KR20230166719A - 홀로그램을 생성하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

복소변조 SLM에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상을 측정하는 단계, 복소 광 파면의 세기 및 위상을 분석하여 복소 광 파면의 특성 정보를 결정하는 단계, 특성 정보를 인공신경망에 입력하여 인공신경망으로부터 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성하는 단계, 그리고 왜곡 보정 정보를 복소변조 SLM으로 피드백하는 단계를 통해 홀로그램을 생성하는 장치 및 방법이 제공된다.

Description

홀로그램을 생성하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING HOLOGRAM}
본 기재는 홀로그램을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)는 픽셀화된(pixelated) 구조를 가지는 마이크로디스플레이이고, 액정(liquid crystal, LC)을 이용한 LCoS(LC on silicon) 및 기계적 동작을 이용한 디지털 마이크로 미러 디스플레이(digital micro-mirror display, DMD) 등이 대표적인 SLM이다. SLM은 모니터, 빔 프로젝터, AR·VR 디바이스, 3D 홀로그래피 등 다양한 실감 디스플레이 기기의 핵심 부품 소자이다.
액정 패널은 투과형 SLM이고, 디지털 TV, PC 모니터 등 대면적 디스플레이로 널리 활용되고 있으나 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)의 구동 레이어를 제작하기가 어려워서 고해상도로 발전하기 어렵다. 반면, 반사형 SLM은 고해상도 제작이 상대적으로 용이하며 고효율의 광 변조가 가능하다. 반사형 SLM으로서 LCoS는 주로 위상 변조 방식으로, DMD는 진폭 변조 방식으로 동작할 수 있다.
하지만, 진폭 또는 위상 변조만을 수행할 수 있는 SLM은 제한된 변조 성능으로 인하여 회절 노이즈(DC, 고차항, 공액상), 파동 광학 특성에 의해 발생되는 간섭 노이즈(스페클), 및 색 수차(color aberration) 등 다양한 광학 수차가 홀로그래픽 디스플레이에 발생하고 화질이 상당히 열화된다.
한 실시예는, 홀로그램을 생성하는 장치를 제공한다.
다른 실시예는, 홀로그램을 생성하는 방법을 제공한다.
또 다른 실시예는, 홀로그램을 보정하는 장치를 제공한다.
한 실시예에 따르면, 홀로그램을 생성하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 복소변조 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상을 측정하고, 복소 광 파면의 세기 및 위상을 분석하여 복소 광 파면의 특성 정보를 결정하는 복소 파면 측정부, 그리고 복소 광 파면의 특성 정보를 인공신경망에 입력하여 인공신경망으로부터 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성하고, 왜곡 보정 정보를 복소변조 SLM으로 피드백하는 복소 파면 보정부를 포함한다.
상기 실시예에서, 복소변조 SLM은 왜곡 보정 정보를 사용하여 복소 광 파면을 업데이트할 수 있다.
상기 실시예에서, 복소 파면 측정부는, 복소 광 파면의 위상을 측정하는 위상 측정부, 복소 광 파면의 세기를 측정하는 세기 측정부, 및 복소 광 파면의 측정된 위상 및 세기를 분석하여 복소 광 파면의 특성 정보를 결정하는 왜곡 분석부를 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 복소 광 파면의 측정된 위상으로부터 도출된 위상 특성 정보는 제르니커 기반 위상맵을 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 복소 광 파면의 측정된 세기로부터 도출된 세기 특성 정보는 점 확산 함수, 대조비, 변조 전달 함수 중 적어도 하나를 포함하거나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 복소 파면 보정부는, 인공신경망을 사용하여 특성 정보에 대한 왜곡을 나타내는 손실 함수에 대하여 왜곡을 최소화할 수 있는 왜곡 보정 정보를 결정할 수 있다.
상기 실시예에서, 복소변조 SLM은 위상을 변조하는 제1 SLM 및 진폭을 변조하는 제2 SLM과, 제1 SLM 및 제2 SLM에서 변조된 광선을 결합하는 광학 소자를 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 제1 SLM, 제2 SLM, 및 광학 소자는 제1 SLM 및 제2 SLM에서 변조된 광선을 복소수 곱셈 방식 또는 복소수 덧셈 방식으로 결합하도록 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 홀로그램을 생성하는 방법이 제공된다. 상기 홀로그램을 생성하는 방법은, 복소변조 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상을 측정하는 단계, 복소 광 파면의 세기 및 위상을 분석하여 복소 광 파면의 특성 정보를 결정하는 단계, 특성 정보를 인공신경망에 입력하여 인공신경망으로부터 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성하는 단계, 그리고 왜곡 보정 정보를 복소변조 SLM으로 피드백하는 단계를 포함한다.
상기 실시예에서, 상기 방법은, 왜곡 보정 정보를 사용하여 복소 광 파면을 업데이트하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 복소변조 SLM에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상을 측정하는 단계는, 복소 광 파면의 위상을 측정하는 단계, 복소 광 파면의 세기를 측정하는 단계, 및 복소 광 파면의 측정된 위상 및 세기를 분석하여 복소 광 파면의 특성 정보를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 복소 광 파면의 측정된 위상으로부터 도출된 위상 특성 정보는 제르니커 기반 위상맵을 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 복소 광 파면의 측정된 세기로부터 도출된 세기 특성 정보는 점 확산 함수, 대조비, 변조 전달 함수 중 적어도 하나를 포함하거나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 특성 정보를 인공신경망에 입력하여 인공신경망으로부터 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성하는 단계는, 인공신경망을 사용하여 특성 정보에 대한 왜곡을 나타내는 손실 함수에 대하여 왜곡을 최소화할 수 있는 왜곡 보정 정보를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 복소변조 SLM에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상을 측정하기 전에, 상기 방법은, 제1 SLM을 사용하여 광선의 위상을 변조하는 단계, 제2 SLM을 사용하여 광선의 진폭을 변조하는 단계, 및 제1 SLM 및 제2 SLM에서 변조된 광선을 결합하여 복소 광 파면을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 실시예에서, 제1 SLM 및 제2 SLM에서 변조된 광선을 결합하는 것은, 제1 SLM 및 제2 SLM에서 변조된 광선을 복소수 곱셈 방식 또는 복소수 덧셈 방식으로 결합하는 것을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 홀로그램을 보정하는 장치가 제공된다. 상기 장치는, 프로세서, 메모리, 및 통신 인터페이스를 포함하고, 프로세서는 메모리 내에 저장된 프로그램을 실행하여, 복소변조 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상의 측정 결과로부터 결정된 복소 광 파면의 특성 정보를 통신 인터페이스를 통해 수신하는 단계, 복소 광 파면의 특성 정보를 인공신경망에 입력하여 인공신경망으로부터 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성하는 단계, 그리고 왜곡 보정 정보를 통신 인터페이스를 통해 복소변조 SLM으로 피드백하는 단계를 수행한다.
미리 학습된 인공신경망에 복소변조 SLM에서 출력되는 복소 광 필드의 측정 결과를 입력하여 왜곡 보정 정보를 생성하고 생성된 왜곡 보정 정보를 복소변조 SLM에 피드백함으로써, 복소 홀로그램의 변환을 최적화할 수 있고, 복소변조 SLM의 성능을 극대화할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 홀로그램 생성 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 홀로그램 생성 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 한 실시예에 따른 복소변조 SLM을 나타낸 블록도이다.
도 4a 및 도 4b는 한 실시예에 따른 투과형 SLM의 광 결합 방식을 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 한 실시예에 따른 반사형 SLM의 광 결합 방식을 나타낸 도면이다.
도 6은 한 실시예에 따른 복소 파면 측정부를 나타낸 블록도이다.
도 7a 내지 도 7c는 한 실시예에 따른 빛의 세기로부터 도출될 수 있는 특성 정보를 나타낸 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 한 실시예에 따른 빛의 위상으로부터 도출될 수 있는 특성 정보를 나타낸 도면이다.
도 9는 한 실시예에 따른 복소 파면 보정부를 나타낸 블록도이다.
도 10은 한 실시예에 따른 복소 홀로그램을 보정하는 장치를 나타낸 블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 기재의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 기재는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 "및/또는"은 언급된 구성 요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 홀로그램 생성 장치를 나타낸 블록도이고, 도 2는 한 실시예에 따른 홀로그램 생성 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 한 실시예에 따른 홀로그램 생성 장치(100)는 복소변조 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)(110), 복소 파면 측정부(120), 및 복소 파면 보정부(130)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 먼저 복소변조 SLM(110)은 디지털 홀로그램의 정보를 바탕으로 콜리메이트된 입력 광선(collimated light)(즉, 평면파)의 세기(진폭) 및 위상을 동시에 변조할 수 있다(S110). 복소변조 SLM(110)은 입력 광선의 세기(intensity) 및 위상(phase)을 디지털 복소 홀로그램의 정보를 바탕으로 조절(변조)함으로써, 임의의 광 파면(wavefront)을 갖는 복소 광 필드(complex wave-field)를 출력할 수 있다.
복소변조 SLM(110)로 입력되는 광선은 레이저와 같은 가간섭성 광원 또는 LED와 같은 부분 가간섭성 광원으로부터 조사될 수 있다. 한 실시예에서, 복소변조 SLM(110)로 입력되는 평면파는 복소변조 SLM(110)에 의해 임의의 파면을 갖는 출력 광 필드로 변조될 수 있다.
복소 파면 측정부(120) 및 복소 파면 보정부(130)는 디지털 복소 홀로그램의 세기 및 위상을 정확하게 재현하기 위한 구성이다. 한 실시예에 따른 복소 파면 측정부(120)는 복소변조 SLM(110)에서 출력되는 복소 광 필드의 복소 파면의 세기 및 위상을 측정할 수 있다(S120). 복소 파면 측정부(120)은 복소 파면의 측정된 세기 및 위상을 분석하여 복소 광 파면의 특성 정보를 결정할 수 있다(S130).
복소 파면 보정부(130)는 복소 파면 측정부(120)로부터 복소 파면의 세기 및 위상에 관한 특성 정보를 수신하고, 특성 정보를 바탕으로 왜곡 보정 정보를 결정하여 복소변조 SLM(110)에게 전달할 수 있다(S140). 이후 복소변조 SLM(110)은 왜곡 보정 정보를 사용하여 입력 광선의 복소 변조를 최적화할 수 있다.
도 3은 한 실시예에 따른 복소변조 SLM을 나타낸 블록도이다.
이상적인 SLM은 빛의 진폭과 위상을 동시에 독립적으로 제어하는 복소 변조(complex modulation)를 구현할 수 있다. 복소변조 SLM(110)은 회절효율이 우수하고 0차상(DC)이나 공액상(conjugate image)이 발생하지 않는 장점을 가진다.
도 2를 참조하면, 한 실시예에 따른 복소변조 SLM(110)은 광 분리기(111), 제1 SLM(112), 제2 SLM(113), 광학 소자(114), 및 복소 변환 인코더(115)를 포함할 수 있다.
복소변조 SLM(110)로 입력되는 광선은 광 분리기(beam splitter)(111)에 의해 나누어지고 각 광선은 제1 SLM(112) 및 제2 SLM(113)으로 각각 입력될 수 있다. 제1 SLM(112) 및 제2 SLM(113)에서 변조된 광선은 광 결합을 위해 사용되는 광학 소자(114)에 의해 조합됨으로써 임의의 파면 형태를 갖는 복소 광 필드로서 출력될 수 있다. 한 실시예에서, 복소변조 SLM(110)에 의해 출력되는 복소 광 필드의 진폭 및 위상 은 디지털 복소 홀로그램의 정보에 의해 결정되고 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
한 실시예에서, 제1 SLM(112) 및 제2 SLM(113)은 각각 위상 변조 SLM 및 진폭 변조 SLM일 수 있다. SLM은 투과형(transmissive) 또는 반사형(reflective) 방식일 수 있다. 투과형 SLM에는 액정(liquid crystal, LC) 디스플레이 패널이 대표적이고, 반사형 SLM에는 LCoS(liquid crystal on silicon) 및 디지털 마이크로미러 기기(digital micromirror device, DMD) 등이 있다.　
아래 수학식 2는 각 SLM에서 출력되는 광선이 복소수 곱셈 형태로 결합되는 과정을 나타낸다.
아래 수학식 3은 각 SLM에서 출력되는 광선이 복소수 덧셈 형태로 결합되는 과정을 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 한 실시예에 따른 투과형 SLM의 광 결합 방식을 나타낸 도면이다.
도 4a에서, 광선은 2개의 투과형 SLM(제1 SLM(112) 및 제2 SLM(113))을 순차적으로 통과함으로써 진폭과 위상의 곱셈 방식으로 결합될 수 있다. 도 4b에서, 광선은 2개의 투과형 SLM에서 각각 변조된 후 복소수의 실수부 및 허수부의 덧셈 방식으로 결합될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 한 실시예에 따른 반사형 SLM의 광 결합 방식을 나타낸 도면이다.
도 5a에서, 광선은 2개의 반사형 SLM(제1 SLM(112) 및 제2 SLM(113))에서 순차적으로 반사됨으로써 진폭과 위상의 곱셈 방식으로 결합될 수 있다. 도 5b에서, 광선은 2개의 반사형 SLM에서 각각 변조된 후 복소수의 실수부 및 허수부의 덧셈 방식으로 결합될 수 있다.
도 2를 참조하면, 한 실시예에 따른 광학 소자(114)는 2개의 SLM에서 변조된 빛을 픽셀 단위로 정밀하게 결합시킬 수 있다. 한 실시예에서, 광 결합용 광학 소자(114)는 광선의 가간섭성을 유지하면서 회절에 따른 빛 퍼짐으로 인한 인접 픽셀간 크로스토크를 최소화할 수 있고, 특정한 광 소자로 제한되지 않는다. 예를 들어, 광학 소자(114)는 회절격자(grating), 프리즘, 렌즈어레이(lens-array) 등을 포함할 수 있다.　
복소변조 SLM을 구현하기 위해 2개의 투과형 SLM을 결합하여 진폭과 위상을 순차적으로 변조할 때, 두 개의 SLM 간의 광 결합 과정에서 매우 정밀한 수준의 픽셀 단위 정렬이 요구될 수 있다. 두 개의 SLM 간의 광 결합이 부정확하면, 크로스토크(cross-talk) 등 다양한 노이즈를 유발하여 변조 성능이 저하될 수 있다. 또한 투과형 SLM의 결합은 낮은 광 효율이라는 단점을 가질 수 있다. 두 개 SLM의 결함 방식의 어려움을 회피하기 위해 한 개의 SLM 내의 두 개 이상의 픽셀들로 구성된 매크로픽셀(macro-pixel)로써 복소변조 기능이 구현될 수 있다. 하지만, 이 경우에도 매크로픽셀 구성에 따른 SLM의 유효 해상도 감소에 따른 화질 저하가 불가피할 수 있다.　　
복소 변조를 위한 두 개 SLM의 광학적 결합에서, 변조된 복소 광파의 가간섭성(coherence)이 유지되기 위해 고도의 정밀성이 요구된다. SLM 픽셀 수준의 정밀한 광학적 결합도 어렵지만, 두 개의 SLM 사이의 물리적인 간격 때문에 발생할 수 있는 빛의 회절현상에 따른 크로스토크 잡음도 변조 성능을 저하시킬 수 있다. 또한 진폭 변조 또는 위상 변조 SLM에도 비선형적(non-linearity) 왜곡이 발생할 수 있고 SLM 표면 영역의 모든 픽셀들이 공간적으로 균일한 변조 성능을 제공하지 못하는 비균일적(non-uniform) 변조도 있을 수 있다.　
두 개 SLM 간의 광 결합 과정에는, 픽셀 레벨의 정합 오차, 빛의 회절과 간섭에 따른 크로스토크 잡음, 그리고 개별 SLM이 가지는 비선형적 변조 성능 및 공간적 변조 비균일성 등의 원인이 복합적으로 작용할 수 있으므로 종래의 선형적 분석과 왜곡 보정 방법에는 한계가 있다.
한 실시예에 따른 복소 변환 인코더(115)는 복소 광 필드의 측정 결과로부터 생성된 왜곡 보정 정보를 바탕으로 복소 홀로그램을 업데이트하여, 복소변조 SLM(110)의 변조 성능을 최적화할 수 있다. 복소 변환 인코더(115)는 왜곡 보정 정보를 복소 홀로그램의 세기 및 위상을 동시에 업데이트하기 위한 복소수 변환 필터로서 사용할 수 있다.
수학식 4는 복소 변환 인코더(115)가 복소 홀로그램을 업데이트하는 방법을 나타낸다.
수학식 4에서 는 왜곡 보정 정보를 나타낼 수 있다. 복소 홀로그램의 업데이트를 위한 왜곡 보정 정보는 복소 파면 보정부(130)로부터 수신될 수 있다. 한 실시예에서, 복소 파면 보정부(130)는 인공신경망에 기반하여 측정된 복소 홀로그램의 특성을 보정함으로써 왜곡 보정 정보를 생성할 수 있다.
도 6은 한 실시예에 따른 복소 파면 측정부를 나타낸 블록도이고, 도 7a 내지 도 7c는 한 실시예에 따른 빛의 세기로부터 도출될 수 있는 특성 정보를 나타낸 도면이고, 도 8a 및 도 8b는 한 실시예에 따른 빛의 위상으로부터 도출될 수 있는 특성 정보를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 한 실시예에 따른 복소 파면 측정부(120)는 세기 측정부(121), 위상 측정부(122), 및 왜곡 분석부(123)를 포함할 수 있다.
세기 측정부(121)는 복소 광 파면의 세기(intensity)를 2차원으로 측정하는 이미지 센서를 사용하여 2차원 복원 영상의 세기를 측정할 수 있다.
위상 측정부(122)는 복소 광 파면의 위상(phase)을 측정할 수 있다. 복소 광 파면의 위상 특성은 광학 파면의 측정용 센서(예를 들어, Shack-Hartmann 센서)에 의한 파면의 위상 및 왜곡(파면수차)의 분석을 통해 도출될 수 있다. 복소 광 파면의 위상의 정밀한 측정을 위해, 간섭계를 사용하여 측정되는 간섭 무늬의 폭, 간격 등이 사용될 수 있다.
왜곡 분석부(123)는 세기 측정부(121) 및 위상 측정부(122)의 세기 및 위상의 측정 결과를 바탕으로 복소 광 파면의 특성 정보를 결정할 수 있다.
도 7a는 점 광원(point-source) 입력에 대한 출력을 나타내는 점 확산 함수(point spread function)를 나타내고, 도 7b는 대조비(contrast ratio)를 나타내며, 도 7c는 변조 전달 함수(modulation transfer function, MTF)를 나타낸다. 도 7a 내지 도 7c는 복소 광 파면의 측정 세기로부터 얻어지는 특성 정보의 예시이다.
도 8a는 제르니커(Zernike) 기반 위상맵을 나타내고 이는 위상 측정부(122)의 위상 측정 결과로부터 도출될 수 있다. 도 8b는 Twyman-Green 간섭계 및 간섭무늬를 나타내고 이는 정밀한 위상 측정을 위해 사용될 수 있다.
도 9는 한 실시예에 따른 복소 파면 보정부를 나타낸 블록도이다.
한 실시예에 따른 복소 파면 보정부(130)는 학습된 인공신경망에 기반하여 복소 광 파면의 특성 정보를 분석함으로써 복소 홀로그램을 최적화하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성할 수 있다. 수학식 5는 학습된 인공신경망의 처리 프로세스를 나타낸다.
수학식 5에서, 손실함수 Loss는 위상 및 진폭의 특성 정보 에 대한 왜곡을 나타내는 함수이다. 한 실시예에서, 복소 파면 보정부(130)는 인공신경망을 사용하여 손실함수에 대하여 진폭 및 위상 에 대한 왜곡을 최소화할 수 있는 왜곡 보정 정보를 결정할 수 있다. 복소 파면 보정부(130)는, 복소 파면 측정부(120)로부터 수신되는 복소 광 파면의 특성 정보(세기 특성 정보 및 위상 특성 정보를 포함함)는 인공신경망의 학습 데이터로서 사용할 수 있고, 학습된 인공신경망을 사용하여 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성할 수 있다. 여기서 복소 광 파면의 위상 특성 정보에는 차원 축소(dimension reduction) 과정(예를 들어, Zernike polynomial)이 적용될 수 있다.
복소 파면 보정부(130)가 복소 광 파면의 왜곡을 보정하고 최적화하기 위해 사용하는 신경망 모델은, 지도학습(supervised-learning)을 통한 심층신경망(deep neural network, DNN) 또는 U-Net, Res-Net 등과 같은 합성곱 신경망(convolution neural network, CNN), 적대적 생성 신경망(Generative Adversarial Network, GAN), 오토인코더(AutoEncoder) 등 다양한 인공신경망 중 어느 하나 또는 그들의 조합일 수 있다.
위에서 설명한 대로, 한 실시예에 따른 홀로그램 생성 장치는 복소변조 SLM에서 출력되는 복소 광 필드의 측정 결과를 바탕으로 인공신경망을 통해 왜곡 보정 정보를 생성하고 생성된 왜곡 보정 정보를 복소변조 SLM에 피드백함으로써, 복소 홀로그램의 변환을 최적화할 수 있고, 궁극적으로 복소변조 SLM의 성능을 극대화할 수 있다.
도 10은 한 실시예에 따른 복소 홀로그램을 보정하는 장치를 나타낸 블록도이다.
한 실시예에 따른 복소 홀로그램의 보정 장치는, 컴퓨터 시스템, 예를 들어 컴퓨터 판독 가능 매체로 구현될 수 있다. 도 10을 참조하면, 컴퓨터 시스템(200)은, 버스(270)를 통해 통신하는 프로세서(210), 메모리(230), 입력 인터페이스 장치(250), 출력 인터페이스 장치(260), 및 저장 장치(240) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(200)은 또한 네트워크에 결합된 통신 장치(220)를 포함할 수 있다. 프로세서(210)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU)이거나, 또는 메모리(230) 또는 저장 장치(240)에 저장된 명령을 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(230) 및 저장 장치(240)는 다양한 형태의 휘발성 또는 비휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리는 ROM(read only memory) 및 RAM(random access memory)를 포함할 수 있다. 본 기재의 실시예에서 메모리는 프로세서의 내부 또는 외부에 위치할 수 있고, 메모리는 이미 알려진 다양한 수단을 통해 프로세서와 연결될 수 있다. 메모리는 다양한 형태의 휘발성 또는 비휘발성 저장 매체이며, 예를 들어, 메모리는 읽기 전용 메모리(read-only memory, ROM) 또는 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM)를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 구현된 방법으로서 구현되거나, 컴퓨터 실행 가능 명령이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체로서 구현될 수 있다. 한 실시예에서, 프로세서에 의해 실행될 때, 컴퓨터 판독 가능 명령은 본 기재의 적어도 하나의 양상에 따른 방법을 수행할 수 있다.
통신 장치(220)는 유선 신호 또는 무선 신호를 송신 또는 수신할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예는 지금까지 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 상술한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 방법(예, 네트워크 관리 방법, 데이터 전송 방법, 전송 스케줄 생성 방법 등)은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어, 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은, 본 발명의 실시예를 위해 특별히 설계되어 구성된 것이거나, 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등일 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 통해 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. 홀로그램을 생성하는 장치로서,
    복소변조 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상을 측정하고, 상기 복소 광 파면의 상기 세기 및 상기 위상을 분석하여 상기 복소 광 파면의 특성 정보를 결정하는 복소 파면 측정부, 그리고
    상기 복소 광 파면의 상기 특성 정보를 인공신경망에 입력하여 상기 인공신경망으로부터 상기 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성하고, 상기 왜곡 보정 정보를 상기 복소변조 SLM으로 피드백하는 복소 파면 보정부
    를 포함하는 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 복소변조 SLM은 상기 왜곡 보정 정보를 사용하여 상기 복소 광 파면을 업데이트하는, 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 복소 파면 측정부는,
    상기 복소 광 파면의 위상을 측정하는 위상 측정부,
    상기 복소 광 파면의 세기를 측정하는 세기 측정부, 및
    상기 복소 광 파면의 측정된 위상 및 세기를 분석하여 상기 복소 광 파면의 특성 정보를 결정하는 왜곡 분석부
    를 포함하는, 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 복소 광 파면의 측정된 위상으로부터 도출된 위상 특성 정보는 제르니커 기반 위상맵을 포함하는, 장치.
  5. 제3항에서,
    상기 복소 광 파면의 측정된 세기로부터 도출된 세기 특성 정보는 점 확산 함수, 대조비, 변조 전달 함수 중 적어도 하나를 포함하거나 또는 이들의 조합을 포함하는, 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 복소 파면 보정부는,
    상기 인공신경망을 사용하여 상기 특성 정보에 대한 왜곡을 나타내는 손실 함수에 대하여 상기 왜곡을 최소화할 수 있는 왜곡 보정 정보를 결정하는, 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 복소변조 SLM은 위상을 변조하는 제1 SLM 및 진폭을 변조하는 제2 SLM과, 상기 제1 SLM 및 상기 제2 SLM에서 변조된 광선을 결합하는 광학 소자를 포함하는, 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 SLM, 상기 제2 SLM, 및 상기 광학 소자는 상기 제1 SLM 및 상기 제2 SLM에서 변조된 광선을 복소수 곱셈 방식 또는 복소수 덧셈 방식으로 결합하도록 배치된, 장치.
  9. 홀로그램을 생성하는 방법으로서,
    복소변조 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상을 측정하는 단계,
    상기 복소 광 파면의 상기 세기 및 상기 위상을 분석하여 상기 복소 광 파면의 특성 정보를 결정하는 단계,
    상기 특성 정보를 인공신경망에 입력하여 상기 인공신경망으로부터 상기 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성하는 단계, 그리고
    상기 왜곡 보정 정보를 상기 복소변조 SLM으로 피드백하는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 왜곡 보정 정보를 사용하여 상기 복소 광 파면을 업데이트하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 복소변조 SLM에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상을 측정하는 단계는,
    상기 복소 광 파면의 위상을 측정하는 단계,
    상기 복소 광 파면의 세기를 측정하는 단계, 및
    상기 복소 광 파면의 측정된 위상 및 세기를 분석하여 상기 복소 광 파면의 특성 정보를 결정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 복소 광 파면의 측정된 위상으로부터 도출된 위상 특성 정보는 제르니커 기반 위상맵을 포함하는, 방법.
  13. 제11항에서,
    상기 복소 광 파면의 측정된 세기로부터 도출된 세기 특성 정보는 점 확산 함수, 대조비, 변조 전달 함수 중 적어도 하나를 포함하거나 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  14. 제9항에서,
    상기 특성 정보를 인공신경망에 입력하여 상기 인공신경망으로부터 상기 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성하는 단계는,
    상기 인공신경망을 사용하여 상기 특성 정보에 대한 왜곡을 나타내는 손실 함수에 대하여 상기 왜곡을 최소화할 수 있는 왜곡 보정 정보를 결정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제9항에서,
    상기 복소변조 SLM에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상을 측정하기 전에,
    제1 SLM을 사용하여 광선의 위상을 변조하는 단계,
    제2 SLM을 사용하여 상기 광선의 진폭을 변조하는 단계, 및
    상기 제1 SLM 및 상기 제2 SLM에서 변조된 광선을 결합하여 상기 복소 광 파면을 출력하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 제1 SLM 및 상기 제2 SLM에서 변조된 광선을 결합하는 것은,
    상기 제1 SLM 및 상기 제2 SLM에서 변조된 광선을 복소수 곱셈 방식 또는 복소수 덧셈 방식으로 결합하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  17. 홀로그램을 보정하는 장치로서,
    프로세서, 메모리, 및 통신 인터페이스를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 메모리 내에 저장된 프로그램을 실행하여,
    복소변조 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)에서 출력되는 복소 광 파면의 세기 및 위상의 측정 결과로부터 결정된 상기 복소 광 파면의 특성 정보를 상기 통신 인터페이스를 통해 수신하는 단계,
    상기 복소 광 파면의 상기 특성 정보를 인공신경망에 입력하여 상기 인공신경망으로부터 상기 복소 광 파면의 왜곡을 보정하기 위한 왜곡 보정 정보를 생성하는 단계, 그리고
    상기 왜곡 보정 정보를 상기 통신 인터페이스를 통해 상기 복소변조 SLM으로 피드백하는 단계
    를 수행하는, 장치.
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