KR20230132721A - 도파관 동공 확장을 위한 광 차단 - Google Patents
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Abstract
광 셔터링 디바이스는 복수의 액정 셀들을 포함하고, 액정 셀 각각은 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호에 응답하여 제 1 광학적 상태 또는 제 2 광학적 상태에서 동작 가능하다. 구동 회로는 복수의 스위치들 및 구동 제어기를 포함한다. 스위치 각각은 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 각각의 액정 셀로 출력하도록 구성된다. 구동 제어기는 업데이트 사이클 동안 스위치 각각의 출력을 순차적으로 업데이트하도록 구성된다. 구동 회로는 업데이트 동안 이루어질 각각의 구동 신호들에 대한 임의의 변화들에 기초하여 업데이트 사이클 동안 스위치들이 순차적으로 업데이트되는 순서를 결정하도록 구성된다.
Description
본 개시는 이미지 투사에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시는 홀로그래픽 투사 (holographic projection) 에 관한 것이다. 일부 실시 예들은 가상 이미지 투사에 관한 것이다. 다른 실시 예들은 실제 이미지의 투사에 관한 것이다. 실시 예들은 도파관 (waveguide) 을 통해 투사된 이미지를 보는 것에 관한 것이다. 실시 예들은 광 셔터링 디바이스 (light shuttering device) 와 같은 제어 디바이스, 및 도파관을 통해 투사되는 이미지의 광을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 일부 실시 예들은 광 셔터링 디바이스를 갖는 도파관 및 화상 생성 유닛 (picture generating unit) 을 포함하는 디스플레이 시스템에 관한 것이다. 일부 실시 예들은 헤드 업 디스플레이 (head-up display) 에 관한 것이다.
객체 (object) 에서 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 모두 포함한다. 이 진폭 및 위상 정보는 예를 들어, 간섭 무늬 (interference fringes) 를 포함하는 홀로그램 기록, 또는 "홀로그램"을 형성하기 위해 공지의 간섭 기법들 (techniques) 에 의해 감광 플레이트 상에 캡처될 수 있다. 홀로그램은 원래 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성, 또는 리플레이 이미지를 형성하도록 적합한 광을 사용한 조사 (illumination) 에 의해 재구성될 수도 있다.
컴퓨터-생성된 홀로그래피는 간섭 프로세스를 수치적으로 시뮬레이팅할 수도 있다. 컴퓨터-생성된 홀로그램은 프레넬 변환 (Fresnel transform) 또는 푸리에 변환 (Fourier transform) 과 같은 수학적 변환에 기초한 기법에 의해 계산될 수도 있다. 이들 타입들의 홀로그램들은 프레넬/푸리에 변환 홀로그램들 또는 단순히 프레넬/푸리에 홀로그램들로 지칭될 수도 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인/평면 표현 또는 객체의 주파수 도메인/평면 표현으로 간주될 수도 있다. 컴퓨터-생성된 홀로그램은 또한 예를 들어 코히어런트 광선 추적 (coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 (point cloud) 기법에 의해 계산될 수도 있다.
컴퓨터-생성된 홀로그램은 입사된 광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 공간적 광 변조기 상에서 인코딩될 수도 있다. 광 변조는 예를 들어, 전기적으로 어드레스 가능한 액정들, 광학적으로 어드레스 가능한 액정들 또는 마이크로 미러들을 사용하여 달성될 수도 있다.
공간 광 변조기는 통상적으로 셀들 또는 엘리먼트들로 또한 지칭될 수도 있는 복수의 개별적으로 어드레스 가능한 픽셀들을 포함한다. 광 변조 스킴 (scheme) 은 이진, 멀티 레벨 또는 연속적일 수도 있다. 대안적으로, 디바이스는 연속적일 수도 있고 (즉, 픽셀들로 구성되지 않음) 따라서 광 변조는 디바이스에 걸쳐 연속적일 수도 있다. 공간 광 변조기는 변조된 광이 반사되어 출력된다는 것을 의미하는 반사성일 수도 있다. 공간 광 변조기는 변조된 광이 투과시 출력된다는 것을 의미하는 투과성일 수도 있다.
홀로그래픽 프로젝터 (holographic projector) 는 본 명세서에 기술된 시스템을 사용하여 제공될 수도 있다. 이러한 프로젝터들은 예를 들어, 헤드 업 디스플레이들 (head-up displays), "HUD", 및 광 검출 및 거리 측정 (light detection and ranging), "LIDAR"에 적용된다.
본 개시의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 규정된다.
본 개시는 이미지 투사에 관한 것이다. 본 발명은 이미지 투사 방법 및 디스플레이 디바이스를 포함하는 이미지 프로젝터에 관한 것이다. 본 개시는 또한 이미지 프로젝터 및 뷰잉 시스템을 포함하는 투사 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 특히 양안 뷰잉 시스템 (binocular viewing system) 에 적용 가능하다. 뷰잉 시스템은 뷰어의 눈 또는 눈들을 포함할 수도 있다. 뷰잉 시스템은 광학 배율 (optical power) 을 갖는 광학 엘리먼트 (예를 들어, 인간 눈의 렌즈/렌즈들) 및 뷰잉 평면 (예를 들어, 인간 눈/눈들의 망막들) 을 포함한다. 이미지 프로젝터는 "디스플레이 시스템" 또는 "광 엔진 (light engine)"으로 지칭될 수도 있다. 디스플레이 디바이스 및 디스플레이 디바이스를 사용하여 형성된 (또는 지각된) 이미지는 서로 공간적으로 분리된다. 이미지는 디스플레이 평면 상에서 형성되거나, 뷰어에 의해 지각된다. 일부 실시 예들에서, 이미지는 가상 이미지이고 디스플레이 평면은 가상 이미지 평면으로 지칭될 수도 있다. 이미지는 공간 광 변조기 (예를 들어, LCOS 공간 광 변조기) 와 같은 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이된 회절 구조 (예를 들어, 홀로그램) 의 회절 패턴을 조사함으로써 형성된다.
본 명세서에 참조로서 인용된, 2021년 6월 14일에 "Waveguide Pupil Expansion"라는 명칭으로 출원된 출원인의 공동 계류 중인 영국 특허 출원 GB2108456.1은 이러한 프로젝션 시스템의 예들을 개시한다. 프로젝션 시스템은 이미지 프로젝터와 뷰잉 시스템 사이의 광학 경로에 도파관을 사용한다. 도파관은 시계 (field of view) 를 확장하도록 동작하고, 따라서 디스플레이 디바이스의 전체 회절 각도가 사용될 수도 있는 최대 전파 거리를 증가시킨다. 도파관의 사용은 또한 사용자의 아이-박스를 측 방향으로 증가시킬 수 있고, 따라서 사용자가 이미지를 볼 수 있게 하는 동안 눈(들)의 일부 운동이 발생하게 한다. 따라서 도파관은 도파관 동공 확장기 (waveguide pupil expander) 로서 지칭될 수도 있다.
GB2108456.1에 개시된 프로젝션 시스템에서, 디스플레이 디바이스는 "홀로그램 채널들"로 지칭되는 복수의 채널들로 광을 라우팅하도록 구성된 특수한 타입의 홀로그램을 디스플레이하고, 여기서 채널 각각은 이미지의 상이한 부분 (즉, 서브-영역) 에 대응한다. 홀로그램 채널 각각은 동일한 홀로그램 채널의 광이 동일한 각도, 또는 각도들의 범위로 투과 지점 각각으로부터 전파되도록, 도파관 상의 복수의 상이한 투과 지점들 각각으로부터, 뷰잉 시스템을 향해 방출된다. 따라서, 홀로그램 채널 각각은 "각도 채널 (angular channel)"로 지칭될 수도 있다. 즉, 홀로그램 채널 각각은 이미지의 상이한 각각의 부분에 따라 공간적으로 변조된 광을 포함할 수도 있고, 따라서 상이한 각각의 이미지 콘텐츠에 대응한다. 동일한 이미지 콘텐츠의 광은 투과 지점들이 도파관의 "출력 포트"를 형성하는 출력 표면의 길이를 따라 서로 공간적으로 분리되더라도, 도파관의 표면에 대해 동일한 각도로, 또는 동일한 각도 범위 내에서, 도파관 상의 복수의 상이한 투과 지점들로부터 방출될 수도 있다.
프로젝션 시스템은 개별 홀로그램 채널 각각의 2 개 이상의 인스턴스가 뷰잉 시스템의 개별 눈, 또는 개별 뷰잉 어퍼처 또는 뷰잉 윈도우에 도달하지 않도록 구성될 수도 있다. 그러나, 뷰잉 시스템이 복수의 뷰잉 어퍼처들을 갖는 것이 일반적이고, 각각 상이한 위치를 점유하고 따라서 각각 상이한 각각의 뷰잉 포지션을 규정한다. 예를 들어, 인간 뷰어는 통상적으로, 본질적으로 서로 공간적으로 분리된 2 개의 눈을 갖는 뷰잉 윈도우 또는 "아이-박스" 내 이미지를 본다. 따라서, 동일한 (즉, 공통) 홀로그램 채널의 광의 복수의 인스턴스들이, 실질적으로 동시에 뷰잉 시스템의 각각의 복수의 뷰잉 어퍼처들/윈도우들 (또한 "입사 동공들 (entrance pupils)"로 지칭될 수도 있음) 에 도달할 위험이 있다. 이것이 발생하면, 뷰어의 뇌―또는 인간이 아닌 뷰잉 시스템과 연관된 프로세서―는 눈들 또는 뷰잉 어퍼처들이 상이한 각각의 뷰잉 위치들에 있다는 사실에도 불구하고, 두 눈 (또는 두 뷰잉 어퍼처 또는 모든 뷰잉 어퍼처) 이 동일한 이미지 콘텐츠의 광 (즉, 이미지의 동일한 부분 또는 지점의 광) 을 동일한 각도로 수신했다는 것을 인지할 것이다. 이는 통상적으로 2 개의 상이한 뷰잉 위치들이 확립된 수학적 원리들에 기초하여, 상이한 각각의 각도들로 공통 지점으로부터 광을 수신해야 하기 때문에, 뷰어 또는 뷰잉 시스템에 대해 반직관적이다.
따라서, GB2108456.1은 이 문제를 해결하기 위해 도파관에 의해 방출된 광을 제어하기 위한 제어 디바이스 및 방법을 제안한다. 실시 예들은 "도파관 어퍼처 (waveguide aperture)"를 형성한다고 할 수도 있는 "광 셔터링 디바이스 (light shuttering device)"의 형태의 제어 디바이스를 포함한다. 광 셔터링 디바이스는 도파관에 의해 방출되는 공간적으로 변조된 광의 전파를 선택적으로 차단하거나 방지하도록, 그리고 뷰잉 시스템을 향한 나머지 공간적으로 변조된 광의 전진 (onward) 전파하게 하도록 구성될 수도 있다. 특히, 광 셔터링 디바이스는 도파관에 의해 방출되는 공간적으로 변조된 광의 하나 이상의 채널들의 전파를 선택적으로 차단하거나 방지할 수도 있고, 그리고 뷰잉 시스템을 향한 하나 이상의 각각의 다른 채널들의 전진 전파를 허용한다. 제어 디바이스는 도파관으로부터 광을 선택적으로 방출하고 차단하기 위해, 하나 이상의 개구부들, 또는 어퍼처들, 및 하나 이상의 벽들, 또는 배리어들을 포함할 수도 있다. 제어 디바이스는 미리 결정된 (given) 시간에 제어 디바이스의 어느 부분(들)이 개구부로서 작용하고 그리고 제어 디바이스의 각각의 다른 부분(들)이 배리어로서 작용하는지를 선택하고 그리고/또는 변화시키기 위해 동적으로 구성될 수도 있다. 제어 디바이스는 개구부들 및 배리어들의 배열―사이즈 및 포지션을 포함함―을 규정하는 복수의 "구성들" 또는 "광 차단 구성들"을 포함할 수도 있다고 할 수도 있다. 제어 디바이스의 광 차단 구성들은 미리 결정되거나 실시간으로 결정될 수도 있다. 광 차단 구성들은 또한 본 명세서에서 제어 디바이스의 "스테이지들 (stages)" 또는 "페이즈들 (phases)"로 지칭된다.
본 개시는 제어 디바이스의 개선들에 관한 것이다. 특히, 기술된 제어 디바이스는 확장된 유출 동공을 형성하는 도파관의 외부 출력 표면 (즉, 출력 포트) 에 인접하게 포지셔닝된 광 셔터링 디바이스를 포함한다. 따라서, 광 셔터링 디바이스는 도파관과 뷰잉 시스템 사이의 광학 경로를 따라 포지셔닝된다. 개선된 제어 디바이스는 도파관 상의 상이한 지점들로부터 투과된 동일한 홀로그램 채널의 광이 실질적으로 동시에 뷰잉 시스템의 2 개 이상의 입사 동공(들)에 도달하지 않도록 광을 선택적으로 차단하기 위한 특정한 애플리케이션을 가질 수도 있다.
GB2108456.1에 기술된 바와 같이, 광 차단 구성이 동적으로 변화되거나 신속하게 "스위칭"될 수 있도록 제어 디바이스가 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 일부 구현 예들에서, 제어 디바이스의 스위칭 가능한 엘리먼트 각각은 0.1 ㎳ 미만의 시간 기간 내에 업데이트될 수 있는 것이 바람직하다.
본 개시의 광 셔터링 디바이스는 복수의 픽셀들, 예컨대 픽셀들의 1 차원 어레이로서 구성되고, 픽셀 각각은 도파관의 길이를 따라 대응하는 투과 지점으로부터 광을 선택적으로 차단하기 위한 "셔터"를 형성한다. 실시 예들에서, 픽셀들은 2 개의 광학적 상태들에서 동작 가능한 액정 셀들이다. 일 광학적 상태에서, 액정 셀은 광의 투과를 방지하도록, 도파관 상의 대응하는 포지션 (또는 영역) 으로부터 입사된 광을 차단 (예를 들어, 흡수 또는 반사) 한다. 다른 광학적 상태에서, 액정 셀은 투명하여, 도파관 상의 대응하는 포지션 (또는 영역) 으로부터 입사된 광이 이를 통해 투과된다. 광 셔터링 디바이스의 픽셀들은 당업계에 공지된 바와 같이 구동 신호들에 의해 제어된다. 그러나, 박형-셀 액정 디바이스의 픽셀들과 같은 일부 액정 셀들에 대해, 제 2 광학적 상태로부터 제 1 광학적 상태로 스위칭하는 시간 기간은 제 1 광학적 상태로부터 제 2 광학적 상태로 또는 그 반대로 스위칭되는 시간 기간보다 더 길다. 예를 들어, 스위칭 시간 기간은 액정 셀이 새로운 상태 (제 2 광학적 상태) 로 "구동"될 때와 비교하여 액정 셀이 새로운 상태 (제 1 광학적 상태) 로 "릴랙스"될 (relax) 때보다 더 길다.
본 개시는 광 셔터링 디바이스의 픽셀들에 대한 스위칭 시간 기간이, 이에 따라 액정 셀이 새로운 상태로 "릴랙싱하는" 방향으로 스위칭할 때, 성능이 절충되도록 애플리케이션 요건들에 대해 너무 길다는 기술적 문제를 해결한다. 특히, 광 셔터링 디바이스가 ―예컨대 디스플레이의 프레임 업데이트 동안 광원을 스위칭 오프하거나 "게이팅"하는 것과 연관된 시간 기간 내에서― 충분히 신속하게 스위칭하지 않는다면, 광 셔터링 디바이스의 픽셀들 중 일부는 다음 이미지 프레임의 디스플레이가 존재할 때 업데이트되지 않을 수도 있다. 광 셔터링 디바이스의 구성의 업데이트가 불완전하다고 할 수도 있다. 그 결과, 광이 미리 결정된 프레임 동안 도파관으로부터 전파되는 것이 정확하게 선택적으로 차단되거나 방지되지 않을 수도 있는 위험이 있다. 예로부터, 차단되어야 하는 광은 뷰잉 시스템으로 전파될 수도 있고 그리고/또는 뷰잉 시스템으로 전파되도록 허용되어야 하는 광은 차단될 수도 있다. 일부 예들에서, 동일한 각도 홀로그램 채널의 광이 여전히 상기 기술된 바와 같이, 도파관으로부터 뷰잉 시스템으로 복수의 투과 지점들로부터 전파될 수도 있는 위험이 있다.
본 개시에 따라, 광 셔터링 디바이스의 픽셀 각각은 제 1 구동 신호 및 제 2 구동 신호 중 하나에 의해 직접 구동되고, 제 1 구동 신호는 픽셀을 제 1 광학적 상태로 스위칭하고 제 2 구동 신호는 픽셀을 제 2 광학적 상태로 스위칭한다. 게다가, 광 셔터링 디바이스의 구성을 업데이트하는 업데이트 사이클 동안, 광 셔터링 디바이스의 픽셀들이 구동되는 순서는 업데이트 동안 이루어질 각각의 구동 신호들에 대한 임의의 변화들에 기초하여 결정된다. 특히, 광 셔터링 디바이스의 픽셀들이 구동되는 순서는 픽셀의 스위칭 시간 기간을 보상하도록 결정될 수도 있다. 특히, 광 셔터링 디바이스의 픽셀들이 구동되는 순서는 상대적으로 느린 상태 변화 스위치들이 먼저 이루어지도록 결정될 수도 있다. 이러한 방식으로, 광 셔터링 디바이스는 유리하게 신속하게 (특히, 광 셔터링 디바이스가 사용되는 디스플레이 디바이스의 프레임 레이트와 적어도 매칭하도록 충분히 신속하게) 업데이트될 수도 있다. 따라서, 픽셀들의 불완전한 업데이트 사이클로 인해 임의의 특정한 프레임 동안 광의 부분들/채널들을 부정확하게 차단/투과할 위험이 실질적으로 방지될 수도 있다.
따라서, 복수의 액정 셀들을 포함하는 광 차단 디바이스를 구동하기 위한 구동 회로가 제공된다. 액정 셀 각각은 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호에 응답하여 제 1 광학적 상태 또는 제 2 광학적 상태에서 동작 가능하다. 구동 회로는 복수의 스위치들을 포함한다. 스위치 각각은 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 각각의 액정 셀로 출력하도록 구성된다. 구동 회로는 업데이트 사이클 동안 스위치 각각의 출력을 순차적으로 업데이트하도록 구성된 구동 제어기를 더 포함한다. 구동 회로는 업데이트 동안 이루어질 각각의 구동 신호들에 대한 임의의 변화들에 기초하여, 디지털 스위치들이 업데이트 사이클 동안 순차적으로 업데이트되는 순서를 결정하도록 구성된다.
제 1 광학적 상태는 액정 셀의 투명한 또는 "오프" 상태일 수도 있고, 제 2 광학적 상태는 액정 셀의 불투명 또는 "온" 상태일 수도 있다. 당업자가 인식할 바와 같이, 액정 셀들은 제 1 광학적 상태로부터 제 2 광학적 상태로의 스위칭보다 제 2 광학적 상태로부터 제 1 광학적 상태로 스위칭하는데 더 오래 걸릴 수도 있다. 특히, 액정 셀들은 통상적으로 새로운 상태로 "릴랙싱"할 때, 예컨대 제 2 광학적 상태로부터 제 1 광학적 상태로 변화 (예를 들어, 불투명에서 투명하게 또는 "온"에서 "오프"로 전이) 할 때 더 오래 걸린다. 이에 따라, 실시 예들에서, 구동 회로는 업데이트 사이클 동안 임의의 다른 디지털 스위치들 전에 제 2 구동 신호로부터 제 1 구동 신호로 변화될 임의의 스위치들의 출력을 업데이트하도록 구성된다. 따라서, 새로운 광학적 상태에 도달하는데 더 오래 걸리는 액정 셀들은 순차적인 업데이트 동안 먼저 스위칭되고, 이에 따라 모든 액정 셀들이 업데이트 사이클의 끝에서 완전히 업데이트되는 것을 보장한다. 즉, 구동 회로는 제 2 광학적 상태로부터 제 1 광학적 상태로의 더 느린 스위칭 시간 (릴랙스 시간) 을 보상하도록 구성될 수도 있다.
실시 예들에서, 복수의 스위치들은 복수의 디지털 스위치들을 포함한다. 디지털 스위치 각각은 제 1 구동 신호를 수신하도록 구성된 제 1 입력부 및 제 2 구동 신호를 수신하도록 구성된 제 2 입력부를 포함한다. 일부 예들에서, 커패시터는 디지털 스위치 각각과 연관된다. 커패시터 각각은 각각의 액정 셀로 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 선택적으로 출력하도록, 업데이트 사이클 동안 구동 제어기로부터의 신호에 응답하여 각각의 디지털 스위치로 제어 입력을 제공하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 커패시터는 디지털 스위치에 의해 각각의 액정 셀로 출력된 구동 신호가 안정하게 유지되도록, 업데이트들 사이에 디지털 스위치로의 제어 입력을 홀딩한다.
일부 실시 예들에서, 구동 회로는 업데이트 사이클 동안 스위치들 각각의 출력을 업데이트하도록 구동 제어기로부터 제어 신호들을 순차적으로 라우팅하기 위한 멀티플렉싱 회로를 더 포함한다.
실시 예들에서, 광 셔터링 디바이스의 액정 셀들은 1 차원 어레이로 배열된다. 예들에서, 광 셔터링 디바이스는 뷰잉 평면으로부터 가시적인 광학 복제기 (optical replicator) (예를 들어, 도파관) 의 출력 면의 영역을 제한하도록 구성된다. 구현 예들에서, 광학 복제기는 홀로그램의 복수의 복제본들 (replicas) 을 출력하도록 구성된다. 광 셔터링 디바이스는 디스플레이 디바이스와 뷰어와 같은 뷰잉 시스템 사이에 배치된다 (dispose).
일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 업데이트 사이클들―선택 가능하게 (optionally), 복수의 업데이트 사이클들―이 인간의 눈의 통합 시간 내에 완료된다. 일부 구성들에서, 뷰어의 뷰잉 포지션에 대한 변화가 검출되면 업데이트 사이클이 개시된다 (initiate).
뷰잉 윈도우로부터 가시적인 이미지를 형성하도록 구성된 광 엔진 (또는 디스플레이 시스템 또는 이미지 프로젝터) 이 더 제공된다. 실시 예들에서, 광 엔진은 본 명세서에 개시된 바와 같은 디스플레이 디바이스, 광학 복제기 및 광 셔터링 디바이스를 포함한다. 실시 예들에서, 디스플레이 디바이스는 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된다. 광학 복제기는 공간적으로 변조된 광을 수신하고 디스플레이 디바이스로부터 뷰잉 윈도우로 공간적으로 변조된 광에 대한 복수의 상이한 광 전파 경로들을 제공하도록 구성된 도파관 동공 확장기를 포함한다. 광 셔터링 디바이스는 도파관과 뷰잉 윈도우 사이에 배치된다. 일부 실시 예들에서, 홀로그램은 공간적으로 변조된 광의 각도 채널들이 이미지의 각각의 연속적인 영역들에 대응하도록 이미지 콘텐츠의 포지션에 따라 이미지의 공간적으로 변조된 광을 각도로 분배하도록 구성된다.
일부 실시 예들에서, 광 셔터링 디바이스의 복수의 액정 셀들 중 적어도 하나의 액정 셀은 뷰잉 윈도우 내의 제 1 뷰잉 포지션이 광학 복제기를 통해 연관된 제 1 광 전파 경로를 갖는 공간적으로 변조된 광을 수신하고 뷰잉 윈도우 내의 제 2 뷰잉 포지션이 광학 복제기를 통해 연관된 제 2 광 전파 경로를 갖는 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 구성된 어퍼처를 형성한다. 제 1 광 전파 경로는 제 2 광 전파 경로와 상이하다. 일부 실시 예들에서, 제 1 광 전파 경로와 연관된 공간적으로 변조된 광은 공간적으로 변조된 제 1 채널의 광이고 제 2 광 전파 경로와 연관된 공간적으로 변조된 광은 공간적으로 변조된 제 2 채널의 광이다. 특히, 광 셔터링 디바이스의 복수의 액정 셀들 중 적어도 하나의 액정 셀은 뷰잉 윈도우 내의 제 1 뷰잉 포지션이 이미지의 제 1 영역에 따라 홀로그램에 의해 공간적으로 변조된 제 1 채널의 광을 수신하고 뷰잉 윈도우 내의 제 2 뷰잉 포지션은 이미지의 제 2 영역에 따라 홀로그램에 의해 공간적으로 변조된 제 2 채널의 광을 수신하도록 구성된 어퍼처를 형성할 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 제 1 영역 및 제 2 영역은 이미지의 인접한 영역들이다. 일부 실시 예들에서, 공간적으로 변조된 광의 인접한 각도 채널들은 이미지의 인접한 영역들에 대응한다. 일부 실시 예들에서, 이미지의 제 1 영역 및 제 2 영역은 실질적으로 오버랩되지 않는다.
일부 실시 예들에서, 이미지는 디스플레이 디바이스의 업스트림에서 지각된 가상 이미지이다. 일부 실시 예들에서, 광 셔터링 디바이스는 도파관 동공 확장기의 출력 면에 커플링된다. 일부 실시 예들에서, 광 셔터링 디바이스는 뷰잉 윈도우로부터 가시적인 도파관의 출력 면의 영역을 제한한다. 일부 실시 예들에서, 도파관 동공 확장기 및 뷰잉 윈도우는 평행하지 않다.
일부 실시 예들에서, 제어 디바이스는 적어도 하나의 개구부들, 예컨대 복수의 개구들부을 포함한다. 개구부 각각은 상이한 광 전파 경로들을 통해 전파된 공간적으로 변조된 광이 실질적으로 동시에 제 1 뷰잉 포지션 및 제 2 뷰잉 포지션으로 각각 전달되도록, 제 1 뷰잉 포지션 및/또는 제 2 뷰잉 포지션에 공간적으로 변조된 광의 각각의 광 전파 경로를 제공할 수도 있다. 홀로그램이 이미지 콘텐츠의 포지션에 따라 이미지의 공간적으로 변조된 광을 각도로 분배하도록 구성된 채널링 홀로그램일 때, 제어 디바이스는 적어도 하나의 개구부―예컨대 복수의 개구부들―를 포함할 수도 있고, 개구부 각각은 상이한 이미지 콘텐츠가 실질적으로 동시에 제 1 뷰잉 포지션 및 제 2 뷰잉 포지션으로 각각 전달되도록, 공간적으로 변조된 광의 각각의 채널을 제 1 뷰잉 포지션 및/또는 제 2 뷰잉 포지션에 제공한다 일부 실시 예들에서, 각각의 채널들은 오버랩되지 않지만 연속적이다.
일부 실시 예들에서, 제어 디바이스는 복수의 상이한 제어 디바이스 구성들이 제공되도록 개구부 각각이 개방 포지션과 폐쇄 포지션 사이에서 스위칭 가능하도록 구성되고, 제어 디바이스 구성 각각은 개방된 개구부들 및 폐쇄된 개구부들의 교번하는 시퀀스를 포함한다. 제어 디바이스는 제 1 제어 디바이스 구성을 제 1 시간에 제공하고 제 2 제어 디바이스 구성을 제 2 시간에 제공하도록 구성될 수도 있고, 제 1 제어 디바이스 구성 및 제 2 제어 디바이스 구성은 상보적이다. 유리하게, 제 1 시간과 제 2 시간 사이의 시간 간격은 인간의 눈의 통합 시간보다 더 작다.
일부 실시 예들에서, 제어 디바이스에 의해 제공된 제 1 제어 디바이스 구성은 이미지의 제 1 이미지 존 및 제 3 이미지 존에 따라 변조된 광을 제 1 뷰잉 포지션으로 전달하고 이미지의 제 2 이미지 존 및 제 4 이미지 존에 따라 변조된 광을 제 2 뷰잉 포지션으로 전달하고, 제 1 존 내지 제 4 존은 이미지의 정렬된 (ordered), 연속적인 영역들이다. 일부 실시 예들에서, 제어 디바이스에 의해 제공된 제 2 제어 디바이스 구성은 이미지의 제 2 이미지 존 및 제 4 이미지 존에 따라 변조된 광을 제 1 뷰잉 포지션으로 전달하고 이미지의 제 1 이미지 존 및 제 3 이미지 존에 따라 변조된 광을 제 2 뷰잉 포지션으로 전달한다. 일부 실시 예들에서, 제 1 뷰잉 포지션으로 전달될 때 제 1 이미지 존 내지 제 4 이미지 존 중 어느 하나의 이미지 콘텐츠는 제 2 뷰잉 포지션으로 전달될 때 제 1 이미지 존 내지 제 4 이미지 존 중 대응하는 이미지 존의 이미지 콘텐츠와 동일하지 않다.
일부 실시 예들에서, 제 1 뷰잉 포지션 및 제 2 뷰잉 포지션은 뷰어의 제 1 눈 포지션 및 제 2 눈 포지션이고, 뷰잉 윈도우는 아이-박스이다.
일부 실시 예들에서, 제어 디바이스 내에서, 개구부들 중 적어도 하나의 사이즈 및/또는 위치는 동적으로 가변적이다.
용어 "홀로그램"은 객체에 관한 진폭 정보 또는 위상 정보, 또는 이들의 일부 조합을 포함하는 레코딩을 지칭하도록 사용된다. 용어 "홀로그래픽 재구성 (holographic reconstruction)"은 홀로그램을 조사함으로써 형성된 객체의 광학적 재구성 (optical reconstruction) 을 지칭하도록 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템은 홀로그램 재구성이 실제 이미지일 수도 있고 홀로그램으로부터 공간적으로 분리될 수도 있기 때문에 "홀로그래픽 프로젝터"로서 기술된다. 용어 "리플레이 필드 (replay field)"는 홀로그래픽 재구성이 형성되고 완전히 포커싱되는 2D 영역을 지칭하도록 사용된다. 홀로그램이 픽셀들을 포함하는 공간 광 변조기 상에 디스플레이된다면, 리플레이 필드는 복수의 회절된 차수의 형태로 반복될 것이고, 회절된 차수 각각은 0 차 리플레이 필드의 복제본이다. 0 차 리플레이 필드는 가장 밝은 리플레이 필드이기 때문에 일반적으로 선호되거나 주된 (primary) 리플레이 필드에 대응한다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "리플레이 필드"는 0 차 리플레이 필드를 지칭하는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "리플레이 평면"은 모든 리플레이 필드들을 포함하는 공간의 평면을 지칭하도록 사용된다. 용어들 "이미지", "리플레이 이미지" 및 "이미지 영역"은 홀로그래픽 재구성의 광에 의해 조사된 리플레이 필드의 영역들을 지칭한다. 일부 실시 예들에서, "이미지"는 "이미지 스폿들" 또는 단지 편의상 "이미지 픽셀들"로 지칭될 수도 있는 개별 스폿들을 포함할 수도 있다.
용어들 "인코딩", "라이팅 (writing)" 또는 "어드레싱 (addressing)"은 픽셀 각각의 변조 레벨을 각각 결정하는 각각의 복수의 제어 값들을 SLM의 복수의 픽셀들에 제공하는 프로세스를 기술하도록 사용된다. SLM의 픽셀들은 복수의 제어 값들을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "디스플레이"하도록 구성된다고 할 수도 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "디스플레이"한다고 할 수도 있고 홀로그램은 광 변조 값들 또는 레벨들의 어레이로 간주될 수도 있다.
용인할 수 있는 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래 객체 (즉, 재구성을 위한 타깃 이미지) 와 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 홀로그래픽 기록은 위상-온리 (phase-only) 홀로그램으로 지칭될 수도 있다. 실시 예들은 위상-온리 홀로그램에 관한 것이지만, 본 개시는 진폭-온리 홀로그래피에 동일하게 적용 가능하다. 본 개시는 홀로그램 계산의 임의의 특정한 방법으로 제한되지 않는다. 일부 실시 예들은 단지 예로서 포인트 클라우드 홀로그램들―즉, 포인트 클라우드 방법들을 사용하여 구축된 홀로그램들―에 관한 것이다. 그러나, 본 개시는 푸리에 또는 프레넬-타입 홀로그램들 및 코히어런트 광선 추적과 같은 다른 기법들에 따라 계산된 홀로그램들에 동일하게 적용 가능하다.
본 개시는 또한 원래 객체 (즉, 타깃 이미지) 와 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는데 동일하게 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 이는 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보 모두를 포함하는 소위 완전 복소 홀로그램을 사용한 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 픽셀 각각에 할당된 값 (그레이 레벨) 이 진폭 및 위상 컴포넌트를 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램으로 지칭될 수도 있다. 픽셀 각각에 할당된 값 (그레이 레벨) 은 진폭 컴포넌트 및 위상 컴포넌트 모두를 갖는 복소수로서 표현될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 완전-복소 컴퓨터-생성된 홀로그램이 계산된다.
위상 값, 위상 컴포넌트, 위상 정보, 또는 단순히 "위상-지연"의 약칭으로서 컴퓨터-생성된 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 픽셀들의 위상에 대한 참조가 이루어질 수도 있다. 즉, 기술된 임의의 위상 값은 실제로 해당 픽셀에 의해 제공된 위상 지연의 양을 나타내는 숫자 (예를 들어, 0 내지 2π의 범위) 이다. 예를 들어, π/2의 위상 값을 갖는 것으로 기술된 공간 광 변조기의 픽셀은 수신된 광의 위상을 π/2 라디안만큼 지연시킬 것이다. 일부 실시 예들에서, 공간 광 변조기의 픽셀 각각은 복수의 가능한 변조 값들 (예를 들어, 위상 지연 값들) 중 하나로 동작 가능하다. 용어 "그레이 레벨"은 복수의 이용 가능한 변조 레벨들을 지칭하도록 사용될 수도 있다. 예를 들어, 용어 "그레이 레벨"은 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 음영들을 제공하지 않더라도 위상-온리 변조기에서 복수의 이용 가능한 위상 레벨들을 지칭하도록 편의를 위해 사용될 수도 있다. 용어 "그레이 레벨"은 또한 복소 변조기에서 복수의 이용 가능한 복소 변조 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수도 있다.
따라서 홀로그램은 그레이 레벨들의 어레이―즉, 위상-지연 값들 또는 복소 변조 값들의 어레이와 같은 광 변조 값들의 어레이―를 포함한다. 홀로그램은 또한 공간 광 변조기 상에 디스플레이될 때 회절을 유발하고 일반적으로 공간 광 변조기의 픽셀 피치보다 더 작은 파장을 갖는 광으로 조사되는 패턴이기 때문에 회절 패턴으로 간주된다. 렌즈 또는 격자로서 기능하는 회절 패턴들과 같은 다른 회절 패턴들과 홀로그램을 결합하는 것에 대한 참조가 본 명세서에서 이루어진다. 예를 들어, 격자로서 기능하는 회절 패턴은 리플레이 평면 상의 리플레이 필드를 변환하도록 홀로그램과 결합될 수도 있고 또는 렌즈로서 기능하는 회절 패턴은 필드 근방 리플레이 평면 상에 홀로그래픽 재구성을 포커싱하도록 홀로그램과 결합될 수도 있다.
상이한 실시 예들 및 실시 예들의 그룹들이 이하의 상세한 기술에서 개별적으로 개시될 수도 있지만, 임의의 실시 예 또는 실시 예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 실시 예 또는 실시 예들의 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합과 결합될 수도 있다. 즉, 본 개시에 개시된 피처들의 모든 가능한 조합들 및 치환들이 구상된다.
특정한 실시 예들은 다음의 도면들을 참조하여 단지 예로서 기술된다.
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사성 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 제 1 반복을 예시한다.
도 2b는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 제 2 및 후속하는 반복들을 예시한다.
도 2c는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 대안적인 제 2 및 후속하는 반복들을 예시한다.
도 3은 반사성 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 디스플레이 디바이스로부터 어퍼처를 향해 효과적으로 전파하는 가상 이미지의 각도 콘텐츠를 도시한다.
도 5a는 상대적으로 작은 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 5b는 상대적으로 큰 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6a는 무한대로 가상 이미지를 형성하기 위한, 도파관을 포함하는, 상대적으로 큰 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 광학 경로들의 확대도를 도시한다.
도 7a는 복수의 이미지 영역들 (하단) 및 복수의 홀로그램 컴포넌트들을 포함하는 대응하는 홀로그램 (상단) 을 포함하는 이미지를 도시한다.
도 7b는 본 개시에 따른, 홀로그램으로 인코딩된 광을 복수의 개별 홀로그램 채널들로 라우팅하거나 채널링하는 것을 특징으로 하는 홀로그램을 도시한다.
도 7c는 상이한 광학 경로를 통해 눈으로 홀로그램 채널 각각의 광 콘텐츠를 라우팅하도록 구성된 최적화된 시스템을 도시한다.
도 8은 각도 광 채널의 복수의 인스턴스들을 출력하는 도파관을 포함하는 시스템을 도시한다.
도 9는 도파관 및 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 10은 도 9의 도파관에 대해 도파관을 따른 포지션 (PWG) 과 광선 각도 사이의 관계를 도시하는 그래프를 포함한다.
도 11은 4 개의 존들을 갖는 이미지에 대해, 도 10의 그래프에 대해 배치된 실시 예들에 따른 제어 디바이스를 도시한다.
도 12는 실시 예들에 따른, 광 셔터링 디바이스를 포함하는 제어 디바이스의 구성을 수정하기 위한 구동 스킴을 도시한다.
도 13은 실시 예들에 따른, 도 12의 광 셔터링 디바이스를 구동하기 위한 시스템의 블록도를 도시한다.
동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 부품을 지칭하기 위해 도면들 전반에 걸쳐 사용될 것이다.
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사성 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 제 1 반복을 예시한다.
도 2b는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 제 2 및 후속하는 반복들을 예시한다.
도 2c는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 대안적인 제 2 및 후속하는 반복들을 예시한다.
도 3은 반사성 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 디스플레이 디바이스로부터 어퍼처를 향해 효과적으로 전파하는 가상 이미지의 각도 콘텐츠를 도시한다.
도 5a는 상대적으로 작은 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 5b는 상대적으로 큰 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6a는 무한대로 가상 이미지를 형성하기 위한, 도파관을 포함하는, 상대적으로 큰 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 광학 경로들의 확대도를 도시한다.
도 7a는 복수의 이미지 영역들 (하단) 및 복수의 홀로그램 컴포넌트들을 포함하는 대응하는 홀로그램 (상단) 을 포함하는 이미지를 도시한다.
도 7b는 본 개시에 따른, 홀로그램으로 인코딩된 광을 복수의 개별 홀로그램 채널들로 라우팅하거나 채널링하는 것을 특징으로 하는 홀로그램을 도시한다.
도 7c는 상이한 광학 경로를 통해 눈으로 홀로그램 채널 각각의 광 콘텐츠를 라우팅하도록 구성된 최적화된 시스템을 도시한다.
도 8은 각도 광 채널의 복수의 인스턴스들을 출력하는 도파관을 포함하는 시스템을 도시한다.
도 9는 도파관 및 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 10은 도 9의 도파관에 대해 도파관을 따른 포지션 (PWG) 과 광선 각도 사이의 관계를 도시하는 그래프를 포함한다.
도 11은 4 개의 존들을 갖는 이미지에 대해, 도 10의 그래프에 대해 배치된 실시 예들에 따른 제어 디바이스를 도시한다.
도 12는 실시 예들에 따른, 광 셔터링 디바이스를 포함하는 제어 디바이스의 구성을 수정하기 위한 구동 스킴을 도시한다.
도 13은 실시 예들에 따른, 도 12의 광 셔터링 디바이스를 구동하기 위한 시스템의 블록도를 도시한다.
동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 부품을 지칭하기 위해 도면들 전반에 걸쳐 사용될 것이다.
본 발명은 이하에 기술된 실시 예들로 제한되지 않고 첨부된 청구항들의 전체 범위로 확장된다. 즉, 본 발명은 상이한 형태들로 구현될 수도 있고 예시의 목적으로 제시된 기술된 실시 예들로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다.
단수형의 용어들은 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수도 있다.
다른 구조체의 상/아래 또는 또 다른 구조체의 상부 부분/하부 부분에 형성되는 것으로 기술된 구조체는 구조체들이 서로 콘택트하는 경우 및 또한 제 3 구조체가 그 사이에 배치되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
시간 관계를 기술할 때-예를 들어, 이벤트들의 시간적 순서가 "후", "후속", "다음", "전" 등으로 기술될 때- 본 개시는 달리 명시되지 않는 한 연속적이고 비 연속적인 이벤트들을 포함하도록 취해진다. 예를 들어, 기술은 "단지 (just)", "즉시 (immediate)" 또는 "바로 (direct)"와 같은 표현이 사용되지 않는 한 연속적이지 않은 경우를 포함하도록 취해진다.
용어들 "제 1", "제 2", 등이 본 명세서에서 다양한 엘리먼트들 (elements) 을 기술하도록 사용될 수도 있지만, 이들 엘리먼트들은 이들 용어들에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 하나의 엘리먼트를 또 다른 엘리먼트와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제 1 엘리먼트는 제 2 엘리먼트로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제 2 엘리먼트는 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고 제 1 엘리먼트로 지칭될 수 있다.
상이한 실시 예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 커플링되거나 결합될 수도 있고, 서로 다양하게 상호 동작할 수도 있다. 일부 실시 예들은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 공존하는 관계로 함께 수행될 수도 있다.
광학적 구성 (Optical configuration)
도 1은 컴퓨터-생성된 홀로그램이 단일 공간 광 변조기 상에서 인코딩되는 실시 예를 도시한다. 컴퓨터-생성된 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환 (Fourier transform) 이다. 이는 단지 예이고, 홀로그램을 컴퓨터-생성하기 위한 다른 방법들이 본 개시에서 고려된다는 것이 이해될 것이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 할 수도 있다. 이 실시 예에서, 공간 광 변조기는 반사성 실리콘 상의 액정 (liquid crystal on silicon), "LCOS", 디바이스이다. 홀로그램은 공간 광 변조기 상에 인코딩되고 홀로그래픽 재구성은 리플레이 필드, 예를 들어 스크린 또는 확산기와 같은 수광 표면에서 형성된다.
예를 들어 레이저 또는 레이저 다이오드와 같은 광원 (110) 이 시준 렌즈 (collimating lens) (111) 를 통해 SLM (140) 을 조사하도록 배치된다. 시준 렌즈는 일반적으로 광의 평면형 파면으로 하여금 SLM 상에 입사하게 한다. 도 1에서, 파면 (wavefront) 의 방향은 수직을 벗어난다 (예를 들어, 투명 층의 평면에 대해 진정으로 직교하는 것으로부터 2 ° 또는 3 °). 그러나, 다른 실시 예들에서, 일반적으로 평면형 파면이 수직 입사로 제공되고 빔 스플리터 배열이 입력 광학 경로 및 출력 광학 경로를 분리하도록 사용된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 이 배열은 광원으로부터의 광이 SLM의 미러된 후면 표면으로부터 반사되고 유출 파면 (112) 을 형성하도록 광-변조 층과 상호 작용하는 것이다. 유출 파면 (112) 은 스크린 (125) 에 포커스를 갖는, 푸리에 변환 렌즈 (120) 를 포함하는 광학계에 적용된다. 더 구체적으로, 푸리에 변환 렌즈 (120) 는 SLM (140) 으로부터 변조된 광의 빔을 수신하고 스크린 (125) 에서 홀로그래픽 재구성을 생성하도록 주파수-공간 변환을 수행한다.
특히, 이러한 타입의 홀로그래피에서, 홀로그램의 픽셀 각각은 전체 재구성에 기여한다. 리플레이 필드 상의 특정한 지점들 (또는 이미지 픽셀들) 과 특정한 광-변조 엘리먼트들 (또는 홀로그램 픽셀들) 사이에는 일대일 상관 관계가 없다. 즉, 광-변조 층을 나가는 변조된 광은 리플레이 필드에 걸쳐 분포된다.
이들 실시 예들에서, 공간에서 홀로그래픽 재구성의 포지션은 푸리에 변환 렌즈의 굴절 (dioptric) (포커싱) 배율에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이고, 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 모든 렌즈는 푸리에 변환 렌즈로서 작용할 수 있지만 렌즈의 성능은 수행하는 푸리에 변환의 정확도를 제한할 것이다. 당업자는 광학 푸리에 변환을 수행하기 위해 렌즈를 사용하는 방법을 이해한다.
홀로그램 계산 (Hologram calculation)
일부 실시 예들에서, 컴퓨터-생성된 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에-기반 홀로그램이고, 여기서 이미지는 포지티브 렌즈의 푸리에 변환 특성들을 활용함으로써 원거리 필드에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 리플레이 평면에서 목표된 광 필드를 렌즈 평면으로 다시 푸리에 변환함으로써 계산된다. 컴퓨터-생성된 푸리에 홀로그램들은 푸리에 변환들을 사용하여 계산될 수도 있다.
푸리에 변환 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하여 계산될 수도 있다. 게다가, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 (사진과 같은) 공간적 도메인의 진폭-온리 (amplitude-only) 정보로부터 푸리에 도메인의 홀로그램 (즉, 푸리에 변환 홀로그램) 을 계산하도록 사용될 수도 있다. 객체와 관련된 위상 정보는 공간적 도메인의 진폭-온리 정보로부터 효과적으로 "검색"된다 (retrieve). 일부 실시 예들에서, 컴퓨터-생성된 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘 또는 이의 변형을 사용하여 진폭-온리 정보로부터 계산된다.
Gerchberg-Saxton 알고리즘은 평면 A와 평면 B에서 각각 광 빔, IA(x, y) 및 IB(x, y) 가 공지되고 IA(x, y) 및 IB(x, y) 은 단일 푸리에 변환에 의해 관련된다. 미리 결정된 (given) 강도 단면들을 사용하여, 평면 A 및 평면 B, ΨA(x, y) 및 ΨB(x, y) 각각에서 위상 분포에 대한 근사치가 발견된다. Gerchberg-Saxton 알고리즘은 반복적인 프로세스를 따라 이 문제에 대한 해법들 (solutions) 을 찾는다. 더 구체적으로, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 공간 도메인과 푸리에 (스펙트럼 또는 주파수) 도메인 사이에서 IA(x, y) 및 IB(x, y) 를 나타내는 데이터 세트 (진폭 및 위상) 를 반복적으로 전송하는 동안 공간 및 스펙트럼 제약들을 반복적으로 적용한다. 스펙트럼 도메인의 대응하는 컴퓨터-생성된 홀로그램은 알고리즘의 적어도 1 회 반복을 통해 획득된다. 알고리즘은 수렴되고 입력 이미지를 나타내는 홀로그램을 생성하도록 구성된다. 홀로그램은 진폭-온리 홀로그램, 위상-온리 (phase-only) 홀로그램 또는 완전 복소 홀로그램일 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 위상-온리 홀로그램은 전체가 참조로서 본 명세서에 인용된 영국 특허 제 2,498,170 호 또는 제 2,501,112 호에 기술된 바와 같이 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초한 알고리즘을 사용하여 계산된다. 그러나, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 단지 예로서 위상-온리 홀로그램을 계산하는 것을 기술한다. 이들 실시 예들에서, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 공지의 진폭 정보 T[x, y]를 발생시키는 데이터 세트의 푸리에 변환의 위상 정보 Ψ[u, v]를 검색하고, 진폭 정보 T[x, y]는 타깃 이미지 (예를 들어, 사진) 를 나타낸다. 크기 및 위상이 푸리에 변환에서 본질적으로 결합되기 때문에, 변환된 크기 및 위상은 계산된 데이터 세트의 정확도에 대한 유용한 정보를 포함한다. 따라서, 알고리즘은 진폭 및 위상 정보 모두에 대한 피드백과 함께 반복적으로 사용될 수도 있다. 그러나, 이들 실시 예들에서, 위상 정보 Ψ[u, v]만이 이미지 평면에서 타깃 이미지를 나타내는 홀로그램을 형성하기 위해 홀로그램으로서 사용된다. 홀로그램은 위상 값들의 데이터 세트 (예를 들어, 2D 어레이) 이다.
다른 실시 예들에서, Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초한 알고리즘은 완전 복소 홀로그램을 계산하기 위해 사용된다. 완전-복소 홀로그램은 크기 컴포넌트 및 위상 컴포넌트를 갖는 홀로그램이다. 홀로그램은 복소 데이터 값들의 어레이를 포함하는 데이터 세트 (예를 들어, 2D 어레이) 이고, 복소 데이터 값 각각은 크기 컴포넌트 및 위상 컴포넌트를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 알고리즘은 복소 데이터를 프로세싱하고 푸리에 변환들은 복소 푸리에 변환들이다. 복소 데이터는 (i) 실수 컴포넌트와 허수 컴포넌트 또는 (ii) 크기 컴포넌트와 위상 컴포넌트를 포함하는 것으로 간주될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 복소 데이터의 2 개의 컴포넌트들은 알고리즘의 다양한 스테이지들에서 상이하게 프로세싱된다.
도 2a는 위상-온리 홀로그램을 계산하기 위한 일부 실시 예들에 따른 알고리즘의 제 1 반복을 예시한다. 알고리즘에 대한 입력은 픽셀들 또는 데이터 값들의 2D 어레이를 포함하는 입력 이미지 (210) 이고, 픽셀 또는 데이터 값 각각은 크기, 또는 진폭, 값이다. 즉, 입력 이미지 (210) 의 픽셀 또는 데이터 값 각각은 위상 컴포넌트를 갖지 않는다. 따라서 입력 이미지 (210) 는 크기-온리 또는 진폭-온리 또는 강도-온리 분포로 간주될 수도 있다. 이러한 입력 이미지 (210) 의 예는 프레임들의 시간적 시퀀스를 포함하는 사진 또는 비디오의 일 프레임이다. 알고리즘의 제 1 반복은 시작 복소 데이터 세트를 형성하기 위해 랜덤 위상 분포 (또는 랜덤 위상 시드) (230) 를 사용하여, 입력 이미지의 픽셀 각각에 랜덤 위상 값을 할당하는 단계를 포함하는 데이터 형성 단계 (202A) 로 시작되고, 여기서 데이터 엘리먼트의 세트 각각은 크기 및 위상을 포함한다. 시작 복소 데이터 세트는 공간적 도메인의 입력 이미지를 나타낸다고 할 수도 있다.
제 1 프로세싱 블록 (250) 은 시작 복소 데이터 세트를 수신하고 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성하도록 복소 푸리에 변환을 수행한다. 제 2 프로세싱 블록 (253) 은 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하고 홀로그램 (280A) 을 출력한다. 일부 실시 예들에서, 홀로그램 (280A) 은 위상-온리 홀로그램이다. 이들 실시 예들에서, 제 2 프로세싱 블록 (253) 은 홀로그램 (280A) 을 형성하기 위해 위상 값 각각을 양자화하고 진폭 값 각각을 1로 설정한다. 위상 값 각각은 위상-온리 홀로그램을 "디스플레이"하도록 사용될 공간 광 변조기의 픽셀들 상에 표현될 수도 있는 위상 레벨들에 따라 양자화된다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 픽셀 각각이 256 개의 상이한 위상 레벨들을 제공한다면, 홀로그램의 위상 값 각각은 256 개의 가능한 위상 레벨들 중 일 위상 레벨로 양자화된다. 홀로그램 (280A) 은 입력 이미지를 나타내는 위상-온리 푸리에 홀로그램이다. 다른 실시 예들에서, 홀로그램 (280A) 은 수신된 푸리에 변환된 복소 데이터 세트로부터 유도된 복소 데이터 값들의 어레이 (각각 진폭 컴포넌트 및 위상 컴포넌트를 포함함) 를 포함하는 완전 복소 홀로그램이다. 일부 실시 예들에서, 제 2 프로세싱 블록 (253) 은 홀로그램 (280A) 을 형성하도록 복소 데이터 값 각각을 복수의 허용 가능한 복소 변조 레벨들 중 하나로 제한한다. 제한하는 단계는 복소 평면에서 가장 가까운 허용 가능한 복소 변조 레벨로 복소 데이터 값 각각을 설정하는 것을 포함할 수도 있다. 홀로그램 (280A) 은 스펙트럼 또는 푸리에 또는 주파수 도메인의 입력 이미지를 나타낸다고 할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 알고리즘은 이 지점에서 중단된다.
그러나, 다른 실시 예들에서, 알고리즘은 도 2a에서 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 계속된다. 즉, 도 2a에서 점선 화살표를 따르는 단계들은 선택 가능하다 (optional) (즉, 모든 실시 예들에 필수적인 것은 아니다).
제 3 프로세싱 블록 (256) 은 제 2 프로세싱 블록 (253) 으로부터 수정된 복소 데이터 세트를 수신하고 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성하도록 역 푸리에 변환을 수행한다. 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트는 공간적 도메인의 입력 이미지를 나타낸다고 할 수도 있다.
제 4 프로세싱 블록 (259) 은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하고 크기 값들의 분포 (211A) 및 위상 값들의 분포 (213A) 를 추출한다. 선택 가능하게, 제 4 프로세싱 블록 (259) 은 크기 값들의 분포 (211A) 를 평가한다. 구체적으로, 제 4 프로세싱 블록 (259) 은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 크기 값들의 분포 (211A) 를 물론 크기 값들의 분포인 입력 이미지 (510) 와 비교할 수도 있다. 크기 값들의 분포 (211A) 와 입력 이미지 (210) 사이의 차가 충분히 작다면, 제 4 프로세싱 블록 (259) 은 홀로그램 (280A) 이 용인 가능하다고 결정할 수도 있다. 즉, 크기 값들의 분포 (211A) 와 입력 이미지 (210) 사이의 차가 충분히 작다면, 제 4 프로세싱 블록 (259) 은 홀로그램 (280A) 이 입력 이미지 (210) 를 충분히-정확하게 나타낸다고 결정할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 위상 값들의 분포 (213A) 는 비교를 목적으로 무시된다. 크기 값들의 분포 (211A) 와 입력 이미지 (210) 를 비교하기 위한 임의의 수의 상이한 방법들이 채용될 수도 있고 본 개시는 임의의 특정한 방법으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 일부 실시 예들에서, 평균 제곱 차가 계산되고, 평균 제곱 차가 문턱 값보다 더 작다면, 홀로그램 (280A) 은 수신 가능한 것으로 간주된다. 제 4 프로세싱 블록 (259) 이 홀로그램 (280A) 이 용인 가능하지 않다고 결정하면, 알고리즘의 추가 반복이 수행될 수도 있다. 그러나, 이 비교 단계는 필수적이지 않고, 다른 실시 예들에서, 수행된 알고리즘의 반복들의 수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자-규정된다.
도 2b는 알고리즘의 제 2 반복 및 알고리즘의 임의의 추가 반복들을 나타낸다. 선행하는 반복의 위상 값들의 분포 (213A) 는 알고리즘의 프로세싱 블록들을 통해 피드백된다. 크기 값들의 분포 (211A) 는 입력 이미지 (210) 의 크기 값들의 분포를 위해 거부된다. 제 1 반복에서, 데이터 형성 단계 (202A) 는 입력 이미지 (210) 의 크기 값들의 분포를 랜덤 위상 분포 (230) 와 결합함으로써 제 1 복소 데이터 세트를 형성한다. 그러나, 제 2 및 후속하는 반복들에서, 데이터 형성 단계 (202B) 는 (i) 알고리즘의 이전 반복으로부터의 위상 값들의 분포 (213A) 를 (ii) 입력 이미지 (210) 의 크기 값들의 분포와 결합함으로써 복소 데이터 세트를 형성하는 것을 포함한다.
이어서 도 2b의 데이터 형성 단계 (202B) 에 의해 형성된 복소 데이터 세트는 제 2 반복 홀로그램 (280B) 을 형성하도록 도 2a를 참조하여 기술된 동일한 방식으로 프로세싱된다. 따라서 프로세스의 설명은 여기서 반복되지 않는다. 알고리즘은 제 2 반복 홀로그램 (280B) 이 계산될 때 중단될 수도 있다. 그러나, 알고리즘의 임의의 수의 추가 반복들이 수행될 수도 있다. 제 3 프로세싱 블록 (256) 은 제 4 프로세싱 블록 (259) 이 요구되거나 추가 반복이 요구되는 경우에만 필요하다는 것이 이해될 것이다. 출력 홀로그램 (280B) 은 일반적으로 반복될 때마다 더 좋아진다. 그러나, 실제로, 측정 가능한 개선이 관찰되지 않거나 추가의 반복을 수행하는 긍정적인 이점이 부가적인 프로세싱 시간의 부정적인 효과에 의해 압도되는 (out-weighted) 지점에 보통 도달된다. 따라서, 알고리즘은 반복적이고 수렴하는 것으로 기술된다.
도 2c는 제 2 및 후속하는 반복들의 대안적인 실시 예를 나타낸다. 선행하는 반복의 위상 값들의 분포 (213A) 는 알고리즘의 프로세싱 블록들을 통해 피드백된다. 크기 값들의 분포 (211A) 는 크기 값들의 대안적인 분포를 위해 거부된다. 이 대안적인 실시 예에서, 크기 값들의 대안적인 분포는 이전 반복의 크기 값들의 분포 (211A) 로부터 도출된다. 구체적으로, 프로세싱 블록 (258) 은 이전 반복의 크기 값들의 분포 (211A) 로부터 입력 이미지 (210) 의 크기 값들의 분포를 감산하고, 이 차를 이득 계수 α만큼 스케일링하고 그리고 입력 이미지 (210) 로부터 스케일링된 차를 감산한다. 이는 다음 방정식들에 의해 수학적으로 표현되고, 첨자 텍스트 및 숫자들은 반복 수를 나타낸다:
여기서,
F'는 역 푸리에 변환이고;
F는 순방향 푸리에 변환이고;
R[x, y]는 제 3 프로세싱 블록 (256) 에 의해 출력된 복소 데이터 세트이고;
T[x, y]는 입력 이미지 또는 타깃 이미지이고;
∠는 위상 컴포넌트이고;
Ψ는 위상-온리 홀로그램 (280B) 이고;
η는 크기 값들의 새로운 분포 (211B) 이고; 그리고
α는 이득 계수이다.
이득 계수 α는 고정되거나 가변적일 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 이득 계수 는 인입 (incoming) 타깃 이미지 데이터의 사이즈 및 레이트에 기초하여 결정된다. 일부 실시 예들에서, 이득 계수 α는 반복 수에 종속된다. 일부 실시 예들에서, 이득 계수 α는 오로지 반복 수의 함수이다.
도 2c의 실시 예는 다른 모든 면에서 도 2a 및 도 2b의 실시 예와 동일하다. 위상-온리 홀로그램 Ψ(u, v) 는 주파수 또는 푸리에 도메인의 위상 분포를 포함한다고 할 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 푸리에 변환은 공간 광 변조기를 사용하여 수행된다. 구체적으로, 홀로그램 데이터는 광학 배율 (optical power) 을 제공하는 제 2 데이터와 결합된다. 즉, 공간 광 변조에 기록된 데이터는 객체를 나타내는 홀로그램 데이터 및 렌즈를 나타내는 렌즈 데이터를 포함한다. 공간 광 변조기 상에 디스플레이되고 광으로 조사될 때, 렌즈 데이터는 물리적인 렌즈를 에뮬레이트한다 (emulate)―즉, 대응하는 물리적인 광학과 동일한 방식으로 광을 포커스로 가져온다. 따라서 렌즈 데이터는 광학 배율 또는 포커싱 배율을 제공한다. 이들 실시 예들에서, 도 1의 물리적 푸리에 변환 렌즈 (120) 는 생략될 수도 있다. 렌즈를 나타내는 데이터를 계산하는 방법은 공지된다. 렌즈를 나타내는 데이터는 소프트웨어 렌즈로 지칭될 수도 있다. 예를 들어, 위상-온리 렌즈는 굴절률 및 공간적으로 가변적인 광학 경로 길이로 인해 렌즈의 지점 각각에 의해 유발된 위상 지연을 계산함으로써 형성될 수도 있다. 예를 들어, 볼록 렌즈의 중심에서 광학 경로 길이는 렌즈의 에지들에서 광학 경로 길이보다 더 크다. 진폭-온리 렌즈는 프레넬 (Fresnel) 존 플레이트에 의해 형성될 수도 있다. 홀로그램의 푸리에 변환이 물리적 푸리에 렌즈를 필요로 하지 않고 수행될 수 있도록, 렌즈를 나타내는 데이터를 홀로그램과 결합하는 방법이 컴퓨터-생성된 홀로그래피 기술 분야에서 또한 공지된다. 일부 실시 예들에서, 렌즈화 데이터는 단순 벡터 가산과 같은 단순 가산에 의해 홀로그램과 결합된다. 일부 실시 예들에서, 물리적 렌즈는 푸리에 변환을 수행하기 위해 소프트웨어 렌즈와 함께 사용된다. 대안적으로, 다른 실시 예들에서, 푸리에 변환 렌즈는 홀로그래픽 재구성이 원거리 장 (far-field) 에서 발생하도록 모두 생략된다. 다른 실시 예들에서, 홀로그램은 격자 데이터―즉, 이미지 조종 (steering) 과 같은 격자의 기능을 수행하도록 구성된 데이터와 동일한 방식으로 결합될 수도 있다. 다시, 이러한 데이터를 계산하는 방법이 분야에서 공지된다. 예를 들어, 위상-온리 격자는 블레이즈된 격자의 표면 상의 지점 각각에 의해 유발된 위상 지연을 모델링함으로써 형성될 수도 있다. 진폭-온리 격자는 홀로그래픽 재구성의 각도 조종을 제공하도록 진폭-온리 홀로그램과 단순히 중첩될 수도 있다. 렌즈화 및/또는 조종을 제공하는 제 2 데이터는 이미지 형성 함수 또는 이미지 형성 패턴으로 지칭될 수도 있는 홀로그램 데이터와 구별하기 위해 광 프로세싱 함수 또는 광 프로세싱 패턴으로 지칭될 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 푸리에 변환은 물리적 푸리에 변환 렌즈 및 소프트웨어 렌즈에 의해 공동으로 수행된다. 즉, 푸리에 변환에 기여하는 일부 광학 배율은 소프트웨어 렌즈에 의해 제공되고 푸리에 변환에 기여하는 나머지 광학 배율은 물리적 광학 또는 광학계에 의해 제공된다.
일부 실시 예들에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램들을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시 예들에서, 이미지 데이터는 이미지 프레임들의 시퀀스를 포함하는 비디오이다. 다른 실시 예들에서, 홀로그램들은 미리 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되고, SLM 상의 디스플레이를 위해 필요에 따라 리콜된다 (recall). 즉, 일부 실시 예들에서, 미리 결정된 홀로그램들의 저장소가 제공된다.
실시 예들은 단지 예로서 푸리에 홀로그래피 및 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘들에 관한 것이다. 본 개시는 유사한 방법에 의해 계산될 수도 있는 프레넬 홀로그래피 및 프레넬 홀로그램에 동일하게 적용 가능하다. 본 개시는 또한 포인트 클라우드 방법들에 기초한 것들과 같은 다른 기법들에 의해 계산된 홀로그램들에 적용 가능하다. 알 수 있는 바와 같이, 본 명세서의 후속 도면들은 홀로그램 계산을 위한 포인트 클라우드 방법을 포함하는 것으로 기술된다. 그러나, 도 2a 내지 도 2c와 관련하여 상기 기술된 푸리에 방법을 포함하는, 홀로그램 계산의 다른 방법들이 대신 사용될 수도 있다.
광 변조
공간 광 변조기는 컴퓨터-생성된 홀로그램을 포함하는 회절 패턴을 디스플레이하도록 사용될 수도 있다. 홀로그램이 위상-온리 홀로그램이면, 위상을 변조하는 공간 광 변조기가 필요하다. 홀로그램이 완전-복소 홀로그램이면, 위상 및 진폭을 변조하는 공간 광 변조기가 사용될 수도 있고 또는 위상을 변조하는 제 1 공간 광 변조기 및 진폭을 변조하는 제 2 공간 광 변조기가 사용될 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 공간 광 변조기의 광-변조 엘리먼트들 (즉, 픽셀들) 은 액정을 포함하는 셀들이다. 즉, 일부 실시 예들에서, 공간 광 변조기는 광학적으로 활성인 컴포넌트가 액정인 액정 디바이스이다. 액정 셀 각각은 복수의 광 변조 레벨들을 선택적으로 제공하도록 구성된다. 즉, 액정 셀 각각은 복수의 가능한 광 변조 레벨들로부터 선택된 하나의 광 변조 레벨에서 동작하도록 임의의 시간에 구성된다. 액정 셀 각각은 복수의 광 변조 레벨들과 상이한 광 변조 레벨로 동적으로 재구성 가능하다. 일부 실시 예들에서, 공간 광 변조기는 LCOS (reflective liquid crystal on silicon) 공간 광 변조기이지만, 본 개시는 이 타입의 공간 광 변조기로 제한되지 않는다.
LCOS 디바이스는 작은 어퍼처 (예를 들어, 폭이 수 센티미터) 내에 광 변조 엘리먼트들 또는 픽셀들의 치밀한 어레이를 제공한다. 픽셀들은 통상적으로 대략 10 ㎛ 이하이고, 이는 광학 시스템이 콤팩트할 수 있다는 것을 의미하는 몇 도의 회절 각도를 발생시킨다. LCOS SLM의 작은 어퍼처를 다른 액정 디바이스들의 더 큰 어퍼처보다 적절히 조사하는 것이 더 쉽다. LCOS 디바이스는 통상적으로 반사성이고 이는 LCOS SLM의 픽셀들을 구동하는 회로가 반사성 표면 아래에 매립될 수 있다는 것을 의미한다. 결과들은 더 높은 어퍼처 비이다. 즉, 픽셀들은 밀접하게 패킹되어 픽셀들 사이에 데드 스페이스 (dead space) 가 매우 적다는 것을 의미한다. 이는 리플레이 필드에서 광학적 노이즈를 감소시키기 때문에 유리하다. LCOS SLM은 픽셀들이 광학적으로 편평하다는 이점을 갖는 실리콘 후면 평면을 사용한다. 이는 위상 변조 디바이스에 특히 중요하다.
적합한 LCOS SLM은 단지 예로서, 도 3을 참조하여 이하에 기술된다. LCOS 디바이스는 단결정 실리콘 기판 (302) 을 사용하여 형성된다. 이는 기판의 상부 표면 상에 배치된, 갭 (301a) 에 의해 이격된, 정사각형 평면형 알루미늄 전극들 (301) 의 2D 어레이를 갖는다. 전극들 (301) 각각은 기판 (302) 내에 매립된 회로 (302a) 를 통해 어드레싱될 수 있다. 전극들 각각은 각각의 평면 거울을 형성한다. 정렬 층 (303) 이 전극들의 어레이 상에 배치되고, 액정 층 (304) 이 정렬 층 (303) 상에 배치된다. 제 2 정렬 층 (305) 은 예를 들어 유리의 평면형 투명 층 (306) 상에 배치된다. 예를 들어 ITO의 단일 투명 전극 (307) 이 투명 층 (306) 과 제 2 정렬 층 (305) 사이에 배치된다.
정사각형 전극들 (301) 각각은 투명 전극 (307) 및 개재된 액정 재료의 위에 놓인 영역과 함께, 종종 픽셀로 지칭되는 제어 가능한 위상-변조 엘리먼트 (308) 를 규정한다. 유효 픽셀 면적, 또는 충진 계수는 픽셀들 (301a) 사이의 공간을 고려하여, 광학적으로 활성인 총 픽셀의 백분율이다. 투명 전극 (307) 에 대해 전극 (301) 각각에 인가된 전압의 제어에 의해, 각각의 위상 변조 엘리먼트의 액정 재료의 특성들이 가변될 수도 있고, 이에 따라 그 상에 입사하는 광에 가변 지연을 제공한다. 이 효과는 파면에 위상-온리 변조를 제공하는 것이고, 즉 진폭 효과가 발생하지 않는다.
기술된 LCOS SLM은 반사시 공간적으로 변조된 광을 출력한다. 반사성 LCOS SLM은 신호 라인들, 게이트 라인들 및 트랜지스터들이 미러된 표면 아래에 있다는 이점을 갖고, 이는 고 충진 계수들 (통상적으로 90 ％ 초과) 및 고 해상도들을 발생시킨다. 반사성 LCOS 공간 광 변조기를 사용하는 또 다른 이점은 투과형 디바이스가 사용된다면 액정 층이 필요한 두께의 절반일 수 있다는 것이다. 이는 액정의 스위칭 속도 (움직이는 비디오 이미지들의 투사를 위한 주요 이점) 를 크게 개선한다. 그러나, 본 개시의 교시들은 투과성 LCOS SLM을 사용하여 동일하게 구현될 수도 있다.
작은 디스플레이 디바이스와 긴 가시 거리를 사용한 이미지 투사
본 개시는 디스플레이 디바이스와 뷰어 사이의 분리가 디스플레이 디바이스의 사이즈보다 훨씬 더 큰 이미지 투사에 관한 것이다. 뷰잉 거리 (즉, 뷰어와 디스플레이 디바이스 사이의 거리) 는 디스플레이 디바이스의 사이즈보다 적어도 10 배 더 큰 크기일 수도 있다. 가시 거리는 디스플레이 디바이스의 사이즈보다 적어도 100 배 더 클 수도 있다. 예를 들어, 디스플레이 디바이스의 픽셀 면적은 10 ㎜ x 10 ㎜일 수도 있고 뷰잉 거리는 1 m일 수도 있다. 시스템에 의해 투사된 이미지는 디스플레이 디바이스로부터 공간적으로 분리된 디스플레이 평면 상에 형성된다.
본 개시에 따라, 이미지는 홀로그래픽 투사에 의해 형성된다. 홀로그램이 디스플레이 디바이스에 디스플레이된다. 홀로그램은 광원 (미도시) 에 의해 조사되고 이미지는 홀로그램으로부터 공간적으로 분리된 디스플레이 평면 상에서 지각된다. 이미지는 실제 또는 가상일 수도 있다. 이어지는 설명의 목적을 위해, 디스플레이 디바이스의 업스트림에 형성된 가상 이미지를 고려하는 것이 유용하다. 즉, 디스플레이 디바이스 뒤에 나타난다. 그러나, 이미지가 가상 이미지라는 것은 필수적이지 않고 본 개시는 디스플레이 디바이스와 뷰잉 시스템 사이에 형성된 실제 이미지에 동일하게 적용 가능하다.
디스플레이 디바이스는 홀로그램을 디스플레이하는 픽셀들을 포함한다. 디스플레이 디바이스의 픽셀 구조는 회절성이다. 따라서 홀로그래픽 이미지의 사이즈는 회절 규칙들에 의해 좌우된다. 디스플레이 디바이스의 회절 특성의 결과는 도 4를 참조하여 이하에 설명된다.
도 4는 디스플레이 디바이스 (402) 의 업스트림에 가상 이미지 (401) 를 형성하는 홀로그램을 디스플레이하도록 구성된 픽셀화된 (pixelate) 디스플레이 디바이스 (402) 를 도시한다. 디스플레이 디바이스의 회절 각도, q는 가상 이미지 (401) 의 사이즈를 결정한다. 가상 이미지 (401), 디스플레이 디바이스 (402) 및 뷰잉 시스템 (405) 은 광학 축, Ax 상에 배치된다.
뷰잉 시스템 (405) 은 입사 어퍼처 (404) 및 뷰잉 평면 (406) 을 갖는다. 뷰잉 시스템 (405) 은 인간의 눈일 수도 있다. 따라서, 입사 어퍼처 (404) 는 눈의 동공일 수도 있고 뷰잉 평면 (406) 은 눈의 망막일 수도 있다.
디스플레이 디바이스 (402) 와 뷰잉 시스템 (405) 사이를 이동하는 광은 (이미지 자체가 아닌) 이미지의 홀로그램으로 변조된다. 그러나, 도 4는 홀로그램이 가상 이미지 콘텐츠를 각도로 분할하는 (divide) 방법을 예시한다. 예시된 광선 다발 각각은 가상 이미지 (401) 의 상이한 부분과 관련된다. 더 구체적으로, 광선 다발 각각의 광은 가상 이미지의 일 부분에 대한 정보와 함께 홀로그램에 의해 인코딩된다. 도 4는 각각 광학 축, Ax에 대한 각각의 각도를 특징으로 하고, 그리고 각각 가상 이미지의 각각의 부분을 나타내는 5 개의 예시적인 광선 다발들을 도시한다. 이 예에서, 광 다발들 중 하나는 동공 (404) 을 통과하고 다른 4 개의 광 다발들은 동공 (404) 에 의해 차단된다. 다시, 5 개의 상이한 광선 다발들은 가상 이미지 (401) 의 5 개의 상이한 부분들에 대응한다. 가상 이미지의 전체 이미지 콘텐츠는 효과적으로 각도로 분할된다. 광학 축, Ax를 따라 이동하는 광 다발은 이미지 정보의 중심 부분, 즉, 이미지의 중심에 관한 정보를 반송한다. 다른 광 다발들은 이미지 정보의 다른 부분들을 반송한다. 광 원뿔 (light cone) 의 극단에 도시된 2 개의 광 다발들은 이미지 정보의 에지 부분들을 반송한다. 각도에 의한 이미지 정보의 이 분할의 결과는 모든 이미지 콘텐츠가 미리 결정된 뷰잉 포지션에서 뷰잉 시스템의 입사 어퍼처 (404) 를 통과할 수 없다는 것이다. 즉, 모든 이미지 콘텐츠가 눈으로 수신되는 것은 아니다. 도 4의 예에서, 예시된 5 개의 광 다발들 중 하나만이 임의의 뷰잉 포지션에서 동공 (404) 을 통과한다. 독자는 5 개의 광 다발들이 단지 예로서 도시되고 기술된 프로세스는 가상 이미지의 이미지 정보를 단 5 개의 광 다발들로 분할하는 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
이 예에서, 이미지 정보의 중심 부분은 눈에 의해 수신된다. 이미지 정보의 에지 부분은 눈의 동공에 의해 차단된다. 독자는 뷰어가 위 또는 아래로 이동하면, 상이한 광 다발이 눈에 의해 수신될 수도 있고, 예를 들어, 이미지 정보의 중심 부분이 차단될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서 뷰어는 전체 이미지의 일부만 본다. 나머지 이미지 정보는 입사 동공에 의해 차단된다. 뷰어의 시야 (view) 는 디스플레이 디바이스 자체의 작은 어퍼처를 통해 이미지를 효과적으로 보고 있기 때문에 상당히 제한된다.
요약하면, 광은 디스플레이 디바이스로부터 회절 각도의 범위에 걸쳐 전파된다. 1 m 뷰잉 거리에서, 미리 결정된 눈 포지션에 대해 망막에서 이미지를 형성하기 위해 디스플레이 디바이스로부터 작은 범위의 각도들만이 눈의 동공을 통해 전파될 수 있다. 가시적인 가상 이미지의 유일한 부분들은 입사 어퍼처를 통과하는 도 4에 도시된 작은 각도 범위 내에 있다. 따라서, 시계 (field of view) 는 매우 작고, 특정한 각도 범위는 눈 포지션에 크게 종속된다.
도 4를 참조하여 설명된 작은 시야 및 눈 포지션에 대한 감도의 문제는 디스플레이 디바이스의 큰 가시 거리 및 작은 어퍼처의 결과이다. 가시 거리의 중요성은 도 5 내지 도 7을 참조하여 더 설명된다.
도 5a는 홀로그램을 디스플레이하고 홀로그램에 따라 변조된 광을 입사 어퍼처 (504) 및 뷰잉 평면 (506) 을 포함하는 뷰잉 시스템으로 전파하도록 구성된 디스플레이 디바이스 (502) 를 도시한다. 가상 이미지 (501) 는 무한대에 있고 따라서 가상 이미지와 디스플레이 디바이스 사이에서 추적된 광선들이 시준된다. 도 5a의 하부 부분은 뷰잉 시스템의 확대된 도면을 도시한다. 이 도면은 개략적이고 따라서 눈의 생리학적 상세는 도시되지 않는다. 실제로, 물론, 디스플레이 디바이스 (502) 를 조사하도록 구성된 광원 (도 5a에 미도시) 이 있다.
도 5a는 어퍼처 (504) 를 통해 전파할 수 있는 광선들만을 도시하고, 어퍼처 (504) 를 통과할 수 없는 임의의 다른 광선들은 생략된다. 그러나, 이들 다른 광선들은 또한 실제로 디스플레이 디바이스 (502) 로부터 전파될 것이라는 것이 이해될 것이다. 도 5a에서, 디스플레이 디바이스와 뷰잉 평면 사이의 거리는 디스플레이 디바이스로부터의 완전한 회절 각도가 망막 상에 이미지를 형성할 수 있도록 충분히 작다. 가상 이미지로부터 도시된 모든 광 전파 경로들은 입사 어퍼처를 통과한다. 따라서, 가상 이미지 상의 모든 지점들은 망막 상으로 맵핑되고 모든 이미지 콘텐츠는 뷰잉 평면으로 전달된다. 따라서 지각된 이미지의 시계는 최대이다. 최적의 포지션에서, 시계는 디스플레이 디바이스의 회절 각도와 같다. 흥미롭게도, 망막 상의 상이한 이미지 지점들은 디스플레이 디바이스 (502) 상의 상이한 영역들로부터 전파하는 광으로부터 형성된다―예를 들어, 도 5a의 상단에 가장 가까운 이미지 지점은 디스플레이 디바이스의 하부 부분으로부터만 전파하는 광으로부터 형성된다. 디스플레이 디바이스의 다른 영역들로부터 전파되는 광은 이 이미지 지점에 기여하지 않는다.
도 5b는 뷰잉 거리가 증가함에 따라 발생하는 상황을 도시한다.
보다 상세히, 도 5b는 홀로그램을 디스플레이하고 홀로그램에 따라 변조된 광을 입사 어퍼처 (504') 및 뷰잉 평면 (506') 을 포함하는 뷰잉 시스템으로 전파하도록 구성된 디스플레이 디바이스 (502') 를 도시한다. 가상 이미지 (501') 는 무한대이고 따라서 가상 이미지 (501') 와 디스플레이 디바이스 (502') 사이에서 추적된 광선들이 시준된다. 도 5b의 하부는 뷰잉 시스템의 확대된 뷰를 도시한다. 이 도면은 개략적이고 따라서 눈의 생리학적 상세는 도시되지 않는다. 실제로, 물론, 디스플레이 디바이스 (502') 를 조사하도록 구성된 광원 (도 5b에 미도시) 이 있다.
도 5b는 어퍼처 (504') 를 통해 전파할 수 있는 광선들만을 도시한다. 도 5b의 더 큰 가시 거리에서, 광선 다발들 중 일부는 입사 개구 (504') 에 의해 차단된다. 구체적으로, 가상 이미지의 에지 부분들과 연관된 광선 다발들은 입사 동공 (504') 에 의해 차단된다. 따라서, 전체 가상 이미지는 가시적이지 않고 가시적인 가상 이미지의 일부는 눈 포지션에 크게 종속된다. 따라서, 디스플레이 디바이스와 뷰잉 시스템 사이의 큰 거리는 작은 사이즈의 디스플레이 디바이스로 인해 문제가 된다.
도 6a는 디스플레이 디바이스 (602) 를 포함하는 개선된 시스템을 도시하고, 디스플레이 디바이스 (602) 상에 디스플레이된 홀로그램으로 인코딩된 광을 입사 어퍼처 (604) 및 뷰잉 평면 (606) 을 포함하는 뷰잉 시스템을 향해 전파한다. 실제로, 물론, 디스플레이 디바이스 (602) 를 조사하도록 구성된 광원 (미도시) 이 있다. 개선된 시스템은 디스플레이 디바이스 (602) 와 입사 어퍼처 (604) 사이에 포지셔닝된 도파관 (608) 을 더 포함한다. 도 6a의 하부 부분은 입사 동공 (604) 및 뷰잉 평면 (606) 의 확대도를 도시한다. 이 도면은 개략적이고 따라서 눈의 생리학적 상세는 도시되지 않는다.
도 6a의 뷰잉 거리는 도 5b의 뷰잉 거리와 동일하다. 그러나, 도 5b에서 차단된 광선 다발들은―더 긴 뷰잉 거리에도 불구하고― 전체 이미지 정보가 뷰잉 시스템에 의해 수신되도록 도파관 (608) 에 의해 효과적으로 복구된다.
도파관 (608) 의 존재는 디스플레이 디바이스 (602) 로부터의 모든 각도 콘텐츠가 이 상대적으로 큰 투사 거리에서도 눈에 의해 수신되게 한다. 이는 공지된 방식으로 도파관 (608) 이 동공 확장기로서 작용하기 때문에 그리고 따라서 본 명세서에서 간략하게 기술된다.
간단히 말해서, 도파관 (608) 은 실질적으로 긴 (elongate) 포메이션 (formation) 을 포함한다. 이 예에서, 이는 굴절 재료의 광학 슬랩 (slab) 을 포함하지만, 다른 타입들의 도파관이 또한 공지되고 사용될 수도 있다. 도파관 (608) 은 디스플레이 디바이스 (602) 로부터 투사되는 광 원뿔과 예를 들어 비스듬한 각도로 교차하도록 위치된다. 도파관 (608) 의 사이즈, 및 포지션은 광 원뿔 내의 5 개의 광선 다발들 각각으로부터의 광이 도파관 (608) 에 입사하는 것을 보장하도록 구성된다. 광 원뿔로부터의 광은 제 1 평면형 표면 (610) (디스플레이 디바이스 (602) 에 가장 가깝게 위치됨) 을 통해 도파관 (608) 으로 입사되고, 실질적으로 제 1 표면 (610) 반대편 (눈에 가장 가깝게 위치됨) 의 제 2 평면형 표면 (612) 을 통해 방출되기 전에, 도파관 (608) 의 길이를 따라 적어도 부분적으로 가이드된다. 잘 이해될 바와 같이, 제 2 평면형 표면 (612) 은 부분적으로 반사되고, 부분적으로 투과성이다. 즉, 광의 광선 각각이 도파관 (608) 내에서, 제 1 평면형 표면 (610) 으로부터 도파관 (608) 의 제 2 평면형 표면 (612) 으로 이동할 때, 광의 일부는 도파관 (608) 으로부터 투과되고 일부는 제 2 평면형 표면 (612) 에 의해, 다시 제 1 평면형 표면 (610) 을 향하여 반사될 것이다. 제 1 평면형 표면 (610) 은 도파관 (608) 내로부터 그것에 부딪치는 (hit) 모든 광이 제 2 평면형 표면 (612) 을 향해 다시 반사되도록 반사성이다. 따라서, 광의 일부는 투과되기 전에 도파관 (608) 의 2 개의 평면형 표면들 (610, 612) 사이에서 단순히 굴절될 수도 있는 한편, 다른 광은 반사될 수도 있고, 따라서 투과되기 전에, 도파관 (608) 의 평면형 표면들 (610, 612) 사이에서 하나 이상의 반사, (또는 '바운스 (bounce)') 를 겪을 수도 있다. 따라서 도파관 (608) 의 순 효과는 광의 투과가 도파관 (608) 의 제 2 평면형 표면 (612) 상의 복수의 위치들에 걸쳐 효과적으로 확장된다는 것이다. 따라서 디스플레이 디바이스 (602) 에 의해 출력된 모든 각도 콘텐츠는 도파관 (608) 의 부재시보다 디스플레이 평면 상의 더 많은 수의 포지션들 (및 어퍼처 평면 상의 더 많은 수의 포지션들) 에 존재할 수도 있다. 이는 광선 다발 각각으로부터의 광이 입사 어퍼처 (604) 로 들어갈 수도 있고 상대적으로 큰 투사 거리에도 불구하고 뷰잉 평면 (606) 에 의해 형성된 이미지에 기여할 수도 있다는 것을 의미한다. 즉, 디스플레이 디바이스 (602) 로부터의 모든 각도 콘텐츠는 눈에 의해 수신될 수 있다. 따라서, 디스플레이 디바이스 (602) 의 전체 회절 각도가 활용되고 뷰잉 윈도우는 사용자에 대해 최대화된다. 결국, 이는 모든 광선들이 지각된 가상 이미지 (601) 에 기여한다는 것을 의미한다.
도 6b는 ―상단에서 하단으로 각각 R1 내지 R5로 라벨링된― 도 6a에 형성된 가상 이미지 (601) 내의 5 개의 각각의 이미지 지점들에 기여하는 5 개의 광선 다발들 각각에 대한 개별적인 광학 경로들을 도시한다. 여기서 알 수 있는 바와 같이, R1 및 R2 각각의 광은 단순히 굴절되고 이어서 도파관 (608) 에 의해 투과된다. 한편, R4의 광은 투과되기 전에 단일 바운스와 직면한다. R3의 광은 투과되기 전에 도파관 (608) 에 의해 단순히 굴절되는 디스플레이 디바이스 (602) 의 대응하는 제 1 부분으로부터의 일부 광, 및 투과되기 전에 단일 바운스와 직면하는 디스플레이 디바이스 (602) 의 제 2, 상이한 대응하는 부분으로부터의 일부 광을 포함한다. 유사하게, R5의 광은 투과되기 전에 단일 바운스와 직면하는 디스플레이 디바이스 (602) 의 대응하는 제 1 부분으로부터의 일부 광 및 투과되기 전에 2 개의 바운스들과 직면하는 디스플레이 디바이스 (602) 의 제 2, 상이한 대응하는 부분으로부터의 일부 광을 포함한다. R3 및 R5 각각에 대해, LCOS의 2 개의 상이한 부분들은 가상 이미지의 부분에 대응하는 광을 전파한다.
본 발명자들은 가상 이미지 (601) 의 상이한 부분들 (즉, 상이한 가상 이미지 지점들) 로부터의 광이 시스템을 통한 상이한 광학 경로들을 따른다는 것을 인식하였다. 도 7a 및 도 7b에 의해 예시된 실시 예에서, 본 발명자들은 간단히 말해서, (i) 가상 이미지가 복수의 개별 가상 이미지 컴포넌트들 또는 영역들을 포함하고 (ii) 가상 이미지 컴포넌트 각각의 광과 도파관 (708) 내에서 상이한 수의 바운스들/반사들이 연관되도록 시스템을 구성하였다.
도 7a는 8 개의 이미지 영역들/컴포넌트들, V1 내지 V8을 포함하는 투사할 이미지 (752) 를 도시한다. 도 7a는 단지 예로서 8 개의 이미지 컴포넌트들을 도시하고 이미지 (752) 는 임의의 수의 컴포넌트들로 분할될 수도 있다. 도 7a는 또한 ―예를 들어 적합한 뷰잉 시스템의 렌즈에 의해 변환될 때― 이미지 (752) 를 재구성할 수 있는 인코딩된 광 패턴 (754) 을 도시한다. 인코딩된 광 패턴 (754) 은 제 1 이미지 컴포넌트/영역 내지 제 8 이미지 컴포넌트/영역, V1 내지 V8에 대응하는, 제 1 서브-홀로그램 또는 컴포넌트 내지 제 8 서브-홀로그램 또는 컴포넌트, H1 내지 H8을 포함한다. 도 7a는 본 개시에 따라 계산된 홀로그램이 각도에 의해 이미지 콘텐츠를 효과적으로 분해하는 방법을 더 도시한다. 따라서 홀로그램은 그것이 수행하는 광의 채널링을 특징으로 할 수도 있다. 이는 도 7b에 예시된다. 구체적으로, 본 개시에 따른 홀로그램은 복수의 개별 영역들로 광을 지향시킨다. 개별 영역들은 도시된 예에서 디스크이지만 다른 형상들이 구상된다. 최적의 디스크의 사이즈 및 형상은 도파관을 통한 전파 후, 뷰잉 시스템의 입사 동공의 사이즈 및 형상과 관련될 수도 있다. 이 광 채널링은 본 명세서에 개시된 홀로그램을 결정하는 특정한 방법으로 인해서만 발생한다.
도 7c는 도 7a 및 도 7b에 예시된 인식들에 따른, 개선된 뷰잉 시스템 (700) 을 도시한다. GB2108456.1은 (도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이) 데이터 구조를 도출하기 위한 방법들을 기술하고, 이는 도 7a 및 도 7b에 의해 예시된 스킴에 적용될 수도 있다.
뷰잉 시스템 (700) 은 이 구성 (arrangement) 에서 LCOS (702) 를 포함하는 디스플레이 디바이스를 포함한다. LCOS (702) 는 홀로그램을 포함하는 변조 패턴 (또는 "회절 패턴") 을 디스플레이하고 그리고 어퍼처 (704) 로 작용하는 동공, 렌즈 (709), 및 뷰잉 평면으로 작용하는 망막 (미도시) 을 포함하는 눈 (705) 을 향해 홀로그래피 인코딩된 광을 투사하도록 구성된다. LCOS (702) 를 조사하도록 구성된 광원 (미도시) 이 있다. 눈 (705) 의 렌즈 (709) 는 홀로그램 대 이미지 변환을 수행한다.
뷰잉 시스템 (700) 은 LCOS (702) 와 눈 (705) 사이에 포지셔닝된 도파관 (708) 을 더 포함한다. 도 7c의 투사 거리는 상대적으로 클 수도 있다. 그러나, 이전 도면들과 관련하여 기술된 바와 같이, 도파관 (708) 의 존재는 LCOS (702) 로부터의 모든 각도 콘텐츠가 이 상대적으로 큰 투사 거리에서도 눈 (705) 에 의해 수신되게 한다. 이는 상기 기술된 방식으로, 도파관 (708) 이 동공 확장기로서 작용하기 때문이다.
부가적으로, 이 구성에서, LCOS (702) 가 본 명세서에 기술된 방법들에 따라 인코딩될 때, 도파관 (708) 은 LCOS (702) 로부터의 광과 뷰어가 지각할 가상 이미지 사이의 고유한 관계를 확립하기 위해 LCOS (702) 에 대해 비스듬히 배향될 수 있다. 도파관 (708) 의 사이즈, 및 포지션은 가상 이미지의 부분 각각으로부터의 광이 도파관 (708) 으로 입사되고 도파관 (708) 의 실질적으로 평면형 표면들 사이에서 바운싱되는 긴 축을 따라 가이드되는 것을 보장하도록 구성된다. 광이 (눈 (705) 에 가장 가까운) 제 2 평면형 표면에 도달할 때마다, 일부 광이 투과되고 일부 광이 반사된다.
도 7c는 도파관 (702) 의 길이를 따라 총 9 개의 "바운스" 지점들, B0 내지 B8을 도시한다. 독자는 이미지 (752) 의 중심이 공백으로 유지된다는 것을 알 것이다. 도 7c는 도파관 내 0 번째 내지 9 번째 광 "바운스" 또는 반사 지점들, B0 내지 B8을 도시한다. 반사 지점들, B0 내지 B8은 또한 투과 지점들이라는 것이 이해될 것이다. 이미지의 모든 지점들 (V1 내지 V8) 에 관련된 광이 도파관 (708) 의 제 2 평면형 표면으로부터 "바운스" 각각에서 도파관으로부터 투과되지만, 이미지의 각도 부분 중 하나로부터의 광 (예를 들어, V1 내지 V8 중 하나의 광) 만이 각각의 "바운스" 지점, B0 내지 B8 각각으로부터 눈 (705) 에 도달하게 하는 궤적을 갖는다. 더욱이, 이미지의 상이한 각도 부분, V1 내지 V8로부터의 광은 각각의 "바운스"지점 각각으로부터 눈 (705) 에 도달한다. 도 7c는 (투과 지점 각각에서 복수의 짧은 화살표들로 도시된) 각각의 "바운스" 지점에서 방출되는 모든 상이한 각도 콘텐츠로부터의 광을 도시하지만, 도파관의 각각의 부분으로부터 실제로 눈 (705) 에 도달할―따라서 뷰어가 지각할 가상 이미지의 각각의 부분에 기여할― 각각의 각도 콘텐츠의 눈 (705) 으로의 광학 경로만을 도시한다. 예를 들어, 0 번째 바운스, B0에 대해, 도파관 (708) 에 의해 투과된 광은 단순히 굴절되고 내부에서 어떠한 반사도 겪지 않는다. 제 8 서브-홀로그램의 광, H8은 0 번째 바운스, B0으로부터 눈에 도달한다. 다음 바운스 B1에 대해, 도파관 (702) 에 의해 투과된 광은 투과 전에 내부에서 일 바운스를 겪는다. 제 7 홀로그램 H7로부터의 광은 다음 바운스 B1로부터 눈에 도달한다. 이는 최종 바운스에서 도파관 (708) 에 의해 투과된 광, B8이 투과되고 눈 (705) 에 도달하기 전에 8 개의 바운스들을 겪고, 제 1 홀로그램, H1에 따라 인코딩된 광을 포함할 때까지 순차적으로 계속된다.
도 7a 내지 도 7c에 도시된 예에서, 하나의 이미지 영역의 광만이 바운스 지점 각각으로부터 눈에 도달한다. 따라서 ―홀로그램이 본 명세서에 기술된 바와 같이 결정될 때― 가상 이미지의 영역들과 도파관 상의 이들의 연관된 바운스 지점 사이의 공간적 상관 관계가 확립된다. 일부 다른 예들에서, 이미지의 일 영역이 2 개의 인접한 투과 지점들로부터 나오고, 따라서 도파관으로부터 뷰잉 평면을 향해 전파하는 2 개의 인접한 광 디스크들 내에 포함되도록 상대적으로 작은 오버랩들이 있을 수도 있다.
따라서, 본 발명자들에 의해 이루어진 인식들, 및 본 명세서 및 공동 계류 중인 GB2108456.1에 기술된 방법들 및 구성들은, LCOS 또는 다른 적합한 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이될 때, 각각이 대응하는 가상의 이미지의 상이한 각각의 부분에 대응하는 (더 구체적으로, 인코딩하는) 복수의 '디스크들', 또는 광선 다발들에서 광이 그로부터 효과적으로 방출되게 할 수 있는, 홀로그램을 포함하는 회절 패턴 (또는 "광 변조 패턴") 이 생성되게 할 수 있다.
따라서, 디스플레이 디바이스가 적합한 광원에 의해 조사될 때, 뷰어가 이미지들을 볼 수 있게 하는 방식으로, 홀로그램들이 계산될 수 있게 하고, 그리고 적합한 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이되게 하는 개선된 방법들 및 배열들이 본 명세서에 기술된다. GB2108456.1에 기술된 방법들을 사용하여, 뷰어가 보는 이미지들은 고스트들 (ghosts) 이 없을 수 있고, 대신 단일 메인 이미지에 기여하는, 관습적으로 고스트 이미지에 기여할 광의 기여에 의해 더 밝게 만들어질 수도 있다.
본 명세서에 기술된 개선된 방법들 및 구성들은 다양한 상이한 애플리케이션들 및 뷰잉 시스템들에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들은 헤드 업 디스플레이 (head-up-display; HUD) 로 구현될 수도 있다. 가상 이미지들이 형성되는 많은 종래의 HUD들에 대한 개선에서, 본 명세서에 기술된 개선된 방법들 및 구성들은 여전히 고스트 이미지들을 제거하는 동안 -적합한 제어기에 의해 선택되고 튜닝될 수 있는- 유한한 이미지 거리들에서 가상 이미지들을 생성하도록 구현될 수 있다.
지각된 이미지를 형성하기 위해 눈이 수신된 변조된 광을 변환할 것을 요구하는 가상 이미지들이 본 명세서에서 논의되었지만, 본 명세서에 기술된 개선된 방법들 및 구성들은 실제 이미지들에 적용될 수 있다.
도파관 어퍼처
상기 도면들은 단일 눈 또는 단일 "개구부" 또는 "입사 동공"을 도시하였지만, 본 명세서에 기술된 모든 구성들 및 방법들은 복수의 입사 동공을 갖는 뷰잉 시스템에 적용 가능하다―예를 들어, 가장 일반적으로, 두 개의 눈을 가진 인간 뷰어와 같은 양안 뷰잉 시스템.
본 발명자들은, 뷰잉 시스템의 입사 동공에 따라 홀로그램을 제한하는 것을 포함하는, 상기 기술된 바와 같이 타깃 이미지의 홀로그램이 계산될 때, 뷰잉 시스템이 복수의 입사 동공을 가질 때―예를 들어, 뷰어가 두 눈으로 홀로그램으로 재구성된 이미지를 볼 때― 가능한 효과들이 고려되어야 한다는 것을 인식하였다. 실시 예들에서, 홀로그램은 복수의 입사 동공들의 일 입사 동공에 따라 제한될 수도 있지만, 이미지의 일부 또는 전부는 또한 복수의 입사 동공들의 하나 이상의 다른 입사 동공들에게 가시적일 수도 있다. 실시 예들에서, 홀로그램은 복수의 입사 동공들의 2 개 이상의 입사 동공들에 따라 제한될 수도 있다. 예를 들어, 2 개의 서브-홀로그램들, 이들 각각은 상이한 각각의 입사 동공에 따라 제한될 수도 있고, 디스플레이 디바이스 상의 디스플레이를 위해 단일 홀로그램으로 계산되고 결합 (예를 들어, 합산) 될 수도 있다. 예를 들어, 좌안 홀로그램 및 우안 홀로그램은 각각의 좌안 이미지 및 우안 이미지로부터 계산될 수도 있고, 좌안 홀로그램은 뷰어의 좌안의 입사 동공에 따라 계산 동안 제한되고 우안 홀로그램은 뷰어의 우안의 입사 동공에 따라 계산 동안 제한된다. 실시 예들에서, 복수의 입사 동공들의 상이한 각각의 입사 동공에 따라 각각 제한되는 2 개 이상의 홀로그램들은 서로 인터레이스될 (interlace) 수도 있다. 즉, 2 개의 홀로그램들은 교번적으로, 빠르게 연속적으로 디스플레이될 수도 있어서, 뷰어는 2 개의 대응하는 이미지들이 실질적으로 동시에 형성되는 것으로 지각한다.
본 발명자들은 뷰잉 시스템의 복수의 입사 동공들에 의한 수신에 보다 적합하게 하기 위해, 디스플레이된 홀로그램으로부터 뷰잉 시스템을 향해 전파하는 광에 부가적인 안내 (guidance) 또는 제어가 적용될 수도 있다는 것을 인식하였다.
상기에 상세히 기술된 바와 같이, 홀로그램이 기술된 방법들에 따라 계산되고 도 7c에 도시된 바와 같은 시스템으로 디스플레이되고 전파될 때, 투과 지점-또는 도 7c에 도시된 바와 같이 B0 내지 B8과 같은 "바운스 지점"―각각에서 이미지의 모든 지점들 (V1 내지 V8) 에 관한 광이 도파관으로부터 투과된다. 도 7a의 이미지 (752) 의 중간 영역은 블랭크이고, 따라서 이미지의 중간과 연관된 홀로그램 채널은 도 7b에 도시되거나 라벨링되지 않는다. 따라서, 도 7c에서, 투과 지점 B4와 연관된 광학 경로는 뷰잉 시스템으로 어떠한 이미지 콘텐츠도 전달하지 않을 수도 있다. 그러나, 단일-입사 동공 뷰잉 시스템에 대해, 이미지의 일 각도 부분으로부터의 광 (예를 들어, V1 내지 V8 각각의 각각의 광) 만이 각각의 "바운스" 지점, B0 내지 B8 각각으로부터 눈 (705) 에 도달할 수 있게 하는 궤적을 갖는다. 더욱이, 이미지의 상이한 각도 부분, V1 내지 V8로부터의 광은 각각의 "바운스" 지점 각각으로부터 눈 (705) 에 도달한다. 따라서, 도 7c에서, 단일 입사 동공 (704) 은 이미지의 모든 각도 콘텐츠를 수신하는 것으로 도시되지만, 이미지의 각도 부분 각각은 도파관 (708) 상의 상이한 각각의 바운스 지점으로부터 나온다. 그러나, 본 발명자들은 뷰잉 시스템이 2 개 이상의 입사 동공들을 갖는다면, 이미지의 모든 각도 부분들이 도파관의 바운스 지점 각각에서 방출되기 때문에, 이미지의 동일한 각도 부분으로부터의 광이 두 입사 동공들에 동시에 도달할 위험이 있다는 것을 인식하였다. 예를 들어, 뷰잉 시스템이 인간이고 복수의 입사 동공들이 두 눈을 포함할 때, 우안은 제 1 수의 바운스들 By 후에 도파관으로부터 방출되는 광 경로를 통해 특정한 각도 콘텐츠 Vx를 포함하는 광을 수신할 수도 있고, 좌안은 제 2, 상이한 수의 바운스들 Bz 후에 도파관으로부터 방출되는 광 경로를 통해 동일한 각도 콘텐츠 Vx를 동시에 (또는 실질적으로 동시에, 미리 결정된 광의 속도로) 수신할 수도 있다. 이는 인간의 뇌―그리고 실제로, 인간이 아닌 임의의 뷰잉 시스템과 연관된 프로세서―가 동일한 각도로, 서로 공간적으로 분리된 2 개의 입사 동공들에서 동시에 이미지의 동일한 부분 (즉, 동일한 이미지 콘텐츠) 을 수신할 것으로 예상하지 않기 때문에 혼동을 야기할 수도 있다. 대신, 뇌 (또는 다른 프로세서) 는 단일 지점 또는 이미지의 단일 부분으로부터의 광이 상이한 각각의 각도들에서 2 (또는 그 이상) 입사 동공들에 의해 수신될 것으로 예상할 것이다.
도 8은 본 발명자들이 해결한 상기 기술된 문제를 예시한다. 도 8은 GB2108456.1에 기술된 방법들에 따라 계산된 홀로그램을 디스플레이하는 디스플레이 디바이스 (802) 를 도시한다.
디스플레이 디바이스 (802) 는 광원 (미도시) 에 의해 조사된다. 광은 디스플레이된 홀로그램에 의해 공간적으로 변조되고 도파관 (804) 을 향해 전파된다. 이전 도면들과 관련하여 상세히 기술된 바와 같이, 광은 도파관 (804) 내에서 굴절된다. 굴절 후, 광의 일부는 제 1 투과 지점 (또는 "바운스 지점") 에서 뷰어를 향해 방출되고 광의 다른 부분들은 투과 전에 도파관 (804) 내에서 내부적으로 반사 (또는 "바운스") 되고, 광의 각각의 부분들은 도파관 (804) 의 길이를 따라 상이한 각각의 투과 지점들 (또는 "바운스 지점들") 에서 뷰어를 향해 방출된다.
도 8은 디스플레이된 홀로그램에 의해 표현된 이미지의 일 부분 (Vx) 의 광에 대한 광학 경로들 (810) 만을 도시한다. 이미지의 다른 부분들의 광들은 실제로 또한 도파관으로부터 뷰어를 향해 투과될 것이지만, 이해의 용이성을 위해 도 8에서 생략되었다. 이미지의 다른 각도 부분들의 광들은 도파관 (804) 상의 바운스 지점들과 뷰어 사이에서 상이한 각각의 광학 경로들을 따를 것이고, 이미지의 각도 부분 각각의 (즉, 모든) 각도 부분의 광이 도파관 상의 각각의 (즉, 모든) 바운스 지점에서, 뷰어를 향해 방출될 것이라는 것이 이해될 것이다.
도 8은 뷰어의 눈들의 동공들이 위치되는 평면을 나타내는 입사 동공 평면 (812), 및 뷰어의 눈들의 망막들 상의 이미지가 형성되는 평면을 나타내는 이미지 디스플레이 평면 (814) 을 도시한다. 도 8은 또한 광학 경로들 (810) 중 어느 것이 뷰어의 우안을 향해 이동하고 입사 동공을 통해 입사할 지를 나타내는 제 1 마커 (808) 및 광학 경로들 (810) 중 어느 것이 뷰어의 좌안을 향해 이동하고, 그리고 입사 동공을 통해 입사할 지를 나타내는 제 2 마커 (806) 를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 뷰어의 눈들이 본질적으로 서로 공간적으로 분리되기 때문에, 눈 각각은 복수의 광학적 경로들 (810) 중 하나의 광학적 경로의 광만을 수신할 것이고, 눈 각각은 서로 상이한 광학적 경로 (810) 를 통해 광을 수신할 것이다. 그러나, 상기 기술된 바와 같이, 도 8에 도시된 모든 광학 경로들은 이미지의 동일한 (즉, 공통의) 부분의 광을 포함한다. 따라서, 두 눈들은 상이한 각각의 광학 경로들을 통해서라도, 동일한 입사 각도로 동일한 이미지 콘텐츠를 수신할 것이다. 본 발명자들은 이것이 혼동을 야기할 수도 있고 뷰어가 지각하는 이미지의 선명도를 손상시킬 수도 있다는 것을 인식하였다. 이하의 기술로부터 이해될 바와 같이, 본 발명자들은 이 잠재적인 문제를 해결하였다. 더욱이, 이미지의 일 각도 부분의 광의 광학 경로들만이 도 8에 도시되지만, 비슷한 방식으로 이미지의 하나 이상의 다른 각도 부분들의 광이 또한 뷰어의 좌안 및 우안 모두에 의해 동시에 수신될 수도 있다.
도 9는 도파관 (904) 및 2 개의 입사 동공들을 포함하는 뷰잉 시스템 (910) 을 포함하는 디스플레이 시스템, 또는 광 엔진을 도시한다. 이 예에서, 뷰잉 시스템 (910) 은 인간 뷰어이고 2 개의 입사 동공들은 각각 뷰어의 좌안 (906) 및 우안 (908) 의 일부이지만, 이는 비 제한적인 것으로 간주되어야 하고 본 개시는 또한 다른 타입들의 뷰잉 시스템에 적용된다. 디스플레이 시스템의 다른 부분들은 도 9에서 생략되었다. 도파관 (904) 은 뷰잉 시스템 (910) 에 더 가까운 큰 면 상에 규정된 (실질적으로) 중심 지점 (902) 을 갖고, 여기서 "도파관을 따른 포지션" (PWG) 은 중심 지점 (902) 에서 0과 같다 (PWG = 0) 로 규정된다. 광학 축은 중심 지점 (902) 으로부터 뷰잉 시스템 (910) 으로 연장하는 (이 예에서 "z" 방향으로) 실질적으로 수평인 대시선으로 나타낸다. "x" 축은 광학 축에 실질적으로 수직인, 중심 지점 (902) 으로부터 연장하는 실질적으로 수직선에 의해 규정된다. 도파관 (904) 은 x 축에 대해 각도 "α"로 배치된다. 뷰어의 눈들의 동공들이 상부에 위치되고, 입사 동공 평면 상에서 서로 공간적으로 분리된 입사 동공 평면은 이 예에서, x 축에 실질적으로 평행하다. 그러나, 본 개시는 도 9의 배열로 제한되지 않고, 도 9의 임의의 피처들의 상대적인 포지션들로 제한되지 않는다. 예를 들어, 실제로 뷰어의 눈들은 도파관으로부터 뷰어를 향해 연장하는 광학 축에 수직인 공통 입사 동공 평면 상에 정확하게 위치되지 않을 수도 있다. 미리 결정된 시간에, 뷰어의 눈들의 위치들은 디스플레이 시스템 내에 포함되거나 디스플레이 시스템과 통신하는 프로세서에 의해 계산되거나 그렇지 않으면 획득될 수도 있다. 예를 들어, 임의의 적합한 눈 추적 방법이 채용될 수도 있다.
도파관 (904) 의 면 상의 다른 지점들의 "도파관을 따른 포지션" (PWG) 은 중심 지점 (902) 에 대한 이들의 포지션에 따라 규정될 수도 있다. 비 제한적인 예로서, 도 9에서 뷰어 (910) 에 의해 본 바와 같이 중심 지점 (902) 의 우측에 위치된 임의의 지점들은 PWG의 크기가 도파관의 면을 따라 중심 지점 (902) 과 다른 지점 사이의 거리에 의해 규정되는, 양의 (+) PWG 값으로 할당될 수도 있다. 반대로, 도 9에서 뷰어 (910) 에 의해 본 바와 같이 중심 지점 (902) 의 좌측에 위치된 임의의 지점들은 PWG의 크기가 다시 도파관의 면을 따라 중심 지점 (902) 과 다른 지점 사이의 거리에 의해 규정되는, 음의 (-) PWG 값으로 할당될 수도 있다. 거리 "D"는 중심 지점 (902) 과 입사 동공 평면 사이에서 광학 축에 실질적으로 평행하게 규정된다. 거리 "D"는 뷰어의 눈들의 입사 동공들의 사이즈와 비교하여 그리고/또는 뷰잉 시스템 (910) 에 의해 볼 이미지의 홀로그램을 디스플레이하는 디스플레이 디바이스 (미도시) 의 사이즈와 비교하여 상대적으로 클 수도 있다. 예를 들어, 거리 "D"는 대략 1000 밀리미터 (1000 ㎜) 일 수도 있다.
뷰어의 눈들 (906, 908) 이 본질적으로 서로 공간적으로 분리된다는 것을 알 수 있다. 뷰어의 눈들의 입사 동공들 사이의 분리는 "동공 간 거리" (inter-pupil distance; IPD) 로 지칭될 수도 있다. 도 9에 도시된 예에서, 우안 (908) 의 입사 동공은 x 축을 따라 양의 (+) 방향으로 광학 축과 입사 동공 평면의 교차점으로부터 변위되는 반면, 좌안 (906) 의 입사 동공은 x 축을 따라 음의 (-) 방향으로 광학 축과 입사 동공 평면의 교차점으로부터 변위된다. 다시, 이는 단지 일 예이고 비 제한적이다. 본 발명자들은 뷰어의 2 개의 눈들의 상이한 각각의 포지션들 (및 대응하여, 임의의 다중-입사 동공 뷰잉 시스템 내에서 2 개 이상의 입사 동공들의 상이한 각각의 위치들) 이 이미지의 어떤 부분도 실질적으로 동시에 두 눈들에 수신되지 않는다는 것을 보장하는 것으로 고려될 수도 있도록 제어가 제공될 수도 있다는 것을 인식하였다. 상기시키기 위해, 본 개시에 따른 특수한 타입의 홀로그램은 각도에 의해 (홀로그램 도메인에 있지만) 이미지 콘텐츠를 효과적으로 분할하거나 분리한다.
도 10은 본 명세서의 도 7c, 도 8 또는 도 9에 도시된 바와 같은, 디스플레이 시스템 또는 광 엔진에 적용된, 본 발명자들에 의해 이루어진 인식들을 예시하는 그래프를 포함한다. 그래프는 뷰어 또는 뷰잉 시스템을 대면하는 도파관의 큰 면 상의 지점의 도파관을 따른 포지션 (PWG) 과 도파관 상의 지점에 대한 눈 각각으로부터 각도 사이의 관계를 도시한다. 실시 예들에서, 도파관은 디스플레이 디바이스 (즉, 홀로그램) 및/또는 뷰잉 시스템의 뷰잉 또는 입사 동공 평면에 대해 틸팅된다 (tilt).
도 10의 그래프는 2 개의 라인들을 도시한다―하나 (1006) 는 뷰어의 좌안과 같은 뷰잉 시스템의 제 1 입사 동공에 대한 것이고 다른 하나 (1008) 는 뷰어의 우안과 같은 뷰잉 시스템의 제 2, 상이한 입사 동공에 대한 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 임의의 미리 결정된 광 각도 θ에 대해, 광이 좌안에 도달하기 위해 방출되는, 도파관을 따른 제 1 포지션 (PWG1) 이 있다. 광의 동일한 각도 θ에 대해, 광이 우안에 도달하기 위해 방출되는, 도파관을 따라 제 2의 상이한 포지션 (PWG2) 이 있다. 따라서, 두 눈들은 실질적으로 동시에 그러나 도파관의 상이한 부분들로부터 동일한 이미지 콘텐츠 (즉, 광의 각도) 를 수신할 것이다. 이것이 발명자들에 의해 해결된 문제의 원인이다.
이미지의 상이한 각각의 부분들에 대응하는 모든 광선들 (또는 광선 다발들) 은 도파관 상의 복수의 위치들로부터 (즉, 복수의 "바운스 지점들"로부터) 방출된다. 따라서, 도파관으로부터 상이한 각각의 포지션들로부터 방출되지만 동일한 각도의 2 이상의 공간적으로 변조된 광의 광선들이 실질적으로 동시에 두 입사 동공들에 입사되면, 두 입사 동공들에 의해 (예를 들어, 두 뷰어의 눈들에 의해) 수신된 이미지 콘텐츠는 동일할 것이다. 이는 뷰어 혼동을 야기할 수도 있고 뷰어가 보거나 지각하는 이미지의 품질을 억제할 수도 있다.
따라서 본 발명자들은 실시 예들에 따라, 다중-입사 동공 뷰잉 시스템의 입사 동공 각각에 의해 수신되는 광이 제어되어야 한다는 것을 인식하였다. 예를 들어, 멀티-입사 동공 뷰잉 시스템의 2 개 이상의 입사 동공들에 의한, 동일한 각도의 동일한 이미지 콘텐츠의 광의 동시 수신은 감소되어야 하고 적어도 일부 경우들에서 제거되어야 한다. 더욱이, 본 발명자들은 적어도 일부 경우들에서, 동일한 이미지 콘텐츠의 광 (즉, 동일한 특정한 각도 범위(들)의 광) 을 모두 동시에 수신하는 것으로부터 다중-입사 동공 뷰잉 시스템의 2 개 이상의 입사 동공들이 방지되어야 한다는 것을 인식하였다. 본 발명자들의 해법은 도 11과 관련하여 이해될 것이고, 도 11은 또한 예에 따른, 뷰어의 좌안 및 우안에 의해 각각 수신된 광을 나타내는 제 1 라인 (1106) 및 제 2 라인 (1108) 을 도시한다.
도 11의 각도 각각은 본 개시에 따라 채용된 특수한 타입의 홀로그램으로 인해 이미지의 상이한 부분에 대응한다. 요약하면, 본 발명자들은 이 광학 기하 구조의 분석으로부터 도파관의 복수의 각도 범위들 또는 "존들" (즉, 서브-영역들) 이 식별될 수도 있고, 눈들 중 하나만이 대응하는 이미지 콘텐츠를 수신할 것이라는 것을 식별하였다. 예를 들어, 도파관의 존 2에서, 좌안에 의해 수신 가능한 광의 각도 범위는 우안에 의해 수신 가능한 광의 각도 범위와 오버랩하지 않는다. 임의의 존에서, 오버랩이 없도록 하나의 눈에 의해 수신 가능한 최대 각도는 다른 눈에 의해 수신 가능한 최소 각도보다 더 작다. 그러나 존들은 모든 이미지 콘텐츠 (즉, 모든 각도들) 가 뷰잉 시스템으로 전달되도록 매끄럽게 (seamlessly) 연결된다. 이것을 다른 방식으로 보면, 도 11의 존 2와 연관된 각도들의 범위는 동일한 각도 콘텐츠를 제 2 눈으로 전달하는 도파관의 제 2 서브-영역 (즉, PWG의 제 2 범위) 에 오버랩하지 않는 (그러나 매끄럽게 연결된) 도파관의 제 1 서브-영역 (즉, PWG의 제 1 범위) 으로부터 제 1 눈으로 전달된다. 제 1 서브-영역의 단부 (예를 들어, 제 1 눈에 대한 PWG의 상한선) 는 제 2 서브-영역의 시작부 (예를 들어, 다른 눈에 대한 PWG의 하한선) 에 바로 인접하고 (즉, 매끄럽게 연결된다), 또는 그 반대이다. 요컨대, 시스템의 기하 구조 및 홀로그램의 본질로 인해, 본 발명자들은 도파관의 복수의 존들 (즉, 서브-영역들) 이 존재하고, 이로부터 2 개의 눈들이 이미지의 상이한 (그리고 결정적으로, 오버랩되지 않는) 부분들과 인코딩된 광을 수신할 것이다. 당업자는 도 11을 참조하여 기술된 방법이 복잡한 광학 시스템을 근사화하고, 예를 들어, 입사 동공들의 유한한 사이즈가 여전히 눈들 사이의 각도 콘텐츠의 일부 크로스토크를 허용할 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 그러나, 본 발명자들은 이 방법이 두 눈들 사이의 크로스토크를 상당히 감소시키는 한편, 여전히 전체 이미지 콘텐츠를 두 눈들로 전달하는 광 차단 구성들을 식별하는데 매우 효과적이라는 것을 발견하였다.
보다 상세히, 도 11은 예로서, 4 개의 상이한 존들을 도시하고, 존 각각 (존 1, 존 2, 존 3, 존 4) 은 도파관으로부터 뷰어를 향해 방출될 광의 각도들의 상이한 각각의 범위를 규정한다. 존 (존 1, 존 2, 존 3, 존 4) 각각은 상이한 각각의 각도 채널에 대응하고 따라서 상이한 각각의 이미지 콘텐츠에 대응한다. 즉, 홀로그램이 계산되는 고유한 방식 때문에, 존 각각은 이미지의 상이한 각각의 부분을 나타내고, 따라서 상이한 이미지 콘텐츠에 대응한다고 한다. 존들은 서로 인접하고, 결합하여 이미지를 구성하는 각도들의 전체 범위를 커버하고, 따라서 공간적으로 변조된 광의 수신시 이미지가 뷰어의 뇌에 의해 홀로그래픽으로 재구성되도록 필요한 모든 이미지 콘텐츠를 제공하게 결합되도록 서로 인접한다. 독자는 존들의 수 및 포지션이 가변적이라는 것을 인식할 것이고, 도 11은 단지 하나의 가능한 예를 도시한다.
본 발명자들은, 이미지의 모든 부분에 대해, 따라서 존 각각에 대해, 뷰어의 혼동을 방지하기 위해 광은 바람직하게는 하나의 입사 동공에 의해서만 (즉, 뷰어의 눈들 모두가 아닌 하나에 의해) 수신되게 해야 한다는 것을 인식하였다. 특히, 본 발명자들은 도파관과 뷰어 사이의 선택된 위치 또는 위치들에서, 임의의 미리 결정된 시간에, 이미지의 부분 각각 (즉, 각도 각각) 으로부터의 광이 뷰어의 눈들 중 하나에 의해서만 수신된다는 것을 보장하기 위해 제어 디바이스를 고안하였다. 제어 디바이스는 하나 이상의 개구부들, 또는 어퍼처들, 및 하나 이상의 배리어들 또는 차단들 (blockades) 을 포함할 수도 있다. 제어 디바이스는 폐쇄된 부분들 및 개방된 부분들을 갖는 "어퍼처" 또는 "도파관 어퍼처"로서 지칭될 수도 있다. 도파관 어퍼처(들)는 뷰어의 제 1 눈이 제 2 눈에 의해 수신될 수 없는 각도 콘텐츠를 수신하도록 구성될 수도 있고, 그 반대도 가능하다. 제어 디바이스는 또한 선택적으로 개방되거나 폐쇄될 수 있는, "셔터들"을 형성하는 복수의 엘리먼트들을 포함하는 광 셔터링 디바이스로서 구현될 수도 있다.
예시적인 도파관 어퍼처 (1100) 가 도 11, 제 1 페이즈 (1100A) 및 제 2 페이즈 (1100B) 에 도시된다. 이들 페이즈들은 이전에 기술된 바와 같이 "구성들" 또는 "광 차단 구성들"에 대응한다. 본 개시는 도면들에 도시된 특정한 구성들로 제한되지 않는다. 이들은 단지 예시적인 예들이다.
도파관 어퍼처 (1100) 는 도 10의 그래프와 유사한 도 11의 그래프에 인접하게 도시되어, 도파관 어퍼처 (1100) 가 홀로그램의 존 1 내지 존 4로부터 도파관을 통해 뷰어의 눈들을 향해 전파될 광에 어떻게 영향을 줄 것인지를 보여준다. 페이즈 (1100A, 1100B) 각각은 임의의 미리 결정된 시간에 하나의 눈만이 존 각각의 광을 수신하는 것을 보장하도록 적용될 수도 있는 일 가능한 구성을 나타낸다. 페이즈 (1100A, 1100B) 각각에 대해, 도파관 어퍼처 (1100) 는 광이 방출될 수도 있는 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 의 범위 (밀리미터, ㎜) 에 대응하는, "개방된" 부분들 및 "폐쇄된" 부분들을 포함한다. 실제로, 도파관 어퍼처 (1100) 는 이하에 상세히 기술된 바와 같이 특정한 광 경로들을 선택적으로 허용하고 차단하도록, 도파관과 뷰어 사이의 광 경로들에 걸쳐 연장하는, 도파관에 물리적으로 가깝게 위치될 수도 있다. 예를 들어, 도파관 어퍼처는 도파관의 바로 앞에 위치될 수도 있다. 이러한 구성에서, 도파관 어퍼처는 입사 동공 평면에 대해 틸팅될 수도 있고, 예를 들어 도파관의 긴 면에 실질적으로 평행할 수도 있다. 그러나, 유사한 기능을 제공할 도파관 어퍼처의 다른 위치들 및 배향들이 고려된다.
위상 (1100A, 1100B) 각각에 대응하는 고정 도파관 어퍼처가 제공될 수도 있고, 고정 도파관 어퍼처는 도 11에 도시된 개방 (흰색) 부분 및 폐쇄된 (검정색) 부분에 의해 규정된 바와 같이, 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 로부터 방출된 광이 뷰어에 도달하게 하고 특정한 다른 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 로부터 광을 차단하게 하도록 도파관과 뷰어 사이에 포지셔닝된다. 복수의 상이한 고정된 도파관 어퍼처들이 제공될 수도 있고, 복수의 고정된 도파관 어퍼처들 중 선택된 어퍼처는 도파관과 뷰어 사이에 공간적으로 변조된 광의 선택된 제어를 제공하도록 미리 결정된 시간에 도파관과 함께 배치될 수도 있다. 대안적으로, 제 1 페이즈 (1100A) 와 제 2 페이즈 (1100B) 사이를 교번하는, 동적으로 재구성 가능한 도파관 어퍼처가 제공될 수도 있다. 페이즈 각각을 차례로 고려하면, 도파관 어퍼처 (1100) 는 다음과 같이 더 상세히 이해될 수도 있다:
제 1 페이즈 (1100A) 에 대해, 도파관 어퍼처는 5 개의 부분들로 공간적으로 분할되고, 각각은 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 의 범위를 규정하고, 부분들은 교번적으로 개방되고 폐쇄된다. 보다 상세히 제 1 개방 부분 (1121) 이 도면의 좌측에 규정된다. "좌측", "우측" 등과 같은 포지션 용어들은 도면들에 도시된 예들의 이해를 보조하기 위해서만 사용되고 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 이해될 것이다. 제 1 개방 부분 (1121) 은 우안이 존 4의 광을 수신하는 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 의 범위를 규정한다. 좌안은 이 포지션들의 범위로부터 어떠한 광도 수신하지 않는다. 좌측에서 우측으로 이동하면, 제 1 개방 부분 (1121) 에 바로 인접한 제 1 폐쇄된 부분 (1122) 은, 우안이 존 3의 광을 수신할 수 있는 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 의 범위를 규정한다. 그러나, 폐쇄된 부분 (1122) 이기 때문에, 우안이 존 3으로부터 어떠한 광도 수신하지 않을 것을 보장한다. 부가적으로, 제 1 폐쇄된 부분 (1122) 은 또한 좌안이 존 4로부터 광을 수신할 수 있는 포지션들의 범위를 커버한다. 그러나, 다시, 폐쇄된 부분 (1122) 이기 때문에, 좌안이 존 4로부터 어떠한 광도 수신하지 않을 것을 보장한다. 우측으로 더 이동하면, 제 1 폐쇄된 부분 (1122) 에 바로 인접한, 좌안이 존 3의 광을 수신하는 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 의 범위를 규정하는, 제 2 개방된 부분 (1123) 이 있다. 이에 더하여, 도파관을 따른 포지션들의 동일한 범위는 우안이 존 2의 광을 수신하는 범위이다. 우측으로 더 이동하면, 제 2 개방 부분 (1123) 에 바로 인접한, 좌안이 존 2의 광을 수신할 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 의 범위를 규정하는, 제 2 폐쇄된 부분 (1124) 이 있다. 그러나, 폐쇄된 부분 (1124) 이기 때문에, 좌안이 존 2로부터 어떠한 광도 수신하지 않을 것을 보장한다. 부가적으로, 제 2 폐쇄된 부분 (1124) 은 또한 우안이 존 1로부터 광을 수신할 포지션들의 범위를 커버한다. 그러나, 다시, 폐쇄된 부분 (1124) 이기 때문에, 우안이 존 1로부터 어떠한 광도 수신하지 않을 것을 보장한다. 마지막으로, 제 2 폐쇄된 부분 (1124) 에 바로 인접한 제 3 개방 부분 (1125) 이 있다. 이는 좌안이 존 1의 광을 수신하는 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 의 범위를 규정한다. 우안은 이 범위의 포지션들로부터 어떠한 광도 수신하지 않는다. 따라서, 도파관 어퍼처가 제 1 페이즈 (1100A) 로 나타낸 구성에 있을 때, 존 각각으로부터의 광은 일 눈에 입사되게 되고 각각의 다른 눈에 입사하는 것이 방지된다. 따라서, 수신된 이미지 콘텐츠의 복제가 방지된다.
제 2 페이즈 (1100B) 에 대해, 도파관 어퍼처는 다시 5 개의 부분들로 공간적으로 분할되고, 제 1 페이즈 (1100A) 의 대응하는 부분들과 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 의 동일한 각각의 범위들을 규정하지만, 제 2 페이즈 (1100B) 에서, 부분들은 도 11에 규정된 바와 같이, 좌측에서 우측으로 볼 때 교번적으로 폐쇄되고 개방된다. 보다 상세히 제 1 폐쇄된 부분 (1121') 은 존 4로부터의 광이 우안으로 입사하는 것을 방지한다. 좌안은 이 포지션들의 범위로부터 어떠한 광도 수신하지 않기 때문에, 좌안에 영향을 주지 않는다. 우측으로 이동하면, 제 1 폐쇄 부분 (1121') 에 바로 인접한 제 1 개방 부분 (1122') 이 있다. 이는 존 4로부터의 광으로 하여금 좌안으로 입사되게 하고 존 3으로부터의 광으로 하여금 우안으로 입사되게 한다. 다시 우측으로 이동하면, 제 1 개방 부분 (1122') 에 바로 인접한 제 2 폐쇄 부분 (1123') 이 있다. 이는 존 3으로부터의 광이 좌안으로 입사되는 것을 방지하고 존 2로부터의 광이 우안으로 입사되는 것을 방지한다. 다시 우측으로 이동하면, 제 2 폐쇄된 부분 (1123') 에 바로 인접한 제 2 개방 부분 (1124') 이 있다. 이는 존 2로부터의 광으로 하여금 좌안으로 입사되게 하고 존 1로부터의 광으로 하여금 우안으로 입사되게 한다. 다시 우측으로 이동하면, 제 2 개방 부분 (1124') 에 바로 인접한 제 3 폐쇄 부분 (1125') 이 있다. 존 1로부터의 광이 좌안으로 입사되는 것을 방지한다. 따라서, 도파관 어퍼처의 2 개의 페이즈들의 기능들은 이하의 표 1에 요약된다.
실시 예들은 단지 예로서 제 1 어퍼처 구성 및 제 2 어퍼처 구성이 반대되는, 즉 완벽하게 상보적인 구성을 기술한다. 제어 디바이스의 페이즈들이 완벽하게 상보적일 필요는 없다. 본 명세서에 기술된 다른 실시 예들에서, 특히 입사 동공 각각의 유한한 사이즈가 완전히 고려될 때 더 복잡한 구성들 및 페이즈들이 사용된다.
| 도파관 어퍼처 페이즈 | 홀로그램 존 | 광 통과가 허용되는 눈 |
광을 허용하는 도파관
어퍼처
부분
|
광이 차단된 눈 | 광을 차단하는 도파관 어퍼처 부분 |
| 제 1 (1100A) | 1 | 좌안 | 제 3 개방 부분 (1125) | 우안 | 제 2 폐쇄된 부분 (1124) |
| 제 1 (1100A) | 2 | 우안 | 제 2 개방 부분 (1123) | 좌안 | 제 2 폐쇄된 부분 (1124) |
| 제 1 (1100A) | 3 | 좌안 | 제 2 개방 부분 (1123) | 우안 | 제 1 폐쇄된 부분 (1122) |
| 제 1 (1100A) | 4 | 우안 | 제 1 개방 부분 (1121) | 좌안 | 제 1 폐쇄된 부분 (1122) |
| 제 2 (1100B) | 1 | 우안 | 제 2 개방 부분 (1124') | 좌안 | 제 3 폐쇄된 부분 (1125') |
| 제 2 (1100B) | 2 | 좌안 | 제 2 개방 부분 (1124') | 우안 | 제 2 폐쇄된 부분 (1123') |
| 제 2 (1100B) | 3 | 우안 | 제 1 개방 부분 (1122') | 좌안 | 제 2 폐쇄된 부분 (1123') |
| 제 2 (1100B) | 4 | 좌안 | 제 1 개방 부분 (1122') | 우안 | 제 1 폐쇄된 부분 (1121) |
홀로그램은 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 본 명세서에 기술된 바와 같이 타깃 이미지의 이미지 콘텐츠를 각도로 분할하도록 계산된다. 이러한 홀로그램을 계산하기 위해 다양한 상이한 방법들이 사용될 수도 있다. 일반적으로, 홀로그램은 뷰잉 시스템의 적어도 하나의 입사 동공에 따라 제한된다고 할 수도 있다. 홀로그램의 특징을 나타내는 특징은 채널들로의 이미지 콘텐츠의 각도 분할이다. 실시 예들에 따라, 홀로그램은 상기 상세히 기술된 바와 같이, 생성될 가상 이미지의 개별 가상 이미지 지점들을 사용하여 홀로그램을 계산하는, 포인트 클라우드 방법을 사용하여 계산된다. 그러나, 이 방법은 단지 예로서 기술되고 이미지 콘텐츠의 각도 채널링을 특징으로 하는 홀로그램을 계산하는 다른 방법들이 사용될 수도 있다. 비 제한적인, 예시적인 포인트 클라우드 방법을 활용하는 실시 예들에서, 가상 이미지 포인트 각각은 디스플레이 디바이스와 뷰잉 시스템의 입사 동공 사이의 광의 일 광선 각도에 대응할 수도 있다. 가상 이미지 지점 각각은 개별 이미지 컴포넌트로 간주될 수도 있다. 실시 예들에서, 가상 이미지의 존은 단일 가상 이미지 지점 또는 복수의 가상 이미지 지점들을 포함할 수도 있다. 실시 예들에서, 2 개 이상의 이웃하는 가상 이미지 지점들이 가상 이미지의 존 내에 포함될 수도 있고, 존에 대한 각도 범위는 존 내에 포함된 개별 가상 이미지 지점들에 각각 대응하는 모든 각도들을 포함한다.
뷰어 (또는 뷰잉 시스템) 의 눈 각각 (또는 입사 동공) 에 도달하는 콘텐츠를 성공적으로 제어하기 위해, 눈 각각 (또는 입사 동공) 은 상이한 각각의 뷰잉 포지션을 점유하고, 본 명세서에 개시된 도파관 어퍼처의 부분 각각 (즉, 존 각각) 은 뷰잉 포지션 각각으로부터―예를 들어, 뷰잉 시스템이 2 개의 눈들을 가진 인간 뷰어일 때, 눈 각각으로부터― 수신될 수 있는 최대 광선 각도 및 최소 광선 각도를 규정한다. 뷰잉 포지션들 사이 (예를 들어, 2 개의 눈들 사이) 의 수신된 홀로그램 콘텐츠의 오버랩을 방지하기 위해, 존 각각에 대해, 제 1 눈 포지션의 최대 광선 각도는 제 2 눈 포지션의 최소 광선 각도보다 더 작다. 2 개의 뷰잉 포지션들이 2 개의 인접한 존들로부터 콘텐츠를 수신하도록 구성된다면, 제 1 눈 포지션의 최대 광선 각도는 제 2 눈 포지션의 최소 광선 각도와 실질적으로 동일하다. 예를 들어, 도파관 어퍼처는 제 1 뷰잉 포지션이 최대 광선 각도 (θmax1) 까지의 각도 범위의 콘텐츠에 대응하는 공간적으로 변조된 광을 수신하고 제 2 뷰잉 포지션은 제 2 눈 포지션의 최대 광선 각도 (θmax2) 까지, θmax1과 같지 않은 상기 각도 범위 내 콘텐츠에 대응하는 공간적으로 변조된 광을 수신하도록 구성될 수도 있다.
실시 예들에 따라, 본 개시에 따라, 홀로그램이 계산되고 홀로그램으로 재구성되는 "타깃 이미지"는 눈 각각에 대해 상이하다. 따라서 눈 각각에 대해 별도로 계산되는 이미지에 대응하는 홀로그램들은 실제로 상이한 이미지의 홀로그램일 수도 있다. 즉, 좌안에 대해 계산된 홀로그램은 좌안의 관점에서 볼 때 이미지에 대응하는 홀로그램이고, 반대로, 우안에 대한 홀로그램은 우안의 관점에서 볼 때 이미지에 대응하는 홀로그램이다.
따라서, 본 발명자들은, 존 각각 내에 포함된 이미지 콘텐츠가 눈 각각에 대해 (또는, 임의의 다른 복수의 어퍼처 뷰잉 시스템의 어퍼처 각각에 대해) 상이할 수도 있다는 것을 인식하였다. 따라서, 실시 예들에 따라, 본 명세서에 개시된 도파관 어퍼처는 좁은 시간 윈도우 내에서 모든 존들의 광을 눈 각각에 공급하도록 구성될 수도 있어서, 뇌 (또는 인간이 아닌 뷰잉 시스템과 연관된 프로세서) 가 눈 각각이 각각의 이미지에 대한 모든 홀로그램 콘텐츠를 실질적으로 동시에 수신한다는 것을 지각한다.
실시 예들에 따라, 도파관 어퍼처는 동적으로 구성 가능할 수도 있고, 그리고/또는 2 개 이상의 도파관 어퍼처, 광 셔터링 디바이스 또는 다른 제어 디바이스가 제공될 수도 있고, (예를 들어, 이하에 기술된 바와 같이) 적합한 구동 제어기가 상이한 각각의 구성들 사이의 스위칭 및/또는 동적 기반으로 상이한 제어 디바이스들 사이의 스위칭을 제어할 수 있다. 바람직하게, 이는 매우 신속하게, 예를 들어 인간의 눈에 대한 통상적인 통합 시간보다 더 신속하게 수행되어야 한다. 스위칭은 두 페이즈들/구성들에서 제어 디바이스에 의해 방출된 모든 공간적으로 변조된 광이 매우 짧은 시간 윈도우 내에 뷰어에 의해 수신되게 하여, 뷰어가 모두 동시에 수신되었다는 것을 지각한다.
도파관 어퍼처 (1100) 는 예를 들어 인간의 눈의 통상적인 통합 시간보다 더 신속하게 제 1 페이즈와 제 2 페이즈 사이를 스위칭하도록 제어될 수도 있어서, GB2108456.1에 기술된 바와 같이 페이즈 각각에서 뷰어에 의해 수신된 각각의 이미지 콘텐츠가 서로 인터레이스된다. 따라서, 뷰어는 각각의 포지션에 따른 고유한 관점으로부터 두 눈으로 전체 이미지를 본 것으로 지각한다. 그러나, 뷰어는 이미지 열화를 지각하지 못하고, 동일한 각도에서 동시에 두 눈들에서 공통된 또는 오버랩하는 이미지 콘텐츠를 실제로 수신하는 것이 야기할 어떠한 혼동도 직면하지 않는다. 따라서, 제어 디바이스는 본 명세서에 기술된 바와 같이, 뷰어를 위해 명확하고 정확한 홀로그램으로 구성된 이미지들을 생성하도록 계산된 홀로그램(들)과 조합하여 작동한다. 간단하지만 효과적인 방식으로 된다.
본 발명자들은 상기 기술된 작업 실시 예들이 입사 동공 각각의 중심에 기초하여 기하학적 구조에 의해 적절히 결정될 수 있다는 것을 발견하였다. GB2108456.1의 도 26 내지 도 30을 참조하여 기술된 추가 개선에서, 본 발명자들은 입사 동공들의 유한한 사이즈를 고려하였다. 이들 실시 예들에 따라, 이미지 품질이 더 개선되고 복수의 뷰잉 시스템들 사이의 이미지 크로스토크가 더 감소되거나 심지어 제거된다. 당업자는 예를 들어, 눈 또는 머리 포지션 및/또는 동공 사이즈의 변화에 응답하여 실시간으로 제어 디바이스 및 어퍼처 배열을 동적으로 재구성하도록 이하에 기술된 방법이 어떻게 사용될 수 있는지 이해할 것이다. 제어 디바이스에 의해 제공된 어퍼처 구성은 소프트웨어 재구성 가능하고 따라서 본 명세서에 개시된 시스템은 또한 2 개의 뷰잉 시스템들 사이의 분리와 같은 뷰잉 시스템의 파라미터들―예를 들어, 인간 뷰어의 동공 간 거리―에 응답하여 스스로 조정할 수도 있다.
일부 실시 예들에서, (예를 들어, 눈 추적 시스템에 의해) 동공 직경(들)의 측정이 이루어지고 이는 셔터링을 위한 제어 시스템의 일부로서 사용된다. 예를 들어, 운전자들의 동공은 상당히 가변할 수도 있다. 주변 광이 밝을 때, 동공 직경은 더 작아질 것이다. 본 명세서에 개시된 시스템의 이점은, 동공 직경이 상대적으로 작을 때 (예를 들어, 2 ㎜) 밝은 조건들 하에서, 눈 크로스토크를 제거하기 위해 더 적은 "폐쇄된" 어퍼처 영역이 요구된다는 것이다. 이는 전체 효율 (뷰어를 향해 전파된 광의 양) 이 상대적으로 높다는 것을 의미하기 때문에 유리하다. 따라서, 본 개시의 셔터 시스템과 이미지 디스플레이, 특히 차량의 헤드-업 디스플레이 사이에 우수한 시너지가 있다.
다른 실시 예들에 따라, 더 복잡한 광 셔터링 스킴이 채용될 수도 있고, 셔터 존들의 사이즈는 동적 셔터의 동작 동안 변화할 수도 있다. 이에 더하여, 셔터 존들의 포지션은 동작 동안 변화되거나 재구성될 수도 있다. 예를 들어, 구성의 셔터 존들의 경계들의 포지션은 눈 추적 디바이스에 의해 결정된 ―기하 구조가 기초하는 입사 동공 각각의 중심에 대응하는― 눈 포지션에 따라 변화될 수도 있다. 복수의 뷰잉 포지션들 (예를 들어, 눈 포지션들) 에 의해 동시에 수신되는 이미지의 일부가 없다는 것을 보장하기 위해 임의의 수의 상이한 셔터 스킴들이 구현될 수도 있다. 다시, 이는 도파관 동공 확장기로부터의 광 각도 각각이 한번에 하나의 뷰잉 포지션 (예를 들어, 일 눈) 에만 도달한다는 것을 보장함으로써 달성된다. 예를 들어, 공동 계류 중인 GB2108456.1의 도 28 내지 도 30을 참조하여 기술된 바와 같이, 3 개의 상이한 셔터 구성들이 동작 동안 순차적으로 구현될 수도 있다 (예를 들어, 사이클링됨).
이 기하 구조에 기초하여, 발명자들은 유한한 동공 사이즈를 갖는 두 눈들 사이의 크로스토크를 제거하는 동적 셔터링 스킴을 결정하였다. 이 실시 예에서, 동적 셔터링 스킴은 3 개의 배열들 (페이즈들 또는 스테이지들) 을 포함한다. 즉, 3 개의 상이한 셔터 배열들/패턴들이 홀로그램 각각을 재구성하도록 사용된다. 3 개의 셔터 배열들은 시간-순차적으로 형성된다. 따라서 상이한 배열들은 시간-인터레이스된다고 할 수도 있다. 그러나, 본 개시는 3 개의 상이한 셔터 배열들로 제한되지 않고 임의의 수의 상이한 셔터 배열들이 본 개시의 범위 내에서 고려될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 제어 디바이스는 임의의 수의 상이한 형태들을 취할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 도 12 및 도 13을 참조하여 이하에 기술된 바와 같이, 제어 디바이스는 픽셀들과 같은 개별적으로 제어 가능한 수광 엘리먼트들/프로세싱 엘리먼트들의 복수, 예컨대 2D 어레이로서 형성된 광 셔터링 디바이스를 포함한다. 특히, 광 셔터링 디바이스는 픽셀화된 액정 디바이스 또는 디스플레이를 포함할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 엘리먼트들 또는 픽셀들은 본 명세서에 개시된 투과성 및 비 투과성 셔터 존들을 형성하도록 연속적인 그룹들로 동작 가능하다. 픽셀들의 그룹 각각은 제 1 광학 모드 (예를 들어, 투과성 또는 광학적으로 투명한) 와 제 2 광학 모드 (예를 들어, 반사성 또는 광학적으로 흡수성/불투명) 사이에서 스위칭 가능할 수도 있다. 당업자는 픽셀들의 그룹들 또는 존들의 사이즈 및 포지션―광에 대해 상이한 응답을 갖는 존 각각―이 실시간에서와 같이 동작시 변화될 수도 있도록 픽셀화된 디스플레이 디바이스가 제어될 수도 있는 방법에 친숙하다. 존 각각은 디바이스의 픽셀 사이즈보다 더 크다. 따라서 존 각각은 복수의 픽셀들을 포함할 수도 있다. 당업자는 재구성 가능한 광 셔터링 디바이스를 제공하기 위해 편광기들 및 파장플레이트들과 같은 광학 컴포넌트들이 픽셀화된 액정 디바이스와 함께 구현될 수도 있는 방법에 동일하게 친숙하다. 단지 예로서, 제어 디바이스는 편광 선택을 활용할 수도 있지만 광의 다른 특징화 특성들에 기초한 다른 스킴들이 동일하게 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 제어 디바이스는 픽셀화된 액정 디스플레이 및, 선택 가능하게, 제 1 편광을 갖는 광을 투과시키고 선택 가능하게, 제 2 편광을 갖는 광을 흡수 또는 반사하도록 집합적으로 구성된 다른 광학 엘리먼트들을 포함하고, 제 1 편광 및 제 2 편광은 반대이거나 상보적이다. 의심의 여지를 없애기 위해, 임의의 수의 상이한 광학 시스템들이 이미지를 형성하는 광의 편광 및 파장과 같은 특성들에 따라 제어 디바이스를 형성하도록 사용될 수도 있고 따라서 본 개시는 제어 디바이스의 구성에 의해 제한되지 않는다. 따라서 본 명세서에 개시된 제어 디바이스는 구조보다는 기능에 의해 규정된다는 것이 이해될 것이다.
제어 디바이스는 동적으로 재구성 가능하다. 일부 실시 예들에서, 제어 디바이스는 픽셀화된다. 즉, 제어 디바이스는 개별적으로 제어 가능한 픽셀들의 어레이를 포함한다. 픽셀 각각은 예를 들어, 투과성 상태와 비 투과성 상태 사이에서 구성 가능한 액정을 포함할 수도 있다. 본 개시에 따라 식별된, 픽셀의 에지와 이상적인 어퍼처 존 에지 사이의 정렬의 모든 불완전성은 너무 많은 광을 통과시키거나 너무 적은 광을 통과시킴으로써 처리될 수 있다. 즉, 픽셀들의 또 다른 라인을 "개방"하거나 존 구성에서 픽셀들의 하나 이상의 라인을 "폐쇄"한다. 3 개 이상의 구성들을 포함하는 실시 예들에서 (예를 들어, 입사 동공 각각의 유한한 사이즈가 완전히 고려될 때) 제어 디바이스는 인터페이스의 픽셀이 항상 광을 차단하도록 이루어질 수 있도록 충분한 해상도 또는 픽셀들의 수를 갖는다.
상기 기술된 바와 같이, 도파관 어퍼처를 형성하는 광 셔터링 디바이스와 같은 제어 디바이스는 구성들 사이에서 신속하게 스위칭해야 한다. 이는 구성들 사이의 전이일 때, 디스플레이 디바이스를 조사하는 광원이 도파관으로부터 광의 제어되지 않은 방출을 방지하도록 차단되어야 하기 때문이다. 디스플레이 디바이스를 조사하기 위해 게이트된 레이저 광원을 구현하는 실시 예들에서, 레이저 다이오드가 레이저 게이팅을 위해 이미 "오프"될 시간 내에 (즉, 디스플레이 디바이스의 프레임 업데이트 동안) 셔터링 디바이스가 완전히 업데이트되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 디스플레이 디바이스를 조사하기 위한 허용 가능한 레이저-온 (laser-on) 시간의 감소가 없다.
본 개시는 복수의 픽셀들, 예컨대 픽셀들의 1 차원 어레이로서 구성된 제어 디바이스를 제안하고, 픽셀 각각은 도파관의 길이를 따라 대응하는 투과 지점으로부터 광을 선택적으로 차단하기 위한 "셔터"를 형성한다. 따라서, 제어 디바이스는 "광 셔터링 디바이스"로 지칭된다. 실시 예들에서, 픽셀들은 2 개의 광학적 상태들에서 동작 가능한 액정 셀들이다. 일 광학적 상태에서, 액정 셀은 광의 투과를 방지하도록, 도파관 상의 대응하는 포지션 (또는 영역) 으로부터 입사된 광을 차단 (예를 들어, 흡수 또는 반사) 한다. 다른 광학적 상태에서, 액정 셀은 투명하여, 도파관 상의 대응하는 포지션 (또는 영역) 으로부터 입사된 광이 이를 통해 투과된다. 광 셔터링 디바이스의 픽셀들은 당업계에 공지된 바와 같이 구동 신호들에 의해 제어된다. 실시 예들에서, 광 셔터링 디바이스의 모든 픽셀들은 픽셀을 제 1 광학적 상태 및 제 2 광학적 상태 중 각각의 상태로 픽셀을 구동하기 위한 2 개의 구동 신호들 중 하나에 의해 직접 구동된다.
도 12는 픽셀들을 형성하는 액정 셀들의 1 차원 어레이를 포함하는 광 셔터링 디바이스 (1200) 의 구성을 스위칭하기 위한 구동 스킴을 도시한다. 구동 회로는 복수의 스위치들 (1210) 을 포함하고, 스위치 각각은 광 셔터링 디바이스의 개별 픽셀과 연관된다. 다른 구성들에서, 스위치 각각은 독립적으로 제어 가능한 픽셀들의 그룹과 연관될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 스위치 각각은 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호에 선택적으로 연결될 수 있다. 예시된 구성에서, 제 1 구동 신호는 스위치가 셔터를 "개방"하기 위해, 대응하는 픽셀(들)을 투명한 상태 (백색/음영되지 않은 것으로 예시됨) 로 구동하기 위해 "로우" 전압 라인 또는 접지에 연결되는 "로우" 신호이고, 제 2 구동 신호는 셔터를 "폐쇄"하기 위해, 대응하는 픽셀(들)을 불투명하거나 반사하는 상태 (검은 색/음영 처리된 것으로 예시됨) 로 구동하기 위해 "하이" 전압 라인에 연결되는 "하이" 신호이다. 다른 구성들이 가능하고 고려된다.
따라서, 도 12의 구동 스킴에서, 광 셔터링 디바이스 (1200) 의 픽셀 각각은 대응하는 스위치 (1210) 의 제어 하에 "로우" 또는 "하이" 구동 신호로 직접 구동된다. 픽셀들을 직접 구동하는 것은 픽셀들이 수동적으로 구동되는 구동 스킴과 비교하여 투명 상태와 불투명 상태 사이의 콘트라스트를 최대화한다. 게다가, 다른 픽셀들과 독립적으로 픽셀 각각을 구동하는 것은 본 명세서에 개시된 바와 같이, 광 셔터링 디바이스의 상이한 "존들"을 형성하는 픽셀들의 그룹들을 규정하기 위한 유연성을 최대화한다. 예를 들어, 존들 사이의 경계는 상기 기술된 바와 같이, 기하 구조가 기초하는 입사 동공 각각의 중심에 대응하는, 아이-박스 내 뷰어의 눈들의 눈 포지션의 변화들에 응답하여 변화되어야 할 수도 있다. 뷰어의 눈들의 포지션은 당업계에 공지된 눈-추적 디바이스를 사용하여 추적될 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 스위치들은 광 셔터링 디바이스의 외부, 예컨대 외부 PCB 상에 배치된다. 다른 실시 예들에서, 스위치들은 광 셔터링 디바이스의 픽셀들 각각과 연관된 픽셀 회로의 일부로서 구현될 수도 있다. 예를 들어, 스위치는 광 셔터링 디바이스를 형성하는 박막 트랜지스터 액정 디스플레이 (TFT-LCD) 디바이스의 기판 상에 통합되는 픽셀 회로 각각 내에 구현될 수도 있다.
그러나, 박형 셀 액정 디바이스의 픽셀들과 같은 일부 액정 셀들에 대해, 일 상태에서 다른 광학적 상태로의 방향으로 스위칭하기 위한 스위칭 시간 기간은 다른 방향에서 스위칭하기 위한 스위칭 시간 기간보다 더 길다. 예를 들어, 스위칭 시간 기간은 액정 셀이 새로운 상태로 "구동"될 때와 비교하여 새로운 상태로 "릴랙스"될 때 더 길다. 실시 예들에서, 제 2 광학적 상태 (셔터가 "폐쇄된") 로부터 제 1 광학적 상태 (셔터가 "개방된") 로 스위칭하기 위한 시간 기간은 (셔터가 "개방된") 제 1 광학적 상태로부터 (셔터가 "폐쇄된") 제 2 광학적 상태로 예를 들어, 액정 셀이 투명/개방 상태로 "릴랙스"되지만 불투명/폐쇄 상태로 구동될 때와 같이, 스위칭하기 위한 시간 기간보다 더 길다.
본 개시는 광 셔터링 디바이스의 픽셀들에 대한 스위칭 시간 기간이, 이에 따라 액정 셀이 새로운 상태로 "릴랙싱하는" 방향으로 스위칭할 때, 상기 기술된 바와 같이 성능이 절충되도록 애플리케이션 요건들에 대해 너무 길다는 기술적 문제를 해결한다.
도 13은 실시 예들에 따른 광 셔터링 디바이스 (1300) 를 구동하기 위한 시스템을 도시하고, 이는 그 구성이 더 신속하고 효율적으로 업데이트되게 한다. 광 셔터링 디바이스 (1300) 는 도 12를 참조하여 상기 기술된 바와 같이, 픽셀들의 1 차원 어레이를 포함한다.
"구동 회로"로 지칭될 수도 있는 시스템은 구동 제어기 (1330), 멀티플렉싱 회로 (1320) 및 스위칭 회로 (1310) 를 포함한다. 스위칭 회로 (1310) 는 디지털 스위치들과 같은 복수의 스위치들을 포함한다. 예시된 구성에서, 스위칭 회로의 스위치들의 수는 광 셔터링 디바이스 (1300) 의 픽셀들의 수와 동일하다. 스위칭 회로 (1310) 의 스위치 각각의 출력은 "로우" 구동 신호 또는 "하이" 구동 신호를 사용하여 픽셀을 독립적으로 구동하도록 광 셔터링 디바이스 (1300) 의 대응하는 픽셀에 연결된다.
구동 제어기 (1330) 는 업데이트 사이클 동안 그 구성을 변화시키도록, 스위칭 회로 (1310) 에 의해 광 셔터링 디바이스 (1300) 의 픽셀들의 스위칭을 제어하도록 구성된다. 구동 제어기 (1330) 는 픽셀 각각에 제공될 업데이트된 (하이 또는 로우) 구동 신호의 선택, 및 광 셔터링 디바이스 (1300) 의 픽셀 각각의 업데이트의 타이밍, 시퀀스 및 순서를 제어하도록 스위칭 회로 (1310) 에 제어 신호들을 제공한다. 예시된 구성에서, 멀티플렉서들의 하나 이상의 스테이지들을 포함하는 멀티플렉싱 회로 (1320) 가 구동 제어기 (1330) 로부터 스위칭 회로 (1310) 의 복수의 스위치들로 제어 신호들을 순차적으로 라우팅하기 위해 사용된다. 당업자는 신호 라우팅을 위해 멀티플렉싱 회로 (1320) 대신 다른 구성들이 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 구동 제어기 (1330) 는 통상적으로 필요한 시간에 (예를 들어, 디스플레이 디바이스의 프레임 업데이트 동안) 업데이트 사이클 각각에 대해 광 셔터링 디바이스 (1300) 를 재구성하기 위해 필요한 제어 신호들을 생성하도록 디스플레이 시스템으로부터 입력들을 수신하도록 구성된다. 예를 들어, 구동 제어기 (1330) 는 디스플레이 디바이스의 프레임 또는 서브프레임의 업데이트를 나타내는, 홀로그램 엔진 또는 디스플레이 디바이스의 디스플레이 드라이버로부터 신호들을 수신할 수도 있다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 구동 제어기 (1330) 는 광원이 턴온되고 그리고/또는 턴 오프될 때를 나타내는 광원 제어기로부터 신호들을 수신할 수도 있다. 드라이브 제어기 (1330) 는 광 셔터링 디바이스 (1300) 에 필요한 업데이트된 구성, 또는 구성 변화들을 나타내는 신호들을 외부 프로세서로부터 수신할 수도 있다. 대안적으로, 드라이브 제어기 (1330) 자체가 필요한 구성, 또는 구성 변화들을 결정할 수도 있다. 후자의 경우, 구동 제어기 (1330) 는 상기 기술된 바와 같이 존들의 포지션을 결정하기 위해, 뷰어의 눈 포지션의 변화들을 나타내는 눈 추적 시스템으로부터 신호들을 수신할 수도 있다. 드라이브 제어기 (1330) 는 FPGA와 같은 외부 프로세서 또는 회로로서 구현될 수도 있다.
업데이트 사이클 동안 광 셔터링 디바이스 (1300) 의 모든 픽셀들을 스위칭하기 위한 전체 시간 기간이 요구되는 시간 기간, 예컨대, 디스플레이 디바이스의 프레임 업데이트 동안 광원이 턴 오프되는 시간 기간보다 더 짧다는 것을 보장하기 위해, 구동 제어기 (1300) 는 최적으로 정렬된 시퀀스로 복수의 스위치들에 제어 신호들을 제공하도록 구성된다. 특히, 구동 제어기 (1330) 는 구성 업데이트에 의해 대응하는 복수의 픽셀들의 상태의 변화에 기초하여 제어 신호들이 복수의 스위치들에 제공되는 순서를 규정하는 최적화된 시퀀스를 결정하도록 구성된다. 실시 예들에서, 구동 제어기 (1330) 는 상태들 사이에서 완전히 스위칭하는데 보다 긴 방향 (예를 들어, 픽셀이 새로운 상태로 "릴랙스되는" 방향) 으로 구동될 픽셀들을 식별하고, 식별된 픽셀들은 다른 픽셀들 전에 먼저 스위칭되도록 제어 신호들의 시퀀스를 결정한다. 통상적으로, 먼저 스위칭될 식별된 픽셀들 (예를 들어, 존들) 과 연관된 스위치들에 대한 제어 신호들의 시퀀스는 구동 신호들이 광 셔터링 디바이스 (1300) 의 픽셀들의 어레이의 연속적인 픽셀들을 구동하도록 한다. 따라서, 식별된 픽셀들 (존들) 은 어레이의 제 1 단부로부터 어레이의 제 2 단부로 차례로 (즉, 하나씩) 순차적으로 구동된다. 모든 식별된 픽셀들이 구동되면, 다른 픽셀들 (존들) 은 어레이의 제 1 단부로부터 어레이의 제 2 단부로 차례로 (즉, 하나씩) 순차적으로 구동된다. 이러한 방식으로, 새로운 안정된 상태에 도달하는데 더 오래 걸릴 모든 픽셀들은 업데이트 사이클의 끝까지 완전히 스위칭될 것이다.
일부 실시 예들에서, 스위칭 회로 (1310) 의 복수의 스위치들 각각은 하이 구동 신호 및 로우 구동 신호에 대응하는 제 1 전압 및 제 2 전압에 연결된 입력부들을 갖는 디지털 스위치를 포함할 수도 있다. 디지털 스위치 각각의 제어 입력부는 스위치에 의해 출력된 하이 구동 신호와 로우 구동 신호 사이의 선택을 제어하도록 사용된다. 따라서, 이들 실시 예들에서, 제어 신호들은 광 셔터링 디바이스의 각각의 픽셀들을 순차적으로 구동하기 위해 하이 신호 및 로우 신호 중 필요한 신호의 출력을 제어하기 위해 디지털 스위치들에 대한 제어 입력들로서 순차적으로 수신된다. 따라서, 디지털 스위치 각각은 순서대로 한번에 하나씩 어드레싱된다. 그러나, 상기 논의된 바와 같이, 총 업데이트 시간―광 셔터링 디바이스의 모든 픽셀들을 구동하여 그 구성을 업데이트하기 위한 시간―이 제한되기 때문에, 제어 신호는 매우 짧은 시간 동안만 스위치 각각에 인가되고, 그 후 플로팅 전압이 제어 입력부에 존재할 수도 있다. 특히, 본 발명자들은 제어 신호가 이러한 짧은 시간 동안 인가될 때 디지털 스위치가 정확한 구동 전압을 각각의 픽셀로 출력하도록 그 상태를 신뢰성 있게 홀딩하지 못할 수도 있다는 것을 알아냈다. 이 문제를 해결하기 위해, 발명자들은 구동 제어기 (1330)/멀티플렉싱 회로 (1320) 와 스위칭 회로 (1310) 의 디지털 스위치 각각의 제어 입력부 사이의 신호 경로에 "샘플링 및 홀드" 커패시터를 제공하는 것을 제안한다. 샘플링 및 홀드 커패시터는 더 긴 시간 기간 동안 구동 제어기 (1330)/멀티플렉싱 회로 (1320) 로부터 수신된 인가된 제어 신호의 전압을 홀딩하여, 디지털 스위치가 신뢰성 있게 동작한다.
상기 기술된 예들은 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다. 예를 들어, 뷰잉 시스템은 3 개 이상의 뷰잉 어퍼처들, 또는 입사 동공들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 이미지 (및 대응하여, 계산된 홀로그램 및 발생되는 홀로그램으로 재구성된 이미지) 를 임의의 수의 존들로 분할하고, 따라서 공간적으로 변조된 광의 임의의 수의 대응하는 각도 채널들을 생성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 제어 디바이스는 제 1 페이즈와 제 2 페이즈 사이에서 스위칭하는 것으로 기술되었지만, 3 개 이상의 페이즈들 사이에서 스위칭하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어는 4 개의 페이즈들을 가질 수도 있다. 일 실시 예에 따라, 제어 디바이스의 페이즈 (예를 들어, 페이즈 각각) 은 광이 일 눈 (또는 뷰잉 어퍼처) 에만 전달되게 할 수도 있다. 일 실시 예에 따라, 제어 디바이스의 페이즈 (예를 들어, 페이즈 각각) 은 광이 2 개 이상의 눈 (또는 2 개 이상의 뷰잉 어퍼처) 으로만 전달되게 할 수도 있다.
이미지 콘텐츠가 수신되는 존들의 수 및/또는 존들의 사이즈는 페이즈 각각에 대해 동일할 필요는 없다. 즉, 제어 디바이스의 일부 페이즈들은 일부 각각의 다른 페이즈들보다 더 많은 이미지 콘텐츠를 전달할 수도 있다. 유사하게, 제어 디바이스의 복수의 페이즈들이 서로 인터레이스될 때, 두 눈들은 페이즈 각각에서 서로 동일한 양의 이미지 콘텐츠를 수신할 필요가 없다. 예를 들어, 일 눈이 상대적인 포지션들 및/또는 다른 요인들에 따라, 각각의 다른 눈보다 더 많은 이미지 콘텐츠를 보는 것이 가능할 수도 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 도파관 어퍼처와 같은 제어 디바이스를 포함하는 디스플레이 시스템은 복수의 상이한 이미지들을 차례로 그리고/또는 상이한 각각의 시간들에 디스플레이하도록 구성될 수도 있다. 따라서, 이러한 시스템 내의 디스플레이 디바이스는 상이한 각각의 홀로그램들을 때때로 빠르게 연속적으로 디스플레이하도록 구성될 수도 있다. 상이한 이미지들은 상이한 각각의 수의 존들을 가질 수도 있다. 더욱이, 존들의 사이즈들은 상이한 각각의 이미지들 사이에서 상이할 수도 있다. 유사하게, 일 이미지의 존들의 광선들은 제 2, 상이한 이미지의 존들의 광선들에 대해 상이한 각각의 각도들에 의해 규정될 수도 있다. 제어 디바이스는 존들의 수 및/또는 사이즈들의 변화들을 수용하도록, 동적으로 적응 가능하도록 구성될 수도 있다. 즉, 제어 디바이스가 개방되는 것에서 폐쇄되는 것으로, 그리고 그 반대로 변화하는 정확한 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 은 고정되지 않을 수도 있다. 대신, 제어 디바이스는 개방되는 것에서 폐쇄되는 것으로 변화하는 도파관을 따른 포지션들 (PWG) 을 동적으로 변화시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 제어 디바이스에 의해 제공된 개방 부분 및 폐쇄 부분의 총 수는 가변될 수도 있다. 이들 부분들 중 하나 이상의 개별적인 사이즈들은 또한 가변될 수도 있다.
시스템은 이미지들의 비디오 레이트 시퀀스와 같은 이미지들의 시퀀스를 디스플레이하도록 구성될 수도 있다. 이미지 각각은 50 또는 60 ㎐와 같은 프레임 레이트를 갖는 프레임들의 시퀀스의 프레임에 대응할 수도 있다. 프레임 각각은 복수의 서브-프레임들을 포함할 수도 있다. 서브-프레임 레이트는 예를 들어 프레임 레이트의 4 배 또는 8 배일 수도 있다. 디스플레이된 홀로그램은 연속적인 서브-프레임 각각에 대해 변화될 수도 있다. 서브-프레임 각각은 개별적인 디스플레이 이벤트로 간주될 수도 있다. 서브-프레임 각각은 이미지 또는 이미지의 적어도 일부에 대응할 수도 있다. 실시 예들이 광이 디스플레이 이벤트 각각을 두 눈들에 전달하는 것을 도시하였지만, 본 개시는 이 점에서 제한되지 않는다. 예를 들어, 광 엔진은 디스플레이 이벤트 당 하나의 눈/입사 동공에만 광을 전달하도록 구성될 수도 있다. 도파관 어퍼처의 구성 (즉, 개방 및 폐쇄된 어퍼처들/개구부들의 사이즈 및/또는 분포) 은 모든 디스플레이 이벤트 또는 모든 n 개의 디스플레이 이벤트들을 변화시킬 수도 있고, 여기서 n은 정수이다. 유사하게, 기술된 실시 예들이 디스플레이 이벤트 동안 어퍼처/개구부 각각을 통해 전달되는 인접한 이미지 콘텐츠를 도시하였지만, 본 개시는 이러한 상황으로 제한되지 않고 그리고 어퍼처 각각을 통해 전달된 이미지 콘텐츠는 인접한 이미지 콘텐츠가 아닐 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 단지 하나의 각도 범위의 광이 디스플레이 이벤트/어퍼처 구성 당 일 눈으로 전달된다. 일부 실시 예들에서, 제어 시스템은 눈/입사 동공 각각으로 차례로 광을 전달하도록 구성된다.
본 개시에서 앞서 기술된 바와 같이, 타깃 이미지의 홀로그램은 뷰잉 어퍼처의 특정한 사이즈 및 포지션에 대해―예를 들어, 뷰어의 눈의 입사 동공의 특정한 사이즈 및 포지션에 대해― 계산될 수도 있다. 입사 동공 직경과 같은 제약, 또는 포지션이 변화하면, 홀로그램은 그 시간에 재구성될 타깃 이미지 (따라서, 뷰어가 보거나 지각할 이미지 콘텐츠) 는 동일하게 남아 있더라도, 재 계산될 수도 있다. 2 개의 홀로그램이 동일한 타깃 이미지를 나타낼 때에도, 홀로그램 각각은 동일한 수 또는 사이즈의 존들을 가질 필요는 없다.
광 셔터링 디바이스와 같은 제어 디바이스는 특히 "채널링" 홀로그램의 전파의 맥락에서 기술되었다. 그러나, 제어 디바이스의 이점들 (특히, 스위칭 순서에 기초하여 더 느린 상태 변화들을 보상하는 빠른 업데이트 시간을 갖는 광 제어 디바이스의 제공) 이 또한 다른 맥락들에서 적용 가능하다는 것이 분명할 것이다.
부가적인 특징들
실시 예들은 단지 예로서 전기적으로 활성화된 LCOS 공간 광 변조기를 참조한다. 본 개시의 교시들은 예를 들어, 임의의 전기적으로 활성화된 SLM들, 광학적으로 활성화된 SLM들, 디지털 마이크로 미러 디바이스 또는 마이크로 전자 기계 디바이스와 같은 본 개시에 따라 컴퓨터-생성된 홀로그램을 디스플레이할 수 있는 임의의 공간 광 변조기 상에서 동일하게 구현될 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 광원은 레이저 다이오드와 같은 레이저이다.
본 개시의 시스템은 개선된 헤드-업 디스플레이 (HUD) 또는 헤드-마운팅된 디스플레이를 제공하도록 사용될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, HUD를 제공하기 위해 차량에 설치된 홀로그래픽 투사 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 차량은 승용차 (car), 트럭, 밴, 로리 (lorry), 오토바이, 기차, 비행기, 보트, 또는 배와 같은 자동차 (automotive vehicle) 일 수도 있다.
예들은 가시 광선으로 SLM을 조사하는 것을 기술하지만, 당업자는 예를 들어 본 명세서에 개시된 바와 같이, 광원들 및 SLM이 적외선 또는 자외선 광을 지향시키도록 동일하게 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 당업자는 정보를 사용자에게 제공할 목적으로 적외선 및 자외선 광을 가시 광선으로 변환하는 기법들을 인식할 것이다. 예를 들어, 본 개시는 이 목적을 위해 형광체들 (phosphors) 및/또는 양자점 (quantum dot) 기술을 사용하는 것으로 확장된다.
본 명세서에 기술된 방법들 및 프로세스들은 컴퓨터-판독 가능 매체 상에 구현될 수도 있다. 용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 RAM (random-access memory), ROM (read-only memory), 버퍼 메모리, 플래시 메모리, 및 캐시 메모리와 같은 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하도록 구성된 매체를 포함한다. 용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 또한 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 인스트럭션들이 머신으로 하여금 본 명세서에 기술된 방법론들 중 임의의 하나 이상을 전체적으로 또는 부분적으로 수행하게 하도록 머신에 의해 실행될 인스트럭션들을 저장할 수 있는 임의의 매체, 또는 복수의 매체들의 조합을 포함하는 것으로 여겨진다.
용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 또한 클라우드-기반 저장 시스템들을 포괄한다. 용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 이로 제한되는 것은 아니지만, 고체-상태 메모리 칩, 광 디스크, 자기 디스크, 또는 이들의 임의의 적합한 조합의 예시적인 형태의 하나 이상의 유형의 (tangible) 비 일시적 데이터 저장소들 (예를 들어, 데이터 볼륨들) 을 포함한다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 실행을 위한 인스트럭션들은 캐리어 매체에 의해 전달될 수도 있다. 이러한 캐리어 매체의 예들은 과도 매체 (예를 들어, 인스트럭션들을 전달하는 전파 신호) 를 포함한다.
다양한 수정들 및 변형들이 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구항들 및 이들의 등가물들의 범위 내에서 모든 수정들 및 변형들을 포괄한다.
다음의 번호가 붙은 항목들이 또한 개시된다:
항목 1.
광 셔터링 디바이스에 있어서,
복수의 액정 셀들로서, 액정 셀 각각은 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호에 응답하여 제 1 광학적 상태 또는 제 2 광학적 상태에서 동작 가능한, 복수의 액정 셀들;
구동 회로로서, 복수의 스위치들로서, 스위치 각각은 각각의 액정 셀로 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 출력하도록 구성되는, 복수의 스위치들; 및 업데이트 사이클 동안 스위치 각각의 출력을 순차적으로 업데이트하도록 구성된 구동 제어기를 포함하는, 구동 회로를 포함하고,
구동 회로는 업데이트 사이클 동안 이루어질 각각의 구동 신호들에 대한 임의의 변화들에 기초하여, 스위치들이 업데이트 사이클 동안 순차적으로 업데이트되는 순서를 결정하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스.
항목 2.
항목 1에 규정된 바와 같이, 액정 셀들은 제 1 광학적 상태로부터 제 2 광학적 상태로의 스위칭보다 제 2 광학적 상태로부터 제 1 광학적 상태로 스위칭하는데 더 오래 걸리고, 그리고 구동 회로는 업데이트 사이클 동안 임의의 다른 스위치들 전에 제 2 구동 신호로부터 제 1 구동 신호로 변화될 임의의 스위치들의 출력을 업데이트하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스.
항목 3.
임의의 선행하는 항목에 규정된 바와 같이, 구동 회로는 업데이트 사이클 동안 제 2 구동 신호로부터 제 1 구동 신호로 변화될 모든 스위치들이 업데이트된 후에 제 1 구동 신호로부터 제 2 구동 신호로 변화될 임의의 스위치들의 출력을 업데이트하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스.
항목 4.
임의의 선행하는 항목에 규정된 바와 같이, 복수의 스위치들은 복수의 디지털 스위치들을 포함하고, 디지털 스위치 각각은 제 1 구동 신호를 수신하도록 구성된 제 1 입력부 및 제 2 구동 신호를 수신하도록 구성된 제 2 입력부를 포함하는, 광 셔터링 디바이스.
항목 5.
항목 4에 규정된 바와 같이, 디지털 스위치 각각과 연관된 커패시터를 더 포함하고, 커패시터 각각은 업데이트 사이클 동안 구동 제어기로부터 신호를 수신하고 각각의 액정 셀로 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 선택적으로 출력하도록 각각의 디지털 스위치에 제어 입력을 제공하도록 구성되고, 커패시터는 업데이트들 사이에 디지털 스위치로의 제어 입력을 홀딩하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스.
항목 6.
임의의 선행하는 항목에 규정된 바와 같이, 구동 회로는 업데이트 사이클 동안 스위치들 각각의 출력을 업데이트하도록 구동 제어기로부터 제어 신호들을 순차적으로 라우팅하기 위한 멀티플렉싱 회로를 더 포함하는, 광 셔터링 디바이스.
항목 7.
임의의 선행하는 항목에 규정된 바와 같이, 액정 셀들은 1 차원 어레이로 배열되는, 광 셔터링 디바이스.
항목 8.
임의의 선행하는 항목에 규정된 바와 같이, 선택 가능하게 (optionally), 뷰잉 평면으로부터 가시적인 광학 복제기의 출력 면의 영역을 제한하도록 구성되고, 광학 복제기는 홀로그램의 복수의 복제본들 (replicas) 을 출력하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스.
항목 9.
임의의 선행하는 항목에 규정된 바와 같이, 광 셔터링 디바이스는 디스플레이 디바이스와 뷰어 사이에 배치되는, 광 셔터링 디바이스.
항목 10.
항목 7에 규정된 바와 같이, 적어도 하나의 업데이트 사이클들―선택 가능하게, 복수의 업데이트 사이클들―이 인간의 눈의 통합 시간 내에 완료되는, 광 셔터링 디바이스.
항목 11.
항목 9 또는 항목 10에 규정된 바와 같이, 뷰어의 뷰잉 포지션에 대한 변화가 검출되면 업데이트 사이클이 개시되는, 광 셔터링 디바이스.
항목 12.
뷰잉 윈도우로부터 가시적인 이미지를 형성하도록 구성된 광 엔진에 규정된 바와 같이,
홀로그램에 따라 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 디스플레이 디바이스로서, 홀로그램은 공간적으로 변조된 광의 각도 채널들이 이미지의 각각의 연속적인 영역들에 대응하도록 이미지 콘텐츠의 포지션에 따라 이미지의 공간적으로 변조된 광을 각도로 분배하도록 구성되는, 디스플레이 디바이스;
공간적으로 변조된 광을 수신하고 디스플레이 디바이스로부터 뷰잉 윈도우로 공간적으로 변조된 광에 대한 복수의 상이한 광 전파 경로들을 제공하도록 구성된 도파관 동공 확장기; 및
임의의 선행하는 항목들에 기재된 광 셔터링 디바이스로서, 광 셔터링 디바이스는 도파관과 뷰잉 윈도우 사이에 배치되는, 광 셔터링 디바이스를 포함하는, 광 엔진.
항목 13.
항목 12에 규정된 바와 같이, 광 셔터링 디바이스의 복수의 액정 셀들 중 적어도 하나의 액정 셀은 뷰잉 윈도우 내의 제 1 뷰잉 포지션이 이미지의 제 1 영역에 따라 홀로그램에 의해 공간적으로 변조된 제 1 채널의 광을 수신하고 뷰잉 윈도우 내의 제 2 뷰잉 포지션은 이미지의 제 2 영역에 따라 홀로그램에 의해 공간적으로 변조된 제 2 채널의 광을 수신하도록 구성된 어퍼처를 형성하는, 광 엔진.
항목 14.
항목 13에 규정된 바와 같이, 제 1 영역 및 제 2 영역은 이미지의 인접한 영역들인, 광 엔진.
항목 15.
항목 12 내지 항목 14 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 공간적으로 변조된 광의 인접한 각도 채널들은 이미지의 인접한 영역들에 대응하는, 광 엔진.
항목 16.
항목 12 내지 항목 13 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 이미지의 제 1 영역 및 제 2 영역은 실질적으로 오버랩되지 않는, 광 엔진.
항목 17.
항목 12 내지 항목 15 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 이미지는 디스플레이 디바이스의 업스트림에서 지각된 가상 이미지인, 광 엔진.
항목 18.
항목 12 내지 항목 16 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 광 셔터링 디바이스는 도파관 동공 확장기의 출력 면에 커플링되는, 광 엔진.
항목 19.
항목 12 내지 항목 17 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 광 셔터링 디바이스는 뷰잉 윈도우로부터 가시적인 도파관의 출력 면의 상기 영역을 제한하는, 광 엔진.
항목 20.
항목 12 내지 항목 18 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 도파관 동공 확장기 및 뷰잉 윈도우는 평행하지 않은, 광 엔진.
항목 21.
항목 12 내지 항목 19 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 제어 디바이스는 적어도 하나의 개구부―예컨대 복수의 개구부들―를 포함하고; 개구부 각각은 상이한 이미지 콘텐츠가 제 1 뷰잉 포지션 및 제 2 뷰잉 포지션에 실질적으로 동시에 각각 전달되도록 제 1 뷰잉 포지션 및/또는 제 2 뷰잉 포지션에 공간적으로 변조된 광의 각각의 채널을 제공하는, 광 엔진.
항목 22.
항목 21에 규정된 바와 같이, 각각의 채널들은 오버랩되지 않지만 연속적인, 광 엔진.
항목 23.
항목 21 또는 항목 22에 규정된 바와 같이, 제어 디바이스는 복수의 상이한 제어 디바이스 구성들이 제공되도록 개구부 각각이 개방 포지션과 폐쇄 포지션 사이에서 스위칭 가능하도록 구성되고, 제어 디바이스 구성 각각은 개방된 개구부들 및 폐쇄된 개구부들의 교번하는 시퀀스를 포함하는, 광 엔진.
항목 24.
항목 23에 규정된 바와 같이, 제어 디바이스는 제 1 제어 디바이스 구성을 제 1 시간에 제공하고 제 2 제어 디바이스 구성을 제 2 시간에 제공하도록 구성되고, 제 1 제어 디바이스 구성 및 제 2 제어 디바이스 구성은 상보적인, 광 엔진.
항목 25.
항목 24에 규정된 바와 같이, 제 1 시간과 제 2 시간 사이의 시간 간격은 인간의 눈의 통합 시간보다 짧은, 광 엔진.
항목 26.
항목 12 내지 항목 25 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 제어 디바이스에 의해 제공된 제 1 제어 디바이스 구성은 이미지의 제 1 이미지 존 및 제 3 이미지 존에 따라 변조된 광을 제 1 뷰잉 포지션으로 전달하고 이미지의 제 2 이미지 존 및 제 4 이미지 존에 따라 변조된 광을 제 2 뷰잉 포지션으로 전달하고, 제 1 존 내지 제 4 존은 상기 이미지의 정렬된 (ordered), 연속적인 영역들인, 광 엔진.
항목 27.
항목 12 내지 항목 26 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 제어 디바이스에 의해 제공된 제 2 제어 디바이스 구성은 이미지의 제 2 이미지 존 및 제 4 이미지 존에 따라 변조된 광을 제 1 뷰잉 포지션으로 전달하고 이미지의 제 1 이미지 존 및 제 3 이미지 존에 따라 변조된 광을 제 2 뷰잉 포지션으로 전달하는, 광 엔진.
항목 28.
항목 26 또는 항목 27에 규정된 바와 같이, 제 1 뷰잉 포지션으로 전달될 때 제 1 이미지 존 내지 제 4 이미지 존 중 어느 하나의 이미지 콘텐츠는 제 2 뷰잉 포지션으로 전달될 때 제 1 이미지 존 내지 제 4 이미지 존 중 대응하는 이미지 존의 이미지 콘텐츠와 동일하지 않은, 광 엔진.
항목 29.
항목 12 내지 항목 28 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 제 1 뷰잉 포지션 및 제 2 뷰잉 포지션은 뷰어의 제 1 눈 포지션 및 제 2 눈 포지션이고, 그리고 뷰잉 윈도우는 아이-박스인, 광 엔진.
항목 30.
항목 21 내지 항목 29 중 어느 하나에 규정된 바와 같이, 제어 디바이스 내에서, 개구부들 중 적어도 하나의 사이즈 및/또는 위치는 동적으로 가변하는, 광 엔진.
Claims (24)
- 광 셔터링 디바이스 (light shuttering device) 에 있어서,
복수의 액정 셀들로서, 액정 셀 각각은 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호에 응답하여 제 1 광학적 상태 또는 제 2 광학적 상태에서 동작 가능한, 상기 복수의 액정 셀들;
구동 회로로서, 복수의 스위치들로서, 스위치 각각은 각각의 액정 셀로 상기 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 출력하도록 구성되는, 상기 복수의 스위치들; 및 업데이트 사이클 동안 스위치 각각의 상기 출력을 순차적으로 업데이트하도록 구성된 구동 제어기를 포함하는, 상기 구동 회로를 포함하고,
상기 구동 회로는 업데이트 사이클 동안 이루어질 상기 각각의 구동 신호들에 대한 임의의 변화들에 기초하여, 상기 스위치들이 상기 업데이트 사이클 동안 순차적으로 업데이트되는 순서를 결정하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 액정 셀들은 상기 제 1 광학적 상태로부터 상기 제 2 광학적 상태로 스위칭하는 것보다 상기 제 2 광학적 상태로부터 상기 제 1 광학적 상태로 스위칭하는데 더 오래 걸리고, 그리고 상기 구동 회로는 업데이트 사이클 동안 임의의 다른 스위치들 전에 상기 제 2 구동 신호로부터 상기 제 1 구동 신호로 변화될 임의의 스위치들의 상기 출력을 업데이트하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 구동 회로는 상기 업데이트 사이클 동안 상기 제 2 구동 신호로부터 상기 제 1 구동 신호로 변화될 모든 스위치들이 업데이트된 후에 상기 제 1 구동 신호로부터 상기 제 2 구동 신호로 변화될 임의의 스위치들의 상기 출력을 업데이트하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 스위치들은 복수의 디지털 스위치들을 포함하고, 디지털 스위치 각각은 상기 제 1 구동 신호를 수신하도록 구성된 제 1 입력부 및 상기 제 2 구동 신호를 수신하도록 구성된 제 2 입력부를 포함하는, 광 셔터링 디바이스. - 제 4 항에 있어서,
디지털 스위치 각각과 연관된 커패시터를 더 포함하고, 커패시터 각각은 업데이트 사이클 동안 상기 구동 제어기로부터 신호를 수신하고 각각의 액정 셀로 상기 각각의 제 1 구동 신호 또는 제 2 구동 신호를 선택적으로 출력하도록 상기 각각의 디지털 스위치에 제어 입력을 제공하도록 구성되고, 상기 커패시터는 업데이트들 사이에 상기 디지털 스위치로의 상기 제어 입력을 홀딩하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 구동 회로는 업데이트 사이클 동안 상기 스위치들 각각의 상기 출력을 업데이트하도록 상기 구동 제어기로부터 제어 신호들을 순차적으로 라우팅하기 위한 멀티플렉싱 회로를 더 포함하는, 광 셔터링 디바이스. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 액정 셀들은 1 차원 어레이로 배열되는, 광 셔터링 디바이스. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
선택 가능하게 (optionally), 뷰잉 (viewing) 평면으로부터 가시적인 광학 복제기의 상기 출력 면의 영역을 제한하도록 구성되고, 상기 광학 복제기는 홀로그램의 복수의 복제본들 (replicas) 을 출력하도록 구성되는, 광 셔터링 디바이스. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광 셔터링 디바이스는 디스플레이 디바이스와 뷰어 사이에 배치되는 (dispose), 광 셔터링 디바이스. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 업데이트 사이클은 인간 눈의 통합 시간 내에 완료되는, 광 셔터링 디바이스. - 제 9 항에 있어서,
상기 뷰어의 뷰잉 포지션에 대한 변화가 검출되면 업데이트 사이클이 개시되는, 광 셔터링 디바이스. - 뷰잉 윈도우로부터 가시적인 이미지를 형성하도록 구성된 광 엔진에 있어서,
이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 상기 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 디스플레이 디바이스;
상기 공간적으로 변조된 광을 수신하고 상기 디스플레이 디바이스로부터 상기 뷰잉 윈도우로 상기 공간적으로 변조된 광에 대한 복수의 상이한 광 전파 경로들을 제공하도록 구성된 도파관 동공 확장기 (waveguide pupil expander); 및
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 광 셔터링 디바이스로서, 상기 광 셔터링 디바이스는 도파관과 뷰잉 윈도우 사이에 배치되는, 상기 광 셔터링 디바이스를 포함하는, 광 엔진. - 제 12 항에 있어서,
상기 광 셔터링 디바이스는 상기 도파관 동공 확장기의 출력 면에 커플링되는, 광 엔진. - 제 12 항에 있어서,
상기 광 셔터링 디바이스는 상기 뷰잉 윈도우로부터 가시적인 상기 도파관의 상기 출력 면의 영역을 제한하는, 광 엔진. - 제 12 항에 있어서,
상기 도파관 동공 확장기 및 상기 뷰잉 윈도우는 평행하지 않은, 광 엔진. - 제 12 항에 있어서,
상기 홀로그램은 상기 공간적으로 변조된 광의 각도 채널들이 상기 이미지의 각각의 연속적인 영역들에 대응하도록, 이미지 콘텐츠의 포지션에 따라 상기 이미지의 공간적으로 변조된 광을 각도로 분배하도록 구성되고; 그리고 상기 광 셔터링 디바이스의 상기 복수의 액정 셀들 중 적어도 하나의 액정 셀은 상기 뷰잉 윈도우 내의 제 1 뷰잉 포지션이 상기 이미지의 제 1 영역에 따라 상기 홀로그램에 의해 공간적으로 변조된 제 1 채널의 광을 수신하고 상기 뷰잉 윈도우 내의 제 2 뷰잉 포지션이 상기 이미지의 제 2 영역에 따라 상기 홀로그램에 의해 공간적으로 변조된 제 2 채널의 광을 수신하도록 구성된 어퍼처를 형성하는, 광 엔진. - 제 16 항에 있어서,
상기 제어 디바이스는 적어도 하나의 개구부를 포함하고; 개구부 각각은 상이한 이미지 콘텐츠가 상기 제 1 뷰잉 포지션 및 상기 제 2 뷰잉 포지션에 실질적으로 동시에 각각 전달되도록 상기 제 1 뷰잉 포지션 및/또는 상기 제 2 뷰잉 포지션에 공간적으로 변조된 광의 각각의 채널을 제공하는, 광 엔진. - 제 17 항에 있어서,
상기 제어 디바이스는 복수의 상이한 제어 디바이스 구성들이 제공되도록 개구부 각각이 개방 포지션과 폐쇄 포지션 사이에서 스위칭 가능하도록 구성되고, 제어 디바이스 구성 각각은 개방된 개구부들 및 폐쇄된 개구부들의 교번하는 시퀀스를 포함하는, 광 엔진. - 제 18 항에 있어서,
상기 제어 디바이스는 제 1 제어 디바이스 구성을 제 1 시간에 제공하고 제 2 제어 디바이스 구성을 제 2 시간에 제공하도록 구성되고, 상기 제 1 제어 디바이스 구성 및 상기 제 2 제어 디바이스 구성은 상보적인, 광 엔진. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 시간과 상기 제 2 시간 사이의 시간 간격은 인간의 눈의 통합 시간보다 더 작은, 광 엔진. - 제 12 항에 있어서,
상기 제어 디바이스에 의해 제공된 제 1 제어 디바이스 구성은 상기 이미지의 제 1 이미지 존 및 제 3 이미지 존에 따라 변조된 광을 상기 제 1 뷰잉 포지션으로 전달하고 상기 이미지의 제 2 이미지 존 및 제 4 이미지 존에 따라 변조된 광을 상기 제 2 뷰잉 포지션으로 전달하고, 상기 제 1 존 내지 상기 제 4 존은 상기 이미지의 정렬된 (ordered), 연속적인 영역들인, 광 엔진. - 제 21 항에 있어서,
상기 제어 디바이스에 의해 제공된 제 2 제어 디바이스 구성은 상기 이미지의 제 2 이미지 존 및 제 4 이미지 존에 따라 변조된 광을 상기 제 1 뷰잉 포지션으로 전달하고 상기 이미지의 제 1 이미지 존 및 제 3 이미지 존에 따라 변조된 광을 상기 제 2 뷰잉 포지션으로 전달하는, 광 엔진. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 뷰잉 포지션 및 상기 제 2 뷰잉 포지션은 뷰어의 제 1 눈 포지션 (eye position) 및 제 2 눈 포지션이고, 그리고 상기 뷰잉 윈도우는 아이-박스 (eye-box) 인, 광 엔진. - 제 17 항에 있어서,
상기 제어 디바이스 내에서, 상기 적어도 하나의 개구부의 사이즈 및/또는 위치는 동적으로 가변하는, 광 엔진.
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