KR20230031135A - 홀로그램 계산 - Google Patents
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Abstract
디스플레이 장치 및 뷰잉 시스템을 포함하는 시스템에 대한 이미지의 홀로그램을 결정하는 방법. 디스플레이 장치는 홀로그램을 표시하도록 배열된다. 뷰잉 시스템은 동공 확장기를 통해 홀로그램을 시청하도록 구성된다. 동공 확장기는 디스플레이 장치에서 뷰잉 시스템으로의 복수의 광 전파 경로를 제공한다. 이 방법은 제1 과정 내지 제5 과정을 포함한다. 제1 과정은 뷰잉 시스템의 입사 동공에서 제1 복소 광 필드를 결정하는 과정을 포함한다. 제1 복소 광 필드는 동공 확장기의 적어도 하나의 광 전파 경로를 따라 디스플레이 장치의 디스플레이 평면으로부터의 광의 전파로부터 발생한다. 제1 과정은 또한 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 크로핑하는 과정을 포함한다. 제2 과정은 뷰잉 시스템의 센서의 센서 평면에서 제2 복소 광 필드를 결정하는 과정을 포함한다. 제2 복소 광 필드는 입사 동공으로부터 뷰잉 시스템의 렌즈를 통해 제1 복소 광 필드의 광의 전파로부터 발생한다. 제2 과정은 또한 이미지에 따라 진폭 성분을 수정하는 과정을 포함한다. 제3 과정은 입사 동공에서 제3 복소 광 필드를 결정하는 과정을 포함한다. 제3 복소 광 필드는 센서 평면에서 렌즈를 통한 제2 복소 광 필드의 광의 역전파로부터 발생한다. 제3 과정은 또한 입사 동공에 따라 크로핑하는 과정을 포함한다. 제4 과정은 디스플레이 평면에서 제4 복소 광 필드를 결정하는 것을 포함한다. 제4 복소 광 필드는 동공 확장기의 적어도 하나의 광 전파를 따라 제3 복소 광 필드의 광의 역전파로부터 발생한다. 제4 과정은 또한 디스플레이 장치에 따라 크로핑하는 과정을 포함한다. 제5 과정에서는 제4 데이터 세트로부터 홀로그램을 추출한다.
Description
본 개시는 이미지 프로젝션에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 홀로그램 또는 키노폼과 같은 회절 구조, 및 계산 또는 검색하는 등의 이를 결정하는 방법에 관한 것이다. 일부 실시예들은 시선 추적 정보에 기반한 실시간 홀로그램 계산에 관한 것이다. 일부 실시예들은 가상 이미지 프로젝션에 관한 것이다. 일부 실시예들은 실제 이미지의 프로젝션에 관한 것이다. 일부 실시예들은 도파관을 통해 투사된 이미지를 보는 것에 관한 것이다. 일부 실시예들은 화상 생성 유닛과 같은 광 엔진에 관한 것이다. 일부 실시예들은 헤드업 디스플레이에 관한 것이다.
객체로부터 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는 간섭 무늬를 포함하는 홀로그래픽 레코딩 또는 "홀로그램"을 형성하도록 잘 알려진 간섭 기술에 의해, 예를 들어, 감광성 플레이트상에서 캡쳐될 수 있다. 홀로그램은 원래의 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성 또는 재생 이미지(replay image)를 형성하기 위해 적절한 광을 조사(illumination)함으로써 재구성될 수 있다.
컴퓨터-생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 간섭 프로세스를 수치적으로 시뮬레이션할 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램(computer-generated hologram)은 프레넬(Fresnel)또는 푸리에 변환(Fourier transform)과 같은 수학적 변환에 기초한 기술을 이용하여 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬/푸리에 변환 홀로그램 또는 간단히 프레넬/푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 영역/평면 표현 또는 객체의 주파수 영역/평면 표현으로 간주될 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 예를 들어 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing)또는 포인트 클라우드 기술(point cloud technique)에 의해 계산될 수 있다.
컴퓨터-생성 홀로그램은 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기(spatial light modulator)상에서 인코딩될 수 있다. 광 변조는, 예를 들어, 전기적으로 어드레스 가능한(electrically-addressable)액정, 광학적으로 어드레스 가능한(optically-addressable)액정 또는 마이크로 미러를 이용하여 달성될 수 있다.
공간 광 변조기는 셀들(cells)또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레스 가능한 픽셀들을 일반적으로 포함한다. 광 변조 방식은 이진(binary), 다중 레벨(multilevel) 또는 연속적(continuous)일 수 있다. 이와는 달리, 장치는 연속적일 수 있으며(즉, 픽셀로 구성되지 않은), 이에 따라 광 변조는 장치 전체에 걸쳐서 연속적일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 반사로 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 투과로 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.
홀로그램 프로젝터는 여기에 설명된 시스템을 이용하여 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 예를 들어 헤드업 디스플레이, "HUD" 및 광 감지 및 범위 지정, "LiDAR"에 적용된다.
본 개시 및 도면은 설명 및 예시의 편의를 위해 일반적으로 1차원적인 경우를 도시한다. 그러나, 광학 분야의 당업자는 설명되고 도시된 개념이 2차원 홀로그램으로부터 2차원 이미지를 제공하기 위해 2차원으로 확장될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 1차원 동공 확장(pupil expansion)만이 설명되고 도시될 수 있지만, 독자는 본 개시내용이 2차원 동공 확장 - 예를 들어, 2개의 1차원 동공 확장기를 연속적으로 이용 - 으로 확장된다는 것을 이해해야 한다.
본 개시는 이미지 프로젝션에 관한 것이다. 이미지 프로젝션 방법 및 디스플레이 장치를 포함하는 이미지 프로젝터에 관한 것이다. 본 개시는 또한 이미지 프로젝터 및 뷰잉 시스템을 포함하는 프로젝션 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 단안 및 양안 뷰잉 시스템에 동일하게 적용 가능하다. 뷰잉 시스템은 시청자의 눈 또는 눈들을 포함할 수 있다. 뷰잉 시스템은 광학 파워(예: 인간 눈의 렌즈) 및 뷰잉 평면(예: 인간 눈의 망막)을 갖는 광학 요소를 포함한다. 프로젝터는 '광 엔진'이라고 지칭할 수 있다. 디스플레이 장치와 디스플레이 장치를 이용하여 형성되는(또는 인지되는) 이미지는 서로 공간적으로 분리된다. 이미지는 디스플레이 평면에 형성되거나 시청자에 의해 감지된다. 일부 실시예에서, 이미지는 가상 이미지이고 디스플레이 평면은 가상 이미지 평면으로 지칭될 수 있다. 디스플레이 장치에 표시되는 회절 패턴(예: 홀로그램)을 조명하여 이미지가 형성된다. 본 개시는 또한 이미지 프로젝션을 위한 회절 패턴을 제공(예를 들어, 계산 또는 결정)하는 것과 회절 패턴에 관한 것이다.
디스플레이 장치는 픽셀을 포함한다. 디스플레이 장치의 픽셀은 광을 회절시킨다. 잘 알려진 광학 장치에 따르면 최대 회절 각도의 크기는 픽셀의 크기(및 빛의 파장과 같은 기타 요인)에 의해 결정된다.
실시예들에서, 디스플레이 장치는 실리콘 상의 액정("LCOS") 공간 광 변조기(SLM)와 같은 공간 광 변조기이다. 광은 LCOS로부터 카메라나 눈과 같은 뷰잉 개체/시스템 을 향해 회절 각도 범위(예: 0에서 최대 회절 각도까지)에 걸쳐 전파된다. 일부 실시예에서, 확대 기술은 LCOS의 통상적인 최대 회절각을 넘어 이용가능한 회절각의 범위를 증가시키기 위해 이용될 수 있다.
실시예에서, 이미지는 실제 이미지이다. 다른 실시예에서, 이미지는 인간의 눈(또는 눈들)에 의해 인지되는 가상 이미지이다. 프로젝션 시스템 또는 광 엔진은 따라서 시청자가 디스플레이 장치를 직접 바라보도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 홀로그램으로 인코딩된 광은 눈(들)에 직접 전파된다. 이 광은 "공간적으로 변조된" 또는 "홀로그래픽 광"이라고 지칭할 수 있다. 이러한 실시예에서, 디스플레이 장치와 시청자 사이의 자유 공간 또는 스크린 또는 다른 수광 표면에 중간 홀로그래픽 재구성이 형성되지 않는다. 이러한 실시예에서, 눈의 동공은 뷰잉 시스템의 입구 조리개인 것으로 간주될 수 있고 눈의 망막은 뷰잉 시스템의 뷰잉 평면으로 간주될 수 있다. 때때로 이 구조에서 눈의 수정체가 홀로그램을 이미지로 변환 또는 전환을 수행한다.
잘 알려진 광학의 원리에 따라, 눈이나 다른 뷰잉 개체/시스템이 볼 수 있는 디스플레이 장치 또는 뷰잉 창에서 전파되는 광의 각도 범위는 디스플레이 장치와 뷰잉 개체 장치 사이의 거리에 따라 달라진다. 예를 들어, 1 미터의 시야 거리에서 LCOS로부터의 단지 작은 각도 범위만이 눈의 동공을 통해 전파되어 주어진 눈 위치에서의 망막에 이미지를 형성할 수 있다. 디스플레이 장치에서 전파되는 광선의 각도 범위는 눈의 동공을 통해 성공적으로 전파되어 주어진 눈 위치에서의 망막에 이미지를 형성할 수 있으며, 시청자에게 '보이는' 이미지 부분을 결정한다. 다시 말해, 이미지의 모든 부분이 뷰잉 평면의 한 지점(예: 아이-모션 박스(eye-motion box)와 같은 뷰잉 창 내의 눈의 일 지점)에서 볼 수 있는 것은 아니다.
일부 실시예에서, 시청자에 의해 인지되는 이미지는 디스플레이 장치의 업스트림에 나타나는 가상 이미지이다. 즉, 시청자는 이미지가 디스플레이 장치보다 그들로부터 더 멀리 있는 것으로 인식한다. 개념적으로는 시청자가 '디스플레이 장치-사이즈드(sized) 창'을 통해 가상 이미지를 보고 있는 것으로 간주할 수 있고, 이 창은 상대적으로 먼 거리, 예를 들어 1 미터에서, 예를 들어 직경이 1cm와 같이 매우 작을 수 있다. 그리고 시청자는 눈(들)의 동공(들)을 통해 디스플레이 장치-사이즈드 창을 보게 될 것이며, 이 창은 매우 작을 수 있다. 따라서 시야가 좁아지고 볼 수 있는 특정 각도 범위는 주어진 시간에 눈의 위치에 크게 좌우된다.
예를 들어 공간이 제한적이거나 부동산 가치가 높은 위치에서 구현되는 경우에는 광학 시스템은 물리적으로 작은 것이 바람직하다. 그러나 물리적 제약은 일반적으로 기능적 제한와 관련이 있다. 예를 들어, 기존의 광학 시스템에서 작은 디스플레이 장치를 이용하는 것은 일반적으로 제한된 시야(FOV)를 갖는 것과 관련되어 이미지의 가시성을 제한한다. 동공 확장기는 시야를 증가시키는 방법, 즉, 디스플레이 장치에서 전파되는 광선의 각도 범위를 증가시키는 방법의 문제를 해결하고 눈의 동공을 통해 성공적으로 전파되어 이미지를 형성할 수 있다. 디스플레이 장치는 (상대적으로) 작고 프로젝션 거리는 (상대적으로) 크다. 일부 실시예에서, 프로젝션 거리는 디스플레이 장치의 입구 동공 및/또는 개구의 직경 또는 너비(즉, 픽셀 어레이들의 크기)보다 적어도 하나의 - 적어도 두 - 자릿수 보다 크다. 본 개시는 이미지 자체가 아닌 이미지의 홀로그램이 사람의 눈에 전파되는 이른바 직시형 홀로그래피에 관한 것이다. 다시 말해, 시청자가 수신하는 광은 이미지의 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 '홀로그래픽 광'이다.
실시예들에서, 동공 확장기는 도파관 동공 확장기이다. 본 개시는 일반적으로(그러나 배타적이지 않음) 무한하지 않은 가상 이미지 거리, 즉 근거리 가상 이미지에 관한 것이다.
동공 확장기는 시야를 증가시키고 따라서 디스플레이 장치의 전체 회절각이 이용될 수 있는 최대 전파 거리를 증가시킨다. 동공 확장기의 이용은 이용자의 아이 박스(eye-box)를 측면으로 늘릴 수 있으므로 이용자가 이미지를 볼 수 있는 동시에 눈(들)의 일부 움직임이 발생할 수 있다. 실시예들에서, 동공 확장기는 도파관 동공 확장기이다. 본 개시는 일반적으로 무한하지 않은 가상 이미지 거리, 즉 근거리 가상 이미지에 관한 것이다.
본 개시의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 정의된다.
디스플레이 장치 및 뷰잉 시스템을 포함하는 시스템에 대한 이미지의 회절 구조를 결정하는 방법이 여기에 개시된다. 회절 구조가 결정된 이미지는 "타겟" 또는 "타겟 이미지"로 지칭될 수 있다. 회절 구조는 홀로그램일 수 있고 "홀로그램"이라는 용어는 이하에서 본 개시에 따른 회절 구조의 예로서만 이용된다. 회절 구조는 위상 홀로그램(phase hologram), 위상 전용 홀로그램(phase-only hologram) 또는 키노폼(kinoform)일 수 있다. 디스플레이 디바이스는 홀로그램을 표시하도록 배열된다. 뷰잉 시스템은 동공 확장기를 통해 홀로그램을 보기 위해 배열된다. 뷰잉 시스템은 적어도 하나의 입사 동공, 및 센서를 포함하고, 입사 동공과 센서 사이에 렌즈를 가질 수 있다. 동공 확장기는 디스플레이 장치에서 뷰잉 시스템으로의 복수의 광 전파 경로를 제공한다.
이 방법은 제1 과정부터 제5 과정까지 포함한다. 제1 과정는 뷰잉 시스템의 입사 동공에서 제1 복소 광 필드를 결정하는 것을 포함한다. 제1 복소 광 필드는 디스플레이 장치의 디스플레이 평면(홀로그램이 표시될 수 있는 평면이므로 대신 "홀로그램 평면"이라고 함)으로부터의 광의 동공 확장기의 적어도 하나의 광 전파 경로를 따른 전파로 인해 발생한다. 적어도 하나의 광 전파 경로는 광이 동공 확장기를 통해 추적할 수 있는 복수의 광 전파 경로 중 단일("제1") 광 전파 경로 또는 다중 광 전파 경로를 포함할 수 있다. 제1 과정은 또한 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 복소 광 필드를 크로핑(cropping)하는 것을 포함한다. 예를 들어, 입사 동공의 크기, 모양 또는 위치 중 적어도 하나에 따라 크로핑될 수 있다. 제2 과정은 뷰잉 시스템의 센서의 센서 평면에서 제2 복소 광 필드를 결정하는 과정를 포함한다. 제2 복소 광 필드는 제1 복소 광 필드의 광이 입사 동공에서 뷰잉 시스템의 렌즈를 통해 센서로 전파되는 결과이다. 제2 과정은 또한 이미지에 따라 복소 광 필드의 진폭 성분을 수정하는 과정를 포함하며, 여기서 제2 복소 광 필드는 상기 수정의 결과이다. 제3 과정는 입사 동공에서 제3 복소 광 필드를 결정하는 것을 포함한다. 제3 복소 광 필드는 센서 평면에서 렌즈를 통해 다시 제2 복소 광 필드의 광이 역전파되어 발생한다. 제3 과정은 또한 입사 동공의 크기, 모양 또는 위치 중 적어도 하나에 따라 복소 광 필드를 크로핑(cropping)하는 것을 포함한다. 제4 과정은 디스플레이 평면(즉, 홀로그램 평면)에서 제4 복소 광 필드를 결정하는 것을 포함한다. 제4 복소 광 필드는 제3 복소 광 필드의 광이 동공 확장기의 적어도 하나의 광 전파를 따라 역으로 전파되는 결과이다. 제4 과정는 또한 디스플레이 장치에 따라 복소 광 필드를 크로핑(cropping)하는 것을 포함한다. 홀로그램은 제4 복소 광 필드에 해당하거나 나타내는 데이터 세트에서 추출된다. 데이터 세트는 "제4 데이터 세트"로 지칭될 수 있다. 제1 내지 제4 과정은 되풀이하여 반복될 수 있다. 홀로그램은 반복할 때마다 수렴되고 개선될 가능성이 있지만 정체 상태가 유지되기도 한다. 예를 들어, 제4 과정에서 추출할 수 있는 홀로그램이 허용 가능한 품질로 간주되거나, 각 반복에 대한 변화율이 임계값 미만이거나, 할당된 시간이 만료된 경우 방법이 중지될 수 있다. 의심의 여지를 없애기 위해 추출된 홀로그램은 디스플레이 장치에 표시하기 위한 홀로그램이다.
"적어도 하나의 광 전파 경로"가 광이 동공 확장기를 통해 추적할 수 있는 복수의 광 전파 경로 중 단일("제1") 광 전파 경로를 포함하는 실시예에서, 제1 내지 제4 과정은, 복수의 광 전파 경로의 상이한 광 전파 경로, 1 초 동안 반복될 수 있다. 광 전파 경로별로 경로별 홀로그램이 추출될 수 있고, 복수의 광 전파 경로에 대응하는 복수의 홀로그램을 조합하여 디스플레이 장치에 표시하기 위한 홀로그램을 형성할 수 있다.
홀로그램은 복수의 홀로그래픽 광 채널을 출력하도록 구성될 수 있으며, 여기서 각각의 채널은 뷰잉 시스템에 의해 보여지거나/인식될 이미지의 서로 상이한 개별 섹션에 대응한다. 동공 확장기는 디스플레이 장치 및 뷰잉 시스템의 입사 동공에 관하여, 입사 동공이 수신하는 홀로그래픽 광의 각각의 상이한 개별 채널이 동공 확장기의 출력 표면(또는 "출력 포트")상의 상이한 개별 전송 지점으로부터 출력되도록 구성될 수 있다. 따라서, 뷰잉 시스템에 의해 수신되는 각 채널은 동공 확장기 내에서 서로 상이한 각각의 수의 바운스(bounce)를 겪을 것이며, 서로 상이한 각각의 광 전파 경로를 가질 것이다. 방법은 상술한 제1 과정 내지 제4 과정을 수행하는 과정, 및 채널 각각에 대해 개별적으로 각각의 채널별(channel-specific) 홀로그램을 출력하는 과정을 포함할 수 있다. 방법은 뷰잉 시스템에 의해 보여지거나/인식되는 전체 이미지(즉, 전체 시야의)의 홀로그램을 포함할 결합된/최종 홀로그램으로 이러한 개별 채널별 홀로그램을 결합하는 과정을 더 포함할 수 있다.
보다 광범위하게는, 본 명세서에 이미지의 홀로그램을 계산하는 방법이 개시되며, 방법은 조명될 때 공간적으로 변조된 광을 형성하는 홀로그램을 형성하기 위해 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 크로핑하는 과정을 포함하는 적어도 하나의 과정을 포함하고, 여기서 공간적으로 변조된 광의 연속적인 광 채널은 이미지의 연속적인 영역에 해당한다. 연속적인 광 채널은 공간적으로 변조된 광의 광선 각도의 연속 범위에 의해 정의될 수 있다. 공간적으로 변조된 광의 모든 연속적인 광 채널은 이미지의 연속적인 영역에 해당하므로 상기 채널들이 전체 이미지의 홀로그래픽 광을 제공하도록 연합한다. 동공 확장기는 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이에 제공될 수 있으며, 동공 확장기는 각 채널을 뷰잉 시스템의 입구 개구로 지향시키도록 배열된다. 각 채널은 디스플레이 장치, 예를 들어 디스플레이 장치의 발광면 상의 중심점 또는 다른 기준점에 대한 해당 채널의 기본(또는 "코어") 이동 방향을 정의하는 고유한 개별 중심축을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 공간적으로 변조된 광은 임의의 수의 연속적인 광 채널로 분할될 수 있다. 일부 실시예에서, 광 채널은 중첩되지 않는다. 다른 실시예에서 - 예를 들어, 도파관과 시청자 사이에 광학 파워(예: 차량의 방풍창)를 갖는 광학 결합기를 추가로 포함하는 실시예에서 - 일부 광 채널은 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법은 뷰잉 시스템에 의해 이미지로 변환 가능한 광을 공간적으로 변조하도록 배열된 회절 구조를 결정하고, 회절 구조는 광을 복수의 홀로그램 채널로 라우팅하도록 구성되고, 각각의 홀로그램 채널은 이미지의 상이한 부분에 대응한다.
하나 이상의 채널의 단면적은 뷰잉 시스템의 입구 개구의 크기 및/또는 모양에 해당하는 크기 및/또는 모양을 가질 수 있다. 예를 들어, 입구 개구가 사람의 눈인 경우 채널의 단면이 실질적으로 타원(elliptical) 또는 타원형(oval-shaped)일 수 있다. 홀로그램 계산을 포함하는 실시예에서, 계산 프로세스는 입구 개구의 크기 및/또는 모양에 따라 및/또는 디스플레이 장치의 크기 및/또는 모양에 따라 홀로그램을 제한하거나 크로핑하는 과정을 포함할 수 있다.
의심을 피하기 위해 시청자에 의해 형성하거나 인지되는 이미지는 타겟 이미지의 홀로그래픽 재구성이다. 홀로그래픽 재구성은 타겟 이미지를 기반으로 하는 홀로그램으로부터 형성된다. 일부 실시예에서, 홀로그램은 타겟 이미지로부터 결정(예를 들어, 계산)된다.
"역전파"라는 용어는 단지 제3 과정 및 제4 과정의 광의 진행 방향이 제1 과정 및 제2 과정의 진행 방향과 상이하거나 실질적으로 반대임을 반영하는 데 이용된다. 이와 관련하여, 제1 과정 및 제2 과정에서의 광 전파가 "정방향 전파"라고 할 수 있다. 일부 실시예에서, "정방향 전파" 및 "역전파"는 서로 수학적으로 역(inverse)이다.
"크로핑(cropping)"이라는 용어는 광 조리개 외부와 같은, 관심 영역 또는 영역 외부에서 광 필드 정보와 같은 정보를 선택적으로 폐기하는 프로세스를 지칭하기 위해 여기에서 이용된다. 일부 실시예에서, "크로핑"은 조리개 외부에서 데이터 포인트를 버리거나, 데이터 포인트를 제로화하거나, 단순히 데이터 포인트를 무시하는 것을 포함하는 데이터 처리 과정이다.
여기에서 "복소 광 필드"가 참조된다. "광 필드"라는 용어는 적어도 두 개의 직교 공간 방향인 ｘ 및 ｙ 에서 유한한 크기를 갖는 광의 패턴을 나타낸다. 여기에서 "복소"라는 단어는 단지 광 필드의 각 지점에서 광이 진폭 값과 위상 값에 의해 정의될 수 있고, 따라서 복소수 또는 값 쌍으로 표시될 수 있음을 나타내기 위해 이용되었다. 홀로그램 계산의 목적을 위해, 복소 광 필드는 복소수의 2차원 어레이일 수 있으며, 여기서 복소수는 광 필드 내의 복수의 개별 위치에서 광 세기 및 위상을 정의한다. 본 명세서에 개시된 방법에 따르면, 복소 광 필드는 홀로그램 평면과 이미지 평면 사이에서 +ｚ 및 -ｚ 방향으로 앞뒤로 전파된다. 광 전파는 파동 광학 분야의 당업자에게 친숙한 수학적 변환 또는 다양한 접근 방식 중 임의의 하나를 이용하여 시뮬레이션 또는 모델링될 수 있다.
본 발명자들은 비교적 작은 디스플레이 장치 및 비교적 긴 거리에 걸친 프로젝션을 위한 홀로그램을 결정하는 방법을 고안했으며, 여기서 홀로그램은 뷰잉 시스템(들)에 직접 프로젝션되고 이 방법은 실시간으로 구현될 수 있다. 상대적으로 작은 크기의 디스플레이 장치와 상대적으로 긴 투사 거리로 인해 동공 확장기가 필요하다. 본 발명자들에 의해 고안된 방법은 또한 동공 확장기를 이용함으로써 도입된 광학적 문제를 해결한다. 방법은 또한 이미지 콘텐츠가 뷰잉 시스템(들)으로부터 다른 거리 및/또는 복수의 거리에서 선택적으로 동시에 - 예를 들어 하나의 홀로그램을 이용하여 - 나타날 수 있도록 한다. 더 나아가, 방법은 이미지 콘텐츠가 디스플레이 장치의 다운스트림 및 디스플레이 장치의 업스트림에 선택적으로 동시에 - 예를 들어 하나의 홀로그램을 이용하여 - 나타날 수 있게 한다.
중요하게도, 홀로그램은 홀로그램으로부터 형성된 홀로그래픽 재구성(즉, 이미지)이 아니라 뷰잉 시스템으로 전파된다. 뷰잉 시스템(들)에 의해 수신된 공간적으로 변조된 광은 공간 또는 이미지 영역보다는 홀로그램 영역에 있다고 말할 수 있다. 뷰잉 시스템(들)은 홀로그램이 이미지 변환을 수행한다고 말할 수도 있다. 보다 구체적으로, 각 뷰잉 시스템의 렌즈와 같은 광학 요소가 변환을 수행한다. 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성 또는 이미지는 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템(들) 사이에 형성되지 않는다. 일부 실시예에서, 선택적으로 인터레이싱 방식(interlacing scheme)을 이용하여 상이한 홀로그램이 계산되고 시청자의 각 눈에 전파된다.
디스플레이 장치는, 예를 들어 5cm 미만 또는 2cm 미만과 같이, 10cm 미만일 수 있는 제1 치수를 갖는 활성 또는 디스플레이 영역을 갖는다. 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이의 전파 거리는, 예를 들어 1.5m 초과 또는 2m 초과와 같이 1m 초과이다. 도파관 내의 광 전파 거리는 최대 1.5m 또는 최대 1m와 같이 최대 2m일 수 있다. 방법은 이미지를 수신하고 15ms 미만 또는 10ms 미만과 같이 20ms 미만 내에 충분한 품질의 대응하는 홀로그램을 결정할 수 있다.
여기에 개시된 방법은 광을 복수의 채널로 광을 라우팅하도록 구성된 홀로그램을 형성하며, 각 채널은 이미지의 다른 부분(즉, 하위 영역)에 대응한다. 홀로그램은 공간 광 변조기와 같은 표시 장치에 표시되는 것과 같이 표현될 수 있다. 적절한 디스플레이 장치에 표시될 때 홀로그램은 뷰잉 시스템에 의해 이미지로 변환 가능한 광을 공간적으로 변조할 수 있다. 회절 구조에 의해 형성된 채널은 이미지 정보와 함께 홀로그램에 의해 인코딩된 광의 채널이라는 것을 반영하기 위해 여기에서 "홀로그램 채널"이라고 지칭한다. 각 채널의 광은 이미지나 공간 영역이 아닌 홀로그램 영역에 있다고 할 수 있다. 일부 실시예에서, 홀로그램은 푸리에 또는 푸리에 변환 홀로그램이고 따라서 홀로그램 영역은 푸리에 또는 주파수 영역이다. 홀로그램은 프레넬 또는 프레넬 변환 홀로그램일 수 있다. 홀로그램은 홀로그램으로부터 재구성 가능한 이미지가 유한한 크기를 가지며 복수의 이미지 하위 영역으로 임의로 분할될 수 있음을 반영하기 위해 광을 복수의 홀로그램 채널로 라우팅하는 것으로 여기에서 설명되며, 각 홀로그램 채널은 이미지 하위 영역 각각에 해당한다. 중요하게, 본 개시의 홀로그램은 조명될 때 이미지 콘텐츠를 어떻게 분배하는지에 의해 특징지어진다. 특히 홀로그램은 이미지 콘텐츠를 각도로 나눈다. 즉, 이미지의 연속 부분 또는 섹션과 디스플레이 장치(또는, 뷰잉 창) 사이에서 광 전파의 고유의 각 또는 고유의 연속적인 각도 범위에 대해 디스플레이 장치 상에 홀로그램이 조명될 때 공간적으로 변조된 광의 해당 연속적인 홀로그램 채널이 출력된다. 의심을 피하기 위해 이 홀로그램 동작은 일반적이지 않다. 이 특별한 유형의 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광이 조명될 때, 복수의 홀로그램 채널로 임의로 분할될 수 있다. 공간적으로 변조된 광에서 고려될 수 있는 임의의 홀로그램 채널은 이미지의 각각의 부분 또는 하위 영역과 연관될 것임을 전술한 것으로부터 이해될 것이다. 즉, 이미지의 해당 부분 또는 하위 영역을 재구성하는 데 필요한 모든 정보는 이미지의 홀로그램으로부터 형성된 공간적으로 변조된 광의 각도의 하위 범위 내에 포함된다. 공간적으로 변조된 광이 전체적으로 관찰될 때, 반드시 복수의 개별 광 채널의 임의의 증빙이 있는 것은 아니다. 그러나, 일부 실시예에서, 복수의 공간적으로 분리된 홀로그램 채널은 홀로그램이 계산되는 타겟 이미지의 영역을 여백 또는 공백(즉, 이미지 콘텐츠가 존재하지 않음)으로 의도적으로 남겨둠으로써 형성된다.
그럼에도 불구하고 홀로그램은 여전히 식별될 수 있다. 예를 들어, 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광의 연속적인 부분 또는 하위 영역만 재구성되는 경우 이미지의 하위 영역만 보여야 한다. 공간적으로 변조된 광의 다른 연속 부분 또는 하위 영역이 재구성되는 경우 이미지의 다른 하위 영역이 표시되어야 한다. 이러한 유형의 홀로그램의 또 다른 식별 기능은, 임의의 홀로그램 채널의 단면적 모양이 비록 크기는 다를 수 있지만 - 홀로그램이 계산된 정확한 평면에서 -입사 동공의 모양과 실질적으로 일치(즉, 실질적으로 동일함)한다는 것이다. 각 광 홀로그램 채널은 상이한 각도 또는 각도 범위에서 홀로그램으로부터 전파된다. 이러한 유형의 홀로그램을 특성화하거나 식별하는 예시적인 방법이 있지만 다른 방법이 이용될 수 있다. 요약하면, 여기에 개시된 홀로그램은 이미지 콘텐츠가 홀로그램에 의해 인코딩된 광 내에서 어떻게 분포되는지에 의해 특징지어지고 식별 가능하며, 첨부된 청구범위는 그에 따라 설명된다.
회절 구조 또는 홀로그램은 실리콘 상의 액정(LCOS:Liquid Crystal on Silicon) 공간 광 변조기(SLM)(이에 국한되지 않음)와 같은 공간 광 변조기와 같은 디스플레이 장치에 표시될 수 있다. 회절 구조를 표시하는 디스플레이 장치가 적절하게 조명될 때, 회절 구조는 광을 공간적으로 변조하도록 구성되며, 그 결과 디스플레이 장치에 의해 방출되는 광이 복수의 홀로그램 채널로 라우팅된다. 단일(즉, 공통) 광원을 이용하여 전체 회절 구조를 조명할 수 있다. 회절 구조는 복수의 픽셀을 포함할 수 있고, 회절 구조의 모든 픽셀은 각각의 홀로그램 채널에 광을 제공한다.
홀로그램 채널은 회절 구조에 의해 공간적으로 변조된 광의 채널을 포함하기 때문에 대신 "홀로그래픽 채널"로 지칭될 수 있다.
회절 구조는 홀로그램 채널이 다른 각도로 회절 구조로부터 전파되도록 배열될 수 있다. 각각의 그러한 각도는 각각의 채널의 이동 주요 또는 코어 방향과 회절 구조가 디스플레이되는 디스플레이 장치 상의 중심점과 같은 디스플레이 장치 상의 한 지점 사이에 정의될 수 있다. 홀로그램 또는 회절 구조의 각 픽셀은 모든 채널의 광을 출력할 수 있다. 홀로그램의 개별 픽셀은 각 채널의 광을 서로 상이한 각도로 출력할 수 있다.
회절 구조는 키노폼 또는 홀로그램일 수 있다. 그것은 컴퓨터 생성 홀로그램을 포함할 수 있다. 홀로그램 엔진 또는 다른 제어기 또는 프로세서는 회절 구조를 표시하도록 디스플레이 장치를 제어하기 위한 신호를 출력하기 위해 제공될 수 있다.
여기에 개시된 방법에 의해 제공되는 많은 기술적 진보가 있다. 첫째, 방법은 포인트 클라우드 방법과 같은 다른 방법에 의해 형성될 수 있는 고스트 이미지를 형성하지 않는다. 이는 방법이 본질적으로 도파관 내에서 모든 가능한 광 전파 경로를 충분히 고려하여 올바른 이미지 콘텐츠가 올바른 위치에 도달하도록 보장하기 때문이다. 둘째, 이 방법은 이미지 포인트 거리가 매우 작을 때 열악할 수 있는 포인트 클라우드 방법과 같은 다른 방법들과 달리 모든 깊이 평면에서 이미지 콘텐츠를 표시할 수 있다. 이것은 가상 이미지를 형성하기 위해 차량 방풍창과 같은 광학 파워를 갖는 광학 결합기를 이용하는 광학 시스템에서 심각한 문제이다. 셋째, 방법은 본질적으로 파장의 효과를 설명하므로 복수의 단일 색상 홀로그래픽 채널을 포함하는 컬러 프로젝터에서 미국 특허 10,514,658에 개시된 것과 같은 파장에 의한 이미지 크기 보정이 필요하지 않다.
상이한 전파 경로는 상이한 각도로 뷰잉 시스템의 입구 개구를 통과할 수 있다. 동공 확장기는 모든 홀로그램 채널이 뷰잉 평면 상의 임의의 뷰잉 위치에서 뷰잉 시스템의 입구 개구를 통해 라우팅되도록 배열될 수 있다. 동공 확장기는 각 허용된 뷰잉 위치에 대해 뷰잉 시스템의 하나의 전파 경로를 통해 각 홀로그램 채널을 라우팅한다. 복수의 홀로그램 채널 중 적어도 2 개의 홀로그램 채널은 뷰잉 시스템의 입구 개구에서 부분적으로 중첩될 수 있다.
제1 내지 제4 과정은 순서화된 과정일 수 있다. 개시된 방법은 센서 평면과 홀로그램 평면 사이에서 앞뒤로 프로젝션함으로써 동작하고, 방법은 센서 평면 또는 홀로그램 평면에서 시작할 수 있다. 명확하게, "센서 평면"은 시청자가 이미지를 형성할/볼 수 있도록 홀로그램의 광이 도달하는 평면이다. 예를 들어, 시청자 눈의 망막 평면일 수 있다. 센서 평면 또는 홀로그램 평면으로의 각 전파 후에 광 필드의 진폭 성분는 수정되거나 제한되지만 위상 성분는 유지된다. 일부 실시예에서, 방법은 홀로그램 평면에서 시작하는 것과 동일한 제1 과정에서 시작한다. 그러나, 다른 실시예에서, 방법은 센서 평면에서 시작하는 것과 동일한 제3 과정에서 시작한다. 이들 다른 실시예에서, 제3 과정 다음에 제4 과정이 뒤따른다. 제4 과정에 이어 제1 과정이 따르고 제1 과정에 이어 제2 과정이 이어진다. 각 과정은 홀로그램 추출 전에 한 번 수행될 수도 있고, 홀로그램 추출 전에 적어도 일부 과정이 여러 번 수행될 수도 있다.
적어도 하나의 광 전파 경로는 동공 확장기에 의해 제공되는 복수의 광 전파 경로를 포함할 수 있다. 동공 확장기의 구조는 그를 통한 복수의 상이한 가능 광 경로를 용이하게 하거나 가능하게 한다. 상이한 가능 광 경로는 부분적으로 중첩될 수 있다. 일부 실시예에서, 상이한 광 경로의 시리즈가 동공 확장기에 의해 생성되고, 여기서 시리즈 내의 각각의 광 경로는 마지막 광 경로보다 더 길다. 시리즈의 각 광 경로는 출사면의 다른 지점에서 동공 확장기를 빠져나가 대응하는 광 출사점 또는 하위 영역의 시리즈를 생성한다. 광 출사점 또는 하위 영역의 시리즈는 동공 확장기의 출사면을 따라 실질적으로 균일하게 이격될 수 있다.
동공 확장기는 도파관 동공 확장기일 수 있다. 동공 확장기로 들어오는 각각의 광선은 여러 번 복제될 수 있다. 동공 확장기는 일련의 내부 반사에 의해 광을 전파하고 그 주요 면을 따라 복수의 지점에서 광을 출력하도록 배열될 수 있다. 각각의 광 전파 경로는 그 광 전파 경로와 연관된 도파관 내의 내부 반사의 수에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1 광 전파 경로는 제로 내부 반사를 포함할 수 있고 따라서 도파관을 직접 통과하는 광에 대응한다. 예를 들어, 제2 광 전파 경로는 도파관을 빠져나가기 전에 2 번의 내부 반사, 즉 도파관의 제1 주/반사 표면에서의 제1 반사 및 도파관의 제2 주/반사 표면에서의 제2 반사를 포함할 수 있으며, 제2 주/반사 표면은 제1 주/반사 표면과 반대이거나 상보적이다. 따라서 의심의 여지를 없애기 위해 광 전파 경로에는 약간의 겹침이 있다. 다른 예에서, 제1 광 전파 경로는 하나의 반사를 포함하고 제2 광 전파 경로는 세 번의 반사를 포함한다. 제1 광 전파 경로는 최단 광 전파 경로일 수 있고, 제n 광 전파 경로는 최장 광 전파 경로일 수 있다. 상이한 전파 경로는 상이한 각도로 뷰잉 시스템의 입구 개구를 통과할 수 있다.
적어도 하나의 광 전파 경로는 동공 확장기에 의해 제공되는 복수의 광 전파 경로 중 단지 하나일 수 있다. 제1 내지 제4 과정은 광 전파 경로별 홀로그램을 추출하기 위해 복수의 광 전파 경로 중 각 광 전파 경로별로 수행될 수 있다. 제1 내지 제4 과정은 광 전파 경로별로 독립적으로 수행될 수 있다. 복수의 광 전파 경로에 대응하는 복수의 홀로그램은 디스플레이 장치에 표시하기 위한 홀로그램을 형성하기 위해 결합될 수 있다.
특히, 방법은 각각의 광 전파 경로에 대해 제1 내지 제4 과정(시작점에 관계없이)을 수행함으로써 도파관을 통한 복수의 광 전파 경로를 설명한다. 제1 내지 제4 과정은 각각의 전파 경로에 대해 차례로 수행될 수 있다. 대안적으로, 제1 과정은 각 전파 경로에 대해 수행된 다음 각 전파 경로에 대해 제2 과정을 수행한 다음 제3 과정 등으로 수행할 수 있다. 상이한 전파 경로들의 부분적 중첩 때문에, 제n 전파 경로와 관련하여 수행된 과정들은 제n-1 전파 경로와 관련된 계산을 재이용할 수 있으며, 제n 전파 경로는 제n-1 전파 경로 다음으로 가장 긴 전파 경로이다. 복수의 상이한 광 전파 경로에 대해 각각 결정된 복수의 홀로그램은, 특히 홀로그램이 위상 또는 위상 전용 홀로그램인 경우에 가산에 의해 결합될 수 있다.
제1 과정에서 디스플레이 평면으로부터 전파된 광은 랜덤인 위상 성분, 2차 함수 또는 샘플링된 2차 함수를 갖는 제0 복소 광 필드를 포함할 수 있다.
제0 복소 광 필드의 진폭 성분은 조명 빔의 진폭 성분과 동일할 수 있다. 일부 실시예에서, 제0 복소 광 필드의 진폭은 1이다. 방법이 제1 과정에서 시작되면 제0 복소 광 필드의 위상 성분은 무작위일 수 있다. 무작위 위상 분포는 때때로 무작위 위상 시드라고 하며 홀로그램 평면에서 시작할 때(즉, 제1 과정) 방법의 시작점으로만 이용할 수 있다.
제1 내지 제4 과정은 최종 반복에서 홀로그램을 추출하는 과정 이전에 되풀이하여 반복될 수 있다. 제2 및 후속 반복 동안 디스플레이 장치로부터 전파된 광은 바로 이전 반복의 제4 복소 광 필드의 위상 분포를 포함할 수 있다.
방법이 중지(즉, 홀로그램이 허용됨)되기 전에 제1 과정의 추가 반복이 수행되면 제4 과정의 위상 성분가 보존되거나 유지되거나 이월된다. 즉, 제1 과정에 따라 디스플레이 평면으로 전파된 복소 광 필드의 위상 성분는 제4 복소 광 필드의 위상 성분과 동일하다.
홀로그램은 제4 데이터 세트의 위상 성분일 수 있다. 홀로그램은 방법의 최종 반복 또는 과정의 제4 데이터 세트의 위상 성분일 수 있다. 일부 실시예에서, 홀로그램은 키노폼 또는 위상 홀로그램 또는 위상 전용 홀로그램이다. 제4 복소 광 필드의 진폭 성분는 폐기될 수 있다.
홀로그램은 복수의 이미지의 홀로그램일 수 있다. 각각의 이미지는 서로 상이한 이미지 거리를 가질 수 있다. 방법의 제2 과정은 각 이미지에 대해 독립적으로 수행될 수 있다. 중요하게는, 여기에 개시된 방법은 동시에 여러 평면에 이미지 콘텐츠를 형성할 수 있는 홀로그램을 형성한다. 이것은 각각의 다른 평면에 대해 제2 과정을 수행하고 결과를 결합함(예: 복소 광 필드를 함께 합산)으로써 달성된다. 각각의 이미지는 실제 이미지일 수도 있고 가상 이미지일 수도 있다. 이미지 콘텐츠는 디스플레이 장치 앞 - 즉, 디스플레이 장치의 다운스트림 - 및/또는 디스플레이 장치 뒤 - 즉, 디스플레이 장치의 업스트림 - 에서 볼 수 있다.
각각의 복소 광 필드는 프레넬 전파(Fresnel propagation), 변위된 프레넬 전파(shifted Fresnel propagation), 분수 프레넬 전파(fractional Fresnel propagation), 분수 푸리에 변환(fractional Fourier Transform) 또는 스케일링된 고속 푸리에 변환(scaled Fast Fourier Transform)과 같은 파동 전파 광학에 의해 결정된다.
제2 과정의 진폭 성분의 수정은 제2 복소 광 필드의 진폭 성분을 이미지의 진폭 성분으로 대체하거나, 또는 이미지의 진폭 성분에 기초하여 제2 복소 광 필드의 진폭 성분을 가중하는 것을 포함할 수 있다.
크로핑의 각 과정은 대응하는 동공의 크기, 형상 및 위치 중 적어도 하나에 따라 복소 광 필드를 다듬는 것을 포함할 수 있다. 입사 동공의 크기, 형상 및 위치 중 적어도 하나는 뷰잉 시스템을 추적 또는 모니터링하거나 뷰잉 시스템에 대한 정보를 수신함으로써 결정될 수 있다. 뷰잉 시스템이 눈인 실시예에서, 방법은 눈 추적 또는 머리 추적을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 제1 내지 제4 과정은 위치 또는 크기와 같은 입사 동공의 적어도 하나의 속성이 변경되는 경우 반복될 수 있다.
또한 각각의 이미지는 가상 이미지일 수 있다. 또는 각각의 이미지는 뷰잉 시스템에서 디스플레이 장치 뒤에 있거나 뒤에 있는 것처럼 보일 수 있다. 즉, 뷰잉 시스템으로부터 인지된 이미지까지의 이미지 거리는 뷰잉 시스템으로부터 디스플레이 디바이스까지의 거리보다 더 클 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 이미지 콘텐츠는 디스플레이 장치의 다운스트림, 즉 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템(들) 사이에 추가적으로 또는 대안적으로 형성된다.
뷰잉 시스템은 시청자의 눈일 수 있다. 방법은 뷰잉 시스템의 입사 동공의 크기 및 위치 중 적어도 하나를 결정하기 위해 시청자를 추적하는 눈 또는 머리를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 뷰잉 시스템(들)의 입사 동공(들)의 크기 및/또는 위치는 홀로그램을 결정하기 위한 방법의 일부로서 이용된다. 일부 실시예에서, 방법은 실시간으로 - 예를 들어 비디오 속도로 - 수행되고, 시청자가 움직이거나 예를 들어 주변 조명 조건은 변화하는 시청자의 입사 동공 크기에 영향을 준다면 홀로그램은 재계산되는 것과 같이 재결정된다.
동공 확장기에 의해 제공되는 각각의 광 전파 경로를 따른 전파는 각각의 개별 광 전파 경로의 개별 복소 광 필드를 결합하는 것을 포함할 수 있다. 개별 복소 광 필드는 추가로 결합될 수 있다. 동공 확장기에 의해 제공되는 복수의 상이한 광 전파 경로의 각각의 광 전파 경로는 개별적으로 고려된다. 각 광 전파 경로에 의해 형성되는 복소 광 필드는 개별적으로 결정된다.
동공 확장기는 도파관 동공 확장기일 수 있다. 각 광 전파 경로는 도파관 내에서 내부 반사의 수가 서로 다르다. 일부 실시예에서, 동공 확장기는 실질적으로 1차원(즉, 세장형) 또는 2차원 형상(예를 들어, 슬래브 형상과 같이 실질적으로 평면)을 갖는 도파관 동공 확장기이다. 실시예에서, 출사 동공은 방향 또는 치수에서 길게 확장된다. 동공 확장기는 대향하거나 상보적인 한 쌍의 반사 표면을 포함할 수 있다. 이러한 표면 중 하나는 부분적으로만 반사되어 광이 일련의 광 출구 지점 또는 하위 영역에서 빠져나갈 수 있도록 한다.
개별 복소 광 필드를 결합하는 것은 입사 동공을 포함하는 평면 상의 각각의 복소 광 필드의 측방향 위치를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 도파관 내 내부 반사의 수는 측방향 위치를 결정한다.
개별 복합 광 필드를 결합하는 과정은 각 광 전파 경로의 내부 반사와 관련된 전체 위상 변이를 결정하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이것은 각각의 광 전파 경로와 연관된 복수의 위상 변이를 합산하는 것을 포함할 수 있으며, 각각의 위상 변이는 동공 확장기 내에서의 반사로부터 발생한다.
또한, 헤드업 디스플레이를 이용하여 보기 위한 이미지의 홀로그램을 결정하도록 구성된 홀로그램 엔진이 여기에 개시된다. 헤드업 디스플레이는 디스플레이 장치와 동공 확장기를 포함한다. 헤드업 디스플레이는 적어도 하나의 뷰잉 시스템과 함께 작동하도록 구성된다. 각 뷰잉 시스템은 입사 동공 평면 상의 입사 동공, 렌즈 평면 상의 렌즈 및 센서 평면 상의 센서를 포함한다. 헤드업 디스플레이는 한 쌍의 눈과 같은 한 쌍의 뷰잉 시스템과 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 디스플레이 장치(예: 공간 광 변조기)는 홀로그램 평면에 홀로그램을 표시하도록 구성된다. 동공 확장기는 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 구성된다. 예를 들어, 표시된 홀로그램은 광원로부터의 적어도 부분적으로 가간섭성 광으로 조명될 수 있다. 디스플레이 장치는 표시된 홀로그램에 따라 수신된 광을 공간적으로 변조한다. 홀로그램 엔진은 뷰잉 시스템의 입사 동공에서 제1 복소 광 필드를 결정하도록 구성된다. 제1 복소 광 필드는 동공 확장기의 각 광 전파 경로를 따라 디스플레이 장치의 홀로그램 평면(또는 "디스플레이 평면")으로부터의 광의 전파로 인해 발생한다. 제1 복소 광 필드는 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 복소 광 필드를 크로핑한 결과이다. 홀로그램 엔진은 뷰잉 시스템의 센서의 센서 평면에서 제2 복합 광 필드를 결정하도록 추가로 구성된다. 제2 복소 광 필드는 입사 동공으로부터 뷰잉 시스템의 렌즈를 통해 뷰잉 시스템의 센서의 센서 평면으로의 제1 복소 광 필드의 광의 전파로 인해 발생한다. 제2 복소 광 필드는 이미지에 따라 진폭 성분을 수정한 결과이다. 홀로그램 엔진은 입사 동공에서 제3 복소 광 필드를 결정하도록 추가로 구성된다. 제3 복소 광 필드는 센서 평면에서 렌즈를 통해 제2 복소 광 필드의 광이 역으로 전파된 결과이다. 제3 복소 광 필드는 또한 입사 동공에 따른 크로핑때문에 발생한다. 홀로그램 엔진은 디스플레이 평면에서 제4 복소 광 필드를 결정하도록 더 구성된다. 제4 복소 광 필드는 제3 복소 광 필드의 광이 동공 확장기의 각 광 전파를 따라 다시 전파된 결과이다. 제4 복소 광 필드는 디스플레이 장치에 따른 크로핑(cropping)한 결과이다. 홀로그램 엔진은 제4 복소 광 필드에 대응하는 데이터 세트로부터 홀로그램을 추출하도록 구성된다. 홀로그램 엔진은 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 또는 주문형 집적 회로(ASIC)와 같은 디스플레이 드라이버로 구현될 수 있다. 디스플레이 드라이버는 헤드업 디스플레이 "HUD"용 화상 생성 유닛 "PGU"의 일부일 수 있다.
용어 "홀로그램(hologram)"은 객체에 대한 진폭 정보 혹은 위상 정보 또는 이들의 일부 조합을 포함하는 레코딩(recoding)을 지칭하는데 사용된다. 용어 "홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)"은 홀로그램을 조사하여 형성된 객체의 광학적 재구성을 지칭하는데 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템은, 홀로그래픽 재구성이 실제 이미지이고 홀로그램으로부터 공간적으로 분리되기 때문에, "홀로그래픽 프로젝터(holographic projector)"로서 설명된다. 용어 "재생 필드 (replay field)"는 홀로그래픽 재구성이 형성되고 완전히 포커스되는 2D 영역(2D area)을 지칭하는데 사용된다. 홀로그램이 픽셀들을 포함하는 공간 광 변조기 상에 표시되면, 재생 필드는 복수의 회절 차수(diffracted order)의 형상로 반복될 것이며, 여기서 각각의 회절된 차수는 0 차 재생 필드(zeroth-order replay field)의 복제물이다. 0 차 재생 필드는 가장 밝은 재생 필드이기 때문에 선호 혹은 일차적인 재생 필드에 일반적으로 해당한다. 달리 명시되지 않는 한, "재생 필드"라는 용어는 0 차 재생 필드를 가리키는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "재생 평면(replay plane)" 는 모든 재생 필드들을 포함하는 공간의 평면을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "이미지(image)", "재생 이미지(replay image)" 및 "이미지 영역(image region)"은 홀로그래픽 재구성의 광(light)에 의해 비춰지는 재생 필드의 영역들을 지칭한다. 일부 실시예에서, "이미지"는 "이미지 스팟들(image spots)" 또는 편의상 "이미지 픽셀들(image pixels)"로 지칭될 수 있는 개별적인 스팟들을 포함할 수 있다.
용어 "인코딩(encoding)", "쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"은 각각의 픽셀의 변조 레벨을 결정하는 각각의 복수의 제어 값들을 SLM의 복수의 픽셀들에게 제공하는 프로세스를 기술하는 데 사용된다. SLM의 픽셀은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "표시(display)"하도록 구성된다고 말할 수 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "표시"한다고 말할 수 있고 홀로그램은 광 변조 값들 혹은 레벨들의 어레이로 간주될 수 있다.
수용 가능한 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래의 객체의 푸리에 변환과 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 레코딩은 위상-한정 홀로그램(phase-only hologram)으로 지칭될 수 있다. 실시 예들은 위상-한정 홀로그램에 관한 것이지만, 본 개시는 진폭-한정 홀로그래피(amplitude-only holography)에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 개시는 또한 원래의 객체의 푸리에 변환과 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는 데에도 동일하게 적용될 수 있다. 일부 실시 예에서, 이것은 원래의 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램(fully complex hologram)을 이용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램이라고 지칭될 수 있다. 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 모두 갖는 복소수로 표현될 수 있다. 일부 실시 예에서, 완전-복소 컴퓨터-생성 홀로그램(fully-complex computer-generated hologram)이 계산된다.
컴퓨터-생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 픽셀들의 위상 값, 위상 성분, 위상 정보 또는, 단순히, 위상이 "위상-지연(phase-delay)"의 약어로 참조될 수 있다. 즉, 설명된 모든 위상 값은, 실제로는, 해당 픽셀이 제공하는 위상 지연(phase retardation)의 양을 나타내는 (예컨대, 0 내지 2π 범위의) 숫자이다. 예를 들어, 위상 값이 π/2 인 것으로 설명된 공간 광 변조기의 픽셀은 수신된 광의 위상을 π/2 라디안만큼 지연시킨다. 일부 실시예에서, 공간 광 변조기의 각 픽셀은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들) 중 하나로 작동 가능하다. 용어 "그레이 레벨(grey level)"은 복수의 이용 가능한 변조 레벨들을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 용어 "그레이 레벨"은 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 음영들을 제공하지 않더라도 위상-한정 변조기에서 복수의 이용 가능한 위상 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다. 용어 "그레이 레벨"은 또한 복소 변조기에서 이용 가능한 복수의 복소 변조 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다.
따라서 홀로그램은 그레이 레벨들의 어레이를 - 즉, 위상-지연 값들 또는 복소 변조 값들의 어레이와 같은 광 변조 값들의 어레이를 - 포함한다. 또한 홀로그램은, 공간 광 변조기에 디스플레이될 때 그리고 공간 광 변조기의 픽셀 피치(pixel picth)에 필적하는, - 일반적으로 그보다는 작은 - 파장을 갖는 광으로 조사될 때, 회절을 유발하는 패턴이기 때문에, 회절 패턴으로 간주된다. 홀로그램을 렌즈 또는 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴들과 같은 다른 회절 패턴들과 결합하는 것이 본 명세서에 참조된다. 예를 들어, 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴이 재생 평면 상에 재생 필드를 변환하도록 홀로그램과 결합되거나, 렌즈로 기능하는 회절 패턴이 근거리 필드(near field)의 재생 평면 상에 홀로그래픽 재구성을 포커스하도록 홀로그램과 결합될 수 있다.
다양한 실시예들 및 실시예들의 그룹이 후술되는 상세한 설명에서 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합(combination)과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징의 모든 가능한 조합 및 순열(permutation)이 고려된다.
특정 실시 예는 다음 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 첫 번째 반복을 도시한다.
도 2b는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복들을 도시한다.
도 2c는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 대안적인 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 디스플레이 장치로부터 개구를 향해 효율적으로 전파하는 가상 이미지의 각도 콘텐츠를 도시한다.
그림 5a는 전파 거리가 비교적 작은 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 5b는 전파 거리가 비교적 큰 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6a는 무한대에 허상을 형성하기 위해 도파관을 포함하는 전파 거리가 비교적 큰 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 광 경로의 확대도이다.
도 7은 실시예에 따른 광학 시스템을 도시한다.
도 8은 실시예들에 따른 방법의 과정들을 도시한 순서도이다.
도 9a는 복수의 이미지 영역(하부) 및 복수의 홀로그램 컴포넌트를 포함하는 해당 홀로그램(상부)을 포함하는 이미지를 도시한다.
도 9b는 홀로그램으로 인코딩된 광을 복수의 개별 홀로그램 채널로 라우팅하거나 채널링하는 것을 특징으로 하는 본 개시에 따른 홀로그램을 도시한다.
그림 10은 각 홀로그램 채널의 광 콘텐츠를 다른 광학 경로를 통해 눈으로 라우팅하도록 구성된 최적화 시스템을 도시한다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 이용된다.
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 첫 번째 반복을 도시한다.
도 2b는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복들을 도시한다.
도 2c는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 대안적인 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 디스플레이 장치로부터 개구를 향해 효율적으로 전파하는 가상 이미지의 각도 콘텐츠를 도시한다.
그림 5a는 전파 거리가 비교적 작은 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 5b는 전파 거리가 비교적 큰 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6a는 무한대에 허상을 형성하기 위해 도파관을 포함하는 전파 거리가 비교적 큰 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 광 경로의 확대도이다.
도 7은 실시예에 따른 광학 시스템을 도시한다.
도 8은 실시예들에 따른 방법의 과정들을 도시한 순서도이다.
도 9a는 복수의 이미지 영역(하부) 및 복수의 홀로그램 컴포넌트를 포함하는 해당 홀로그램(상부)을 포함하는 이미지를 도시한다.
도 9b는 홀로그램으로 인코딩된 광을 복수의 개별 홀로그램 채널로 라우팅하거나 채널링하는 것을 특징으로 하는 본 개시에 따른 홀로그램을 도시한다.
그림 10은 각 홀로그램 채널의 광 콘텐츠를 다른 광학 경로를 통해 눈으로 라우팅하도록 구성된 최적화 시스템을 도시한다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 이용된다.
본 발명은 다음에 설명되는 실시예들에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 연장한다. 즉, 본 발명은 다른 형상들로 실시될 수 있으며 설명의 목적으로 제시된 기재된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
단수형의 용어는 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다.
다른 구조물의 상부/하부 또는 상/하에 형성된 구조물이라고 기술된 경우, 구조물들이 서로 접촉하는 경우 및 제3의 구조물이 그 사이에 배치되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
시간 관계를 기술함에 있어서, 사건의 시간 순서가 예를 들어 "후", "후속", "다음", "전" 등으로 기술될 때, 본 개시는 별도로 규정하지 않는 한은 연속적 및 비연속적 사건을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 그 기재가 "막(just)", "바로(immediate)" 또는 "직접(direct)"라는 기재가 이용되지 않는 한, 비연속적 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
본 명세서에서 다양한 요소들을 설명하기 위해 "제1", "제2" 등의 용어가 이용될 수 있지만, 이러한 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 이용된다. 예를 들어, 제1요소는 제2요소로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2요소는 첨부된 청구범위를 벗어남 없이 제1요소로 지칭될 수 있다.
상이한 실시예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양한 형상로 서로 상호 작용할 수 있다. 일부 실시예들은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 서로 연계되어 함께 수행될 수도 있다.
광학 구성
도 1은 컴퓨터-생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기에서 인코딩되는 실시예를 도시한다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 할 수 있다. 본 실시예에서, 공간 광 변조기는 반사형의 액정-온-실리콘(liquid crystal on silicon: "LCOS")장치이다. 홀로그램은 공간 광 변조기에서 인코딩되고 홀로그래픽 재구성은 재생 필드, 예컨대 스크린 또는 디퓨저(diffuser)와 같은 수광 표면(light receiving surface)에 형성된다.
예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅 렌즈(collimating lens, 111)를 통해 SLM(140)을 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 도 1에서, 파면의 방향은(예컨대, 투명층의 평면에 대해 완전 수직으로부터 2도 또는 3도 정도 떨어진) 오프-노멀(off-normal)하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 전체적으로 평면인 파면은 법선 방향으로 입사되고, 입력 및 출력 광경로들을 분리하기 위한 빔 스플리터 배치(beam splitter arrangement)가 이용된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 미러형 후방 표면(mirrored rear surface)에 반사되며 출사 파면(exiting wavefront, 112)을 형성하기 위해 광 변조층과 상호작용하게 한다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다. 더욱 상세하게, 푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM(140)으로부터 출사되는 변조된 광의 빔을 전달 받아 스크린(125)에 홀로그래픽 재구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환을 수행한다.
특히, 이러한 유형의 홀로그래피에서 홀로그램의 각 픽셀은 전체 재구성에 관여한다. 재생 필드의 특정 지점들(또는 이미지 픽셀들)과 특정 광-변조 요소들(또는 홀로그램 픽셀들)사이에는 일대일 상관 관계가 없다. 다시 말해, 광-변조 층을 나가는 변조된 광은 재생 필드에 분포된다.
이러한 실시예들에서, 공간에서 홀로그래픽 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절(포커싱)파워(dioptric(focusing)power)에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이며, 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 어떤 렌즈라도 푸리에 변환 렌즈 역할을 할 수 있지만, 수행되는 푸리에 변환의 정확도는 렌즈의 성능에 좌우된다. 통상의 기술자라면 렌즈를 이용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해할 수 있다.
예시적인 홀로그램 계산
일부 실시예에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에-기반 홀로그램이며, 여기서 이미지는 포지티브 렌즈의 푸리에 변환 특성을 이용하여 원거리 장(far field)에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 재생 평면에서 원하는 광 필드(light field)를 푸리에 변환하여 렌즈 평면에 오도록 계산된다. 컴퓨터-생성 푸리에 홀로그램은 푸리에 변환을 이용하여 계산될 수 있다.
푸리에 변환 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하여 계산될 수 있다. 더욱이, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 공간 도메인(예컨대, 사진)의 진폭-한정 정보로부터 푸리에 도메인의 홀로그램(즉, 푸리에 변환 홀로그램)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 객체와 관련된 위상 정보는 공간 도메인에서 진폭-한정 정보로부터 효과적으로 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘 또는 그 변형 알고리즘을 이용해 진폭-한정 정보로부터 계산된다.
Gerchberg Saxton 알고리즘은 평면 A와 B에서 각각의 광선(light beam) 광선의 단면적 강도 IA(x, y) 및 IB(x, y) 가 알려져 있고 IA(x, y) 및 IB(x, y)가 단일 푸리에 변환과 연관되는 상황을 고려한다. 주어진 단면적 강도에 대해 평면 A 및 B에서의 각각의 위상 분포에 대한 근차치인 ΨA(x, y) 및 ΨB(x, y)가 구해진다. Gerchberg-Saxton 알고리즘은 반복 프로세스를 따름으로써 이 문제에 대한 솔루션을 찾는다. 더 구체적으로, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 공간 도메인과 푸리에(스펙트럼 또는 주파수) 도메인 사이에서 IA(x, y) 및 IB(x, y)를 나타내는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전달하면서 공간 제한(constraint) 및 스펙트럼 제한을 반복적으로 적용한다. 스펙트럼 영역에서 상응하는 컴퓨터-생성 홀로그램은 알고리즘의 적어도 1 회 이상의 반복을 통해 얻어진다. 알고리즘은 입력 이미지를 나타내는 홀로그램을 생성하도록 설정되고 수렴된다. 홀로그램은 진폭 전용 홀로그램(amplitude-only hologram), 위상 전용 홀로그램(phase-only hologram) 또는 완전 복소 홀로그램(a fully complex hologram)일 수 있다.
일부 실시예에서, 위상 전용 홀로그램은 영국 특허 제2,498,170호 또는 제2,501,112호에 기술된 것과 같은 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초한 알고리즘을 이용하여 계산되며, 이 특허들은 는 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다. 그러나, 본 명세서에 개시된 실시예는 단지 예시로서 위상 전용 홀로그램을 계산하는 것을 설명한다. 이들 실시예에서, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 알려진 진폭 정보 T[x, y]를 발생시키는 데이터 세트의 푸리에 변환의 위상 정보 Ψ[u, v]를 검색하는데, 여기서 진폭 정보 T[x, y]는 대상 이미지(예컨대, 사진)를 나타낸다. 진폭과 위상은 푸리에 변환에서 본질적으로 결합되므로,변환된 진폭과 위상에는 계산된 데이터 세트의 정확도에 대한 유용한 정보가 포함된다. 따라서 알고리즘은 진폭 및 위상 정보 모두에 대한 피드백과 함께 반복적으로 사용될 수 있다. 그러나, 이들 실시예에서, 위상 정보 Ψ[u, v]만이 이미지 평면에서 대상 이미지의 홀로그래픽 표현을 형성하기 위한 홀로그램으로 사용된다. 홀로그램은 위상 값의 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이다.
다른 실시예에서, Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초한 알고리즘은 완전 복소 홀로그램을 계산하기 위해 이용된다. 완전 복소 홀로그램은 크기 성분과 위상 성분을 갖는 홀로그램이다. 홀로그램은 복소 데이터 값들의 에레이를 포함하는 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이고, 각각의 복소 데이터 값은 크기 성분 및 위상 성분을 포함한다.
일부 실시예에서, 알고리즘은 복소 데이터를 처리하고, 푸리에 변환은 복소 푸리에 변환이다. 복소 데이터는 (i) 실수 성분 및 허수 성분 또는 (ii) 크기 성분 및 위상 성분을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 일부 실시예에서, 복소 데이터의 2개의 성분은 알고리즘의 다양한 과정에서 상이하게 처리된다.
도 2a는 위상 전용 홀로그램을 계산하기 위한 일부 실시예에 따른 알고리즘의 제1 반복을 도시한다. 알고리즘에 대한 입력은 픽셀 또는 데이터 값의 2D 어레이를 포함하는 입력 이미지(210)이며, 여기서 각 픽셀 또는 데이터 값은 크기 또는 진폭 값이다. 즉, 입력 이미지(210)의 각 픽셀 또는 데이터 값은 위상 성분을 갖지 않는다. 따라서, 입력 이미지(210)는 크기 전용 또는 진폭 전용 또는 강도 전용 분포로 간주될 수 있다. 이러한 입력 이미지(210)의 일례는 프레임의 시간적 시퀀스를 포함하는 사진 또는 비디오의 한 프레임이다. 알고리즘의 제1 반복은 랜덤 위상 분포(또는 랜덤 위상 시드)(230)를 이용하여, 초기 복소 데이터 세트(starting complex data set)의 각각의 데이터 요소가 크기 및 위상을 포함하도록, 입력 이미지의 각 픽셀에 랜덤 위상 값을 할당하는 과정을 포함하는 데이터 형성 과정(202A)에서 시작한다. 초기 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.
제1 프로세싱 블록(250)은 초기 복소 데이터 세트를 수신하고 복소 푸리에 변환을 수행하여 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성한다. 제2 프로세싱 블록(253)은 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하고 홀로그램(280A)을 출력한다. 일부 실시예에서, 홀로그램(280A)은 위상 전용 홀로그램이다. 이들 실시예에서, 제2 프로세싱 블록(253)은 각각의 위상 값을 양자화하고 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 각 진폭 값을 1로 설정한다. 각 위상 값은 위상 전용 홀로그램을 "표시"하는데 이용되는 공간 광 변조기의 픽셀 상에 표현될 수 있는 위상 레벨에 따라 양자화된다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 각 픽셀이 256 개의 서로 다른 위상 레벨을 제공하면 홀로그램의 각 위상 값은 256개의 가능한 위상 레벨 중 하나의 위상 레벨로 양자화된다. 홀로그램(280A)은 입력 이미지를 나타내는 위상 전용 푸리에 홀로그램이다. 다른 실시예에서, 홀로그램(280A)은 수신된 푸리에 변환된 복소 데이터 세트로부터 유도된 복소 데이터 값(각각 진폭 성분 및 위상 성분을 포함함)의 어레이를 포함하는 완전 복소 홀로그램이다. 일부 실시예에서, 제2 프로세싱 블록(253)은 복수의 허용 가능한 복소 변조 레벨 중 하나로 각각의 복소 데이터 값을 제한하여 홀로그램(280A)을 형성한다. 제한하는 과정는 복소 평면에서 각 복소 데이터 값을 가장 가까운 허용 가능한 복소 변조 레벨로 설정하는 과정을 포함할 수 있다. 홀로그램(280A)은 스펙트럼 또는 푸리에 또는 주파수 영역에서 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다. 일부 실시예에서, 알고리즘은 이 시점에서 정지한다.
그러나, 다른 실시예에서, 알고리즘은 도 2a의 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 계속된다. 즉, 도 2a에서 점선 화살표를 따르는 과정는 선택적이다(즉, 모든 실시예에 필수적인 것은 아니다).
제3 프로세싱 블록(256)은 제2 프로세싱 블록(253)으로부터 수정된 복소 데이터 세트를 수신하고 역 푸리에 변환을 수행하여 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성한다. 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.
제4 프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소수 데이터 세트를 수신하고 진폭 값(211A)의 분포 및 위상 값(213A)의 분포를 추출한다. 선택적으로, 제4 프로세싱 블록(259)은 진폭 값(211A)의 분포를 평가한다. 구체적으로, 제4 프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 진폭 값(211A)의 분포를 당연히 진폭 값의 분포인 입력 이미지(510)와 비교할 수 있다. 진폭 값(211A)의 분포와 입력 이미지(210)의 분포 사이의 차이가 충분히 작으면, 제4 프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 허용 가능한 것으로 결정할 수 있다. 즉, 진폭 값(211A)의 분포와 입력 이미지(210)의 차이가 충분히 작으면, 제4 프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 입력 이미지(210)를 충분히 정확하게 나타내는 것으로 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비교 과정에서 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 위상 값(213A)의 분포는 무시된다. 진폭 값(211A)과 입력 이미지(210)의 분포를 비교하기 위한 임의의 수의 상이한 방법들이 이용될 수 있으며, 본 개시는 임의의 특정 방법에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 일부 실시예에서, 평균 제곱 차이가 계산되고, 평균 제곱 차이가 임계값 보다 작은 경우, 홀로그램(280A)은 수용 가능한 것으로 간주된다. 제4 프로세싱 블록(259)이 홀로그램(280A)이 수용 가능하지 않다고 결정하면, 알고리즘의 추가 반복이 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 비교 과정는 필수적인 것은 아니며, 다른 실시예에서 수행되는 알고리즘의 반복 횟수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자 정의된다.
도 2b는 알고리즘의 두 번째 반복 및 알고리즘의 임의의 추가 후속 반복을 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백된다. 진폭 값(211A)의 분포는 입력 이미지(210)의 크기 값의 분포를 위해 소거된다. 첫 번째 반복에서, 데이터 형성 과정(202A)는 입력 이미지(210)의 진폭 값의 분포를 랜덤 위상 분포(230)와 결합하여 제1 복소 데이터 세트를 형성한다. 그러나, 두 번째 및 후속 반복에서, 데이터 형성 과정(202B)는 (i) 알고리즘의 이전 반복으로부터의 위상 값(213A)의 분포와 (ii) 입력 이미지(210)의 진폭 값의 분포를 합하여 복소 데이터 세트를 형성하는 과정을 포함한다.
도 2b의 데이터 형성 과정(202B)에 의해 형성된 복소 데이터 세트는 도 2a를 참조하여 기술된 것과 동일한 방식으로 처리되어 제2 반복 홀로그램(280B)을 형성한다. 따라서 프로세스에 대한 설명은 여기에서 반복되지 않는다. 알고리즘은 제2 반복 홀로그램(280B)이 계산되면 중단될 수 있다. 그러나 알고리즘의 임의의 수의 추가 반복이 수행될 수 있다. 제3 프로세싱 블록(256)은 제4 프로세싱 블록(259)이 요구되거나 더 많은 박복이 요구되는 경우에만 요구된다는 것을 이해할 것이다. 출력 홀로그램(280B)은 일반적으로 반복할 때마다 개선된다. 그러나 실제로는 일반적으로 측정 가능한 개선이 관찰되지 않거나 처리 사간의 증가라는 부정적 효과가 추가 반복을 수행하는 긍정적인 이점 보다 커지는 시점이 도달한다. 따라서 알고리즘은 반복적이고 수렴적으로 기술된다.
도 2c는 두 번째 및 후속 반복의 대안적인 실시예를 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백된다. 진폭 값(211A)의 분포는 대안적인 진폭 값의 분포를 위해 소거된다. 이 대안적인 실시예에서, 대안적인 진폭 값의 분포는 이전 반복의 진폭 값(211)의 분포로부터 도출된다. 특히, 프로세싱 블록(258)은 선행 반복의 진폭 값(211)의 분포로부터 입력 이미지(210)의 진폭 값의 분포를 감산하고, 그 차이를 이득 인자 α만큼 스케일링하고, 입력 이미지(210)로부터 스케일링된 차분을 감한다. 이는 다음의 방정식에 의해 수학적으로 표현되며, 아래 첨자 텍스트와 숫자는 반복 횟수를 나타낸다.
[수학식 1]
여기서:
F'는 역 푸리에 변환이고;
F는 순방향 푸리에 변환이고;
R[x, y]는 제3 프로세싱 블록(256)에 의해 출력된 복소 데이터 세트이고;
T[x, y]는 입력 또는 타겟 이미지고;
∠는 위상 성분이고;
ψ는 위상 전용 홀로그램(280B)이고;
η은 진폭 값(211B)의 새로운 분포이며;
α는 이득 계수이다.
이득 계수 α는 고정되거나 가변적일 수 있다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 입력 목표 이미지 데이터의 크기 및 속도(rate)에 기초하여 결정된다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 반복 횟수에 의존한다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 단지 반복 횟수의 함수이다.
도 2c의 실시예는 다른 모든 면에서 도 2a 및 도 2b의 실시예와 동일하다. 위상 전용 홀로그램 Ψ(u, v)는 주파수 또는 푸리에 도메인에서의 위상 분포를 포함한다고 말할 수 있다.
일부 실시예에서, 푸리에 변환은 공간 광 변조기를 이용하여 수행된다. 구체적으로, 홀로그램 데이터는 광 파워를 제공하는 제2 데이터와 결합된다. 즉, 공간 광 변조기로 기록되는 데이터는 객체를 나타내는 홀로그램 데이터 뿐만 아니라 렌즈를 나타내는 렌즈 데이터를 포함한다. 공간 광 변조기에 표시되면서 광이 조사될 때, 렌즈 데이터(lens data)는 물리적인 렌즈를 모방(emulate)하는데, 즉, 렌즈 데이터는 이에 상응하는 물리적인 광학 장치와 동일한 방식으로 광의 초점을 맞춘다. 따라서 렌즈 데이터는 광 파워 또는 포커싱(focusing)된 파워를 제공한다. 이러한 실시예에서, 도 1의 물리적 푸리에 변환 렌즈(120)는 생략될 수 있다. 렌즈를 나타내는 데이터를 계산하는 방법은 컴퓨터-생성 홀로그램 기술 분야에 알려져 있다. 렌즈를 나타내는 데이터는 소프트웨어 렌즈로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 위상 전용 홀로그래픽 렌즈는 그 굴절률 및 공간적으로 변하는 광 경로 길이로 인해 렌즈의 각각의 포인트에 의해 야기되는 위상 지연을 계산함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 볼록 렌즈 중심에서의 광경로 길이는 렌즈 가장자리에서의 광경로 길이보다 길다. 진폭 전용 렌즈는 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 컴퓨터-생성 홀로그램의 기술 분야에서, 렌즈를 나타내는 데이터를 홀로그램과 결합함으로써 상기 홀로그램의 푸리에 변환이 물리적 푸리에 렌즈의 필요없이 수행될 수 있는 방법이 알려져 있다. 일부 실시예에서, 렌즈 데이터는 간단한 벡터 합산과 같은 단순 합산에 의해 홀로그램과 결합된다. 일부 실시예에서, 푸리에 변환을 수행하기 위해 소프트웨어 렌즈와 함께 물리적 렌즈가 이용된다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성이 원거리 장(far-field)에서 발생하도록 푸리에 변환 렌즈는 모두 생략된다. 또 다른 실시예에서, 홀로그램은 그레이팅(grating) 데이터, 즉 이미지 스티어링(image steering)과 같은 그레이팅의 기능을 수행하도록 형성된 데이터와 결합될 수 있다. 다시, 해당 기술 분야에서 그러한 데이터를 계산하는 방법은 알려져 있다. 예를 들어, 위상 전용 그레이팅은 블레이즈된(brazed) 그레이팅의 표면 상의 각 포인트에 의해 야기된 위상 지연을 모델링함으로써 형성될 수 있다. 진폭-한정 그레이팅은 진폭 전용 홀로그램에 간단히 중첩(superimposed)되어 홀로그래픽 재구성의 각도 스티어링(angular steering)을 제공할 수 있다. 렌즈 및/또는 스티어링을 제공하는 제2 데이터는 이미지 형성 함수 또는 이미지 형성 패턴으로 지칭되는 홀로그램 데이터와 구별하기 위해 광 프로세싱 함수 또는 광 프로세싱 패턴으로 지칭될 수 있다.
일부 실시예에서, 푸리에 변환은 물리적 푸리에 변환 렌즈 및 소프트웨어 렌즈에 의해 공동으로 수행된다. 즉, 푸리에 변환에 기여하는 일부 광 파워는 소프트웨어 렌즈에 의해 제공되고, 푸리에 변환에 기여하는 나머지 광 파워는 물리적 광학 장치 또는 광학 장치들에 의해 제공된다.
일부 실시예에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시예에서, 이미지 데이터는 일련의 이미지 프레임을 포함하는 비디오이다. 다른 실시예에서, 홀로그램은 사전 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되며, SLM 상에 디스플레이하기 위해 필요에 따라 호출된다. 즉, 일부 실시예에서, 소정의 홀로그램의 저장소가 제공된다.
실시예는 단지 예시로서 푸리에 홀로그래피 및 Gerchberg-Saxton 유형의 알고리즘들에 관한 것이다. 본 개시는 포인트 클라우드 방법에 기초한 것과 같은 다른 기술에 의해 계산된 프레넬 홀로그래피 및 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다.
광 변조
공간 광 변조기는 컴퓨터-생성 홀로그램을 포함하는 회절 패턴을 표시하는데 이용될 수 있다. 홀로그램이 위상 전용 홀로그램인 경우, 위상을 변조하는 공간 광 변조기가 필요하다. 홀로그램이 완전 복소 홀로그램인 경우, 위상 및 진폭을 변조하는 공간 광 변조기가 이용될 수 있거나 위상을 변조하는 제1 공간 광 변조기 및 진폭을 변조하는 제2 공간 광 변조기가 이용될 수 있다.
일부 실시 예에서, 공간 광 변조기의 광 변조 소자(즉, 픽셀)는 액정을 포함하는 셀이다. 즉, 일부 실시 예에서, 공간 광 변조기는 광학 능동 소자가 액정인 액정 장치이다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨을 선택적으로 제공하도록 구성된다. 즉, 각각의 액정 셀은 어느 한 시점에서 복수의 가능한 광 변조 레벨들로부터 선택된 하나의 광 변조 레벨에서 동작하도록 구성된다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨 중에서 다른 광 변조 레벨로 동적으로 재구성 가능하다. 일부 실시 예에서, 공간 광 변조기는 실리콘 공간 광 변조기 상의 반사형 액정(LCOS)이지만, 본 개시의 양태는 이러한 유형의 공간 광 변조기에 제한되지 않는다.
LCOS 장치는 작은 개구(예를 들어, 폭이 수 센티미터) 내의 조밀한 광 변조 소자 또는 픽셀 어레이들을 제공한다. 픽셀은 통상 약 10미크론 이하이어서 수 도 수준의 회절각을 가지며, 이는 광학 시스템이 콤팩트할 수 있다는 것을 의미한다. LCOS SLM의 작은 개구를 적절하게 조광하는 것은 다른 액정 장치의 큰 개구를 조광하는 것보다 용이하다. LCOS 장치는 통상 반사형이므로 LCOS SLM의 픽셀을 구동하는 회로를 반사 표면 아래에 묻을 수 있다. 결과적으로 개구율이 높아진다. 즉, 픽셀은 밀집되어 있어 픽셀 간에 낭비되는 공간(dead space)이 거의 없음을 의미한다. 이는 재생 필드에서의 광학 노이즈를 감소시키므로 유리하다. LCOS SLM은 픽셀이 광학적으로 편평하다는 이점을 갖는 실리콘 후면을 사용한다. 이 점은 위상 변조 장치에서 특히 중요하다.
단지 예시로서, 적합한 LCOS SLM이 도 3을 참조하여 아래와 같이 기술된다. LCOS 장치는 단결정 실리콘 기판(302)을 이용하여 형성된다. 이는 간극(301a)에 의해 이격되며 기판의 상부 표면에 배치된 사각 평면형 알루미늄 전극(301)의 2차원 어레이를 가진다. 전극(301) 각각은 기판(302)에 매설된 회로(302a)를 통해 형성될 수 있다. 각각의 전극들은 각각의 평면 미러를 형성한다. 배향층(Alignment Layer, 303)이 전극 어레이 상에 배치되고, 액정층(304)은 배향층(303)에 배치된다. 제2배향층(305)은 액정층(304)에 배치되고, 예컨대, 유리로 된 평면 투명층(306)은 제2배향층(305)에 배치된다. 예컨대 ITO로 된 단일 투명 전극(307)은 투명층(306)과 제2 배향층(305) 사이에 배치된다.
정사각형 전극(301) 각각은, 투명전극(307) 영역 상부와 중간에 개재되는 액정물질과 함께, 종종 픽셀로 지칭되는 제어 가능한 위상 변조 소자(308)를 형성한다. 유효 픽셀 영역, 즉 충진율(fill factor)은 픽셀(301a) 사이의 공간까지 고려하여 광학적으로 활성인 총 픽셀의 비율이다. 각각의 전극(301)에 인가된 투명전극(307)에 대한 전압을 제어함으로써, 위상 변조 소자의 액정 물질의 특성은 변화될 수 있고, 따라서 그에 입사되는 입사광에 가변 지연을 제공한다. 이렇게 함으로써 파면(wavefront)에 위상 전용 변조가 가해지는 한편 어떤 진폭 효과도 발생하지 않는다.
전술한 LCOS SLM는 공간적으로 변조된 광을 반사에 의해 출력한다. 반사형 LCOS SLM은 신호 라인, 게이트 라인 및 트랜지스터가 미러 면 아래에 있으며, 높은 충진율(일반적으로 90 % 이상) 및 고해상도를 얻을 수 있는 이점이 있다. 반사형 LCOS 공간 광 변조기를 이용하는 또 다른 이점은 투과형 장치가 사용되는 경우에 필요한 것보다 요구되는 액정 층 두께가 절반일 수 있다는 것이다. 이것은 액정의 스위칭 속도를 크게 향상시킨다(움직이는 비디오 이미지의 투영을 위한 주요 이점). 그러나, 본 발명의 개시 내용은 투과형 LCOS SLM을 사용하여 동일하게 구현될 수 있다.
소형 디스플레이 장치와 긴 뷰잉 거리를 이용한 이미지 프로젝션
본 개시는 디스플레이 장치와 시청자 사이의 간격이 디스플레이 장치의 크기보다 훨씬 더 큰 이미지 프로젝션에 관한 것이다. 뷰잉 거리(즉, 시청자와 디스플레이 디바이스 사이의 거리)는 디스플레이 장치의 크기보다 적어도 10배 이상 클 수 있다. 뷰잉 거리는 디스플레이 장치의 크기보다 적어도 100배 이상 클 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치의 픽셀 면적은 10 mm x 10 mm이고, 뷰잉 거리는 1 m일 수 있다. 시스템에 의해 투사된 이미지는 디스플레이 장치와 공간적으로 분리된 디스플레이 평면에 형성된다. 시청자가 이미지를 볼 수 있는 입구 개구도 뷰잉 거리에 비해 상대적으로 작을 수 있다.
본 개시에 따르면, 이미지는 홀로그래픽 프로젝션에 의해 형성된다. 디스플레이 장치에 홀로그램이 표시된다. 홀로그램은 광원(미도시)에 의해 조명되고 홀로그램과 공간적으로 분리된 디스플레이 평면에서 이미지가 인지된다. 이미지는 실상 또는 허상일 수 있다. 다음 설명의 목적을 위해 디스플레이 장치의 업스트림에 형성된 허상을 고려하는 것이 도움이 된다. 즉, 디스플레이 장치 뒤에 나타난다. 그러나, 이미지가 반드시 허상일 필요는 없으며, 본 발명은 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이에 형성되는 실상에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 개시는 상대적으로 뷰잉 거리가 먼 경우에도 이미지(실제 또는 가상)을 표현하기 위해 초소형 디스플레이 장치를 이용할 수 있도록 한다. 그것은 원하는 위치에서 이미지의 존재를 모방하는 홀로그램을 제공하는 것과 합리적인 방식, 즉뷰잉 시스템의 위치 및 뷰잉 시스템에 입사되는 광을 통해 입사 개구의 크기 및/또는 형상를 고려한 방식으로 홀로그램에 의해 공간적으로 변조된 광을 갖는 광을 직행시키는 것에 의해 달성한다.
디스플레이 장치는 홀로그램을 표시하는 픽셀을 포함한다. 디스플레이 장치의 픽셀 구조는 회절이다. 따라서 홀로그래픽 이미지의 크기는 회절의 법칙의 영향을 받는다. 디스플레이 장치의 매우 작은 특성의 결과는 도 4를 참조하여 광의의 광학적 용어로 아래에 설명된다.
도 4는 실제 물체 또는 이미지(401)와 뷰잉 시스템(405) 사이에 작은 뷰잉 창을 형성하는 개구(402)를 도시한다. 도 4는 개구(402) 상류(upstream)의 유한한 거리에 위치하는 실제 물체 또는 실제 이미지(401)로부터 오는 광에 대한 개구(402)의 효과를 도시한다. 개구(402)는 자신과 뷰잉 시스템(405) 사이의 거리에 비해 매우 작다. 이 예시적인 배열에서, 이미지(401), 디스플레이 장치(402) 및 뷰잉 시스템(405)은 광축(Ax)에 배열된다.
도 4는 개구(402)에 의해 정의된 매우 작은 뷰잉 창을 통과하고 광축 Ax에 수직으로 정의된 뷰잉 평면(406)을 향해 이동하는 이미지(401)로부터의 광선(또는 광선 다발)만을 도시한다. 숙련된 독자는 다른 광선이 이미지(401)로부터 이동할 것이지만 개구(402)와 일치하지 않아 뷰잉 평면(406)에 도달할 수 없다(이 예에서)는 것을 이해할 것이다. 또한, 5개의 광선(또는 광선 다발)은 - 이미지(401)의 다른 다섯 부분 각각에서 하나 - 이미지(401)에서 이동하는 것으로 표시되지만, 숙련된 독자는 이것이 단지 예시적이며 본 개시가 5개의 광선 또는 광선 다발로 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다.
뷰잉 시스템(405)은 뷰잉 평면(406)의 바로 전방에 입구 개구(404)를 갖는다. 뷰잉 시스템(406)은 사람의 눈일 수 있다. 따라서, 입구 개구(404)는 눈의 동공일 수 있고 뷰잉 평면(406)은 눈의 망막일 수 있다. 따라서, 뷰잉 평면(406)은 때때로 "센서 평면"으로 지칭될 수 있다.
개구(402)와 뷰잉 시스템(405) 사이를 이동하는 광은 도 4의 예에서 변조되지 않은 실제 광이다. 도 4는 개구(402)의 매우 작은 크기가 어떻게 이미지 콘텐츠를 각도로 효과적으로 분할하는지를 도시한다. 도 4는 광축 Ax에 대한 각각의 각도를 특징으로 하는 5 개의 예시적인 광선 번들을 도시하고, 각각은 이미지(401)의 다른 각각의 부분으로부터 진행한다. 광축 Ax을 따라 진행하는 광선 번들은 이미지(401)의 중심 부분을 - 즉, 이미지 중심의 광을 - 전달한다. 다른 광선 번들은 이미지의 다른 부분을 전달한다. 큰 시야 거리와 비교하여 개구(402)에 의해 정의된 매우 작은 뷰잉 창 및 동공(404)의 매우 작은 입구 개구의 결과는, 모든 이미지 콘텐츠가 임의의 주어진 뷰잉 위치에서 입사 동공(404)을 통과할 수 없다는 것이다. 즉, 모든 이미지 콘텐츠가 눈으로 수신되는 것은 아니다. 도 4의 예에서, 도시된 5 개의 광선 다발 중 하나만 임의의 뷰잉 위치에서 동공(404)을 통과한다.
이 예에서 도시된 동공(404) 위치에 대해 이미지의 중앙 부분이 눈으로 보여진다. 나머지 이미지 정보는 차단된다. 독자는 시청자가 위 또는 아래로 움직이면 다른 광선 다발이 눈에 수신될 수 있고 예를 들어 이미지의 중앙 부분이 차단될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 시청자는 전체 이미지의 일부만 볼 수 있다. 나머지 이미지 정보는 차단된다. 즉, 디스플레이 장치 자체의 작은 개구를 통해 이미지를 효과적으로 보고 있기 때문에 시청자의 시야는 크게 제한된다.
요약하면, 광은 개구(402)에서 작은 뷰잉 창까지의 각도 범위에 걸쳐 전파된다. 1 m의 뷰잉 거리에서 작은 뷰잉 창의 작은 각도 범위만 눈의 동공을 통해 전파되어 주어진 눈 위치에 대해 망막에 이미지를 형성할 수 있다. 보이는 이미지의 유일한 부분은 입구 개구(404)을 통과하는 도 4에 도시된 작은 각도 범위 내에 있는 부분이다. 따라서, 시야는 매우 작고, 특정 각도 범위는 눈 위치에 크게 의존한다.
도 4를 참조하여 설명된 작은 시야 및 눈 위치에 대한 감도의 문제는 뷰잉 시스템의 작은 입구 개구 뿐만 아니라 뷰잉 창의 큰 뷰잉 거리 및 작은 개구의 결과이다. 뷰잉 거리의 중요성은 도 5 내지 도 7을 참조하여 추가로 설명된다.
원하는 위치에 이미지(실제 또는 가상)를 형성하기 위해 적절한 디스플레이 장치에 표시되고 조명되는 홀로그램을 이용하는 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 종래의 홀로그램 기술은 작은 디스플레이 장치를 이용하여, 특히 비교적 큰 뷰잉 거리 또는 비교적 작은 뷰잉 개구에서 선명하고 정확하게 이미지를 형성하는데 적합하지 않다. 그들은 가상 이미지와 같은 이미지가 시청자로부터 무한하지 않은 거리에서 표현되어야 하는 경우 특히 그러하다는 것을 더 인식했다. 그러나, 중간 홀로그래픽 재구성의 형성에 대한 의존은 일반적으로 특히 소형화가 요구되고 부동산 가치가 높은 데 위치하는 애플리케이션에서 비실용적이거나 바람직하지 않을 수 있는 디퓨저 또는 스크린과 같은 추가 광학 요소를 필요로 한다.
도 5a는 홀로그램을 표시하고 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 광을 입구 개구(504) 및 뷰잉 평면(506)을 포함하는 뷰잉 시스템으로 전파하도록 구성된 디스플레이 장치(502)를 도시한다. 도 5a의 디스플레이 장치(502)는 도 4의 뷰잉 개구(402) 대비 작은 물리적 크기에서 유사하다. 도 5a는 또한 디스플레이 장치(502)의 업스트림에서 홀로그램이 나타내는 가상 이미지(도시되지 않음)로부터의 광선 추적을 도시한다. 가상 이미지(501)은 무한대이므로 가상 이미지와 디스플레이 장치(502) 사이에서 추적되는 광선이 시준된다. 가상 이미지로부터의 시준된 광은 5개의 광선 또는 광선 다발을 포함하는 것으로 묘사되지만, 이것은 단지 예시일 뿐이고 본 개시를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 5a의 하부는 뷰잉 시스템의 확대도이다. 이 도시는 개략도이므로 눈의 생리학적 세부 사항은 표시되지 않는다. 실제로, 디스플레이 장치(502)를 조명하도록 구성된 광원(도 5a에 도시되지 않음)이 물론 존재한다.
도 5a에서, 디스플레이 장치와 뷰잉 평면 사이의 거리는 디스플레이 장치(502)로부터의 광선의 전체 회절 각도가 망막 상에 이미지를 형성할 수 있을 만큼 충분히 작다. 즉, 5개의 광선 다발(가상 이미지에서 오는 것으로 도시됨) 모두의 광 전파 경로는 입구 개구를 통과한다. 따라서 가상 이미지의 모든 지점이 망막에 매핑되고 모든 이미지 내용이 뷰잉 평면으로 전달된다. 흥미롭게도, 망막의 다른 이미지 포인트는 디스플레이 장치(502)의 다른 영역에서 전파되는 광으로 형성된다. 예를 들어 도 5a의 상부 부근의 이미지 포인트는 디스플레이 장치의 하부로부터 전파되는 광으로 형성된다. 디스플레이 장치의 다른 영역에서 전파하는 것은 이 이미지 포인트에 기여하지 않는다.
도 5b는 뷰잉 거리가 증가함에 따라 발생되는 상황을 도시한다.
보다 상세하게, 도 5b는 홀로그램을 표시하고 홀로그램에 따라 변조된 광을 입구 개구(504') 및 뷰잉 평면(506')을 포함하는 뷰잉 시스템으로 전파하도록 구성된 디스플레이 장치(502')를 도시한다. 가상 이미지(501')는 무한대에 있고 가상 이미지와 디스플레이 장치 사이에서 추적되는 광선이 시준된다. 도 5b의 하부는 뷰잉 시스템의 확대도를 도시한다. 이 도시는 개략도이므로 눈의 생리학적 세부 사항은 도시되지 않는다. 실제로, 디스플레이 장치(502')를 조명하도록 구성된 광원(도 5b에 도시되지 않음)이 물론 있다.
도 5b는 개구(504')를 통해 전파할 수 있는 광선만을 도시한다. 개구(504')을 통과할 수 없는 다른 광선은 생략된다. 그러나, 그러한 다른 광선은 또한 디스플레이 장치(502')로부터 전파될 것이라는 것이 이해될 것이다. 도 5b의 더 큰 뷰잉 거리에서, 광선 다발의 일부가 입구 개구(504')에 의해 차단된 정도로(즉, 물리적으로 일치하지 않는) 광 원뿔이 뷰잉 평면에 퍼져 있다. 특히 이 예에서, 가상 이미지의 에지 부분과 연관된 광선 번들은 입사 동공(504')에 의해 차단된다. 그러나, 입구 개구(504')가 뷰잉 평면(506')에 평행한 위치로 이동하는 경우, 상이한 각각의 광선 다발이 개구(504')와 일치하여 가상 이미지의 상이한 각각의 부분이 보일 수 있다. 따라서, 임의의 주어진 개구 위치에 대해 전체 가상 이미지는 보이지 않으며 가시적인 가상 이미지의 일부는 개구(예: 눈) 위치에 크게 의존한다. 따라서, 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이의 큰 거리는 특히 상대적으로 작은 입구 개구와 결합될 때 디스플레이 장치의 작은 크기로 인해 문제가 된다.
도 6a는 디스플레이 장치(602)를 포함하는 개선된 시스템을 도시하며, 상기 시스템은 디스플레이 장치(602) 상에 표시된 홀로그램으로 인코딩된 광을 입구 개구(604) 및 뷰잉 평면(606)을 포함하는 뷰잉 시스템을 향해 전파한다. 실제로, 디스플레이 장치(602)를 조명하도록 구성된 광원(미도시)이 물론 있다. 개선된 시스템은 디스플레이 장치(602)와 입구 개구(604) 사이에 위치된 도파관(608)을 더 포함한다. 도 6a의 하부는 입사 동공(604) 및 뷰잉 평면(604)의 확대도를 도시한다. 이 도시는 개략도이므로 눈의 생리학적 세부사항은 도시되지 않는다.
도 6의 뷰잉 거리는 도 5b의 것과 동일하다. 그러나, 도 5b에서 차단된 광선 다발은 도파관(608)에 의해 효과적으로 복구되어 더 긴 뷰잉 거리에도 불구하고 전체 이미지 정보가 뷰잉 시스템에 의해 수신된다.
도파관(608)의 존재는 디스플레이 장치(602)로부터의 모든 각도 콘텐츠가 이 비교적 큰 프로젝션 거리에서도 눈에 의해 수신될 수 있게 한다. 이것은 도파관(608)이 동공 확장기로서 작용하기 때문이고, 여기에서 간략하게만 설명한다.
요컨대, 도파관(608)은 실질적으로 세장형의 성형물을 포함한다. 이 예에서, 그것은 굴절 물질의 광학 슬래브를 포함하지만, 다른 유형의 도파관도 잘 알려져 있으며 이용될 수 있다. 도파관(608)은 디스플레이 장치(602)로부터 투사된 광 원뿔과 예를 들어 비스듬한 각도로 교차하도록 위치된다. 도파관(608)의 크기, 배치 및 위치는 광 원뿔 내에서 5 개의 광선 번들 각각으로부터의 광이 도파관(608)으로 들어가는 것을 보장하도록 구성된다. 광 원뿔로부터의 광은 도파관으로 그것의 제1 평면(610)(디스플레이 장치(602)에 가장 가깝게 위치됨)을 통해 들어가고 및 도파관(608)의 길이를 따라 적어도 부분적으로 가이드되어 제1 평면(610)과 실질적으로 대향하는 제2 평면(612)(눈에 가장 가깝게 위치됨)을 통해 방출된다. 잘 이해되는 바와 같이, 제2 평면(612)은 부분적으로 반사면이고 부분적으로 투과면이다. 다시 말해, 각 광선이 도파관(608) 내에서 도파관(608)의 제1 평면(610)에서 제2 평면(612)으로 이동할 때, 광의 일부는 도파관(608) 밖으로 투과되고 일부는 제2 평면(612)에 의해 반사되어 다시 제1 평면(610)을 향하여 반사될 것이다. 제1 평면(610)은 반사면이어서, 도파관(608) 내에서 이에 부딪치는 모든 광은 제2 평면(612)을 향해 다시 반사될 것이다. 따라서, 일부의 광은 투과되기 전에 도파관(608)의 두 평면(610, 612) 사이에서 굴절될 수 있는 반면, 다른 광은 투과되기 전에 반사될 수 있고, 도파관(608)의 두 평면(610, 612) 사이에서 하나 이상의 반사(또는 '바운스')를 겪을 수 있다. 따라서, 도파관(608)의 순 효과는 광의 투과가 도파관(608)의 제2 평면(612) 상의 다수의 위치에 걸쳐 효과적으로 확장된다는 것이다. 디스플레이 장치(602)에 의해 출력되는 모든 각 콘텐츠가 도파관(608)이 없는 경우보다 디스플레이 평면 상의 위치에서(및 개구 평면 상의 더 많은 수의 위치에서) 더 많은 수로 존재할 수 있다. 이는 각 광선 다발로부터의 광이 입구 개구(604)에 진입하여 상대적으로 큰 프로젝션 거리에도 불구하고 뷰잉 평면(606)에 의해 형성된 이미지에 기여한다. 다시 말해서, 디스플레이 디바이스(602)로부터의 모든 각도 콘텐츠는 눈에 의해 수신될 수 있다. 따라서, 디스플레이 장치(602)의 전체 회절 각도가 활용되고 시청자를 위해 뷰잉 창이 최대화된다. 차례로, 이것은 모든 광선이 지각되는 가상 이미지(601)에 기여한다는 것을 의미한다.
도 6b는 도 6a에 형성된 가상 이미지(601) 내의 5 개의 개별 이미지 포인트에 기여하는 5 개의 광선 번들 각각에 대한 개별 광학 경로를 도시하며, 각각 R1에서 R5로 위에서 아래로 레이블링된다. 여기에서 볼 수 있는 바와 같이, R1 및 R2 각각의 광은 단순히 굴절된 다음 도파관(608)에 의해 투과된다. 반면에, R4의 광은 투과되기 전에 단일 바운스를 직면한다. R3의 광은, 투과되기 전에, 도파관(608)에 의해 단순히 굴절되는 디스플레이 장치(602)의 해당 제1 부분으로부터의 일부의 광 및 단일 바운스를 직면하는 디스플레이 장치(602)의 다른 해당 제2 부분으로부터의 일부의 광을 포함한다. 유사하게, R5의 광은 투과되기 전에 단일 바운스를 직면하는 디스플레이 장치(602)의 해당 제1 부분으로부터의 일부의 광 및 투과되기 전에 두 번의 바운스를 직면하는 디스플레이 장치(602)의 다른 해당 제2 부분으로부터의 일부 광을 포함한다. R3 및 R5 각각에 대해 LCOS의 서로 다른 두 부분은 가상 이미지의 해당 부분에 대응하는 광을 전파한다.
적어도 일부의 애플리케이션에서는 가상 이미지 거리(즉, 시청자에서 가상 이미지까지의 거리)가 무한대로 형성되는 것과는 대조적으로 유한한 것이 바람직하다. 특정 애플리케이션에서는 가상 이미지 콘텐츠가 나타나는 것이 바람직하거나 필요로 하는 선호하는 가상 이미지 거리가 있다. 예를 들어, 차량에 장착되는 헤드업 디스플레이의 경우가 될 수 있고, 예를 들어 가상 이미지 콘텐츠가 차량 방풍창을 통해 시청자가 보는 실제 콘텐츠에 겹쳐지는 경우이다. 예를 들어, 원하는 가상 이미지 거리는 시청자의 차량 또는 방풍창 전방에 예를 들어 3 미터 또는 5 미터인 몇 미터에서 형성되는 가상 이미지 콘텐츠를 포함할 수 있다.
소형 디스플레이 장치, 긴 뷰잉 거리 및 동공 확장기를 위한 홀로그램 계산
본 발명자들은 도 7에 도시된 광학 시스템에 대한 홀로그램을 계산하는 방법을 고안했다. 중요한 것은 디스플레이 장치가 상대적으로 작고 프로젝션 거리가 상대적으로 길다는 점이다. 홀로그램은 뷰잉 시스템에 직접 투사되며 이 방법은 실시간으로 구현될 수 있다. 디스플레이 장치의 상대적으로 작은 크기와 상대적으로 긴 프로젝션 거리로 인해 동공 확장기가 필요하다. 이 방법은 동공 확장기를 통해 다양한 경로를 처리한다. 이 방법을 이용하면 이미지 콘텐츠가 - 예를 들어, 하나의 홀로그램을 이용하여 - 뷰잉 시스템으로부터 다른 거리 및/또는 선택적으로 동시에 여러 거리에서 나타날 수 있다. 이 방법은 - 예를 들어, 하나의 홀로그램을 이용하여 - 이미지 콘텐츠가 디스플레이 장치의 다운스트림과 디스플레이 장치의 업스트림에 선택적으로 동시에 나타날 수 있도록 한다.
도 7은 이미지의 홀로그램을 표시하도록 동작가능한 공간 광 변조기(701)를 도시한다. 이 실시예에서, 공간 광 변조기(701)는 수신된 광의 위상을 변조하도록 구성된 실리콘 상의 액정 디바이스이다. 공간 광 변조기(701)는 도시되지 않은 광원으로부터의 적어도 부분적으로 가간섭성 광에 의해 조명된다. 광원은 레이저 다이오드일 수 있다. 공간 광 변조기(701)는 디스플레이 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 광을 출력한다. 도 7은 공간적으로 변조된 광의 하나의 광선(702)을 도시한다. 공간적으로 변조된 광은 동공 확장기(703)에 의해 수신된다. 동공 확장기(703)는 디스플레이 장치(701)의 평면에 대해 기울어진다. 따라서 동공 확장기(703)는 비수직 입사로 광을 수신한다. 입사각(광축이 동공 확장기와 이루는 각도)은 10 내지 20 도와 같이 25도 미만일 수 있다. 동공 확장기는 공간적으로 변조된 광을 수신하는 입력 표면(703a) 및 출력 표면(703b)을 포함한다. 입력 표면(703a) 및 출력 표면(703b)은 실질적으로 평행하고 동공 확장 방향으로 연장된다. 입력 표면(703a)은 실질적으로 완전히 반사하는(예를 들어, R = 1) 적어도 일부를 포함한다. 출력 표면(703b)은 반사율이 높지만 부분적으로 투과하는(예를 들어, R = 0.9 및 T = 0.1) 적어도 일부를 포함한다. 반사 표면은, 도 6의 도파관(608)을 참조하여 전술한 바와 같이, 공간적으로 변조된 광이 그 사이에서 앞뒤로 바운스되도록 배열되고, 광은 출력 표면(703b)을 따라 복수의 지점에서 방출된다. 이 실시예에서, 동공 확장기는 실질적으로 세장형이다. 동공 확장기는 한 방향, 즉 연장 방향으로, 동공 확장을 제공하지만, 본 개시는 동공을 직교 방향으로 확장하도록 배열된 제2 동공 확장기의 존재를 포함하도록 확장될 수 있다.
도 7은 광선(702)이 서로 다른 각각의 거리(Z0, Z1 및 Z2)와 각각 관련된 3개의 전파 경로(705)를 형성하기 위해 두 번 효과적으로 복제되는 방법을 도시한다. 이 예에서, 가장 짧은 전파 경로는 Z0에 해당하며 내부 반사 없이 도파관을 통과한 광이다. 도시된 3개 중에서 중간 거리의 전파 경로는 Z1에 해당하고, 동공 확장기의 2 번의 내부 반사(각 표면당 하나씩)에 해당한다. 도시된 가장 긴 전파 경로는 Z2에 해당하고 동공 확장기의 4 번의 내부 반사(각 표면당 2 번)에 해당한다. 평면 ｘ0, ｘ1 및 ｘ2는 각각 3 개의 전파 경로 Z0, Z1 및 Z2와 관련된 광 필드의 공간적 범위를 보여준다. 보다 구체적으로, 도 7은 3개의 평면 ｘ0, ｘ1 및 ｘ2가 동공 확장기(703)에서 광이 겪은 바운스의 각각 다른 수의 결과로서 ｘ-방향으로 서로 오프셋되는 방법을 보여주고, 각 복제본이 각각 출력된 형상인 출력 표면(703b) 상의 위치를 순차적으로 결정한다.
도 7은 입사 동공(707), 렌즈(709) 및 광 센서(711)를 포함하는 뷰잉 시스템(713)을 더 도시한다. 실시예에서, 뷰잉 시스템(713)은 인간의 눈이고 광 센서(711)는 눈의 망막이다. 도 7은 각각의 전파 경로와 관련된 광 필드의 일부만이 입구(707)를 통과하는 방법을 보여준다. 특히, 도 7은 각각의 광 필드가 개구(예: 동공)(707)에 의해 상당히 크로핑되고 (복소 홀로그래픽) 광 필드의 다른 각각의 부분이 도시된 세 가지 다른 예시적인 광 경로에 대해 크로핑되는 것을 보여준다. 도 7은 입사 동공(707)의 중심을 통과하는 중거리 전파 경로의 중심과 관련된 광선을 도시한다. 그러나, 예를 들어, 최단 전파 경로의 광 필드의 중심과 관련된 광선은 개구(707)의 상부에 의해 차단된다. 그러나 최단 전파 경로의 광 필드와 관련된 다른 광선은 개구(707)을 통과할 수 있다. 최장 전파 경로의 광 필드의 중심과 연관된 광선은 개구(707)의 하부에 의해 차단된다. 그러나, 최장 전파 경로의 광 필드와 관련된 다른 광선은 개구(707)을 통과할 수 있다.
개구(707)를 통과하는 광은 렌즈(709)에 의해 광 센서(711)에 집속된다. 광 센서(711)의 평면은 디스플레이 장치(701)의 디스플레이/홀로그램 평면에 실질적으로 평행하고, 따라서 동공 확장기(703)의 연장선에 대해 기울어진다.
도 7의 배열에서 시청자는 아이박스 내의 모든 위치에서 전체 이미지를 볼 수 있다. 그러나, 각각의 전파 경로의 광 필드는 서로 다르게 크로핑되기 때문에, 개구(707)에 의해 이미지의 다른 부분은 각각의 상이한 바운스 수에 대응할 수 있다. 즉, 시청자가 보는 이미지의 다른 부분은 서로 다른 광 전파 경로에서 유래할 수 있다.
도 7은 단지 예로서 3 개의 가능한 광 전파 경로를 도시한다. 본 개시는 전파 경로의 수에 의해 제한되지 않는다. 즉, 당업자가 다음 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 방법은 임의의 수의 광 전파 경로를 고려하도록 확장될 수 있다. 마찬가지로, 동공 확장기가 디스플레이 평면 및 센서 평면에 대해 기울어지는 것이 필수적인 것은 아니다.
본 발명자들은 공간적으로 변조된 광이 시청자의 눈에 올바르게 도달하도록 상이한 동공 확장기 장치의 범위, 동공 확장기 내에서 광의 반사 수, 및 이에 따른 임의의 수의 광 전파 경로에 대한 적절한 홀로그램을 계산하는 데 이용할 수 있는 도 8과 관련하여 아래에 설명되는 방법을 고안했다. 중요한 것은 뷰잉 시스템의 입구 개구의 크기와 형상를 고려하여 이미지에 필요한 모든 광이 시청자에 도달할 수 있다는 것이다.
요약하면, 본 발명자들은 고속 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘을 이용하여 픽셀화된 디스플레이 장치 및 동공 확장기를 포함하는 광학 장치, 예를 들어 헤드업 디스플레이(HUD)에 대한 채널링 홀로그램을 계산하는 방법을 찾았다. 본 발명자들은 동공 확장기 내에서 광의 모든 반사 및 가능한 모든 광학 경로를 고려할 필요가 있음을 인식하고 각각으로부터 복소 광 필드를 전파하고 이들을 함께 합산함으로써 이를 이루었다. 그들은 또한 동공 확장기와 이미지 평면 사이의 개구(예: 시청자의 동공)에 따라 각 광 필드(각각의 광 전파 경로에서)를 크로핑할 필요성을 인식했다. 그들은 또한 개구에서 각각의 서로 다른 광 전파 경로 사이에 광 필드의 측으로 변위가 있고 동공 확장기 내에서 광의 반사에 위상 변이가 있음을 인식했다. 그들은 각각의 광학 장치에 적합한 홀로그램의 빠르고 정확한 제공을 가능하게 하기 위해 알고리즘을 적절하게 조정하여, 상대적으로 큰 시야 거리에서 및 디스플레이 장치(예: SLM) 및/또는 개구가 상대적으로 작은 경우에도 시청자가 아이박스 내의 다양한 위치에서 전체 이미지를 정확하게 보고/인식할 수 있도록 하였다.
도 8은 방법의 과정을 나타내는 순서도이다. 방법은 이미지/센서 평면과 홀로그램/디스플레이 평면 사이에서 앞뒤로 수학적 변환을 이용하여 공간 광 변조기의 업스트림에서 유한한 거리에 형성될 수 있는 가상 이미지일 수 있는 이미지에 해당하는 위상 홀로그램에 수렴하는 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘과 유사하다. 이미지 평면 또는 홀로그램 평면으로의 각 전파 후 광 필드의 진폭 성분은 수정되거나 제한되지만 위상 성분은 유지된다.
방법의 초기 과정은 과정 802 및 과정 804를 포함한다. 초기 과정은 제0 복소 광 필드를 형성하는 과정을 포함한다. 과정 802는 제0 복소 광 필드의 위상 성분을 형성하는 랜덤 위상 시드를 제공한다. 과정 804는 제0 복소 광 필드의 진폭 성분을 제공한다. 진폭 성분은 단위이거나 홀로그램에서 이미지를 재구성하는 데 이용되는 광원의 광을 나타내는 진폭 분포일 수 있다.
과정 806에서, 제0 복소 광 필드는 공간 광 변조기(701)로부터(즉, 홀로그램 평면으로부터) 뷰잉 시스템(713)의 입사 동공(707)으로(더 구체적으로, 뷰잉 시스템(713)의 입사 동공(707)을 포함하는 평면으로) 프레넬 전파된다. 다시, 이 실시예는 프레넬 전파를 본 개시의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 이용될 수 있는 다수의 상이한 수학적 변환의 단지 하나의 예로서 지칭한다. 과정 806은 도 7의 ｘ0, ｘ1 및 ｘ2에 도시(단지 예시적인 도시)된 바와 같이 각각의 광 전파 경로에 대해 동공 확장기(703)에 의해 제공되는 각각의 복수의 바운스 또는 내부 반사가 복소 광 필드를 형성하는 것을 수행된다. 과정 806은 입사 동공(707)의 평면에서 ｘ-방향의 복소 광 필드의 측방향 위치와 동공 확장기(703) 내의 각 반사에서 광이 겪는 위상 변이를 고려하는 것을 포함한다. 상이한 복소 광 필드는 예를 들어 합산에 의해 결합될 수 있다. 제1 과정은 입사 동공(707)에서 제1 복소 광 필드를 형성하기 위해 입사 동공(707)의 크기 및 형상에 따라 결합된 복소 광 필드를 크로핑하는 과정 808를 더 포함한다.
방법의 제2 과정은 과정 810 및 812를 포함한다. 과정 810에서, 제1 복소 광 필드는 입사 동공으로부터 렌즈(709)를 통해 광 센서(711)의 평면으로 전파함으로써 제2 복소 광 필드가 결정된다. 과정 812는 광 센서(711)에 도달하는 복소 광 필드의 진폭 성분을 수정하는 과정을 포함한다. 보다 구체적으로, 과정 812는 복소 광 필드의 진폭 성분을 타겟 이미지의 진폭 성분 또는 타겟 이미지의 진폭 성분의 가중치 버전과 같은 타겟 이미지의 진폭 성분에 기초한 진폭 성분으로 대체하는 과정을 포함한다. 전파에 이용되는 렌즈(709)의 위치는 이미지 거리를 결정한다. 즉, 렌즈(709)의 위치는 공간에서 이미지 콘텐츠가 나타날 위치를 결정한다. 일부 실시예에서, 이미지는 가상 이미지이고 이 거리는 가상 이미지 거리, "VID"로 지칭될 수 있다.
유리하게는, 여기에 개시된 방법은 동일한 홀로그램을 이용하여 이미지 콘텐츠가 복수의 상이한 이미지 거리에서 - 예를 들어, 여러 VID - 형성되는 것을 허용한다. 본 발명자들은 z-방향에서 렌즈(709)의 상이한 위치를 고려함으로써 각각의 이미지 거리에 대해 제2 과정을 반복함으로써 이것이 달성될 수 있음을 확인하였다. 각각의 상이한 이미지 거리에 대해 이러한 접근법에 따라 결정된 복소 광 필드는 예를 들어 합산에 의해 결합될 수 있다.
방법의 제3 과정은 제2 복소 광 필드가 렌즈(709)를 통해 입사 동공(707)으로 다시 전파되는 과정 814를 포함한다. 이것은 단지 광이 z-방향 반대로 진행하고 있다는 것을 반영하기 위해 역전파라고 지칭할 수 있다 일부 실시예에서, 역전파는 대응하는 "순방향" 전파의 수학적으로 역이다. 제3 과정은 또한 제3 복소 광 필드를 형성하기 위해 입사 동공(707)의 크기 및 형상에 따라 전파된 광 필드를 크로핑하는 과정을 포함한다. 입사 동공(707)의 평면은 도 8에 나타낸 바와 같이 "복소 홀로그램 평면"으로 지칭될 수 있다.
제4 과정은 과정 816 및 818을 포함한다. 과정 816에서, 광은 입사 동공(707)의 평면으로부터 동공 확장기의 복수의 광 전파 경로 각각을 통해 공간 광 변조기(702)의 평면으로 제1 과정과 관련하여 상술한 문제 - 그러나 물론 반대 광 방향(즉, "역" 전파)으로 다시 전파된다. 과정 818은 제4 복소 광 필드를 출력하기 위해 디스플레이 장치의 활성/픽셀 영역의 크기 및 위치에 따라 전파된 광 필드를 크로핑하는 과정을 포함한다. 각 복소 광 필드의 복소수 값의 수는 디스플레이 장치의 픽셀 수보다 작거나 같을 수 있다.
과정 820은 제4 복소 광 필드에 대응하는 데이터 세트("제4 데이터 세트"로 지칭될 수 있음)로부터 홀로그램(또는 "키노폼")을 추출하는 과정을 포함한다. 홀로그램은 제4 복소 광 필드의 위상 값을 포함할 수 있으며, 이 경우 홀로그램은 키노폼으로 지칭될 수 있다. 본 개시에서 앞서 설명된 바와 같이, 방법은 이미지 평면(즉, 제3 과정)에서 동등하게 시작할 수 있다. 본 개시에 따르면 각 과정의 적어도 하나의 반복이 필요하다. 도 9 및 10은 이 방법에 의해 형성된 홀로그램을 묘사한다.
광 채널링
본 개시에 따라 계산되는 홀로그램(또는, "키노폼" 또는 "회절 구조")은 고유한 특성을 가지며, 이는 기존의 홀로그램 계산 방법을 이용하여 관찰할 수 있거나 달성할 수 없다.
요약하면, 본 개시에 따라 계산된 홀로그램은 표시되고 조명되는 디스플레이 장치를, 예를 들어 LCOS(이에 제한되지 않음), 공간적으로 변조된 광의 채널을 출력할 수 있게 하며, 각 채널은 해당 이미지의 각각의 상이한 부분에 대응한다. 이 독특한 채널링을 통해 디스플레이 장치는 도파관과 같은 적절한 동공 확장기와 함께 작동하여 뷰잉 거리가 비교적 크고 디스플레이 장치가 상대적으로 작은 경우에도 시청자가 눈을 움직일 필요없이 비교적 작은 눈 개구를 통해 전체 이미지를 정확하게 볼 수 있도록 한다. 예를 들어, 디스플레이 장치의 업스트림에 있는 유한한 거리에 위치한 가상의 이미지는 시청자의 눈의 개구와 홀로그램이 표시되는 디스플레이 장치 모두가 상대적으로 매우 작음에도 불구하고 비교적 먼 거리에서 (정확하게 및 전체적으로) 보여질 수 있다. 이것은 기존의 홀로그래피를 이용하거나 비-홀로그래픽 기술을 이용하여 이전에 달성될 수 없었다.
본 개시의 일 양태에 따라, 본 발명자들은, 예를 들어 위의 도 8에 도시된 방법을 통해 프레넬 전파를 이용하여 홀로그램이 계산될 때, 이미지는 각각 상이한 부분에 대응되는 공간적으로 변조된(즉, "홀로그래픽") 광은 각각 상이한 광학 경로를 따른다. 따라서, 본 발명자들은 홀로그램이 시청자의 눈에 각각의 광학 경로를 동시에 지향하기 위해 이용될 수 있고, 이로써 시청자가 눈을 움직이거나 다른 신체적 변화를 일으키지 않고 그들의 눈/뇌가 전체 이미지를 재구성하는 데 필요한 모든 홀로그래픽 광을 수신할 수 있게 한다는 것을 인식했다. 위의 상세한 예에 도시된 바와 같이, 이를 달성하기 위해 도파관 또는 다른 동공 확장기가 디스플레이 장치와 함께 이용되어 계산된 홀로그램(들)을 표시할 수 있다.
도 9a 및 9b에 의해 도시된 실시예에서, 본 발명자들은 본 명세서에 개시된 홀로그램의 고유한 특성의 이해를 돕기 위해 복수의 개별 가상 이미지 성분 또는 영역을 포함하는 가상 이미지를 디스플레이하도록 광학 시스템을 구성하였다. 그러나, 본 개시는 연속적인(즉, 비이산적인) 이미지 콘텐츠를 갖는 이미지에 대응하는 홀로그램의 계산 및 표시 및/또는 개별 이미지 부분의 임의의 수/크기/구획을 갖는 이미지의 홀로그램에 동일하게 적용가능하다. 도 9a 및 9b에서, 간단히 말해서, (i) 가상 이미지는 복수의 개별 가상 이미지 컴포넌트 또는 영역을 포함하고 (ii) 각 가상 이미지 컴포넌트의 광은 도파관 내에서 상이한 수의 바운스/반사와 연관된다. 그러나, 일부 다른 실시예에서, 둘 이상의 개별 가상 이미지 컴포넌트의 광이 도파관 내에서 동일한 수의 바운스를 겪는 것이 가능하다.
도 9a는 8개의 개별 이미지 영역/컴포넌트(V1 내지 V8)를 포함하는 프로젝션을 위한 이미지(1552)를 도시한다. 도 9a는 단지 예로서 8개의 이미지 컴포넌트를 도시하고 이미지(1552)는 임의의 수의 컴포넌트로 분할될 수 있다. 도 9a는 또한 홀로그램(본 명세서에 개시된 바와 같이 계산됨)이 적절하게 표시되고 조명될 때 형성되는 인코딩된 광 패턴(즉, 홀로그래픽 광의 패턴)(1554)을 도시한다. 인코딩된 광 패턴(1554)은 이미지(1552)를 재구성 - 예를 들어, 시청자의 눈과 같은 적절한 뷰잉 시스템의 렌즈에 의해 변형될 때 - 할 수 있다. 인코딩된 광 패턴(1554)은 제1 내지 제8 이미지 컴포넌트/영역(V1 내지 V8)에 대응하는 제1 내지 제8 컴포넌트 또는 채널(H1 내지 H8)을 포함한다. 따라서 홀로그램은 수행하는 홀로그래픽 광의 채널링을 특징으로 할 수 있다. 이러한 광의 채널링은 여기에 개시된 홀로그램을 결정하는 특정 방법(들)으로 인해 발생하며 도 9b에 예시되어 있다. 구체적으로, 본 개시에 따른 홀로그램은 평면 상에 개별 영역으로서 형성될 수 있는 복수의 개별 채널로 홀로그래픽 광을 지향시킨다. 개별 영역은 도시된 예에서 디스크(disc)이지만 다른 모양이 예상된다. 위에서 상세히 설명한 바와 같이, 홀로그램은 특히 디스플레이 장치에서의 광 필드의 크기/형상 및/또는 뷰잉 개구(들)에서의 광 필드의 크기/형상을 염두에 두고 계산(예를 들어, 크로핑)된다. 따라서 최적의 디스크의 크기와 형상은 뷰잉 시스템의 입사 동공의 크기 및 형상과 관련이 있을 수 있다.
홀로그램에서 출력되는 홀로그래픽 광의 채널은 (시청자가 홀로그래픽적으로 재구성하는 이미지의) 이미지 콘텐츠를 각도별로 효과적으로 분해한다. 이는 실제 이미지(401) 상의 복수의 개별 위치로부터의 광선 다발이 복수의 개별 대응 각도로 개구(402)(또는 뷰잉 창)로 이동하는 위의 도 4의 광학 배열과 비교함으로써 더 이해될 수 있다. 그러나 이러한 다발 중 하나만으로부터의 광은 주어진 눈 위치에서 시청자의 눈을 통과할 수 있다. 여기에 설명된 바와 같이 계산되고 적절한 디스플레이 장치에 의해 표시되는 홀로그램은 원하는 이미지 거리에서 해당 이미지(401)(또는 실제로 원하는 이미지/물체)의 존재를 모방하기 위해 홀로그래픽적으로 재구성된 가상 이미지를 형성할 수 있다. 그러나 도 4의 광학 시스템과 기존의 홀로그램 시스템에 비해 눈에 띄는 이점에서, 여기에 설명된 대로 계산된 홀로그램은 디스플레이 장치가 상대적으로 작고 시청자의 눈과 같은 뷰잉 시스템의 입구 개구가 상대적으로 작고 뷰잉 거리가 상대적으로 클지라도 시청자가 전체 이미지를 보고 인식할 수 있게 한다. 다시 말해서, 그리고 비제한적인 예로서, 홀로그램은 도 4에 도시된 모든 5 개의 광선 다발이 동시에 시청자에 도달할 수 있게 하여 원하는 가상 이미지를 완전히 형성할 수 있다.
중요하게도, 이러한 홀로그램은 적절하게 표시되고 조명될 때 디스플레이 장치가 홀로그래픽 광의 채널들을 출력하게 하며, 홀로그래픽 광의 각 채널은 원하는 이미지/객체의 각 부분으로부터의 광은 디스플레이 장치에 도달하는 각도(또는 일부 경우에는 각도 묶음)에 해당한다. 따라서 홀로그래픽 광의 채널은 이미지 콘텐츠의 서로 상이한 각도 부분에 해당한다고 말할 수 있다. 이것은 기존의 홀로그램의 경우가 아니다. 또한, 실제 이미지/물체로부터의 변조되지 않은 광 또는 기존의 홀로그램에서 형성된 공간적으로 변조된 광과 달리, 여기에 개시된 홀로그래픽 광의 채널은 디스플레이 장치와 시청자 사이에 위치한 적절한 도파관 또는 다른 동공 확장기에 의해 안내될 수 있도록 구체적으로 구성되어, 채널들 각각이 - 이미지의 각(즉, 모든) 부분에 해당하는 홀로그래픽 광이 - 시청자에 의해 동시에 수신될 수 있도록 한다. 더욱이, 각각의 채널은 적어도 일부 실시예에서 단 한번만 수신될 수 있다.
도 10은 도 9a 및 9b에 예시된 인식에 따라 개선된 뷰잉 시스템(1500)을 도시한다. 도 8의 방법은 도 9a 내지 도 10에 예시된 방식으로 홀로그램을 계산하기 위해 적용될 수 있다. 특히, 도 8의 방법은 홀로그램이 출력하도록 구성될 홀로그래픽 광의 각 채널에 대해 수행될 수 있으며, 여기서 각각의 채널은 시청자에 의해 보여지거나 인지될 이미지의 다른 각각의 부분에 대응하고, 여기서 광의 각 채널은 동공 확장기의 출력면 상의 다른 각각의 투과 지점을 통해 시청자에게 이동한다. 도 8의 방법은 각 채널에 대한 홀로그램을 출력하기 위해 수행될 수 있으며, 홀로그램이 계산된 광학 시스템에 의해 적절하게 표시되고 조명될 때, 개별 채널별 홀로그램은 결합되어 타겟 이미지의 홀로그래픽 재구성으로 이어질 최종의 완전한 홀로그램을 형성할 수 있다.
뷰잉 시스템(1500)은 이 배열에서 LCOS(1502)를 포함하는 디스플레이 장치를 포함한다. LCOS(1502)는 홀로그램을 포함하는 변조 패턴(또는 '회절 패턴')을 표시하고 개구(1504)로서 작용하는 동공(1505), 렌즈(1509), 및 뷰잉 평면으로서 작용하는 망막(미도시)을 포함한는 눈을 향해 홀로그래픽적으로 인코딩된 광을 투사하도록 구성된다. LCOS(1502)를 조명하도록 배열된 광원(미도시)이 있다. 광원은 예를 들어 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 홀로그램은 전체 홀로그램이 단일 광선(또는 단일 광선 다발)에 의해 조명될 수 있도록 구성된다. 여기에 설명된 바와 같이 기능하기 위해 다중 광원 또는 예를 들어 홀로그램을 조명하기 위해 서로 다른 파장의 복수의 광선이 필요하지 않다.
눈(1505)의 렌즈(1509)는 홀로그램을 이미지 변환으로 수행한다. 따라서 LCOS와 눈(1505) 사이에는 이미지의 홀로그래픽 재구성이 없다.
뷰잉 시스템(1500)은 LCOS(1502)와 눈(1505) 사이에 위치된 도파관(1508)을 더 포함한다. 도 10의 프로젝션 거리는 비교적 클 수 있다. 그러나, 이전 도면과 관련하여 설명된 바와 같이, 도파관(1508)의 존재는 LCOS(1502)로부터의 모든 각도 콘텐츠가 이 비교적 큰 프로젝션 거리에서도 눈(1505)에 의해 수신될 수 있게 한다. 이것은 도파관(1508)이 위에서 설명된 방식으로 동공 확장기로서 작용하기 때문이다.
추가적으로, 이 배열에서, LCOS(1502)가 여기에 설명된 방법에 따라 인코딩되었을 때, 도파관(1508)은 LCOS(1502)로부터의 광과 시청자가 인식할 가상 이미지 사이의 고유한 관계를 설정하기 위해 LCOS(1502)에 대해 비스듬히 배향될 수 있다. 도파관(1508)의 크기, 배치 및 위치는 각 홀로그래픽 채널의 광- 및 가상 이미지의 각 부분으로부터의 광이 도파관(1508)에 들어가고 그것의 연장 축을 따라 안내되어 도파관(1508)의 실질적으로 평평한 표면 사이에서 바운스되도록 구성된다. 광이 (눈(1505)에 가장 가까운)제2 평면에 도달할 때마다 일부 광은 투과되고 일부 광은 반사된다.
도 10은 도파관(1502)의 길이를 따라 총 9개의 "바운스" 지점(B0 내지 B8)을 도시한다. 독자는 이미지(1552)의 중심이 비어 있음을 알 수 있다. 도 15c는 도파관 내에서 제0 내지 제9 광 "바운스" 또는 반사 지점 B0~B8을 보여준다. 이미지(V1-V8)의 모든 지점과 관련된 광 - 즉, 8개의 홀로그래픽 광 채널(H1 내지 H8)각각의 광 - 은 도파관의 제2 평면으로부터 각 "바운스"에서 도파관 밖으로 투과되고, 이미지의 각도 부분 중 하나로부터의 광(예: V1 내지 V8 중 하나의 광)만이 각각의 "바운스" 지점(B0 내지 B8)으로부터 눈(1505)에 도달할 수 있는 궤적을 갖는다. 더욱이, 상이한 채널로부터의 광 - 따라서 이미지의 상이한 각각의 각도 부분으로부터의 광(V1 내지 V8)은 이 실시예에서 각각의 "바운스" 지점으로부터 눈(1505)에 도달한다. 도 10은 각각의 "바운스" 지점에서 방출되는 모든 다른 홀로그래픽 광 채널의 광을 도시하고(각 투과 지점에서 복수의 짧은 화살표로 표시됨), 각각의 눈(1505)에 대한 각각의 (해당 바운스 지점에서 눈(1505)에 실제로 도달할 고유한 개별 이미지 부분(즉, 고유한 개별 각도 이미지 콘텐츠)에 해당하는)채널의 광학 경로만 도시한다. 각 바운스지점에 대해 눈에 도달하는 것으로 표시된 광학 경로의 채널은 도파관의 각각의 부분에서 가상 이미지의 각 부분에 기여할 채널이다. 예를 들어, 제0 바운스(B0)의 경우, 도파관(1508)에 의해 투과된 광은 단순히 굴절되고 내부에서 어떠한 반사도 겪지 않는다. 제8 서브홀로그래픽 서브채널의 광(H8)은 제0 바운스(B0)에서 눈에 도달한다. 다음 바운스(B1)의 경우, 도파관(1502)에 의해 투과된 광은 투과 전에 내부에서 한 번의 바운스를 겪는다. 제7 홀로그램으로부터의 광(H7)은 다음 바운스(B1)에서 눈에 도달한다. 이것은 최종 바운스(B8)에서 도파관(1508)에 의해 투과된 광이 8 번의 바운스를 겪을 때까지 계속되어 눈(1505)에 도달하고 제1 홀로그램(H1)에 따라 인코딩된 광을 포함한다. 이 배열에서, 각 채널로부터의 광은 눈의 통합 시간 - 도파관 상의 복수의 상이한 개별 바운스 지점으로부터 각 하나 - 내에서 시청자에게 실질적으로 동시에 도달하게 된다. 따라서 시청자는 눈과 디스플레이 장치가 상대적으로 매우 작고 뷰잉 거리가 상대적으로 멀더라도 눈을 움직이거나 다른 변경을 가하지 않고 전체 가상 이미지에 해당하는 홀로그래픽 광을 동시에 수신할 수 있다.
도 10에 도시된 예에서 하나의 이미지 영역의 광은 각 바운스 지점으로부터 눈에 도달한다. 따라서 홀로그램이 여기에 설명된 바와 같이 결정될 때 가상 이미지의 영역과 도파관의 관련 바운스 지점 사이의 공간적인 상관 관계가 설정된다. 일부 다른 예들에서, 이미지의 한 영역이 2개의 인접한 투과 지점으로부터 나오도록 비교적 작은 중첩이 있을 수 있고, 따라서 도파관으로부터 뷰잉 평면을 향해 전파하는 2개의 인접한 광 디스크 내에 구성된다.
따라서, 본 발명자들에 의해 이루어진 인식, 및 본 명세서에 기재된 방법 및 배열은, LCOS 또는 다른 적절한 디스플레이 장치 상에 표시될 때, 복수의 '디스크' 또는 홀로그래픽 광의 (가상 이미지의 서로 상이한 해당 부분에 대응(특히, 엔코딩되는)하는) 채널에서 효과적으로 방출되는 홀로그래픽 또는 공간적으로 변조된 광이 발생되는 홀로그램을 포함하는 회절 패턴(또는 광 변조 패턴)을 가능하게 할 수 있다.
따라서, 디스플레이 장치가 적절한 광원에 의해 조명될 때 시청자가 선명한 이미지를 볼 수 있도록 홀로그램이 계산되고 적절한 디스플레이 장치에 표시될 수 있게 하는 개선된 방법들 및 배열들이 여기에 설명된다. 예를 들어, 디스플레이 장치와 시청자의 뷰잉 개구(들)(즉, 눈(들))가 상대적으로 매우 작고 뷰잉 거리는 상대적으로 크더라도 디스플레이 장치로부터 (무한대라기 보다는) 유한한 거리에서 시청자가 가상 이미지와 같은 이미지를 볼 수 있도록 할 수 있다.
여기에 설명된 개선된 방법 및 배열은 실시간으로 수행될 수 있고, 예를 들어, 뷰잉 개구 배치/위치의 변화를 맞추기 위해 매우 빠르게 반복될 수 있다. 그것들은 두 눈과 같은 하나 이상의 뷰잉 개구에 대해 구현될 수 있다. 예를 들어 그것들은 매우 빠르게 반복되어 복수의 서로 다른 홀로그램의 표시 및 이에 따라 복수의 서로 다른 대응하는 이미지의 연속 및/또는 시퀀스, 시리즈, 패턴 또는 루프 시청을 가능하게 한다.
여기에 설명된 개선된 방법 및 배열은 다양한 상이한 애플리케이션 및 뷰잉 시스템에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 헤드업 디스플레이(HUD)로 구현될 수 있다. 기존의 많은 HUD에 비해 개선되어, 가상 이미지가 무한대에서 형성되는 경우, 여기에 설명된 개선된 방법 및 배열은 유한 이미지 거리에서 가상 이미지를 생성하기 위해 구현될 수 있으며, 이는 적절한 컨트롤러에 의해 선택 및 조정될 수 있으며 - 여전히 고스트 이미지를 제거한다.
인지된 이미지를 형성하기 위해 눈이 수신된 변조된 광을 변환해야 하는 가상 이미지가 여기에서 일반적으로 논의되었지만, 여기에 설명된 개선된 방법 및 배열은 실제 이미지에 적용될 수 있다.
추가적인 특징들
실시예들은 단지 예로서 전기적으로 활성화되는 LCOS 공간 광 변조기를 언급한다. 본 개시의 교시는 임의의 전기적으로 활성화되는 SLM, 광학적으로 활성화되는 SLM, 디지털 마이크로미러 장치 또는 마이크로전자기계 장치와 같은 본 개시에 따라 컴퓨터-생성 홀로그램을 표시할 수 있는 임의의 공간 광 변조기에 동일하게 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 광원은 레이저 다이오드와 같은 레이저이다. 본 개시의 홀로그래픽 프로젝션 시스템은 개선된 헤드업 디스플레이를 제공하기 위해 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, HUD를 제공하기 위해 차량에 설치된 홀로그래픽 프로젝션 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 차량은 자동차, 트럭, 밴, 트럭, 오토바이, 기차, 비행기, 보트 또는 선박과 같은 자동 운송 수단일 수 있다.
홀로그래픽 재구성의 품질은 픽셀화된 공간 광 변조기를 이용하는 회절 특성의 결과인 소위 0차 문제에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 0차 광은 "노이즈"로 간주될 수 있으며 예를 들어 정반사된 광 및 SLM으로부터의 기타 원치 않는 광을 포함한다.
실시예들에서, 1차 재생 필드만이 이용되고 시스템은 시스템을 통한 고차 재생 필드의 전파를 제한하도록 구성된 배플(baffle)과 같은 물리적 블록을 포함한다.
실시예들에서, 홀로그래픽 재구성은 컬러이다. 일부 실시예에서, 공간적으로 분리된 색상인 "SSC(Spatially-Separated Colours)"로 알려진 접근 방식은 색상 홀로그래픽 재구성을 제공하는 데 이용된다. 다른 실시예에서, 프레임 순차 색상인 "FSC(Frame Sequential Colour)"로 알려진 접근 방식이 이용된다.
SSC 방법은 3개의 단색 홀로그램에 대해 공간적으로 분리된 3개의 광 변조 픽셀 어레이를 이용한다. SSC 방법의 장점은 세 가지 홀로그래픽 재구성이 동시에 형성될 수 있기 때문에 이미지가 매우 밝을 수 있다는 것이다. 그러나 공간 제한으로 인해 공간적으로 분리된 3개의 광 변조 픽셀 어레이가 공통 SLM에 제공되는 경우 이용 가능한 광 변조 픽셀의 하위 집합만 각 색상에 이용되기 때문에 각 단색의 이미지의 품질이 최적에서 미달한다. 이에 따라 비교적 저해상도의 컬러 이미지가 제공된다.
FSC 방식은 공통 공간 광 변조기의 모든 픽셀을 이용하여 3개의 단색 홀로그램을 순서대로 표시할 수 있다. 단색 재구성은 인간 시청자가 세 가지 단색 이미지의 통합에서 다색 이미지를 인식할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 순환된다(예: 빨강, 녹색, 파랑, 빨강, 녹색, 파랑, 등). FSC의 장점은 전체 SLM이 각 색상에 이용된다는 것이다. 이는 SLM의 모든 픽셀이 각 컬러 이미지에 이용되기 때문에 생성된 3가지 컬러 이미지의 품질이 최적임을 의미한다. 그러나 FSC 방법의 단점은 각 단일 색상 조명 이벤트가 프레임 시간의 1/3 동안만 발생할 수 있기 때문에 합성 컬러 이미지의 밝기가 SSC 방법보다 약 3배 더 낮다는 것이다. 이 단점은 레이저를 과도하게 구동하거나 더 강력한 레이저를 이용하여 잠재적으로 해결할 수 있지만 더 많은 전력이 필요하므로 비용이 증가하고 시스템 크기가 증가하는데 있다.
예시들은 가시 광으로 SLM을 조사하는 것을 설명하지만, 통상의 기술자라면 광원 및 SLM이 예를 들어 본 명세서에 개시된 바와 같이 적외선 또는 자외선 광을 지향(direct)시키는 데 똑같이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 통상의 기술자라면 정보를 사용자에게 제공하기 위해 적외선 및 자외선 광을 가시 광으로 변환하는 기술을 인지하고 있을 것이다. 예를 들어, 본 개시는 이러한 목적을 위해 인광체(phosphors) 및/또는 양자점(quantum dot) 기술을 사용하는 것으로 확장된다.
일부 실시예들은 단지 예시로서 2D 홀로그래픽 재구성들을 설명한다. 다른 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성은 3D 홀로그래픽 재구성이다. 즉, 일부 실시예에서, 각각의 컴퓨터-생성 홀로그램은 3D 홀로그래픽 재구성을 형성한다.
본 명세서에 설명된 방법 및 프로세스는 컴퓨터 판독가능 매체 상에 구현될 수 있다. 용어 "컴퓨터 판독가능 매체"는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 버퍼 메모리, 플래시 메모리 및 캐시 메모리와 같이 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하도록 구성된 매체를 포함한다. 또한, "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 기계가 여기에 기재된 방법론 중 하나 이상을 전체적으로 또는 부분적으로 수행하게 하는 명령들을 기계의 수행 지령으로서 저장할 수 있는 어떤 매체 혹은 다중의 매체의 조합을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
"컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 또한 클라우드 기반 스토리지 시스템을 포함한다. "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 솔리드-스테이트 메모리 칩(solid-state memory chip), 광학 디스크, 자기(magnetic) 메모리의 예시적인 형태의 하나 이상의 유형 및 비 일시적 데이터 저장소(예를 들어, 데이터 볼륨)를 포함하지만, 이에 국한되지 않으며, 디스크 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시 예에서, 실행을 위한 명령어는 캐리어 매체에 의해 전달될 수 있다. 이러한 캐리어 매체의 예는 일시적인 매체(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.
첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.
Claims (17)
- 홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 상기 디스플레이 장치로부터 뷰잉 시스템으로의 복수의 광 전파 경로를 제공하는 동공 확장기를 통해 홀로그램을 시청하도록 구성된 상기 뷰잉 시스템을 포함하는 시스템에 위한 이미지의 홀로그램을 결정하는 방법에 있어서,
상기 뷰잉 시스템의 입사 동공에서 제1 복소 광 필드를 결정하는 과정 및 상기 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 크로핑하는 과정을 포함하고, 상기 제1 복소 광 필드는 상기 동공 확장기의 상기 복수의 광 전파 경로 중 적어도 하나의 광 전파 경로를 따라 상기 디스플레이 장치의 디스플레이 평면으로부터의 광의 전파로부터 발생하는 제1 과정;
상기 뷰잉 시스템의 센서의 센서 평면에서 제2 복소 광 필드를 결정하는 과정 및 상기 이미지에 따라 진폭 성분을 수정하는 과정을 포함하고, 상기 제2 복소 광 필드는 상기 입사 동공으로부터 상기 뷰잉 시스템의 렌즈를 통한 상기 제1 복소 광 필드의 광의 전파로부터 발생하는 제2 과정;
상기 입사 동공에서 제3 복소 광 필드를 결정하는 과정 및 상기 입사 동공에 따라 크로핑하는 과정을 포함하고, 상기 제3 복소 광 필드는 상기 센서 평면으로부터 상기 렌즈를 통한 상기 제2 복소 광 필드의 광의 역전파로부터 발생하는 제3 과정;
상기 디스플레이 평면에서 제4 복소 광 필드를 결정하는 과정 및 상기 디스플레이 장치에 따라 크로핑하는 과정을 포함하고, 상기 제4 복소 광 필드는 상기 동공 확장기의 상기 적어도 하나의 광 전파 경로를 따라 상기 제3 복소 광 필드의 광의 역전파로부터 발생하는 제4 과정; 및
상기 제4 복소 광 필드에 대응하는 데이터 세트로부터 홀로그램을 추출하는 과정을 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 전파 경로는 상기 동공 확장기에 의해 제공되는 상기 복수의 광 전파 경로를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 전파 경로는 상기 동공 확장기에 의해 제공되는 상기 복수의 광 전파 경로 중 단지 하나이고,
상기 제1 과정 내지 제4 과정은 각각의 광 전파 경로에 대해 홀로그램을 추출하기 위해 상기 복수의 광 전파 경로 각각의 광 전파 경로에 대해 수행되고,
상기 디스플레이 장치에 표시하기 위한 홀로그램을 형성하기 위해 상기 복수의 광 전파 경로에 대응하는 복수의 홀로그램이 결합되는, 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 과정에서 상기 디스플레이 평면으로부터 전파되는 광은 랜덤 위상 분포를 포함하는 제0 복소 광 필드를 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 과정 내지 제4 과정은 최종 반복으로부터 상기 홀로그램을 추출하는 과정 전에 반복적으로 되풀이되고,
상기 제2 과정 및 후속 반복 동안 상기 디스플레이 장치로부터 전파된 광은 바로 이전 반복의 상기 제4 복소 광 필드의 위상 분포를 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 홀로그램은 상기 데이터 세트의 위상 성분인, 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 홀로그램은 복수의 이미지의 홀로그램이고, 각각의 이미지는 상이한 이미지 거리를 갖고, 상기 방법의 제2 과정이 상기 각각의 이미지에 대해 독립적으로 수행되는, 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 상기 복소 광 필드는 프레넬 전파와 같은 파동 전파 광학계에 의해 결정되는, 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 과정의 상기 진폭 성분을 수정하는 과정은 상기 이미지의 진폭 성분을 기초로 상기 제2 복소 광 필드의 진폭 성분을 상기 이미지의 진폭 성분으로 대체하거나 상기 제2 복소 광 필드의 진폭 성분을 가중하는, 방법 구성 요소. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
크로핑의 각 과정은 크기 및 위치 중 적어도 하나에 따라 크로핑하는 것을 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이미지 또는 상기 각각의 이미지는 가상 이미지인, 방법. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 뷰잉 시스템은 시청자의 눈이고, 상기 뷰잉 시스템의 입사 동공의 크기 및 위치 중 적어도 하나를 결정하기 위해 상기 시청자를 추적하는 눈 또는 머리를 더 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 동공 확장기의 적어도 하나의 광 전파 경로를 따라 전파하는 과정은 상기 동공 확장기의 각각의 복수의 상이한 광 전파 경로로부터 생성된 개별 복소 광 필드를 결합하는 과정을 선택적으로 포함하고, 상기 개별 복소 광 필드는 합산에 의해 결합되는, 방법. - 제13항에 있어서,
상기 동공 확장기는 도파관 동공 확장기이고, 각각의 광 전파 경로는 상기 도파관 내의 상이한 수의 내부 반사에 대응하는 방법. - 제14항에 있어서,
상기 개별 복소 광 필드를 결합하는 과정은 상기 입사 동공의 평면 상에서 각각의 개별 복소 광 필드의 측방향 위치를 결정하는 과정을 포함하는, 방법. - 제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 개별 복소 광 필드를 결합하는 과정은 각 광 전파 경로의 내부 반사와 관련된 전체 위상 변이를 결정하는 과정을 더 포함하는, 방법. - 헤드업 디스플레이를 이용하여 시청하기 위한 이미지의 홀로그램을 결정하도록 구성된 홀로그램 엔진에 있어서, 상기 헤드업 디스플레이는 상기 홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치; 및 상기 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 구성된 동공 확장기를 포함하고, 상기 홀로그램 엔진은:
뷰잉 시스템의 입사 동공에서 제1 복소 광 필드를 결정하고 및 상기 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 크로핑하고, 상기 제1 복소 광 필드는 상기 동공 확장기의 각각의 광 전파 경로를 따라 상기 디스플레이 장치의 디스플레이 평면으로부터의 광의 전파로부터 발생하고;
상기 뷰잉 시스템의 센서의 센서 평면에서 제2 복소 광 필드를 결정하고 및 상기 이미지에 따라 진폭 성분을 수정하고, 상기 제2 복소 광 필드는 상기 입사 동공으로부터 상기 뷰잉 시스템의 렌즈를 통한 상기 제1 복소 광 필드의 광의 전파로부터 발생하고;
상기 입사 동공에서 제3 복소 광 필드를 결정하고 및 상기 입사 동공에 따라 크로핑하고, 상기 제3 복소 광 필드는 상기 센서 평면으로부터 역으로 상기 렌즈를 통한 상기 제2 복소 광 필드의 광의 전파로부터 발생하고;
상기 디스플레이 평면에서 제4 복소 광 필드를 결정하고 및 상기 디스플레이 장치에 따라 크로핑하고, 상기 제4 복소 광 필드는 상기 동공 확장기의 각각의 광 전파 경로를 따라 역으로 상기 제3 복소 광 필드의 광의 전파로부터 발생하고; 및
상기 제4 복소 광 필드에 대응하는 데이터 세트로부터 상기 홀로그램을 추출하는, 홀로그램 엔진.
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