 있고, 편광 선택적일 수 있다. 일 예에서, PVG는 나선 구조로 배열된 액정 분자를 포함할 수 있다. 그러한 PVG는 광 전파 방향에서 볼 때 액정 분자가 반시계 방향 회전 패턴으로 배열될 때 좌방향성(LH) PVG라고 지칭될 수 있거나, 광 전파 방향에서 볼 때 액정 분자가 시계 방향 회전 패턴으로 배열될 때 우방향성(RH) PVG라고 지칭될 수 있다. 주어진 광 전파 방향에 대해, LH PVG는 RH PVG로서 역할하도록 뒤집힐 수 있고, RH PVG는 LH PVG로서 역할하도록 뒤집힐 수 있다. 따라서, LH PVG 및 RH PVG라는 명칭은, 상이한 유형들의 PVG들이 아니라, PVG와 입력 광 간의 상호작용을 설명한다. 전기장의 방향을 따라 액정 분자들을 재정렬시키기 위해 PVG들에 전기장이 인가될 때 액정(LC) PVG들과 같은 PVG들은 스위치 오프될 수 있다.
도 13a는 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광에 대한 RH PVG(1300)의 동작을 예시한다. RH PVG(1300)는 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광을, -1 회절 차수의 방향과 같은, 특정 각도로 회절시킬 수 있다. RH PVG(1300)는 또한 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광의 편광을 좌방향성 원 편광을 갖는 광으로 변경할 수 있다.
도 13b는 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광에 대한 RH PVG(1300)의 동작을 예시한다. 도시된 바와 같이, RH PVG(1300)는 회절 없이 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광의 대부분 또는 전부를 투과시킬 수 있다. RH PVG(1300)는 또한 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광의 편광 상태를 유지할 수 있다.
도 13c는 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광에 대한 LH PVG(1350)의 동작을 예시한다. 도시된 바와 같이, LH PVG(1350)는 회절 없이 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광의 대부분 또는 전부를 투과시킬 수 있다. LH PVG(1350)는 또한 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광의 편광 상태를 유지할 수 있다.
도 13d는 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광에 대한 LH PVG(1300)의 동작을 예시한다. LH PVG(1350)는 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광을, +1 회절 차수의 방향과 같은, 특정 각도로 회절시킬 수 있다. LH PVG(1350)는 또한 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광의 편광을 우방향성 원 편광을 갖는 광으로 변경할 수 있다.
도 14a는 특정 실시예들에 따른 전환 가능 PBP 격자(1400)의 예의 평면도이다. PBP 격자(1400)는 전환 가능 격자 스택(1020)에서의 격자들, 제1 편광 격자(1110), 제2 편광 격자(1120), 또는 제3 편광 격자(1130)의 예일 수 있다. PBP 격자(1400)는 한 쌍의 기판(1410), 한 쌍의 전극(1420), 하나 또는 2 개의 표면 정렬 층(1430), 및 액정 층(1440)을 포함할 수 있다. 기판(1410)은 가시 광에 투명할 수 있다. 전극들(1420)은 또한 가시 광에 투명할 수 있고, 예를 들어, 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용하여 구현될 수 있다. PBP 격자(1400)에 전압이 인가되지 않을 때 액정 층(1440)에서의 액정 분자들이 동일한 패턴으로 자기 정렬될 수 있도록, 표면 정렬 층들(1430)은 미리 정의된 표면 패턴을 가질 수 있다.
도 14b는 특정 실시예들에 따른 전환 가능 PBP 격자(1400)의 예의 측면도이다. 예시된 바와 같이, PBP 격자(1400)에서의 액정 층(1440)은 광 전파 방향(예를 들면, z 방향)에서 볼 때 x-y 평면에서 반복 회전 패턴으로 배향되는 액정 분자들을 포함할 수 있다. 반복 회전 패턴은, 예를 들어, 편광에 민감한 광 정렬 재료에 2 개의 직교하는 원 편광된 레이저 빔의 간섭을 기록하는 것에 의해 생성될 수 있다. x-y 평면에서 액정 구조의 반복 회전 패턴으로 인해, PBP 격자(1400)는 위치에 따라 변하는 평면 내 단축 복굴절을 가질 수 있다. 반복 회전 패턴을 갖는 액정 구조는 광이 액정 구조를 통해 전파함에 따라 편광 회전(polarization evolution)으로 인해 입사 광의 기하학적 위상 편이(geometric-phase shift)를 일으킬 수 있다.
수직 입사에서 PBP 격자(1400)의 회절 효율은 대략 다음과 같이 결정될 수 있고:
Figure pct00001
, 및
Figure pct00002
,
여기서
Figure pct00003
은 m 회절 차수의 회절 효율이고, Δn은 액정 층(1440)의 복굴절이며,
Figure pct00004
는 액정 층(1440)의 두께이고, λ는 입사 광의 파장이며,
Figure pct00005
은 입사 광의 편광의 타원율(ellipticity)에 대응하는 정규화된 Stokes 파라미터이다. 따라서, 두께 d = λ/2n(LC 층(1440)의 반파장 지연)인 경우, 0차 투과율은
Figure pct00006
은 0일 수 있고, 모든 입사 광은 ±1 차수들로 회절될 수 있다. ±1 회절 차수들은
Figure pct00007
에 민감할 수 있는 반면, 0차는 편광 독립적일 수 있다. 예를 들어 입사 광이 우방향성 원 편광을 가질 때,
Figure pct00008
이고, 따라서
Figure pct00009
이고
Figure pct00010
이며, 이는 PBP 격자(1400)를 통과하는 모든 입사 광이 +1 차수로 회절될 수 있음을 나타낸다. 입사 광이 좌방향성 원 편광을 가질 때,
Figure pct00011
이고,
Figure pct00012
이며,
Figure pct00013
이고, 이는 모든 입사 광이 -1 차수로 회절됨을 나타낸다. 본 명세서에서 m = +1이 기본 차수(primary order)로 간주되고 m = -1 차수가 켤레 차수(conjugate order)로 간주되지만, 차수들의 명칭은 반대로 되거나 다른 방식으로 변경될 수 있다. 일반적으로, 격자 주기 Λ와 두께
Figure pct00014
에 관계없이, 제0 회절 차수와 2 개의 제1 회절 차수(rst diracted order)만이 가능할 수 있다.
더욱이, PBP 격자(1400)를 통과한 후에, 광이 LC 층(1440)에서 상대 위상 편이를 경험할 수 있기 때문에 원 편광된 광의 방향성이 반대의 원 편광 상태로 변경될 수 있다. 예를 들어, 우방향성 원 편광된 광이 PBP 격자(1400)를 통과한 후에, 광의 편광 상태가 좌방향성 원 편광으로 변경될 수 있다. 좌방향성 원 편광된 광이 PBP 격자(1400)를 통과한 후에, 광의 편광 상태가 우방향성 원 편광으로 변경될 수 있다.
PBP 격자(1400)에서의 액정 분자들의 반복 회전 패턴의 피치 또는 주기 Λ는 PBP 격자의 특정 광학적 특성들을, 부분적으로, 결정할 수 있다. 예를 들어, 피치는 격자 방정식에 따라 상이한 회절 차수들의 회절 각도들을 결정할 수 있다. 일반적으로, 피치가 작을수록, 주어진 광 파장과 주어진 회절 차수에 대한 회절 각도들이 커진다.
도 14c는 특정 실시예들에 따른 스위치 오프되는 전환 가능 PBP 격자(1400)의 예의 평면도이다. PBP 격자(1400)는 전극들(1420)에 전압 신호를 인가하는 것에 의해 스위치 오프될 수 있다. 전압 신호의 레벨이 문턱 레벨보다 클 때, 액정 층(1440) 내부의 전기장이 액정 분자들을 정렬시키고, 유효 복굴절(Δn)이 약 0으로 감소될 수 있다. 따라서, 입사 광이 전파 방향 및 편광 상태를 변경하지 않고 PBP 격자(1400)를 통과할 수 있도록, 전압 신호는 PBP 격자(1400)를 효과적으로 소거하거나 스위치 오프할 수 있다.
도 15a 내지 도 15c는 특정 실시예들에 따른 전환 가능 PBP 격자(1500)의 예의 동작들을 예시한다. PBP 격자(1500)는 PBP 격자(1400)의 예일 수 있다. 예시된 예에서, PBP 격자(1500)는 한 쌍의 기판(1510), 한 쌍의 전극(1520), 하나 또는 2 개의 표면 정렬 층(1530), 및 액정 층(1540)을 포함할 수 있다. 기판(1510)은 가시 광에 투명할 수 있다. 전극들(1520)은 또한 가시 광에 투명할 수 있고, 예를 들어, 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용하여 구현될 수 있다. PBP 격자(1500)에 전압이 인가되지 않을 때 액정 층(1540)에서의 액정 분자들이 동일한 패턴으로 자기 정렬될 수 있도록, 표면 정렬 층들(1530)은 미리 정의된 표면 패턴을 가질 수 있다. 예시된 예에서, PBP 격자(1500)는 우방향성 격자로서 사용될 수 있으며, 여기서 액정 층(1540)에서의 액정 분자들은 광 전파 방향(예를 들면, z 방향)에서 볼 때 x-y 평면에서 시계방향 회전 패턴으로 배열될 수 있다.
도 15a는 "ON" 상태에 있는 PBP 격자(1500)에 의한 우방향성 원 편광된 입사 광 빔의 회절의 예를 예시한다. PBP 격자(1500)의 전극들(1520)에 전압 신호가 인가되지 않을 때(또는 임계 전압 미만의 전압 신호가 인가될 때), 내장된 격자가 소거되거나 스위치 오프되지 않기 때문에 PBP 격자(1500)는 “ON” 상태에 있을 수 있다. PBP 격자(1500)는 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광을 제1 방향(예를 들면, -1 회절 차수의 방향)으로 회절시킬 수 있으며, 여기서 PBP 격자(1500)로부터 출력되는 광은 PBP 격자(1500)를 통과한 후에 좌방향성 원 편광될 수 있다.
도 15b는 "ON" 상태에 있는 PBP 격자(1500)에 의한 좌방향성 원 편광된 입사 광 빔의 회절의 예를 예시한다. PBP 격자(1500)의 전극들(1520)에 전압 신호가 인가되지 않을 때(또는 임계 전압 미만의 전압 신호가 인가될 때), 내장된 격자가 소거되거나 스위치 오프되지 않기 때문에 PBP 격자(1500)는 “ON” 상태에 있을 수 있다. PBP 격자(1500)는 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광을 제2 방향(예를 들면, +1 회절 차수의 방향)으로 회절시킬 수 있으며, 여기서 PBP 격자(1500)로부터 출력되는 광은 PBP 격자(1500)를 통과한 후에 우방향성 원 편광될 수 있다.
도 15c는 "OFF" 상태에 있는 PBP 격자(1500)에 의한 입사 광 빔의 투과의 예를 예시한다. PBP 격자(1500)의 전극들(1520)에 임계 전압보다 높은 전압 신호가 인가될 때, 도 14c와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 내장된 격자가 소거되거나 스위치 오프될 수 있기 때문에 PBP 격자(1500)는 “OFF” 상태에 있을 수 있다. "OFF" 상태에서, PBP 격자(1500)는, 입사 광 빔의 편광 상태에 관계없이, 입사 광 빔을 회절시키지 않을 수 있으며, 여기서 PBP 격자(1500)로부터 출력(예를 들면, 투과)되는 광 빔은 입사 광 빔과 동일한 편광 상태를 가질 수 있다.
PBP 격자(1500)가 입사 광 빔에 대해 뒤집히는 경우, PBP 격자(1500)는 좌방향성으로 될 수 있으며, 여기서 액정 층(1540)에서의 액정 분자들은 광 전파 방향(예를 들면, z 방향)에서 볼 때 x-y 평면에서 반시계 방향 회전 패턴으로 배열될 수 있다. 뒤집힌 PBP 격자는 "ON" 상태에서 상이한 회절 특성들을 가질 수 있다.
도 16a 내지 도 16c는 특정 실시예들에 따른 전환 가능 PBP 격자(1600)의 예의 동작들을 예시한다. PBP 격자(1600)는 PBP 격자(1400)의 일 예일 수 있으며, 반대 방향으로부터 광이 입사하는 PBP 격자(1500)와 유사할 수 있다. 예시된 예에서, PBP 격자(1600)는 한 쌍의 기판(1610), 한 쌍의 전극(1620), 하나 또는 2 개의 표면 정렬 층(1630), 및 액정 층(1640)을 포함할 수 있다. 기판(1610)은 가시 광에 투명할 수 있다. 전극들(1620)은 또한 가시 광에 투명할 수 있고, 예를 들어, 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용하여 구현될 수 있다. PBP 격자(1600)에 전압이 인가되지 않을 때 액정 층(1640)에서의 액정 분자들이 동일한 패턴으로 자기 정렬될 수 있도록, 표면 정렬 층들(1630)은 미리 정의된 표면 패턴을 가질 수 있다. 예시된 예에서, PBP 격자(1600)는 좌방향성 격자일 수 있으며, 여기서 액정 층(1640)에서의 액정 분자들은 광 전파 방향(예를 들면, z 방향)에서 볼 때 x-y 평면에서 반시계 방향 회전 패턴으로 배열될 수 있다.
도 16a는 "ON" 상태에 있는 PBP 격자(1600)에 의한 우방향성 원 편광된 입사 광 빔의 회절의 예를 예시한다. PBP 격자(1600)의 전극들(1620)에 전압 신호가 인가되지 않을 때(또는 임계 전압 미만의 전압 신호가 인가될 때), 내장된 격자가 소거되거나 스위치 오프되지 않기 때문에 PBP 격자(1600)는 “ON” 상태에 있을 수 있다. PBP 격자(1600)는 우방향성 원 편광을 갖는 입사 광을 제1 방향(예를 들면, +1 회절 차수의 방향)으로 회절시킬 수 있으며, 여기서 PBP 격자(1600)로부터 출력되는 광은 PBP 격자(1600)를 통과한 후에 좌방향성 원 편광될 수 있다.
도 16b는 "ON" 상태에 있는 PBP 격자(1600)에 의한 좌방향성 원 편광된 입사 광 빔의 회절의 예를 예시한다. PBP 격자(1600)의 전극들(1620)에 전압 신호가 인가되지 않을 때(또는 임계 전압 미만의 전압 신호가 인가될 때), 내장된 격자가 소거되거나 스위치 오프되지 않기 때문에 PBP 격자(1600)는 “ON” 상태에 있을 수 있다. PBP 격자(1600)는 좌방향성 원 편광을 갖는 입사 광을 제2 방향(예를 들면, -1 회절 차수의 방향)으로 회절시킬 수 있으며, 여기서 PBP 격자(1600)로부터 출력되는 광은 PBP 격자(1600)를 통과한 후에 우방향성 원 편광될 수 있다.
도 16c는 "OFF" 상태에 있는 PBP 격자(1600)에 의한 입사 광 빔의 투과의 예를 예시한다. PBP 격자(1600)의 전극들(1620)에 임계 전압보다 높은 전압 신호가 인가될 때, 도 14c와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 내장된 격자가 소거되거나 스위치 오프될 수 있기 때문에 PBP 격자(1600)는 “OFF” 상태에 있을 수 있다. "OFF" 상태에서, PBP 격자(1600)는, 입사 광 빔의 편광 상태에 관계없이, 입사 광 빔을 회절시키지 않을 수 있으며, 여기서 PBP 격자(1600)로부터 출력(예를 들면, 투과)되는 광 빔은 입사 광 빔과 동일한 편광 상태를 가질 수 있다.
도 17a는 특정 실시예들에 따른 빔 조종 디바이스(1700)의 동작의 예를 예시한다. 예시된 예에서, 빔 조종 디바이스(1700)는 스택으로 배열된 제1 전환 가능 편광 변환기(1710), 제1 편광 격자(1720), 제2 전환 가능 편광 변환기(1712), 제2 편광 격자(1722), 제3 전환 가능 편광 변환기(1714), 및 제3 편광 격자(17)를 포함할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 전환 가능 편광 변환기들(1710, 1712, 및 1714)은 들어오는 원 편광된 광 빔을 반대의 원 편광 상태를 갖는 광 빔으로(예를 들면, LHCP로부터 RHCP로 또는 RHCP로부터 LHCP로) 변환할 수 있다. 예를 들어, 전환 가능 편광 변환기들(1710, 1712, 1714) 각각은 입사 광의 편광 상태를 반대 편광 상태로 변경하기 위해 스위치 온(예를 들면, 전압 신호가 인가되지 않음)될 수 있고, 입사 광의 편광 상태를 유지하기 위해 스위치 오프(예를 들면, 전압 신호가 인가됨)될 수 있는 전환 가능 반파장판을 포함할 수 있다.
제1 편광 격자(1720), 제2 편광 격자(1722), 및 제3 편광 격자(1724)는, 위에서 설명된 PVG들 또는 수동 또는 능동 PBP 격자들과 같은, 수동 편광 의존 격자들 또는 능동 편광 의존 격자들일 수 있다. 제1 편광 격자(1720), 제2 편광 격자(1722), 및 제3 편광 격자(1724) 각각은 우방향성 편광 격자 또는 좌방향성 편광 격자일 수 있다. 제1 편광 격자(1720), 제2 편광 격자(1722), 및 제3 편광 격자(1724)는 상이한 격자 주기들을 가질 수 있고, 따라서 동일한 회절 차수에 대해 상이한 회절 각도들을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 편광 격자(1720)는 표면 법선 입사 광을 회절 각도 θ를 갖는 +1 회절 차수로 회절시킬 수 있도록 제1 격자 주기를 가질 수 있고; 제2 편광 격자(1722)는 표면 법선 입사 광을 회절 각도 2θ를 갖는 +1 회절 차수로 회절시킬 수 있도록 제2 격자 주기를 가질 수 있으며; 제3 편광 격자(1724)는 표면 법선 입사 광을 회절 각도 4θ를 갖는 +1 회절 차수로 회절시킬 수 있도록 제3 격자 주기를 가질 수 있다.
도 17a에 도시된 예에서, 제1 편광 격자(1720), 제2 편광 격자(1722), 및 제3 편광 격자(1724)는 수동 우방향성 원 편광 격자들일 수 있거나 입사 광을 회절시키기 위해 "ON" 상태로 유지되는 능동 우방향성 원 편광 격자들일 수 있다. 제1 전환 가능 편광 변환기(1710)는 인가된 전압 신호에 의해 스위치 오프될 수 있고, 따라서 우방향성 원 편광된 광 빔을 그의 편광 상태를 변경하지 않고 투과시킬 수 있다. 제1 편광 격자(1720)는 우방향성 원 편광된 광 빔을 -1 회절 차수로 회절시키고 출력 광 빔을 좌방향성 원 편광된 광 빔으로 변경할 수 있다. 제2 전환 가능 편광 변환기(1712)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 우방향성 원 편광된 광 빔으로 변환할 수 있다. 제2 편광 격자(1722)는 우방향성 원 편광된 광 빔을 -1 회절 차수로 회절시키고 출력 광 빔을 좌방향성 원 편광된 광 빔으로 변경할 수 있다. 제3 전환 가능 편광 변환기(1714)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 우방향성 원 편광된 광 빔으로 변환할 수 있다. 제3 편광 격자(1724)는 우방향성 원 편광된 광 빔을 -1 회절 차수로 회절시키고 출력 광 빔을 좌방향성 원 편광된 광 빔으로 변경할 수 있다.
도 17b는 특정 실시예들에 따른 빔 조종 디바이스(1700)의 동작의 다른 예를 예시한다. 도 17b에 도시된 예에서, 제1 전환 가능 편광 변환기(1710)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 우방향성 원 편광된 입사 광 빔을 좌방향성 원 편광된 광 빔으로 변환할 수 있다. 제1 편광 격자(1720)는 좌방향성 원 편광된 광 빔을 +1 회절 차수로 회절시키고 출력 광 빔을 우방향성 원 편광된 광 빔으로 변경할 수 있다. 제2 전환 가능 편광 변환기(1712)는 인가된 전압 신호에 의해 스위치 오프될 수 있고, 따라서 우방향성 원 편광된 광 빔을 그의 편광 상태를 변경하지 않고 투과시킬 수 있다. 제2 편광 격자(1722)는 우방향성 원 편광된 광 빔을 -1 회절 차수로 회절시키고 출력 광 빔을 좌방향성 원 편광된 광 빔으로 변경할 수 있다. 제3 전환 가능 편광 변환기(1714)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 우방향성 원 편광된 광 빔으로 변환할 수 있다. 제3 편광 격자(1724)는 우방향성 원 편광된 광 빔을 -1 회절 차수로 회절시키고 출력 광 빔을 좌방향성 원 편광된 광 빔으로 변경할 수 있다.
따라서, 제1 편광 격자(1720), 제2 편광 격자(1722), 및 제3 편광 격자(1724)에 대한 입사 광 빔들의 편광 상태들을 설정하기 위해 전환 가능 편광 변환기들(1710, 1712, 및 1714)을 선택적으로 스위치 온 또는 오프하는 것에 의해, 입사 광 빔이 한 세트의 이산 방향들로 지향될 수 있다. 예를 들어, 제1 편광 격자(1720), 제2 편광 격자(1722), 및 제3 편광 격자(1724)가 상이한 각자의 격자 주기들을 가질 때, 빔 조종 디바이스(1700)는 입사 광 빔을 8(23) 개의 상이한 방향 중 하나로 지향시킬 수 있다.
도 18a는 특정 실시예들에 따른 빔 조종 디바이스(1800)의 동작의 예를 예시한다. 예시된 예에서, 빔 조종 디바이스(1800)는 스택으로 배열된 제1 전환 가능 편광 변환기(1810), 제1 편광 격자(1820), 제2 전환 가능 편광 변환기(1812), 제2 편광 격자(1822), 제3 전환 가능 편광 변환기(1814), 및 제3 편광 격자(1824)를 포함할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 전환 가능 편광 변환기들(1810, 1812, 및 1814)은 들어오는 원 편광된 광 빔을 반대의 원 편광 상태를 갖는 광 빔으로(예를 들면, LHCP로부터 RHCP로 또는 RHCP로부터 LHCP로) 변환할 수 있다. 예를 들어, 전환 가능 편광 변환기들(1810, 1812, 1814) 각각은 입사 광의 편광 상태를 반대 편광 상태로 변경하기 위해 스위치 온(예를 들면, 전압 신호가 인가되지 않음)될 수 있고, 입사 광의 편광 상태를 유지하기 위해 스위치 오프(예를 들면, 전압 신호가 인가됨)될 수 있는 전환 가능 반파장판을 포함할 수 있다.
제1 편광 격자(1820), 제2 편광 격자(1822), 및 제3 편광 격자(1824)는, 위에서 설명된 능동 PBP 격자들과 같은, 능동 편광 의존 격자들일 수 있다. 제1 편광 격자(1820), 제2 편광 격자(1822), 및 제3 편광 격자(1824) 각각은 우방향성 편광 격자 또는 좌방향성 편광 격자일 수 있다. 제1 편광 격자(1820), 제2 편광 격자(1822), 및 제3 편광 격자(1824)는 상이한 격자 주기들을 가질 수 있고, 따라서 동일한 회절 차수에 대해 상이한 회절 각도들을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 편광 격자(1820)는 표면 법선 입사 광을 회절 각도 4θ를 갖는 +1 회절 차수로 회절시킬 수 있도록 제1 격자 주기를 가질 수 있고; 제2 편광 격자(1822)는 표면 법선 입사 광을 회절 각도 2θ를 갖는 +1 회절 차수로 회절시킬 수 있도록 제2 격자 주기를 가질 수 있으며; 제3 편광 격자(1824)는 표면 법선 입사 광을 회절 각도 θ를 갖는 +1 회절 차수로 회절시킬 수 있도록 제3 격자 주기를 가질 수 있다.
도 18a에 도시된 예에서, 제1 전환 가능 편광 변환기(1810)는 인가된 전압 신호에 의해 스위치 오프될 수 있고, 따라서 우방향성 원 편광된 광 빔을 그의 편광 상태를 변경하지 않고 투과시킬 수 있다. 제1 편광 격자(1820)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 우방향성 원 편광된 광 빔을 -1 회절 차수로 회절시키고 출력 광 빔을 좌방향성 원 편광된 광 빔으로 변경할 수 있다. 제2 전환 가능 편광 변환기(1812)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 우방향성 원 편광된 광 빔으로 변환할 수 있다. 제2 편광 격자(1822)는 인가된 전압 신호에 의해 스위치 오프될 수 있고 따라서 (제0 회절 차수의) 우방향성 원 편광된 광 빔을 그의 편광 상태 및 전파 방향을 변경하지 않고 투과시킬 수 있다. 제3 전환 가능 편광 변환기(1814)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 우방향성 원 편광된 광 빔을 좌방향성 원 편광된 광 빔으로 변환할 수 있다. 제3 편광 격자(1824)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 +1 회절 차수로 회절시키고 출력 광 빔을 우방향성 원 편광된 광 빔으로 변경할 수 있다.
도 18b는 특정 실시예들에 따른 빔 조종 디바이스(1800)의 동작의 예를 예시한다. 도 18b에 도시된 예에서, 제1 전환 가능 편광 변환기(1810)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 우방향성 원 편광된 광 빔을 좌방향성 원 편광된 광 빔으로 변환할 수 있다. 제1 편광 격자(1820)는 인가된 전압 신호에 의해 스위치 오프될 수 있고 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 그의 편광 상태 및 전파 방향을 변경하지 않고 투과시킬 수 있다. 제2 전환 가능 편광 변환기(1812)는 인가된 전압 신호에 의해 스위치 오프될 수 있고, 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 그의 편광 상태를 변경하지 않고 투과시킬 수 있다. 제2 편광 격자(1822)는 인가된 전압 신호에 의해 스위치 오프될 수 있고 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 그의 편광 상태 및 전파 방향을 변경하지 않고 투과시킬 수 있다. 제3 전환 가능 편광 변환기(1814)는 인가된 전압 신호에 의해 스위치 오프될 수 있고, 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 그의 편광 상태를 변경하지 않고 투과시킬 수 있다. 제3 편광 격자(1824)는 이를 전압 신호로부터 분리하는 것에 의해 스위치 온될 수 있고, 따라서 좌방향성 원 편광된 광 빔을 +1 회절 차수로 회절시키고 출력 광 빔을 우방향성 원 편광된 광 빔으로 변경할 수 있다.
따라서, 제1 편광 격자(1820), 제2 편광 격자(1822), 및 제3 편광 격자(1824)에 대한 입사 광 빔들의 편광 상태들을 설정하기 위해 전환 가능 편광 변환기들(1810, 1812, 및 1814)을 선택적으로 스위치 온 또는 오프하는 것에 의해, 및/또는 제1 편광 격자(1820), 제2 편광 격자(1822), 및 제3 편광 격자(1824)를 선택적으로 스위칭 온 또는 오프하는 것에 의해, 입사 광 빔이 한 세트의 이산 방향들 중 임의의 방향으로 지향될 수 있다. 예를 들어, 제1 편광 격자(1820), 제3 편광 격자(1822), 및 제3 편광 격자(1824)가 상이한 각자의 격자 주기들을 가질 때, 빔 조종 디바이스(1800)는 입사 광 빔을 27(33) 개의 상이한 방향 중 하나로 지향시킬 수 있다.
도 19는 특정 실시예들에 따른 홀로그래픽 프린터(1900)의 예의 단순화된 블록 다이어그램을 포함한다. 홀로그래픽 프린터(1900)는 입력 빔(1902)을 2개의 빔으로 분할할 수 있는 빔 스플리터(1904)(예를 들면, 편광 빔 스플리터 큐브 또는 임의의 다른 빔 스플리터)를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 프린터(1900)는 두 세트의 광학 변조, 필터링, 및 축소 디바이스들을 또한 포함할 수 있다. 각각의 세트의 광학 변조, 필터링, 및 축소 디바이스들은 홀로그래픽 기록을 위한 물체 빔 또는 기준 빔을 생성하기 위해 빔 스플리터(1904)로부터의 2 개의 빔 중 하나를 컨디셔닝하는 데 사용될 수 있다.
예시된 예에서, 제1 세트의 광학 변조, 필터링 및 축소 디바이스들은 빔 스플리터(1906), SLM(1908), 렌즈(1910), 필터(1912), 렌즈(1914), 필터(1916), 반사기(1918)(예를 들면, 미러), 렌즈(1920), 렌즈(1922), 렌즈(1924), 및 빔 조종 디바이스(1930)(예를 들면, 위에서 설명된 임의의 전환 가능 격자 스택)를 포함할 수 있다. 위에서 설명된 렌즈들 중 임의의 것은 단일 렌즈 또는 일군의 렌즈들을 포함하는 렌즈 어셈블리를 포함할 수 있다. 렌즈(1922) 및 렌즈(1924)는 다수의 렌즈들을 포함하는 대물 렌즈를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 디바이스들 중 일부는 선택적일 수 있다. 예를 들어, 도 6과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 렌즈(1914) 및 필터(1916)는 선택적일 수 있고; 렌즈(1922) 및 렌즈(1924)는 선택적일 수 있으며; 빔 조종 디바이스(1930)는 선택적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌즈(1920)는 반사기(1918) 이전 또는 이후에 있을 수 있다.
빔 스플리터(1906)는 제1 빔을 SLM(1908) 쪽으로 반사시킬 수 있다. SLM(1908)은 홀로그램 요소에 대응하는 홀로그래픽 프린지 패턴(예를 들면, CGH)을 구현하기 위해 제어기(예를 들면, 제어기(605))로부터 데이터를 수신할 수 있다. 변조된 제1 빔이 원하는 파면을 가질 수 있도록 제1 빔이 SLM(1908)에 의해 변조될 수 있다. SLM(1908)에 의해 반사되는 변조된 제1 빔은 렌즈(1910)에 의해 푸리에 평면으로 푸리에 변환될 수 있다. 높은 회절 차수들 및/또는 변조되지 않은 제0 회절 차수와 같은 원하지 않는 광은 푸리에 평면에서 필터(1912)에 의해 공간적으로 필터링될 수 있으며, 여기서 제1(±1) 회절 차수들만이 통과하도록 허용될 수 있다. 예를 들어, 필터(1912)는 제0 회절 차수를 필터링 제거할 수 있는 DC 필터(예를 들면, 크롬 스폿), 및 높은 회절 차수들을 필터링 제거할 수 있는 저역 통과 필터(예를 들면, 애퍼처)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, SLM(1908)에 의해 변조되는 제1 빔을 필터링하기 위해, 렌즈(1914) 및 필터(1916)가 렌즈(1910) 및 필터(1912)와 함께 사용될 수 있다. 도 6과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 필터(1912) 및/또는 필터(1916)에 의해 필터링되는 제1 빔은, 렌즈(1910) 및 렌즈(1914) 또는 렌즈(1920)를 포함하는 텔레센트릭 시스템, 및/또는 렌즈(1922) 및 렌즈(1924)를 포함하는 텔레센트릭 시스템과 같은, 하나 이상의 텔레센트릭 시스템에 의해 축소될 수 있으며, 여기서 렌즈들의 초점 거리들은 제1 빔이 축소될 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 렌즈(1924)는 렌즈(1922)보다 더 짧은 초점 거리를 가질 수 있고/있거나, 렌즈(1920 또는 1914)는 렌즈(1910)보다 더 짧은 초점 거리를 가질 수 있다. 제1 빔의 축소, 필터링, 및 변조된 파면은 선택적으로 빔 조종 디바이스(1930)에 의해 홀로그래픽 재료 층(1990) 상의 한 구역으로 조종될 수 있다.
유사하게, 제2 세트의 광학 변조, 필터링 및 축소 디바이스들은 빔 스플리터(1932), SLM(1934), 렌즈(1936), 필터(1938), 렌즈(1940), 필터(1942), 반사기(1944)(예를 들면, 미러 또는 프리즘), 반사기(1946)(예를 들면, 미러 또는 프리즘), 렌즈(1948), 렌즈(1950), 렌즈(1952), 및 빔 조종 디바이스(1960)(예를 들면, 위에서 설명된 임의의 전환 격자 스택)를 포함할 수 있다. 위에서 설명된 렌즈들 중 임의의 것은 단일 렌즈 또는 일군의 렌즈들을 포함하는 렌즈 어셈블리를 포함할 수 있다. 렌즈(1950) 및 렌즈(1952)는 다수의 렌즈들을 포함하는 대물 렌즈를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 디바이스들 중 일부는 선택적일 수 있다. 예를 들어, 도 6과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 렌즈(1940) 및 필터(1942)는 선택적일 수 있고; 렌즈(1950) 및 렌즈(1952)는 선택적일 수 있으며; 빔 조종 디바이스(1960)는 선택적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌즈(1948)는 반사기(1944) 이전, 반사기(1944)와 반사기(1946) 사이, 또는 반사기(1946) 이후에 있을 수 있다.
빔 스플리터(1932)는 제2 빔을 SLM(1934) 쪽으로 투과시킬 수 있다. SLM(1934)은 홀로그램 요소에 대응하는 홀로그래픽 프린지 패턴(예를 들면, CGH)을 구현하기 위해 제어기(예를 들면, 제어기(605))로부터 데이터를 수신할 수 있다. 변조된 제2 빔이 원하는 파면을 가질 수 있도록 제2 빔이 SLM(1934)에 의해 변조될 수 있다. 변조된 제2 빔은 SLM(1908) 및 빔 스플리터(1932)에 의해 반사될 수 있고, 렌즈(1936)에 의해 푸리에 평면으로 푸리에 변환될 수 있다. 높은 회절 차수들 및/또는 변조되지 않은 제0 회절 차수와 같은 원하지 않는 광은 푸리에 평면에서 필터(1938)에 의해 공간적으로 필터링될 수 있으며, 여기서 제1(±1) 회절 차수들만이 통과하도록 허용될 수 있다. 예를 들어, 필터(1938)는 제0 회절 차수를 필터링 제거할 수 있는 DC 필터(예를 들면, 크롬 스폿), 및 높은 회절 차수들을 필터링 제거할 수 있는 저역 통과 필터(예를 들면, 애퍼처)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, SLM(1934)에 의해 변조되는 제2 빔을 필터링하기 위해, 렌즈(1940) 및 필터(1942)가 렌즈(1936) 및 필터(1938)와 함께 사용될 수 있다. 도 6과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 필터(1912) 및/또는 필터(1916)에 의해 필터링되는 제2 빔은, 렌즈(1936) 및 렌즈(1940) 또는 렌즈(1948)를 포함하는 텔레센트릭 시스템, 및/또는 렌즈(1950) 및 렌즈(1952)를 포함하는 텔레센트릭 시스템과 같은, 하나 이상의 텔레센트릭 시스템에 의해 축소될 수 있으며, 여기서 렌즈들의 초점 거리들은 제2 빔이 축소될 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 렌즈(1952)는 렌즈(1950)보다 더 짧은 초점 거리를 가질 수 있고/있거나, 렌즈(1948 또는 1940)는 렌즈(1936)보다 더 짧은 초점 거리를 가질 수 있다. 제2 빔의 축소, 필터링, 및 변조된 파면은 선택적으로 빔 조종 디바이스(1960)에 의해 홀로그래픽 재료 층(1990) 상의 한 구역으로 조종될 수 있으며, 여기서 제2 빔은 제1 빔과 간섭하여 광 프린지 패턴, 따라서 홀로그램 요소를 형성한다.
다음 홀로그램 요소를 기록하기 위해, 다음 홀로그램 요소에 대한 데이터가 SLM(1908) 및/또는 SLM(1934)으로 송신될 수 있고, 홀로그래픽 재료 층(1990)이 전동식 스테이지(예를 들면, 2D 병진 스테이지(685))에 의해 다음 위치로 이동될 수 있다. 모든 홀로그램 요소들이 기록된 후에, 홀로그래픽 재료 층(1990)은 원하는 홀로그램을 형성하기 위해 처리될 수 있다, 예컨대, 경화되거나 표백될 수 있다.
도 20은 특정 실시예들에 따른 홀로그래픽 광학 요소를 프린팅하는 방법의 예를 예시하는 단순화된 플로차트(2000)이다. 플로차트(2000)에 설명되는 동작들은 단지 예시를 위한 것이며 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 다양한 구현들에서, 추가적인 동작들을 추가하거나, 일부 동작들을 생략하거나, 일부 동작들을 결합하거나, 일부 동작들을 분할하거나, 일부 동작들을 재정렬하기 위해 플로차트(2000)에 대한 수정들이 이루어질 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 시스템은 방법을 수행하도록 홀로그래픽 프린팅 시스템(예를 들면, 홀로그래픽 파면 프린터)을 제어하기 위해 비일시적 저장 매체에 저장된 명령어들을 실행할 수 있다.
블록(2010)에서, 컴퓨터 시스템은 홀로그래픽 층을 원하는 위치로 이동시키기 위해 홀로그래픽 재료 층(예를 들면, 포토폴리머 층)을 지지하는 선형 병진 스테이지를 제어할 수 있다. 블록(2020)에서, 컴퓨터 시스템은 프린지 패턴(예를 들면, 컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램)을 구현하기 위한 데이터를 제1 공간 광 변조기에 제공할 수 있다. 제1 SLM에 의해 구현되는 프린지 패턴은, 제1 빔에 의해 조명될 때, 원하는 파면을 생성하도록 제1 빔을 변조할 수 있다. 선택적으로, 블록(2030)에서, 변조되지 않은 제0 회절 차수 및 높은 회절 차수들을 차단하기 위해 그리고 ±1 회절 차수들이 통과할 수 있게 하기 위해 제1 빔이, 예를 들어, DC 필터 및/또는 저역 통과 필터에 의해 푸리에 평면에서 필터링될 수 있다. 선택적으로, 블록(2032)에서, 제1 빔이, 예를 들어, 하나 이상의 텔레센트릭 시스템을 사용하여 축소될 수 있다. 블록(2040)에서, 컴퓨터 시스템은 제1 빔을 원하는 방향으로 조종하기 위해 위에서 설명된 바와 같이 제1 전환 가능 격자 스택을 구성할 수 있다. 제1 전환 가능 격자 스택은 제1 빔을 복수의 방향들 중 하나로 조종하도록 구성 가능할 수 있다.
선택적으로, 블록(2042)에서, 컴퓨터 시스템은 프린지 패턴(예를 들면, 컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램)을 구현하기 위한 데이터를 제2 공간 광 변조기에 제공할 수 있다. 제2 SLM에 의해 구현되는 프린지 패턴은, 제2 빔에 의해 조명될 때, 원하는 파면을 생성하도록 제2 빔을 변조할 수 있다. 선택적으로, 블록(2044)에서, 변조되지 않은 제0 회절 차수 및 높은 회절 차수들을 차단하기 위해 그리고 ±1 회절 차수들이 통과할 수 있게 하기 위해 제2 빔이, 예를 들어, DC 필터 및/또는 저역 통과 필터에 의해 푸리에 평면에서 필터링될 수 있다. 선택적으로, 블록(2046)에서, 제2 빔이, 예를 들어, 하나 이상의 텔레센트릭 시스템을 사용하여 축소될 수 있다. 블록(2048)에서, 컴퓨터 시스템은 제2 빔을 원하는 방향으로 조종하기 위해 위에서 설명된 바와 같이 제2 전환 가능 격자 스택을 구성할 수 있다. 제2 전환 가능 격자 스택은 제2 빔을 복수의 방향들 중 하나로 조종하도록 구성 가능할 수 있다.
블록(2050)에서, 컴퓨터 시스템은 홀로그램(예를 들면, 호겔)의 요소를 기록하기 위해 홀로그래픽 재료 층의 한 구역을 제1 빔 및 제2 빔에 노광시키도록 노광 시스템을 제어할 수 있다. 제1 빔과 제2 빔은 간섭하여 광 프린지 패턴을 생성할 수 있으며, 이는 위에서 설명된 바와 같은 광 프린지 패턴에 대응하는 홀로그래픽 광학 요소를 형성하기 위해 라이팅 모노머의 중합 및 확산을 야기할 수 있다.
노광 후에, 컴퓨터 시스템은 홀로그래픽 재료 층을 다음 위치로 이동시키기 위해 2D 선형 병진 스테이지를 제어할 수 있고, 블록들(2020 내지 2050)에서의 동작들이 홀로그래픽 재료 층의 상이한 구역에 홀로그램의 다른 요소를 기록하기 위해 또다시 수행될 수 있다. 블록들(2010 내지 2050)에서의 동작들은 홀로그램의 요소들의 2D 어레이를 기록하기 위해 반복적으로 수행될 수 있다. 홀로그램의 모든 요소들이 기록된 후에, 홀로그래픽 재료 층은, 예를 들어, 염료 표백, 중합을 완료하는 것, 기록된 패턴을 영구적으로 고정시키는 것, 및 굴절률 변조를 향상시키는 것을 위해 사후 처리될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 인공 현실 시스템의 컴포넌트들을 제조하기 위해 사용될 수 있거나 인공 현실 시스템과 관련하여 구현될 수 있다. 인공 현실은, 예를 들어, 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실, 또는 이들의 어떤 조합 및/또는 파생물들을 포함할 수 있는, 사용자에게 제시하기 전에 어떤 방식으로 조정된 한 형태의 현실이다. 인공 현실 콘텐츠는 완전히 생성된 콘텐츠 또는 캡처된(예를 들면, 현실 세계) 콘텐츠와 결합되는 생성된 콘텐츠를 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 비디오, 오디오, 햅틱 피드백, 또는 이들의 어떤 조합을 포함할 수 있으며, 이들 중 임의의 것이 단일 채널로 또는 다수의 채널들(예컨대, 시청자에게 3차원 효과를 생성하는 스테레오 비디오)로 제시될 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에서, 인공 현실은 또한, 예를 들어, 인공 현실에서 콘텐츠를 생성하는 데 사용되고/되거나 인공 현실에서 다른 방식으로(예를 들면, 활동들을 수행하는 데) 사용되는 애플리케이션들, 제품들, 액세서리들, 서비스들, 또는 이들의 어떤 조합과 연관될 수 있다. 인공 현실 콘텐츠를 제공하는 인공 현실 시스템은, 호스트 컴퓨터 시스템에 연결되는 헤드 마운티드 디스플레이(HMD), 독립형 HMD, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 인공 현실 콘텐츠를 한 명 이상의 시청자에게 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼를 포함한, 다양한 플랫폼들에서 구현될 수 있다.
도 21은 특정 실시예들에 따른 본 명세서에서 개시되는 기술들을 사용하여 제조되는 하나 이상의 홀로그래픽 광학 요소를 사용할 수 있는 근안 디스플레이 시스템(2120)을 포함하는 인공 현실 시스템 환경(2100)의 예의 단순화된 블록 다이어그램이다. 도 21에 도시된 인공 현실 시스템 환경(2100)은 근안 디스플레이 시스템(2120), 선택적인 이미징 디바이스(2150), 및 선택적인 입출력 인터페이스(2140)를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 선택적인 콘솔(2110)에 결합될 수 있다. 도 21이 하나의 근안 디스플레이 시스템(2120), 하나의 이미징 디바이스(2150), 및 하나의 입출력 인터페이스(2140)를 포함하는 인공 현실 시스템 환경(2100)의 예를 도시하지만, 임의의 수의 이러한 컴포넌트들이 인공 현실 시스템 환경(2100)에 포함될 수 있거나, 컴포넌트들 중 임의의 것이 생략될 수 있다. 예를 들어, 콘솔(2110)과 통신하는 하나 이상의 외부 이미징 디바이스(2150)에 의해 모니터링되는 다수의 근안 디스플레이 시스템들(2120)이 있을 수 있다. 일부 구성들에서, 인공 현실 시스템 환경(2100)은 이미징 디바이스(2150), 선택적인 입출력 인터페이스(2140), 및 선택적인 콘솔(2110)을 포함하지 않을 수 있다. 대안적인 구성들에서, 상이한 또는 추가적인 컴포넌트들이 인공 현실 시스템 환경(2100)에 포함될 수 있다. 일부 구성들에서 근안 디스플레이 시스템들(2120)은 하나 이상의 입출력 디바이스(예를 들면, 입출력 인터페이스(2140)), 예컨대, 핸드헬드 컨트롤러를 추적하는 데 사용될 수 있는 이미징 디바이스(2150)를 포함할 수 있다.
근안 디스플레이 시스템(2120)은 사용자에게 콘텐츠를 제시하는 헤드 마운티드 디스플레이일 수 있다. 근안 디스플레이 시스템(2120)에 의해 제시되는 콘텐츠의 예들은 이미지들, 비디오, 오디오, 또는 이들의 어떤 조합 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 오디오는 근안 디스플레이 시스템(2120), 콘솔(2110), 또는 양쪽 모두로부터 오디오 정보를 수신하고 오디오 정보에 기초하여 오디오 데이터를 제시하는 외부 디바이스(예를 들면, 스피커들 및/또는 헤드폰들)를 통해 제시될 수 있다. 근안 디스플레이 시스템(2120)은, 서로 강성 결합되거나 비강성 결합될 수 있는, 하나 이상의 강체를 포함할 수 있다. 강체들 사이의 강성 결합(rigid coupling)은 결합된 강체들로 하여금 단일 강성 엔티티로서 작용하게 할 수 있다. 강체들 사이의 비강성 결합(non-rigid coupling)은 강체들이 서로에 상대적으로 이동하는 것을 가능할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 근안 디스플레이 시스템(2120)은, 안경을 포함한, 임의의 적합한 폼 팩터로 구현될 수 있다. 근안 디스플레이 시스템(2120)의 일부 실시예들이 아래에서 추가로 설명된다. 추가적으로, 다양한 실시예들에서, 본 명세서에서 설명되는 기능은 근안 디스플레이 시스템(2120) 외부의 환경의 이미지들과 인공 현실 콘텐츠(예를 들면, 컴퓨터 생성 이미지들)를 결합시키는 헤드셋에서 사용될 수 있다. 따라서, 근안 디스플레이 시스템(2120)은, 사용자에게 증강 현실을 제시하기 위해, 생성된 콘텐츠(예를 들면, 이미지들, 비디오, 사운드 등)로 근안 디스플레이 시스템(2120) 외부의 물리적 현실 세계 환경의 이미지들을 증강시킬 수 있다.
다양한 실시예들에서, 근안 디스플레이 시스템(2120)은 디스플레이 전자 장치(2122), 디스플레이 광학 장치(2124), 및 눈 추적 시스템(2130) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 근안 디스플레이 시스템(2120)은 하나 이상의 로케이터(locator)(2126), 하나 이상의 위치 센서(2128), 및 관성 측정 유닛(IMU)(2132)을 또한 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서 근안 디스플레이 시스템(2120)은 이러한 요소들 중 임의의 것을 생략하거나 추가적인 요소들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에서, 근안 디스플레이 시스템(2120)은 도 21과 관련하여 설명되는 다양한 요소들의 기능을 겸비하는 요소들을 포함할 수 있다.
디스플레이(2122)는, 예를 들어, 콘솔(2110)로부터 수신되는 데이터에 따라 사용자에게 이미지들을 디스플레이할 수 있거나 이미지들을 디스플레이하는 것을 용이하게 할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 디스플레이(2122)는, 홀로그래픽 디스플레이, 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이, 무기 발광 다이오드(ILED) 디스플레이, 마이크로 발광 다이오드(μLED) 디스플레이, 능동 매트릭스 OLED 디스플레이(AMOLED), 투명 OLED 디스플레이(TOLED), 또는 어떤 다른 디스플레이와 같은, 하나 이상의 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 근안 디스플레이 시스템(2120)의 일 구현에서, 디스플레이(2122)는 전면 TOLED 패널, 후면 디스플레이 패널, 및 전면 디스플레이 패널과 후면 디스플레이 패널 사이의 광학 컴포넌트(예를 들면, 감쇠기, 편광기, 또는 회절 또는 스펙트럼 필름)를 포함할 수 있다. 디스플레이(2122)는 적색, 녹색, 청색, 백색, 또는 황색과 같은 주색(predominant color)의 광을 방출하는 픽셀들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 디스플레이(2122)는 이미지 깊이의 주관적 인식을 생성하기 위해 2차원 패널들에 의해 생성되는 스테레오 효과들을 통해 3차원(3D) 이미지를 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(2122)는 사용자의 좌안 및 우안 앞에, 제각기, 위치된 좌측 디스플레이 및 우측 디스플레이를 포함할 수 있다. 좌측 디스플레이 및 우측 디스플레이는 입체 효과(즉, 이미지를 보는 사용자에 의한 이미지 깊이의 인식)를 생성하기 위해 서로에 상대적으로 수평으로 이동된 이미지의 사본들을 제시할 수 있다.
특정 실시예들에서, 디스플레이 광학 장치(2124)는 광학적으로(예를 들면, 광학 도파관들 및 광학 커플러들을 사용하여) 이미지 콘텐츠를 디스플레이하거나 디스플레이 전자 장치(2122)로부터 수신되는 이미지 광을 확대시키고, 이미지 광과 연관된 광학적 오차들을 정정하며, 정정된 이미지 광을 근안 디스플레이 시스템(2120)의 사용자에게 제시할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 디스플레이 광학 장치(2124)는, 예를 들어, 기판, 광학 도파관, 조리개, 프레넬 렌즈, 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 필터, 입력/출력 커플러들, 또는 디스플레이 전자 장치(2122)로부터 방출되는 이미지 광에 영향을 미칠 수 있는 임의의 다른 적합한 광학 요소들과 같은, 하나 이상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 디스플레이 광학 장치(2124)는 상이한 광학 요소들의 조합은 물론 조합 내의 광학 요소들의 상대 간격 및 배향을 유지하기 위한 기계적 커플링들을 포함할 수 있다. 디스플레이 광학 장치(2124) 내의 하나 이상의 광학 요소는, 반사 방지 코팅, 반사 코팅, 필터링 코팅, 또는 상이한 광학 코팅들의 조합과 같은, 광학 코팅을 가질 수 있다.
디스플레이 광학 장치(2124)에 의한 이미지 광의 확대는 디스플레이(2122)가 보다 큰 디스플레이들보다 물리적으로 더 작고, 더 가벼우며, 더 적은 전력을 소비하는 것을 가능하게 할 수 있다. 추가적으로, 확대는 디스플레이된 콘텐츠의 시야를 증가시킬 수 있다. 디스플레이 광학 장치(2124)에 의한 이미지 광의 확대의 양은 광학 요소들을 조정하는 것, 추가하는 것, 또는 디스플레이 광학 장치(2124)로부터 제거하는 것에 의해 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 광학 장치(2124)는 디스플레이된 이미지들을 근안 디스플레이 시스템(2120)보다 사용자의 눈들로부터 더 멀리 떨어져 있을 수 있는 하나 이상의 이미지 평면에 투사할 수 있다.
디스플레이 광학 장치(2124)는 또한, 2차원 광학적 오차들, 3차원 광학적 오차들, 또는 이들의 조합과 같은, 하나 이상의 유형의 광학적 오차를 정정하도록 설계될 수 있다. 2차원 오차들은 2차원에서 발생하는 광학 수차들을 포함할 수 있다. 예시적인 유형들의 2차원 오차들은 배럴 왜곡, 핀쿠션 왜곡, 종방향 색수차, 및 횡방향 색수차를 포함할 수 있다. 3차원 오차들은 3차원에서 발생하는 광학적 오차들을 포함할 수 있다. 예시적인 유형들의 3차원 오차들은 구면 수차, 코마 수차(comatic aberration), 상면 만곡(field curvature), 및 비점 수차를 포함할 수 있다.
로케이터들(2126)은 근안 디스플레이 시스템(2120) 상의 특정 위치들에 서로에 상대적으로 및 근안 디스플레이 시스템(2120) 상의 기준점에 상대적으로 위치하는 물체들일 수 있다. 일부 구현들에서, 콘솔(2110)은 인공 현실 헤드셋의 위치, 배향 또는 양쪽 모두를 결정하기 위해 이미징 디바이스(2150)에 의해 캡처되는 이미지들에서 로케이터들(2126)을 식별할 수 있다. 로케이터(2126)는 발광 다이오드(LED), 코너 큐브 반사체, 반사 마커, 근안 디스플레이 시스템(2120)이 작동하는 환경과 대비되는 한 유형의 광원, 또는 이들의 일부 조합들일 수 있다. 로케이터들(2126)이 능동 컴포넌트들(예를 들면, LED들 또는 다른 유형들의 발광 디바이스들)인 실시예들에서, 로케이터들(2126)은 가시 대역(예를 들면, 약 380 nm 내지 750 nm)에서, 적외선(IR) 대역(예를 들면, 약 750 nm 내지 21 mm)에서, 자외선 대역(예를 들면, 약 210 nm 내지 약 380 nm)에서, 전자기 스펙트럼의 다른 부분에서, 또는 전자기 스펙트럼의 부분들의 임의의 조합에서 광을 방출할 수 있다.
이미징 디바이스(2150)는 근안 디스플레이 시스템(2120)의 일부일 수 있거나 근안 디스플레이 시스템(2120)의 외부에 있을 수 있다. 이미징 디바이스(2150)는 콘솔(2110)로부터 수신되는 교정 파라미터들에 기초하여 느린 교정 데이터를 생성할 수 있다. 느린 교정 데이터는 이미징 디바이스(2150)에 의해 검출 가능한 로케이터들(2126)의 관찰된 위치들을 보여주는 하나 이상의 이미지를 포함할 수 있다. 이미징 디바이스(2150)는 하나 이상의 카메라, 하나 이상의 비디오 카메라, 로케이터들(2126) 중 하나 이상을 포함하는 이미지들을 캡처할 수 있는 임의의 다른 디바이스, 또는 이들의 일부 조합들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 이미징 디바이스(2150)는 (예를 들면, 신호 대 잡음 비를 증가시키기 위해) 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다. 이미징 디바이스(2150)는 이미징 디바이스(2150)의 시야 내의 로케이터들(2126)로부터 방출 또는 반사되는 광을 검출하도록 구성될 수 있다. 로케이터들(2126)이 수동 요소들(예를 들면, 역반사체들)을 포함하는 실시예들에서, 이미징 디바이스(2150)는 로케이터들(2126)의 일부 또는 전부를 조명하는 광원을 포함할 수 있으며, 로케이터들(126)은 이미징 디바이스(2150) 내의 광원 쪽으로 광을 역반사(retro-reflect)한다. 느린 교정 데이터는 이미징 디바이스(2150)로부터 콘솔(2110)에 통신되고, 이미징 디바이스(2150)는 하나 이상의 이미징 파라미터(예를 들면, 초점 거리, 초점, 프레임 레이트, 센서 온도, 셔터 속도, 조리개 등)를 조정하기 위해 콘솔(2110)로부터 하나 이상의 교정 파라미터를 수신할 수 있다.
위치 센서들(2128)은 근안 디스플레이 시스템(2120)의 움직임에 응답하여 하나 이상의 측정 신호를 생성할 수 있다. 위치 센서들(2128)의 예들은 가속도계들, 자이로스코프들, 자력계들, 다른 움직임 검출 또는 오차 정정 센서들, 또는 이들의 일부 조합들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 위치 센서들(2128)은 병진 움직임(전후, 상하, 좌우)을 측정하기 위한 다수의 가속도계들 및 회전 움직임(예를 들면, 피치, 요, 또는 롤)을 측정하기 위한 다수의 자이로스코프들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 다양한 위치 센서들은 서로 직교하게 배향될 수 있다.
IMU(2132)는 하나 이상의 위치 센서(2128)로부터 수신되는 측정 신호들에 기초하여 빠른 교정 데이터를 생성하는 전자 디바이스일 수 있다. 위치 센서들(2128)은 IMU(2132) 외부에, IMU(2132) 내부에, 또는 이들의 일부 조합들로 위치할 수 있다. 하나 이상의 위치 센서(2128)로부터의 하나 이상의 측정 신호에 기초하여, IMU(2132)는 근안 디스플레이 시스템(2120)의 초기 위치에 상대적인 근안 디스플레이 시스템(2120)의 추정된 위치를 나타내는 빠른 교정 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들어, IMU(2132)는 시간에 따라 가속도계들로부터 수신되는 측정 신호들을 적분하여 속도 벡터를 추정할 수 있고, 시간에 따라 속도 벡터를 적분하여 근안 디스플레이 시스템(2120) 상의 기준점의 추정된 위치를 결정할 수 있다. 대안적으로, IMU(2132)는 샘플링된 측정 신호들을 콘솔(2110)에 제공할 수 있고, 콘솔(750)은 빠른 교정 데이터를 결정할 수 있다. 기준점은 일반적으로 공간에서의 한 지점으로서 정의될 수 있지만, 다양한 실시예들에서, 기준점은 또한 근안 디스플레이 시스템(2120) 내의 한 지점(예를 들면, IMU(2132)의 중심)으로서 정의될 수 있다.
눈 추적 시스템(2130)은 하나 이상의 눈 추적 시스템을 포함할 수 있다. 눈 추적은 근안 디스플레이 시스템(2120)에 상대적인, 눈의 배향 및 위치를 포함한, 눈의 포지션을 결정하는 것을 지칭할 수 있다. 눈 추적 시스템은 하나 이상의 눈을 이미징하기 위한 이미징 시스템을 포함할 수 있고, 광 방출기를 일반적으로 포함할 수 있으며, 광 방출기는 눈에 의해 반사되는 광이 이미징 시스템에 의해 캡처될 수 있도록 눈으로 지향되는 광을 생성할 수 있다. 예를 들어, 눈 추적 시스템(2130)은 가시 스펙트럼 또는 적외선 스펙트럼 내의 광을 방출하는 비간섭성(non-coherent) 또는 간섭성(coherent) 광원(예를 들면, 레이저 다이오드), 및 사용자의 눈에 의해 반사되는 광을 캡처하는 카메라를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 눈 추적 시스템(2130)은 소형 레이더 유닛에 의해 방출되는 반사된 전파들을 캡처할 수 있다. 눈 추적 시스템(2130)은 눈을 다치게 하지 않거나 신체적 불편함을 야기하지 않는 주파수들 및 강도들로 광을 방출하는 저전력 광 방출기들을 사용할 수 있다. 눈 추적 시스템(2130)은, 눈 추적 시스템(2130)에 의해 소비되는 전체 전력을 감소시키면서(예를 들면, 눈 추적 시스템(2130)에 포함된 광 방출기 및 이미징 시스템에 의해 소비되는 전력을 감소시키면서), 눈 추적 시스템(2130)에 의해 캡처되는 눈의 이미지들에서의 대비를 증가시키도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 눈 추적 시스템(2130)은 2100 밀리와트 미만의 전력을 소비할 수 있다.
눈 추적 시스템(2130)은 사용자의 눈의 배향을 추정하도록 구성될 수 있다. 눈의 배향은 근안 디스플레이 시스템(2120) 내에서 사용자의 시선의 방향에 대응할 수 있다. 사용자의 눈의 배향은 중심와(fovea)(광수용체들의 농도가 가장 높은 눈의 망막 영역)와 눈의 동공의 중심 사이의 축인 중심와 축의 방향으로서 정의될 수 있다. 일반적으로, 사용자의 눈들이 한 지점에 고정될 때, 사용자의 눈들의 중심와 축들은 해당 지점과 교차한다. 눈의 동공 축은 동공의 중심을 통과하고 각막 표면에 수직인 축으로서 정의될 수 있다. 일반적으로, 동공 축과 중심와 축이 동공의 중심에서 교차하더라도, 중심와 축이 동공 축과 직접 정렬되지 않을 수 있다. 예를 들어, 중심와 축의 배향은 동공 축으로부터 횡방향으로 약 -1° 내지 8° 그리고 수직으로 약 ±4°만큼 오프셋될 수 있다(이는 사람마다 다를 수 있는, 카파 각도(kappa angle)라고 지칭될 수 있음). 중심와 축이 눈의 뒤쪽에 위치하는 중심와에 따라 정의되기 때문에, 중심와 축은 일부 눈 추적 실시예들에서 직접 측정하기가 어렵거나 불가능할 수 있다. 그에 따라, 일부 실시예들에서, 동공 축의 배향이 검출될 수 있고 중심와 축은 검출된 동공 축에 기초하여 추정될 수 있다.
입출력 인터페이스(2140)는 사용자가 액션 요청들을 콘솔(2110)로 송신할 수 있게 하는 디바이스일 수 있다. 액션 요청은 특정 액션을 수행하기 위한 요청일 수 있다. 예를 들어, 액션 요청은 애플리케이션을 시작 또는 종료하는 것 또는 애플리케이션 내에서 특정 액션을 수행하는 것일 수 있다. 입출력 인터페이스(2140)는 하나 이상의 입력 디바이스를 포함할 수 있다. 예시적인 입력 디바이스들은 키보드, 마우스, 게임 컨트롤러, 글러브, 버튼, 터치 스크린, 또는 액션 요청들을 수신하고 수신된 액션 요청들을 콘솔(2110)에 통신하기 위한 임의의 다른 적합한 디바이스를 포함할 수 있다. 입출력 인터페이스(2140)에 의해 수신되는 액션 요청은 콘솔(2110)에 통신될 수 있고, 콘솔(110)은 요청된 액션에 대응하는 액션을 수행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 입출력 인터페이스(2140)는 콘솔(2110)로부터 수신되는 명령들에 따라 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, 액션 요청이 수신될 때, 또는 콘솔(2110)이 요청된 액션을 수행했고 입출력 인터페이스(2140)에 명령들을 통신할 때, 입출력 인터페이스(2140)는 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미징 디바이스(2150)는, 사용자의 움직임을 결정하기 위해 컨트롤러(예를 들어, IR 광원을 포함할 수 있음) 또는 사용자의 손의 위치 또는 포지션을 추적하는 것과 같이, 입출력 인터페이스(2140)를 추적하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 근안 디스플레이(2120)는, 사용자의 움직임을 결정하기 위해 컨트롤러 또는 사용자의 손의 위치 또는 포지션을 추적하는 것과 같이, 입출력 인터페이스(2140)를 추적하기 위한 하나 이상의 이미징 디바이스(예를 들면, 이미징 디바이스(2150))를 포함할 수 있다.
콘솔(2110)은 이미징 디바이스(2150), 근안 디스플레이 시스템(2120), 및 입출력 인터페이스(2140) 중 하나 이상으로부터 수신되는 정보에 따라 사용자에게 제시하기 위한 콘텐츠를 근안 디스플레이 시스템(2120)에 제공할 수 있다. 도 21에 도시된 예에서, 콘솔(2110)은 애플리케이션 저장소(2112), 헤드셋 추적 모듈(2114), 인공 현실 엔진(2116), 및 눈 추적 모듈(2118)을 포함할 수 있다. 콘솔(2110)의 일부 실시예들은 도 21과 관련하여 설명되는 것들과 상이한 또는 추가적인 모듈들을 포함할 수 있다. 아래에서 더 설명되는 기능들이 여기에 설명된 것과 상이한 방식으로 콘솔(2110)의 컴포넌트들 간에 분산될 수 있다.
일부 실시예들에서, 콘솔(2110)은 프로세서 및 프로세서에 의해 실행 가능한 명령어들을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함할 수 있다. 프로세서는 명령어들을 병렬로 실행하는 다수의 처리 유닛들을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는, 하드 디스크 드라이브, 이동식 메모리, 또는 솔리드 스테이트 드라이브(예를 들면, 플래시 메모리 또는 DRAM(dynamic random access memory))와 같은, 임의의 메모리일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 도 21과 관련하여 설명되는 콘솔(2110)의 모듈들은, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금 아래에서 추가로 설명되는 기능들을 수행하게 하는 명령어들로서 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 인코딩될 수 있다.
애플리케이션 저장소(2112)는 콘솔(2110)에 의해 실행하기 위한 하나 이상의 애플리케이션을 저장할 수 있다. 애플리케이션은, 프로세서에 의해 실행될 때, 사용자에게 제시하기 위한 콘텐츠를 생성하는 명령어 그룹을 포함할 수 있다. 애플리케이션에 의해 생성되는 콘텐츠는 사용자의 눈들의 움직임을 통해 사용자로부터 수신되는 입력들 또는 입출력 인터페이스(2140)로부터 수신되는 입력들에 대한 응답한 것일 수 있다. 애플리케이션들의 예들은 게이밍 애플리케이션들, 회의 애플리케이션들, 비디오 재생 애플리케이션, 또는 다른 적합한 애플리케이션들을 포함할 수 있다.
헤드셋 추적 모듈(2114)은 이미징 디바이스(2150)로부터의 느린 교정 정보를 사용하여 근안 디스플레이 시스템(2120)의 움직임들을 추적할 수 있다. 예를 들어, 헤드셋 추적 모듈(2114)은 근안 디스플레이 시스템(2120)의 모델 및 느린 교정 정보로부터의 관찰된 로케이터들을 사용하여 근안 디스플레이 시스템(2120)의 기준점의 위치들을 결정할 수 있다. 헤드셋 추적 모듈(2114)은 또한 빠른 교정 정보로부터의 위치 정보를 사용하여 근안 디스플레이 시스템(2120)의 기준점의 위치들을 결정할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에서, 헤드셋 추적 모듈(2114)은 근안 디스플레이(2120)의 미래 위치를 예측하기 위해 빠른 교정 정보, 느린 교정 정보, 또는 이들의 어떤 조합의 부분들을 사용할 수 있다. 헤드셋 추적 모듈(2114)은 근안 디스플레이 시스템(2120)의 추정된 또는 예측된 미래 위치를 인공 현실 엔진(2116)에 제공할 수 있다.
헤드셋 추적 모듈(2114)은 하나 이상의 교정 파라미터를 사용하여 인공 현실 시스템 환경(2100)을 교정할 수 있고, 근안 디스플레이 시스템(2120)의 위치를 결정할 때 오차들을 줄이기 위해 하나 이상의 교정 파라미터를 조정할 수 있다. 예를 들어, 헤드셋 추적 모듈(2114)은 근안 디스플레이 시스템(2120) 상의 관찰된 로케이터들에 대한 더 정확한 위치를 획득하기 위해 이미징 디바이스(2150)의 초점을 조정할 수 있다. 더욱이, 헤드셋 추적 모듈(2114)에 의해 수행되는 교정은 또한 IMU(2132)로부터 수신되는 정보를 고려할 수 있다. 추가적으로, 근안 디스플레이 시스템(2120)의 추적이 상실되는 경우(예를 들면, 이미징 디바이스(2150)가 적어도 임계 수의 로케이터들(2126)의 가시선을 상실하는 경우), 헤드셋 추적 모듈(2114)은 교정 파라미터들의 일부 또는 전부를 재교정할 수 있다.
인공 현실 엔진(2116)은 인공 현실 시스템 환경(2100) 내에서 애플리케이션들을 실행하고, 헤드셋 추적 모듈(2114)로부터 근안 디스플레이 시스템(2120)의 위치 정보, 근안 디스플레이 시스템(2120)의 가속도 정보, 근안 디스플레이 시스템(2120)의 속도 정보, 근안 디스플레이(2120)의 예측된 미래 위치들, 또는 이들의 어떤 조합을 수신할 수 있다. 인공 현실 엔진(2116)은 또한 눈 추적 모듈(2118)로부터 추정된 눈 위치 및 배향 정보를 수신할 수 있다. 수신된 정보에 기초하여, 인공 현실 엔진(2116)은 사용자에게 제시하기 위해 근안 디스플레이 시스템(2120)에 제공할 콘텐츠를 결정할 수 있다. 예를 들어, 수신된 정보가 사용자가 왼쪽을 보았다는 것을 나타내는 경우, 인공 현실 엔진(2116)은 가상 환경에서 사용자의 눈 움직임을 반영하는 근안 디스플레이 시스템(2120)에 대한 콘텐츠를 생성할 수 있다. 추가적으로, 인공 현실 엔진(2116)은 입출력 인터페이스(2140)로부터 수신되는 액션 요청에 응답하여 콘솔(2110) 상에서 실행되는 애플리케이션 내에서 액션을 수행하고, 액션이 수행되었다는 것을 나타내는 피드백을 사용자에게 제공할 수 있다. 피드백은 근안 디스플레이 시스템(2120)을 통한 시각적 또는 청각적 피드백 또는 입출력 인터페이스(2140)를 통한 햅틱 피드백일 수 있다.
눈 추적 모듈(2118)은 눈 추적 시스템(2130)으로부터 눈 추적 데이터를 수신하고, 눈 추적 데이터에 기초하여 사용자의 눈의 위치를 결정할 수 있다. 눈의 위치는 근안 디스플레이 시스템(2120) 또는 그의 임의의 요소에 상대적인 눈의 배향, 위치, 또는 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 눈의 회전 축들이 안와(eye socket)에서의 눈의 위치의 함수로서 변하기 때문에, 안와에서의 눈의 위치를 결정하는 것은 눈 추적 모듈(2118)이 눈의 배향을 보다 정확하게 결정하는 것을 가능하게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 눈 추적 모듈(2118)은 눈 추적 시스템(2130)에 의해 캡처되는 이미지로부터 기준 눈 위치를 결정하기 위해 눈 추적 시스템(2130)에 의해 캡처되는 이미지들과 눈 위치들 사이의 매핑을 저장할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 눈 추적 모듈(2118)은 기준 눈 위치가 결정되는 이미지와 업데이트된 눈 위치가 결정되어야 하는 이미지를 비교하는 것에 의해 기준 눈 위치에 대한 업데이트된 눈 위치를 결정할 수 있다. 눈 추적 모듈(2118)은 상이한 이미징 디바이스들 또는 다른 센서들로부터의 측정치들을 사용하여 눈 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 눈 추적 모듈(2118)은 기준 눈 위치를 결정하기 위해 느린 눈 추적 시스템으로부터의 측정치들을 사용할 수 있고, 이어서 다음 기준 눈 위치가 느린 눈 추적 시스템으로부터의 측정치들에 기초하여 결정될 때까지 빠른 눈 추적 시스템으로부터 기준 눈 위치에 대한 업데이트된 위치들을 결정할 수 있다.
눈 추적 모듈(2118)은 또한 눈 추적의 정밀도 및 정확도를 개선시키기 위해 눈 교정 파라미터들을 결정할 수 있다. 눈 교정 파라미터들은 사용자가 근안 디스플레이 시스템(2120)을 착용하거나 조정할 때마다 변경될 수 있는 파라미터들을 포함할 수 있다. 예시적인 눈 교정 파라미터들은 눈 추적 시스템(2130)의 컴포넌트와, 눈의 중심, 동공, 각막 경계, 또는 눈의 표면 상의 한 지점과 같은, 눈의 하나 이상의 부분 사이의 추정된 거리를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 눈 교정 파라미터들은 특정 사용자에 대해 특정적일 수 있고, 추정된 평균 눈 반경, 평균 각막 반경, 평균 공막 반경, 눈 표면 상의 특징들의 맵, 및 추정된 눈 표면 윤곽을 포함할 수 있다. (일부 증강 현실 응용 분야들에서와 같이) 근안 디스플레이 시스템(2120)의 외부로부터의 광이 눈에 도달할 수 있는 실시예들에서, 교정 파라미터들은 근안 디스플레이 시스템(2120)의 외부로부터의 광의 변동들로 인해 강도 및 색상 균형에 대한 보정 인자들을 포함할 수 있다. 눈 추적 모듈(2118)은 눈 추적 시스템(2130)에 의해 캡처되는 측정치들이 눈 추적 모듈(2118)이 정확한 눈 위치(본 명세서에서 "유효한 측정치들"이라고도 지칭됨)를 결정할 수 있게 하는지 여부를 결정하기 위해 눈 교정 파라미터들을 사용할 수 있다. 유효하지 않은 측정치들 - 이들로부터는 눈 추적 모듈(2118)이 정확한 눈 위치를 결정할 수 없음 - 은 사용자가 깜박거리는 것, 헤드셋을 조정하는 것, 또는 헤드셋을 제거하는 것에 의해 야기될 수 있고/있거나 근안 디스플레이 시스템(2120)이 외부 광으로 인해 임계값 초과의 조명 변화를 경험하는 것에 의해 야기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 눈 추적 모듈(2118)의 기능들 중 적어도 일부는 눈 추적 시스템(2130)에 의해 수행될 수 있다.
도 22는 본 명세서에서 개시되는 실시예들 중 일부를 구현하기 위한 컴퓨터 시스템(220)의 예를 예시한다. 컴퓨터 시스템(2200)은 위에서 논의된 제어기들 또는 컴퓨터 시스템들 중 임의의 것을 구현하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템(2200)은 제어기(605), 선형 병진 스테이지들, 또는 본 명세서에서 설명된 일부 공간 광 변조기들을 구현하는 데 사용될 수 있다. 컴퓨터 시스템(2200)은 내부 버스 서브시스템(2204)을 통해 다수의 주변 디바이스들(예를 들면, 입력 디바이스들)과 통신할 수 있는 하나 이상의 프로세서(2202)를 포함할 수 있다. 이들 주변 디바이스는 저장 서브시스템(2206)(메모리 서브시스템(2208) 및 파일 저장 서브시스템(2210)을 포함함), 사용자 인터페이스 입력 디바이스들(2214), 사용자 인터페이스 출력 디바이스들(2216), 및 네트워크 인터페이스 서브시스템(2212)을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 내부 버스 서브시스템(2204)은 컴퓨터 시스템(2200)의 다양한 컴포넌트들 및 서브시스템들이 의도한 대로 서로 통신하게 하기 위한 메커니즘들을 제공할 수 있다. 내부 버스 서브시스템(2204)이 단일 버스로서 개략적으로 도시되어 있지만, 버스 서브시스템의 대안적인 실시예들은 다수의 버스들을 활용할 수 있다. 추가적으로, 네트워크 인터페이스 서브시스템(2212)은 컴퓨터 시스템(2200)과 다른 컴퓨터 시스템들 또는 네트워크들 사이에서 데이터를 통신하기 위한 인터페이스로서 역할할 수 있다. 네트워크 인터페이스 서브시스템(2212)의 실시예들은 유선 인터페이스들(예를 들면, 이더넷, RS-232, RS-485 등) 또는 무선 인터페이스들(예를 들면, ZigBee, Wi-Fi, 셀룰러 등)을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 사용자 인터페이스 입력 디바이스들(2214)은 키보드, 포인팅 디바이스들(예를 들면, 마우스, 트랙볼, 터치패드 등), 바코드 스캐너, 디스플레이에 통합된 터치 스크린, 오디오 입력 디바이스들(예를 들면, 음성 인식 시스템, 마이크로폰 등), 인간 기계 인터페이스들(HMI) 및 다른 유형들의 입력 디바이스들을 포함할 수 있다. 일반적으로, "입력 디바이스"라는 용어의 사용은 컴퓨터 시스템(2200)에 정보를 입력하기 위한 모든 가능한 유형들의 디바이스들 및 메커니즘들을 포함하도록 의도된다. 추가적으로, 사용자 인터페이스 출력 디바이스들(2216)은 디스플레이 서브시스템, 프린터, 또는 오디오 출력 디바이스들 등과 같은 비시각적 디스플레이들을 포함할 수 있다. 디스플레이 서브시스템은 임의의 알려진 유형의 디스플레이 디바이스일 수 있다. 일반적으로, "출력 디바이스"라는 용어의 사용은 컴퓨터 시스템(2200)으로부터 정보를 출력하기 위한 모든 가능한 유형들의 디바이스들 및 메커니즘들을 포함하도록 의도된다.
저장 서브시스템(2206)은 메모리 서브시스템(2208) 및 파일 저장 서브시스템(2210)을 포함할 수 있다. 서브시스템들(2208 및 2210)은 본 명세서에서 개시된 기능을 제공하는 프로그램 코드 및/또는 데이터를 저장할 수 있는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 메모리 서브시스템(2208)은 프로그램 실행 동안 명령어들 및 데이터의 저장을 위한 메인 랜덤 액세스 메모리(RAM)(2218) 및 고정 명령어들이 저장될 수 있는 판독 전용 메모리(ROM)(2220)를 포함하는 다수의 메모리들을 포함할 수 있다. 파일 저장 서브시스템(2210)은 프로그램 및 데이터 파일들의 지속적(즉, 비휘발성) 저장을 제공할 수 있고, 자기 또는 솔리드 스테이트 하드 디스크 드라이브, 연관된 이동식 매체들(예를 들면, CD-ROM, DVD, 블루레이 등)과 함께 광학 드라이브, 이동식 플래시 메모리 기반 드라이브 또는 카드, 및/또는 본 기술 분야에 알려진 다른 유형들의 저장 매체들을 포함할 수 있다.
위에서 논의된 방법들, 시스템들, 및 디바이스들은 예들이다. 다양한 실시예들은, 적절한 경우, 다양한 절차들 또는 컴포넌트들을 생략, 대체, 또는 추가할 수 있다. 예를 들어, 대안적인 구성들에서, 설명된 방법들은 설명된 것과 다른 순서로 수행될 수 있고/있거나, 다양한 스테이지들이 추가, 생략, 및/또는 조합될 수 있다. 또한, 특정 실시예들과 관련하여 설명되는 특징들이 다양한 다른 실시예들에서 조합될 수 있다. 실시예들의 상이한 측면들 및 요소들이 유사한 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 기술은 발전하고, 따라서 요소들 중 많은 것은 본 개시내용의 범위를 해당 특정 예들로 제한하지 않는 예들이다.
실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 세부 사항들이 설명에서 주어진다. 그렇지만, 실시예들은 이러한 특정 세부 사항들 없이 실시될 수 있다. 예를 들어, 잘 알려진 회로들, 프로세스들, 시스템들, 구조들, 및 기술들은 실시예들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 불필요한 세부 사항 없이 도시되었다. 이 설명은 예시적인 실시예들만을 제공하며, 본 발명의 범위, 적용 가능성, 또는 구성을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 실시예들에 대한 이전 설명은 다양한 실시예들을 구현하기 위한 실시 가능한 설명(enabling description)을 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 제공할 것이다. 본 개시내용의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 요소들의 기능 및 배열에 다양한 변경들이 이루어질 수 있다.
또한, 일부 실시예들은 흐름 다이어그램들 또는 블록 다이어그램들로서 묘사된 프로세스들로서 설명되었다. 각각이 동작들을 순차적인 프로세스로서 설명할 수 있지만, 동작들 중 많은 것이 병렬로 또는 동시에 수행될 수 있다. 추가적으로, 동작들의 순서는 재배열될 수 있다. 프로세스는 도면에 포함되지 않은 추가적인 단계들을 가질 수 있다. 게다가, 방법들의 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어들, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 또는 마이크로코드로 구현될 때, 연관된 태스크들을 수행하기 위한 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트들은 저장 매체와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다. 프로세서들은 연관된 태스크들을 수행할 수 있다.
특정 요구사항들에 따라 상당한 변형들이 이루어질 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 맞춤화된 또는 특수 목적 하드웨어가 또한 사용될 수 있고/있거나, 특정의 요소들이 하드웨어, 소프트웨어(애플릿들 등과 같은, 포터블 소프트웨어(portable software)를 포함함), 또는 양쪽 모두로 구현될 수 있다. 게다가, 네트워크 입출력 디바이스들과 같은 다른 컴퓨팅 디바이스들에 대한 연결이 이용될 수 있다.
첨부된 도면들을 참조하면, 메모리를 포함할 수 있는 컴포넌트들은 비일시적 머신 판독 가능 매체들을 포함할 수 있다. "머신 판독 가능 매체" 및 "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 머신으로 하여금 특정 방식으로 작동하게 하는 데이터를 제공하는 데 참여하는 임의의 저장 매체를 지칭할 수 있다. 이상에서 제공된 실시예들에서, 다양한 머신 판독 가능 매체들은 실행을 위해 명령어들/코드를 처리 유닛들 및/또는 다른 디바이스(들)에 제공하는 데 관여할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 머신 판독 가능 매체들은 그러한 명령어들/코드를 저장 및/또는 전달하는 데 사용될 수 있다. 많은 구현들에서, 컴퓨터 판독 가능 매체는 물리적 및/또는 유형적(tangible) 저장 매체이다. 그러한 매체는 비휘발성 매체들, 휘발성 매체들, 및 전송 매체들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 많은 형태들을 취할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체들의 통상적인 형태들은, 예를 들어, CD(compact disk) 또는 DVD(digital versatile disk)와 같은 자기 및/또는 광학 매체들, 펀치 카드들, 종이 테이프, 구멍들의 패턴들을 갖는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM(programmable read-only memory), EPROM(erasable programmable read-only memory), FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 이하에서 설명되는 바와 같은 반송파, 또는 컴퓨터가 명령어들 및/또는 코드를 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 제품은 프로시저, 함수, 서브프로그램, 프로그램, 루틴, 애플리케이션(앱), 서브루틴, 모듈, 소프트웨어 패키지, 클래스, 또는 명령어들, 데이터 구조들, 또는 프로그램 명령문들의 임의의 조합을 나타낼 수 있는 코드 및/또는 머신 실행 가능 명령어들을 포함할 수 있다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 명세서에서 설명되는 메시지들을 통신하는 데 사용되는 정보 및 신호들이 각종의 상이한 기술들 및 기법들 중 임의의 것을 사용하여 표현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 이상의 설명 전체에 걸쳐 언급될 수 있는 데이터, 명령어, 커맨드, 정보, 신호, 비트, 심벌, 및 칩이 전압, 전류, 전자기파, 자기 필드 또는 입자, 광학 필드 또는 입자, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 표현될 수 있다.
용어들 "및" 및 "또는"은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 또한 그러한 용어들이 사용되는 문맥에 적어도 부분적으로 의존할 것으로 예상되는 다양한 의미들을 포함할 수 있다. 전형적으로, "또는"은, A, B 또는 C와 같이, 리스트를 연관시키는 데 사용되는 경우, A, B 및 C - 여기서는 포함적 의미(inclusive sense)로 사용됨 - 는 물론, A, B 또는 C - 여기서는 배타적 의미(exclusive sense)로 사용됨 - 를 의미하는 것으로 의도된다. 추가적으로, "하나 이상의"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 임의의 특징, 구조, 또는 특성을 단수로 설명하는 데 사용될 수 있거나, 특징들, 구조들 또는 특성들의 어떤 조합을 복수로 설명하는 데 사용될 수 있다. 그렇지만, 이것이 예시적인 예일 뿐이며 청구된 주제가 이 예로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 게다가, 용어 "~ 중 적어도 하나"는, A, B, 또는 C와 같이, 리스트를 연관시키는 데 사용되는 경우, A, AB, AC, BC, AA, ABC, AAB, AABBCCC 등과 같은, A, B, 및/또는 C의 임의의 조합을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
게다가, 특정 실시예들이 하드웨어와 소프트웨어의 특정 조합을 사용하여 설명되었지만, 하드웨어와 소프트웨어의 다른 조합들이 또한 가능하다는 것이 인식되어야 한다. 특정 실시예들은 하드웨어로만, 또는 소프트웨어로만, 또는 이들의 조합들을 사용하여 구현될 수 있다. 일 예에서, 소프트웨어는 본 개시내용에서 설명되는 단계들, 동작들, 또는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하기 위해 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능한 명령어들 또는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로 구현될 수 있으며, 여기서 컴퓨터 프로그램은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 다양한 프로세스들은 동일한 프로세서에서 또는 임의의 조합으로 상이한 프로세서들에서 구현될 수 있다.
디바이스들, 시스템들, 컴포넌트들 또는 모듈들이 특정 동작들 또는 기능들을 수행하도록 구성되는 것으로 설명되는 경우에, 그러한 구성은, 예를 들어, 동작을 수행하도록 전자 회로들을 설계하는 것에 의해, 예컨대, 컴퓨터 명령어들 또는 코드를 실행하는 것에 의해 동작들을 수행하도록 프로그래밍 가능 전자 회로들(예컨대, 마이크로프로세서들)을 프로그래밍하는 것, 또는 비일시적 메모리 매체에 저장된 코드 또는 명령어들을 실행하도록 프로그래밍된 프로세서들 또는 코어들에 의해, 또는 이들의 임의의 조합으로 달성될 수 있다. 프로세스들은 프로세스 간 통신을 위한 종래의 기술들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 다양한 기술들을 사용하여 통신할 수 있으며, 상이한 프로세스 쌍들은 상이한 기술들을 사용할 수 있거나, 동일한 프로세스 쌍은 상이한 시간들에 상이한 기술들을 사용할 수 있다.
명세서 및 도면들은, 그에 따라, 제한적인 의미가 아니라 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 그렇지만, 추가, 제거, 삭제, 및 다른 수정들 및 변경들이 청구범위에 기재된 바와 같은 더 넓은 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 이에 대해 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 특정 실시예들이 설명되었지만, 이들을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 다양한 수정들 및 균등물들이 이하의 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (15)

  1. 홀로그래픽 기록 시스템에 있어서,
    홀로그래픽 재료 층을 위치시키도록 구성된 선형 병진 스테이지;
    레이저 빔을 방출하도록 구성된 광원;
    빔 분할 서브시스템 ― 상기 빔 분할 서브시스템은:
    상기 레이저 빔을 제1 광 빔과 제2 광 빔으로 분할하고;
    상기 제2 광 빔을 상기 홀로그래픽 재료 층을 향해 지향시키도록
    구성됨 ― ;
    물체 빔을 생성하기 위해 상기 제1 광 빔을 변조하는 프린지(fringe) 패턴을 구현하도록 구성된 공간 광 변조기;
    상기 물체 빔을 축소하도록 구성된 축소 광학 서브시스템(demagnification optical subsystem); 및
    상기 제2 광 빔과 간섭하도록 상기 홀로그래픽 재료 층을 향해 한 세트의 방향들로 상기 물체 빔을 지향시키도록 구성 가능한 전환 가능 격자 스택
    을 포함하는, 홀로그래픽 기록 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물체 빔은 자유형 파면(freeform wave-front)에 의해 특징지어지는 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프린지 패턴은 컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램을 포함하는 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프린지 패턴은 상기 제1 광 빔의 위상 또는 진폭 중 적어도 하나를 변조하도록 구성되는 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전환 가능 격자 스택은 스택으로 배열되는 복수의 편광 격자들을 포함하고;
    상기 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는 우방향성 원 편광된(right-handed circularly polarized) 광 빔을 제1 방향으로 지향시키고 좌방향성 원 편광된 광 빔을 제2 방향으로 지향시키도록 구성 가능한 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 편광 격자들은 우방향성 원 편광 격자 또는 좌방향성 원 편광 격자 중 적어도 하나를 포함하고/포함하거나; 바람직하게는 상기 복수의 편광 격자들은 편광 체적 격자, 수동 PBP(Pancharatnam-Berry Phase) 격자, 또는 능동 PBP 격자 중 적어도 하나를 포함하고/포함하거나; 바람직하게는 상기 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는:
    상기 우방향성 원 편광된 광 빔을 ±1 회절 차수들 중 하나로 회절시키고;
    상기 좌방향성 원 편광된 광 빔을 상기 ±1 회절 차수들 중 다른 하나로 회절시키도록
    구성 가능한 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는:
    상기 우방향성 원 편광된 광 빔 및 상기 우방향성 원 편광된 광 빔 중 하나를 ±1 회절 차수들 중 하나로 회절시키고;
    상기 우방향성 원 편광된 광 빔 및 상기 우방향성 원 편광된 광 빔 중 다른 하나의 전파 방향을 유지하도록
    구성되는 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  8. 제5항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 편광 격자들과 인터리빙되는 복수의 전환 가능 반파장판들을 더 포함하며, 상기 복수의 전환 가능 반파장판들 각각은:
    스위치 온될 때, 우방향성 원 편광된 입력 빔을 좌방향성 원 편광된 출력 빔으로 변환하고 좌방향성 원 편광된 입력 빔을 우방향성 원 편광된 빔으로 변환하고;
    전압 신호에 의해 스위치 오프될 때, 입력 빔의 편광 상태를 유지하도록 구성되고/구성되거나; 바람직하게는 상기 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는 상이한 각각의 격자 주기에 의해 특징지어지는 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 편광 격자들은 복수의 능동 격자들을 포함하고;
    상기 복수의 능동 격자들 내의 각각의 능동 격자는:
    스위치 온될 때, 원 편광된 광 빔을 회절시켜 상기 원 편광된 광 빔의 편광 상태를 변경하고;
    전압 신호에 의해 스위치 오프될 때, 입사 빔의 전파 방향 및 편광 상태를 유지하도록 구성되는 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기가 렌즈의 초점 평면에 있도록 상기 공간 광 변조기에 대해 위치된 상기 렌즈; 및
    상기 렌즈의 다른 초점 평면에 위치되고 상기 물체 빔을 필터링하도록 구성된 저역 통과 필터
    를 더 포함하는, 홀로그래픽 기록 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축소 광학 서브시스템은 상이한 각각의 초점 거리들에 의해 특징지어지는 2 개의 렌즈들을 포함하는 텔레센트릭 서브시스템을 포함하는 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 세트의 방향들은 적어도 상기 전환 가능 격자 스택의 표면 법선 방향에 대해 30° 초과의 각도에 의해 특징지어지는 방향을 포함하는 것인, 홀로그래픽 기록 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 광 빔을 변조하는 제2 프린지 패턴을 구현하도록 구성된 제2 공간 광 변조기; 및
    상기 제2 광 빔을 축소하고 상기 제2 광 빔을 상기 홀로그래픽 재료 층을 향해 지향시키도록 구성된 제2 축소 광학 서브시스템
    을 더 포함하며; 바람직하게는,
    상기 제2 공간 광 변조기가 렌즈의 초점 평면에 있도록 상기 제2 공간 광 변조기에 대해 위치된 상기 렌즈; 및
    상기 렌즈의 다른 초점 평면에 위치되고 상기 제2 광 빔을 필터링하도록 구성된 저역 통과 필터
    를 더 포함하는, 홀로그래픽 기록 시스템.
  14. 홀로그램의 복수의 홀로그램 요소들 중 한 홀로그램 요소를 기록하는 방법에 있어서,
    선형 병진 스테이지 상의 홀로그래픽 재료 층을 제1 위치에 위치시키도록 상기 선형 병진 스테이지를 제어하는 단계;
    프린지 패턴을 구현하기 위한 데이터를 공간 광 변조기에 제공하는 단계 ― 상기 프린지 패턴은, 콜리메이팅된 광 빔에 의해 조명될 때, 물체 빔을 생성함 ― ;
    상기 물체 빔을 필터링하는 단계;
    상기 물체 빔을 축소하는 단계;
    상기 물체 빔을 한 세트의 이산 방향들 중 한 방향으로 조종하도록 전환 가능 격자 스택을 구성하는 단계; 및
    홀로그램 요소를 형성하기 위해 상기 홀로그래픽 재료 층의 한 구역을 상기 물체 빔 및 기준 빔에 노광시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    제2 프린지 패턴을 구현하기 위한 데이터를 제2 공간 광 변조기에 제공하는 단계 ― 상기 제2 프린지 패턴은, 제2 콜리메이팅된 광 빔에 의해 조명될 때, 상기 기준 빔을 생성함 ― ;
    상기 기준 빔을 필터링하는 단계; 및
    상기 기준 빔을 축소하는 단계
    를 더 포함하고/포함하거나; 바람직하게는,
    상기 전환 가능 격자 스택은 스택으로 배열되는 복수의 편광 격자들 및 복수의 전환 가능 반파장판들을 포함하고;
    상기 복수의 편광 격자들 내의 각각의 편광 격자는 우방향성 원 편광된 광 빔을 제1 방향으로 지향시키고 좌방향성 원 편광된 광 빔을 제2 방향으로 지향시키도록 구성 가능한 것인, 방법.
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