KR20240016875A - 홀로그램 도파 - Google Patents

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light
image
holographic
waveguide
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크리스마스 제이미슨
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엔비직스 엘티디
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Abstract

차량 (vehicle) 용 헤드-업 디스플레이 (head-up display) 방법. 제 1 단계는 디스플레이 디바이스 상에 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 그리고 홀로그래픽 파면 (wavefront) 을 형성하도록 디스플레이된 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하는 단계를 포함한다. 제 2 단계는 홀로그래픽 파면의 복제본들 (replicas) 의 1D 어레이를 형성하도록 제 1 퓨필 (pupil) 확장기를 사용하여 제 1 방향으로 홀로그래픽 파면을 복제하는 단계를 포함한다. 제 3 단계는 복제본들의 1D 어레이로부터 홀로그래픽 파면의 복제본들의 2D 어레이를 형성하도록 제 2 퓨필 확장기로서 차량의 윈드스크린을 사용하는 단계를 포함한다.

Description

홀로그램 도파{HOLOGRAM WAVEGUIDING}
본 개시는 광 엔진 및 회절된 광 필드를 중계하는 (relay) 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시는 투사 시스템 및 도파관 (waveguide) 을 사용하여 홀로그램을 복제하는 방법에 관한 것이다. 일부 실시 예들은 홀로그래픽 프로젝터 (holographic projector), 픽처 생성 유닛 또는 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 홀로그래픽 기록 (recording), 또는 "홀로그램 (hologram)"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 (holographic reconstruction), 또는 리플레이 (replay) 이미지를 형성하도록 적합한 광을 사용한 조사 (illumination) 에 의해 재구성될 수도 있다.
컴퓨터-생성된 홀로그래피는 간섭 프로세스를 수치적으로 시뮬레이팅할 수도 있다. 컴퓨터-생성된 홀로그램 (computer-generated hologram; CGH) 은 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 공간 광 변조기 (spatial light modulator; SLM) 상에서 인코딩될 수도 있다. 광 변조는 예를 들어, 전기적으로 어드레스 가능한 액정들 (liquid crystals; LCs), 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 투과 시 출력된다는 것을 의미하는 투과성일 수도 있다.
홀로그래픽 프로젝터 (holographic projector) 는 본 명세서에 기술된 시스템을 사용하여 제공될 수도 있다. 이러한 프로젝터들은 헤드-업 디스플레이들 (head-up displays), "HUD"에 적용된다.
본 개시의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 규정된다.
일반적으로, 디스플레이 디바이스, 패턴 생성기 및 도파관을 포함하는 디스플레이 시스템이 본 명세서에 개시된다. 디스플레이 디바이스는 이미지에 대응하는 회절 패턴을 디스플레이하고 그리고 회절된 광 필드를 형성하기 위해 회절 패턴에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된다. 패턴 생성기는 회절 패턴을 결정하도록 구성된다. 회절 패턴은 회절된 광 필드의 연속적인 각도 범위들 (즉, 각도 채널들) 이 이미지의 연속적인 영역들에 각각 대응하도록 이미지 내의 공간적 포지션에 따라 회절된 광 필드 내에 광을 각도로 분포시키도록 구성될 수도 있다. 도파관은 사이에 회절된 광 필드를 도파하도록 (waveguide) 구성된 한 쌍의 평행한 반사 표면들을 포함한다. 한 쌍의 평행한 반사 표면들의 제 1 표면은 (도파 방향으로) 회절된 광 필드에 대한 복수의 방출 또는 복제 존들을 포함하는 출력부를 형성하도록 부분적으로 반사성-투과성 (reflective-transmissive) 이다. 패턴 생성기는 도파 동안 제 1 표면에서 부분 반사-투과들에 의해 유발된 도파관의 연속적인 방출 또는 복제 존 각각으로부터 방출의 강도의 감소를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 회절 패턴을 수정하도록 구성될 수도 있다.
더 구체적으로, 디스플레이 디바이스, 홀로그램 엔진 및 도파관을 포함하는 투사 시스템이 본 명세서에 개시된다. 디스플레이 디바이스는 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 그리고 홀로그래픽 파면 (wavefront) (또는 홀로그래픽 광 필드) 을 형성하기 위해 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된다. 홀로그램 엔진은 홀로그램을 계산하도록 구성된다. 홀로그램은 홀로그래픽 파면의 연속적인 각도 범위들 (즉, 각도 채널들) 이 이미지의 연속적인 영역들에 각각 대응하도록 이미지 내의 공간적 포지션에 따라 홀로그래픽 파면 내에 광을 각도로 분포시키도록 구성될 수도 있다. 도파관은 사이에 홀로그래픽 파면을 도파하도록 구성된 한 쌍의 평행한 반사 표면들을 포함한다. 한 쌍의 평행한 반사 표면들의 제 1 표면은 (도파 방향으로) 홀로그래픽 파면에 대한 복수의 방출 존들을 포함하는 출력부를 형성하도록 부분적으로 반사성-투과성이다. 홀로그램 엔진은 도파 동안 제 1 표면에서 부분 반사-투과들에 의해 유발된 도파관의 연속적인 방출 존 각각으로부터 방출의 강도의 감소를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 홀로그램을 수정하도록 구성된다.
본 발명자는 도파관의 출력 표면 상에 복소 등급화된 코팅 (complex graded coating) 이 필요하지 않도록 홀로그램 엔진이 도파관 방출들의 감소하는 강도를 보상할 수 있다는 것을 식별하였다. 이 솔루션은 홀로그램이 홀로그램 도메인의 각도에 의해 공간적 도메인의 이미지의 콘텐츠를 분배하는 방식 때문에 가능하다. 이 타입의 홀로그램 거동은 통상적이지 않고 본 발명자는 도파관 퓨필 (pupil) 확장기의 근본적인 문제를 해결하기 위해 이의 특성화된 특징을 활용하였다. 이 점에서, 본 발명자는 본 개시의 소위 채널링 홀로그램과 도파에 기초하여 퓨필 확장기를 통해 뷰어에게 홀로그래픽으로 인코딩된 광의 전달 사이의 시너지 효과 (synergy) 를 식별했다고 말할 수도 있다. 홀로그래픽-인코딩된 광 (즉, 홀로그래픽 파면 또는 광 필드) 은 뷰어에 의해 (예를 들어 눈의 렌즈를 사용하여) (의미 있는) 이미지로 변환 가능하다. 본 개시는 도파관 방출들의 강도를 조절하기 위해 유전체 스택들을 설계하는 것에 의존하는 종래의 기법들로부터 상당한 차이를 나타낸다. 스택의 적어도 일부 층들의 두께가 전파 거리에 따라 변화되도록 허용하거나 엄청난 수의 (a huge number of) 상이한 층들을 사용해야 하기 때문에, 이들 스택들은 특히 가시 스펙트럼에서와 같이 파장들의 광대역에서 동작해야 할 때 제작하는 것이 복잡하다.
일부 실시 예들에서, 홀로그램 도메인의 광의 각도 분포 및 공간적 도메인의 이미지 콘텐츠와의 대응은 투사 시스템의 1 차원과 같은 공통 방향 (common direction) 이다. 홀로그램에 의해 형성된 홀로그래픽 파면의 각도 채널들은 평면에서 연장할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 각도 채널들은 도파 및/또는 퓨필 복제/확장 방향으로 연장한다. 그러나, ―본 개시의 범위 내에 속하는 (fall within)― 각도 채널들과 이미지 콘텐츠 사이의 더 복잡한 상관관계들은 불균일한 광 결합기 (optical combiner) (예를 들어, 차량 (vehicle) 윈드스크린) 가 광학 시스템에서 사용될 때 형성된다. 이들 상관관계들은 복잡하지만, 광선 추적과 같은 기법들에 의해 식별되거나 맵핑될 수도 있다.
투사 시스템은 뷰잉 영역 내에 복수의 뷰잉 포지션들을 형성하도록 구성될 수도 있다. 용어 "복수의 뷰잉 포지션들"은 단지 둘 이상의 가능한 뷰잉 포지션이 있고 뷰잉 포지션 각각이 전체 홀로그래픽 광 필드를 수신할 수 있다는 것을 반영하도록 사용된다. 따라서 뷰어는 모든 뷰잉 포지션들로부터 이미지의 전체 시계 (field of view) 를 볼 수 있다. 용어 "복수의 뷰잉 포지션들"은 유한한 수의 뷰잉 포지션들이 있다는 것을 반영하도록 본 명세서에서 사용되지 않는다. 무한한 수의 가능한 뷰잉 포지션들이 있을 수도 있다. 뷰잉 포지션들은 뷰잉 윈도우, 영역 또는 볼륨을 규정하거나 뷰잉 윈도우, 영역 또는 볼륨 내에 속할 수도 있다. 헤드-업 디스플레이 (head-up display) 의 적용 예에서, 뷰잉 윈도우는 아이-박스 (eye-box) 로 지칭되고 그리고 뷰잉 포지션들은 아이-박스 포지션들로 지칭된다. 뷰어 (또는, 더 광범위하게, 뷰잉 시스템) 는 입사 퓨필 (entrance pupil) 또는 뷰잉 퓨필을 포함할 수도 있다. 전체 홀로그래픽 파면은 뷰잉 포지션 각각에서 뷰잉 퓨필을 통해 수신 가능하다. 그러나, 특히, 이하의 상세한 기술에 설명된 바와 같이, 홀로그래픽 파면의 상이한 연속적인 각도 범위들은 도파관의 상이한 방출 존들로부터 뷰잉 퓨필을 통해 수신 가능하다.
연속적인 방출 존 각각으로부터 방출의 강도의 감소를 적어도 부분적으로 보상하는 것은 홀로그래픽 파면의 적어도 하나의 각도 채널의 강도를 변화시키는 것 (예를 들어, 균일하게 증가시키거나 감소시키는 것) 을 포함할 수도 있다. 각도 채널의 강도는 홀로그램 계산 전에 대응하는 이미지 섹션의 강도를 변화시킴으로써 또는 포인트 클라우드 홀로그램을 구축하는 동안 또는 임의의 다른 생각할 수 있는 기법에 의해 이미지 포인트들 (또는 이로부터 전파된 파동들) 의 강도를 변화시킴으로써 변화될 수도 있다. 강도를 변화시키는 것은 ―예를 들어 홀로그램 계산 전, 동안 또는 후에 이미지 픽셀 값들, 이미지 지점들 또는 전파된 광파들에― 이득 또는 손실 계수를 적용하는 것을 포함할 수도 있다.
연속적인 방출 존 각각으로부터 방출의 강도의 감소를 적어도 부분적으로 보상하는 것은 홀로그램의 계산 전에 홀로그램의 타깃 이미지의 적어도 연속적인 영역의 강도를 변화시키는 것을 포함할 수도 있다. 강도를 변화시키는 것은 이득 또는 손실 계수를 적용하는 것을 포함할 수도 있다.
홀로그램의 계산은 위상 복원 (phase retrieval) 알고리즘 및/또는 포인트 클라우드 방법의 복수의 반복들을 포함할 수도 있지만, 홀로그래피의 당업자는 홀로그램 계산을 위한 다른 기법들이 본 개시와 호환 가능할 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
한 쌍의 평행한 반사 표면들의 제 2 표면은 실질적으로 완전히 반사성일 수도 있다. 그러나, 이는 필수적인 특징이 아니고 그리고 본 개시는 도파 동안 제 2 표면으로부터 불완전한 반사를 보상하도록 용이하게 적응될 수도 있다.
투사 시스템은 도파관의 다운스트림 (downstream) 의 뷰잉 윈도우 내에서 뷰어의 위치를 결정하도록 구성된 뷰어 추적 시스템을 더 포함할 수도 있다. 홀로그램 엔진은 뷰어의 결정된 위치에 기초하여 홀로그래픽 파면의 각도 채널들과 방출 존들 사이의 상관관계를 식별하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, (상세한 기술에서 이어지는 표 1과 같은) 데이터의 룩업 테이블 (look-up table) 은 예를 들어 광선 추적 (ray-tracing) 을 사용하여 ―본 개시의 코어 방법 전에― 결정된다. 상관관계는 뷰어의 뷰잉 포지션 및 뷰어의 다른 속성들, 또는 퓨필 간 (interpupil) 거리와 같은 뷰잉 시스템의 다른 속성들에 종속될 수도 있다. 방출 존들과 이미지 섹션들 사이에 일대일 (one-to-one) 또는 일대다 (one-to-many) 상관관계가 있을 수도 있다. 이미지 섹션들의 사이즈는 일정하거나 가변적일 수도 있다. 이미지 섹션들의 사이즈는 또한 퓨필 간 거리와 같은 뷰잉 시스템의 속성들에 종속될 수도 있다.
차량용 헤드-업 디스플레이 방법이 또한 본 명세서에 개시된다. 방법은 순서대로 수행될 수도 있는 제 1 단계, 제 2 단계 및 제 3 단계를 포함한다. 제 1 단계는 디스플레이 디바이스 상에 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 그리고 홀로그래픽 파면을 형성하도록 디스플레이된 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하는 단계를 포함한다. 제 2 단계는 홀로그래픽 파면의 복제본들 (replicas) 의 1D 어레이를 형성하도록 제 1 퓨필 확장기를 사용하여 제 1 방향으로 홀로그래픽 파면을 복제하는 단계를 포함한다. 제 3 단계는 복제본들의 1D 어레이로부터 홀로그래픽 파면의 복제본들의 2D 어레이를 형성하도록 제 2 퓨필 확장기로서 차량의 윈드스크린을 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명자는 제 2 도파관 및 광 결합기가 결합될 수도 있다는 것을 인식하였다. 더 구체적으로, 본 발명자는 놀랍게도 차량 윈드스크린 (더 광범위하게, 투명한 광 결합기) 의 2 개의 표면들이 제 2 도파관의 기능을 충분히 제공할 수 있다는 것을 발견하였다. 즉, 차량 윈드스크린의 2 개의 표면들은 홀로그래픽 파면 사이에서 도파할 수 있다. 이는 헤드-업 디스플레이의 사이즈, 복잡성 및 비용을 감소시킨다.
차량의 윈드스크린은 통상적으로 고 투과율을 갖고 따라서 도파를 개선하는 광학 코팅들을 도포하는 것은 보통 바람직하지 않다. 그러나, 본 개시는 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 협대역 광원 (예를 들어, 고 코히어런스를 위한 레이저) 을 사용하는 홀로그래픽 파면의 도파에 관한 것이다. 따라서, 대응하는 협대역 필터들은 가시 스펙트럼에 걸친 가시성을 상당히 저하시키지 (degrade) 않고 윈드스크린에 적용될 수 있다. 더욱이, 차량의 윈드스크린은 통상적으로 도파에 의한 퓨필 확장에 이상적이지 않은 복소 곡률을 갖지만 홀로그램이 홀로그램 도메인의 각도에 의해 공간적 도메인의 이미지 콘텐츠를 분배하는 것을 특징으로 하는 경우, 복소 곡률의 효과들은 이미지 품질에 치명적이지 (catastrophic) 않다. 실제로, 곡률은 단지 도파관 상의 포지션과 이미지 콘텐츠의 포지션 (또는 홀로그래픽 광 필드 내 광 각도) 사이의 상관관계의 변화를 유발한다. 더 구체적으로, 이미지 콘텐츠의 각도 분포는 홀로그램 도메인에서 신장되거나 압축된다. 이들 효과들은 용인될 수 있다.
복제본들의 2D 어레이는 윈드스크린의 내부 표면과 외부 표면 사이에서 복제본들의 1D 어레이를 도파함으로써 형성될 수도 있다.
도파는 윈드스크린의 내부 표면 상의 복수의 상이한 부분들에서 복수의 부분적인 투과-반사들을 포함할 수도 있다.
방법은 홀로그래픽 파면의 상이한 연속적인 각도 범위들을 윈드스크린의 내부 표면의 상이한 부분들로부터 차량 내 뷰어로 지향시키도록 홀로그램 및 디스플레이 디바이스를 구성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
방법은 홀로그래픽 파면을 (의미 있는) 이미지로 변환하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이미지의 이미지 콘텐츠는 차량 내부, 차량 외부 또는 둘 모두에 나타날 수도 있다. 이미지는 가상 이미지, 실제 이미지 및/또는 둘 모두를 포함할 수도 있다.
방법은 조사될 때, 홀로그램이 홀로그램 도메인의 각도에 의해 공간적 도메인의 이미지의 콘텐츠를 분할하도록 홀로그램을 계산하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이미지 콘텐츠는 홀로그램 도메인의 뷰어에게 전달된다. 즉, 홀로그래픽 파면은 뷰어에게 전달된다. 뷰어는 홀로그램 대 이미지 변환을 수행한다.
또한 차량의 광 엔진 및 윈드스크린을 포함하는 시스템이 개시된다. 광 엔진은 디스플레이 디바이스 및 제 1 퓨필 확장기를 포함한다. 디스플레이 디바이스는 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 그리고 홀로그래픽 파면을 형성하기 위해 디스플레이된 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된다. 제 1 퓨필 확장기는 홀로그래픽 파면을 수신하고 그리고 홀로그래픽 파면의 복제본들의 1D 어레이를 형성하기 위해 제 1 방향으로 홀로그래픽 파면을 복제하도록 구성된다. 차량의 윈드스크린은 홀로그래픽 파면의 복제본들의 2D 어레이를 형성하도록 제 1 퓨필 확장기로부터 홀로그래픽 파면의 복제본들의 1D 어레이를 수신하고 그리고 제 2 방향으로 복제본들의 1D 어레이를 확장하도록 구성된다. 제 2 방향은 제 1 방향에 실질적으로 직교할 수도 있다.
시스템은 홀로그래픽 파면의 연속적인 각도 범위들 또는 "채널들"이 이미지의 연속적인 영역들에 각각 대응하도록 이미지 내의 공간적 포지션에 따라 홀로그래픽 파면 내에 광을 각도로 분포시키도록 구성될 수도 있다. 홀로그래픽 파면의 상이한 연속적인 각도 범위들은 윈드스크린의 상이한 부분들로부터 뷰어에 의해 수신될 수도 있다. 윈드스크린의 상이한 부분들은 윈드스크린 내의 상이한 수의 내부 반사들에 대응할 수도 있다.
윈드스크린 및/또는 홀로그램은 복제본들이 실질적으로 균일한 강도를 갖도록 구성될 수도 있다. 윈드스크린은 가시 스펙트럼의 적어도 하나의 협대역 내에서 윈드스크린의 표면의 반사율을 증가시키도록 구성된 광학 엘리먼트 (예를 들어, 유전체 스택과 같은 코팅) 를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 협대역은 공간적으로 변조된 광의 파장에 대응할 수도 있다. 용어 "협대역"은 20 ㎚ 미만 또는 10 ㎚ 미만, 예컨대 7 ± 2 ㎚ 전파 절반-최대 (full-wave half-maximum) (또는 전폭 절반 최대 (full-width half maximum)) 를 의미할 수도 있다.
본 개시에서, 용어 "복제본 (replica)"은 단지 복소 광 필드가 복수의 상이한 광학 경로들을 따라 지향되도록 공간적으로 변조된 광이 분할된다는 것을 반영하도록 사용된다. 단어 "복제본"은 퓨필 (pupil) 확장기에 의한 부분 반사-투과와 같은 복제 이벤트 후 복소 광 필드의 발생 또는 인스턴스 (instance) 각각을 지칭하도록 사용된다. 복제본 각각은 상이한 광학 경로를 따라 이동한다. 본 개시의 일부 실시 예들은 이미지가 아닌 홀로그램으로 인코딩되는 광, 즉, 이미지 자체가 아닌 이미지의 홀로그램으로 공간적으로 변조되는 광의 전파에 관한 것이다. 따라서 홀로그램의 복수의 복제본들이 형성된다고 할 수도 있다. 홀로그래피 기술의 당업자는 홀로그램을 사용하여 인코딩된 광의 전파와 연관된 복소 광 필드가 전파 거리에 따라 변화할 것이라는 것을 인식할 것이다. 용어 "복제본"의 본 명세서에서 사용은 전파 거리와 무관하고 따라서 복제 이벤트와 연관된 2 개의 광 경로들 또는 분기들은 분기들이 상이한 길이일지라도 서로의 "복제본들"로서 여전히 지칭되고, 복소 광 필드는 경로 각각을 따라 상이하게 전개된다 (evolve). 즉, 2 개의 복소 광 필드들은 이들이 동일한 복제 이벤트 또는 일련의 복제 이벤트들로부터 발생한다면, 상이한 전파 거리들과 연관되더라도 본 개시에 따라 여전히 "복제본들"로 간주된다.
본 개시에 따른 "회절된 광 필드" 또는 "회절 광 필드"는 회절에 의해 형성된 광 필드이다. 회절된 광 필드는 대응하는 회절 패턴을 조사함으로써 형성될 수도 있다. 본 개시에 따라, 회절 패턴의 예는 홀로그램이고 회절된 광 필드의 예는 홀로그래픽 광 필드 또는 이미지의 홀로그래픽 재구성을 형성하는 광 필드이다. 홀로그래픽 광 필드는 리플레이 (replay) 평면 상의 이미지의 (홀로그래픽) 재구성을 형성한다. 홀로그래픽 광 필드는 또한 광 필드 디스플레이들과의 혼동을 피하기 위해 홀로그래픽 파면으로 지칭될 수도 있다. 홀로그램으로부터 리플레이 평면으로 전파하는 홀로그래픽 광 필드 또는 파면은 홀로그램 도메인의 광 또는 홀로그램으로 인코딩된 광을 포함한다고 할 수도 있다. 회절된 광 필드는 회절 구조의 가장 작은 피처 사이즈 및 (회절된 광 필드의) 광의 파장에 의해 결정된 회절 각도를 특징으로 한다. 본 개시에 따라, 또한 "회절된 광 필드"는 대응하는 회절 구조로부터 공간적으로 분리된 평면 상에 재구성을 형성하는 광 필드라고 할 수도 있다. 회절 구조로부터 회절된 광 필드를 뷰어로 전파하기 위한 광학 시스템이 본 명세서에 개시된다. 회절된 광 필드는 이미지를 형성할 수도 있다.
용어 "홀로그램"은 객체에 관한 진폭 정보 또는 위상 정보, 또는 이들의 일부 조합을 포함하는 기록 (recording) 을 지칭하도록 사용된다. 용어 "홀로그래픽 재구성"은 홀로그램을 조사함으로써 형성된 객체의 광학적 재구성 (optical reconstruction) 을 지칭하도록 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템은 홀로그래픽 재구성이 실제 이미지이고 홀로그램으로부터 공간적으로 분리되기 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 (spatial light modulator; SLM) 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 주 (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 이산적인 (discrete) 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 객체의 푸리에 변환과 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 또한 원래 객체의 푸리에 변환과 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는 데 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 홀로그램 (computer-generated hologram; CGH) 이 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 재구성 (holographic reconstruction) 을 생성하는 반사성 공간 광 변조기 (spatial light modulator; SLM) 를 도시하는 개략도이다.
도 2는 8 개의 이미지 영역들/컴포넌트들, V1 내지 V8, 및 대응하는 홀로그램 채널들, H1 내지 H8의 단면들을 포함하는 투사할 이미지를 도시한다.
도 3은 복수의 이산적인 (discrete) 영역들로 광을 지향시키는 실리콘 액정 (liquid crystal on silicon; LCOS) 상에 디스플레이된 홀로그램을 도시한다.
도 4는 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 계산된 홀로그램을 디스플레이하는 디스플레이 디바이스를 포함하는 시스템을 도시한다.
도 5a는 2 개의 복제기들 (replicators) 을 포함하는 제 1 예시적인 2 차원 퓨필 (pupil) 확장기의 사시도를 도시한다.
도 5b는 2 개의 복제기들을 포함하는 제 2 예시적인 2 차원 퓨필 확장기를 도시한다.
도 6은 본 개시에 따른, 차량 (vehicle) 윈드스크린을 사용한 도파관 (waveguide) 퓨필 확장의 일 예를 도시한다.
도 7은 8 개의 방출 존들을 포함하는 예시적인 도파관 퓨필 확장기를 도시한다.
도 8은 본 개시에 의해 해결된 문제를 예시한다.
도 9는 홀로그램 계산 전에 타깃 이미지를 전처리하는 초기 단계를 포함하는 일 실시 예를 예시한다.
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 (dispose) 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.
본 개시에서, 장치의 구조적 유닛들에 적용될 때 용어 "실질적으로"는 장치를 제조하기 위해 사용된 방법의 기술적 허용 오차 내에서 생성될 구조적 유닛들의 기술적 특징으로서 해석될 수도 있다.
홀로그래픽 투사를 위한 종래의 광학 구성
도 1은 컴퓨터-생성된 홀로그램이 단일 공간 광 변조기 (spatial light modulator; SLM) 상에서 인코딩되는 실시 예를 도시한다. 컴퓨터-생성된 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환 (Fourier transform) 이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 할 수도 있다. 이 실시 예에서, 공간 광 변조기는 반사성 실리콘 액정 (liquid crystal on silicon), "LCOS", 디바이스이다. 홀로그램은 공간 광 변조기 상에 인코딩되고 홀로그래픽 재구성 (holographic reconstruction) 은 리플레이 필드, 예를 들어 스크린 또는 확산기와 같은 수광 표면에서 형성된다.
광원 (110), 예를 들어 레이저 또는 레이저 다이오드가 시준 렌즈 (collimating lens) (111) 를 통해 SLM (140) 을 조사하도록 (illuminate) 배치된다. 시준 렌즈는 일반적으로 광의 평면형 파면 (wavefront) 으로 하여금 SLM 상에 입사하게 한다. 도 1에서, 파면의 방향은 수직을 벗어난다 (예를 들어, 투명 층의 평면에 대해 정확하게 직교하는 것으로부터 2 ° 또는 3 °). 그러나, 다른 실시 예들에서, 일반적으로 평면형 파면이 수직 입사로 제공되고 빔 스플리터 구성 (arrangement) 이 입력 광학 경로 및 출력 광학 경로를 분리하도록 사용된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 이 구성은 광원으로부터의 광이 SLM의 미러된 후면 표면으로부터 반사되고 출사 (exit) 파면 (112) 을 형성하도록 광-변조 층과 상호 작용하는 것이다. 출사 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 (one-to-one) 상관관계가 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. 본 개시의 일부 실시 예들에서, 뷰어의 눈의 렌즈는 홀로그램 대 이미지 변환을 수행한다.
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. 실시 예들은 단지 예로서 푸리에 홀로그래피 및 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘들에 관한 것이다. 본 개시는 유사한 방법에 의해 계산될 수도 있는 프레넬 (Fresnel) 홀로그래피 및 프레넬 홀로그램에 동일하게 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 홀로그램은 위상 또는 위상-온리 홀로그램이다. 그러나, 본 개시는 또한 포인트 클라우드 방법들에 기초한 것들과 같은 다른 기법들에 의해 계산된 홀로그램들에 적용 가능하다.
일부 실시 예들에서, 홀로그램 엔진은 디스플레이 시스템의 제한 어퍼처에 의해 차단된 광의 기여를 홀로그램 계산으로부터 배제하도록 구성된다. 2021년 2월 5일 출원되고 본 명세서에 참조로서 인용된, 영국 특허 출원 제 2101666.2 호는 시선-추적 (eye-tracking) 및 광선 추적 (ray tracing) 이 고스트 이미지들을 제거하는 포인트 클라우드 홀로그램의 계산을 위해 디스플레이 디바이스의 서브-영역 (sub-area) 을 식별하도록 사용되는 제 1 홀로그램 계산 방법을 개시한다. 디스플레이 디바이스의 서브-영역은 본 개시의 어퍼처에 대응하고, 홀로그램 계산으로부터 광 경로들을 배제하는 데 사용된다. 2021년 8월 26일 출원되고 본 명세서에 참조로서 인용된 영국 특허 출원 제 2112213.0 호는 홀로그램 계산 동안 광학 시스템의 퓨필들 (pupils) 에 따라 광 필드 크롭핑 (light field cropping) 단계들을 포함하는 수정된 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘에 기초한 제 2 방법을 개시한다. 광 필드의 크롭핑은 본 개시의 제한 어퍼처의 결정에 대응한다. 2021년 12월 23일 출원되고 또한 본 명세서에 참조로서 인용된 영국 특허 출원 제 2118911.3 호는 홀로그램 복제기 (replicator) 에 의해 형성된 소위 확장된 변조기의 영역을 결정하는 단계를 포함하는 홀로그램을 계산하는 제 3 방법을 개시한다. 확장된 변조기의 영역은 또한 본 개시에 따른 어퍼처이다.
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.
소형 디스플레이 디바이스를 사용한 대형 뷰잉 윈도우 (viewing window) 및 장거리 투사 (long throw)
일반적으로, 본 개시는 이미지 투사에 관한 것이다. 본 발명은 이미지 투사 방법 및 디스플레이 디바이스를 포함하는 이미지 프로젝터 (projector) 에 관한 것이다. 본 개시는 또한 이미지 프로젝터 및 뷰잉 시스템을 포함하는 투사 시스템에 관한 것이고, 여기서 이미지 프로젝터는 디스플레이 디바이스로부터 뷰잉 시스템으로 광을 투사하거나 중계한다 (relay). 본 개시는 단안 뷰잉 시스템 및 양안 뷰잉 시스템에 동일하게 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. 프로젝터는 '광 엔진'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. 다른 예들에서, 이미지는 홀로그래픽 재구성에 의해 형성된 실제 이미지이고 이미지는 뷰잉 평면으로 투사되거나 중계된다. 이들 다른 예들에서, 자유 공간 내에 또는 디스플레이 디바이스와 뷰어 사이의 스크린 또는 다른 수광 표면 상에 형성된 중간 홀로그래픽 재구성의 공간적으로 변조된 광은 뷰어에게 전파된다. 두 경우들에서, 이미지는 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이된 회절 패턴 (예를 들어, 홀로그램 또는 키노폼 (kinoform)) 을 조사함으로써 형성된다.
디스플레이 디바이스는 픽셀들을 포함한다. 디스플레이의 픽셀들은 광을 회절시키는 회절 패턴 또는 구조체를 디스플레이할 수도 있다. 회절된 광은 디스플레이 디바이스로부터 공간적으로 분리된 평면에서 이미지를 형성할 수도 있다. 잘 이해된 광학계에 따라, 최대 회절 각도의 크기는 픽셀들의 사이즈 및 광의 파장과 같은 다른 인자들에 의해 결정된다.
실시 예들에서, 디스플레이 디바이스는 "LCOS" (liquid crystal on silicon) 공간 광 변조기 (SLM) 와 같은 공간 광 변조기이다. 광은 LCOS로부터 카메라 또는 눈과 같은 뷰잉 엔티티/시스템을 향해 (예를 들어, 0으로부터 최대 회절 각도로) 회절 각도들의 범위에 걸쳐 전파된다. 일부 실시 예들에서, 확대 기법들은 LCOS의 종래의 최대 회절 각도를 넘어 가용한 회절 각도들의 범위를 증가시키도록 사용될 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 홀로그램 (의 광) 자체는 눈들로 전파된다. 예를 들어, ―비공식적으로 홀로그램과 함께/에 의해 "인코딩"된다고 할 수도 있는― 홀로그램의 공간적으로 변조된 광 (아직 홀로그래픽 재구성, 즉 이미지로 완전히 변환되지 않음) 은 뷰어의 눈들로 직접 전파된다. 실제 이미지 또는 가상 이미지가 뷰어에 의해 지각될 수도 있다. 이들 실시 예들에서, 디스플레이 디바이스와 뷰어 사이에 형성된 중간 홀로그래픽 재구성/이미지가 없다. 때때로, 이들 실시 예들에서, 눈의 렌즈는 홀로그램 대 이미지 변환 (conversion) 또는 변환 (transform) 을 수행한다고 한다. 투사 시스템, 또는 광 엔진은 뷰어가 디스플레이 디바이스를 효과적으로 직접 바라보도록 구성될 수도 있다.
본 명세서에서 "복소 광 필드 (complex light field)"인 "광 필드"가 참조된다. 용어 "광 필드"는 단지 적어도 2 개의 직교하는 공간 방향들, 예를 들어 x 및 y에서 유한 사이즈를 갖는 광의 패턴을 나타낸다. 단어 "복소 (complex)"는 단지 광 필드의 지점 각각에서 광이 진폭 값 및 위상 값에 의해 규정될 수도 있고, 따라서 복소수 또는 값들의 쌍으로 표현될 수도 있다는 것을 나타내도록 본 명세서에서 사용된다. 홀로그램 계산의 목적을 위해, 복소 광 필드는 복소수의 2 차원 어레이일 수도 있고, 복소수들은 광 필드 내의 복수의 이산적인 (discrete) 위치들에서 광 강도 및 위상을 규정한다.
잘 이해된 광학계의 원리들에 따라, 눈 또는 다른 뷰잉 엔티티/시스템에 의해 뷰잉될 수 있는 디스플레이 디바이스로부터 전파되는 광의 각도들의 범위는 디스플레이 디바이스와 뷰잉 엔티티 사이의 거리에 따라 가변한다. 1 m 뷰잉 거리에서, 예를 들어, 미리 결정된 (given) 눈 포지션에 대해 망막에서 이미지를 형성하기 위해 LCOS로부터 작은 범위의 각도들만이 눈의 퓨필을 통해 전파될 수 있다. 미리 결정된 눈 포지션에 대해 망막에서 이미지를 형성하도록 눈의 퓨필을 통해 성공적으로 전파될 수 있는, 디스플레이 디바이스로부터 전파되는 광선들의 각도들의 범위는 뷰어에게 '가시적인' 이미지의 부분을 결정한다. 즉, 이미지의 모든 부분들이 뷰잉 평면 상의 임의의 일 지점 (예를 들어, 아이-박스와 같은 뷰잉 윈도우 내 임의의 일 눈 포지션) 으로부터 가시적이지는 않다.
일부 실시 예들에서, 뷰어에 의해 지각된 이미지는 디스플레이 디바이스의 업스트림에 나타나는 가상 이미지이다―즉, 뷰어는 디스플레이 디바이스보다 이미지로부터 더 멀어지는 것으로 이미지를 지각한다. 따라서 개념적으로, 뷰어는 상대적으로 큰 거리, 예를 들어, 1 미터에서 매우 작고, 예를 들어 1 ㎝ 직경일 수도 있는 '디스플레이 디바이스-사이즈 윈도우'를 통해 가상 이미지를 보고 있다고 간주될 수도 있다. 그리고 사용자는 또한 매우 작을 수 있는 눈(들)의 퓨필(들)을 통해 디스플레이 디바이스-사이즈 윈도우를 뷰잉할 것이다. 따라서, 시계 (field of view) 는 작아지고, 보일 수 있는 특정한 각도 범위는 임의의 미리 결정된 시간에 눈 포지션에 크게 종속된다.
퓨필 확장기는 이미지를 형성하기 위해 눈의 퓨필을 통해 성공적으로 전파될 수 있는 디스플레이 디바이스로부터 전파되는 광선들의 각도들의 범위를 증가시키는 방법의 문제를 해결한다. 디스플레이 디바이스는 일반적으로 (상대적 측면에서) 작고, 투사 거리는 (상대적 측면에서) 크다. 일부 실시 예들에서, 투사 거리는 디스플레이 디바이스의 입사 퓨필 (entrance pupil) 및/또는 어퍼처의 직경, 또는 폭 (즉, 픽셀들의 어레이의 사이즈) 보다 적어도 10 배, 예컨대 적어도 100 배 더 크다.
퓨필 확장기의 사용은 또한 뷰잉 영역 (즉, 사용자의 아이-박스) 을 측 방향으로 증가시킬 수 있고, 따라서 사용자가 이미지를 볼 수 있게 하는 동안 눈들의 일부 운동이 발생하게 한다. 당업자가 인식할 바와 같이, 이미징 시스템에서, 뷰잉 영역 (사용자의 아이-박스) 은 뷰어의 눈들이 이미지를 지각할 수 있는 영역이다. 본 개시는 비-무한 가상 이미지 거리들―즉, 근거리 가상 이미지들―을 포괄한다.
종래에, 2 차원 퓨필 확장기는 표면으로부터의 출력 광이 뷰잉 윈도우 또는 아이-박스를 형성하는, 한 쌍의 마주 보는 반사 표면들을 사용하여 각각 형성된 하나 이상의 1 차원 광 도파관들 (optical waveguides) 을 포함한다. 디스플레이 디바이스로부터 수신된 광 (예를 들어, LCOS로부터 공간적으로 변조된 광) 은 적어도 일 차원에서 시계 (또는 가시 영역) 를 증가시키도록 도파관 또는 도파관 각각에 의해 복제된다. 특히, 도파관은 입사 파면의 진폭의 분할에 의한 여분의 광선들 또는 "복제본들 (replicas)"의 생성으로 인해 뷰잉 윈도우를 확대한다.
디스플레이 디바이스는 5 ㎝ 미만 또는 2 ㎝ 미만과 같이 10 ㎝ 미만일 수도 있는 제 1 차원를 갖는 활성 또는 디스플레이 영역을 가질 수도 있다. 디스플레이 디바이스와 뷰잉 시스템 사이의 전파 거리는 1.5 m 초과 또는 2 m 초과와 같이 1 m 초과일 수도 있다. 도파관 내 광 전파 거리는 최대 1.5 m 또는 최대 1 m와 같이 최대 2 m일 수도 있다. 방법은 이미지를 수신할 수도 있고 15 ㎳ 미만 또는 10 ㎳ 미만과 같은 20 ㎳ 미만에서 충분한 품질의 대응하는 홀로그램을 결정할 수도 있다.
―본 개시에 따른 회절된 광 필드 또는 홀로그래픽 광 필드의 예로서만 기술된― 일부 실시 예들에서 홀로그램은 복수의 채널들로 광을 라우팅하도록 구성되고, 채널 각각은 이미지의 상이한 부분 (즉, 서브-영역) 에 대응한다. 회절 구조에 의해 형성된 채널들은 단지 이미지 정보와 함께 홀로그램에 의해 인코딩된 광의 채널들을 반영하도록 본 명세서에서 "홀로그램 채널들"로 지칭된다. 채널 각각의 광은 이미지 또는 공간적 도메인이 아니라 홀로그램 도메인 내에 있다고 할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 홀로그램은 푸리에 또는 푸리에 변환 홀로그램이고 따라서 홀로그램 도메인은 푸리에 또는 주파수 도메인이다. 홀로그램은 동일하게 프레넬 또는 프레넬 변환 홀로그램일 수도 있다. 홀로그램은 또한 포인트 클라우드 홀로그램일 수도 있다. 홀로그램은 본 명세서에서 홀로그램으로부터 재구성될 수 있는 이미지가 유한한 사이즈를 갖고 복수의 이미지 서브-영역들로 임의로 분할될 수 있다는 것을 반영하기 위해 복수의 홀로그램 채널들로 광을 라우팅하는 것으로 기술되고, 여기서 홀로그램 채널 각각은 이미지 서브-영역 각각에 대응할 것이다. 중요하게, 이 예의 홀로그램은 조사될 때 이미지 콘텐츠를 분배하는 방법을 특징으로 한다. 구체적으로 그리고 고유하게, 홀로그램은 이미지 콘텐츠를 각도에 의해 분할한다. 즉, 이미지 상의 지점 각각은 조사될 때 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광의 고유한 광선 각도―적어도, 홀로그램이 2 차원이기 때문에 고유한 한 쌍의 각도들―와 연관된다. 의심의 여지를 없애기 위해, 이 홀로그램 거동은 통상적이지 않다. 이 특수한 타입의 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광은 조사될 때, 복수의 홀로그램 채널들로 분할될 수도 있고, 홀로그램 채널 각각은 광선 각도들의 범위에 의해 (2 차원들로) 규정된다. 전술한 바로부터 공간적으로 변조된 광에서 고려될 수도 있는 임의의 홀로그램 채널 (즉, 광선 각도들의 서브-범위) 이 이미지의 각각의 부분 또는 서브-영역과 연관될 것이라는 것이 이해될 것이다. 즉, 이미지의 부분 또는 서브-영역을 재구성하는 데 필요한 모든 정보는 이미지의 홀로그램으로부터 형성된 공간적으로 변조된 광의 각도들의 서브-범위 내에 포함된다. 공간적으로 변조된 광이 전체로서 관찰될 때, 복수의 이산적인 광 채널들의 어떠한 증거도 존재할 필요는 없다.
그럼에도 불구하고, 홀로그램은 여전히 식별될 수도 있다. 예를 들어, 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광의 연속적인 부분 또는 서브-영역만이 재구성된다면, 이미지의 서브-영역만이 가시적이어야 한다. 공간적으로 변조된 광의 상이한, 연속적인 부분 또는 서브-영역이 재구성된다면, 이미지의 상이한 서브-영역이 가시적이어야 한다. 이 타입의 홀로그램의 추가 식별 특징은 ―적어도, 홀로그램이 계산된 올바른 평면에서― 사이즈가 상이할 수도 있지만 임의의 홀로그램 채널의 단면적의 형상이 입사 퓨필의 형상에 실질적으로 대응한다 (즉, 실질적으로 동일) 는 것이다. 광/홀로그램 채널 각각은 홀로그램으로부터 상이한 각도 또는 각도들의 범위로 전파된다. 이들은 이러한 타입의 홀로그램을 특징화하거나 식별하는 예시적인 방식들이지만, 다른 방식들이 사용될 수도 있다. 요약하면, 본 명세서에 개시된 홀로그램은 이미지 콘텐츠가 홀로그램에 의해 인코딩된 광 내에 어떻게 분배되는지에 의해 특징화되고 식별될 수 있다. 다시, 어떠한 의심도 피하기 위해, 광을 지향시키거나 복수의 홀로그램 채널들로 이미지를 각도 분할하도록 구성된 홀로그램에 대한 본 명세서의 참조는 단지 예로서 이루어지고, 본 개시는 임의의 타입의 홀로그래픽 광 필드 또는 심지어 임의의 타입의 회절 또는 회절된 광 필드의 퓨필 확장에 동일하게 적용 가능하다.
시스템은 콤팩트하고 간소화된 물리적 형태로 제공될 수 있다. 이는 시스템이 공간이 제한되고 부동산 값이 높은 적용 예들을 포함하는, 광범위한 실제 적용 예들에 적합하게 한다. 예를 들어, 차량 (vehicle) 또는 자동차 (automotive) 헤드-업 디스플레이 (head-up display; HUD) 와 같은 HUD로 구현될 수도 있다.
본 개시에 따라, 발산하는 광선 다발들을 포함할 수도 있는, 회절된 광 또는 회절된 광에 대해 퓨필 팽창이 제공된다. 회절된 광 필드는 "광 원뿔 (light cone)"에 의해 규정될 수도 있다. 따라서, (2 차원 평면 상에 규정된 바와 같이) 회절된 광 필드의 사이즈는 대응하는 회절 구조체 (즉, 디스플레이 디바이스) 로부터의 전파 거리에 따라 증가한다. 뷰어에게 전달된 광이 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된다는 것을 전달하기 위해, 퓨필 확장기(들)는 홀로그램을 복제하거나 홀로그램의 적어도 하나의 복제본을 형성한다고 할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 2 개의 1 차원 도파관 퓨필 확장기들이 제공되고, 1 차원 도파관 퓨필 확장기 각각은 공간 광 변조기의 출사 퓨필 (exit pupil) (또는 출사 퓨필의 광) 의 복수의 복제본들 또는 사본들을 형성함으로써 시스템의 출사 퓨필의 사이즈를 효과적으로 증가시키도록 구성된다. 출사 퓨필은 광이 시스템에 의해 출력되는 물리적인 영역으로 이해될 수도 있다. 또한 도파관 퓨필 확장기 각각은 시스템의 출사 퓨필의 사이즈를 확장시키도록 구성된다고 할 수도 있다. 또한 도파관 퓨필 확장기 각각은 시스템에 의해 출력되는 광을 보거나/수신하기 위해, 뷰어의 눈이 위치될 수 있는 아이-박스의 사이즈를 확장/증가시키도록 구성된다고 할 수도 있다.
광 채널링
일부 실시 예들에 따라 형성된 홀로그램은 광학 시스템의 어퍼처에 의해 규정된 단면 형상을 가질 수도 있는 복수의 홀로그램 채널들을 제공하도록 이미지 콘텐츠를 각도로 분할한다. 홀로그램은 회절된 광 필드의 이 채널링을 제공하도록 계산된다. 일부 실시 예들에서, 이는 상기 기술된 바와 같이, 광학 시스템의 어퍼처 (가상 또는 실제) 를 고려함으로써 홀로그램 계산 동안 달성된다.
도 2 및 도 3은 본 명세서에 개시된 바와 같이 퓨필 확장기와 함께 사용될 수도 있는 이러한 타입의 홀로그램의 예를 도시한다. 그러나, 이 예는 본 개시에 대해 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.
도 2는 8 개의 이미지 영역들/컴포넌트들, V1 내지 V8을 포함하는 투사할 이미지 (252) 를 도시한다. 도 2는 단지 예로서 8 개의 이미지 컴포넌트들을 도시하고 이미지 (252) 는 임의의 수의 컴포넌트들로 분할될 수도 있다. 도 2는 또한 ―예를 들어 적합한 뷰잉 시스템의 렌즈에 의해 변환될 때― 이미지 (252) 를 재구성할 수 있는 인코딩된 광 패턴 (254) (즉, 홀로그램) 을 도시한다. 인코딩된 광 패턴 (254) 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 2는 홀로그램이 각도에 의해 이미지 콘텐츠를 분해할 수도 있는 방법을 더 도시한다. 따라서 홀로그램은 그것이 수행하는 광의 채널링을 특징으로 할 수도 있다. 이는 도 3에 예시된다. 구체적으로, 이 예에서 홀로그램은 복수의 이산적인 영역들로 광을 지향시킨다. 이산적인 영역들은 도시된 예에서 디스크이지만 다른 형상들이 구상된다. 최적의 디스크의 사이즈 및 형상은 도파관을 통한 전파 후, 뷰잉 시스템의 입사 퓨필과 같은 광학 시스템의 어퍼처의 사이즈 및 형상과 관련될 수도 있다.
도 4는 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 계산된 홀로그램을 디스플레이하는 디스플레이 디바이스를 포함하는 시스템 (400) 을 도시한다.
시스템 (400) 은 이 구성에서 LCOS (402) 를 포함하는 디스플레이 디바이스를 포함한다. LCOS (402) 는 홀로그램을 포함하는 변조 패턴 (또는 '회절 패턴') 을 디스플레이하고 그리고 어퍼처 (404) 로 작용하는 퓨필, 렌즈 (409), 및 뷰잉 평면으로 작용하는 망막 (미도시) 을 포함하는 눈 (405) 을 향해 홀로그래피 인코딩된 광을 투사하도록 구성된다. LCOS (402) 를 조사하도록 구성된 광원 (미도시) 이 있다. 눈 (405) 의 렌즈 (409) 는 홀로그램 대 이미지 변환을 수행한다. 광원은 임의의 적합한 타입일 수도 있다. 예를 들어, 이는 레이저 광원을 포함할 수도 있다.
뷰잉 시스템 (400) 은 LCOS (402) 와 눈 (405) 사이에 포지셔닝된 도파관 (408) 을 더 포함한다. 도파관 (408) 의 존재는 LCOS (402) 로부터의 모든 각도 콘텐츠가 도시된 상대적으로 큰 투사 거리에서도 눈에 의해 수신되게 한다. 이는 공지된 방식으로 도파관 (408) 이 퓨필 확장기로서 작용하기 때문에 그리고 따라서 본 명세서에서 간략하게 기술된다.
간단히 말해서, 도 4에 도시된 도파관 (408) 은 실질적으로 연장된 (elongate) 포메이션 (formation) 을 포함한다. 이 예에서, 도파관 (408) 은 굴절 재료의 광학 슬랩 (slab) 을 포함하지만, 다른 타입들의 도파관이 또한 공지되고 사용될 수도 있다. 도파관 (408) 은 LCOS (402) 로부터 투사되는 광 원뿔 (즉, 회절된 광 필드) 과 예를 들어 비스듬한 각도로 교차하도록 위치된다. 이 예에서, 도파관 (408) 의 사이즈, 위치 및 포지션은 광 원뿔 내의 8 개의 광선 다발들 각각으로부터의 광이 도파관 (408) 에 입사하는 것을 보장하도록 구성된다. 광 원뿔로부터의 광은 제 1 평면형 표면 (LCOS (402) 에 가장 가깝게 위치됨) 을 통해 도파관 (408) 으로 입사되고, 실질적으로 제 1 표면 반대편 (눈에 가장 가깝게 위치됨) 의 제 2 평면형 표면을 통해 방출되기 전에, 도파관 (408) 의 길이를 따라 적어도 부분적으로 가이드된다. 잘 이해될 바와 같이, 제 2 평면형 표면은 부분적으로 반사되고, 부분적으로 투과성이다. 즉, 광의 광선 각각이 제 1 평면형 표면으로부터 도파관 (408) 내에서 이동하고 제 2 평면형 표면에 부딪칠 (hit) 때, 광의 일부는 도파관 (408) 으로부터 투과되고 일부는 제 2 평면형 표면에 의해, 다시 제 1 평면형 표면을 향하여 반사될 것이다. 제 1 평면형 표면은 도파관 (408) 내로부터 그것에 부딪치는 모든 광이 제 2 평면형 표면을 향해 다시 반사되도록 반사성이다. 따라서, 광의 일부는 투과되기 전에 도파관 (408) 의 2 개의 평면형 표면들 사이에서 단순히 굴절될 수도 있는 한편, 다른 광은 반사될 수도 있고, 따라서 투과되기 전에, 도파관 (408) 의 평면형 표면들 사이에서 하나 이상의 반사, (또는 '바운스 (bounce)') 를 겪을 수도 있다.
도 4는 도파관 (408) 의 길이를 따라 총 9 개의 "바운스" 지점들, B0 내지 B8을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이 이미지의 모든 지점들 (V1 내지 V8) 에 관련된 광이 도파관 (408) 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 (405) 에 도달하게 하는 궤적을 갖는다. 더욱이, 이미지의 상이한 각도 부분, V1 내지 V8로부터의 광은 각각의 "바운스" 지점 각각으로부터 눈 (405) 에 도달한다. 따라서, 도 4의 예에서, 인코딩된 광의 각도 채널 각각은 도파관 (408) 으로부터 단 한번 눈에 도달한다.
지각된 이미지를 형성하기 위해 눈이 수신된 변조된 광을 변환할 것을 요구하는 가상 이미지들이 일반적으로 본 명세서에서 논의되었지만, 본 명세서에 기술된 방법들 및 구성들은 실제 이미지들에 적용될 수 있다.
2 차원 퓨필 확장 - 예 1
도 4에 도시된 구성이 1 차원으로 퓨필 팽창을 제공하는 단일 도파관을 포함하지만, 퓨필 팽창은 2 이상의 차원으로, 예를 들어 2 차원으로 제공될 수 있다. 더욱이, 도 4의 예는 각각 이미지의 상이한 부분에 대응하는, 광 채널들을 생성하도록 계산된 홀로그램을 사용하지만, 본 개시 및 이하에 기술되는 시스템들은 이러한 홀로그램 타입으로 제한되지 않는다.
도 5a는 광 빔 (502) 을 2 차원으로 확장하기 위해 구성된 2 개의 복제기들 (504, 506) 을 포함하는 시스템 (500) 의 사시도를 도시한다.
도 5a의 시스템 (500) 에서, 제 1 복제기 (504) 는 서로 평행하게 스택되고, 도 4의 도파관 (408) 과 유사한 방식으로 복제본―또는 퓨필 확장―을 제공하도록 구성된 제 1 쌍의 표면들을 포함한다. 제 1 쌍의 표면들은 서로에 대해 유사하게 (일부 경우들에서, 동일하게) 사이징되고 성형되고 일 방향으로 실질적으로 연장된다. 시준된 광 빔 (502) 은 제 1 복제기 (504) 상의 입력부를 향해 지향된다. 숙련된 독자들에게 친숙할, 2 개의 표면들 사이의 내부 반사 프로세스, 및 표면들 중 하나 (도 5a에 도시된 바와 같이 상부 표면) 상의 복수의 출력 지점들 각각으로부터의 광의 부분적인 투과로 인해, 광 빔 (502) 의 광은 제 1 복제기 (504) 의 길이를 따라, 제 1 방향으로 복제된다. 따라서, 제 1 복수의 복제 광 빔들 (508) 은 제 1 복제기 (504) 로부터 제 2 복제기 (506) 를 향해 방출된다.
제 2 복제기 (506) 는 서로 평행하게 스택되고, 제 1 복수의 광 빔들 (508) 의 시준된 광 빔들 각각을 수신하도록 구성되고 제 1 방향에 실질적으로 직교하는, 제 2 방향의 광 빔들 각각을 확장함으로써 복제본―또는, 퓨필 확장―을 제공하도록 구성된 제 2 쌍의 표면들을 포함한다. 제 1 쌍의 표면들은 유사하게 (일부 경우들에서, 동일하게) 사이징되고 서로 형상화되고 실질적으로 직사각형이다. 직사각형 형상은 제 2 복제기가 제 1 복수의 광 빔들 (508) 을 수신하기 위해, 제 1 방향을 따른 길이를 갖도록, 그리고 제 2 방향으로 복제본을 제공하기 위해, 제 2, 직교 방향을 따른 길이를 갖도록 제 2 복제기에 대해 구현된다. 2 개의 표면들 사이의 내부 반사 프로세스, 및 표면들 중 하나 (도 5a에 도시된 바와 같이 상부 표면) 상의 복수의 출력 지점들 각각으로부터의 광의 부분적인 투과로 인해, 제 1 복수의 광 빔들 (508) 내 광 빔 각각의 광은 제 2 방향으로 복제된다. 따라서, 제 2 복수의 광 빔들 (510) 이 제 2 복제기 (506) 로부터 방출되고, 제 2 복수의 광 빔들 (510) 은 제 1 방향 및 제 2 방향 각각을 따라 입력 광 빔 (502) 의 복제본들을 포함한다. 따라서, 제 2 복수의 광 빔들 (510) 은 복제본 광 빔들의 2 차원 그리드, 또는 어레이를 포함하는 것으로 간주될 수도 있다.
따라서, 도 5a의 제 1 복제기 (504) 및 제 2 복제기 (506) 는 2 차원 복제기 (또는 "2 차원 퓨필 확장기") 를 제공하도록 결합된다고 할 수 있다.
2 차원 퓨필 확장 - 예 2
도 5b는 광 빔 (522) 을 2 차원으로 확장하기 위해 구성된 2 개의 복제기들 (520, 540) 을 포함하는 제 2 예시적인 시스템 (500) 의 사시도를 도시한다.
제 2 예시적인 시스템 (500) 에서, 제 1 복제기는 중실 (solid) 연장된 도파관 (520) 이고 제 2 복제기는 중실 평면형 도파관 (540) 이다. 특히, 제 1 복제기/도파관 (520) 은 연장된 평행 반사 표면들 (524a, 524b) 의 쌍이 제 2 복제기/도파관 (540) 의 평면에 수직이도록 구성된다.
제 2 예시적인 시스템 (500) 은 제 1 복제기 (520) 의 출력 포트로부터 제 2 복제기 (540) 의 입력 포트 내로 광을 커플링하도록 구성된 광 커플러를 포함한다. 예시된 구성에서, 광학 커플러는 제 1 복제기로부터 제 2 복제기로 필요한 광학 커플링을 달성하기 위해 광의 광학 경로를 접거나 (fold) 회전시키도록 구성된 평면형/접이식 미러 (530) 이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 미러 (530) 는 제 1 복제기/도파관 (520) 의 출력 포트/반사-투과 (reflective-transmissive) 표면 (524a) 으로부터 ―제 1 차원으로 연장하는 복제본들의 1 차원 어레이를 포함하는― 광을 수신하도록 구성된다. 미러 (530) 는 제 2 차원의 길이를 따라 도파 (waveguiding) 및 복제본 형성을 제공하도록 비스듬히 제 2 복제기 (540) 의 (완전히) 반사성 표면의 입력 포트로 수신된 광을 광학 경로 상으로 재지향시키도록 (redirect) 틸팅된다.
예시된 구성에서, 제 1 복제기 (520) 의 반사-투과 표면 (524a) 은 제 1 차원의 길이를 따라 도파 및 복제본 형성을 제공하도록 비스듬히 입력 빔 (522) 을 수신하는 제 1 복제기/도파관 (520) 의 입력 포트에 인접하다. 따라서, 제 1 복제기/도파관 (520) 의 입력 포트는 반사-투과 표면 (524a) 과 동일한 표면에서 입력 단부에 포지셔닝된다. 숙련된 독자는 제 1 복제기/도파관 (520) 의 입력 포트가 임의의 다른 적합한 포지션에 있을 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
따라서, 제 2 예시적인 시스템의 구성은 제 1 복제기 (520) 및 미러 (530) 로 하여금 제 1 차원 및 제 3 차원의 평면 (x-z 평면으로 예시됨) 에서 제 1 상대적으로 박층의 일부로서 제공되게 한다. 특히, ―제 1 복제기 (520) 가 위치되는― 제 2 차원 (y 차원으로 예시됨) 의 제 1 평면 층의 사이즈 또는 "높이"가 감소된다. 미러 (530) 는 제 1 복제기 (520) 가 위치되는 제 1 층/평면 (즉, "제 1 평면 층") 으로부터 멀어지게 광을 지향시키고, 제 2 복제기 (540) 가 위치되는 제 1 층/평면 (즉, "제 2 평면 층") 상부에 그리고 실질적으로 평행하게 위치된 제 2 층/평면을 향해 지향시키도록 구성된다. 따라서, 제 1 복제기 (520) 및 미러 (530) 를 포함하는 제 1 평면 층은 제 2 복제기 (540) 를 포함하는 제 2 평면 층의 풋 프린트 내에 있다고 할 수도 있다. 따라서, ―제 1 복제기 및 제 2 복제기 (520, 540) 및 제 1 차원 및 제 3 차원으로 스택된 제 1 층/평면 및 제 2 층/평면에 위치된 미러 (530) (x-z 평면으로 예시됨) 를 포함하는― 제 2 차원 (y 차원으로 예시됨) 의 시스템의 전체 사이즈 또는 "높이"는 콤팩트하다. 숙련된 독자는 본 개시를 구현하기 위한 도 5b의 배열의 많은 변형들이 가능하고 고려된다는 것을 이해할 것이다.
2021년 9월 21일 출원되고 본 명세서에 참조로서 인용된 영국 특허 출원 제 GB2113454.9 호는 본 개시에 따라 구성될 수도 있는 더 진보된 2 차원 퓨필 확장기를 포함하는 이미지 프로젝터를 개시한다.
이미지 프로젝터는 발산 또는 회절된 광 필드를 투사하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 광 필드는 홀로그램으로 인코딩된다. 일부 실시 예들에서, 회절된 광 필드는 발산하는 광선 다발들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 회절된 광 필드에 의해 형성된 이미지는 가상 이미지이다.
일부 실시 예들에서, 제 1 쌍의 평행한/상보적인 표면들은 연장 표면 (elongate surface) 또는 연장된 표면 (elongated surface) 이고 제 1 차원을 따라 상대적으로 길고 제 2 차원을 따라 상대적으로 짧고, 예를 들어 2 개의 다른 차원들 각각을 따라 상대적으로 짧고, 차원 각각은 실질적으로 각각의 다른 차원들에 직교한다. 제 1 쌍의 평행한 표면들 사이에서/로부터의 광의 반사/투과 프로세스는 광으로 하여금 제 1 도파관 퓨필 확장기 내에서 전파하게 하도록 구성되고, 광 전파의 일반적인 방향은 제 1 도파관 퓨필 확장기가 상대적으로 긴 방향 (즉, "연장된" 방향) 이다.
회절된 광을 사용하여 이미지를 형성하고 ―예를 들어, 헤드-업 디스플레이에 의한 자동차 산업계에서― 실제 적용 예에 적합한 아이-박스 사이즈 및 시계를 제공하는 시스템이 본 명세서에 개시된다. 회절된 광은 회절 구조로부터 이미지의 홀로그래픽 재구성―예를 들어, 푸리에 또는 프레넬 홀로그램과 같은 홀로그램―을 형성하는 광이다. 회절 및 회절 구조의 사용은 매우 작은 픽셀들 (예를 들어, 1 ㎛) 의 고밀도를 갖는 디스플레이 디바이스를 필요로 한다―이는 실제로 소형 디스플레이 디바이스 (예를 들어 1 ㎝) 를 의미한다. 본 발명자들은 회절된 광 필드, 예를 들어 발산하는 (시준되지 않은) 광선 다발들을 포함하는 회절된 광을 사용하여 2D 퓨필 확장을 제공하는 방법의 문제를 해결하였다.
일부 실시 예들에서, 디스플레이 시스템은 회절되거나 발산하는 광을 제공하거나 형성하도록 구성된 디스플레이 디바이스―예컨대 픽셀화된 디스플레이 디바이스, 예를 들어 공간 광 변조기 (SLM) 또는 LCOS (Liquid Crystal on Silicon) SLM―를 포함한다. 이러한 양태들에서, SLM의 어퍼처는 시스템의 제한 어퍼처이다. 즉, 공간 광 변조기의 어퍼처―더 구체적으로, SLM 내에 포함된 광 변조 픽셀들의 어레이를 구획하는 (delimit) 영역의 사이즈―는 시스템을 나갈 수 있는 광선 다발의 사이즈 (예를 들어, 공간적 크기) 를 결정한다. 본 개시에 따라, 시스템의 출사 퓨필은 (광 회절을 위한 픽셀 사이즈를 갖는 소형 디스플레이 디바이스에 의해 제한되는) 시스템의 출사 퓨필이 적어도 하나의 퓨필 확장기의 사용에 의해 공간적으로 더 커지거나 (larger) 더 커지거나 (bigger) 더 커지는 (greater) 것을 반영하도록 확장된다고 언급된다.
회절되거나 발산하는 광 필드는 광 필드의 전파 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 규정된 "광 필드 사이즈"를 갖는다고 할 수도 있다. 광이 회절/발산하기 때문에, 광 필드 사이즈는 전파 거리에 따라 증가한다.
일부 실시 예들에서, 회절된 광 필드는 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된다. 즉, 이러한 양태들에서, 회절 광 필드는 "홀로그래픽 광 필드"를 포함한다. 홀로그램은 픽셀화된 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이될 수도 있다. 홀로그램은 CGH (computer-generated hologram) 일 수도 있다. 이는 푸리에 홀로그램 또는 프레넬 홀로그램 또는 포인트 클라우드 홀로그램 또는 임의의 다른 적합한 타입의 홀로그램일 수도 있다. 홀로그램은, 선택 가능하게 (optionally), 홀로그램 광의 채널들을 형성하도록 계산될 수도 있고, 채널 각각은 뷰어에 의해 뷰잉되도록 (또는 가상 이미지라면, 지각되도록) 의도된 이미지의 상이한 각각의 부분에 대응한다. 픽셀화된 디스플레이 디바이스는 복수의 상이한 홀로그램들을 연속적으로 또는 순차적으로 디스플레이하도록 구성될 수도 있다. 본 명세서에 개시된 양태들 및 실시 예들 각각은 복수의 홀로그램들의 디스플레이에 적용될 수도 있다.
제 1 도파관 퓨필 확장기의 출력 포트는 제 2 도파관 퓨필 확장기의 입력 포트에 커플링될 수도 있다. 제 2 도파관 퓨필 확장기는 ―제 1 도파관 퓨필 확장기에 의해 출력되는 광 필드의 일부, 바람직하게 대부분, 바람직하게 모든 복제본들을 포함하는― 회절된 광 필드를 입력 포트로부터 제 2 도파관 퓨필 확장기의 제 3 쌍의 평행한 표면들 사이의 내부 반사에 의한 각각의 출력 포트로 도파하도록 구성될 수도 있다.
제 1 도파관 퓨필 확장기는 제 1 방향으로 퓨필 확장, 또는 복제본을 제공하도록 구성될 수도 있고, 제 2 도파관 퓨필 확장기는 제 2, 상이한 방향으로 퓨필 확장, 또는 복제본을 제공하도록 구성될 수도 있다. 제 2 방향은 제 1 방향에 실질적으로 직교할 수도 있다. 제 2 도파관 퓨필 확장기는 제 1 도파관 퓨필 확장기가 제 1 방향으로 제공하는 퓨필 확장을 보존하고 그리고 제 2, 상이한 방향으로 제 1 도파관 퓨필 확장기로부터 수신하는 복제본들의 일부, 바람직하게 대부분, 바람직하게 모두를 확장 (또는 복제) 하도록 구성될 수도 있다. 제 2 도파관 퓨필 확장기는 제 1 도파관 퓨필 확장기로부터 직접적으로 또는 간접적으로 광 필드를 수신하도록 구성될 수도 있다. 하나 이상의 다른 엘리먼트들이 제 1 도파관 퓨필 확장기와 제 2 도파관 퓨필 확장기 사이의 광 필드의 전파 경로를 따라 제공될 수도 있다.
제 1 도파관 퓨필 확장기는 실질적으로 연장될 수도 있고 제 2 도파관 퓨필 확장기는 실질적으로 평면형일 수도 있다. 제 1 도파관 퓨필 확장기의 연장된 형상은 제 1 차원을 따른 길이에 의해 규정될 수도 있다. 제 2 도파관 퓨필 확장기의 평면형, 또는 직사각형 형상은 제 1 차원을 따른 길이 및 제 1 차원에 실질적으로 직교하는 제 2 차원을 따른 폭 (width), 또는 폭 (breadth) 에 의해 규정될 수도 있다. 제 1 차원을 따른 제 1 도파관 퓨필 확장기의 사이즈 또는 길이는 제 1 차원 또는 제 2 차원을 따르는 제 2 도파관 퓨필 확장기의 길이 또는 폭에 각각 대응하게 된다. 입력 포트를 포함하는, 제 2 도파관 퓨필 확장기의 한 쌍의 평행한 표면들의 제 1 표면은 제 2 도파관 퓨필 확장기가 제 1 도파관 퓨필 확장기에 의해 출력된 복제본들 각각을 수신하게 구성되도록, 제 1 도파관 퓨필 확장기 상의 한 쌍의 평행한 표면들의 제 1 표면 상의 출력 포트에 의해 규정된 영역에 대응하도록 성형되고, 사이징되고, 그리고/또는 위치될 수도 있다.
제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기는 제 1 방향 및 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로의 퓨필 확장을 집합적으로 제공할 수도 있고, 선택 가능하게, 제 1 방향 및 제 2 방향을 포함하는 평면은 제 2 도파관 퓨필 확장기의 평면에 실질적으로 평행하다. 즉, 제 2 도파관 퓨필 확장기의 길이 및 폭을 각각 규정하는 제 1 차원 및 제 2 차원은 도파관 퓨필 확장기가 퓨필 확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향에 각각 (또는 제 2 방향 및 제 1 방향에 각각) 평행할 수도 있다. 제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기의 조합은 일반적으로 "퓨필 확장기"로서 지칭될 수도 있다.
제 1 도파관 확장기 및 제 2 도파관 확장기에 의해 제공된 확장/복제는 2 개의 방향들 각각으로 디스플레이 시스템의 출사 퓨필을 확장시키는 효과를 갖는다고 할 수도 있다. 확장된 출사 퓨필에 의해 규정된 영역은 결국 확장된 아이-박스 영역을 규정할 수도 있고, 이 영역으로부터 뷰어는 회절되거나 발산하는 광 필드의 광을 수신할 수 있다. 아이-박스 영역은 뷰잉 평면 상에 위치되거나 뷰잉 평면을 규정한다고 할 수도 있다.
출사 퓨필이 확장되는 2 개의 방향들은 제 1 도파관 확장기 및 제 2 도파관 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향과 동일 평면 상에 있거나 평행할 수도 있다. 대안적으로, 광 결합기 (optical combiner), 예를 들어 차량의 윈드스크린 (또는, 윈드실드) 과 같은 다른 엘리먼트들을 포함하는 구성들에서, 출사 퓨필은 윈드스크린으로부터와 같이 다른 엘리먼트로부터 출사 퓨필인 것으로 간주될 수도 있다. 이러한 구성들에서, 출사 퓨필은 제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향과 동일 평면에 있지 않고 평행하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 출사 퓨필은 제 1 도파관 및 제 2 도파관 퓨필 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향에 실질적으로 수직일 수도 있다.
뷰잉 평면, 및/또는 아이-박스 영역은 제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향에 대해 동일 평면에 있지 않거나 평행하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 뷰잉 평면은 제 1 도파관 및 제 2 도파관 퓨필 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향에 실질적으로 수직일 수도 있다.
제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기 내에서 내부 반사를 달성하도록 적합한 런치 조건들을 제공하기 위해, 제 1 도파관 퓨필 확장기의 연장된 차원은 제 2 도파관 퓨필 확장기의 제 1 차원 및 제 2 차원에 대해 틸팅될 수도 있다.
의심의 여지를 없애기 위해, 본 개시의 교시들은 2 개의 복제기들을 포함하는 2 차원 퓨필 확장기의 하나 또는 2 개의 복제기들에 적용될 수도 있다.
결합기 형상 보상
홀로그램을 아이-박스로 투사하는 것의 장점은 광학 보상이 홀로그램에 인코딩될 수 있다는 것이다 (예를 들어, 본 명세서에 인용된 유럽 특허 제 2936252 호 참조). 본 개시는 투사 시스템의 일부로서 사용된 광 결합기의 복소 곡률을 보상하는 홀로그램들과 호환 가능하다. 일부 실시 예들에서, 광 결합기는 차량의 윈드스크린이다. 이 접근법의 완전한 상세들은 유럽 특허 제 2936252 호에 제공되고, 이들 시스템들 및 방법들의 상세한 특징들은 본 명세서의 본 개시의 새로운 교시에 필수적이지 않고 단지 본 개시의 교시로부터 이익을 얻는 구성들의 예시이기 때문에 여기서 반복되지 않는다.
제어 디바이스
본 개시는 또한 광 채널링 홀로그램으로부터 뷰어로의 광의 전달을 제어하기 위해 제어 디바이스 (예를 들어, 광 셔터링 디바이스) 를 포함하는 광학 구성들과 호환 가능하다. 홀로그래픽 프로젝터는 아이-박스 포지션으로 각도 채널들의 전달을 제어하도록 구성된 제어 디바이스를 더 포함할 수도 있다. 2021년 6월 14일 출원되고 본 명세서에 참조로서 인용된, 영국 특허 출원 제 2108456.1 호는 적어도 하나의 도파관 퓨필 확장기 및 제어 디바이스를 개시한다. 독자는 제어 디바이스의 광학적 구성이 기본적으로 사용자의 아이-박스 포지션에 기초하고 본 명세서에 기술된 광 채널링을 달성하는 임의의 홀로그램 계산 방법과 호환 가능하다는 것을 적어도 이 이전의 개시로부터 이해할 것이다. 제어 디바이스는 광 셔터링 또는 어퍼처링 디바이스라고 할 수도 있다. 광 셔터링 디바이스는 어퍼처들 또는 윈도우들의 1D 어레이를 포함할 수도 있고, 어퍼처 또는 윈도우 각각은 아이-박스로 홀로그램 광 채널들 및 이의 복제본들의 전달을 제어하기 위해 광 투과성 상태와 광 비-투과성 상태 사이에서 독립적으로 스위칭 가능하다. 어퍼처 또는 윈도우 각각은 복수의 액정 (liquid crystal; LC) 셀들 또는 픽셀들을 포함할 수도 있다.
윈드스크린 도파관
도 5a 및 도 5b는 제 1 도파관 및 제 2 도파관을 포함하는 한 쌍의 직교 도파관들을 도시한다. 도 5a 및 도 5b는 통상적으로 한 쌍의 도파관들로부터 출력이 광 결합기를 사용하여 뷰어로 지향된다는 것을 도시하지 않는다. 헤드-업 디스플레이의 적용 예에서, 광 결합기는 차량의 윈드스크린일 수도 있다.
도 6은 윈드스크린 도파관을 도시한다. 도 6은 본 개시에 따른 홀로그래픽 파면을 출력하도록 구성된 프로젝터 (602) 를 도시한다. 프로젝터 (602) 는 투사를 위해 이미지의 홀로그램을 결정하도록 구성된 홀로그램 엔진 및 홀로그램을 디스플레이하고 그리고 디스플레이된 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 디스플레이 디바이스를 포함할 수도 있다. 도 6은 도 5a의 도파관 (504) 또는 도 5b의 도파관 (520) 에 대응하는 제 1 도파관 (604) 을 더 도시한다. 제 1 도파관 (604) 은 홀로그래픽 파면의 복제본들의 1D 어레이를 형성하도록 제 1 차원의 홀로그래픽 파면을 복제한다. 도 6은 내부 표면 (622) 및 외부 표면 (624) 을 갖는 윈드스크린 (620) 을 더 도시한다. 단어들 "내부" 및 "외부"는 제한적이지 않고 단지 호스트 차량과 관련하여 편의를 위해 사용된다. 도 6은 또한 차량의 운전자일 수도 있는 뷰어 (640) 를 도시한다. 투사 축 (606) 은 홀로그래픽 파면의 복제본들의 1D 어레이가 윈드스크린 (620) 의 내부 표면 (622) 과 외부 표면 (624) 사이에서 도파되는 일반적인 방향을 도시한다. 독자가 도 4의 기술로부터 이해될 바와 같이, 홀로그래픽 파면의 상이한 각도 범위들 또는 채널들은 제 2 도파관으로서 기능하는 윈드스크린 (620) 의 상이한 부분들로부터 (뷰어의 퓨필을 통해) 뷰어 (640) 로 전달된다. 단지 예로서, 도 6은 제 1 각도 범위의 제 1 축 (642), 제 2 각도 범위의 제 2 축 (644) 및 제 3 각도 범위의 제 3 축 (646) 을 도시한다. 독자가 이해할 바와 같이, 본 개시의 채널링 홀로그램에 따라, 상이한 각도 범위 각각은 이미지의 상이한 연속적인 영역에 대응한다. 3 개의 각도 채널들은 단지 예로서 도 6에 도시된다. 홀로그램 및 도파관은 임의의 수의 홀로그램 채널들 및 임의의 수의 홀로그래픽 파면의 복제본들을 사용하여 (홀로그램 도메인의) 뷰어에게 전체 이미지 콘텐츠를 전달하도록 구성될 수도 있다. 요약하면, 도 6은 따라서 복제본들의 1D 어레이로부터 홀로그래픽 파면의 복제본들의 2D 어레이를 형성하도록 제 2 퓨필 확장기로서 사용되는 차량의 윈드스크린을 도시한다.
일 실시 예에서, 윈드스크린의 외부 표면 (624) 은 홀로그래픽 파면에 대한 출력 표면의 반사율을 증가시키도록 (예를 들어, 유전체 스택으로) 코팅된다. 일 실시 예에서, 적색 홀로그래픽 파면, 녹색 홀로그래픽 파면 및 청색 홀로그래픽 파면은 풀 컬러 디스플레이를 제공하도록 윈드스크린에 의해 도파되고 그리고 외부 표면은 프로젝터의 이산적인 파장들에서 반사율의 협대역 증가를 제공하는 코팅을 포함한다. 예를 들어, 200 ㎚ 가시 범위에 걸쳐 실제 장면 (real-world scene) 의 지각된 컬러 밸런스에 대한 영향이 상당히 왜곡되지 않도록 협대역 각각은 대역폭이 단지 7 ㎚일 수도 있다. 이는 홀로그래피가 코히어런스 (coherence) 를 요구하기 때문에 실시 예들이 홀로그래픽 파면들을 생성하기 위해 레이저 다이오드들과 같은 협대역 광원들을 사용하기 때문에 가능하다. 다른 실시 예들에서, 헤드-업 디스플레이는 윈드스크린 내의 내부 반사들이 내부 전반사에 대한 기준을 만족시키도록 구성된다. 이하의 섹션에서 설명된 추가 개선에서, 홀로그램은 변화하는 복제본 강도를 보상하도록 수정된다.
복제본 강도 보상
도파관 각각의 출력 표면은 홀로그래픽 광 필드의 일부 (즉, 강도의 백분율) 가 출력되고 도파 동안 출력 표면과의 상호 작용 각각에서 부분이 내부적으로 반사되도록 부분적으로 반사성-투과성이다. 광 필드를 복제하는 이 접근법의 결과는 반사 각각에 따라 복제본들의 강도가 감소한다는 것이다. 도 7 및 도 8은 요점을 예시한다.
도 7은 입력부 (700) 및 도파관의 복수의 광 방출들 (701 내지 708) 을 갖도록 구성된 예시적인 도파관을 도시한다. 방출 각각은 홀로그래픽 광 필드의 복제본이다. 또한 방출 각각은 홀로그램의 복제본이라고 말할 수도 있다. 또한 방출 각각은 홀로그램을 디스플레이하는 디스플레이 디바이스의 퓨필의 복제본이고 따라서 도파관은 퓨필 확장기로 지칭될 수도 있다. 즉, 복수의 방출 존들은 퓨필 팽창을 제공한다. 방출 각각은 도파관 내의 상이한 수의 내부 반사들에 대응한다. 예를 들어, 광 방출 (701) 은 0 개의 내부 반사들 (즉, 도파관을 통한 입력 광 (700) 의 직접적인 투과) 에 대응하고, 방출 (702) 로부터 출력된 광은 도파관의 출력 표면으로부터의 1 개의 내부 반사에 대응하고, 등을 한다. 독자가 예시로부터 이해할 바와 같이, 방출 각각은 도파관의 각각의 방출 존으로부터 발생한다. 도 7은 또한 퓨필 확장의 방향인 도파 (710) 의 일반적인 방향을 도시한다.
도 8은 단지 예로서 타깃 이미지 (800) 의 수직 섹션들로 도시된 복수의 이미지 영역들 (801 내지 808) 을 포함하는 타깃 이미지 (800) 를 도시한다. 타깃 이미지는 프로젝터가 뷰어에게 투사할 입력 이미지이다. 도 8은 반복적인 위상 복원 (phase retrieval) 또는 포인트 클라우드 방법과 같은 임의의 적합한 방법을 포함하는 홀로그램 (851) 을 계산하는 제 1 단계에 의해 형성된 타깃 이미지 (800) 의 홀로그램 (810) 을 더 도시한다. 도 8은 또한 홀로그램 (810) 으로부터 타깃 이미지 (800) 의 홀로그래픽 재구성 (820) 을 형성하기 위한 홀로그램 조사 (852) 의 제 2 단계를 도시한다. 홀로그래픽 재구성 (820) 은 이미지 (800) 와 동일한 수직 섹션들을 포함한다. 완전한 시스템에서, 홀로그래픽 재구성 (820) 은 타깃 이미지 (800) 의 완전한 재생 (reproduction) 이다. 예시된 홀로그래픽 재구성 (820) 에서 사용된 해칭 (hatching) 의 밀도는 이 예에서 홀로그래픽 재구성 (820) 의 상이한 수직 섹션들의 상대적인 강도를 나타낸다. 이 예시에서, 고 밀도의 해칭은 저 광 레벨 (즉, 상대적으로 어두움) 을 나타내고 저 밀도의 해칭은 고 광 레벨 (즉, 상대적으로 밝음) 을 나타낸다. 본 개시에 따른 홀로그램은 본 명세서의 다른 곳에 상세히 기술된 바와 같이, 각도에 의해 이미지 (800) 의 콘텐츠를 분배한다. 추가로 본 개시에 따라, 이미지의 섹션들과 방출 존들 사이에 상관관계가 있다. 도 8에서, ―단지 예로서― 상관관계는 다음과 같다:
광학계의 당업자는 예를 들어, 이미지의 상이한 섹션들과 방출 존들 사이의 상관관계를 결정하기 위해 광선 추적이 어떻게 사용될 수도 있는지를 인식할 것이다. 또한 당업자는 이 상관관계가 뷰어의 위치―예를 들어 아이-박스 영역 또는 볼륨 내에서 뷰어의 소위 아이-박스 포지션―에 종속한다는 것을 인식할 것이다.
도 8은 홀로그래픽 재구성 (820) 의 이미지 섹션 각각의 강도가 출력 표면으로부터 연속적인 내부 반사 각각을 갖는 강도의 감소로 인해 방출되는 방출 존의 위치에 어떻게 종속되는지를 도시한다. 제 4 이미지 섹션 (814) 은 표 1에 도시된 바와 같이, 0 개의 내부 반사들을 갖는 제 1 방출 (701) 에 대응하기 때문에 가장 큰 강도를 갖는다. 제 3 이미지 섹션 (813) 은 7 개의 내부 반사들을 갖는 제 8 방출 (708) 에 대응하기 때문에 가장 낮은 강도를 갖는다 (따라서 가장 어두운/가장 많은 해치들로 도시된다).
일부 실시 예들에서, 도파 방향으로 방출 존 각각에서 제 1 표면의 투과율, T(n)은 다음 방정식을 만족한다:
여기서 L은 도파관 재료의 광 손실 계수이고 n은 방출 수이다. 방정식 (1) 은 단지 T(n)의 일 예이고 본 개시는 방정식 (1) 로 제한되지 않는다. 당업자는 본 명세서에 개시된 원리들이 T와 n 사이의 임의의 관계에 적용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
일부 예들에서, (가변 투과율-반사율을 갖는) 등급화된 코팅이 내부 반사 각각과 함께 도파된 광의 감소하는 강도를 보상하기 위해 출력 표면에 도포된다. 예를 들어, 코팅은 도파관의 방출들이 균일한 강도를 갖도록 내부 반사 각각에 대해 증가하는 투과율 및 감소하는 반사율을 가질 수도 있다. 이는 특히 컬러 투사를 위해 3 개의 단일-컬러 (예를 들어, 적색, 녹색 및 청색) 홀로그래픽 광 필드들이 요구될 때, 대부분 가변 두께를 갖는, 상이한 재료들의 21 개 이상의 개별 층들을 포함하는 복잡한 유전체 스택을 필요로 할 수 있다.
도 9는 본 개시의 실시 예를 예시한다. 도 9는 대체로 도 8에 대응하지만 타깃 이미지를 수정하는 초기 단계 (950) 를 포함한다. 초기 단계 (950) 는 대응하는 수의 내부 반사들과 연관된 강도 손실에 기초하여 이미지 섹션 (901 내지 908) 각각의 강도를 개별적으로 변화시키는 것을 포함한다. 수정된 이미지 (900') 의 수직 화살표들의 길이는 이미지 섹션 각각과 연관된 강도의 증가를 나타낸다. 타깃 이미지 (900) 를 수정하는 프로세스는 각각의 이득 또는 손실 계수로 이미지 섹션 (901 내지 908) 각각을 곱하는 것을 포함할 수도 있다. 프로세스는 이미지 섹션의 픽셀 각각과 연관된 그레이 레벨을 변화시키는 것을 수반할 수도 있다. 예를 들어, 타깃 이미지의 제 3 이미지 섹션 (903) 을 수정하는 것은 제 3 이미지 섹션 (903) 의 픽셀 값 각각에 2의 이득 계수와 같은 이득 계수를 곱하는 것을 포함할 수도 있다. 이는 출력 표면으로부터 7 개의 이전의 내부 반사들에 의해 유발된 강도의 손실을 보상하기 위해 (표 1에 따른) 도파관의 마지막 방출 (708) 의 강도를 부스팅하는 효과를 갖는다. 도파관의 마주 보는 표면은 실질적으로 완전히 반사성일 수도 있다. 독자는 내부 반사들의 대응하는 수에 기초하여 상이한 이득 또는 손실 계수를 사용하여 이미지 섹션 각각이 프로세싱될 수도 있는 방법을 이해할 것이다. 의심의 여지를 없애기 위해, 이미지 섹션의 픽셀 값 각각은 이 예에 따라 동일한 이득 또는 손실 계수로 곱해진다. 도 9는 반복적인 위상 복원 또는 포인트 클라우드 방법과 같은 임의의 적합한 방법을 포함하는 홀로그램을 계산하는 단계 (951) 에 의해 형성된 수정된 이미지 (900') 의 홀로그램 (910') 을 더 도시한다. 도 9는 또한 타깃의 홀로그래픽 재구성 (920') 을 형성하기 위한 홀로그램 조사 (952) 의 제 3 단계를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이 개시에 따라, 홀로그래픽 재구성 (920') 의 강도는 도 8의 홀로그래픽 재구성 (820) 의 강도보다 더 균일하고 타깃 이미지 (900) 의 개선된 재생이다.
일부 실시 예들에서, 각각의 이미지 섹션 (의 픽셀 값들) 각각에 인가된 증폭 또는 이득은 대응하는 방출 존과 연관된 (출력 표면으로부터/에 의한) 반사들의 수의 함수이다. 일부 실시 예들에서, 각각의 이미지 섹션 (의 픽셀 값들) 각각에 인가된 증폭 또는 이득은 대응하는 방출 존과 연관된 (출력 표면으로부터/에 의한) 반사들의 수에 따라 증가하고 그리고/또는 전파 또는 도파 거리에 따라 증가한다. 일부 실시 예들에서, 이득 계수는 T(n)을 실질적으로 보상하고, 그 예는 방정식 (1) 에 주어진다.
다른 실시 예들에서, 수정된 이미지 (900') 를 계산할 필요는 없고, 대신 홀로그램을 결정하는 방법은 대응하는 방출 존에 기초하여 데이터 지점들 또는 광파들의 기여도를 조절하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 포인트 클라우드 방법에서, 포인트 클라우드 홀로그램을 형성하기 위해 시뮬레이팅되는 광파들의 강도는 대응하는 방출 존에 기초하여 조절될 수도 있다. 당업자는 도파 동안 강도 손실들을 홀로그램에서 보상하는 개념이 다양한 상이한 방식들로 구현될 수도 있는 방법을 인식할 것이다. 본 발명이 다양한 상이한 방식들로 구현될 수도 있지만, 기본 원리는 대응하는 방출 존의 투과율에 기초하여 홀로그래픽 광 필드의 적어도 하나의 각도 채널의 강도를 변화시키는 것 (예를 들어, 균일하게 증가시키거나 감소시키는 것) 으로 표현될 수도 있다.
상기 언급된 바와 같이, 일부 실시 예들에서, 홀로그램은 본 명세서에 참조로서 인용된, 2021년 8월 26일 출원된 영국 특허 출원 제 2112213.0 호에 기술된 바와 같이 수정된 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘을 사용하여 계산된다. 이 알고리즘은 특히 본 개시와 시너지적 (synergistic) 이다. 방법은 복제본 각각에 대응하는 서브-홀로그램을 계산하므로 컴퓨터를 사용한 (computational) 푸리에 변환의 전체 동적 범위는 복제본 각각에 대해 독립적으로 활용될 수 있다. 즉, 연속적인 복제본 각각의 강도가 감소하기 때문에 홀로그램 계산 동안 통상적으로 존재할 수도 있는 임의의 어려움들은, 서브-홀로그램 각각이 독립적으로 계산되고 따라서 컴퓨터에서 이용 가능한 전체 동적 범위로부터 이익을 얻을 수 있기 때문에 경험되지 않는다.
이들 실시 예들에서, 홀로그램 알고리즘은 윈드스크린이 도파관으로서 사용될 때 반사 각각에서 발생할 수도 있는 큰 손실들에 잘 대처할 수 있다. 이는 방법이 고 동적 범위 및 부동 소수점 수들을 제공하는 컴퓨터를 사용한 푸리에 변환을 사용하여 홀로그램 복제본 각각의 서브-홀로그램을 계산하는 것을 포함하기 때문이다.
의심의 여지를 없애기 위해, 도파를 사용하는 복제본들의 강도의 감소를 보상하기 위해 홀로그램을 수정하는 방법은 도파관 퓨필 확장기로서 차량의 윈드스크린을 사용하는 방법과 매우 호환 가능하지만, 2 개의 방법들은 별개로 작동하고 (work in isolation), 2 개의 방법들이 결합되는 것은 필수적이지 않다.
부가적인 특징들
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 반송파 매체에 의해 전달될 수도 있다. 이러한 반송파 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 커버한다.

Claims (15)

  1. 차량 (vehicle) 용 헤드-업 디스플레이 (head-up display) 방법에 있어서,
    디스플레이 디바이스 상에 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 그리고 홀로그래픽 파면 (wavefront) 을 형성하도록 상기 디스플레이된 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하는 단계;
    상기 홀로그래픽 파면의 복제본들 (replicas) 의 1D 어레이를 형성하도록 제 1 퓨필 (pupil) 확장기를 사용하여 제 1 방향으로 상기 홀로그래픽 파면을 복제하는 단계; 및
    상기 복제본들의 1D 어레이로부터 상기 홀로그래픽 파면의 복제본들의 2D 어레이를 형성하도록 제 2 퓨필 확장기로서 차량의 윈드스크린을 사용하는 단계를 포함하는, 차량용 헤드-업 디스플레이 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복제본들의 2D 어레이는 상기 윈드스크린의 내부 표면과 외부 표면 사이에서 상기 복제본들의 1D 어레이를 도파함으로써 (waveguiding) 형성되는, 차량용 헤드-업 디스플레이 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    도파는 상기 윈드스크린의 상기 내부 표면 상의 복수의 상이한 부분들에서 복수의 부분적인 투과-반사들을 포함하는, 차량용 헤드-업 디스플레이 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홀로그래픽 파면의 상이한 연속적인 각도 범위들을 상기 윈드스크린의 상기 내부 표면의 상이한 부분들로부터 상기 차량 내의 뷰어로 지향시키도록 상기 홀로그램 및 상기 디스플레이 디바이스를 구성하는 단계를 더 포함하는, 차량용 헤드-업 디스플레이 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홀로그래픽 파면을 이미지로 변환하는 단계를 더 포함하는, 차량용 헤드-업 디스플레이 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이미지의 이미지 콘텐츠는 상기 차량 내, 상기 차량 외부 또는 둘 모두에 나타나는, 차량용 헤드-업 디스플레이 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    조사될 (illuminate) 때, 상기 홀로그램이 상기 홀로그램 도메인의 각도에 의해 상기 공간적 도메인의 상기 이미지의 상기 콘텐츠를 분할하도록 상기 홀로그램을 계산하는 단계를 더 포함하는, 차량용 헤드-업 디스플레이 방법.
  8. 광 엔진으로서, 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 그리고 홀로그래픽 파면을 형성하도록 상기 디스플레이된 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 디스플레이 디바이스; 및 상기 홀로그래픽 파면을 수신하고 그리고 상기 홀로그래픽 파면의 복제본들의 1D 어레이를 형성하도록 제 1 방향으로 상기 홀로그래픽 파면을 복제하도록 구성된 제 1 퓨필 확장기를 포함하는, 상기 광 엔진; 및
    상기 홀로그래픽 파면의 복제본들의 2D 어레이를 형성하도록, 상기 제 1 퓨필 확장기로부터 상기 홀로그래픽 파면의 복제본들의 상기 1D 어레이를 수신하고 그리고 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향으로 상기 복제본들의 1D 어레이를 확장하도록 구성된, 차량의 윈드스크린을 포함하는, 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 홀로그램은 상기 홀로그래픽 파면의 연속적인 각도 범위들이 상기 이미지의 연속적인 영역들에 각각 대응하도록 상기 이미지 내의 공간적 포지션에 따라 상기 홀로그래픽 파면 내에 광을 각도로 분포시키도록 구성되는, 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 홀로그래픽 파면의 상이한 연속적인 각도 범위들은 상기 윈드스크린의 상이한 부분들로부터 뷰어에 의해 수신되는, 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 윈드스크린의 상기 상이한 부분들은 상기 윈드스크린 내의 상이한 수의 내부 반사들에 대응하는, 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 윈드스크린 및/또는 홀로그램은 상기 복제본들이 실질적으로 균일한 강도를 갖도록 구성되는, 시스템.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 윈드스크린은 가시 스펙트럼의 적어도 하나의 협대역 내에서 상기 윈드스크린의 표면의 반사율을 증가시키도록 구성된 광학 엘리먼트 (예를 들어, 코팅) 를 포함하는, 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 협대역은 상기 공간적으로 변조된 광의 파장에 대응하는, 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 협대역은 20 ㎚ 미만 또는 10 ㎚ 미만, 예컨대 7 ± 2 ㎚의 전파 절반 (full-wave half) 을 갖는 파장 대역을 의미하는, 시스템.
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EP2462480A2 (en) * 2009-08-07 2012-06-13 Light Blue Optics Ltd. Head up displays
GB2509180B (en) 2012-12-21 2015-04-08 Two Trees Photonics Ltd Projector
EP3359999A1 (en) * 2015-10-05 2018-08-15 Popovich, Milan Momcilo Waveguide display
DE102019102609A1 (de) * 2019-02-01 2020-08-06 Carl Zeiss Jena Gmbh Funktionalisierter Wellenleiter für ein Detektorsystem sowie ein Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem
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