KR20230070037A - 이미지 투사 - Google Patents
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Abstract
뷰잉 시스템에 의해 대상 이미지로 변환가능한 광을 공간적으로 변조하도록 배치된 회절구조가 제공된다. 회절구조는 복수의 이산 광 패턴을 생성하도록 구성된다. 각 광 패턴은 대상 이미지의 상이한 부분에 대응한다. 각 이산 광 패턴의 형상은 뷰잉 시스템의 입구 개구의 형상에 실질적으로 대응한다.
Description
본 개시는 이미지 투사(image projection)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 회절구조(diffractive structure) 및 홀로그램 또는 키노폼(kinoform)과 같은 회절구조를 결정하는 방법에 관한 것이다. 일부 실시예들은 시선 추적(eye-tracking) 정보에 기초한 실시간 홀로그램 계산에 관한 것이다. 일부 실시예들은 가상 이미지 투사에 관한 것이다. 다른 실시예들은 실제 이미지(real image) 투사에 관한 것이다. 실시예들은 도파관을 통해 투사된 이미지를 보는 것에 관한 것이다. 일부 실시예들은 화상 생성 유닛부(picture generating unit)과 같은 광 엔진(light engine)에 관한 것이다. 일부 실시예들은 헤드업 디스플레이에 관한 것이다.
물체에서 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, 예컨대, 감광성 플레이트 상에 캡쳐될 수 있다. 홀로그램은 원래의 물체를 나타내는 2-차원 또는 3-차원 홀로그램 재구성 또는 재생 이미지(replay image)를 형성하기에 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(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기술을 이용하여 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬/푸리에 변환 홀로그램 혹은 간단히 프레넬/푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 물체의 푸리에 도메인/평면 표현 또는 물체의 주파수 도메인/평면 표현으로 간주될 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기술(point cloud technique)에 의해 계산될 수도 있다.
컴퓨터-생성 홀로그램은 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기(spatial light modulator) 상에 인코딩될 수 있다. 광 변조는, 예컨대, 전기적으로 어드레스 가능한(electrically-addressable) 액정, 광학적으로 어드레스 가능한(optically-addressable) 액정 또는 마이크로 미러를 사용하여 달성될 수 있다.
공간 광 변조기는 셀들(cells) 또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레스 가능한 픽셀들을 일반적으로 포함할 수 있다. 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 본 명세서에 개시된 시스템을 사용하여 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터들은 예를 들어, 헤드업 디스플레이("HUD", head-up displays) 및 광 감지 및 범위 지정("LIDAR", light detection and ranging)에 적용된다.
본 개시의 측면들은 첨부된 독립항에서 정의된다.
본 개시 및 도면은 설명과 예시의 편의를 위해 일반적으로 1차원적인 경우를 도시한다. 그러나, 광학 분야의 통상의 기술자는 본 개시에서 설명되고 도시된 개념이 2차원 홀로그램으로부터 2차원 이미지를 제공하기 위해 2차원으로 확장될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 1차원 동공확장만이 기술되고 도시될 수 있지만, 본 발명이 2차원 동공확장(예를 들어 두 개의 1차원 동공확장기를 직렬로 사용하는)으로 확장된다는 것을 이해해야 한다.
본 개시는 이미지 투사(image projection)에 관한 것이다. 이미지 투사 방법 및 디스플레이 장치를 포함하는 이미지 투사기에 관한 것이다. 본 개시는 또한 이미지 투사기 및 뷰잉 시스템을 포함하는 투사 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 단안(monocular) 및 양안(binocular) 뷰잉 시스템(viewing system)에 동일하게 적용 가능하다. 뷰잉 시스템은 뷰어의 눈 또는 눈들을 포함할 수 있다. 뷰잉 시스템은 광학 전력(예: 인간 눈의 렌즈) 및 뷰잉 평면(예: 인간 눈의 망막)을 갖는 광학 요소를 포함한다. 투사기는 '광 엔진'이라고 할 수 있다. 디스플레이 장치 및 디스플레이 장치를 이용하여 형성되는(또는 인식되는) 이미지는 공간적으로 분리되어 있다. 이미지는 디스플레이 평면(display plane)에 형성되거나 뷰어에 의해 감지된다. 일부 실시예들에서, 이미지는 가상 이미지이고 디스플레이 평면은 가상 이미지 평면으로 지칭될 수 있다. 디스플레이 장치에 표시되는 회절패턴(예: 홀로그램)을 조사하여 이미지가 형성된다. 본 개시는 또한 이미지 투사를 위한 회절패턴을 제공(예: 계산)하는 것과 회절패턴에 관한 것이다.
디스플레이 장치는 픽셀들을 포함한다. 디스플레이 장치의 픽셀들은 광을 회절시킨다. 잘 알려진 광학 원리에 따르면, 최대 회절 각도의 크기는 픽셀들의 크기(및 광의 파장과 같은 기타 요인들)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/시스템을 향해 회절각도 범위(예: 0에서 최대 회절각도까지)에 걸쳐 전파된다. 일부 실시예에서, 확대 기술은 LCOS의 통상적인 최대 회절각을 넘어 이용가능한 회절각의 범위를 증가시키기 위해 이용될 수 있다.
실시예들에서, 이미지는 실제 이미지이다. 다른 실시예에서, 이미지는 인간의 눈(또는 눈들)에 의해 인지되는 가상 이미지이다. 프로젝션 시스템 또는 광 엔진은 따라서 뷰어가 디스플레이 장치를 직접 바라보도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 홀로그램으로 인코딩된 광은 눈(들)에 직접 전파된다. 이 광은 "공간 변조된" 또는 "홀로그래픽 광"이라고 지칭할 수 있다. 이러한 실시예에서, 디스플레이 장치와 뷰어 사이의 자유 공간 또는 스크린 또는 다른 수광 표면에 중간 홀로그래픽 재구성이 형성되지 않는다. 이러한 실시예에서, 눈의 동공은 뷰잉 시스템의 입구 개구인 것으로 간주될 수 있고 눈의 망막은 뷰잉 시스템의 뷰잉 평면으로 간주될 수 있다. 때때로 이 구조에서 눈의 렌즈가 홀로그램을 이미지로 변환을 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, 뷰어에게 '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.
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일부 실시예들에서, 뷰어에 의해 인식되는 이미지는 디스플레이 장치의 업스트림(upstream)에 나타나는 가상 이미지이다. 즉, 뷰어는 이미지가 디스플레이 장치보다 그들로부터 더 멀리 있는 것으로 인식한다. 개념적으로, 가상 이미지의 복수의 상이한 이미지 포인트들을 고려하는 것이 가능하다. 가상 포인트로부터 뷰어까지의 거리는 그 가상 이미지 포인트에 대해 가상 이미지 거리로 여기에서 지칭된다. 물론 서로 다른 가상 포인트들은 서로 다른 가상 이미지 거리들을 가질 수 있다. 각각의 가상 포인트와 관련된 광선 다발들(ray bundles) 내의 개별 광선들은 디스플레이 장치를 통해 뷰어에게 상이한 각각의 광학 경로들을 취할 수 있다. 그러나, 디스플레이 장치의 일부만, 즉 가상 이미지의 하나 이상의 가상 포인트들에서 나오는 광선의 일부만이 사용자의 시야 내에 있을 수 있다. 다시 말해, 가상 이미지 위 가상 포인트들의 일부로부터 나오는 광선 중 일부만 디스플레이 장치를 통해 사용자의 눈(들)로 전파되어 뷰어에게 보일 수 있다. 따라서, 개념적으로는, 뷰어가 '디스플레이 장치 크기의 창(display device-sized window)'을 통해 가상 이미지를 보고 있는 것으로 간주될 수 있는데, 이 창은 직경 1 cm로 비교적 먼 거리(예: 1 m)에서 매우 작을 수 있다. 그리고, 사용자는 눈의 동공(들)을 통해 디스플레이 장치 크기의 창을 볼 수 있으며, 동공도 매우 작다. 따라서, 시야가 좁아지고 볼 수 있는 특정한 각도 범위는 주어진 시간에 눈의 위치에 따라 크게 좌우된다.
예를 들어 공간이 제한적이거나 공간의 가치가 높은 위치에서 구현되는 경우에는 광학 시스템은 물리적으로 작은 것이 바람직하다. 그러나 물리적 제약은 일반적으로 기능적 제한과 관련이 있다. 예를 들어, 기존의 광학 시스템에서 작은 디스플레이 장치를 이용하는 것은 일반적으로 제한된 시야(FOV)를 갖는 것과 관련되어 이미지의 가시성을 제한한다. 본 개시는, 디스플레이 장치가 (상대적으로) 작고 프로젝션 거리가 (상대적으로) 클 때, 시야를 증가시키는 방법, 즉, 디스플레이 장치에서 전파되는 광선의 각도 범위를 증가시키는 방법의 기술적인 문제를 해결하고 눈의 동공을 통해 성공적으로 전파되어 이미지를 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 프로젝션 거리는 디스플레이 장치의 개구의 직경 또는 너비(즉, 픽셀 어레이들의 크기)보다 적어도 하나의 - 적어도 두 - 자릿수 보다 크다. 더 구체적으로, 본 개시는 이미지 자체가 아닌 이미지의 홀로그램이 사람의 눈에 전파되는 이른바 직시형 홀로그래피로 이를 수행하는 기술적인 문제에 관한 것이다. 다시 말해, 뷰어가 수신하는 광은 이미지의 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 '홀로그래픽 광'이다.
동공 확장기는 시야를 증가시키고 따라서 디스플레이 장치의 전체 회절각이 이용될 수 있는 최대 전파 거리를 증가시키기 위해 사용된다. 도파관의 사용은 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 (하지만 이에 한정되지 않음) 무한하지 않은 가상 이미지 거리, 즉 근거리 가상 이미지에 관한 것이다.
본 발명자들은 무한하지 않은 가상 이미지 거리의 통상적인 홀로그래피, 즉, 근거리 가상 이미지에 대해 소위 '고스트 이미지들(ghost images)'이 나타나는 것을 발견했다. 이 현상은 도파관을 통한 상이한 가능한 광 전파 경로로 인하여 나타날 수 있다. 고스트 이미지는 메인 이미지(main image)의 낮은 강도 복제본(replica)이다. 각각의 고스트 이미지는 2차 이미지(secondary image)로 지칭될 수 있다. 고스트 이미지의 존재는 인식된 가상 이미지의 품질을 크게 저하시킬 수 있다. 고스트 이미지는 메인 이미지가 흐려지는 것처럼 보일 수 있다.
본 개시의 측면들은 고스트 이미지에 의해 야기되는 문제를 해결하기 위한 상이한 접근법에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 일부 솔루션은 고스트 이미지의 형성을 성공적으로 제거하거나 방지하는 것으로 나타났다. 본 명세서에 개시된 일부 솔루션은 1차/비-고스트(non-ghost) 이미지를 강화하거나, 강화하기 위하여 고스트 이미지(들)를 수정/조작하는 것으로 나타났다.
본 개시의 측면들에 따르면, 광 엔진은 공간적으로 변조된 광을 갖는 입사 동공을 포함하는 뷰잉 시스템을 제공하도록 구성된다. 디스플레이 시스템(display system)은 홀로그램을 표시하고 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 디스플레이 장치(display device)를 포함한다. 디스플레이 시스템은 뷰잉 시스템이 특정 위치에서 대상 이미지 또는 물체의 이미지를 보거나 인식할 수 있도록 디스플레이 장치에 표시하기 위한 홀로그램을 출력하도록 구성된 홀로그램 엔진을 더 포함한다. 동공 확장기가 제공되며 디스플레이 장치에 대해 배치되어 뷰잉 시스템이 입사 동공의 위치를 변경할 필요 없이 전체 이미지에 대응하는 광(즉, 최대 시야를 제공하기 위해)을 수신하도록 보장할 수 있다.
디스플레이 장치 및 뷰잉 시스템을 포함하는 시스템에 대한 이미지의 회절구조를 결정하는 방법이 여기에 개시된다. 회절구조는 홀로그램일 수 있고 "홀로그램"이라는 용어는 이하에서 본 개시에 따른 회절구조의 예로서만 이용된다. 회절구조는 복소 홀로그램(complex hologram), 위상 전용 홀로그램(phase-only hologram) 또는 키노폼(kinoform)일 수 있다. 디스플레이 디바이스는 홀로그램을 표시하도록 구성된다. 뷰잉 시스템은 동공 확장기를 통해 홀로그램을 보기 위해 구성된다. 동공 확장기는 디스플레이 장치에서 뷰잉 시스템으로의 복수의 광 전파 경로를 제공한다.
본 개시의 측면들에 따르면, 홀로그램이 표시되는 디스플레이 장치가 적절히 조사될 때 공간 변조된 광의 채널들을 출력하도록 유도하는 홀로그램이 제공(예: 계산)된다. 적어도 일부 실시예에서, 각 채널은 홀로그램에 의해 표현되는 이미지의 각각의 연속적 영역에 대응한다. 채널들이 결합하여 전체 이미지의 홀로그래픽 광을 제공하도록 각 채널은 이미지의 상이한 연속적인 부분 또는 영역에 대응할 수 있다. 동공 확장기는 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이에 제공될 수 있으며, 동공 확장기는 각 채널을 뷰잉 시스템의 입구 개구로 지향시키도록 구성된다. 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. 따라서 독자는 채널의 광축 또는 전파 축으로 고려된 축으로 특징지어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 각 축은 디스플레이 장치의 법선에 대한 고유의 각도로 특징지어질 수 있다. 각 축은 디스플레이 장치(또는 홀로그램)의 중심과 조사 영역(illumination area)의 중심 또는 채널의 광 패턴 (즉, 광 채널의 단면적의 중심)을 연결시키는 직선일 수 있다.
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 자르는(cropping) 과정을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 채널들 사이에 이미지 콘텐츠에 있어서 중첩(overlap)이 없다. 다른 실시예에서, 채널들 사이에 이미지 콘텐츠에 있어서 일부 중첩이 있다. 이 중첩은 부분적이며 상대적으로 작다. 예를 들어, 두 개의 인접한 채널은 이미지의 동일한 부분에 대한 일부 정보를 둘 다 포함할 수 있다. 따라서 채널들은 부분적으로 중첩(이미지 콘텐츠/시야에서의 공간 각도(space angles)에 있어서)될 수 있다고 할 수 있다.
채널들을 시야의 각도로 특징지을 수 있다. 이러한 각도는 디스플레이 장치/홀로그램의 법선으로부터 측정될 수 있다. 각 채널은 두 개의 각도 - 예를 들어, xz 평면 상의 제1 각도 및 yz 평면 상의 제2 각도 - 로 특징지어질 수 있으며 z 방향은 디스플레이 장치/홀로그램에 대해 수직이고 홀로그램으로부터의 일반적 광 전파 방향을 나타낸다. x 방향은 수평일 수 있으며 y 방향은 수직힐 수 있다. 예를 들어, x 방향(수평 시야)에서 제1 채널은 0 내지 +4 도의 각도 범위에 대응할 수 있으며 제2 각도는 +3 내지 +7 도에 대응할 수 있다. 본 예시에서, 1 도의 중첩이 존재한다. 본 예시에서, 제1 채널 및 제2 채널 모두는 +3 내지 +4 도의 범위에 있는 수평 시야의 각도 또는 이미지의 각도 콘텐츠에 관한 정보를 포함한다. 두 채널은 물론 추가 정보를 포함한다. 중첩은 상대적으로 작다 - 예를 들어, 10 % 이하와 같이 각 채널과 연관된 각도 범위의 25 % 이하이다.
일부 실시예에서, 각 채널과 연관된 총 각도 범위 (중첩되는 각도 범위만이 아닌)의 크기는 동일하다. 다른 실시예들에서, 한 각도 채널과 연관된 각도 범위의 크기는 다른 각도 채널의 것과 상이하다.
본 명세서에 이미지의 홀로그램을 계산하는 방법이 개시되며, 방법은 조명될 때 공간 변조된 광을 형성하는 홀로그램을 형성하기 위해 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 자르는 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. 홀로그램의 모든 픽셀들은 각 채널에 기여하여 각 채널에 기여하는 광선들이 홀로그램이 표시되고 조사되는 디스플레이 장치의 다수의 상이한 픽셀들로부터 방출될 수 있다. 이러한 광선들은 결합하여 연속적인 채널을 형성하고, 각 채널은 디스플레이 장치에 대하여 고유한 각각의 기본 전파 방향을 가진다. 각 채널에 대해 전파 방향으로 코어 또는 축이 정의될 수 있다. 각각의 개별적 홀로그램 픽셀에 대해, 상이한 각각의 채널의 광은 해당 픽셀로부터 상이한 각각의 각도로 출력될 것이다.
공간 변조된 광의 각 연속적 광 채널은 이미지의 각각의 연속적 영역에 대응한다. 공간 변조된 광은 임의의 수의 연속적인 광 채널로 분할될 수 있다. 일부 실시예에서, 광 채널은 중첩되지 않는다. 다른 실시예에서 - 예를 들어, 도파관과 뷰어 사이에 광학 파워를 갖는 광학 결합기(예: 차량의 방풍창)를 추가로 포함하는 실시예에서 - 일부 광 채널은 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법은 뷰잉 시스템에 의해 이미지로 변환 가능한 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 회절구조를 결정하고, 회절구조는 광을 복수의 홀로그램 채널로 라우팅하도록 구성되고, 각각의 홀로그램 채널은 이미지의 상이한 부분에 대응한다.
의심의 여지를 없애기 위해 말하자면, 형성되거나 인식되는 이미지는 대상 이미지의 홀로그램 재구성이다. 홀로그램 재구성은 대상 이미지를 기반으로 홀로그램으로부터 형성된다. 일부 실시예들에서, 홀로그램은 대상 이미지로부터 결정(예를 들어, 계산)된다.
홀로그램은 임의의 적절한 방법으로 계산될 수 있다. 여러 가능한 홀로그램 계산 방식이 본 명세서에 개시되었다. 그러나, 본 개시는 제공된 예시들로 한정되지 않는다. 일부 실시예에 따르면, 홀로그램은 소위 "포인트-클라우드" 홀로그램 계산 방식과 같이 광선 추적 방식과 같은 모델링 방식을 이용하여 계산될 수 있다. 이러한 실시예에서, 홀로그램 엔진은 입사 동공의 위치에 기초하여 디스플레이 장치의 기여(contributory) 영역 및 비기여(non-contributory) 영역을 식별하는 기여 정보를 수신하도록 구성된 홀로그램 엔진을 더 포함한다. 디스플레이 장치의 기여 영역은 결정된 위치에서 입사 동공을 통과하는 광을 실질적으로 전파한다. 디스플레이 장치의 비기여 영역은 결정된 위치에서 입사 동공에 의해 정지된 광을 실질적으로 전파한다. 기여 정보는 (i) 1차 이미지에 기여하는 뷰잉 시스템으로 광을 전파하는 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역 및 (ii) 2차 이미지에 기여하는 뷰잉 시스템에 광을 전파하는 디스플레이 장치의 적어도 하나의 2차 기여 영역을 추가로 식별한다. 홀로그램 엔진은 프로세싱 엔진(processing engine)에 의해 식별된 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역에 기초하여 홀로그램을 결정하도록 추가로 구성된다. 홀로그램 엔진은 디스플레이 장치에 홀로그램을 출력하도록 추가로 구성된다.
디스플레이 장치의 기여 및 비기여 영역을 식별함으로써, 뷰잉 시스템의 입사 개구(entrance aperture)의 주어진 위치에 대한 1차 이미지의 형성에 긍정적으로 기여하기 위하여, 광 엔진은 디스플레이 장치의 어느 부분 또는 부분들이 홀로그램에 유용하게 인코딩될 수 있는지 결정할 수 있다. 예컨대, 이것은 주어진 시간에 뷰어의 눈의 위치에 해당할 수 있다. 더욱이, 광 엔진은 디스플레이 장치의 어느 부분들이 입구 개구를 통해 광을 전달할 수 없으며, 홀로그램 값들로 채울 가치가 없는 부분들을 결정할 수 있다. 또한, 광 엔진은 '주(main)' 대상 이미지에 긍정적으로 기여하는 디스플레이 장치 부분들과 1차 이미지의 복사/복제본 또는 '고스트' 버전에 기여하는 부분을 구별할 수 있다. 따라서, 소위 2차 기여 영역에서 홀로그램을 생략하여 고스트를 제거할 수 있다.
대안적으로, 주목할 만한 추가 개선점으로서, 추가 기여 영역에 표시되는 홀로그램은 이미지 포인트(즉, 홀로그램으로 재구성되는 원하는 이미지 내의 포인트)의 변위 또는 수정된 위치를 기반으로 결정될 수 있다. 이 수정된 위치를 '2차 이미지 포인트'라고 지칭될 수 있지만, 이는 (1차) 이미지 포인트의 2차(즉, 변경된) 위치라는 약칭이다. 요약하면, 이미지 포인트의 모델링된/계산된 위치는, 수정된 위치에서 이동하는 광이 디스플레이 장치의 추가 기여 영역을 통해 1차 이미지를 효과적으로 강화하기 위하여, 뷰잉 평면에 원하는 위치에 도달하도록 수정(예: 이미지 평면에서 변위)될 수 있다. 그러므로, 이 대안적인 접근 방식에서, 추가 기여 영역에 대한 홀로그램은 디스플레이 장치에서 1차 기여 영역을 식별하기 위해 사용되는 이미지 포인트의 상이한 위치에 기초하여 결정된다. 1차 이미지 포인트에서 광학 경로 길이는 일반적으로 2차 이미지 포인트에서 뷰잉 평면에 형성된 해당 이미지까지의 광학 경로 길이와 다르다. 따라서, 추가 기여 영역과 관련된 홀로그램 결정 프로세스는, 홀로그램 결정 프로세스에서 사용되는 이미지 포인트를 번역하거나 이동하는 것을 포함한다고 말할 수 있다.
따라서, 능률적이며 계산적으로 효율적인 방식으로 결정된 홀로그램에 대응하는 선명하고 정확한 이미지를 제공하도록 구성 및 작동될 수 있는 지능적이고 효율적인 광 엔진이 제공된다.
디스플레이 장치 상에 출력하기 위한 홀로그램을 결정하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 홀로그램을 보기 위해 구성된 뷰잉 시스템의 입사 동공의 위치를 결정하는 과정 및 디스플레이 장치의 기여 영역 및 비기여 영역을 식별하는 과정을 포함하되, 디스플레이 장치의 기여 영역은 결정된 위치에서 뷰잉 시스템의 입사 동공을 통과하는 광을 실질적으로 전파하고, 디스플레이 장치의 비기여 영역은 결정된 위치에서 뷰잉 시스템의 입사 동공에 의해 정지된 광을 실질적으로 전파한다. 이 방법은, 1차 이미지에 기여하는 광을 제공하는 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역 및 2차 이미지에 기여하는 광을 제공하는 디스플레이 장치의 적어도 하나의 2차 기여 영역을 식별하는 과정; 및 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역에 기초하여 홀로그램을 결정하는 과정을 더 포함한다.
뷰잉 시스템에 의해 대상 이미지로 변환 가능한 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 회절구조가 제공되고, 여기서 회절구조는 복수의 개별 광 패턴을 생성하도록 구성되고, 각각의 광 패턴은 대상 이미지의 상이한 부분과 대응하며, 각각의 개별 광 패턴의 형상은 뷰잉 시스템의 입사 개구의 형상에 실질적으로 대응한다.
(렌즈를 포함하는) 뷰잉 시스템에 의해 이미지로 변환 가능한 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 회절구조가 제공되고, 여기서, 회절구조는 광을 복수의 개별 광 채널들로 지향시키도록 구성되고, 각각의 광 채널은 뷰잉 시스템의 입사 동공에 실질적으로 대응하는 단면 형상을 갖으며, 각각의 광 채널은 실질적으로 이미지의 상이한 부분에 대응한다.
도파관을 통해 디스플레이 장치에 표시되는 홀로그램을 관찰함으로써 디스플레이 장치에 표시할 홀로그램을 결정하고 뷰잉 평면에서 인지할 수 있는 가상 이미지를 형성하는 방법을 제공한다. 이 방법은, 가상 이미지의 각 가상 이미지 포인트에 대하여, 가상 이미지 포인트의 좌표 
를 결정하는 과정, 뷰잉 평면 상의 뷰잉 위치(viewing position)를 결정하는 과정 및 도파관에 의하여 형성된 1차 이미지와 관련된 도파관 내에서 광 반사의 수 B를 결정하는 과정을 포함한다. 이 방법은, 도파관 내에서 광 반사를 위해 가상 이미지 포인트에서 뷰잉 평면까지 광선을 추적하는 과정 및 
에서 B 반사를 갖는 뷰잉 평면으로의 광 전파를 위한 디스플레이 장치에서 주 광선(chief light ray)의 좌표 
를 결정하는 과정을 더 포함한다. 이 방법은, 
에 의해 정의된 영역 내에서 디스플레이 장치의 활성 픽셀들을 결정하는 과정 및 
에서 활성 픽셀들로 광파를 전파함으로써 활성 픽셀에 대한 진폭 및/또는 위상 홀로그램 성분을 포함하는 서브-홀로그램(sub-hologram)을 결정하는 과정을 더 포함한다.
주 광선은 가상 이미지 포인트에서 디스플레이 장치를 통해 가상 이미지 포인트의 1차 또는 '메인' 이미지 포인트로 이동하는 것으로 결정(예: 계산 또는 모델링)된 광선을 포함할 수 있다.
이 방법은, 홀로그램을 형성하기 위하여, 서브-홀로그램- 2개 이상의 대응하는 가상 이미지 포인트들에 대하여 각각 계산된 - 을 결합하는 과정을 더 포함할 수 있다.
이 방법은, 가상 이미지 포인트의 메인 이미지의 뷰잉 평면 상의 위치 
를 결정하는 과정을 더 포함할 수 있다.
이 방법은, 도파관에 의해 허용된 DB의 각 값에 대해, 
에서 B+DB 바운스에 대한 가상 이미지 평면 
으로 광선 추적하는 과정 및 B+DB 반사에 대해 
에 이미지가 표시되는 가상 포인트 좌표 
를 결정하는 과정을 더 포함한다. 이 방법은, 
에서 B+DB 바운스가 있는 뷰잉 평면으로의 광 전파를 위한 디스플레이 장치에서 주 광선의 좌표 
를 결정하는 과정 및 
에 의해 정의된 제2 영역(즉, 추가 영역) 내에서 디스플레이 장치의 추가 활성 픽셀을 식별하는 과정을 더 포함한다. 이 방법은, 
에서 추가 활성 픽셀로 광파를 전파하여 추가 활성 픽셀에 대한 진폭 및/또는 위상 홀로그램 성분을 포함하는 추가 서브-홀로그램을 결정하는 과정을 더 포함한다.
일부 실시예들에 따르면, 홀로그램은 복소 광 필드를 결정함으로써 계산될 수 있으며, 그 방법은 반복과정(iterative)일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 본 방법은 제1 내지 제5 과정를 포함한다. 제1 과정는 뷰잉 시스템의 입사 동공에 제1 복소 광 필드를 결정하는 것을 포함한다. 제1 복소 광 필드는, 동공확장기의 적어도 하나의 광 전파 경로를 따라 장치의 디스플레이 평면으로부터의 광의 전파에 의한 결과이다. 제1 과정는 또한 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 자르는 과정을 포함한다. 제2 과정는 뷰잉 시스템의 센서의 센서 평면에서 제2 복소 광 필드를 결정하는 과정을 포함한다. 제2 복소 광 필드는 뷰잉 시스템의 렌즈를 통해 입사 동공으로부터 제1 복소 광 필드의 광이 전파되어 발생한다. 제2 단계는 또한 이미지에 따라 진폭 성분을 수정하는 것을 포함한다. 제3 단계는 입사 동공에서 제3 복소 광 필드를 결정하는 것을 포함한다. 제3 복소 광 필드는 센서 평면에서 다시 렌즈를 통해 제2 복소 광 필드의 광이 역전파되어 발생한다. 제3 단계는 또한 입사 동공에 따라 자르기를 포함한다. 제4 단계는 디스플레이 평면에서 제4 복소 광 필드를 결정하는 것을 포함한다. 제4 복소 광 필드는 동공 확장기의 적어도 하나의 광 전파를 따라 다시 제3 복소 광 필드의 광 전파로 인해 발생한다. 제4 단계는 또한 디스플레이 장치에 따라 자르기를 포함한다. 홀로그램은 제4 데이터 세트에서 추출된다. 제1 내지 제4 단계는 반복적으로 반복수행될 수 있다. 홀로그램은 반복과정마다 수렴되고 개선될 가능성이 높지만 정체된 상태에 도달한다. 본 방법은 예를 들어, 제4 단계로부터 추출 가능한 홀로그램이 허용 가능한 품질로 간주되거나, 각 반복수행에 따른 변화율이 임계값 미만이거나, 할당된 시간이 만료된 경우 중지될 수 있다. 의심의 여지를 없애기 위해 말하자면, 추출된 홀로그램은 디스플레이 장치에 표시하기 위한 홀로그램이다.
"역전파(reverse propagation)"라는 용어는 단지 제3 과정 및 제4 과정의 광의 전파 방향이 제1 과정 및 제2 과정의 전파 방향과 상이하거나 실질적으로 반대임을 나타내는 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.
"자르기(cropping)"라는 용어는 광 개구 외부와 같은, 관심 영역 또는 영역 외부에서 광 필드 정보와 같은 정보를 선택적으로 폐기하는 프로세스를 지칭하기 위해 여기에서 이용된다. 일부 실시예에서, "자르기"는 개구 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 방법(들)을 고안했으며, 여기서 홀로그램은 뷰잉 시스템(들)에 직접 투사되고 이 방법은 실시간으로 구현될 수 있다. 상대적으로 작은 크기의 디스플레이 장치와 상대적으로 긴 투사 거리로 인해 동공 확장기가 필요할 수 있다. 본 발명자들에 의해 고안된 방법은 또한 동공 확장기를 이용함으로써 도입된 광학적 문제를 해결한다. 적어도 일부 실시예에서, 본 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, 홀로그램으로부터 형성된 홀로그래픽 재구성(즉, 이미지)이 아닌 홀로그램 자체의 광(즉, 홀로그래픽 광)이 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 뷰어의 각 눈에 전파된다.
디스플레이 장치는, 예를 들어 5 cm 미만 또는 2 cm 미만과 같이, 10 cm 미만일 수 있는 제1 치수를 갖는 활성 또는 디스플레이 영역을 갖는다. 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이의 전파 거리는, 예를 들어 1.5 m 초과 또는 2 m 초과와 같이 1 m 초과이다. 도파관 내의 광 전파 거리는 최대 1.5 m 또는 최대 1 m와 같이 최대 2 m일 수 있다. 방법은 이미지를 수신하고 15 ms 미만 또는 10 ms 미만과 같이 20 ms 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 디스플레이 장치에 표시되는 것과 같이 표현될 수 있다. 적절한 디스플레이 장치에 표시될 때 홀로그램은 뷰잉 시스템에 의해 이미지로 변환 가능한 광을 공간적으로 변조할 수 있다. 회절구조에 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 각각의 하위 영역 해당한다. 중요하게, 본 개시의 홀로그램은 조명될 때 이미지 콘텐츠를 어떻게 분배하는지에 의해 특징지어진다. 특히 홀로그램은 이미지 콘텐츠를 각도로 나눈다. 즉, 이미지 상의 각 포인트는, 조사될 때 홀로그램에 의해 형성되는 공간 변조된 광에서 고유 광선 각도 또는 각도 범위와 연관된다. 즉, 대상/원하는 이미지의 각 포인트는 이미지를 재구성하는 홀로그램에 의해 형성된 광 채널과 연관될 수 있다. 더 구체적으로, 각 이미지 포인트와 연관된 이미지 콘텐츠 또는 정보는 대응하는 채널 내에 인코딩된다. 전술된 바와 같이 일부 중첩되지 않는 이상, 각 이미지 포인트(또는 이미지의 하위 영역을 형성하는 이미지 포인트의 연속적인 범위)는 대응하는 광 채널과 고유하게 연관된다. 따라서 이미지의 각 부분은, 홀로그램에 의해 형성된 이산 광 채널의 축을 정의하는 각도(또는 각도 쌍)와 연관될 수 있다. 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 홀로그램은 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 채널 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 하나의 각각의 하위 영역만 보여야 한다. 공간적으로 변조된 광의 다른 홀로그램 채널 즉, 다른 연속 부분 또는 하위 영역이 재구성되는 경우 이미지의 다른 각각의 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(예: 실질적으로 동일함)한다는 것이다. 각 광 홀로그램 채널은 코어(또는 축을 따르는) 방향으로 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.
본 방법은 홀로그램에 의해 형성된 광 채널의 수(따라서 광 채널들 사이의 간격)가 본 명세서에서 설명된 복제 프로세스와 상승작용하도록(synergistic) 홀로그램 계산 동안 이미지를 분할하는 과정을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각 채널은 도파관 내의 반사의 바운스 수에 고유하게 대응한다. 예를 들어, 제1 채널은 0개의 "바운스"에 대응할 수 있고, 제2 채널은 하나의 "바운스"에 대응할 수 있으며, 이와 같이 이어질 수 있다.
여기에 개시된 방법에 의해 제공되는 많은 기술적 진보가 있다. 첫째, 본 방법은 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, 적어도 일부 실시예에서, 이 방법은 이미지 포인트 거리가 매우 작을 때 열악할 수 있는 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.
홀로그램 채널의 상이한 전파 경로는 상이한 각각의 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 구성될 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.
본 방법이 제1 내지 제5 과정을 포함하는 실시예에서, 제1 내지 제4 과정은 순서화된 과정일 수 있다. 개시된 방법은 이미지 평면과 홀로그램 사이에서 앞뒤로 프로젝션함으로써 동작하고, 방법은 이미지 평면 또는 홀로그램 평면에서 시작할 수 있다. 이미지 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 이미지 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 구성될 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.
자르기의 각 과정은 대응하는 동공의 크기 및 위치 중 적어도 하나에 따라 복소 광 필드를 다듬는 것을 포함할 수 있다. 입사 동공의 크기 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 뷰어의 눈일 수 있다. 방법은 뷰잉 시스템의 입사 동공의 크기 및 위치 중 적어도 하나를 결정하기 위해 뷰어를 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, 뷰어가 움직이거나 예를 들어 주변 조명 조건은 변화하는 뷰어의 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 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 디스플레이 평면으로부터의 광의 전파로 인해 발생한다. 제1 복소 광 필드는 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 자르기한 결과이다. 홀로그램 엔진은 뷰잉 시스템의 센서의 센서 평면에서 제2 복합 광 필드를 결정하도록 추가로 구성된다. 제2 복소 광 필드는 입력 동공으로부터 뷰잉 시스템의 렌즈를 통한 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 자르기 때문에 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 자르기(cropping)한 결과이다. 홀로그램 엔진은 제4 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.
본 개시의 측면들은 홀로그램 광의 채널링(channelling) 또는 라우팅(routing)을 특징으로 하는 홀로그램 또는 키노폼에 관한 것이다. 구체적으로, 뷰잉 시스템에 의해 이미지로 변환 가능한 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 회절구조가 본 명세서에 개시되며, 여기서 회절구조는 광을 복수의 홀로그램 채널로 라우팅하도록 구성되고, 각각의 홀로그램 채널은 이미지의 상이한 부분에 대응한다.
회절구조는 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. 회절구조를 표시하는 디스플레이 장치가 적절하게 조명될 때, 회절구조는 광을 공간적으로 변조하도록 구성되며, 그 결과 디스플레이 장치에 의해 방출되는 광이 복수의 홀로그램 채널로 라우팅된다. 단일(즉, 공통) 광원을 이용하여 전체 회절구조를 조명할 수 있다. 회절구조는 복수의 픽셀을 포함할 수 있고, 회절구조의 모든 픽셀은 각각의 홀로그램 채널에 광을 제공한다.
홀로그램 채널은 회절구조에 의해 공간적으로 변조된 광의 채널을 포함하기 때문에 대신 "홀로그래픽 채널"로 지칭될 수 있다.
회절구조는 홀로그램 채널이 다른 각도로 회절구조로부터 전파되도록 구성될 수 있다. 즉, 각 홀로그램 채널은 전술된 바와 같이 디스플레이 장치에 대한 고유 축 각도 또는 각도 쌍으로 특징지어진다. 각각의 그러한 각도는 각각의 채널의 이동 주요 또는 코어 방향과 회절구조가 디스플레이되는 디스플레이 장치 상의 중심점과 같은 디스플레이 장치 상의 한 지점 사이에 정의될 수 있다. 홀로그램 또는 회절구조의 각 픽셀은 모든 채널에 기여할 수 있다.
각 홀로그램 채널은 이미지의 각각의 상이한 부분에 따라 공간적으로 변조된 광을 주로 포함할 수 있다. "주로(principally)"라는 단어는 채널 간에 약간의 중첩이 발생할 수 있지만 중첩이 상대적으로 적다는 것을 나타내는 데 사용된다. 예를 들어, 제1 채널은 주로(즉, 일반적으로 또는 실질적으로) 시야(즉, 이미지)의 제1 각도 부분에 대응할 수 있고, 제2 채널은 일반적으로 또는 실질적으로 시야의 제2 각도 부분(즉, 이미지)에 대응할 수 있으나, 제1 각도 부분과 제2 각도 부분 사이에 일부 부분적 중첩이 있을 수 있다. 즉, 제1 채널 및 제2 채널 모두 시야의 중첩 영역에 대한 정보를 인코딩할 수 있다.
각 채널은 이미지의 하위 영역(즉, 시야의 각도 영역)에 해당한다. (위에서 설명한 대로) 하위 영역 사이에 부분적으로 중첩되는 부분이 있을 수 있지만, 각 채널은 대응하는 하위 영역의 중심을 형성하는 시야의 한 지점과 고유하게 연관된다. 일부 실시예에서, 하위 영역은 동일한 크기 및/또는 형상이다. 일부 실시예에서, 하위 영역은 상이한 크기 및/또는 형상을 갖는다. 일부 실시예에서, 각 하위 영역의 형상은 디스플레이 장치의 형상, 보다 구체적으로는 픽셀 어레이를 한정하는 영역의 형상에 의해 결정된다. 회절구조는 광의 위상을 공간적으로 변조하도록 구성될 수 있다.
회절구조는 도파관을 통해 광을 라우팅하도록 구성될 수 있다. 도파관은 동공 확장 또는 동공 복제를 위해 구성될 수 있다.
각각의 홀로그램 채널이 형성할 수 있는 광 패턴의 단면 형상은 실질적으로 뷰잉 시스템의 입사 개구의 형상에 대응할 수 있다. 단면을 입사 개구의 평면에서 보았을 때, 각각의 채널의 단면 형상은 또한 실질적으로 입사 개구의 크기에 대응할 수 있다. 단면을 입사 개구의 평면에서 보았을 때, 단면은 입사 개구의 크기와 유사하지만 더 큰 크기를 가질 수 있다.
홀로그램 채널들은 공간적으로 분리되거나 적어도 부분적이라도 공간적으로 분리될 수 있다. 채널들은, 뷰어 또는 뷰잉 시스템을 향해 회절구조로부터 멀리 전파되면서 공간적으로 서로로부터 분리하기 위해 펼쳐지거나(fan out) 발산될 수 있다.
회절구조, 회절구조로부터 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 구성된 도파관 및 도파관을 통해 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 구성된 뷰잉 시스템을 포함하는 시스템이 본 개시에 추가로 개시되어 있다.
이 시스템은 각각의 홀로그램 채널의 광이 회절구조로부터 뷰잉 시스템까지 상이한 광학 경로를 따르도록 구성될 수 있다.
상이한 광학 경로들은 도파관 내에서 반사의 상이한 수를 포함할 수 있다. 상이한 광학 경로들은 상이한 길이를 가질 수 있다. 상이한 광학 경로들은 상이한 각각의 각도로 뷰잉 시스템의 입사 개구를 통과할 수 있다.
도파관은 모든 홀로그램 채널이 뷰잉 평면 상의 임의의 뷰잉 위치에서 뷰잉 시스템의 입사 개구를 통해 라우팅되도록 구성될 수 있다. 도파관은 각각의 허용된 뷰잉 위치에 대해 하나의 광학 경로를 통해 각각의 홀로그램 채널을 뷰잉 시스템으로만 라우팅할 수 있다.
복수의 홀로그램 채널들 중 적어도 2개의 홀로그램 채널들은 뷰잉 시스템의 입사 개구에서 부분적으로 중첩될 수 있다.
회절구조는 키노폼 또는 홀로그램일 수 있다. 이는 컴퓨터 생성 홀로그램을 포함할 수 있다. 홀로그램 엔진 또는 다른 제어기 또는 프로세서는 회절구조를 표시하도록 디스플레이 장치를 제어하기 위한 신호를 출력하기 위해 제공될 수 있다.
용어 "홀로그램(hologram)"은 물체에 대한 진폭 정보 혹은 위상 정보 또는 이들의 일부 조합을 포함하는 레코딩(recoding)을 지칭하는데 사용된다. 용어 "홀로그램 재구성(holographic reconstruction)"은 홀로그램을 조사하여 형성된 물체의 광학적 재구성을 지칭하는데 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템은, 홀로그램 재구성이 실제 이미지일 수 있고 홀로그램으로부터 공간적으로 분리될 수 있기 때문에, "홀로그램 프로젝터(holographic projector)"로서 설명된다. 용어 "재생 필드(replay field)"는 홀로그램 재구성이 형성되고 완전히 포커스되는 2D 영역(2D area)을 지칭하는데 사용된다. 홀로그램이 픽셀들을 포함하는 공간 광 변조기 상에 디스플레이되면, 재생 필드는 복수의 회절 차수(diffracted order)의 형태로 반복될 것이며, 여기서 각각의 회절된 차수는 0차 재생 필드(zeroth-order replay field)의 복제물이다. 0차 재생 필드는 가장 밝은 재생 필드이기 때문에 선호 혹은 일차적인 재생 필드에 일반적으로 해당한다. 달리 명시되지 않는 한, "재생 필드"라는 용어는 0차 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 홀로그램 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 "디스플레이(display)"하도록 구성된다고 말할 수 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "디스플레이"한다고 말할 수 있고 홀로그램은 광 변조값들 혹은 레벨들의 어레이로 간주될 수 있다.
수용 가능한 품질의 홀로그램 재구성은 원래의 물체(즉, 재구성을 위한 대상 이미지)와 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 레코딩은 위상-한정 홀로그램(phase-only hologram)으로 지칭될 수 있다. 실시예들은 위상-한정 홀로그램에 관한 것이지만, 본 개시는 진폭-한정 홀로그래피(amplitude-only holography)에도 동일하게 적용될 수 있다. 본 개시는 홀로그램 계산의 임의의 특정한 방법에 제한되지 않는다. 일부 실시예들은 단지 예로서 포인트 클라우드 홀로그램, 즉 포인트 클라우드 방식을 사용하여 구축된 홀로그램에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 푸리에(Fourier) 또는 프레넬(Fresnel) 유형의 홀로그램 및 가간섭성 광선 추적(Coherent Ray Tracing)과 같은 다른 기술에 따라 계산된 홀로그램에도 동일하게 적용 가능하다.
본 개시는 또한 원본 물체(즉, 대상 이미지)와 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그램 재구성을 형성하는 데에도 동일하게 적용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이것은 원래의 물체와 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 실시예들에서, 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 위상지연(phase retardation)의 양을 나타내는 (예컨대, 0 내지 2π 범위의) 숫자이다. 예를 들어, 위상 값이 π/2인 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, 위상지연 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 변조값들의 어레이를 - 포함한다. 또한 홀로그램은, 공간 광 변조기에 디스플레이될 때 그리고 공간 광 변조기의 픽셀 피치(pixel pitch)에 필적하는, - 일반적으로 그보다는 작은 - 파장을 갖는 광으로 조사될 때, 회절을 유발하는 패턴이기 때문에, 회절패턴으로 간주된다. 홀로그램을 렌즈 또는 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절패턴들과 같은 다른 회절패턴들과 결합하는 것이 본 명세서에 참조된다. 예를 들어, 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절패턴이 재생 평면 상에 재생 필드를 변환하도록 홀로그램과 결합되거나, 렌즈로 기능하는 회절패턴이 근거리 필드(near field)의 재생 평면 상에 홀로그램 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.
다음의 항목들도 개시된다.
1. 공간 변조된 광(spatially modulated light)과 함께 입사 동공(entrance pupil)을 갖는 뷰잉 시스템(viewing system)을 제공하도록 배치된 광 엔진으로서, 디스플레이 시스템은:
홀로그램을 표시하고 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 디스플레이 장치; 및
입사 동공(entrance pupil)의 위치에 기초하여 디스플레이 장치의 기여 및 비기여 영역들을 식별하는 기여 정보를 수신하도록 구성되는 홀로그램 엔진을 포함하되, 디스플레이 장치의 기여 영역들은 위치에서 입사 동공을 통과하는 공간 변조된 광을 실질적으로 전파하고, 디스플레이 장치의 비기여 영역들은 위치에서 입사 동공에 의하여 정지된 공간 변조된 광을 실질적으로 전파하며,
기여 정보는, (i) 1차 이미지에 기여하는 뷰잉 시스템에 광을 전파하는 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역 및 (ii) 2차 이미지에 기여하는 뷰잉 시스템에 광을 전파하는 디스플레이 장치의 적어도 하나의 2차 기여 영역을 추가로 식별하되,
홀로그램 엔진은 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역을 기반으로 홀로그램을 결정하고, 표시(display)를 위하여 홀로그램을 디스플레이 장치로 출력하도록 추가로 구성되는 광 엔진.
2. 제1 항목에 있어서, 광 엔진은 뷰잉 시스템의 입사 동공의 위치를 결정하도록 구성된 모니터링 시스템을 더 포함하는 광 엔진.
3. 제1 항목 또는 제2 항목에 있어서, 광 엔진은 디스플레이 장치로부터 공간 변조된 광을 수신하고, 디스플레이 장치로부터 입사 동공까지 공간 변조된 광에 대한 복수의 상이한 광 전파 경로들(light propagation paths)을 제공하도록 구성된 도파관(waveguide)을 더 포함하되, 각 기여 영역은 도파관에 의하여 제공되는 상이한 각각의 광 전파 경로에 대응하는 광 엔진.
4. 제1 항목 내지 제3 항목에 있어서, 뷰잉 시스템은 홀로그램에 대응하는 이미지를 형성하도록 구성된 광 엔진.
5. 제4 항목에 있어서, 1차 이미지는 이미지의 제1 버전을 포함하고, 2차 이미지는 이미지의 제2 버전을 포함하는 광 엔진.
6. 제1 항목에 있어서, 기여 정보는 이미지의 복수의 이미지 포인트들 각각에 대하여 디스플레이 장치의 각각의 기여 및 비기여 영역들을 식별하는 광 엔진.
7. 제6 항목에 있어서, 홀로그램은 복수의 서브 홀로그램들(sub-holograms)을 포함하되, 각각의 서브 홀로그램은 이미지의 각각의 이미지 포인트의 기여 정보에 기초하여 홀로그램 엔진에 의해 결정되는 광 엔진.
8. 디스플레이 장치에 표시할 홀로그램을 결정하는 방법으로서,
(i) 홀로그램을 보도록 구성된 뷰잉 시스템의 입사 동공의 위치를 결정하는 과정;
(ii) 디스플레이 장치의 기여 및 비기여 영역들을 식별하는 과정, 디스플레이 장치의 기여 영역들은 결정된 위치에서 뷰잉 시스템의 입사 동공을 통과하는 광을 실질적으로 전파하고, 디스플레이 장치의 비기여 영역들은 결정된 위치에서 뷰잉 시스템의 입사 동공에 의하여 정지된 광을 실질적으로 전파함; 및
(iii) 1차 이미지에 기여하는 광을 제공하는 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역 및 2차 이미지에 기여하는 광을 제공하는 디스플레이 장치의 적어도 하나의 2차 기여 영역을 식별하는 과정; 및
(iv) 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역에 기초하여 홀로그램을 결정하는 과정을 포함하는 홀로그램 결정방법.
9. 제8 항목에 있어서, 과정 (ii) 내지 과정 (iv)는, 이미지의 복수의 이미지 포인트들의 각각의 이미지 포인트에 대하여 수행되고, 각각의 이미지 포인트에 대한 각 기여 영역의 위치를 결정하는 것은, 이미지 포인트로부터 입사 동공으로 이동하는 광선이 디스플레이 장치와 교차하는 위치를 식별하는 과정을 포함하는 홀로그램 결정방법.
10. 제8 항목 또는 제9 항목에 있어서, 뷰잉 시스템은, 디스플레이 장치로부터 공간 변조된 광을 수신하고 디스플레이 장치로부터 입사 동공까지 공간 변조된 광에 대한 복수의 상이한 광 전파 경로들을 제공하도록 구성된 도파관을 포함하되, 과정 (iii)은 각각의 이미지 포인트에 대하여 1차 이미지에 대응하는 도파관 동공 확장기 내의 내부반사들의 수, B를 결정하는 과정을 포함하는 홀로그램 결정방법.
11. 제10 항목에 있어서, 내부 반사들의 수(B)를 결정하는 과정은 대응하는 이미지 포인트와 연관된 각도에 기초하되, 각도는 디스플레이 장치의 중심과 결정된 입사 동공의 위치를 연결하는 선을 영상에 외삽하여 형성된 선의 광축에 대한 각도인 방법.
12. 제11 항목에 있어서, 각각의 기여 영역은 입사 동공의 직경에 기초한 크기를 갖는 방법.
13. 제8 항목에 있어서, 과정 (ii) 및 과정 (iii)은 각각의 이미지 포인트에 대하여, 뷰잉 평면(viewing plane) 상의 위치
를 식별하기 위하여, 도파관 내의 B 광 반사들에 대해 이미지 포인트
로부터 뷰잉 시스템의 뷰잉 평면으로 광선을 추적(ray tracing)하는 과정;
이미지 포인트
로부터 뷰잉 평면 상의 위치까지 B 반사들과 함께 광 전파를 수행하기 위하여 디스플레이 장치에서 주 광선의 좌표
를 결정하는 과정; 및
14. 제8 항목 내지 제13 항목 중 어느 하나에 있어서, 과정 (iv)는 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역에서만 홀로그램에 대한 하나 이상의 값들을 결정하는 과정을 포함하는 방법.
15. 제8 항목 내지 제13 항목 중 어느 하나에 있어서, 1차 기여 영역 내에 포함되지 않은 디스플레이 장치의 영역에서 홀로그램에 대한 값들을 제외하는 과정을 더 포함하는 방법.
16. 제8 항목 내지 제13 항목 중 어느 하나에 있어서, 과정 (iv)는 홀로그램의 결정 동안 적어도 하나의 2차 기여 영역과 관련된 홀로그램 값들을 제외하는 과정을 포함하는 홀로그램 결정방법.
17. 제8 항목 내지 제13 항목 중 어느 하나에 있어서, 과정 (iv)는 홀로그램결정을 디스플레이 장치의 적어도 하나의 1차 기여 영역으로만 제한하는 과정을 포함하는 홀로그램 결정방법.
18. 제8 항목 내지 제17 항목 중 어느 하나에 있어서, 과정 (iv)는 각각의 이미지 포인트에 대한 각각의 적어도 하나의 1차 기여 영역 내에서 서브 홀로그램을 결정하고, 상기 홀로그램을 형성하기 위하여 상기 서브-홀로그램들(sub-holograms)을 결합하는 과정을 포함하는 홀로그램 결정방법.
19. 제18 항목에 있어서, 각각의 서브-홀로그램은 
으로부터 대응하는 1차 기여 영역에게 광파를 전파하여 결정되는 진폭 및/또는 위상 홀로그램 구성요소를 포함하는 홀로그램 결정방법.
20. 제8 항목에 있어서, 각각의 이미지 포인트에 대하여, 
바운스들과 관련된 디스플레이 장치의 추가 기여 영역을 식별하는 과정을 더 포함하는 홀로그램 결정방법.
21. 제20 항목에 있어서, 추가 기여 영역을 식별하는 과정은, 
바운스들에 대해
로부터 가상 이미지 평면인 
으로 되돌아가는 광선을 추적하는 과정;
22. 제21 항목에 있어서, 각각의 추가 활성 픽셀에 대한 추가 서브-홀로그램을 결정하고 추가 서브-홀로그램과 서브-홀로그램을 결합하는 과정을 더 포함하는 홀로그램 결정방법.
23. 제22 항목에 있어서, 각각의 추가 서브-홀로그램들은 
로부터 추가 기여 영역으로 광파를 전파하여 결정되는 진폭 및/또는 위상 홀로그램 구성요소를 포함하는 홀로그램 결정방법.
24. 위의 항목들 중 어느 하나에 있어서, 홀로그램은 1차 이미지 및 적어도 하나의 2차 이미지는 각각 무한하지 않은(non-infinite) 가상 이미지 거리를 갖도록 구성된 홀로그램 결정방법 또는 광 엔진.
25. 위의 항목들 중 어느 하나에 있어서, 디스플레이 장치의 디스플레이 영역은 2 cms 미만 또는 1 cms 미만과 같이 5 cms 미만인 제1 치수를 갖는 홀로그램 결정방법 또는 광 엔진.
26. 위의 항목들 중 어느 하나에 있어서, 디스플레이 장치로부터 뷰잉 시스템의 입사 개구까지의 거리는 75 cms 초과 또는 100 cms 초과와 같이 20 cms 또는 50 cms 이상인 홀로그램 결정방법 또는 광 엔진.
27. 위의 항목들 중 어느 하나에 있어서, 도파관은 디스플레이 장치로부터 공간 변조된 광을 수신하도록 배치되고, 1차 이미지는 도파관에 의해 형성된 복수의 이미지들 중에 선택된 이미지이며 가장 밝은(luminance) 홀로그램 결정방법 또는 광 엔진.
특정 실시예는 다음 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그램 재구성을 생성하는 반사 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 게르흐버그-색스톤(Gerchberg-Saxton) 유형 알고리즘의 첫번째 반복처리를 도시한다.
도 2b는 예시적인 게르흐버그-색스톤 유형 알고리즘의 두번째 및 후속 반복처리들을 도시한다.
도 2c는 예시적인 게르흐버그-색스톤 유형 알고리즘의 대안적인 두번째 및 후속 반복처리를 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 작은 뷰잉 창(small viewing window)를 통해 개구를 향해 효과적으로 전파하는 이미지의 각도 콘텐츠를 도시한다.
도 5a는 전파 거리가 비교적 짧은 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 5b는 전파 거리가 비교적 긴 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6a는 무한대의 가상 이미지를 형성하기 위해 도파관을 포함하는 비교적 큰 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 광 경로의 확대도를 도시한다.
도 7은 유한한 가상 이미지 및 도파관 동공확장기로 어떻게 고스트 이미지를 형성할 수 있는지 도시한다.
도 8은 1차 이미지(primary image) 및 두 개의 고스트 이미지를 포함하는 가상 이미지를 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 1차 이미지 포인트 및 두 개의 대응하는 고스트 이미지 포인트를 형성하기 위해 전체 LCOS가 사용되는 예를 도시한다.
도 10a 내지 10c는 각각 제2 고스트 포인트, 메인 이미지 포인트 및 제1 고스트 포인트를 발생시키는 도파관을 통한 제1, 제2 및 제3 전파 경로를 도시한다.
도 11a 내지 11c는 세 개의 상이한 필드/이미지 포인트와 관련된 세 개의 전파 경로 및 LCOS 활용을 도시한다.
도 12a는 가상 이미지 포인트 및 뷰잉 시스템 및 도파관에 의해 형성된 가상 이미지 포인트의 이미지를 포함하는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 12b는 도 12a의 예시와 관련하여 LCOS의 1차 기여 영역을 도시한다.
도 13은 실시예들에 따른 개선된 데이터 구조를 도출하기 위한 개선된 방법의 흐름도를 도시한다.
도 14는 실시예들에 따른 개선된 데이터 구조를 유도하기 위한 추가 개선된 방법의 흐름도를 도시한다.
도 15는 실시예들에 따른 광학 시스템을 도시한다.
도 16는 실시예들에 따른 방법의 과정들을 도시하는 흐름도이다.
도 17a는 복수의 이미지 영역(하부)을 포함하는 이미지 및 복수의 홀로그램 구성요소를 포함하는 대응하는 홀로그램(상부)을 도시한다.
도 17b는 홀로그램으로 인코딩된 광을 복수의 개별 홀로그램 채널로 라우팅하거나 채널링하는 것을 특징으로 하는, 본 개시에 따른 홀로그램을 도시한다.
도 17c는 각각의 홀로그램 채널의 광 콘텐츠를 눈에 대한 상이한 광 경로를 통해 라우팅하도록 구성된 최적화된 시스템을 도시한다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조번호가 사용된다.
도 1은 스크린 상에 홀로그램 재구성을 생성하는 반사 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 게르흐버그-색스톤(Gerchberg-Saxton) 유형 알고리즘의 첫번째 반복처리를 도시한다.
도 2b는 예시적인 게르흐버그-색스톤 유형 알고리즘의 두번째 및 후속 반복처리들을 도시한다.
도 2c는 예시적인 게르흐버그-색스톤 유형 알고리즘의 대안적인 두번째 및 후속 반복처리를 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 작은 뷰잉 창(small viewing window)를 통해 개구를 향해 효과적으로 전파하는 이미지의 각도 콘텐츠를 도시한다.
도 5a는 전파 거리가 비교적 짧은 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 5b는 전파 거리가 비교적 긴 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6a는 무한대의 가상 이미지를 형성하기 위해 도파관을 포함하는 비교적 큰 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 광 경로의 확대도를 도시한다.
도 7은 유한한 가상 이미지 및 도파관 동공확장기로 어떻게 고스트 이미지를 형성할 수 있는지 도시한다.
도 8은 1차 이미지(primary image) 및 두 개의 고스트 이미지를 포함하는 가상 이미지를 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 1차 이미지 포인트 및 두 개의 대응하는 고스트 이미지 포인트를 형성하기 위해 전체 LCOS가 사용되는 예를 도시한다.
도 10a 내지 10c는 각각 제2 고스트 포인트, 메인 이미지 포인트 및 제1 고스트 포인트를 발생시키는 도파관을 통한 제1, 제2 및 제3 전파 경로를 도시한다.
도 11a 내지 11c는 세 개의 상이한 필드/이미지 포인트와 관련된 세 개의 전파 경로 및 LCOS 활용을 도시한다.
도 12a는 가상 이미지 포인트 및 뷰잉 시스템 및 도파관에 의해 형성된 가상 이미지 포인트의 이미지를 포함하는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 12b는 도 12a의 예시와 관련하여 LCOS의 1차 기여 영역을 도시한다.
도 13은 실시예들에 따른 개선된 데이터 구조를 도출하기 위한 개선된 방법의 흐름도를 도시한다.
도 14는 실시예들에 따른 개선된 데이터 구조를 유도하기 위한 추가 개선된 방법의 흐름도를 도시한다.
도 15는 실시예들에 따른 광학 시스템을 도시한다.
도 16는 실시예들에 따른 방법의 과정들을 도시하는 흐름도이다.
도 17a는 복수의 이미지 영역(하부)을 포함하는 이미지 및 복수의 홀로그램 구성요소를 포함하는 대응하는 홀로그램(상부)을 도시한다.
도 17b는 홀로그램으로 인코딩된 광을 복수의 개별 홀로그램 채널로 라우팅하거나 채널링하는 것을 특징으로 하는, 본 개시에 따른 홀로그램을 도시한다.
도 17c는 각각의 홀로그램 채널의 광 콘텐츠를 눈에 대한 상이한 광 경로를 통해 라우팅하도록 구성된 최적화된 시스템을 도시한다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조번호가 사용된다.
본 발명은 다음에 설명되는 실시예들에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 연장한다. 즉, 본 발명은 다른 형태들로 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(after)", "후속(subsequent)", "다음(next)", "전(before)" 등으로 기술될 때, 본 개시는 별도로 원칙하지 않는 한 연속적 및 비연속적인 사건을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, "막(just)", "바로(immediate)" 또는 "직접(direct)"이라는 기재가 사용되지 않는 한, 그 기재는 비연속적 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소는 이러한 용어에 의해 제한되지 않는다. 이러한 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데만 사용된다. 예를 들어, 첨부된 특허청구범위의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
상이한 실시예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양한 형태로 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 물체의 푸리에 변환이다. 이것은 단지 예이고, 홀로그램을 컴퓨터로 생성하기 위한 다른 방법이 본 개시에 고려된다는 것이 이해될 것이다. 따라서 홀로그램은 물체의 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 홀로그램 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, 투과층의 평면에 대해 완전 수직으로부터 2도 또는 3도 정도 떨어진) 비수직(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 변조 층과 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 홀로그램 재구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환(frequency-space transformation)을 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 홀로그램 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 사용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해할 수 있다.
게르흐버그
-
색스톤
방법
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 게르흐버그-색스톤(Gerchberg-Saxton) 알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하여 계산될 수 있다. 더욱이, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 공간 도메인 (예컨대, 사진)의 진폭-한정 정보로부터 푸리에 도메인의 홀로그램(즉, 푸리에 변환 홀로그램)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 물체와 관련된 위상 정보는 공간 도메인에서 진폭-한정 정보로부터 효과적으로 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 게르흐버그-색스톤 알고리즘 또는 그 변형 알고리즘을 이용해 진폭-한정 정보로부터 계산된다.
게르흐버그-색스톤 알고리즘은 평면 A와 B에서 각각의 광선(light beam)의 단면적 광도 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 광도에 대해 평면 A 및 B에서의 각각의 위상 분포에 대한 근사치인 ΨA(x, y) 및 ΨB(x, y)가 구해진다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 반복 프로세스를 따름으로써 이 문제에 대한 솔루션을 찾는다. 더 구체적으로, 게르흐버그-색스톤 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 1회 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 게르흐버그-색스톤 알고리즘에 기초한 알고리즘을 이용하여 계산되며, 이 특허들은 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다. 그러나, 본 명세서에 개시된 실시예는 단지 예시로서 위상 전용 홀로그램을 계산하는 것을 설명한다. 이들 실시예에서, 게르흐버그-색스톤 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 결합하므로, 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, 게르흐버그-색스톤 알고리즘에 기초한 알고리즘은 완전 복소(fully-complex) 홀로그램을 계산하기 위해 이용된다. 완전 복소 홀로그램은 크기 성분과 위상 성분을 갖는 홀로그램이다. 홀로그램은 복소 데이터 값들의 어레이를 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 두 개의 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 광도 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 "디스플레이(display)"하는데 이용되는 공간 광 변조기의 픽셀 상에 표현될 수 있는 위상 레벨에 따라 양자화(quantized)된다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 각 픽셀이 256개의 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 과정은 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 과정은 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 평가(assess)한다. 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 임계값보다 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 과정은 필수적인 것은 아니며, 다른 실시예에서 수행되는 알고리즘의 반복 횟수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자 정의된다.
도 2b는 알고리즘의 두번째 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. 첫번째 반복에서, 데이터 형성 과정(202A)은 입력 이미지(210)의 진폭 값의 분포를 랜덤 위상 분포(230)와 결합하여 제1 복소 데이터 세트를 형성한다. 그러나, 두번째 및 후속 반복에서, 데이터 형성 과정(202B)은 (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 이해 할 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 이점보다 커지는 시점이 도달한다. 따라서 알고리즘은 반복적이고 수렴적으로 기술된다.
도 2c는 두번째 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.
여기서:
F'는 역 푸리에 변환이고;
F는 순방향 푸리에 변환이고;
R[x, y]는 제3 처리 블록(256)에 의해 출력된 복소 데이터
세트이고;
T[x, y]는 입력 또는 대상 이미지고;
∠는 위상 성분이고;
ø는 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 물체를 나타내는 홀로그램 데이터뿐만 아니라 렌즈를 나타내는 렌즈 데이터를 포함한다. 공간 광 변조기에 디스플레이되면서 광이 조사될 때, 렌즈 데이터(lens data)는 물리적인 렌즈를 모방(emulate)하는데, 즉, 렌즈 데이터는 이에 상응하는 물리적인 광학장치와 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 방법이 알려져 있다. 렌즈를 나타내는 데이터는 소프트웨어 렌즈로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 위상 전용 홀로그래픽 렌즈는 그 굴절률 및 공간적으로 변하는 광학적 경로 길이로 인해 렌즈의 각각의 포인트에 의해 야기되는 위상지연을 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, 홀로그램 재구성이 원거리-필드(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(blazed) 그레이팅의 표면 상의 각 포인트에 의해 야기된 위상지연을 모델링함으로써 형성될 수 있다. 진폭-한정 그레이팅은 진폭 전용 홀로그램에 간단히 중첩(superimposed)되어 홀로그램 재구성의 각도 스티어링(angular steering)을 제공할 수 있다. 렌즈 및/또는 조향을 제공하는 제2 데이터는 이미지 형성 기능 또는 이미지 형성 패턴으로 지칭될 수 있는 홀로그램 데이터와 구별하기 위해 광 처리 기능 또는 광 처리 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.
실시예들은 단지 예시로서 푸리에 홀로그래피 및 게르흐버그-색스톤 유형의 알고리즘들에 관한 것이다. 본 개시는 유사한 방법으로 계산될 수 있는 프레넬 홀로그래피 및 프레넬 홀로그램에 동일하게 적용가능하다. 본 개시는 포인트 클라우드 방법에 기초한 것과 같은 다른 기술에 의해 계산된 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다. 알 수 있는 바와 같이, 본 명세서의 후속 도면은 홀로그램 계산을 위한 포인트 클라우드 방법을 포함하는 것으로 설명된다. 그러나, 도 2a 내지 도 2c와 관련하여 위에서 설명된 푸리에 방법을 포함하는 홀로그램 계산의 다른 방법이 사용될 수 있다.
광 변조
공간 광 변조기는 컴퓨터-생성 홀로그램을 포함하는 회절패턴(diffractive pattern)을 디스플레이하는데 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 실시예에서, 공간 광 변조기의 광 변조 소자(즉, 픽셀)는 액정을 포함하는 셀이다. 즉, 일부 실시예에서, 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 실시예들에서, 공간 광 변조기는 실리콘 공간 광 변조기 상의 반사형 액정(LCOS)이지만, 본 개시는 이 유형의 공간 광 변조기에 한정되는 것은 아니다.
LCOS 장치는 작은 개구(aperture, 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 조광(illuminate)하는 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 감소 시키므로 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, 예컨대, 유리로 된 평면 투명층(306)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 SLM은 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 프로젝션을 위한 주요 이점). 그러나, 본 발명의 개시 내용은 투과형 LCOS SLM을 사용하여 동일하게 구현될 수 있다.
작은 디스플레이 장치
및 긴
뷰잉
거리(viewing distance)를 이용한 이미지 투사
본 개시는 디스플레이 장치와 뷰어 사이의 간격이 디스플레이 장치의 크기보다 훨씬 더 큰 이미지 프로젝션에 관한 것이다. 뷰잉 거리(즉, 뷰어와 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. 뷰어가 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 조사되고 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 입구 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 크기의 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. 개구(402)는 디스플레이 장치의 개구를 나타낸다. 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 구성에서, 이미지(401), 디스플레이 장치(402) 및 뷰잉 시스템(405)은 광축(Ax)에 구성된다.
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.
도 4는 개구(402)의 매우 작은 크기로 인해 뷰잉 평면 상의 각 위치에서 이미지의 일부만 보인다는 것을 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 뷰어가 위 또는 아래로 움직이면 다른 광선 다발이 눈에 수신될 수 있고 예를 들어 이미지의 중앙 부분이 차단될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 뷰어는 전체 이미지의 일부만 볼 수 있다. 나머지 이미지 정보는 차단된다. 즉, 디스플레이 장치 자체의 작은 개구를 통해 이미지를 효과적으로 보고 있기 때문에 뷰어의 시야는 크게 제한된다.
요약하면, 디스플레이 장치에서 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 조사되는 홀로그램을 이용하는 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 본 발명자들은 종래의 홀로그램 기술은 작은 디스플레이 장치를 이용하여, 특히 비교적 큰 뷰잉 거리 또는 비교적 작은 뷰잉 개구에서 선명하고 정확하게 이미지를 형성하는데 적합하지 않다는 것을 발견하였다. 그들은 가상 이미지와 같은 이미지가 뷰어로부터 무한하지 않은 거리에서 표현되어야 하는 경우 특히 그러하다는 것을 더 인식했다. 더욱이, 본 발명자들은 종래의 홀로그램 기술이 전형적으로 디스플레이 장치와 뷰어 사이의 이미지의 홀로그래픽 재구성의 형성에 의존하고, 홀로그래픽 재구성이 자유 공간 또는 수광 부재(light receiving member)에서 형성될 수 있다는 것을 인식하였다. 그러나, 중간 홀로그래픽 재구성의 형성에 대한 의존은 일반적으로 특히 소형화가 요구되고 부동산 가치가 높은 데 위치하는 애플리케이션에서 비실용적이거나 바람직하지 않을 수 있는 디퓨저, 렌즈 또는 미러(mirrors)와 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 장치는 도 4의 뷰잉 개구 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 조사하도록 구성된 광원(도 5a에 도시되지 않음)이 물론 존재한다.
도 5a에서, 디스플레이 장치와 뷰잉 평면 사이의 거리는 디스플레이 장치로부터의 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. 따라서 인식된 이미지의 시야는 최대이다. 최적의 위치에서 시야는 디스플레이 장치의 회절 각도와 동일하다. 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 조사하도록 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 조사하도록 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 투사 거리에서도 눈에 의해 수신될 수 있게 한다. 이것은 도파관(608)이 동공확장기로서 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 투사 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 뷰어를 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 광경로를 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.
본 발명자들은, 적어도 일부의 애플리케이션에서는 가상 이미지 거리(즉, 뷰어에서 가상 이미지까지의 거리)가 무한대로 형성되는 것과는 대조적으로 유한한 것이 바람직하다는 것을 인식하였다. 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 뷰어가 보는 실제 콘텐츠에 겹쳐지는 경우이다. 예를 들어, 원하는 가상 이미지 거리는 뷰어의 차량 또는 방풍창 전방에 예를 들어 3 미터 또는 5 미터인 몇 미터에서 형성되는 가상 이미지 콘텐츠를 포함할 수 있다.
도 7의 상부는 디스플레이 장치(702) 상에 표시된 홀로그램으로 인코딩된(즉, 그에 따라 변조된) 광(703)을 입구 개구(704) 및 뷰잉 평면(706)을 포함하는 눈을 향하여 전파하는 디스플레이 장치를 포함하는 시스템을 도시한다. 디스플레이 장치(702)를 조사하도록 구성된 광원(미도시)이 있다. 이 시스템은 디스플레이 장치(702)와 입사 개구(704) 사이에 위치된 도파관(708)을 더 포함하여, 위의 도 6a와 관련하여 상세히 설명된 바와 같이 동공확장기로서 작용한다. 도 7의 중간 부분은 입사 개구(704) 및 뷰잉 평면(706)의 확대도를 나타내고, 도 7의 가장 하단은 뷰잉 평면(706)의 추가 확대도를 나타낸다. 이 도면은 개략도이므로, 눈의 생리학적 세부 사항은 표시되지 않는다. 이 구성에서, 눈은 가상 이미지(701)가 디스플레이 장치(702)의 상류에서 유한한 거리에 위치하는 것으로 인지한다. 가상 이미지 거리가 유한하기 때문에 광선은 발산한다.
도 6a에 따라, 위의 도 7의 도파관(708)의 존재는 디스플레이 장치(702)의 전체 회절각이 비교적 큰 투사 거리에서 액세스되는 것을 효과적으로 가능하게 하여 전체 이미지 콘텐츠가 도시된 뷰잉 위치에서 사용자에게 가시적이다.
그러나, 추가적인 기술적 문제가 발생한다. 발산광 및 결과적인 상이한 광선 각도로 인해, 디스플레이 장치(702)의 상이한 부분들로부터의 상이한 광 경로는, 특정 광선 다발에 대해, 가상 이미지가 유한한 가상 이미지 거리에서 형성될 때 망막(706) 상에 다중 이미지 포인트를 각각 형성하는 광선 다발로 이어질 수 있다. 이것은, 도 7a에서 R3' 및 R5'로 표시된 광선 다발과 관련하여 표시된다. 가상 이미지 내의 특정 지점에 대한 메인 이미지 포인트에 보조적으로 형성되는 추가 이미지 포인트를 '고스트 이미지 포인트(ghost image points)'라고 할 수 있으며, 집합적으로 '고스트 이미지' 또는 간단히 '고스트'를 형성한다. 이미지 형성 분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 고스트의 형성은 뷰어의 관점에서 블러링(blurring) 및 가상 이미지의 인지된 품질의 전반적인 감소를 유발할 수 있다. "고스트"가 "메인" 이미지와 부분적으로 겹치는 경우 특히 그렇다.
도 8은 도 7a에 도시된 것과 유사한 뷰잉 시스템을 사용하여 생성된 숫자 '5'와 '9'의 가상 이미지의 예를 보여주며, 메인 이미지 외에 고스트 이미지를 포함한다. 메인 이미지는 왼쪽과 오른쪽에 고스트가 있는 각 숫자의 가장 밝은 중앙 이미지로 볼 수 있다. 도 8의 예에서 '9'는 '5'보다 뷰잉 거리가 멀 때 형성되므로 이에 대해 블러링(blurring)이 더 두드러진다.
홀로그램 계산 - 예시 1
본 발명자들은 고스트 이미지의 문제를 해결했다. 본 발명자들은 디스플레이 장치에 의해 출력되는 모든 각도 이미지 콘텐츠를 포함하고 고스트 이미지의 형성을 줄이거나 제거하는 유한한 가상 이미지 거리에서 가상 이미지가 형성될 수 있는 뷰잉 시스템을 제공하는 것이 바람직하다는 것을 인식하였다. 더욱이, 본 발명자들은 종래의 뷰잉 시스템에서 뷰잉 개구의 크기가 증가함에 따라, 개구가 표시 평면 상에 추가적인 이미지 포인트를 형성할 수 있는 추가 광선을 허용할 수 있기 때문에, 고스트 이미지 포인트를 형성할 위험이 증가한다는 것을 발견하였다. 따라서, 고스트 이미지의 형성을 여전히 감소시키거나 제거하면서 상이한 크기의 개구를 수용할 수 있는 개선된 뷰잉 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 이하에서 상세히 설명되듯, 본 발명자들에 의해 제공되는 솔루션은 다양한 크기-및 구성-의 개구, 도파관 및 디스플레이 장치에 적용 가능하며, 하나 이상의 고스트 이미지가 통상적으로 형성될 수 있는 상이한 전파 거리에 적용될 수 있다. 또한, 상대적으로 작은 디스플레이 장치에도 적용될 수 있다.
개괄적으로, 본 발명자들은 홀로그램이 디스플레이 장치에 표시되고 조사될 때 고스트 이미지 포인트의 형성을 피하거나 감소시키는 동시에 전체 이미지가 정확하게 표시될 수 있는 홀로그램을 생성하기 위한 광 엔진을 제공할 수 있다는 것을 인식하였다. 뷰잉 시스템의 투사 거리가 상대적으로 크고 디스플레이 장치 및/또는 뷰잉 개구가 상대적으로 작은 경우에도 개선된 이미지의 형성을 위하여, 본 발명자들은 이러한 홀로그램을 제공하기 위한 홀로그램 엔진을 제공하고, 개선된 홀로그램의 표시 및 조사를 위한 개선된 뷰잉 시스템을 제공하는 것이 가능하다는 것을 추가로 인식하였다.
일 실시예에 따르면, 본
일 실시예에 따르면, 본 발명자들은 포인트 클라우드 홀로그램 계산 방법과 같은 레이 트레이싱(ray tracing) 기법과 같은 모델링 기법을 이용하여 홀로그램을 결정할 수 있음을 확인하였다. 본 발명자들에 의해 고안된 바와 같은 모델링은 사실상 종래의 구성에서 하나 이상의 고스트 이미지에 기여하는 디스플레이 장치의 하나 이상의 영역을 식별하며, 여기서 홀로그램은 이 디스플레이 장치의 하나 이상의 영역으로부터의 기여를 제어하고, 따라서 홀로그램이 디스플레이 장치에 표시되고 조사될 때 고스트 이미지 포인트의 형성을 피하거나 감소시키기 위해 도출된다.
홀로그램을 결정하기 위한 다른 접근법은 후속 도면과 관련하여 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 본 명세서에서 또한 개시된다.
본 발명자들은, 본 명세서의 도 6a 및 도 7a에 도시된 것과 같이, 비교적 작은 뷰잉 개구를 포함하는 도파관 및 선택적으로 비교적 작은 디스플레이 장치를 포함하는 뷰잉 시스템을 가짐으로써 부과되는 각도 제한 때문에, 도파관 내에서 상이한 가능한 전파 경로를 별도로 고려하는 것이 가능하다는 것을 인식하였다. 더욱이, 그들은, 이러한 고려의 결과로서, 원하는 '메인' 이미지에 기여하는 광원인 디스플레이 장치의 영역; 바람직하지 않은 '고스트' 이미지에 기여하는 광원인 디스플레이 장치의 영역; 및 개구에 의하여 차단되어 메인 이미지 또는 고스트 이미지에 기여하지 않는 광원인 디스플레이 장치의 영역 각각을 식별하는 것이 가능하다는 것을 인식하였다. 본 발명자들은 또한 홀로그램 계산을 메인 이미지에 기여하는 디스플레이 장치의 영역들로만 제한하는 것이 가능하다는 것을 인식하였다. 일부 실시예에서, 추가 개선 사항에서, 개선된 홀로그램이 제공될 수 있고 사실상 하나 이상의 고스트 이미지가 메인 이미지에 중첩(superimpose)되도록 변환(translate)될 수 있음을 본 발명자들은 추가로 인식하였다.
본 발명자들에 의해 이루어진 인식, 및 이러한 인식을 구현하는 개선된 시스템 및 방법은 하기에 상세히 설명된 도면을 참조하여 추가로 이해될 수 있다.
도 9a는 이 예에서 LCOS 공간 광 변조기인 디스플레이 장치(902)를 도시한다. 다음에서 "LCOS"에 대한 참조는 "디스플레이 장치"의 약어로 만들어진다. 본 개시의 교시는 LCOS 디스플레이 장치에 제한되지 않는다. 도 9b는 LCOS(902)를 도시하고 LCOS(902)로부터 하나의 가상 이미지 지점과 관련하여 도파관(908)을 통해 뷰잉 개체/시스템(905)을 향해 광선을 추적하며, 이는 이 예에서 뷰어의 눈을 포함한다. 도 9c는 동공(904)(즉, 입사 개구) 및 망막(906)(즉, 센서 또는 뷰잉 평면)에서의 광선을 보여주는 눈(905)의 확대도를 더 포함한다. 이 예에서 전체 LCOS 영역은 망막(906)의 이미지 포인트 형성에 기여한다. 즉, LCOS(902)의 전체가 뷰어에게 '보이는' 것이다. 이미지에 대한 전체 LCOS(902)의 기여는 전체 표면적을 '기여 영역'으로 나타내는 전체 LCOS가 음영 처리되는 것으로 설명된다.
도 9b 및 도 9c의 LCOS(902)에서 추적된 광은 이 특정 가상 이미지 포인트에 대해 망막(906)에 각각 G1, M 및 G2로 표시된 세 개의 이미지 포인트를 형성한다. 중간 이미지 포인트 'M'은 뷰어가 인지하는 기본/메인 가상 이미지에 기여하는 메인 이미지 포인트를 구성한다. 상부 이미지 포인트(G1)는 제1 고스트 이미지 포인트를 포함하고 하부 이미지 포인트(G2)는 동일한 가상 이미지 포인트의 상이한 제2 고스트 이미지 포인트를 포함한다. 특히, 또 다른 발전에서, 본 발명자들은 메인 이미지 포인트(M) 및/또는 고스트 이미지 포인트(G1, G2)에 기여하는 LCOS(902)의 영역(들)을 식별하는 것이 가능하다는 것을 인식하였다.
도 10a 내지 도 10c는 3개의 각각의 전파 경로로 분할된 도 9a 내지 도 9c의 LCOS(902) 및 광선 다이어그램을 도시하는데, 제1 전파 경로는 하단 고스트 이미지 포인트 G2에 기여하는 광을 포함하고, 제2 전파 경로는 메인 이미지 포인트 M에 기여하는 광을 포함하고, 제3 전파 경로는 상단 고스트 이미지 포인트에 기여하는 광을 포함한다. 도 10a에서 볼 수 있듯이, G2에 기여하는 광은 도파관(908)에 의하여 전송되기 전에 3번 바운스된다. 도 10b에서 볼 수 있듯이 M에 기여하는 광은 도파관(908)에 의해 전송되기 전에 2번 바운스된다. 도 10c에서 볼 수 있듯이, G1에 기여하는 광은 도파관(908)에 의해 전송되기 전에 1번 바운스된다.
각 도면(도 10a, 10b, 10c)은 또한, 음영으로 예시된 각 이미지 포인트에 기여하는 LCOS(902) 부분(들)을 도시한다. 따라서, 하단 고스트 이미지 포인트 G2는 LCOS(902)의 하단을 향한 영역에 의해 기여되고, 상단 고스트 이미지 G1은 LCOS(902)의 상단을 향한 영역에 의하여 기여되며, 메인 이미지 포인트는 전체 LCOS(902)에 의하여 기여되는 것을 알 수 있다.
개구(904)(즉, 뷰어의 동공)은 도 9a 내지 도 9c 및 도 10a 내지 도 10c의 예에서 비교적 넓으며, 이는 전체 LCOS(902)가 메인 이미지 포인트에 기여하는 이유를 설명한다. 즉, 이 예에서는 뷰잉 시스템의 f-넘버가 상대적으로 낮다. 도 10a 내지 10c는 비록 LCOS(902)의 일부가 또한 하나 또는 다른 고스트 이미지(G1, G2)에 기여하지만, 고스트 이미지(G1, G2)에 기여하지 않고 메인 이미지 포인트 M에만 기여하는 LCOS(902) 영역이 있음을 도시한다. 본 발명가들은 이 영역이 이 예에서 LCOS(902)에 대한 기여 영역으로 식별될 수 있음을 인식하였는데, 보다 구체적으로, 후속 도면의 설명에서 더 이해되는 바와 같이 '주요 기여 영역'으로 식별될 수 있음을 인식하였다. 따라서, 이 경우 주요 기여 영역은 원이나 타원으로 제한되지 않고 다른 더 복잡한 형상을 취할 수 있음을 알 수 있다.
도 11a 내지 11c는 입사 개구가 상대적으로 작을 때(즉, f-넘버가 상대적으로 높을 때) 가상 이미지의 다른 지점에 대한 해당 광선 다이어그램을 도시한다. 도 11a는 가상 이미지의 제1 필드 포인트(즉, 제1 가상 이미지 포인트)에 관한 것이고, 도 11b는 가상 이미지의 제2 필드 포인트에 관한 것이고, 도 11c는 가상 이미지의 제3 필드 포인트에 관한 것이다. 도 11a 내지 11c는 모든 LCOS(902)가 메인 이미지 포인트에 기여하는 것은 아님을 보여준다. 실제로, 도 11a 내지 11c는 LCOS의 제1 영역은 메인 이미지 포인트(이하, "1차 기여 영역")에 해당하고, LCOS의 제2 영역은 고스트 이미지 포인트(이하, "2차 기여 영역")에 해당하는 것을 도시한다.
본 발명자들은, 특정 조건에서 LCOS(902)(또는 뷰잉 시스템의 다른 디스플레이 장치)의 서로 다른 영역은 메인 이미지 또는 고스트 이미지에 기여하거나 이미지의 가시적인 부분에 기여하지 않는다는 것을 인식하였다. 그들은 이 정보를 사용하여 홀로그램 결정 프로세스를 최적화할 수 있음을 더 인식하였다. 예컨대, 디스플레이 장치의 특정 부분에서 나오는 광이 생략되거나 경우에 따라 홀로그램에 의하여 디스플레이 장치의 해당 부분들이 인코딩되는 방식이 변경되어 고스트 이미지에 기여하는 대신에 메인 이미지에 긍정적으로 기여할 수 있다. 또한, 디스플레이 장치의 추가 영역이 식별될 수 있으며, 이는 메인 이미지에 긍정적으로 기여하도록 구성될 수 있다.
본 발명자들에 의해 이루어진 인식은 하나의 예로서 포인트 클라우드 홀로그램과 관련하여 바로 아래에서 설명될 것이다. 그러나, 본 명세서의 뒷부분에서 후속 도면과 관련하여 상세히 설명되는 바와 같이, 푸리에 또는 프레넬 홀로그램과 같은 다른 유형의 홀로그램에도 적용될 수 있다. 즉, 다른 홀로그램 계산 방법들은 본 명세서에 개시된 바와 같이 본 발명자들에 의해 이루어진 인식에 따라 최적화될 수 있다.
잘 이해되는 바와 같이, 일반적으로 이미지(예: 가상 이미지)의 포인트 클라우드 홀로그램 계산을 위하여, 이미지는, 우리가 가상 이미지의 형성을 설명하기 때문에 여기에서 '가상 포인트'라고 하는 복수의 개별 포인트로 나된다(즉, 표현된다). 그런 다음, 구형파(또는 '웨이블릿(wavelet)')는 각 가상 포인트에서 계산적 방식으로(즉, 모델 또는 기타 이론적 도구를 사용하여), 위에서 설명한 예에서 LCOS의 평면과 같은 가상 이미지 내의 의도된 또는 원하는 위치에서 디스플레이 장치의 평면으로 전파된다. 그러한 웨이블릿이 서로 간섭하는 방식이 고려되고, 디스플레이 장치의 각 픽셀에서 수신될 웨이블릿의 결과 진폭 및/또는 위상이 계산된다. 그 다음, 잘 알려져 있으나 본 명세서에서 설명하지 않을 방식으로, 디스플레이 장치는 계산된 웨이블릿을 모방하여 이미지의 홀로그램을 생성하기 위해 각 픽셀 위치에서 요구되는 진폭 및/또는 위상 변조를 나타내도록 조정될 수 있다.
본 발명자들은 본 명세서에 기술된 바와 같이 도파관 및 큰 뷰잉 거리를 갖는 뷰잉 시스템의 경우, 전체 디스플레이 장치가 모든 가상 포인트의 대응하는 웨이블릿의 순 진폭 및 위상으로 채워지면, 생성될 홀로그램이 표시되고 조사될 때 기본 이미지와 함께 하나 이상의 고스트 이미지를 생성할 수 있음을 인식하였다. 특히, 이것은 가상 이미지가 뷰어로부터 유한한 거리에서 인지되도록 뷰잉 시스템이 구성될 때 발생할 수 있다. 더욱이, 많은 경우에, 뷰잉 시스템의 물리적 제약(예: 작은 개구 및/또는 작은 디스플레이 장치 및/또는 큰 투사 거리)으로 인하여 장치의 해당 부분에서 나오는 광이 뷰어의 눈에 들어오지 않도록 지시하기 때문에, 이 장치의 일부에 있는 픽셀에서 방출되 광선은 낭비된다(즉, 뷰어가 보거나 인지하는 이미지에 기여하지 않음). 따라서, 본 발명자들은 디스플레이 장치의 어느 부분이 홀로그램을 제공하도록 조정되는지에 관하여 지능적 선택이 적용될 수 있음을 인식하였다. 특히, 메인 이미지에 기여하는 LCOS 부분(또는 일부 또는 영역)만 선택되고 웨이블릿이 의도한 가상 이미지의 가상 포인트에서 LCOS의 해당 부분- 메인 이미지에 기여하지 않는 LCOS의 다른 부분이 아닌 부분-으로만 계산적으로 전파되는 경우, 디스플레이 장치의 선택된 영역 내의 각 픽셀에서 수신될 웨이블릿의 결과적인 진폭 및/또는 위상이 계산될 수 있다. 디스플레이 장치의 다른 각각의 부분에 대해서는 계산이 필요하지 않다.
계산된 웨이블릿을 모방하여 메인 이미지의 홀로그램을 생성하기 위하여, 선택된 부분(들) 내에서, 디스플레이 장치는 개선된 계산에 따라 각 픽셀 위치에서 요구되는 진폭 및 위상 변조를 나타내도록 조정될 수 있다. 이 작업이 완료되면, LCOS의 다른 부분은 조정될 필요가 없으므로 계산된 홀로그램이 디스플레이 장치에 표시되고 조사될 때 다른 부분에서 뷰어의 눈(또는 다른 뷰잉 개체)으로 이미지 정보가 전파되지 않는다. 따라서, 뷰어가 사용할 수 있는 정보가 없어 바람직하지 않은 "고스트" 이미지 포인트를 형성할 수 있다. 그 결과, 고스트(들)은 제거되거나 '소멸'된다. 더욱이, 주어진 조건 세트(예컨대, 특정 개구 너비 및 눈의 위치)에 대해 뷰어의 동공을 통해(또는 해당하는 다른 뷰잉 개체의 개구를 통해) 받아들여질 광을 제공하는 것으로 알려진 디스플레이 장치의 픽셀만 조정되므로, 이미지 정보가 낭비되지 않는다.
도 12a는 예시적인 가상 포인트(1201)를 포함하는 가상 이미지를 형성하는 시스템(1200)을 도시한다. 뷰잉 시스템(1200)은 본 개시에 따라 식별된 기여 영역(1203) 및 비기여 영역(1207)을 포함하는 이 예에서 LCOS SLM인 디스플레이 장치(1202)를 포함한다. 디스플레이 장치(1202)는 가상 이미지의 홀로그램을 표시하고 홀로그램에 따라 인코딩된 광을 개구로 작용하는 동공(미도시), 렌즈(1209), 및 뷰잉 평면으로서 작용하는 망막(1206)을 포함한다. 렌즈(1209)와 망막은 이격 거리 'A' 만큼 떨어져 있다. 디스플레이 장치(1202)를 조사하도록 구성된 광원(미도시)이 있다. 뷰잉 시스템(1200)은 LCOS(1202)와 눈(1205) 사이에 위치된 도파관(1208)을 더 포함한다. 이 이미지는 도식이므로, 눈의 생리학적 세부 사항은 표시되지 않는다.
가상 포인트(1201)는 디스플레이 장치(1202)의 상류에 위치하며, 도 12a에서 가상 포인트(1201)가 디스플레이 장치(1202)의 왼쪽에 있는 것으로 도시되어 있다. 가상 포인트(1201)는 공간 좌표에 의해 정의된 위치를 가지며, 이 예에서는 데카르트 좌표(x,y,z)를 포함하지만 다른 좌표 시스템 또는 가상 포인트의 위치를 식별하는 다른 수단이 사용될 수 있다. 가상 포인트(1201)와 디스플레이 장치(1202) 사이에 디스플레이 장치(1202)의 광축과 실질적으로 평행한 방향으로 거리 'z'가 정의된다. 디스플레이 장치(1201)의 광축에 실질적으로 평행한 방향으로 디스플레이 장치(1201)와 눈 렌즈(1209) 사이에 정의된 디스플레이 대 렌즈 거리 'l'도 있다. 'z' 및 'l' 둘 다의 수치 값은 뷰어 위치를 포함하여 주어진 시간에 뷰잉 시스템(1200)의 특정 구성에 따라 달라질 것이다. 예컨대, 디스플레이-렌즈 거리 'l'은 대략 1 미터 정도일 수 있고, 디스플레이-이미지 거리 'z'는 예컨대 몇 미터 정도 더 클 수 있다. 그러나 이러한 수치적 예는 순전히 예시이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.
본 발명자들은 가상 이미지 포인트(1201)를 포함하는 가상 이미지가 뷰어에 의해 도 12에 도시된 위치에서 인지되는 경우, 대응하는 이미지 포인트(1211)가 망막(1206) 상에 형성되어야 함을 인식하였다. 광선은 LCOS(1202)를 통해 가상 이미지의 가상 지점(1201)에서 망막(1211) 상의 대응하는 지점(1211)까지 추적될 수 있다.
도파관(1208)에 의해 생성/생성된 가능한 경로로 인해 LCOS(1202)를 통해 가상 포인트(1201)와 망막 상의 대응하는 지점(1211) 사이에서 하나 이상의 가능한 광경로가 취해질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 실시예에 따르면, 가상 이미지 포인트(1201)와 대응하는 포인트(1211) 사이의 복수의 광선 경로들 중 하나의 광선 경로를 포함하는 주 광선(chief light ray)이 뷰잉 평면(즉, 망막(1206))에서 결정될 수 있다. 이 주 광선 경로가 식별되면, 도파관 내에서 주 광선의 광이 겪는 바운스 수가 결정된다. 그 바운스 수(B)는 가상 이미지와 뷰잉 평면 사이에서 광선을 추적해야 하는 바운스 수로 설정할 수 있다. 실시예에 따르면, 주 광선과 관련 반사 수(B)가 초기 과정로 식별될 수 있다.
본 예에서, 해당 가상 이미지 포인트(1201)에 대한 '기여 영역'(1203)을 식별하기 위하여, 광선 추적은 가상 이미지 포인트(1201)와 망막의 해당 포인트(1211) 사이에서 '주 광선' 광이 통과하는 LCOS(1202) 부분을 결정할 수 있다. 따라서, 도 12에서 가상 이미지 포인트(1201)와 디스플레이 장치(1202)의 기여 영역(1203) 사이에서 전파하는 것으로 묘사된 광선 'r'이 있다. 본 발명자들에 의하여 이루어진 인식에 따르면, LCOS의 기여 영역에 기여하는 웨이블릿만이 가상 이미지 포인트(1201)및 디스플레이 장치(1202)에서 모델링(또는 계산상 고려)될 필요가 있다. 다시 말해, 적절한 홀로그램을 생성하기 위하여 디스플레이 장치(1202)의 식별된 기여 영역(1203)만 인코딩(또는 '조정')될 필요가 있다. 그러한 홀로그램은, 디스플레이 장치상에서 인코딩되고 적절하게 조사될 때, 가상 이미지 포인트(1201)가 또한 존재하는 가상 포인트(1201)의 고스트 이미지 없이 뷰어에 의해 인지될 수 있게 할 것이다. 이것은 아래에서 논의되는 도 13 및 14로부터 더 잘 이해될 수 있다.
도 12b의 기여 영역(1203) - 및 아래의 도 13 및 도 14와 관련하여 논의된 기여 영역 - 은 주 광선과 디스플레이 장치의 교차점에 따라 위치될 수 있다. 예를 들어, 기여 영역은 주 광선이 디스플레이 장치와 교차하는 지점이 중싱일 수 있다. 기여 영역은 대응하는 뷰잉 개체 및 관련 광학계(예컨대, 도파관 기하학, 더 큰 광학 시스템의 임의의 반사 등)의 입사 개구의 크기 및 형상에 기초하여 크기 및 형상이 정해질 수 있다. 따라서, 뷰잉 개체가 사람의 눈인 경우, 디스플레이 장치의 기여 영역은, 일부 경우에, 수신 동공과 유사한 크기의 실질적으로 원형 또는 타원형 모양, 또는 복잡한 모양과 같은 임의의 다른 적절한 모양을 포함할 수 있다. 그러나, 본 개시는 기여 영역에 대한 보다 복잡한 형상을 포함한다. 눈의 동공 직경은 적절한 방식으로 측정되거나 추정될 수 있다. 예컨대, 눈 동공 직경의 측정은 눈 추적 시스템에 의하여 수행될 수 있다. 대안적으로, 그것은 눈의 동공 직경의 알려진 범위(예를 들어, 2 내지 6mm)를 기반으로 추정되거나 주어진 시간에 주변 광 조건이 주어진 다른 추정을 기반으로 할 수 있다.
기여 영역은 동공보다 약간 큰 영역(개구면 상의)에 의도적으로 기여하고, 및/또는 동공(또는 다른 개구)과 약간 다른 모양인 영역(개구면 상의)에 기여하도록 설정될 수 있다. 이러한 경우 "기여 영역"의 모든 광이 항상 동공을 통과하는 것은 아니지만 눈은 망막에 좋은 이미지를 형성하기에 충분한 광을 수집하면서 약간 움직일 수 있다.
도 13은 본 개시의 일 측면에 따른, 디스플레이 장치의 기여 영역 및 비기여 영역을 결정하기 위한 방법을 도시한다. 선택적으로, 이러한 결정은 도 12의 시스템(1200)과 같은 뷰잉 시스템에 의한 표시 및 조사를 위한 하나 이상의 홀로그램 생성을 최적화하는 데 사용될 수 있다. 도 13을 참조하여 설명된 방법에서, 뷰잉 시스템은 'f'-넘버(즉, 초점 거리 및 개구)를 갖는 렌즈와 카메라를 포함한다. 카메라의 감광 구성요소는, 예컨대, CCD 어레이일 수 있고, 뷰잉 평면 상에 위치된다. 카메라의 감광 구성요소는 예를 들어 CCD 어레이일 수 있고 뷰잉 평면 상에 위치된다. 렌즈와 카메라는 기능적으로 보는 사람의 눈의 렌즈와 망막을 대체하며 디스플레이 장치의 기여 영역과 비기여 영역을 결정하는 과정에만 사용된다. 디스플레이 장치의 이들 영역은 복수의 뷰잉 위치(예를 들어, 눈-움직임 상자 내의 눈 위치) 및/또는 복수의 이미지 거리(예를 들어, 차량 앞의 가상 이미지 거리)에 대해 결정될 수 있다. 일부 측면에서, 도 13을 참조하여 개시된 방법은 홀로그램 계산의 선구자로 간주될 수 있다. 이 방법은 최적화 또는 보정 프로세스로 간주될 수 있다.
잘 이해되는 바와 같이, 생성될 각각의 가상 이미지는, 예컨대, (x, y, z) 좌표에 의하여 정의된 바와 같이 각각 해당 위치를 갖는 하나 이상의 가상 이미지 포인트로 표현될 수 있다. 도 13의 방법의 과정 1(1302) 내지 과정 6(1312)(이하에서, 상세히 설명됨)은 생성될 가상 이미지 내의 각각의 가상 이미지 포인트에 개별적으로 적용될 수 있다. 더욱이, 이 방법(1300)은 특정 세트의 조건, 즉, 뷰잉 시스템의 특정 측정 및 제약에 적용된다. 따라서, 이 방법(1300)의 임의의 주어진 반복(또는 '실행')은 생성될 특정 이미지를 구축하는 데 적용되고(가상 이미지 포인트별 가상 이미지 포인트), 이 시스템이 특정 디스플레이-이미지 거리 'z'를 가질 때, 표지 장치와 망막 사이의 특정 거리 'd', 특정 개구(동공) 너비, 및 눈이 닿는 특정 가상 이미지 거리 초점이 맞춰져 있다. 이 방법(1300)의 반복은 또한 디스플레이 장치의 특정 크기 및 유형, 그리고 허용된 뷰잉 창을 가진 눈의 특정 위치에 대해 특정된다. 이 방법의 각 반복이 특정한 다른 측정 및/또는 제약이 있을 수 있다. 실시예들에 따르면, 그러한 측정들 또는 제약들 중 임의의 것이 변경되면, 이 방법(1300)은 변경된 상황 하에서 디스플레이 장치의 기여 영역(들)을 재결정하기 위해 재실행될 수 있다. 그러나, 실시예에 따르면, 소장의 허용 오차가 기 결정된 양 미만 및/또는 기 결정된 시간 길이 미만으로 변경되는 경우, 이 방법을 재실행할 필요가 없도록 이러한 측정 또는 제약 중 하나 이상에 적용될 수 있음이 이해될 것이다. 이 방법이 반복되어야 하는 시기에 관한 규칙은 시스템별로 결정될 수 있다.
이 방법(1300)은 적절한 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 프로세서는 홀로그램 엔진을 포함하거나 홀로그램 엔진에 포함되거나 홀로그램 엔진과 통신할 수 있다. 프로세서 또는 홀로그램 엔진은 라이트 엔진 내에 포함될 수 있다.
프로세서는 이 방법(1300)이 수행되기 전에 뷰잉 시스템에 관한 경계 정보를 획득하거나 수신할 수 있다. 예컨대, 이것은 디스플레이 장치와 같은 구성 요소의 크기에 관한 정보, 다양한 구성 요소 및 뷰잉 시스템(예: 잠재적인 인간 뷰어)의 절대 및/또는 상대 위치에 관한 정보, 광원에 관한 정보 등을 얻거나 받을 수 있다.
이 방법(1300)에 따르면, 가상 이미지가 인식되는 위치에 따라, 제1 과정(1302)에서 위치 - 예컨대, 가상 이미지 포인트(본 명세서에서 약칭으로 "가상 포인트"라고도 함)의 좌표 
이 획득된다. 렌즈(1209)와 가상 포인트 사이의 가상 이미지 거리가 획득되거나 결정된다. 이 가상 이미지 거리는 이 방법(1300)을 수행하는 프로세서에 의해 설정 또는 결정될 수 있거나, 다른 개체에 의해 설정 또는 결정되고 해당 프로세서에 전달될 수 있다. 일부 구성에서는 미리 설정되거나 복수의 가능한 가상 이미지 거리로부터 선택될 수 있다. 실제 동작에서, 뷰잉 시스템이 눈인 경우, 시선 추적 또는 머리 추적 정보가 가상 이미지 거리의 결정에 사용될 수 있다.
제2 과정(1304)에서 렌즈와 센서 사이의 요구되는 거리 'A'는 가상 이미지 포인트에 초점을 맞추기 위해 결정된다. 각 가상 이미지 지점은 각도로 정의할 수도 있다(도 4 참조). 여기에서 "각도 콘텐츠"에 대한 참조는 가상 이미지의 가상 이미지 포인트와 관련하여 이루어진다.
제3 과정(1306)에서, 뷰잉 시스템에 의해 형성되는 메인 이미지 또는 1차 이미지와 연관된 도파관 내의 광의 반사 또는 바운스 'B'의 수가 결정된다. 광학 분야의 통상의 기술자는 가상 이미지 포인트와 연관된 광의 복수의 복제물을 생성하고, 각 복제물이 도파관 내의 상이한 수의 광 바운스/반사와 연관될 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, B를 결정하는 오로지 하나의 방법은, 도파관에서 가능한 광 경로에 대해 디스플레이 장치와 주 광선의 교차를 결정하고, 주 광선을 디스플레이 장치의 중심에 가장 가깝게 두는 반사/바운스의 수를 선택하는 것이다. 유리하게는, 이러한 접근 방식은, 뷰잉 시스템에 기여하는 디스플레이 장치의 영역이 가장 크도록 한다.
대안적으로, 제3 과정(1306)에서 사용할 바운스 수를 계산하는 다른 방법은 아래의 하위 과정 1 내지 5를 포함한다:
1. 눈의 위치를 알고 입력으로 사용.
2. 제1 바운스 수 B에 대해 디스플레이 장치의 중심에서 결정된 눈 위치까지의 광선 추적. 가상 이미지를 향한 광선의 외삽은 이 바운스 수(B)에 대한 시야각(
)을 정의한다.
3. 제2 바운스 수(B+1)에 대해, 디스플레이 장치의 중심에서 결정된 눈 위치까지의 광선 추적. 가상 이미지를 향한 해당 광선의 외삽은 이 바운스 수(B+1)에 대한 시야각(
)을 정의한다.
4. B는 
와 
사이의 각도 콘텐츠에 사용된 바운스 수이다.
5. (B+1)은 
와 
사이의 각도 콘텐츠에 사용되는 바운스 수이다.
제1 과정(1302)(즉, 가상 이미지 포인트의 좌표)와 제3 과정(1306)(매개변수, B)의 출력은 제4 과정(1308)에서 센서 
상의 대응하는 이미지 위치/포인트를 결정하는 데 사용된다. 즉, 제4 과정(1308)은 가상 이미지 포인트의 광이 수신된 센서 상의 포인트를 결정한다. 즉, 센서 상의 가상 이미지 포인트가 이미징되는 포인트이다. 센서의 이 지점은, 도 14와 관련하여 아래에서 메인 이미지 포인트 
이라고 한다. 단지 예로서, 도파관 내의 B 바운스에 대한 가상 포인트로부터 센서까지의 계산 광선 추적이 사용될 수 있지만, 본 개시는 제4 과정에 대한 이러한 접근에 제한되지 않는다.
통상의 기술자는 가상 포인트 
에서 센서 
까지의 주 광선(또는 단순히 주 광선)이 식별될 수 있음을 이해할 것이다. 다시 말해, 계산 광선 추적(computational ray tracing)을 사용하여 주 광선을 식별하거나 추적할 수 있지만, 다른 방법도 동일하게 적용할 수 있다. 제5 과정(1310)에서, 디스플레이 장치 교차점 
이 식별되며, 여기서 디스플레이 장치 교차점은 주 광선이 디스플레이 장치와 교차하는 디스플레이 장치 상의 위치이다. 디스플레이 장치 교차점은, 예컨대, 계산 광선 추적에 의해 결정, 계산 또는 측정될 수 있다.
제6 과정(1312)에서, 디스플레이 장치 교차점 
와 연관된 디스플레이 장치의 영역이 식별된다. 디스플레이 장치의 영역은 기하학적으로 이 지점 
을 중심으로 할 수 있다. 예컨대, 영역은 원이나 타원일 수 있지만 다른 더 복잡한 모양을 생각할 수 있다. 영역이 원이나 타원과 같은 규칙적인 모양인 경우 영역의 반경은 예를 들어 뷰잉 시스템 렌즈의 f-넘버에 따라 결정될 수 있다. 이 영역은 뷰잉 시스템에 의해 형성된 1차 이미지에 대응하기 때문에 여기에서 "1차 기여 영역"으로 언급된다. "기여"라는 단어는 디스플레이 장치의 식별된 영역 내 디스플레이 장치의 픽셀이 센서에 필요한 정보 콘텐츠를 제공하는 픽셀임을 반영한다. 디스플레이 장치의 다른 영역(즉, 디스플레이 장치의 다른 픽셀)은 센서 상의 이미지 포인트 형성에 기여하지 않는다. 물론, 다른 픽셀은 다른 가상 이미지 포인트와 연관된 센서의 다른 이미지 포인트에 기여할 수 있다.
본 개시의 주요 측면에 따른 방법은 디스플레이 장치의 1차 기여 영역의 결정으로 종료된다. 선택적으로 홀로그램은 디스플레이 장치의 전체 영역이 아닌 주요 기여 영역을 기반으로 결정될 수 있다.
따라서, 선택적인 제7 과정(1314)에서, 가상 포인트에 기초하여 1차 기여 영역에 대한 홀로그램 성분이 결정된다. 특히, 1차 기여 영역에 대한 광 매개변수(light parameter)가 결정된다. 광 매개변수는 1차 기여 영역의 각 픽셀에 대한 진폭 및/또는 위상일 수 있다. 예컨대, 광 진폭 및 위상은 통상의 기술자에게 친숙한 포인트 클라우드 방법을 사용하여 가상 포인트로부터 1차 기여 영역으로의 광 전파에 기초하여 1차 기여 영역 내의 각 픽셀에 대해 결정될 수 있다. 가상 포인트에 대한 홀로그램 구성 요소는 전체 가상 이미지에 대한 완전한 홀로그램을 구축하기 위해 다음 단락에 설명된 반복 프로세스의 일부로 저장되고 다른 가상 지점에 대한 홀로그램 구성 요소와 결합될 수 있다.
개략적으로, 제7 과정(1314)에서, 광 변조 값(예컨대, 진폭 및/또는 위상 값)은 1차 기여 영역 내의 디스플레이 장치의 각 픽셀 값에 할당된다. 이것은, 
에서 1차 기여 영역으로의 광파 전파를 고려하고, 
의 원하는 반경 내에서 디스플레이 장치의 픽셀에 진폭 및/또는 위상을 추가함으로써 달성된다. 즉, 가상 이미지 포인트에서 시작하여 1차 기여 영역의 각 포인트(즉, 픽셀)에 도달하는 광의 진폭 및/또는 위상은 광파의 전파를 고려하여 결정되는데, 즉, 가상 이미지 포인트에서 각 픽셀까지의 거리를 이동한 후 광파의 진폭 및/또는 위상이다. 이 결정은 광학 분야의 통상의 기술자에게 알려진 다수의 상이한 기술 중 임의의 하나에 의하여 수행될 수 있다. 이 결정은 실험적 측정에 의하여 이루어질 수 있다.
홀로그램을 이용하여 투사될 가상 이미지 내에서, 제1 내지 제7 과정은 각각의 가상 포인트에 대해 반복될 수 있다. 예컨대, 디스플레이 장치의 각 픽셀에 대한 결과적인 홀로그램을 생성하기 위해 복수의 홀로그램 구성요소가 함께 추가될 수 있다. 예컨대, 복소 진폭은 모든 가상 이미지 포인트로부터의 전파를 위해 각 픽셀에서 합산될 수 있다. 홀로그램이 위상 전용 변조기에 표시되어야 하는 경우 결과 복소 진폭 합계의 진폭 구성 요소는 무시되고 위상만 남을 수 있다. 더 광범위하게, 이 결과는 뷰잉 시스템 내의 디스플레이 장치에 표시되고 조사되는 경우 가상 이미지를 형성하는 가상 이미지에 해당하는 회절구조이다.
홀로그램은 디스플레이 장치에 표시되거나 인코딩될 수 있다. 결과적으로, 디스플레이 장치는 필요한 가상 이미지 거리에서 뷰어가 가상 이미지를 인지할 수 있도록 하는 방식으로 광을 변조하도록 조정될 것이다.
이 방법(1300)은 가상 이미지 내의 복수의 가상 포인트 각각에 대해 실질적으로 동시에(또는 매우 빠르게 연속적으로) 수행될 수 있으므로, 따라서 전체 가상 이미지에 대한 적절한 홀로그램이 유도되고 주어진 보기 설정 및 특정 수치 측정 및 제약에 대해 디스플레이 장치에 매우 빠르게 인코딩될 수 있다. 기여 영역(들)의 식별 및/또는 디스플레이 장치의 필요한 조정에 영향을 줄 수 있는 변경 사항이 있는 경우 이 방법이 다시 실행될 수 있다. 프로세서는 시간 제어 루프에서, 및/또는 변경이 발생했음을 나타내는 신호에 응답하여, 및/또는 필요한 가상 이미지의 콘텐츠 또는 아이덴티티가 변경될 때 이 방법을 다시 실행하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 이전에 계산된 데이터를 저장하기 위해 메모리를 포함하거나 메모리와 통신할 수 있다. 예컨대, 특정 세트의 측정 및/또는 제약 하에서 특정 가상 이미지 또는 가상 포인트에 대한 디스플레이 장치의 활성 영역(들)을 나타내는 룩업 테이블 또는 다른 저장 수단이 제공될 수 있다.
이 방법(1300)은 다수의 상이한 가상 이미지를 빠르게 연속적으로 표시하기 위해 및/또는 사용자의 움직임과 같은 조건의 변화에 정확하게 응답하기 위해 매우 빠르게 실행(또는 재실행)될 수 있다. 도 12의 시스템에는 하나의 눈만 도시되어 있지만, 방법(1300)은 뷰어의 두 눈 모두 및/또는 두 개 이상의 입사개구를 가진 다른 뷰잉 시스템을 고려하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 위의 특정 설명은 개구 폭을 언급할 수 있지만, 동공(및 개체를 관찰하기 위한 대부분의 다른 개구)은 2차원이고 이러한 2차원 각각에서 크기를 변경할 수 있음을 인식할 것이다. 이 방법(1300)은 2차원 개구 크기 및 그에 대한 변경을 고려하도록 구성될 수 있다.
본 발명자들은 가상 이미지의 홀로그램이 도 13을 참조하여 개시된 방법을 사용하여 효율적으로 결정될 수 있음을 발견하였다. 그러나, 본 발명자들은 또한 일부 경우에 고스트 이미지를 형성할 광을 통상적으로 전파하는 LCOS의 모든 영역이 사용되지 않을 때 LCOS의 비교적 작은 부분만이 사용되는 것을 관찰하였다. 주목할 만한 추가 기술 발전으로, 본 발명자들은 1차 기여 영역에 추가하여 LCOS의 추가 영역을 사용하고 원치 않는 고스트 이미지를 형성하기 보다는 1차 이미지를 강화하기 위해 광을 제공할 수 있는 추가 영역에 대한 홀로그램 값을 계산하는 방법을 찾았다.
잘 이해되는 바와 같이, 광선이 뷰잉 시스템에서 도파관을 통해 취하는 광경로는 각각의 다른 광선에 대한 경로 길이에 비해 경로 길이를 증가시킬 수 있다. 일반적으로 이러한 증가는 가상 이미지 거리 'v'에 비해 작을 가능성이 높으므로 눈에 보이지 않는다.
도 14는 도 12의 시스템(1200)과 같은 시스템에 적용될 수 있는, 발명자들에 의하여 이루어진 추가 인식에 따른 또 다른 개선된 방법(1400)을 도시한다. 도 14의 방법(1400)은 도 13의 방법(1300)의 모든 과정를 포함하고, 추가로, 가상 포인트에 대응하는 하나 이상의 고스트 이미지 포인트의 처리를 포함하며, 이는 또한 존재할 수 있으며, 이는 통상적으로 가상 이미지의 하나 이상의 고스트 이미지의 인식을 유도한다.
이 방법(1400)은 적절한 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 프로세서는 홀로그램 엔진을 포함하거나 홀로그램 엔진에 포함되거나 홀로그램 엔진과 통신할 수 있다. 프로세서 또는 홀로그램 엔진은 광 엔진 내에 포함될 수 있다.
프로세서는 방법이 수행되기 전에 시스템에 대한 경계 정보를 얻거나 수신할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치와 같은 구성 요소의 크기에 관한 정보, 다양한 구성 요소 및 뷰어의 절대적 및/또는 상대 위치에 관한 정보, 광원에 관한 정보 등을 획득하거나 수신할 수 있다.
어떠한 경우에, 본 발명자들은 메인 이미지의 주 광선이 통과하는 '1차 기여 영역'과 다른 디스플레이 장치의 일부를 통과하는 해당 가상 포인트의 광으로 인해 고스트 이미지 포인트가 발생한다는 것을 발견했다. 본 명세서의 앞의 도면에서, 디스플레이 장치의 이러한 부분은 '2차 기여 영역'으로 지칭된다. 하나 이상의 고스트 포인트를 생성하는 광은 하나 이상의 '고스트 광선'을 포함하는 것으로 지칭될 수 있다. 고스트 이미지를 발생시키는 광선은 뷰어의 눈의 좁은 동공을 통과하고 망막과 일치하기 위해 도파관 내에서 메인 이미지에 해당하는 것과 다른 수의 바운스를 겪을 수 있다. 그러므로, 메인 이미지에 해당하는 주 광선이 도파관 내에서 'B' 바운스되는 것으로 판단되면, 고스트 이미지에 해당하는 광이 ' 
' 바운스를 겪는다고 결정할 수 있으며, 여기서 
는 음수 또는 양수 정수, 일반적으로 예를 들어 -5에서 +5 범위의 한 자리 숫자일 수 있다.
도 14의 개선된 방법(1400)에 따르면, 도 13의 방법(1300)의 제4 과정(1308) 이후에, 뷰잉 평면 상의 메인 이미지 포인트의 위치가 설정 - 예컨대, 그 좌표 
-되고, 도 13의 방법(13)의 후속 과정은 계속될 수 있고, 추가로 예컨대, 병렬로 또는 나중에, DB의 적어도 하나의 값에 대해 다음과 같이 추가 과정 세트가 수행될 수 있다. 요약하면, 도 14의 개선된 방법(1400)은 뷰잉 평면에서 고스트 이미지 포인트를 형성하기 위하여 가상 포인트의 좌표 
로부터 고스트 광선이 겪었을 바운스 ' 
'를 결정한다. 그런 다음, 개선된 방법(1400)은, 별도의 고스트 이미지 포인트를 형성하기 보다는 광이 이동하고 도파관 내에서 ' 
' 바운스를 겪을 수 있고, 뷰잉 평면 상의 메인 이미지 포인트에 도달할 수 있는 가상 포인트의 변환된(또는 수정된) 위치를 결정한다. 가상 포인트의 번역된 위치에서 메인 이미지 포인트까지 광선이 이동하는 LCOS 상의 위치가 식별될 수 있고 그에 따라 홀로그램으로 인코딩될 수 있다. 따라서, LCOS의 하나 이상의 추가 영역(1차 기여 영역 제외)은 여전히 고스트 이미지의 생성을 피하면서 메인 이미지에 기여하기 위해 홀로그램 값으로 인코딩될 수 있다.
보다 구체적으로 개선된 방법(1400)은 다음과 같다:
제1 추가 과정(1402)에서, 메인 이미지 포인트 
로부터의 광선은 가상 이미지로 역추적되지만, (B 바운스보다) ' 
' 바운스/반사를 겪는 광선의 경우이다.
제2 추가 과정(1404)에서, 메인 이미지 포인트 
로 이미지를 생성할 가상 이미지의 2차 가상 포인트의 위치(예: 좌표 
)가 결정되는데(예: 제1 추가 과정(1402)에서 수행된 광선 추적의 결과), 즉, 광이 ' 
'바운스를 받으면, 
위치에서 뷰잉 평면과 일치하도록 디스플레이 장치, 도파관 및 입사 개구를 통해 이동하는 광을 전파한다. '2차 가상 포인트'라는 용어는 본 명세서에서 (1차) 가상 포인트의 2차(즉, 대체되거나 수정된) 위치에 대한 약칭으로 사용된다. 즉, 본 발명자들은 가상 포인트의 위치가 '2차 가상 포인트' 위치 
로 이동된 경우, '2차 가상 포인트'에서 ' 
'를 거친 광 도파관의 바운스/반사는 뷰잉 평면에서 메인 이미지에 기여한다.
요약하면, 제3 추가 과정(1406)은 
에서 도파관 ' 
' 바운스를 위한 뷰잉 평면으로 광 전파를 위해 디스플레이 장치에서 주 광선의 좌표 
를 결정하는 과정을 포함한다. 어떤 경우에는 
이 도파관을 통해 다른 경로 길이를 고려하도록 조정될 수 있다(즉, 바운스 수가 다르기 때문에). 이 주 광선을 '2차 주 광선'이라고 부를 수 있다.
보다 상세하게는, 제3 추가 과정(1406)에서, 디스플레이 장치 상의 한 포인트가 2차 가상 포인트에서 메인 이미지 포인트 
로 '2차 주 광선'이 이동하여, 이 포인트를 통해 도파관에서 
바운스를 겪으면서 식별된다. 디스플레이 장치의 이 포인트는 좌표가 
이다.
제4 추가 과정(1408)에서, 포인트 
에는 그와 연관된 영역의 범위 또는 크기의 반경 또는 다른 적절한 표시자가 할당된다. 포인트 
와 관련된 영역은 뷰잉 평면에서 메인 이미지 포인트에 기여하는 광을 전파하기 때문에 여기에는 "추가 기여 영역"이라고 지칭하는데, 그러나, 제2 추가 과정(1404)에서 결정된 바와 같이 그 광이 (1차) 가상 포인트의 변위 또는 수정된 위치에서 비롯된 경우 - 즉, 
이 아닌, 
- 인 경우에만이다.
제4 추가 과정(1408)은 제6 과정(1312)과 유사하다. 구체적으로, 제4 추가 과정(1408)은 디스플레이 장치 교차점 
과 연관된 디스플레이 장치의 영역을 식별하는 것을 포함한다. 디스플레이 장치의 영역은 기하학적으로 이 포인트 
를 중심으로 할 수 있다. 예컨대, 영역은 원이나 타원일 수 있지만 다른 더 복잡한 모양을 생각할 수 있다. 영역이 원이나 타원과 같은 규칙적인 모양인 경우 영역의 반경은 예를 들어 뷰잉 시스템 렌즈의 f-넘버에 따라 결정될 수 있다. 이 영역은 (1차) 가상 포인트의 변위 또는 수정된 위치를 기반으로 적절한 홀로그램이 계산되는 경우 가상 이미지에 기여하는 광을 전파하기 때문에 여기에서 "추가 기여 영역"이라고 한다.
제5 추가 과정(1410)은 제7 과정(1314)과 유사하다. 제5 추가 과정(1410)은 선택적이다. 제5 추가 과정 (1410)에서, (1차) 가상 포인트, 
의 수정된 위치를 기반으로 추가 기여 영역에 대한 홀로그램 구성 요소가 결정된다. 특히, 추가 기여 영역에 대한 광 매개변수가 결정된다. 광 매개변수는 추가 기여 영역의 각 픽셀에 대한 진폭 및/또는 위상일 수 있다. 예컨대, 다른 가상 포인트 
에서 통상의 기술자에게 친숙한 포인트 클라우드 방법을 사용하여 추가 기여 영역으로의 광의 전파를 기반으로 추가 기여 영역 내의 각 픽셀에 대하여 광 진폭 및 위상이 결정될 수 있다. 전체 가상 이미지에 대한 완전한 홀로그램을 구축하기 위하여, 다른 가상 포인트에 대한 홀로그램 구성 요소 
는 다음 단락에서 설명하는 반복의 일부로 다른 가상 포인트에 대한 홀로그램 구성 요소와 결합하여 저장될 수 있다.
이는 하나의 개별 가상 포인트를 기준으로 출력되는 디스플레이 장치에 의하여 요구되는 광 변조는 해당 가상 포인트에 대한 "홀로그램 구성 요소"라고 지칭할 수 있다. 홀로그램 구성 요소는 생성될 가상 이미지 내에서 하나 이상의 다른 가상 포인트에 대한 방법(1300)의 후속 반복 동안 프로세서에 의해 저장될 수 있다.
도 14의 추가 개선된 방법(1400)의 과정 1402 내지 1410은 도 13의 방법(1300)의 과정 1(1302) 내지 제7 과정(1314)와 함께 생성될 가상 이미지 내에서 각각의 가상 포인트에 대해 반복될 수 있다. 각각의 가상 포인트에 대한 변조 거동 및 대응하는 홀로그램 성분이 결정되었을 때, 홀로그램 구성 요소가 함께 추가되어 디스플레이 장치의 각 픽셀에 대한 결과적인 변조 거동을 생성할 수 있다. 이 결과적인 변조 동작은 가상 이미지에 대한 회절구조 또는 홀로그램을 나타내며, 이는 뷰잉 시스템 내의 디스플레이 장치에 표시되고, 조사될 경우 메인 이미지만 형성되고 고스트 이미지는 형성되지 않는다. 수행되는 도 14의 개선된 방법(1400)의 결과로서 형성될 메인 이미지는 도 13의 방법(1300) 단독으로 생성된 대응하는 메인 이미지보다 더 밝을 수 있다.
프로세서는 임의의 적절한 방식으로 홀로그램에 대응하는 데이터를 출력할 수 있다. 홀로그램은 디스플레이 장치에 인코딩될 수 있다. 결과적으로, 디스플레이 장치는 고스트 이미지의 형성 없이 필요한 가상 이미지 거리에서 뷰어에 의해 허상이 인지될 수 있도록 하는 방식으로 광을 변조하도록 조정될 것이다.
이 방법(1400)은 가상 이미지 내의 복수의 가상 포인트 각각에 대해 실질적으로 동시에(또는 매우 빠르게 연속적으로) 수행될 수 있으므로, 주어진 보기 설정과 특정 수치 측정 및 제약 조건에 대해 전체 가상 이미지에 대한 적절한 홀로그램이 유도되고 디스플레이 장치 상에서 매우 빠르게 인코딩 될 수 있다. 디스플레이 장치의 식별 및/또는 필요한 튜닝에 영향을 줄 수 있는 변경 사항이 있는 경우 이 방법이 다시 실행될 수 있다. 프로세서는 시간 제어 루프에서, 및/또는 변경이 발생했음을 나타내는 신호에 응답하여, 및/또는 필요한 가상 이미지의 콘텐츠 또는 아이덴티티가 변경될 때 이 방법을 다시 실행하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 이전에 계산된 데이터를 저장하기 위해 메모리를 포함하거나 메모리와 통신할 수 있다. 예컨대, 특정 세트의 측정 및/또는 제약 하에서 특정 가상 이미지 또는 가상 포인트에 대한 디스플레이 장치의 활성 영역(들)을 나타내는 룩업 테이블 또는 다른 저장 수단이 제공될 수 있다.
이 방법(1400)은 다수의 상이한 가상 이미지를 빠르게 연속적으로 표시하기 위해 및/또는 사용자의 움직임과 같은 조건의 변화에 정확하게 응답하기 위해 매우 빠르게 실행(또는 재실행)될 수 있다. 도 12의 시스템에는 하나의 눈만 도시되어 있지만, 이 방법(1400)은 뷰어의 두 눈을 모두 고려하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 위의 특정 설명이 개구 폭을 언급할 수 있지만, 동공(및 개체를 관찰하기 위한 대부분의 다른 개구)은 2차원이고 이들 2차원 각각에서 크기를 변경할 수 있음을 인식할 것이다. 이 방법은 2차원 개구 크기 및 그에 대한 변경을 고려하도록 구성될 수 있다.
홀로그램 계산 - 예시 2
전술된 도 13 및 도 14의 방법은 포인트 클라우드 홀로그램 계산 방법을 포함하지만, 본 발명자들에 의해 이루어진 인식은 프르넬 및 푸리에 홀로그램 계산 방법을 포함하는 임의의 적절한 방법으로 확장된다. 즉, 본 발명자들은 홀로그램이 다수의 상이한 가능한 방법 중 하나로 계산될 수 있으며, 뷰어로부터 상대적으로 먼 거리에 위치하고 뷰어가 고스트 이미지 없이 디스플레이 장치의 상류에 유한 거리에서 가상 이미지를 보기 위해 도파관이 디스플레이 장치 및 뷰어 사이에 적절하게 위치한 상대적으로 작은 디스플레이 장치 상에 표시될 수 있음을 인식하였다. 또한, 이는 중간(interim) 홀로그램 재구성이 형성되지 않고 홀로그램의 광을 뷰어의 눈에 직접 투사하여 수행될 수 있다.
예를 들어, 본 발명자들은 도 15에 도시된 광학 시스템을 위한 홀로그램을 계산하는 방법을 고안하였다. 중요한 것은 디스플레이 장치가 상대적으로 작고 투사 거리가 상대적으로 길다는 점이다. 홀로그램은 뷰잉 시스템에 직접 투사되며 이 방법은 실시간으로 구현될 수 있다. 위의 도 6a 및 이후의 도면들에 도시된 구성과 같이, 디스플레이 장치의 상대적으로 작은 크기와 상대적으로 긴 투사 거리로 인해 동공확장기가 필요하다. 이 방법은 동공확장기를 통해 다양한 경로를 처리하며 뷰잉 시스템의 입사개구(들)의 크기 및 모양을 고려한다. 또한, 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 15는 이미지의 홀로그램을 표시하도록 동작가능한 공간 광 변조기(1501)를 도시한다. 이 실시예에서, 공간 광 변조기(1501)는 수신된 광의 위상을 변조하도록 구성된 실리콘 상의 액정 디바이스이다. 공간 광 변조기(1501)는 도시되지 않은 광원으로부터의 적어도 부분적으로 가간섭성 광에 의해 조사된다. 광원은 레이저 다이오드일 수 있다. 공간 광 변조기(1501)는 디스플레이 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 광을 출력한다. 도 15는 예로서 공간적으로 변조된 광의 하나의 광선(1502)을 도시한다. 일반적으로 공간 광 변조기(1501)에 의해 출력된 공간적으로 변조된 광의 다수의 광선이 있음이 이해될 것이다. 공간적으로 변조된 광은 동공확장기(1503)에 의해 수신된다. 동공확장기(1503)는 디스플레이 장치(1501)의 평면에 대해 기울어진다. 따라서 동공확장기(1503)는 비수직 입사로 광을 수신한다. 입사각(광축이 동공확장기와 이루는 각도)은 10 내지 20 도와 같이 25도 미만일 수 있다. 동공확장기는 공간적으로 변조된 광을 수신하는 입력 표면(1503a) 및 출력 표면(1503b)을 포함한다. 입력 표면(1503a) 및 출력 표면(1503b)은 실질적으로 평행하고 동공 확장 방향으로 연장된다. 입력 표면(1503a)은 실질적으로 완전히 반사인(예를 들어, R = 1) 적어도 일부를 포함한다. 출력 표면(1503b)은 반사율이 높지만 부분적으로 투과하는(예를 들어, R = 0.9 및 T = 0.1) 적어도 일부를 포함한다. 반사 표면은, 도 6a의 도파관(608)을 참조하여 전술한 바와 같이, 공간적으로 변조된 광이 그 사이에서 앞뒤로 바운스되도록 구성되고, 광은 출력 표면(1503b)을 따라 복수의 지점에서 방출된다. 이 실시예에서, 동공확장기는 실질적으로 세장형이다. 동공확장기는 한 방향, 즉 연장 방향으로, 동공 확장을 제공하지만, 본 개시는 동공을 직교 방향으로 확장하도록 구성된 제2 동공확장기의 존재를 포함하도록 확장될 수 있다.
도 15는 광선(1502)이 서로 다른 거리(Z0, Z1 및 Z2)와 각각 관련된 3개의 전파 경로(1505)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, 동공확장기의 2 번의 내부 반사(각 표면당 하나씩)에 해당한다. 도시된 가장 긴 전파 경로는 Z2에 해당하고 동공확장기의 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 15는 3개의 평면 ｘ0, ｘ1 및 ｘ2가 ｘ-방향으로 서로 오프셋되는 방법을 도시한다.
도 15는 입사 동공(1507), 렌즈(1509) 및 광 센서(1511)를 포함하는 뷰잉 시스템(1513)을 더 도시한다. 실시예에서, 뷰잉 시스템(1513)은 인간의 눈이고 광 센서(1511)는 눈의 망막이다. 도 15는 각각의 전파 경로와 관련된 광 필드의 일부만이 입구(1507)를 통과하는 방법을 보여준다. 도 15는 입사 동공(1507)의 중심을 통과하는 중거리 전파 경로의 중심과 관련된 광선을 도시한다. 그러나, 예를 들어, 최단 전파 경로의 광 필드의 중심과 관련된 광선은 개구(1507)의 상부에 의해 차단된다. 그러나 최단 전파 경로의 광 필드와 관련된 다른 광선은 개구(1507)을 통과할 수 있다. 최장 전파 경로의 광 필드의 중심과 연관된 광선은 개구(1507)의 하부에 의해 차단된다. 그러나, 최장 전파 경로의 광 필드와 관련된 다른 광선은 개구(1507)을 통과할 수 있다.
개구(1507)를 통과하는 광은 렌즈(1509)에 의해 광 센서(1511)에 집속된다. 광 센서(1511)의 평면은 디스플레이 장치(1501)의 평면에 실질적으로 평행하고, 따라서 동공확장기(1503)의 연장선에 대해 기울어진다.
도 15는 단지 예로서 공간적으로 변조된 광의 단일 광선(1502)의 3 개의 가능한 광 전파 경로를 도시한다. 본 개시는 전파 경로의 수에 의해 제한되지 않는다. 즉, 통상의 기술자가 다음 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 방법은 임의의 수의 광 전파 경로를 고려하도록 확장될 수 있다. 마찬가지로, 동공확장기가 디스플레이 평면 및 센서 평면에 대해 기울어지는 것이 필수적인 것은 아니다.
본 발명자들은 공간적으로 변조된 광이 뷰어의 눈에 올바르게 도달하도록 상이한 동공확장기 장치의 범위, 동공확장기 내에서 광의 반사 수, 및 이에 따른 임의의 수의 광 전파 경로에 대한 적절한 홀로그램을 계산하는 데 이용할 수 있는 도 16과 관련하여 아래에 설명되는 방법을 고안했다. 중요한 것은 뷰잉 시스템의 입구 개구의 크기와 형상를 고려하여 이미지에 필요한 모든 광이 뷰어에 도달할 수 있다는 것이다.
도 16은 방법의 과정을 나타내는 순서도이다. 방법은 이미지 평면과 홀로그램 사이에서 앞뒤로 수학적 변환을 이용하여 공간 광 변조기(1501)의 업스트림에서 유한한 거리에 형성될 수 있는 가상 이미지일 수 있는 이미지에 해당하는 위상 홀로그램에 수렴하는 게르흐버그-색스톤 유형 알고리즘과 유사하다. 이미지 평면 또는 홀로그램 평면으로의 각 전파 후 광 필드의 진폭 성분은 수정되거나 제한되지만 위상 성분은 유지된다.
방법의 제0 과정은 과정 1602 및 과정 1604를 포함한다. 제0 과정은 제0 복소 광 필드를 형성하는 과정을 포함한다. 과정 1602는 제0 복소 광 필드의 위상 성분을 형성하는 랜덤 위상 시드를 제공한다. 과정 1604는 제0 복소 광 필드의 진폭 성분을 제공한다. 진폭 성분은 단위이거나 홀로그램에서 이미지를 재구성하는 데 이용되는 광원의 광을 나타내는 진폭 분포일 수 있다.
과정 1606에서, 제0 복소 광 필드는 공간 광 변조기(1501)로부터(즉, 홀로그램 평면으로부터) 뷰잉 시스템(713)의 입사 동공(1507)으로(더 구체적으로, 뷰잉 시스템(713)의 입사 동공(1507)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 1606은 각각의 광 전파 경로에 대해 동공확장기(1503)에 의해 제공되는 각각의 복수의 바운스 또는 내부 반사가 복소 광 필드를 형성하는 것을 수행된다. 과정 1606은 입사 동공(1507)의 평면에서 ｘ-방향의 복소 광 필드의 측방향 위치와 동공확장기(1503) 내의 각 반사 상의 위상 변이를 고려하는 것을 포함한다. 상이한 복소 광 필드는 예를 들어 합산에 의해 결합될 수 있다. 제1 과정은 입사 동공(1507)에서 제1 복소 광 필드를 형성하기 위해 입사 동공(1507)의 크기 및 형상에 따라 결합된 복소 광 필드를 자르는(cropping) 과정 1608를 더 포함한다.
방법의 제2 과정은 과정 1610 및 1612를 포함한다. 과정 1610에서, 제1 복소 광 필드는 입사 동공으로부터 렌즈(1509)를 통해 광 센서(711)의 평면으로 전파함으로써 제2 복소 광 필드가 결정된다. 과정 1612는 광 센서(711)에 도달하는 복소 광 필드의 진폭 성분을 수정하는 과정을 포함한다. 보다 구체적으로, 과정 1612는 복소 광 필드의 진폭 성분을 대상 이미지의 진폭 성분 또는 대상 이미지의 진폭 성분의 가중치 버전과 같은 대상 이미지의 진폭 성분에 기초한 진폭 성분으로 대체하는 과정을 포함한다. 전파에 이용되는 렌즈(1509)의 위치는 이미지 거리를 결정한다. 즉, 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(1509)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(1509)를 통해 입사 동공(1507)으로 다시 전파되는 과정 1614를 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(1507)의 크기 및 형상에 따라 전파된 광 필드를 자르는 과정을 포함한다.
제4 과정은 과정 1616 및 1618을 포함한다. 과정 1616에서, 광은 동공확장기의 복수의 광 전파 경로를 통해 공간 광 변조기(1502)의 평면으로 제1 과정과 관련하여 상술한 문제 - 그러나 물론 반대 광 방향(즉, "역" 전파)으로 다시 전파된다. 과정 1618은 디스플레이 장치의 활성/픽셀 영역의 크기 및 위치에 따라 전파된 광 필드를 자르는 과정을 포함한다. 각 복소 광 필드의 복소수 값의 수는 디스플레이 장치의 픽셀 수보다 작거나 같을 수 있다.
과정 1620은 제4 복소 광 필드로부터 홀로그램을 추출하는 과정을 포함한다. 홀로그램은 제4 복소 광 필드의 위상 값을 포함할 수 있으며, 이 경우 홀로그램은 키노폼으로 지칭될 수 있다. 본 방법은 이미지 평면(즉, 제3 과정)에서 동등하게 시작할 수 있다. 본 개시에 따르면 각 과정의 적어도 하나의 반복이 필요하다. 도 17a 및 도 17b는 이 방법 및 도 13 및 도 14의 방법 의해 형성된 홀로그램을 묘사한다.
채널링
홀로그램
본 발명자들은 계산 방법에 관계없이, 본 개시에 따라 계산되는 홀로그램(또는, "키노폼" 또는 "회절구조")은 고유한 특성을 가지며, 이는 기존의 홀로그램 계산 방법을 이용하여 관찰할 수 있거나 달성할 수 없다는 것을 발견하였다.
요약하면, 본 개시에 따라 계산된 홀로그램은 표시되고 조사되는 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 동공확장기와 함께 작동하여 뷰잉 거리가 비교적 크고 디스플레이 장치가 상대적으로 작은 경우에도 뷰어가 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 뷰어의 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 측면에 따라, 본 발명자들은, 전술된 바와 같이 홀로그램이 "포인트 클라우드" 방법으로 계산될 때 각 가상 이미지 포인트는 디스플레이 장치의 상이한 대응하는 1차 기여 영역에 따라 제한된다. 본 발명자들은 또한 이것이 가상 이미지의 다른 부분(즉, 다른 가상 이미지 포인트)으로부터의 광이 시스템을 통한 다른 광학 경로를 따른다는 것을 의미한다는 것을 인식했다. 이와 유사하게, 본 개시의 일 측면에 따라, 본 발명자들은, 예를 들어 위의 도 16에 도시된 방법을 통해 프레넬 전파를 이용하여 홀로그램이 계산될 때, 이미지는 각각 상이한 부분에 대응되는 공간적으로 변조된(즉, "홀로그래픽") 광은 각각 상이한 광경로를 따른다. 따라서, 본 발명자들은 홀로그램(계산 방법에 관계 없이)이 뷰어의 눈에 각각의 광경로를 동시에 지향하기 위해 이용될 수 있고, 이로써 뷰어가 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 동공확장기가 디스플레이 장치와 함께 이용되어 계산된 홀로그램(들)을 표시할 수 있다.
도 17a 및 도 17b에 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 17a 및 17b에서, 간단히 말해서, (i) 가상 이미지는 복수의 개별 가상 이미지 컴포넌트 또는 영역을 포함하고 (ii) 각 가상 이미지 컴포넌트의 광은 도파관(1708) 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 17a는 8개의 개별 이미지 영역/컴포넌트(V1 내지 V8)를 포함하는 프로젝션을 위한 이미지(1752)를 도시한다. 도 17a는 단지 예로서 8개의 이미지 컴포넌트를 도시하고 이미지(1752)는 임의의 수의 컴포넌트로 분할될 수 있다. 도 17a는 또한 홀로그램(본 명세서에 개시된 바와 같이 계산됨)이 적절하게 표시되고 조사될 때 형성되는 인코딩된 광 패턴(즉, 홀로그래픽 광의 패턴)(1754)을 도시한다. 인코딩된 광 패턴(1754)은 이미지(1752)를 재구성 - 예를 들어, 뷰어의 눈과 같은 적절한 뷰잉 시스템의 렌즈에 의해 변형될 때 - 할 수 있다. 인코딩된 광 패턴(1754)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 계산 방법으로 인해 발생하며 도 17b에 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, 자르기)된다. 따라서 최적의 디스크의 크기와 형상은 뷰잉 시스템의 입사 동공의 크기 및 형상과 관련이 있을 수 있다.
이러한 유형의 홀로그램은 어떠한 방법으로도 계산될 수 있음이 이해될 것이며, 본 발명자들의 핵심 인식은 이러한 유형의 홀로그램이 상대적으로 작은 디스플레이 장치를 사용하여 상대적으로 넓은 시야를 전달할 수 있다는 점이다. 본 명세서에 개시된 홀로그램 거동은 동공 확장기와 같은 홀로그램 복제기와 상승작용적이다. 본 명세서에 개시된 홀로그램 시스템은 특히 헤드업 디스플레이와 상승작용적이다.
홀로그램에서 출력되는 홀로그래픽 광의 채널은 (뷰어가 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 구성과 비교함으로써 더 이해될 수 있다. 그러나 이러한 다발 중 하나만으로부터의 광은 주어진 눈 위치에서 뷰어의 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 뷰어의 눈과 같은 뷰잉 시스템의 입구 개구가 상대적으로 작고 뷰잉 거리가 상대적으로 클지라도 뷰어가 전체 이미지를 보고 인식할 수 있게 한다. 다시 말해서, 그리고 비제한적인 예로서, 홀로그램은 도 4에 도시된 모든 5 개의 광선 다발이 동시에 뷰어에 도달할 수 있게 하여 원하는 가상 이미지를 완전히 형성할 수 있다.
중요하게도, 이러한 홀로그램은 적절하게 표시되고 조사될 때 디스플레이 장치가 홀로그래픽 광의 채널들을 출력하게 하며, 홀로그래픽 광의 각 채널은 원하는 이미지/물체의 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 뷰어 사이에 위치한 적절한 도파관 또는 다른 동공확장기에 의해 안내될 수 있도록 구체적으로 구성되어, 채널들 각각이 - 이미지의 각(즉, 모든) 부분에 해당하는 홀로그래픽 광이 - 뷰어에 의해 동시에 수신될 수 있도록 한다. 더욱이, 각각의 채널은 적어도 일부 실시예에서 단 한번만 수신될 수 있다.
도 17c는 도 17a 및 17b에 예시된 인식에 따라 개선된 뷰잉 시스템(1700)을 도시한다. 도 13의 방법(1300) 또는 도 14의 방법(1400) 또는 도 16의 방법 또는 다른 임의의 적절한 방법은 도 17a 내지 도 17c에 의해 예시된 방식으로 홀로그램을 계산하기 위해 적용될 수 있다.
뷰잉 시스템(1700)은 이 구성에서 LCOS(1702)를 포함하는 디스플레이 장치를 포함한다. LCOS(1702)는 홀로그램을 포함하는 변조 패턴(또는 '회절패턴')을 표시하고 개구(1704)로서 작용하는 동공, 렌즈(1709), 및 뷰잉 평면으로서 작용하는 망막(미도시)을 포함하는 눈(1705)을 향해 홀로그래픽적으로 인코딩된 광을 투사하도록 구성된다. LCOS(1702)를 조사하도록 구성된 광원(미도시)이 있다. 광원은 예를 들어 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 홀로그램은 전체 홀로그램이 단일 광선(또는 단일 광선 다발)에 의해 조사될 수 있도록 구성된다. 여기에 설명된 바와 같이 기능하기 위해 다중 광원 또는 예를 들어 홀로그램을 조사하기 위해 서로 다른 파장의 복수의 광선이 필요하지 않다.
눈(1705)의 렌즈(1709)는 홀로그램을 이미지 변환으로 수행한다. 따라서 LCOS와 눈(1705) 사이에는 이미지의 홀로그래픽 재구성이 없다.
뷰잉 시스템(1700)은 LCOS(1702)와 눈(1705) 사이에 위치된 도파관(1708)을 더 포함한다. 도 17c의 투사 거리는 비교적 클 수 있다. 그러나, 이전 도면과 관련하여 설명된 바와 같이, 도파관(1708)의 존재는 LCOS(1702)로부터의 모든 각도 콘텐츠가 이 비교적 큰 투사 거리에서도 눈(1705)에 의해 수신될 수 있게 한다. 이것은 도파관(1708)이 위에서 설명된 방식으로 동공확장기로서 작용하기 때문이다.
추가적으로, 이 구성에서, LCOS(1702)가 여기에 설명된 방법에 따라 인코딩되었을 때, 도파관(1708)은 LCOS(1702)로부터의 광과 뷰어가 인식할 가상 이미지 사이의 고유한 관계를 설정하기 위해 LCOS(1702)에 대해 비스듬히 배향될 수 있다. 도파관(1708)의 크기, 배치 및 위치는 각 홀로그래픽 채널의 광- 및 가상 이미지의 각 부분으로부터의 광이 도파관(1708)에 들어가고 그것의 연장 축을 따라 안내되어 도파관(1708)의 실질적으로 평평한 표면 사이에서 바운스되도록 구성된다. 광이 (눈(1705)에 가장 가까운)제2 평면에 도달할 때마다 일부 광은 투과되고 일부 광은 반사된다.
도 17c은 도파관(1702)의 길이를 따라 총 9개의 "바운스" 지점(B0 내지 B8)을 도시한다. 독자는 이미지(1752)의 중심이 비어 있음을 알 수 있다. 도 17c는 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 특정 한 각각의 이미지 부분에 대응하는 채널 H1 내지 H8 중 하나의 광)만이 각각의 "바운스" 지점(B0 내지 B8)으로부터 눈(1705)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(1705)에 도달한다. 도 17c는 각각의 "바운스" 지점에서 방출되는 모든 다른 홀로그래픽 광 채널의 광을 도시하고(각 투과 지점에서 복수의 짧은 화살표로 표시됨), 각각의 눈(1705)에 대한 각각의 (해당 바운스 지점에서 눈(1705)에 실제로 도달할 고유한 개별 이미지 부분(즉, 고유한 개별 각도 이미지 콘텐츠)에 해당하는)채널의 광경로만 도시한다. 각 바운스지점에 대해 눈에 도달하는 것으로 표시된 광경로의 채널은 도파관의 각각의 부분에서 가상 이미지의 각 부분에 기여할 채널이다. 예를 들어, 제0 바운스(B0)의 경우, 도파관(1708)에 의해 투과된 광은 단순히 굴절되고 내부에서 어떠한 반사도 겪지 않는다. 제8 홀로그래픽 채널의 광(H8)은 제0 바운스(B0)에서 눈에 도달한다. 다음 바운스(B1)의 경우, 도파관(1702)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(1708)에 의해 투과된 광이 8 번의 바운스를 겪을 때까지 계속되어 눈(1705)에 도달하고 제1 홀로그램(H1)에 따라 인코딩된 광을 포함한다. 이 구성에서, 각 채널로부터의 광은 도파관 상의 복수의 상이한 개별 바운스 지점으로부터 각 하나는 뷰어에게 동시에 도달하게 된다. 따라서 뷰어는 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 17a 내지 도 17c에 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 구성은, 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 공간적으로 변조된 광이 발생되는 홀로그램을 포함하는 회절패턴(또는 광 변조 패턴)을 가능하게 할 수 있다.
따라서, 디스플레이 장치가 적절한 광원에 의해 조사될 때 뷰어가 선명한 이미지를 볼 수 있도록 홀로그램이 계산되고 적절한 디스플레이 장치에 표시될 수 있게 하는 개선된 방법들 및 구성들이 여기에 설명된다. 뷰어가 보는 이미지는 고스트가 없을 수 있으며, 적어도 일부 실시예에서는 단일 메인 이미지에 기여하는 대신 통상적으로 고스트 이미지에 기여했을 광의 기여에 의해 더 밝아질 수 있다. 더욱이, 이는 디스플레이 장치와 뷰어의 뷰잉 개구(들)(즉, 눈(들))가 상대적으로 매우 작고 뷰잉 거리는 상대적으로 크더라도 디스플레이 장치로부터 (무한대라기 보다는) 유한한 거리에서 뷰어가 가상 이미지와 같은 이미지를 볼 수 있도록 할 수 있다.
여기에 설명된 개선된 방법 및 구성은 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 구성은 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 구성은 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 논의되었지만, 여기에 설명된 개선된 방법 및 구성은 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(micromirror) 장치 또는 마이크로전자기계(microelectromechanical) 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 시스템은 개선된 헤드업 디스플레이(HUD) 또는 헤드마운트 디스플레이를 제공하기 위해 사용될 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 뷰어가 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 조사 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 본 명세서에 개시된 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 포함 할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 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 청구 범위 및 그 균등물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.
Claims (18)
- 뷰잉 시스템(viewing system)에 의해 이미지로 변환될 수 있는 광을 공간적으로 변조(spatially modulate)하도록 배치된 회절구조로서,
상기 회절구조는 광을 복수의 홀로그램 채널들로 라우팅(route)하도록 구성되고, 각 홀로그램 채널은 상기 이미지의 상이한 부분에 대응하는 회절구조. - 제1 항에 있어서,
상기 홀로그램 채널들이 상이한 각각의 각도들로 상기 회절구조로부터 전파하도록 배치된 회절구조. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 각 홀로그램 채널은, 상기 이미지의 각기 다른 부분에 따라 공간적으로 변조된 광을 실질적으로 포함하는 회절구조. - 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광의 위상을 공간적으로 변조하도록 배치된 회절구조. - 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
도파관을 통해 상기 광을 라우팅하도록 배치된 회절구조. - 제5 항에 있어서,
상기 도파관은 동공 확장(pupil expansion)을 위해 배치되는 회절구조. - 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 홀로그램 채널에 의해 형성될 수 있는 상기 광 패턴(light pattern)의 단면 형상은 상기 뷰잉시스템의 입구개구(entrance aperture)의 형상에 실질적으로 대응하는 회절구조. - 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 홀로그램 채널들은 공간적으로 분리되거나 또는 적어도 부분적으로 공간적으로 분리되는 회절구조. - 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항의 회절구조, 상기 회절구조로부터 상기 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 배치된 도파관, 및 상기 도파관을 통해 상기 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 배치된 뷰잉 시스템을 포함하는 시스템.
- 제9 항에 있어서,
상기 각 홀로그램 채널의 광이 상기 회절구조로부터 상기 뷰잉시스템까지 상이한 광경로(optical path)를 따르도록 배치된 시스템. - 제10 항에 있어서,
상기 상이한 광경로들은 상기 도파관 내에서 상이한 횟수의 반사들(reflections)을 포함하는 시스템. - 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
상기 상이한 광경로들은 상이한 길이를 갖는 시스템. - 제10 항, 제11 항 또는 제12 항에 있어서,
상기 상이한 광경로들은 상이한 각각의 각도로 상기 뷰잉시스템의 상기 입구개구를 통과하는 시스템. - 제10 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
모든 홀로그램 채널들이 뷰잉평면(viewing plane) 상의 임의의 뷰잉위치(viewing position)에서 상기 뷰잉시스템의 상기 입구개구를 통해 라우팅되도록 상기 도파관이 배치되는 시스템. - 제14 항에 있어서,
상기 도파관은 각각의 허용된(permitted) 뷰잉위치에 대해 하나의 광경로를 통해 상기 뷰잉시스템으로 상기 각 홀로그램 채널만을 라우팅하는 시스템. - 제9 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 홀로그램 채널들 중 적어도 두 개의 홀로그램 채널들은 상기 뷰잉시스템의 상기 입구개구에서 부분적으로 중첩되는(overlapping) 시스템. - 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회절구조는 키노폼(kinoform) 또는 홀로그램인 회절구조 또는 시스템. - 이미지의 홀로그램을 계산하는 방법에 있어서,
조사(illuminated)되면 공간적으로 변조된(spatially modulated) 광을 형성하는 홀로그램을 형성하기 위해 뷰잉시스템(viewing system)의 입사동공(entrance pupil)에 따라 (계산하는 동안의 광경로들을) 자르는 과정(cropping)을 포함하는 적어도 하나의 과정을 포함하되, 상기 공간적으로 변조된 광의 연속 광 채널들은 상기 이미지의 연속 영역에 대응하는 방법.
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