KR20240055642A - 초소형 헤드업 디스플레이를 위한 홀로그램 계산 - Google Patents
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Abstract
서브-홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 서브-홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대한 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 계산하는 방법. 방법은 가상 이미지 포인트로부터 관찰자의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 범위가 정해진 영역을 결정하는 과정으로서, 영역은 디스플레이 장치의 제1 가상 레플리카 상의 제1 영역 컴포넌트 및 디스플레이 장치의 제2 가상 레플리카 상의 제2 영역 컴포넌트를 포함하는 과정; 제1 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 결정하는 과정; 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 형성하도록 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 중첩하는 과정을 포함한다. 방법은 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정을 더 포함한다.
Description
본 개시는 특히 발산 광선 다발을 포함하는 회절 광 필드에 대한 동공 확장 또는 복제에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 개시는 도파관 동공 확장기를 포함하는 디스플레이 시스템에 의한 표시를 위한 홀로그램 또는 키노폼과 같은 회절 구조를 결정하기 위한 방법 및 도파관을 이용하는 동공 확장의 방법에 관한 것이다. 일부 실시예들은 제 1 및 제 2 도파관 동공 확장기를 이용하는 2 차원 동공 확장에 관한 것이다. 일부 실시예들은 화상 생성 유닛 및 헤드-업 디스플레이, 예를 들어, 차량용 헤드업 디스플레이(HUD)에 관한 것이다.
객체로부터 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는 간섭 무늬를 포함하는 홀로그래픽 레코딩 또는 "홀로그램"을 형성하도록 잘 알려진 간섭 기술에 의해, 예를 들어, 감광성 플레이트상에서 캡쳐될 수 있다. 홀로그램은 원래의 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성 또는 재생 이미지(replay image)를 형성하기 위해 적절한 광을 조사(illumination)함으로써 재구성될 수 있다.
컴퓨터-생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 간섭 프로세스를 수치적으로 시뮬레이션할 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램(computer-generated hologram)은 프레넬(Fresnel)또는 푸리에 변환(Fourier transform)과 같은 수학적 변환에 기초한 기술을 이용하여 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬/푸리에 변환 홀로그램 또는 간단히 프레넬/푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 영역/평면 표현 또는 객체의 주파수 영역/평면 표현으로 간주될 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 예를 들어 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing)또는 포인트 클라우드 기술(point cloud technique)에 의해 계산될 수 있다.
컴퓨터-생성 홀로그램은 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기(spatial light modulator)상에서 인코딩될 수 있다. 광 변조는, 예를 들어, 전기적으로 어드레스 가능한(electrically-addressable) 액정, 광학적으로 어드레스 가능한(optically-addressable) 액정 또는 마이크로 미러를 이용하여 달성될 수 있다.
공간 광 변조기는 셀들(cells)또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레스 가능한 픽셀들을 일반적으로 포함한다. 광 변조 방식은 이진(binary), 다중 레벨(multilevel) 또는 연속적(continuous)일 수 있다. 이와는 달리, 장치는 연속적일 수 있으며(즉, 픽셀로 구성되지 않은), 이에 따라 광 변조는 장치 전체에 걸쳐서 연속적일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 반사로 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 투과로 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.
홀로그램 프로젝터는 여기에 설명된 시스템을 이용하여 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 헤드업 디스플레이, "HUD" 에 적용된다.
본 개시의 양태들은 첨부된 독립항들에 정의된다.
광범위하게, 본 개시는 이미지 프로젝션에 관한 것이다. 본 개시는 이미지 프로젝션 방법 및 디스플레이 장치를 포함하는 이미지 프로젝터에 관한 것이다. 본 개시는 또한 이미지 프로젝터 및 뷰잉 시스템을 포함하는 프로젝션 시스템에 관한 것으로서 여기서 이미지 프로젝터는 디스플레이 장치로부터 뷰잉 시스템으로 광을 투사 또는 전달한다. 본 개시는 단안(monocular) 및 양안(binocular) 뷰잉 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다. 뷰잉 시스템은 관찰자의 눈 또는 눈들을 포함할 수 있다. 뷰잉 시스템은 광 전력(optical power)(예를 들어, 인간의 눈의 렌즈/들) 및 뷰잉 평면(예를 들어, 사람의 눈의 망막)을 갖는 광학 요소를 포함한다. 프로젝터는 '광 엔진(light engine)'으로 지칭될 수 있다. 디스플레이 장치 및 디스플레이 장치를 이용하여 형성된 (또는 인지되는) 이미지는 공간적으로 서로 분리된다. 이미지는 디스플레이 평면 상에서 관찰자에 의해 형성되거나 인지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지는 가상 이미지이고, 디스플레이 평면은 가상 이미지 평면으로 지칭될 수 있다. 다른 실시예들에서, 이미지는 홀로그래픽 재구성에 의해 형성된 실제 이미지이고, 이미지는 뷰잉 평면에 투영되거나 전달된다. 이미지는 디스플레이 장치 상에 표시된 회절 패턴(예를 들어, 홀로그램)에 조사함으로써 형성된다.
디스플레이 장치는 픽셀을 포함한다. 디스플레이 장치의 픽셀은 광을 회절시키는 회절 패턴 또는 구조를 표시할 수 있다. 회절광은 디스플레이 장치와 공간적으로 분리된 평면에서 이미지를 형성할 수 있다. 광학계에서 잘 알려진 바에 따라, 최대 회절 각도의 크기는 픽셀의 크기 및 광의 파장과 같은 다른 인자에 의해 결정된다.
실시예들에서, 디스플레이 장치는 실리콘 상의 액정(LCOS:Liquid Crystal on Silicon) 공간 광 변조기(SLM:Spatial Light Modulator)와 같은 공간 광 변조기이다. 광은 LCOS로부터 회절 각도(예를 들어, 0 에서부터 최대 회절 각도)의 범위에 걸쳐 카메라 또는 눈과 같은 뷰잉 엔티티/시스템을 향해 전파한다. 일부 실시예들에서, 확대 기술들은 LCOS의 종래의 최대 회절 각도를 넘는 이용가능한 회절 각도의 범위를 증가시키기 위해 이용될 수 있다.
일부 예들에서, (표시된 회절 패턴/홀로그램으로부터 형성된) 이미지는 눈으로 전파된다. 예를 들어, 자유 공간 또는 스크린 또는 디스플레이 장치와 관찰자 사이의 다른 수광면 상에 형성된 중간 홀로그래픽 재구성/이미지의 공간적으로 변조된 광은 관찰자에게 전파될 수 있다.
실시예들에서, 이미지는 실제 이미지이다. 다른 실시예들에서, 이미지는 인간 눈 (또는 눈들)에 의해 인지되는 가상 이미지이다. 따라서 프로젝션 시스템 또는 광 엔진은 관찰자가 디스플레이 장치을 직접 보도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 홀로그램으로 인코딩된 광은 눈(들)으로 직접 전파되고, 디스플레이 장치와 관찰자 사이의 자유 공간 또는 스크린 또는 다른 수광면에서 형성된 중간 홀로그래픽 재구성은 없다. 이러한 실시예에서, 눈의 동공은 뷰잉 시스템의 입구 개구인 것으로 간주될 수 있고, 눈의 망막은 뷰잉 시스템의 뷰잉 평면으로서 간주될 수 있다. 때때로, 이러한 구성에서, 눈의 렌즈는 홀로그램-대이미지 변환을 수행한다.
일부 다른 예들에서, 회절 패턴/홀로그램(의 광)은 그 자체로 눈으로 전파된다. 예를 들어, 홀로그램의 공간적으로 변조된 광(아직 홀로그래픽 재구성으로 완전히 변환되지 않았음, 즉, 이미지)은 - 홀로그램에 의해/으로 "인코딩"된 것이라 하는 - 관찰자의 눈으로 직접 전파될 수 있다. 실제 또는 가상 이미지는 관찰자에 의해 인지될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 디스플레이 장치와 관찰자 사이에 중간 홀로그래픽 재구성/이미지가 형성되지 않는다. 이러한 실시예들에서, 눈의 렌즈는 홀로그램-대-이미지 전환 또는 변환을 수행한다. 프로젝션 시스템, 또는 광 엔진은 관찰자가 디스플레이 장치를 직접 보도록 효과적으로 구성될 수 있다.
여기에서 "복소 광 필드"인 "광 필드"가 참조된다. "광 필드"라는 용어는 적어도 두 개의 직교 공간 방향인 ｘ 및 ｙ 에서 유한한 크기를 갖는 광의 패턴을 나타낸다. 여기에서 "복소"라는 단어는 단지 광 필드의 각 지점에서 광이 진폭 값과 위상 값에 의해 정의될 수 있고, 따라서 복소수 또는 값 쌍으로 표시될 수 있음을 나타내기 위해 이용되었다. 홀로그램 계산의 목적을 위해, 복소 광 필드는 복소수의 2차원 어레이일 수 있으며, 여기서 복소수는 광 필드 내의 복수의 개별 위치에서 광 세기 및 위상을 정의한다.
잘 알려진 광학계의 원리들에 따르면, 눈 또는 다른 뷰잉 엔티티/시스템에 의해 보여질 수 있는 디스플레이 장치로부터 전파되는 광의 각도들의 범위는 디스플레이 장치와 뷰잉 엔티티 사이의 거리에 따라 변한다. 예를 들어, 1 미터 관찰 거리에서, LCOS로부터의 작은 범위의 각도만이 눈의 동공을 통해 전파되어 주어진 눈 위치에 대한 망막에 이미지를 형성할 수 있다. 주어진 눈 위치에 대한 망막에서 이미지를 형성하기 위해 눈의 동공을 통해 성공적으로 전파될 수 있는, 디스플레이 장치로부터 전파되는 광선들의 각도들의 범위는 관찰자에게 '가시적'인 이미지의 부분을 결정한다. 즉, 이미지의 모든 부분이 뷰잉 평면 상의 어느 한 지점(예를 들어, 아이-모션 박스와 같은 뷰잉 윈도우 내의 임의의 하나의 눈 위치)로부터 가시적이지 않다.
일부 실시예들에서, 관찰자에 의해 인지되는 이미지는 디스플레이 장치의 상류에(upstream)에 나타나는 가상 이미지이고, - 즉 관찰자는 이미지가 디스플레이 장치보다 더 멀리 떨어져 있는 것으로 인식한다. 개념적으로 가상 이미지의 복수의 상이한 가상 이미지 포인트들을 고려하는 것이 가능하다. 가상 포인트로부터 관찰자까지의 거리는 가상 이미지 포인트에 대한 가상 이미지 거리로서 본 명세서에서 지칭된다. 물론, 상이한 가상 포인트들은 상이한 가상 이미지 거리들을 가질 수 있다. 각각의 가상 포인트와 연관된 광선 다발 내의 개별 광선은 디스플레이 장치를 통해 관찰자에게 상이한 각각의 광 경로를 취할 수 있다. 그러나, 디스플레이 장치의 일부 부분들에만, 고로 가상 이미지의 하나 이상의 가상 포인트들로부터의 광선들 중 일부만이 이용자의 시야 내에 있을 수 있다. 즉, 가상 이미지 상의 일부 가상 포인트들로부터의 광선들 중 일부만이 디스플레이 장치를 통해 이용자의 눈 (들)으로 전파될 것이고, 따라서 시청자에게 보일 것이다. 개념적으로, 관찰자가, 비교적 큰 거리에서, 예를 들어 1 미터에서, 매우 작을 수 있는 예를 들어 직경이 1 cm 일 수 있는 "디스플레이 장치용의 윈도우"를 통해 가상 이미지를 보고 있는 것이 고려될 수 있다. 그리고 이용자는 그들의 눈(들)의 동공(들)을 통해 디스플레이 장치용의 윈도우를 보고 있을 것이고, 이는 또한 매우 작을 수 있다. 따라서 시야는 작아지고, 보여질 수 있는 특정 각도 범위는 임의의 주어진 시간에 눈 위치에 크게 의존한다.
동공 확장기는 이미지를 형성하기 위해 눈의 동공을 통해 성공적으로 전파할 수 있는 디스플레이 장치로부터 전파되는 광선들의 각도들의 범위를 증가시키는 방법의 문제를 해결한다. 디스플레이 장치는 일반적으로 (상대적인 측면에서 보면) 작고, 프로젝션 거리는 (상대적인 측면에서 보면) 크다. 일부 실시예에서, 프로젝션 거리는 디스플레이 장치의 입구 동공 및/또는 개구의 직경 또는 너비(즉, 픽셀 어레이들의 크기)보다 적어도 하나의 - 적어도 두 - 자릿수 보다 크다. 본 개시의 실시예들은 이미지의 홀로그램이 이미지 그 자체가 아니라 사람의 눈으로 전파되는 구성에 관한 것이다. 즉, 관찰자에 의해 수신된 광은 이미지의 홀로그램에 따라 변조된다(또는 홀로그램에 의해 인코딩된다). 그러나, 본 개시의 다른 실시예들은, 예를 들어, 스크린 상에 (또는 심지어 자유 공간(free space)에) 형성된 홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction) 또는 재생 이미지(replay image)의 광이 사람의 눈으로 전파되는, 소위 간접 뷰(indirect view) 에 의해, 이미지가 홀로그램보다는 사람의 눈으로 전파되는 구성에 관련될 수 있다.
동공 확장기는 이미지를 형성하기 위해 눈의 동공을 통해 성공적으로 전파할 수 있는 디스플레이 장치로부터 전파되는 광선들의 각도들의 범위를 증가시키는 방법의 문제를 해결한다. 디스플레이 장치는 일반적으로 (상대적인 측면에서 보면) 작고, 프로젝션 거리는 (상대적인 측면에서 보면) 크다. 일부 실시예에서, 프로젝션 거리는 디스플레이 장치의 입구 동공 및/또는 개구의 직경 또는 너비(즉, 픽셀 어레이들의 크기)보다 적어도 하나의 - 적어도 두 - 자릿수 보다 크다. 본 개시의 실시예들은 이미지의 홀로그램이 이미지 그 자체가 아니라 사람의 눈으로 전파되는 구성에 관한 것이다. 즉, 관찰자에 의해 수신된 광은 이미지의 홀로그램에 따라 변조된다(또는 홀로그램에 의해 인코딩된다). 그러나, 본 개시의 다른 실시예들은, 예를 들어, 스크린 상에 (또는 심지어 자유 공간(free space)에) 형성된 홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction) 또는 재생 이미지(replay image)의 광이 사람의 눈으로 전파되는, 소위 간접 뷰(indirect view) 에 의해, 이미지가 홀로그램보다는 사람의 눈으로 전파되는 구성에 관련될 수 있다.
도파관은 시야를 확장하기 위해 이용되고, 따라서 디스플레이 장치의 전체 회절 각도가 이용될 수 있는 최대 전파 거리를 증가시킨다. 도파관의 이용은 또한 이용자의 아이-박스(eye-box)를 측방향으로 증가시킬 수 있고, 따라서 눈(들)의 약간의 이동이 발생하게 되더라도, 여전히 이용자가 이미지를 볼 수 있게 한다. 따라서, 도파관은 도파관 동공 확장기로 지칭될 수 있다.
동공 확장기의 이용은 또한 이용자의 아이-박스를 측방향으로 증가시킬 수 있고, 따라서 눈/눈들의 약간의 이동이 발생할 수 있게 하면서 여전히 이용자가 이미지를 볼 수 있게 한다. 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이 이미지 시스템에서 뷰잉 영역(이용자의 아이 박스)은 관찰자의 눈들이 이미지를 인지할 수 있는 영역이다. 본 개시는 유한(non-infinite) 가상 이미지 거리 - 즉, 근거리장(near-field) 가상 이미지들 - 에 관한 것이다.
통상적으로, 2 차원 동공 확장기는 한 쌍의 대향하는 반사 표면들을 이용하여 각각 형성된 하나 이상의 1 차원 광학 도파관들을 포함하며, 여기서 표면으로부터의 출력광은 관찰자에 의해 뷰잉하기 위한 뷰잉 윈도우 - 예를 들어, 아이-박스 또는 아이 모션 박스(eye motion box) - 를 형성한다. 디스플레이 장치로부터 수신된 광(예를 들어, LCOS로부터의 공간적으로 변조된 광)은 적어도 하나의 차원에서 시야(또는 뷰잉 영역)를 증가시키기 위해 각각의 도파관에 의해 복제된다. 특히, 도파관은 입사 파면의 진폭의 분할에 의한 여분의 광선들(extra rays) 또는 레플리카(replicas)들의 생성으로 인해 뷰잉 윈도우를 확대시킨다.
일부 실시예들에서, 도파관의 대향하는 표면들의 제1 쌍은 세장형 또는 세장형 표면들이며, 제1 차원을 따라 비교적 길고, 제2 차원을 따라 비교적 짧으며, 예를 들어, 2 개의 다른 차원들 각각을 따라 비교적 짧으며, 각각의 차원은 각자의 다른 차원들의 각각에 실질적으로 직교한다. 제1 쌍의 표면들 사이/로부터의 광의 반사/투과 진행은 광이 제1 도파관 동공 확장기 내에서 전파하도록 구성되고, 광 전파의 일반적인 방향은 제1 도파관 동공 확장기가 상대적으로 긴 쪽의 방향(즉, 그의 연장(elongate) 방향)이다.
회절된 광을 이용하여 이미지를 형성하고, 예를 들어 헤드업 디스플레이를 통해 자동차 산업에서 실제 적용에 적합한 아이-박스 크기 및 시야를 제공하는 시스템이 본 명세서에 개시된다. 회절된 광은 회절 구조 - 예를 들어 푸리에 또는 프레넬 홀로그램 또는 포인트 클라우드 홀로그램과 같은 홀로그램 - 로부터 이미지의 홀로그래픽 재구성을 형성하는 광이다. 회절 및 회절 구조의 이용은 매우 작은 픽셀들(예를 들어, 1 마이크로미터)의 높은 밀도를 갖는 디스플레이 장치를 필요로 하며, 실제로는 소형 디스플레이 장치(예를 들어, 1 cm)를 의미한다. 본 발명자들은 회절 광 필드(예를 들어, 발산하는(시준되지 않은) 광선 다발을 포함하는 회절 광)로 2D 동공 확장을 어떻게 제공하는지에 대한 문제를 해결하였다.
양상들에서, 디스플레이 시스템은, 회절된 (예를 들어, 발산하는) 광을 제공하거나 형성하도록 구성되는 픽셀화된 디스플레이 장치 - 예를 들어, SLM(Spatial Light Modulator) 또는 LCOS(Liquid Crystal On Silicon) SLM - 와 같은 디스플레이 장치를 포함한다. 이러한 양상들에서, 공간 광 변조기(SLM)의 개구는 시스템의 제한 개구(limiting aperture)이다. 즉, 공간 광 변조기의 개구 - 보다 구체적으로, SLM 내에 포함된 광 변조 픽셀의 어레이를 한정하는 영역의 크기 - 는 시스템을 빠져나갈 수 있는 광선 다발의 크기(예를 들어, 공간적 범위)를 결정한다. 본 개시에 따르면, 시스템의 출사 동공(exit pupil)은 (광 회절을 위한 픽셀 사이즈를 갖는 소형 디스플레이 장치에 의해 제한되는) 시스템의 출사 동공이 적어도 하나의 동공 확장기의 이용에 의해 공간적으로 더 확장되거나 더 크거나 더 거대하게 형성되는 것을 반영하도록 확장된다.
회절된 (예를 들어, 발산하는) 광 필드는 광 필드의 전파 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 정의된 "광 필드 크기(light field size)"를 갖는다고 할 수 있다. 광은 회절/발산하기 때문에, 광 필드 크기는 전파 거리에 따라 증가한다.
일부 실시예들에서, 회절 광 필드는 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된다. 즉, 이러한 양상들에서, 회절 광 필드는 "홀로그래픽 광 필드(holographic light field)"를 포함한다. 홀로그램은 픽셀화된 디스플레이 장치 상에 표시될 수 있다. 홀로그램은 컴퓨터-생성 홀로그램(CGH:Computer-Generated Hologram)일 수 있다. 그것은 푸리에 홀로그램 또는 프레넬 홀로그램 또는 포인트-클라우드 홀로그램 또는 임의의 다른 적합한 유형의 홀로그램일 수 있다. 홀로그램은, 선택적으로, 홀로그램 광의 채널들을 형성하기 위해 계산될 수 있고, 각각의 채널은 관찰자에 의해 보이도록(또는 그것이 가상 이미지인 경우 인지되도록) 의도된 이미지의 상이한 각각의 부분에 대응한다. 픽셀화된 디스플레이 장치는 연속하여 또는 순차적으로 복수의 상이한 홀로그램을 표시하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 개시된 양상들 및 실시예들 각각은 다수의 홀로그램들의 표시에 적용될 수 있다.
제1 도파관 동공 확장기의 출력 포트는 제2 도파관 동공 확장기의 입력 포트에 결합될 수 있다. 제2 도파관 동공 확장기는 제2 도파관 동공 확장기의 제3 쌍의 평행한 표면들 사이의 내부 반사에 의해 그것의 입력 포트로부터 각각의 출력 포트로 - 제1 도파관 동공 확장기에 의해 출력되는 광 필드의 레플리카들(replicas) 중 일부, 바람직하게는 대부분, 바람직하게는 전부의 일부를 포함하는 - 회절 광 필드를 안내하도록 구성될 수 있다.
제1 도파관 동공 확장기는 제1 방향으로 동공 확장 또는 복제를 제공하도록 구성될 수 있고, 제2 도파관 동공 확장기는 상이한 제2 방향으로 동공 확장 또는 복제를 제공하도록 배열될 수 있다. 제2 방향은 제1 방향에 실질적으로 직교할 수 있다. 제2 도파관 동공 확장기는 제1 도파관 동공 확장기가 제1 방향으로 제공된 동공 확장을 유지하고, 상이한 제2 방향으로 제1 도파관 동공 확장기로부터 수신하는 레플리카들의 바람직하게 대부분 또는 바람직하게 전부 중 일부를 확장(또는, 복제)하도록 구성될 수 있다. 제2 도파관 동공 확장기는 제1 도파관 동공 확장기로부터 직접적으로 또는 간접적으로 광 필드를 수신하도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 도파관 동공 확장기들 사이의 광 필드의 전파 경로를 따라 하나 이상의 다른 엘리먼트들이 제공될 수 있다.
제1 도파관 동공 확장기는 실질적으로 세장형(예를 들어, 막대 형상)일 수 있고, 제2 도파관 동공 확장기는 실질적으로 평면(예를 들어, 직사각형 형상)일 수 있다. 제1 도파관 동공 확장기의 세장형 형상은 제1 차원을 따른 길이에 의해 정의될 수 있다. 제2 도파관 동공 확장기의 평면 또는 직사각형 형상은 제1 차원에 따른 길이 및 제1 차원에 실질적으로 직교하는 제2 차원에 따른 너비 또는 폭에 의해 정의될 수 있다. 제1 차원에 따른 제1 도파관 동공 확장기의 크기 또는 길이는 제1 또는 제2 차원에 따른 제2 도파관 동공 확장기의 길이 또는 폭 각각에 대응한다. 제2 도파관 동공 확장기의 입력 포트를 포함하는 제2 도파관 동공 확장기의 평행한 표면 쌍의 제1 표면은, 제2 도파관 동공 확장기가 제1 도파관 동공 확장기에 의해 출력된 레플리카들 각각을 수신하도록 구성되도록, 제1 도파관 동공 확장기 상의 평행한 표면 쌍의 제1 표면 상의 출력 포트에 의해 정의된 영역에 대응하도록 형상화, 치수 맞춤 및/또는 배치될 수 있다.
제1 및 제2 도파관 동공 확장기는 공동으로 제1 방향으로 그리고 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 동공 확장을 제공할 수 있고, 선택적으로, 제1 및 제2 방향들을 포함하는 평면은 제2 도파관 동공 확장기의 평면에 실질적으로 평행하다. 다시 말해서, 제2 도파관 동공 확장기의 길이 및 폭을 각각 정의하는 제1 및 제2 차원은 도파관 동공 확장기가 동공 확장을 제공하는 제1 및 제2 방향에(또는 각각 제2 및 제1 방향에) 각각 평행할 수 있다. 제1 도파관 동공 확장기와 제2 도파관 동공 확장기의 조합은 일반적으로 "동공 확장기" 라고 지칭될 수 있다.
제1 및 제2 도파관 확장기에 의해 제공되는 확장/복제는 두 방향 각각에서 디스플레이 시스템의 출사 동공(exit pupil)을 확장하는 효과를 가진다고 말할 수 있다. 확장된 출사 동공(exit pupil)에 의해 정의된 영역은, 결국 관찰자가 회절 또는 발산하는 입력 광 필드의 광을 수신할 수 있는 확장된 아이-박스 영역을 정의할 수 있다. 아이-박스 영역은 뷰잉 평면 상에 위치되거나, 또는 뷰잉 평면에 정의된다고 말할 수 있다.
출사 동공이 확장되는 두 방향은 제1 및 제2 도파관 동공 확장자가 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향과 동일 평면 상에 있거나 이에 평행할 수 있다. 대안적으로, 광학 결합기, 예를 들어, 차량의 윈드스크린(또는 방풍창)과 같은 다른 엘리먼트들을 포함하는 구성들에서, 출사 동공은 윈드스크린으로부터와 같은 다른 엘리먼트로부터의 사출 동공인 것으로 간주될 수 있다. 그러한 구성들에서, 사출 동공은 제1 및 제2 도파관 동공 확장기들이 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향들과 비-동일 평면 및 비-평행하게 될 수 있다. 예를 들어, 출사 동공은 제1 및 제2 도파관 동공 확장기들이 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향들에 실질적으로 수직일 수 있다.
뷰잉 평면 및/또는 아이-박스 영역은 제1 및 제2 도파관 동공 확장기들이 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향들에 비-동일 평면 또는 비-평행할 수 있다. 예를 들어, 뷰잉 평면은 제1 및 제2 도파관 동공 확장기들이 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향들에 실질적으로 수직일 수 있다.
제1 및 제2 도파관 동공 확장기 내에서 내부 반사를 달성하기 위해 적합한 개시 조건들을 제공하기 위해, 제1 도파관 동공 확장기의 세장형 차원은 제2 도파관 동공 확장기의 제1 및 제2 차원에 대해 경사질 수 있다.
제1 및 제2 도파관 동공 확장기 내에서 내부 반사를 달성하기 위해 적합한 개시 조건들을 제공하기 위해, 제1 도파관 동공 확장기의 세장형 차원은 제2 도파관 동공 확장기의 제1 및 제2 차원에 대해 경사질 수 있다.
디스플레이 장치는 10 cms 미만, 예컨대 5 cms 미만 또는 2 cms 미만,일 수 있는 제1 치수를 갖는 활성 또는 표시 영역을 가질 수 있다. 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이의 전파 거리는 1m 초과, 예컨대 1.5 m 초과 또는 2m 초과,일 수 있고, 도파관 내의 광 전파 거리는 최대 2 m 일 수 있으며, 이를테면 최대 1.5 m 또는 최대 1 m 일 수 있다. 방법은 이미지를 수신하고 15 ms 미만 또는 10 ms 미만과 같이 20 ms 미만에서 충분한 품질의 대응하는 홀로그램을 결정할 수 있다.
본 개시에 따른 회절된 또는 홀로그래픽 광 필드의 예로서 설명된 일부 실시예에서, 홀로그램은 광을 복수의 채널로 라우팅하도록 구성되고, 각각의 채널은 이미지의 상이한 부분(즉, 서브-영역)에 대응한다. 홀로그램은, 예를 들어, 공간 광 변조기와 같은 디스플레이 장치 상에 표시되는 것과 같이 제시될 수 있다. 적절한 디스플레이 장치 상에 표시될 때, 홀로그램은 뷰잉 시스템에 의해 변형가능한 광을 이미지로 공간적으로 변조할 수 있다. 회절 구조(홀로그램을 포함함)에 의해 형성된 채널들은, 단지 이미지 정보를 갖는 홀로그램에 의해 인코딩된 광의 채널들인 것을 반영하는 것으로 "홀로그램 채널들"로서 본 명세서에서 참조된다. 각각의 채널의 광은 이미지 또는 공간 도메인이 아니라 홀로그램 도메인 내에 있다고 말할 수 있다. 일부 실시예들에서, 홀로그램은 푸리에 또는 푸리에 변환 홀로그램이고, 따라서 홀로그램 도메인은 푸리에 또는 주파수 도메인이다. 홀로그램은 프레넬 또는 프레넬 변환 홀로그램일 수 있다. 홀로그램은, 홀로그램으로부터 재구성될 수 있는 이미지가 유한한 크기를 갖고 복수의 이미지 서브-영역으로 임의로 분할될 수 있다는 것을 반영하기 위해 단지 복수의 홀로그램 채널로 광을 라우팅하는 것으로 본 명세서에 기술되며, 각각의 홀로그램 채널은 각각의 이미지 서브-영역에 대응할 것이다. 중요하게는, 이 예의 홀로그램은 조명될 때 어떻게 이미지 콘텐츠를 분배하는지에 의해 특징지어진다. 구체적으로, 홀로그램은 이미지 컨텐츠를 각도 별로 분할한다. 즉, 이미지 상의 각각의 포인트는 - 홀로그램이 2 차원이기 때문에 적어도 고유한 한 쌍의 각도로 - 조명될 때 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광 내의 고유한 광선 각도와 연관된다. 의심의 회피를 위해, 이러한 홀로그램 거동은 통상적이지 않다. 이러한 특수 유형의 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광은, 조명될 때, 복수의 홀로그램 채널로 임의로 분할될 수 있고, 각각의 홀로그램 채널은 광선 각도의 범위(2 차원에서)에 의해 정의된다. 공간적으로 변조된 광에 고려될 수 있는 임의의 홀로그램 채널(즉, 광선 각도들의 서브 범위)이 이미지의 각각의 부분 또는 서브-영역과 연관될 것이라는 것이 전술한 내용으로부터 이해될 것이다. 즉, 이미지의 부분 또는 서브-영역을 재구성하기 위해 필요한 모든 정보는 이미지의 홀로그램으로부터 형성된 공간적으로 변조된 광의 각도들의 서브-범위 내에 포함된다. 공간적으로 변조된 광이 전체로서 관찰될 때, 복수의 개별 광 채널들의 임의의 증거가 반드시 존재하지 않는다. 그러나, 일부 구성들에서, 복수의 공간적으로 분리된 홀로그램 채널들은, 홀로그램이 계산된, 공백 또는 여백인(즉, 이미지 콘텐츠가 존재하지 않는) 타겟 이미지의 영역들을 의도적으로 남김으로써 형성된다.
그럼에도 불구하고, 홀로그램은 여전히 식별될 수 있다. 예를 들어, 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광의 연속적인 부분 또는 서브-영역만이 재구성되면, 이미지의 서브-영역만이 가시화되어야 한다. 공간적으로 변조된 광의 상이한, 연속적인 부분 또는 서브-영역이 재구성되면, 이미지의 상이한 서브-영역이 가시화되어야 한다. 이러한 유형의 홀로그램의 추가 식별 특징은 - 홀로그램이 계산된 정확한 평면에서 - 크기가 다를 수 있지만 임의의 홀로그램 채널의 단면 영역의 형상이 입사 동공의 형상과 실질적으로 대응(즉, 실질적으로 동일)하는 것이다. 각각의 광/홀로그램 채널은 상이한 각도 또는 각도 범위로 홀로그램으로부터 전파된다. 이러한 유형의 홀로그램을 특성화하거나 식별하는 예시적인 방식이지만, 다른 방식이 이용될 수 있다. 요약하면, 본 명세서에 개시된 (특수 유형의) 홀로그램은 이미지 콘텐츠가 홀로그램에 의해 인코딩된 광 내에 어떻게 분배되는지에 의해 특성화되고 식별가능하다. 다시, 임의의 의심의 회피를 위해, 본 명세서에서 광을 지향하거나 이미지를 복수의 홀로그램 채널로 각도 분할하도록 구성된 홀로그램에 대한 참조는 단지 예로서 이루어지고, 본 개시는 임의의 유형의 홀로그래픽 광 필드 또는 심지어 임의의 유형의 회절 또는 회절된 광 필드의 동공 확장에 동등하게 적용가능하다.
대체로, 입력 광 필드에 대한 동공 확장을 제공하는 시스템이 개시되며, 입력 광 필드는 발산하는 광선 다발을 포함하는 회절형 또는 홀로그래픽 광 필드이다. 위에서 논의된 바와 같이, 동공 확장(이는 또한 이미지 복제 또는 복제 또는 동공 복제로 지칭될 수 있음)은 입력 광선(또는 광선 다발)의 하나 이상의 레플리카를 생성함으로써 관찰자가 이미지를 볼 수 있는(또는 홀로그램의 광을 수신하여 관찰자의 눈이 이미지를 형성할 수 있는) 영역의 크기가 증가되는 것을 가능하게 한다. 동공 확장은 하나 이상의 차원에서 제공될 수 있다. 예를 들어, 2 차원 동공 확장이 제공될 수 있고, 각각의 차원은 서로 실질적으로 직교한다.
시스템은 소형(compact) 및 유선형(streamlined) 물리적 형태로 제공될 수 있다. 이는 시스템이 제한되고 부동산 가치가 높은 공간에 있는 것을 포함하여 광범위한 실제 애플리케이션들에 대해 적합할 수 있게 한다. 예를 들어, 시스템은 차량 또는 자동차 HUD 와 같은 헤드업 디스플레이로 구현될 수 있다.
본 개시에 따르면, 발산하는 광선 다발을 포함할 수 있는 회절된 또는 회절 광에 대해 동공 확장이 제공된다. 회절 또는 회절된 광은 홀로그램과 같은 회절 구조를 표시하도록 구성된 공간 광 변조기(SLM)와 같은 픽셀화된 디스플레이 장치와 같은 디스플레이 장치에 의해 출력될 수 있다. 회절된 광 필드는 "광 콘(light cone)"에 의해 정의될 수 있다. 따라서, (2 차원 평면 상에 정의된 바와 같은) 회절된 광 필드의 크기는 대응하는 회절 구조(즉, 디스플레이 장치)로부터의 전파 거리에 따라 증가한다.
공간 광 변조기는 홀로그램(또는 홀로그램을 포함하는 회절 패턴)을 표시하도록 구성될 수 있다. 회절된 또는 발산하는 광은 홀로그래픽 재구성의 또는 이미지의 광과는 대조적으로 홀로그램으로/홀로그램에 의해 인코딩된 광을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 동공 확장기가 홀로그램을 복제하거나 홀로그램의 적어도 하나의 레플리카을 형성하여, 관찰자에게 전달된 광이 이미지 그 자체가 아닌 이미지의 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된다고 말할 수 있다. 즉, 회절된 광 필드가 관찰자에게 전파된다.
일부 실시예들에서, 2 개의 1 차원 도파관 동공 확장기들이 제공되며, 각각의 1 차원 도파관 동공 확장기는 공간 광 변조기의 출사 동공의 복수의 레플리카들 또는 복사본들(또는 출사 동공의 광)을 형성함으로써 시스템의 출사 동공 크기를 효과적으로 증가시키도록 구성된다. 출사 동공은 광이 시스템에 의해 출력되는 물리적 영역으로 이해될 수 있다. 또한, 각각의 도파관 동공 확장기는 시스템의 출사 동공의 크기를 확장하도록 구성된다고 말할 수 있다. 또한, 각각의 도파관 동공 확장기는 시스템에 의해 출력되는 광을 보기/수신하기 위해, 관찰자의 눈이 위치될 수 있는 아이 박스의 크기를 확장/증가시키도록 구성된다고 말할 수 있다.
일반적으로, 광학 시스템을 위한 가상 이미지의 가상 이미지 포인트의 홀로그램을 계산하는 방법이 제공된다. 광학 시스템은 홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치를 포함한다. 광학 시스템은 홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 더 포함한다. 방법은 가상 이미지 포인트로부터 관찰자의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 범위가 정해진 영역을 결정하는 과정을 포함할 수 있다. 영역은 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 가상 레플리카의 적어도 일부를 포함한다. 직선 경로들은 광파들을 나타낼 수 있다. 이미지 포인트, 예를 들어 포인트 클라우드 홀로그래피로부터 광파를 전파하는 것을 포함하는 홀로그램을 계산하는 방법은 그 자체로 알려져 있다. 그러나, 도파관(특히, 도파관 동공 확장기)을 포함하는 광학 시스템에 홀로그램을 계산하는 이러한 방법들을 적용하는 것을 수반하는 접근들은 걸음마 단계에 있다. 광학 시스템에서의 도파관의 포함은 홀로그램의 계산에 복잡성을 도입하고, 계산된 홀로그램에 의해 형성된 선명하고 고품질의 이미지가 입사 동공에서 수신되는/보여지는 것을 보장하는 많은 장애물들이 존재한다. 본 발명자들은 홀로그램(이미지가 아닌)을 눈으로 전달하도록 구성된 도파관 동공 확장기를 포함하는 광학 시스템에 포인트 클라우드 홀로그래피(point cloud holography)의 적용을 포함하는 상기 구성에서의 문제들을 해결하는 매우 적은 사람들의 일부이다.
위에서 설명된 바와 같이, 광학 시스템의 출사 동공은 디스플레이 장치의 복수의 가상 레플리카들을 생성하기 위해 도파관에 의해 확장될 수 있고, 각각의 가상 레플리카는 계산된 홀로그램에 대응하고 도파관에 의해 형성된다. 제1 도파관을 포함하는 광학 시스템은 제1 차원에서 출사 동공을 확장할 수 있다. 제1 도파관 및 제2 도파관을 포함하는 광학 시스템은 제1 및 제2 도파관들이 적절하게 구성되면 제1 차원 및 제1 차원에 직교하는 제2 차원 모두에서 출사 동공을 확장할 수 있다. 하나 이상의 도파관을 포함하는 광학 시스템이 정확하게 구성되면, 레플리카의 1 차원 어레이 또는 2 차원 어레이가 생성될 수 있다. 레플리카들의 어레이를 통해 뷰잉 시스템(예를 들어, 관찰자의 눈)에 의해 보여지는 선명하고 높은 품질의 이미지들을 제공하는 홀로그램을 생성하는 것은 어렵다. 예를 들어, 도파관을 유한한 가상 이미지 거리 - 즉, 근거리장 가상 이미지들 - 로 결합할 때, 도파관을 통한 상이한 가능한 광 전파 경로들로 인해 소위 '고스트 이미지(ghost image)'가 나타난다. 고스트 이미지는 메인 이미지의 더 낮은 세기의 복제이다. 메인(예를 들어, 최고 강도) 이미지는 1 차 이미지로서 지칭될 수도 있다. 각각의 고스트 이미지는 2 차 이미지로 지칭될 수 있다. 고스트 이미지의 존재는 지각된 가상 이미지의 품질을 상당히 감소시킬 수 있다. 고스트 이미지는 주 이미지의 블러링(blurring)의 외관을 제공할 수 있다. 또한, 확장된 출사 동공 내의 뷰잉 시스템(이용자의 눈과 같은)의 주어진 위치에 대해, 특정 가상 이미지 포인트와 연관된 광이 디스플레이 장치의 복수의 레플리카로부터 수신될 수 있다. 그러나, 하나 이상의 도파관을 통한 광 경로 거리로 인해, 상이한 레플리카는 상이한 광 경로 길이를 가지며, 따라서 각각의 가상 레플리카의 깊이(출사 동공으로부터 측정됨)는 상이하다. 디스플레이 장치 상에 표시되고 그런 다음 복제된 홀로그램을 계산하는 방법은 바람직하게는 가상 레플리카들의 깊이에서 이러한 차이를 고려해야 한다.
가상 이미지의 가상 이미지 포인트의 홀로그램을 계산하는 방법은 홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대해 이전에 구체적으로 개발되어 왔다. 이 방법은 고스트를 제거하고, 상이한 가상 레플리카의 깊이에서의 차이를 설명한다. 상기 방법은 가상 이미지 포인트로부터 관찰자의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 정의된 영역 내의 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 결정하는 과정을 포함한다. 가상 이미지 포인트는 가상 이미지의 복수의 가상 이미지 포인트들 중 하나의 가상 이미지 포인트일 수 있다. 서브-홀로그램의 영역은 각각의 가상 이미지 포인트로부터 관찰자를 향해 광파를 전파함으로써 결정될 수 있다. 영역은 가상 이미지와 관찰자 사이의 가상 표면에서의 전파하는 광파의 교차점의 영역으로서 정의될 수 있다. 가상 표면은 가상 이미지와 도파관 사이에서 식별될 수 있다. 가상 표면은 디스플레이 장치 및 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 복수의 레플리카들을 포함할 수 있다. 방법은 가상 표면 상의 영역을 식별하는 과정을 포함할 수 있다. 가상 표면은 또한 확장된 변조기로 지칭될 수 있다. 가상 표면은 가상 레플리카들의 엇갈린(staggered) 가상 표면일 수 있다. 영역은 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 가상 레플리카의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램은 가상 레플리카의 제1 가상 레플리카의 제1 영역 내에서 결정된다. 다른 실시예들에서, 제1 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램은 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 포함한다. 일 예에서, 제1 서브-홀로그램 컴포넌트는 디스플레이 장치의 제1 가상 레플리카의 제1 영역 내에서 결정되고, 제2 서브-홀로그램 컴포넌트는 디스플레이 장치의 제2 가상 레플리카의 제2 영역 내에서 결정된다. 이러한 실시예들의 방법은 제1 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램을 형성하도록 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 중첩시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 아이-박스 내의 특정 위치에서(관찰자의 눈과 같은)뷰잉 시스템의 입사 동공을 통과할 수 있는 가상 이미지로부터의 광선만을 고려한다. 따라서, 홀로그램이 계산될 때, (고스트 이미지가 아니라) 메인 이미지(main image)에 기여하는 광선만이 고려된다. 결과적으로, 홀로그램을 계산하는 상기 방법은 고스트 이미지의 바람직하지 않은 형성을 방지한다. 또한, 방법은 관련 눈 위치에서 관찰자의 눈의 입사 동공을 통과할 수 있는 가상 이미지로부터의 웨이블릿(wavelets)/광선만을 전파하기 때문에, 계산 복잡도가 감소된다. 이러한 방식으로, 컴퓨터 리소스의 소비와 같이, 포인트 클라우드 홀로그램을 계산하는 속도는 감소된다. 부가적으로, 방법은 레플리카들의 어레이에서의 상이한 레플리카들의 깊이의 차이를 설명한다.
따라서, 위의 고안된 홀로그램 계산 방법은 도파관이 광학 시스템에 포함될 때 계산된 홀로그램으로부터 형성된 선명하고 고품질의 이미지를 제공하는 것과 연관된 많은 문제들을 다룬다. 그러나, 상기 방법의 강인성(robustness)을 시험하기 위한 시뮬레이션 및 실험 후에, 본 발명자들은 놀랍게도, 아이 박스에서 수신된 홀로그램/이미지의 선명도 및 품질에 영향을 미치는 추가의 문제를 발견하였다. 특히, 본 발명자들은, 예를 들어, 제1 및 제2 가상 레플리카들의 제1 및 제2 영역 내에서 각각 결정되는 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 포함하는, 다수의 레플리카들에 걸쳐 있는 영역 내에서 결정되는 계산된 서브-홀로그램으로 인코딩된 광으로부터 이미지 포인트가 형성될 때 문제를 식별하였다. 본 발명자들은 예기치 않게, 레플리카들 사이의 임의의 오프셋들 및 상이한 레플리카들에 대한 광학 경로에서의 차이들을 고려한 이후에도, 상기 형성된 이미지 포인트는 홀로그램 계산이 기초하는 가상 이미지 포인트에 대해 신장(즉, 신장은 에러임)되게 나타나는 것을 발견하였다. 이는 홀로그램으로부터 형성된 이미지들의 품질을 감소시키고, 바람직하지 않게 단위 면적당 더 적은 픽셀들이 보여질 수 있기 때문에 디스플레이의 해상도를 감소시킨다. 본 개시는 신장 효과를 제거하거나 감소시켜 화질을 개선하는 방법을 제공한다.
제1 양태에서, 광학 시스템에 대한 가상 이미지의 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 계산하는 방법이 제공된다. 광학 시스템은 홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함한다. 방법은 가상 이미지 포인트로부터 관찰자의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 범위가 정해진 영역을 결정하는 과정을 포함한다. 직선 경로들에 의해 범위가 정해진 영역은 디스플레이 장치 상에 표시된 홀로그램의 제1 가상 레플리카 상의 제1 영역 컴포넌트 및 디스플레이 장치 상에 표시된 홀로그램의 제2 가상 레플리카 상의 제2 영역 컴포넌트를 포함한다. 제1 가상 레플리카는 제2 가상 레플리카에 인접할 수 있다. 방법은 제1 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 결정하는 과정을 더 포함한다. 방법은 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 형성하도록 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 중첩시키는 과정을 더 포함한다. 이 방법은 확장된 출사 동공 내의 특정 위치에서(관찰자의 눈과 같은)뷰잉 시스템의 입사 동공을 통과할 수 있는 가상 이미지로부터의 광선만을 고려한다. 따라서, 홀로그램이 계산될 때,(고스트 이미지가 아니라)메인 이미지에 기여하는 광선만이 고려된다. 결과적으로, 홀로그램을 계산하는 방법은 고스트 이미지의 바람직하지 않은 형성을 자동으로 방지한다. 또한, 방법은 관련 눈 위치에서 관찰자의 눈의 입사 동공을 통과할 수 있는 가상 이미지로부터의 웨이블릿/광선만을 전파하기 때문에, 계산 복잡도가 감소된다. 이러한 방식으로, 컴퓨터 리소스들의 소비와 같이, 포인트 클라우드 홀로그램을 계산하는 속도는 감소된다. 부가적으로, 방법은 레플리카들의 어레이에서의 상이한 레플리카들의 깊이의 차이를 자동으로 고려한다.
방법은: 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 로컬 위상-램프 함수(local phase-ramp function)를 적용하는 과정을 더 포함한다. 적용된 로컬 위상-램프 함수는 계산된 홀로그램으로 인코딩된 광에 의해 형성된 이미지 포인트들의 신장을 제거 또는 감소시킴으로써 이미지 품질을 유리하게 개선한다. 특히, 홀로그램이 계산되는 가상 이미지 포인트에 대한 상기 이미지 포인트들의 신장(elongation)은 제거 또는 감소될 수 있다.
본 발명자들은 이미지 포인트들의 신장(elongation)이 진폭 수차 효과들에 의해 야기되는 회절 효과들과 유사하다는 것을 추론하였다. 이러한 회절은 디스플레이 장치로부터 전파되는 광 콘(또는 복소 광 필드)의 광에서의 변위 또는 시프트를 초래할 수 있다. 도파관에 의해 생성된 레플리카들의 경계에서의 광은 최대로 변위될 수 있다. 이러한 효과를 진폭 수차(amplitude aberration)라고 할 수 있다. 본 명세서에 개시된 진폭 수차는 코마(coma)와 유사하지만, 코마는 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이 진폭 수차(amplitude aberration)라기 보다는 위상-한정 수차(phase-only aberration)이다. 광 콘은 복수의 점-확산 함수(point-spread function)를 포함할 수 있다. 회절은 디스플레이 장치의 영역으로부터 레플리카의 에지를 향해 또는 에지로 방출된 하나 이상의 점-확산 함수들의 메인 로브(main lobe)가 변형되거나 또는 시프트되는 것에 기인할 수 있다.
위에서 논의된 진폭 수차는 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램이 제1 가상 레플리카 상의 제1 영역 컴포넌트를 갖는 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 가상 레플리카 상의 제2 영역 컴포넌트를 갖는 가상 이미지 포인트의 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 포함할 때 특정 문제이다. 이러한 경우에, 홀로그램에 의해 재구성된 이미지 포인트는(서브-홀로그램을 형성하도록 중첩된)제1 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트에 의해 형성된다. 이상적으로, 제1 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트로부터의 광은 서브-홀로그램이 계산되는 가상 이미지 포인트와 동일하게 나타나는 단일(전형적으로 원형)이미지 포인트를 형성하도록 정렬/결합/중첩될 것이다. 다시 말해서, 제1 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트로부터의 광은 이상적으로 중첩 및/또는 단일 점-확산 함수(single point-spread function)에 의해 형성된 것처럼 보일 수 있다. 이러한 경우에서의 광은 “공동-위치화(co-localised)”로 지칭될 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 회절에 의해 야기되는 진폭 수차와 유사한 에러를 식별하였다. 진폭 수차는 제1 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트들 중 하나 또는 둘 모두의 광이 오정렬되게(misaligned)할 수 있다. 특히, 제1 서브-홀로그램 컴포넌트와 관련된 점-확산 함수는 제2 서브-홀로그램 컴포넌트와 관련된 점-확산 함수에 대해 오정렬될 수 있고/있거나 제2 서브-홀로그램 컴포넌트와 관련된 점-확산 함수는 제2 서브-홀로그램 컴포넌트와 관련된 점-확산 함수에 대해 오정렬될 수 있다. 본 명세서에서 점-확산 함수들의 오정렬은 점-확산 함수들의 각각의 메인 로브들에 대해 이루어진다.
점-확산 함수(들)에서의 오정렬은 제1 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트들로부터의 점-확산 함수들이 정확하게 결합/중첩/중첩/공동-위치하지 않음을 의미할 수 있다. 수차-유형 효과에 의해 야기되는 이러한 에러는 형성된 이미지 포인트의 이미지 품질에 해롭다. 특히, 형성된 이미지 포인트는(가상 이미지 포인트의 의도된 형상에 대해)길게 나타날 수 있다.
발견된 오차는 동공 확장을 위한 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대해, 예를 들어 포인트 클라우드 홀로그래피(point cloud holography)와 같은, 이미지 포인트로부터 광파를 전파하는 것을 포함하는 홀로그램을 계산하는 방법에 특정된다. 본 발명자들은 예기치 않게 이러한 방법들의 강인성(robustness)을 테스트할 때 문제에 직면하였다. 시뮬레이션 및 실험을 통해, 본 발명자들은 제1 및/또는 제2 영역 컴포넌트에 대한 로컬 위상-램프 함수의 적절한 적용이 유리하게 에러를 보상할 수 있고, 따라서 대응하는 이미지 포인트의 신장을 감소시키거나 제거할 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 야기되는 에러를 감소시키기 위해 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트와 연관된 점-확산 함수를 스티어링하는 로컬 위상 램프가 선택될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트들로부터의 광은 로컬 위상 램프 함수의 적용에 후속하여 결합/중첩/중첩/공동-위치될 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 로컬 위상 램프는 가상 이미지 포인트의 제1 및/또는 제2 서브-홀로그램 컴포넌트 상에 중첩될 수 있다.
(제1 및/또는 제2 영역 컴포넌트와 같은)영역 컴포넌트에 적용된 위상-램프(또는 격자 함수)는 위상-램프가 적용된 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트의 광을 출사 동공에서 제1 방향으로 미리 결정된 양만큼 변위시킬 수 있다. 특히, 조명될 때 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트에 의해 형성된 점-확산 함수는 제1 방향으로 미리 결정된 양만큼 변위될 수 있다. 미리 결정된 양의 변위는 출사 동공에서의 변위의 양일 수 있다. 위상-램프들(또는 격자 함수들)은 높은 정확도로 변위들의 범위를 제공하기 위해 계산될 수 있다. 위상-램프의 기울기는 격자 함수의 격자 각도와 유사할 수 있다. 변위는 제1 방향으로의 선형 변위(linear displacement)일 수 있다. 제1 방향은 x-방향일 수 있다. 로컬 위상-램프는 추가 또는 중첩에 의해 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트와 결합될 수 있다. 따라서, 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정은 로컬 위상-램프 함수를 각각의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 또는 제2 서브-홀로그램 컴포넌트에 추가 또는 중첩시키는 과정을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 위상-지연 분포들은 실리콘 상의 액정 공간 광 변조기와 같은 위상-변조 디바이스일 수 있는 디스플레이 장치 상에 표시되고, 위상-램프는 포장된(wrapped)(모듈로 2p)위상 가산(phase addition)에 의해 홀로그램에 추가된다. 2 개의 수직한 로컬 위상-램프는 개별적으로 서브-홀로그램 컴포넌트에 추가될 수 있고, 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트로 인코딩된 광의 위치를 미세 조정하기 위해 개별적으로 수정될 수 있다.
출사 동공에서 광의 선형 병진(linear translation)을 제공하는 함수의 예로서 본 개시 전반에 걸쳐 위상-램프(또는 격자 함수)에 대한 참조가 이루어진다. 즉, 홀로그램에 추가될 때 재생 필드를 정의된 크기 및 방향으로 선형적으로 변위시키는 광 변조 값들의 어레이가 제공된다. 변위는 픽셀, 밀리미터 또는 각도로 측정될 수 있다. 위상-램프는 또한 위상-웨지(phase-wedge)로 지칭될 수 있다. 위상-램프(phase-ramp)의 위상 값들은 포장될(wrapped)수 있다(예를 들어, 모듈로 2p). 포장된 위상-램프(wrapped phase-ramp)는 위상 격자(phase grating)로 간주될 수 있다. 그러나, 본 개시는 위상-한정 변조로 제한되지 않으며, 용어 " 격자 함수 ", “소프트웨어 격자”, 및 “블레이즈드 격자(blazed grating)”는 포장된 변조 램프와 같은 빔 스티어링 기능의 예들로서 이용될 수 있다. 위상-램프(phase-ramp)는 그것의 위상 그래디언트(phase gradient)에 의해 특징지어질 수 있다. 본 개시에서는, 연관된 격자 각도가 개시된 방법의 주요 구성 요소이기 때문에, 용어 " 격자 함수(grating function)" 가 바람직하다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 로컬 위상-램프 함수(local phase-ramp function)는 특정 영역 컴포넌트/서브-홀로그램 컴포넌트에 대해서만 적용되어 그 서브-홀로그램 컴포넌트에 입사하는 광에 의해 형성된 점-확산 함수를 스티어링하는 위상-램프 함수를 의미한다. 로컬 위상-램프 함수의 공간 범위(즉, 크기)는 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트의 공간 범위(즉, 크기)와 동일할 수 있다. 즉, 위상-램프 함수는 대응하는 서브-홀로그램 컴포넌트로서 (공간 광 변조기와 같은) 디스플레이 장치의 동일한 서브-영역으로 제한된다. 따라서, 일반적으로, 로컬 위상-램프 함수(local phase-ramp function)는 모든 광이 아닌 디스플레이 장치로부터 전파되는 광의 일부를 조향한다. 여기서, 위상-램프 컴포넌트가(픽셀 공간에서)제1 영역 컴포넌트 및/또는 제2 위상-램프 컴포넌트를 넘어서 (픽셀 공간에서) 연장되지 않는다는 것을 반영하기 위해 용어 “로컬(local)”이 이용된다. 즉, 로컬 위상-램프 함수는 제1/제2 영역 컴포넌트의 영역 외부에 적용되지 않는다. 즉, 로컬 위상-램프는 제1/제2 영역 컴포넌트의 영역 외부에 있는 디스플레이 장치의 픽셀들에 적용되지 않는다. 로컬 위상 램프 함수는 제1/제2 영역 컴포넌트의 픽셀 영역/구역으로 제한되거나 한정된다. 상이한 로컬 위상-램프 함수들이 상이한 서브-홀로그램 컴포넌트들에 적용되어, 하나 이상의 방향들에서의 상이한 조향이 상이한 서브-홀로그램 컴포넌트들에 적용될 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 중첩시킴으로써 형성된 서브-홀로그램은 진폭 수차 에러를 설명하기 위해 선택되는 복수의 상이한 로컬 위상-램프 함수를 포함할 수 있다.
로컬 위상-램프 함수와 연관된 변위는 조명될 때 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트들에 의해 형성된 점-확산 함수들을 정렬할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 위상-램프 함수는 출사 동에서 미리 결정된 양만큼 점-확산 함수를 변위시킬 수 있다. 이 변위는 로컬 위상-램프 함수가 적용되지 않은 점-확산 함수의 위치에 대한 것일 수 있다. 점-확산 함수들을 정렬하는 것은, 전술한 바와 같이, 예를 들어, 제1 및 제2 서브 홀로그램 컴포넌트들의 점-확산 함수들이 오버랩, 중첩 또는 공동-위치(co-localise)하게 하는 것을 포함할 수 있다.
이 방법은 제1 영역 컴포넌트에 제1 로컬 위상 램프 함수를 적용하고 제2 영역 컴포넌트에 제2 로컬 위상 램프 함수를 적용하는 과정을 포함할 수 있다. 제1 로컬 위상 램프 함수 및 제2 로컬 위상 램프 함수는 상이할 수 있다. 제1 로컬 위상-램프 함수에 대응하는 제1 방향은 제2 로컬 위상-램프 함수에 대응하는 제2 방향과 반대일 수 있다. 제1 로컬 위상-램프 함수(격자 함수)의 기울기(gradient)는 제2 로컬 위상-램프 함수의 기울기와 다를 수 있다. 이와 같이, 제1 서브-홀로그램 컴포넌트에 의해 형성된 제1 점-확산 함수 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트에 의해 형성된 제2 점-확산 함수의 시프트 또는 변위는 비대칭 또는 반대 또는 상보적일 수 있다. 제1 및 제2 로컬 위상-램프 함수의 기울기의 크기 및 극성 중 어느 하나 또는 둘 모두는 상이할 수 있다.
각각의 조명된 서브-홀로그램 컴포넌트와 연관된 점-확산 함수가 있을 수 있다. 점-확산 함수를 정렬하기 위해, 제1 서브-홀로그램 컴포넌트의 제1 점-확산 함수의 변위의 양은 제2 서브-홀로그램 컴포넌트의 제2 점-확산 함수의 변위의 양에 의존할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 점-확산 상이한 양들 및 상이한 방향들로 변위하는 로컬 위상-램프 함수들이 적용될 수 있다. 예를 들어, 제1 서브-홀로그램 컴포넌트와 관련된 제1 점-확산 함수는 진폭 수차의 결과로서 제1 양만큼 제2 방향으로 변위될 수 있다. 제2 서브-홀로그램 컴포넌트와 관련된 제2 점-확산 함수는 제2 방향과 반대인 제1 방향으로 제2 양만큼 변위될 수 있다. 진폭 수차를 보정하기 위해, 제1 점-확산 함수를 제1 방향으로 제1 양만큼 시프팅하기 위해 제1 로컬 위상-램프 함수가 제1 서브-홀로그램에 적용될 수 있다. 제2 점-확산 함수를 제2 방향으로 제2 양만큼 시프팅하기 위해 제2 로컬 위상-램프 함수가 제2 서브-홀로그램에 적용될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 및 제2 점-확산 함수들의 시프트가 대칭이 되도록 제1 양은 제2 양과 (및 반대 방향으로) 동일할 수 있다. 다른 예들에서, 제1 및 제2 점-확산 함수들의 시프트가 비대칭이 되도록 제1 양은 제2 양과 (및 반대 방향으로) 상이할 수 있다.
가상 표면 또는 소위 확장된 변조기는 디스플레이 장치의 1 차원 어레이 또는 2 차원 어레이 및 가상 레플리카를 포함할 수 있다. 각각의 레플리카의 광 경로 길이는 상이할 수 있다. 이것은, 상이한 레플리카들의 광 경로가 도파관을 통해 상이한 경로 길이를 가질 수 있기 때문일 수 있는데, 예를 들어, 제1 및 선택적인 제2 도파관의 표면들 사이의 산란(bouncing)은 상이한 수의 바운스(bounces)를 갖는다. 따라서, 각각의 레플리카의 펼쳐진 경로 길이는 상이할 수 있고, 따라서 가상 표면 또는 확장된 변조기의 레플리카들의 어레이는 서로로부터 오프셋될 수 있다. 즉, 복수의 레플리카들은 엇갈릴(staggered) 수 있다. 디스플레이 장치의 각각의 레플리카(replica)는 각각의 레플리카(replica)와 연관된 도파관에서의 상이한 경로 길이들로 인해 디스플레이 장치로부터 상이한 수직 거리일 수 있다. 제1 도파관 및 제2 도파관을 포함하는 광학 시스템의 경우, 확장된 변조기는, (i) (공간에서) 각도 및 동공 확장의 대응하는 방향에 의해 정의된 제1 도파관(예를 들어, 세장형 도파관)에서 생성된 레플리카들 사이의 제1 오프셋, (ii) (공간에서) 각도 및 동공 확장의 대응하는 방향에 의해 정의된 제2 도파관(예를 들어, 평면 도파관)에서 생성된 레플리카들 사이의 제2 오프셋; (iii) 제1 오프셋과 제2 오프셋의 방향 사이의 임의의 비틀림(skew), - 원래의 디스플레이 장치가 직사각형인 경우 일반적으로 평행사변형으로 생성됨 - 및/또는 (iv) 디스플레이 장치 레플리카들과 눈 위치 사이의 광학 경로 길이(차이)를 포함하는 것으로 정의될 수 있다
가상 표면의 영역은 가상 이미지의 각 가상 이미지 포인트와 연관될 수 있다. 영역은, 예를 들어, 각각의 가상 이미지 포인트으로부터 관찰자의 입사 동공으로 가상 표면을 통해 전파되는 (예를 들어, 구면파들 또는 웨이블릿(wavelet)들을 나타내는)직선 경로들에 의해 기술될 수 있다. 가상 이미지의 적어도 일부 가상 이미지 포인트들은 다수의 레플리카들에 걸쳐 있는 연관된 영역을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 가상 이미지 포인트와 연관된 영역의 제1 영역 컴포넌트는 제1 가상 레플리카 상에 있을 수 있고, 제1 가상 이미지 포인트와 연관된 영역 컴포넌트의 제2 영역 컴포넌트는 제2 가상 레플리카 상에 있을 수 있다. 제1 및 제2 가상 레플리카들은 서로 인접할 수 있다. 제1 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램을 계산하는 방법은 제1 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 결정하는 과정을 포함할 수 있다. 방법은 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 형성하도록 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 중첩시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정은 각각의 영역 컴포넌트 및/또는 관련 서브-홀로그램 컴포넌트의 파라미터에 기초하여 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 대한 위상-램프 함수를 선택하는 과정을 포함할 수 있다. 파라미터는: 각각의 레플리카의 에지로부터 각각의 영역 컴포넌트의 적어도 일부의 중심의 거리; 각각의 영역 컴포넌트의 크기; 위상-램프가 제1 또는 제2 영역 컴포넌트들 중 다른 하나에 선택되는 영역 컴포넌트의 크기; 및/또는 위상-램프가 제1 또는 제2 서브-홀로그램 컴포넌트들 중 다른 하나에 선택되는 서브-홀로그램 컴포넌트의 크기의 비율 중 적어도 하나이거나 관련될 수 있다. 서브-홀로그램 컴포넌트에 의해 형성된 점-확산 함수의 시프트의 양은 서브-홀로그램 컴포넌트/영역 컴포넌트의 상대적 크기에 의존할 수 있다. 따라서, 파라미터들 각각은 요구되는 점-확산 함수의 시프트의 양에 대한 프록시로서 이용될 수 있다.
일반적으로 제1 영역 컴포넌트에 대해 선택된 위상-램프 함수는 제2 영역 컴포넌트에 대해 선택된 위상-램프 함수와 반대 극성을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 제1 영역 컴포넌트는 각각의 영역의 에지로부터 제2 영역 컴포넌트까지의 크기 및 거리가 상이하다. 이와 같이, 제1 영역 컴포넌트에 대해 선택된 위상-램프 함수는 제2 영역 컴포넌트에 대해 선택된 위상-램프 함수와 상이한 크기의 기울기를 가질 수 있다. 다시 말해서, 제1 및 제2 영역 컴포넌트들에 적용된 위상-램프 함수들은 비대칭일 수 있다.
제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 대한 위상-램프 함수를 선택하는 과정은 룩-업 테이블 또는 데이터베이스에서 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트의 파라미터를 룩업(looking up)하는 과정을 포함할 수 있다. 룩-업 테이블 또는 데이터베이스는 데이터 쌍들 또는 키-값(key-value) 쌍들을 포함할 수 있다. 데이터 쌍들 또는 키-값 쌍들은 파라미터에 대한 값들을 적절한 위상-램프 함수들과 관련시킬 수 있다. 룩업 테이블 또는 데이터베이스는 위상-램프 함수에 대한 기울기 값을 포함할 수 있다. 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 대한 위상 램프 함수를 선택하는 과정은 파라미터를 룩업 테이블 또는 데이터베이스에 입력하는 과정을 포함할 수 있다. 이어서, 로컬 위상-램프 함수(local phase-ramp function)가 출력될 수 있다. 방법은 각각의 제1 영역 컴포넌트 또는 제2 영역 컴포넌트에 대한 출력 로컬 위상-램프 함수를 선택하는 과정을 포함할 수 있다.
방법은 룩-업 테이블 또는 데이터베이스에 의해 출력된 위상-램프 함수를 보정(calibration)하는 과정을 포함할 수 있다. 보정은 보정 인자를 적용하는 것을 포함할 수 있다. 보정 인자는 광학 시스템의 파라미터들을 취할 수 있다. 예를 들어, 광학 시스템의 파라미터들은 디스플레이 장치의 크기, 광학 시스템의 도파관에 주입된 광의 입사 각도, 입사광의 파장 및 시스템 내의 광 경로 길이들을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 동일한 룩업 테이블 또는 데이터베이스는 광학 시스템들의 다양한 상이한 구현들과 함께 이용될 수 있다. 대안적으로, 룩업 테이블 또는 데이터베이스에 저장된 값들은 이미 보정될 수 있다.
방법은 가상 이미지와 도파관 사이의 가상 표면을 식별하는 과정을 포함할 수 있다. 가상 표면은 디스플레이 장치 및 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 복수의 가상 레플리카들을 포함할 수 있다. 방법은 가상 표면 상의 영역을 식별하는 과정을 더 포함할 수 있다.
가상 표면은 제2 가상 레플리카에 인접한 제1 가상 레플리카를 포함한다. 제1 가상 레플리카의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트는 제2 가상 레플리카의 제2 서브-홀로그램 컴포넌트에 인접할 수 있다. 이러한 실시예에서, 진폭 수차는 제1 서브-홀로그램 컴포넌트가 제2 서브-홀로그램 컴포넌트와 반대 방향으로 시프트되게 할 수 있다.
실시예들에서, 각각의 서브-홀로그램은 대응하는 가상 이미지 포인트로부터 관찰자를 향해 광파를 전파하고 영역의 대응하는 위치에 도달하는 복소 광 필드를 결정하는 것에 의해 결정되는 포인트 클라우드 홀로그램이고, 선택적으로, 광파는 구형 광파이다. 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 파면/복소 광 필드를 형성하기 위해 광파의 전파를 시뮬레이션함으로써 계산적으로 수행될 수 있다.
구현들에서, 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 각각의 가상 레플리카는 디스플레이 장치들의 가상 레플리카들의 엇갈린(staggered) 가상 표면이 형성되도록 디스플레이 장치로부터 상이한 수직 거리에 있다. 예들에서, 디스플레이 장치의 각각의 가상 레플리카(virtual replica)은 도파관에 의해 형성된 홀로그램의 각각의 레플리카에 대응한다. 방법은 디스플레이 장치로부터 도파관 내의 광학 경로를 도파관에 의해 형성된 홀로그램의 대응하는 레플리카로 펼침으로써 디스플레이 장치의 각각의 가상 레플리카의 위치를 결정하는 과정을 포함할 수 있다. 디스플레이 장치의 각각의 가상 레플리카는 도파관에 의해 형성된 홀로그램의 각각의 레플리카에 대응한다.
제1 양태의 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 계산하는 방법은 가상 이미지 포인트로부터 직선 경로에 의해 범위가 정해진 영역이 제1 레플리카 상의 제1 영역 컴포넌트 및 제2 레플리카 상의 제2 영역 컴포넌트를 포함하고, 제1 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트가 계산되는 방법에 관하여 설명되었다. 그러나, 제1 양태의 방법은 이러한 구성에 제한되지 않는다. 영역은 추가 레플리카들 상의 추가 영역 컴포넌트(예를 들어, 제3 레플리카 상의 제3 영역 컴포넌트 및 제4 레플리카 상의 제4 영역 컴포넌트)를 포함할 수 있다. 추가의 서브-홀로그램 컴포넌트가 계산될 수 있다. 예를 들어, 제3 영역 컴포넌트 내의 제3 서브-홀로그램 컴포넌트가 계산될 수 있다. 제4 영역 컴포넌트 내의 제4 서브-홀로그램 컴포넌트가 계산될 수 있다. 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 형성하는 과정은 제1 서브-홀로그램 컴포넌트, 제2 서브-홀로그램 컴포넌트 및 추가(예를 들어, 제3 및 제4)서브-홀로그램 컴포넌트를 중첩시키는 과정을 포함할 수 있다. 이 방법은 추가 서브-홀로그램 컴포넌트들에 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정을 포함할 수 있다.
제2 양태에 따르면, 홀로그램을 계산하는 방법이 제공된다. 홀로그램은 가상 이미지로서, 홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템을 위한 것이다. 가상 이미지의 복수의 가상 이미지 포인트들의 각각의 방법은 가상 이미지 포인트의 각각의 서브-홀로그램을 계산하는 과정을 포함한다.
각각의 서브-홀로그램은 제1 양태에서 설명된 방법에 따라 계산된다. 예를 들어, 각각의 서브-홀로그램은, 가상 이미지 포인트로부터 관찰자의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 범위가 정해진 영역을 결정함으로써 계산하는 과정 - 영역은 디스플레이 장치의 제1 가상 레플리카 상의 제1 영역 컴포넌트 및 디스플레이 장치의 제2 가상 레플리카 상의 제2 영역 컴포넌트를 포함함 - ; 제1 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 결정하는 과정; 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 형성하도록 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 중첩하는 과정; 및 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정에 의해 계산된다. 제1 양태의 방법과 관련하여 설명된 임의의 다른 특징들은 제2 양태에서 정의된 바와 같이, 가상 이미지 포인트에 대한 각각의 서브-홀로그램을 계산하는 과정에 적용될 수도 있다.
방법은 가상 이미지의 홀로그램을 형성하도록 복수의 가상 이미지 포인트 각각의 각각의 서브-홀로그램을 중첩하는 과정을 더 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 홀로그램을 계산하는 방법이 제공된다. 홀로그램은 홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대한 가상 이미지이다. 방법은 가상 이미지의 각각의 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 결정하는 과정을 포함한다. 각각의 서브-홀로그램은, 각각의 가상 이미지 포인트로부터 관찰자를 향해 광파를 전파하는 과정; 가상 이미지와 관찰자 사이의 가상 표면에서 전파하는 광파의 교차점의 영역을 정의하는 과정으로서, 가상 표면은 디스플레이 장치 및 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 복수의 가상 레플리카를 포함하고, 정의된 영역은 각각의 가상 이미지 포인트로부터 관찰자의 눈의 입사 동공의 주변으로 직선 경로에 의해 경계 지어지는 상기 정의하는 과정; 복소 광 필드의 정의된 영역의 하나 이상의 서브-영역들을 식별하는 과정으로서, 각각의 서브-영역은 디스플레이 장치 및 복수의 가상 레플리카들 중 상이한 하나에 대응하는 위치에서 가상 표면과 교차하는 상기 식별하는 과정;에 의해 결정된다. 복소 광 필드의 하나 이상의 서브-영역들 각각은 서브-홀로그램의 각각의 컴포넌트를 형성한다.
다른 양태에서, 서브-홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 서브-홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대한 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 계산하는 방법이 제공된다. 방법은 각각의 가상 이미지 포인트로부터 관찰자를 향해 광파를 전파하는 과정을 포함한다. 방법은 가상 이미지와 관찰자 사이의 가상 표면에서 전파하는 광파의 교차점의 영역을 정의하는 과정을 더 포함한다. 가상 표면은 디스플레이 장치 및 디스플레이 장치의 적어도 제1 가상 레플리카 및 디스플레이 장치의 제2 가상 레플리카를 포함한다. 가상 레플리카들 각각은 도파관에 의해 형성된다. 정의된 영역은 각각의 가상 이미지 포인트로부터 관찰자의 눈의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 경계 지어진다. 방법은 디스플레이 장치의 제1 가상 레플리카 상의 광파의 정의된 영역의 적어도 제1 영역 컴포넌트 및 디스플레이 장치의 제2 가상 레플리카 상의 광파의 정의된 영역의 제2 영역 컴포넌트를 식별하는 과정을 더 포함하고, 광파의 영역 컴포넌트들 각각은 서브-홀로그램의 각각의 컴포넌트를 형성한다. 방법은 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정을 더 포함한다.
실시예들에서, 디스플레이 장치 및 복수의 가상 레플리카들을 포함하는 가상 표면은 엇갈린다(staggered). 특히, 디스플레이 장치의 각각의 레플리카는 각각의 레플리카와 연관된 도파관에서의 상이한 경로 길이들로 인해 디스플레이 장치로부터 상이한 수직 거리에 있다. 따라서, 각각의 레플리카와 연관된 가상 표면의 일부(예를 들어, x, y 차원들)는 수직 방향으로(예를 들어, z 차원으로) 디스플레이 장치로부터 오프셋된다.
포인트 클라우드 홀로그램을 계산하는 방법이 제공된다. 포인트 클라우드 홀로그램은 홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대한 가상 이미지의 홀로그램이다. 방법은 디스플레이 장치의 위치에 대응하는 위치에 포인트 클라우드 서브-홀로그램을 형성하는 과정을 포함한다. 방법은 또한 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 각각의 가상 레플리카에 대응하는 각각의 위치에서 포인트 클라우드 서브-홀로그램을 형성하는 과정을 포함한다. 각 포인트 클라우드 서브-홀로그램은 관찰자의 입사 동공을 통과할 수 있는 가상 이미지로부터의 광선만을 이용하여 형성된다.
실시예들에서, 방법은 디스플레이 장치로부터의 도파관 내의 대응하는 광학 경로를 홀로그램의 레플리카로 펼침으로써 디스플레이 장치의 각각의 레플리카의 위치를 결정하는 과정을 포함한다.
본 명세서에서 용어 "가상 이미지" 는 디스플레이 장치의 상류에 형성된 이미지 또는 홀로그래픽 재구성을 지칭하기 위해 이용된다. 즉, 디스플레이 장치는 가상 이미지와 관찰자 사이에 있다. 즉, 가상 이미지로부터 관찰자까지의 거리는 디스플레이 장치로부터 관찰자까지의 거리보다 더 크다. 가상 이미지를 보기 위해 관찰자가 디스플레이 장치를 통해 효과적으로 보는 것은 본 광학 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 가상 이미지는 디스플레이 장치 뒤의 수 미터에서 인지될 수 있다. 따라서, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 가상 이미지로부터의 광선 경로를, 디스플레이 장치 또는 디스플레이 장치를 포함하는 연장된 표면을 통해, 디스플레이 장치의 다른 측면 상의 관찰자에게 고려하는 것이 가능할 수 있는 방법을 이해할 것이다.
디스플레이 장치에 형성된 복수의 홀로그램의 각 홀로그램과 그 레플리카에 대한 접두사 "서브"는 전체 가상 이미지의 최종/결합된 홀로그램과는 구별하고, 각각이 홀로그램의 컴포넌트인 것을 반영하기 위해서만 이용된다. 홀로그램은 포인트 클라우드 홀로그램(point cloud hologram)일 수 있다. 따라서, 서브-홀로그램 및 서브-홀로그램 컴포넌트는 또한 각각 포인트 클라우드 서브-홀로그램 또는 포인트 클라우드 서브-홀로그램 컴포넌트일 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 도파관은 디스플레이 장치의 레플리카들의 어레이(본 명세서에서는 또한 가상 레플리카들로 지칭됨)를 효과적으로 형성하며, 각각의 디스플레이 장치 레플리카는 홀로그램의 각각의 레플리카에 대응한다. 디스플레이 장치들의 레플리카의 어레이는 본 명세서에서 "엇갈린 표면(staggered surface)"으로 지칭된다. 레플리카가 예를 들어 z-방향으로 디스플레이 장치의 표면에 수직인 방향으로 공간적으로 분리되기 때문에, "표면"은 연속적이지 않다. 표면은 z-방향으로 상이한 디스플레이 장치 레플리카들의 이러한 변화되는 분리를 반영하기 위해 엇갈린(staggered) 것으로 지칭된다. 일반적으로, 디스플레이 장치 레플리카들은 (임의의 스큐가 없을 때) z-방향으로 공간적으로 오프셋되는 상이한 x, y 평면들 상에 있다. 하나의 도파관을 이용하여 1 차원에서의 복제의 경우에, 엇갈린 표면은 일련의 프리-스탠딩(free-standing) 과정들과 유사할 수 있으며, 여기서 과정들의 라이저(riser)들이 존재하지 않는다. 동공 확장의 기술분야에서 알려진 바와 같이 2 개의 직교 도파관을 이용하여 2 개의 직교 방향으로 복제의 경우에, 엇갈린 표면은 2 개의 방향, 예를 들어 x 및 y 로 효과적으로 엇갈리지만 z-방향으로는 표면 컴포넌트가 없다. 용어 "가상 표면", "엇갈린 확장된 변조기" 및 "확장된 표면"은 또한 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 레플리카들의 어레이를 지칭하기 위해 본 명세서에서 이용될 수 있다. 본 개시는 각각의 서브-홀로그램이 각각의 가상 이미지 포인트로부터 뷰잉 시스템의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 정의된 엇갈린 또는 가상 표면의 영역에 공간적으로 대응하는 디스플레이 장치의 영역 내에서 어떻게 제한되는지/정의되는지를 설명한다. 엇갈린 또는 가상 표면의 영역은 서브-홀로그램을 위해 이용하는 디스플레이 장치의 기여 영역(contributory area)을 효과적으로 정의한다.
도파관 내에서 광학 경로를 "펼치는" 과정은 도파관 내에서 내부 반사 없이 자신의 출력 포트(즉, 레플리카의 광선)를 통해 도파관을 빠져나가는 광선을 가상 표면으로 역으로 추정하는 직선의 프로세스를 참조하여 설명된다. 레플리카의 모든 광선들을 가상 표면으로 역으로 추정함으로써 디스플레이 장치의 대응하는 가상 레플리카의 장소 또는 위치가 식별된다. 디스플레이 장치의 각각의 가상 레플리카는 각각의 레플리카와 연관된 도파관 내의 상이한 광학 경로 길이들로 인해 관찰자와는 상이한 거리에 있다. 본 개시는 예를 들어 xy 평면 상에서 디스플레이 장치 상에 위치 또는 공간적으로 정보를 보존하는 홀로그램을 결합하는 프로세스를 참조하여 서브-홀로그램의 컴포넌트 및 서브-홀로그램을 "중첩"하는 프로세스를 설명한다.
본 명세서에서 서브-홀로그램 또는 서브-홀로그램 컴포넌트를 다양한 "위치"에서 결정하는 것에 대한 참조는 - 또한 본 명세서에서 전파 또는 프로젝션 축으로 지칭될 수 있는 - 디스플레이 장치의 표면에 수직인 방향에서의 위치를 참조하여 이루어진다. 광학 기술 분야의 통상의 기술자에게 익숙한 바와 같이, 전파 축은 통상적으로 z-축으로 정의된다. 디스플레이 장치, 및 그 가상 레플리카들은 각각 통상적으로 xy 평면 상에 정의된다. 일부 실시예들에서, 포인트 클라우드 홀로그램들은 기술된 광파들을 기술된 정위치 또는 평면들로 전파함으로써 결정된다.
본 명세서에서는 각각의 서브-홀로그램을 직선들에 의해 정의/제한/묘사되는 영역 또는 영역들로 제한하도록(또는 그 내의 각각의 서브-홀로그램을 정의하도록) 참조된다. 각각의 영역은 가상 표면의 영역에 의해 정의되거나 그에 대응하는 디스플레이 장치의 영역이다. 예를 들어, 직선이 단일 가상 레플리카의 중간에 영역을 정의하는 경우, 서브-홀로그램은 디스플레이 장치의 그 중간 영역 내에 한정되거나/정의된다. 마찬가지로, 직선이 2 개 이상의 가상 레플리카와 교차하는 경우, 가상 레플리카의 각 영역(또는 가상 표면의 묘사된 영역의 "서브-영역")은 디스플레이 장치의 대응 영역(또는 "서브-영역")을 효과적으로 정의한다. 일부 실시예들에서, 중첩 영역들은 상이한 가상 레플리카들에 대해 정의되고, 이러한 영역들은 본 명세서에 개시된 추가적인 개선에 따라 상이하게 처리될 수 있다.
의심의 회피를 위해, 형성되거나 인지되는 이미지는 타겟 이미지의 홀로그래픽 재구성이다. 홀로그래픽 재구성은 타겟 이미지에 기초한 홀로그램으로부터 형성된다. 일부 실시예들에서, 홀로그램은 타겟 이미지로부터 결정(예를 들어, 계산)된다.
본 명세서에 개시된 방법은 메인 이미지의 가상 이미지 포인트를 형성하기 위한 기여 광 경로를 식별한다. 기여 광 경로는 관찰자의 입사 동공을 통과하는 가상 이미지로부터의 광 경로이고, 이에 의해 이미지 형성에 기여한다. 따라서, 방법은 주 이미지의 복사/복제 또는 " 고스트(ghost)" 버전에 기여하는 광 경로를 고려하지 않는다. 따라서, 계산된 홀로그램의 모든 "서브 홀로그램"은 " 메인 " 타겟 이미지에 긍정적으로 기여한다.
본 개시에서, 용어 "레플리카"는 단지 공간적으로 변조된 광이 복수의 상이한 광학 경로들을 따라 지향되도록 공간적으로 변조된 광이 분할되는 것을 반영하기 위해 이용된다. 단어 "레플리카"는 동공 확장기에 의한 부분 반사-전송과 같은 복제 이벤트 후에 복소 광 필드의 각각의 발생 또는 활동을 지칭하기 위해 이용된다. 각각의 레플리카는 상이한 광학 경로를 따라 이동한다. 본 개시의 일부 실시예들은, 그 자체로 이미지가 아니라, 이미지가 아닌 - 즉, 이미지의 홀로그램으로 공간적으로 변조된 광이 아닌 - 홀로그램으로 인코딩되는 광의 전파에 관한 것이다. 홀로그래피의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 홀로그램으로 인코딩된 광의 전파와 연관된 복소 광 필드가 전파 거리에 따라 변할 것이라는 것을 인식할 것이다. 본 명세서에서 용어 "레플리카"의 이용은 전파 거리에 독립적이고, 따라서 복제 이벤트와 연관된 광의 2 개의 브랜치(branch) 또는 경로는 여전히 브랜치가 상이한 길이이더라도 여전히 서로의 레플리카로 지칭되며, 따라서 복소 광 필드는 각각의 경로를 따라 상이하게 전개되었다. 즉, 2 개의 복소 광 필드는, 그들이 - 동일한 복제 이벤트 또는 일련의 복제 이벤트로부터 유발되었다라면 - 상이한 전파 거리들과 연관되어 있더라도 여전히 본 개시에 따른 "레플리카"로 간주된다.
본 개시에 따른 회절 광 필드 또는 회절된 광 필드는 회절에 의해 형성된 광 필드이다. 회절 광 필드는 대응하는 회절 패턴을 조명함으로써 형성될 수 있다. 본 개시에 따르면, 회절 패턴의 예는 홀로그램이고, 회절 광 필드의 예는 이미지의 홀로그래픽 재구성을 형성하는 홀로그래픽 광 필드 또는 광 필드이다. 홀로그래픽 광 필드는 재생 평면 상의 이미지의 (홀로그래픽) 재구성을 형성한다. 홀로그램으로부터 재생 평면으로 전파하는 홀로그래픽 광 필드는 홀로그램 도메인에서 홀로그램 또는 광으로/에 의해 인코딩된 광을 포함한다고 말할 수 있다. 회절 광 필드는 회절 구조의 최소 피처(feature) 크기 및 (회절 광 필드의) 광의 파장에 의해 결정되는 회절 각도에 의해 특징지어진다. 본 개시에 따르면, "회절 광 필드"는 대응하는 회절 구조로부터 공간적으로 분리된 평면 상에 재구성을 형성하는 광 필드일 수도 있다. 회절 구조로부터 관찰자까지(예를 들어, 디스플레이 장치로부터 뷰잉 시스템까지)회절 광 필드를 전파하기 위한 광학 시스템이 본 명세서에 개시된다. 회절된 광 필드는 이미지를 형성할 수 있다.
용어 "홀로그램(hologram)"은 객체에 대한 진폭 정보 혹은 위상 정보 또는 이들의 부분 조합을 포함하는 레코딩(recoding)을 지칭하는데 사용된다. 용어 "홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)"은 홀로그램을 조사하여 형성된 객체의 광학적 재구성을 지칭하는데 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템은, 홀로그래픽 재구성이 실제 이미지이고 홀로그램으로부터 공간적으로 분리되기 때문에, "홀로그래픽 프로젝터(holographic projector)"로서 설명된다. 용어 "재생 필드 (replay field)"는 홀로그래픽 재구성이 형성되고 완전히 포커스되는 2D 영역(2D area)을 지칭하는데 사용된다. 홀로그램이 픽셀들을 포함하는 공간 광 변조기 상에 표시되면, 재생 필드는 복수의 회절 차수(diffracted order)의 형상로 반복될 것이며, 여기서 각각의 회절된 차수는 0 차 재생 필드(zeroth-order replay field)의 복제물이다. 0 차 재생 필드는 가장 밝은 재생 필드이기 때문에 선호 혹은 일차적인 재생 필드에 일반적으로 해당한다. 달리 명시되지 않는 한, "재생 필드"라는 용어는 0 차 재생 필드를 가리키는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "재생 평면(replay plane)" 는 모든 재생 필드들을 포함하는 공간의 평면을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "이미지(image)", "재생 이미지(replay image)" 및 "이미지 영역(image region)"은 홀로그래픽 재구성의 광(light)에 의해 비춰지는 재생 필드의 영역들을 지칭한다. 일부 실시예에서, "이미지"는 "이미지 스팟들(image spots)" 또는 편의상 "이미지 픽셀들(image pixels)"로 지칭될 수 있는 개별적인 스팟들을 포함할 수 있다.
용어 "인코딩(encoding)", "쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"는 각각의 픽셀의 변조 레벨을 결정하는 각각의 복수의 제어 값들을 SLM의 복수의 픽셀들에게 제공하는 프로세스를 기술하는 데 사용된다. SLM의 픽셀은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "표시(display)"하도록 구성된다고 말할 수 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "표시"한다고 말할 수 있고 홀로그램은 광 변조 값들 혹은 레벨들의 어레이로 간주될 수 있다.
수용 가능한 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래의 객체의 푸리에 변환과 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 레코딩은 위상-한정 홀로그램(phase-only hologram)으로 지칭될 수 있다. 실시예들은 위상-한정 홀로그램에 관한 것이지만, 본 개시는 진폭-한정 홀로그래피(amplitude-only holography)에도 동일하게 적용될 수 있다. 실시예들은 포인트 클라우드 홀로그램들의 - 즉, 홀로그램들이 포인트 클라우드 방법들을 이용하여 형성됨 - 계산에 관한 것이다.
본 개시는 또한 원래의 객체의 푸리에 변환과 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는 데에도 동일하게 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이것은 원래의 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램(fully complex hologram)을 이용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램이라고 지칭될 수 있다. 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 모두 갖는 복소수로 표현될 수 있다. 일부 실시예에서, 완전-복소 컴퓨터-생성 홀로그램(fully-complex computer-generated hologram)이 계산된다.
컴퓨터-생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 픽셀들의 위상 값, 위상 성분, 위상 정보 또는, 단순히, 위상이 "위상-지연(phase-delay)"의 약어로 참조될 수 있다. 즉, 설명된 임의의 위상 값은, 실제로는, 해당 픽셀이 제공하는 위상 지연(phase retardation)의 양을 나타내는 (예컨대, 0 내지 2π 범위의) 숫자이다. 예를 들어, 위상 값을 갖는 것으로 설명된 공간 광 변조기의 픽셀은 수신된 광의 위상을 라디안으로 지연시킨다. 일부 실시예에서, 공간 광 변조기의 각 픽셀은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들) 중 하나로 작동 가능하다. 용어 "그레이 레벨(grey level)"은 복수의 이용 가능한 변조 레벨들을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 용어 "그레이 레벨"은 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 음영들을 제공하지 않더라도 위상-한정 변조기에서 복수의 이용 가능한 위상 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다. 용어 "그레이 레벨"은 또한 복소 변조기에서 이용 가능한 복수의 복소 변조 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다.
따라서 홀로그램은 그레이 레벨들의 어레이를 - 즉, 위상-지연 값들 또는 복소 변조 값들의 어레이와 같은 광 변조 값들의 어레이를 - 포함한다. 또한 홀로그램은, 공간 광 변조기에 표시될 때 그리고 공간 광 변조기의 픽셀 피치(pixel picth)에 필적하는, 일반적으로 그보다는 작은, 파장을 갖는 광으로 조사될 때, 회절을 유발하는 패턴이기 때문에, 회절 패턴으로 간주된다. 홀로그램을 렌즈 또는 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴들과 같은 다른 회절 패턴들과 결합하는 것이 본 명세서에 참조된다. 예를 들어, 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴이 재생 평면 상에 재생 필드를 변환하도록 홀로그램과 결합되거나, 렌즈로 기능하는 회절 패턴이 근거리 장(near field)의 재생 평면 상에 홀로그래픽 재구성을 포커스하도록 홀로그램과 결합될 수 있다.
다양한 실시예들 및 실시예들의 그룹이 후술되는 상세한 설명에서 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합(combination)과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징의 모든 가능한 조합 및 순열(permutation)이 고려된다.
특정 실시예는 다음 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2는 복수의 이미지 영역을 포함하는 이미지(하부) 및 복수의 홀로그램 컴포넌트를 포함하는 대응하는 홀로그램(상부)을 도시한다.
도 3은 홀로그래픽적으로 인코딩된 광의 복수의 개별 홀로그램 채널로 라우팅 또는 채널링(channeling)에 의해 특징지어지는 홀로그램을 도시한다.
도 4는 도 3의 각각의 홀로그램 채널의 광 콘텐츠를 상이한 광학 경로를 통해 눈으로 라우팅하도록 구성된 시스템을 도시한다.
도 5는 빔을 2 차원으로 확장하기 위해 구성된 한 쌍의 적층된 이미지 복제기의 사시도를 도시한다.
도 6은 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 복수의 레플리카들 및 디스플레이 장치를 포함하는 3D 어레이를 포함하는 확장된 변조기 또는 가상 표면의 예시적인 시각화를 도시한다.
도 7은 홀로그램에 의해 홀로그래피적으로 재구성되는 원하는 가상 이미지의 제1 및 제2 예시적인 이미지 포인트들로부터 전파되는 파동의 경로들을 도시하는, 확장된 변조기를 이용하여 포인트 클라우드 홀로그램을 계산하기 위한 배열을 도시한다.
도 8은 도 7의 배열의 제1 예시적인 이미지 포인트에 대한 서브 홀로그램의 계산을 도시한다.
도 9는 도 7의 배열의 제2 예시적인 이미지 포인트에 대한 서브 홀로그램의 계산을 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 광이 제2 예시적인 이미지 포인트와 같은 단일 서브-홀로그램 컴포넌트를 포함하는 서브-홀로그램으로 인코딩될 때 형성되는 실제 이미지 포인트에 관한 것이다.
도 11a 내지 도 11c는 광이 제1 예시적인 이미지 포인트와 같은 복수의 레플리카들에 걸친 영역에 형성된 복수의 서브-홀로그램 컴포넌트들을 포함하는 서브-홀로그램으로 인코딩될 때 형성되는 실제 이미지 포인트에 관한 것이다.
도 12는 본 개시에 따른 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 계산하는 방법의 흐름도이다.
도 13은 형성된 이미지 포인트에서의 신장 에러의 제거를 도시한다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 이용된다.
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2는 복수의 이미지 영역을 포함하는 이미지(하부) 및 복수의 홀로그램 컴포넌트를 포함하는 대응하는 홀로그램(상부)을 도시한다.
도 3은 홀로그래픽적으로 인코딩된 광의 복수의 개별 홀로그램 채널로 라우팅 또는 채널링(channeling)에 의해 특징지어지는 홀로그램을 도시한다.
도 4는 도 3의 각각의 홀로그램 채널의 광 콘텐츠를 상이한 광학 경로를 통해 눈으로 라우팅하도록 구성된 시스템을 도시한다.
도 5는 빔을 2 차원으로 확장하기 위해 구성된 한 쌍의 적층된 이미지 복제기의 사시도를 도시한다.
도 6은 도파관에 의해 형성된 디스플레이 장치의 복수의 레플리카들 및 디스플레이 장치를 포함하는 3D 어레이를 포함하는 확장된 변조기 또는 가상 표면의 예시적인 시각화를 도시한다.
도 7은 홀로그램에 의해 홀로그래피적으로 재구성되는 원하는 가상 이미지의 제1 및 제2 예시적인 이미지 포인트들로부터 전파되는 파동의 경로들을 도시하는, 확장된 변조기를 이용하여 포인트 클라우드 홀로그램을 계산하기 위한 배열을 도시한다.
도 8은 도 7의 배열의 제1 예시적인 이미지 포인트에 대한 서브 홀로그램의 계산을 도시한다.
도 9는 도 7의 배열의 제2 예시적인 이미지 포인트에 대한 서브 홀로그램의 계산을 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 광이 제2 예시적인 이미지 포인트와 같은 단일 서브-홀로그램 컴포넌트를 포함하는 서브-홀로그램으로 인코딩될 때 형성되는 실제 이미지 포인트에 관한 것이다.
도 11a 내지 도 11c는 광이 제1 예시적인 이미지 포인트와 같은 복수의 레플리카들에 걸친 영역에 형성된 복수의 서브-홀로그램 컴포넌트들을 포함하는 서브-홀로그램으로 인코딩될 때 형성되는 실제 이미지 포인트에 관한 것이다.
도 12는 본 개시에 따른 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 계산하는 방법의 흐름도이다.
도 13은 형성된 이미지 포인트에서의 신장 에러의 제거를 도시한다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 이용된다.
본 발명은 다음에 설명되는 실시예들에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 연장한다. 즉, 본 발명은 다른 형상들로 실시될 수 있으며 설명의 목적으로 제시된 기재된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
단수형의 용어는 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다.
다른 구조물의 상부/하부 또는 상/하에 형성된 구조물이라고 기술된 경우, 구조물들이 서로 접촉하는 경우 및 제3의 구조물이 그 사이에 배치되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
시간 관계를 기술함에 있어서, 사건의 시간 순서가 예를 들어 "후", "후속", "다음", "전" 등으로 기술될 때, 본 개시는 별도로 규정하지 않는 한은 연속적 및 비연속적 사건을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 그 기재가 "막(just)", "바로(immediate)" 또는 "직접(direct)"라는 기재가 이용되지 않는 한, 비연속적 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
본 명세서에서 다양한 요소들을 설명하기 위해 "제1", "제2" 등의 용어가 이용될 수 있지만, 이러한 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 이용된다. 예를 들어, 제1 요소는 제2 요소로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2 요소는 첨부된 청구범위를 벗어남 없이 제1 요소로 지칭될 수 있다.
상이한 실시예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양하게 서로 상호 작용할 수 있다. 일부 실시예들은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 서로 연계되어 함께 수행될 수도 있다.
광학 구성
도 1은 컴퓨터-생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기에서 인코딩되는 실시예를 도시한다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 할 수 있다. 본 실시예에서, 공간 광 변조기는 반사형의 액정-온-실리콘(liquid crystal on silicon: "LCOS")장치이다. 홀로그램은 공간 광 변조기에서 인코딩되고 홀로그래픽 재구성은 재생 필드, 예컨대 스크린 또는 디퓨저(diffuser)와 같은 수광 표면(light receiving surface)에 형성된다.
예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅 렌즈(collimating lens, 111)를 통해 SLM(140)을 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 도 1에서, 파면의 방향은(예컨대, 투명층의 평면에 대해 완전 수직으로부터 2도 또는 3도 정도 떨어진) 오프-노멀(off-normal)하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 전체적으로 평면인 파면은 법선 방향으로 입사되고, 입력 및 출력 광경로들을 분리하기 위한 빔 스플리터 배치(beam splitter arrangement)가 이용된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 미러형 후방 표면(mirrored rear surface)에 반사되며 출사 파면(exiting wavefront, 112)을 형성하기 위해 광 변조층과 상호작용하게 한다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다. 더욱 상세하게, 푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM(140)으로부터 출사되는 변조된 광의 빔을 전달 받아 스크린(125)에 홀로그래픽 재구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환을 수행한다.
특히, 이러한 유형의 홀로그래피에서 홀로그램의 각 픽셀은 전체 재구성에 관여한다. 재생 필드의 특정 지점들(또는 이미지 픽셀들)과 특정 광-변조 요소들(또는 홀로그램 픽셀들)사이에는 일대일 상관 관계가 없다. 다시 말해, 광-변조 층을 나가는 변조된 광은 재생 필드에 분포된다.
이러한 실시예들에서, 공간에서 홀로그래픽 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절(포커싱)력(dioptric(focusing) power)에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이며, 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 어떤 렌즈라도 푸리에 변환 렌즈 역할을 할 수 있지만, 수행되는 푸리에 변환의 정확도는 렌즈의 성능에 좌우된다. 통상의 기술자라면 렌즈를 이용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해할 수 있다.
홀로그램 계산
일부 실시예에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에-기반 홀로그램이며, 여기서 이미지는 포지티브 렌즈의 푸리에 변환 특성을 이용하여 원거리 장(far field)에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 재생 평면에서 원하는 광 필드(light field)를 푸리에 변환하여 렌즈 평면에 오도록 계산된다. 컴퓨터-생성 푸리에 홀로그램은 푸리에 변환을 이용하여 계산될 수 있다. 실시예들은 단지 예에서 푸리에 홀로그램피 및 Gerchberg-Saxton 유형의 알고리즘들에 관한 것이다. 본 개시는 동일하게 프레넬 홀로그래피 및 유사한 방법에 의해 계산될 수 있는 프레넬 홀로그램들이 적용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 홀로그램은 위상 또는 위상-한정 홀로그램이다. 그러나 실시예들은 포인트 클라우드 방법들에 의해 계산된 홀로그램에 관한 것이다. 본원에 참조로 통합된, 2021년 8월 26일에 출원된 영국 특허 출원 GB 2112213.0은 본 개시와 조합될 수 있는 예시적인 홀로그램 계산 방법을 개시한다. 특히, 이전의 특허 출원은 이미지 콘텐츠를 각으로 분할/채널링하는, 도 2 및 도 3 을 참조하여 아래에서 설명되는 (특수) 타입의 홀로그램을 계산하기 위한 방법들을 설명한다.
일부 실시예에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 이용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시예들에서, 이미지 데이터는 이미지 프레임들의 시퀀스를 포함하는 비디오이다. 다른 실시예들에서, 홀로그램은 미리 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되고, SLM 상에 표시하기 위해 필요에 따라 호출된다. 즉, 일부 실시예들에서, 미리 결정된 홀로그램들의 저장소가 제공된다.
광 변조
디스플레이 시스템은 디스플레이 시스템의 출사 동공을 정의하는 디스플레이 장치를 포함한다. 디스플레이 장치는 공간 광 변조기이다. 공간 광 변조는 위상 변조기일 수 있다. 디스플레이 장치는 본 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, 실리콘 상의 액정, "LCOS", 공간 광 변조기일 수 있다. LCOS SLM은 사각형 모양의 LC 픽셀들의 어레이와 같은 복수의 픽셀들을 포함한다. 픽셀들은 홀로그램을 포함하는 회절 패턴으로 어드레싱되거나 인코딩될 수 있다. LCOS SLM은 홀로그램을 "표시"하는 것으로 말할 수 있다. LCOS SLM은 광으로 조명되고 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 광을 출력하도록 구성된다. LCOS SLM에 의해 출력되는 공간적으로 변조된 광은 본 명세서에 설명된 바와 같은 회절 또는 홀로그래픽 광 필드를 포함한다.
광 채널링
본 명세서에 개시된 광학 시스템은 임의의 회절 광 필드를 갖는 동공 확장에 적용가능하다. 일부 실시예들에서, 회절 광 필드는 홀로그래픽 광 필드 - 즉, 이미지 그 자체가 아닌, 이미지의 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 복소 광 필드 -이다. 일부 실시예들에서, 홀로그램은 이미지 콘텐츠를 각으로 분할/채널링하는 특수 유형의 홀로그램이다. 이러한 유형의 홀로그램은 본 개시와 호환가능한 회절 광 필드의 예로서 본 명세서에서 추가로 설명된다. 본 명세서에 개시된 디스플레이 시스템 및 광 엔진과 함께 다른 유형의 홀로그램이 이용될 수 있다.
도파관 동공 확장기를 포함하는 디스플레이 시스템 및 방법이 이하에 설명된다. 통상의 기술자에게 익숙한 바와 같이, 도파관은 "동공 확장기"로서 구성될 수 있는데, 이는 비교적 작은 광 방출기 - 본 명세서에 설명된 구성에서 이용되는 바와 같이 상대적으로 작은 SLM 또는 다른 픽셀화된 디스플레이 장치와 같음 - 에 의해 방출된 광이 광 방출기로부터 멀리 떨어진 거리에 위치된 인간 관찰자 또는 다른 뷰잉 시스템에 의해 보여질 수 있는 영역을 증가시키는 데 이용될 수 있기 때문이다. 도파관은 광이 출력되는 송신 포인트들의 수를 관찰자를 향해 증가시킴으로써 이것을 달성한다. 그 결과, 광은 복수의 상이한 관찰자 위치들로부터 보여질 수 있고, 예를 들어, 관찰자는 그들의 머리를 이동시킬 수 있고, 따라서 그들의 시선을 이동시킬 수 있는 한편, 여전히 광 이미터로부터의 광을 볼 수 있다. 따라서, 관찰자의 '아이-박스' 또는 '아이-모션 박스'가 도파관 동공 확장기의 이용을 통해 확대되었다고 말할 수 있다. 이것은 예를 들어 한정되지 않게 헤드업 디스플레이에, 예를 들어 한정되지 않게 차량의 헤드업 디스플레이에 유용하게 적용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 디스플레이 시스템은 적어도 하나의 차원으로, 예를 들어 2 차원으로, 동공 확장을 제공하기 위해 도파관 동공 확장기를 통해, 회절 광 필드와 같은 광을 안내하도록 구성될 수 있다. 회절 광 필드는 LCOS SLM과 같은 공간 광 변조기(SLM)에 의해 출력된 광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 회절 광 필드는 SLM 에 의해 표시된 홀로그램에 의해 인코딩된 광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 회절 광 필드는, SLM에 의해 표시된 홀로그램에 대응하는 홀로그래피적으로 재구성된 이미지의 광을 포함할 수 있다. 홀로그램은, 포인트 클라우드 홀로그램, 프레넬 홀로그램, 또는 푸리에 홀로그램과 같은, 그러나 이에 제한되지 않게 컴퓨터-생성 홀로그램(CGH)를 포함할 수 있다. 홀로그램은 '회절 구조'또는 '변조 패턴'으로 지칭될 수 있다. SLM 또는 다른 디스플레이 장치는, 통상의 기술자에게 익숙할 방식으로, 홀로그램 및 소프트웨어 렌즈 또는 회절 격자와 같은 하나 이상의 다른 엘리먼트들을 포함하는 회절 패턴(또는 변조 패턴)을 표시하도록 구성될 수 있다.
홀로그램은 회절 광 필드의 채널링을 제공하도록 계산될 수 있다. 이것은 GB2101666.2, GB2101667.0, 및 GB2112213.0 각각에서 상세히 설명되며, 이들 모두는 본 명세서에 참고로 통합된다. 일반적으로, 홀로그램은 홀로그래픽적으로 재구성될 이미지에 대응하도록 계산될 수 있다. 홀로그램이 대응하는 이미지는 '입력 이미지' 또는 '타겟 이미지'로 지칭될 수 있다. 홀로그램은, SLM 상에 표시되고 적절하게 조명될 때, 공간적으로 변조된 광의 콘을 포함하는 광 필드(SLM 에 의해 출력된)를 형성하도록 계산될 수 있다. 일부 실시예들에서, 콘은 이미지의 각각의 연속적인 영역들에 대응하는 공간적으로 변조된 광의 복수의 연속적인 광 채널들을 포함한다. 그러나, 본 개시는 이러한 유형의 홀로그램으로 제한되지 않는다.
본 명세서에서 '홀로그램' 또는 '컴퓨터-생성 홀로그램(CGH)'이라 지칭되지만, SLM이 순차적으로 또는 시퀀스에 따라 복수의 상이한 홀로그램을 동적으로 표시하도록 구성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 복수의 상이한 홀로그램의 동적 디스플레이에 적용 가능하다.
도 2 및 도 3 은 본 명세서에 개시된 바와 같은 동공 확장기와 함께 이용될 수 있는 SLM과 같은 디스플레이 장치 상에 표시될 수 있는 홀로그램의 유형의 예를 도시한다. 그러나, 이 예는 본 개시에 대해 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
도 2는 8 개의 이미지 영역들/컴포넌트들(V1 내지 V8)을 포함하는 프로젝션을 위한 이미지(252)를 도시한다. 도 2는 단지 예로서 8 개의 이미지 컴포넌트들을 도시하고, 이미지(252)는 임의의 수의 컴포넌트들로 분할될 수 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 제1 내지 제8 이미지 컴포넌트들/영역들(V1 내지 V8)에 대응하는 제1 내지 제8 서브-홀로그램들 또는 컴포넌트들(H1 내지 H8)을 포함한다. 도 2는 홀로그램이 어떻게 이미지 콘텐츠를 각도로 분해할 수 있는지를 더 도시한다. 따라서, 홀로그램은 그것이 수행하는 광의 채널링(channeling)에 의해 특징지어질 수 있다. 이것은 도 3 에 도시되어 있다. 구체적으로, 이 예에서의 홀로그램은 광을 복수의 개별 영역으로 지향시킨다. 개별 영역들은 도시된 예의 디스크들이지만, 다른 형상들이 그려질 수 있다. 최적 디스크의 크기 및 형상은 도파관을 통한 전파 후에, 뷰잉 시스템의 입사 동공의 크기 및 형상과 관련될 수 있다.
도 4 는 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 계산된 홀로그램을 표시하는 디스플레이 장치를 포함하는 시스템(400)을 도시한다.
시스템(400)은 디스플레이 장치를 포함하고, 이러한 구성에서 LCOS(402)를 포함한다. LCOS(402)는 홀로그램을 포함하는 변조 패턴(또는 "회절 패턴")을 표시하고, 개구(404)로서 작용하는 동공, 렌즈(409), 및 뷰잉 평면으로서 작용하는 망막(미도시)을 포함하는 눈(405)을 향해 홀로그래픽적으로 인코딩된 광을 투사하도록 구성된다. LCOS(402)를 조명하도록 구성된 광원(미도시)이 존재한다. 눈(405)의 렌즈(409)는 홀로그램-대-이미지 변환을 수행한다. 광원은 임의의 적절한 유형일 수 있다. 예를 들어, 광원은 레이저 광원을 포함할 수 있다.
뷰잉 시스템(400)은 LCOS(402)와 눈(405)사이에 위치된 도파관(408)을 더 포함한다. 도파관(408)의 존재는, 도시된 상대적으로 큰 프로젝션 거리에도 LCOS(402)로부터의 모든 각도 콘텐츠가 눈에 의해 수신될 수 있게 한다. 이는 잘 알려진 방식으로 도파관(508)이 동공 확장기로서 작용하기 때문이며, 여기서는 단지 간략히 설명된다.
간단히 말해서, 도 4에 도시된 도파관(408)은 실질적으로 세장형의 형성물을 포함한다. 이 예에서, 도파관(408)은 굴절 재료의 광학 슬래브(slab)를 포함하지만, 다른 유형의 도파관도 잘 알려져 있고 이용될 수 있다. 도파관(408)은 LCOS(402)로부터 투사되는 광 콘(즉, 회절 광 필드)과 교차하도록, 예를 들어 비스듬한 각도로 위치된다. 이 예에서, 도파관(408)의 크기, 배치, 및 위치는 광 콘 내의 8 개의 광선 다발 각각으로부터의 광이 도파관(408)에 진입하는 것을 보장하도록 구성된다. 광 콘으로부터의 광은 그의 제1 평면 표면(lcos(402)에 가장 가깝게 위치됨)을 통해 도파관(408)으로 들어가고, 제1 표면(눈에 가장 가까이 위치됨)에 실질적으로 대향하는 그것의 제2 평면 표면을 통해 방출되기 전에 도파관(408)의 길이를 따라 적어도 부분적으로 안내된다. 잘 이해되는 바와 같이, 제2 평면 표면은 부분적으로 반사형이고, 부분적으로 투과형이다. 다시 말해서, 광의 각각의 광선이 제1 평면 표면으로부터 도파관(408)내에서 이동하고 제2 평면 표면에 부딪칠 때, 광의 일부는 도파관(408)으로부터 투과될 것이고 일부는 제2 평면 표면에 의해 다시 제1 평면 표면을 향해 반사될 것이다. 제1 평면 표면은 반사형이어서, 도파관(408)내로부터 이를 타격하는 모든 광이 제2 평면 표면을 향해 다시 반사될 것이다. 따라서, 광의 일부는 투과되기 전에 도파관(408)의 2 개의 평면 표면들 사이에서 단순히 굴절될 수 있는 반면, 다른 광은 반사될 수 있고, 따라서 투과되기 전에 도파관(408)의 평면 표면들 사이에서 하나 이상의 반사(또는 '바운스')를 겪을 수 있다.
도 4는 도파관(408)의 길이를 따라 총 9 개의 바운스 포인트(B0 내지 B8)를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이 이미지(V1-V8)의 모든 포인트들에 관한 광이 도파관(408)의 제2 평면 표면으로부터 각각 "바운스"에서 도파관으로부터 투과되더라도 이미지의 하나의 각도 부분으로부터의 광(예를 들어, V1 내지 V8 중 하나의 광)만이 각각의 개별 "바운스" 포인트(B0 내지 B8)으로부터 눈(405)에 도달할 수 있게 하는 궤적을 갖는다. 더욱이, 이미지의 상이한 각도 부분(v1 내지 v8)으로부터의 광은 각각의 "바운스" 포인트로부터 눈(405)에 도달한다. 따라서, 인코딩된 광의 각각의 각도 채널은 도 4의 예에서 도파관(408)으로부터 단지 한 번만 눈에 도달한다.
전술한 방법 및 구성은 다양한 상이한 애플리케이션 및 뷰잉 시스템에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들은 헤드업 디스플레이(HUD)또는 증강 현실(AR) HMD 와 같은 헤드 또는 헬멧 장착 디바이스(HMD)에서 구현될 수 있다.
인지된 이미지를 형성하기 위해 수신된 변조 광을 변환하기 위해 눈을 필요로 하는 가상 이미지들이 일반적으로 본 명세서에서 논의되었지만, 본 명세서에 설명된 방법들 및 구성들이 실제 이미지들에 적용될 수 있다.
2차원 동광 확장
도 4에 도시된 구성은 하나의 차원에서 동공 확장을 제공하는 단일 도파관을 포함하지만, 동공 확장은 하나 초과의 차원으로, 예를 들어 2 차원으로 제공될 수 있다. 더욱이, 도 4의 예는 각각 이미지의 상이한 부분에 대응하는 광의 채널을 생성하도록 계산된 홀로그램을 이용하지만, 이하에서 설명되는 본 개시 및 시스템은 이러한 홀로그램 유형에 제한되지 않는다.
도 5는 2 차원으로 광 빔(502)을 확장하기 위해 구성된 2 개의 복제기(504, 506)를 포함하는 시스템(500)의 사시도를 도시한다.
도 5의 시스템(500)에서, 제1 복제기(504)는 서로 평행하게 적층되고 도 4 의 도파관(408)과 유사한 방식으로 복제를 - 또는 동공 확장을 - 제공하도록 구성되는 제1 쌍의 표면들을 포함한다. 제1 쌍의 표면들은 서로 유사하게(일부의 경우에, 동일하게) 크기 및 형상이 부여되고 실질적으로 한 방향으로 길게 늘어난 형상일 수 있다. 광 빔(502)은 제1 복제기(504) 상의 입력을 향해 지향된다. 2 개의 표면들 사이의 내부 반사의 프로세스, 및 표면들 중 하나(도 5에 도시된 바와 같은 상부 표면) 상의 복수의 출력 포인트들 각각으로부터의 광의 부분 투과로 인해, 통상의 기술자에게 익숙하게, 광 빔(502)의 광은 제1 복제기(504)의 길이를 따라 제1 방향으로 복제된다. 따라서, 복수의 제1 레플리카 광 빔들(508)은 제1 복제기(504)로부터 제2 복제기(506)를 향해 방출된다.
제2 복제기(506)는 서로 평행하게 적층되고, 복수의 제1 광 빔들(508)의 시준된 광 빔들 각각을 수신하도록 구성되고, 및 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 이들 광 빔들 각각을 확장함으로써 복제를 - 또는 동공 확장을 - 제공하도록 추가로 구성된 제2 쌍의 표면들을 포함한다. 제1 쌍의 표면들은 서로 유사하게(일부 경우들에서, 동일하게) 크기 및 형상이 부여되고 실질적으로 직사각형이다. 직사각형 형상은, 복수의 제1 광 빔들(508)을 수신하기 위해 제1 방향을 따라 길이를 갖고, 제2 방향으로 복제를 제공하기 위해 수직한 제2 방향을 따른 길이를 갖도록 제2 복제기 구현을 위한 것이다. 2 개의 표면들 사이의 내부 반사의 프로세스, 및 표면들 중 하나(도 5 에 도시된 바와 같이, 상부 표면) 상의 복수의 출력 포인트들 각각으로부터의 광의 부분 투과으로 인해, 복수의 제1 광 빔들(508) 내의 각각의 광 빔의 광은 제2 방향으로 복제된다. 따라서, 복수의 제2 광 빔들(510)은 제2 복제기(506)로부터 방출되고, 복수의 제2 광 빔들(510)은 제1 방향 및 제2 방향 각각을 따라 입력 광 빔(502)의 레플리카들을 포함한다. 따라서, 복수의 제2 광 빔들(510)은 복제 광 빔들의 2 차원 그리드 또는 어레이를 포함하는 것으로 간주될 수 있다.
따라서, 도 5 의 제1 복제기(504) 및 제2 복제기(505)는 2 차원 복제기(또는, 2 차원 동공 확장기)를 제공하도록 결합한다고 말할 수 있다.
도파관 또는 도파관들에 의해 형성되는 디스플레이 장치의 가상 레플리카들
도 6은 디스플레이 장치 상에 형성된 홀로그램을 포함하는 3D 어레이 및 도파관에 의해 형성된 홀로그램의 복수의 레플리카를 포함하는 "확장된 변조기" 또는 "가상 표면"의 예시적인 시각화를 도시한다.
도 4 를 참조하여 위에서 언급된 바와 같이, 1 차원 도파관(408)은 디스플레이 시스템의 출사 동공을 확장하도록 구성될 수 있다. 디스플레이 시스템은 도파관(408)의 "바운스" 포인트(B0)에서 출력되는 홀로그램을 표시하는 디스플레이 장치(402)를 포함한다. 또한, 도파관은 동공 확장의 방향에 대응하는, 그 길이를 따라 각각의 "바운스" 포인트(B1 내지 B8)에서 홀로그램의 복수의 레플리카를 형성한다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 복수의 레플리카들은 직선으로, 대응하는 복수의 복제 또는 가상 디스플레이 장치들(402 ')로 역으로 추정될 수 있다. 이 프로세스는 도파관 내에서 광 경로를 "펼치는(unfolding)" 과정에 대응하며, 따라서 레플리카의 광선은 도파관 내에서 내부 반사 없이 "가상 표면"으로 역으로 추정된다. 따라서, 확장된 출사 동공의 광은 디스플레이 장치(402)및 레플리카 디스플레이 장치(402 ')를 포함하는 가상 표면(본 명세서에서 "확장된 변조기" 라고 지칭됨)으로부터 발생하는 것으로 간주될 수 있다.
홀로그램을 계산하는 제안된 방법은, 디스플레이 장치(예를 들어, LCOS SLM)가 하나 이상의 도파관 동공 확장기에 의해 형성될 가상 레플리카의 어레이에 의해 "확장"되어, (예를 들어, 도 4 에 도시된 바와 같이) 확장된 변조기 또는 가상 표면을 형성하는 소위 "확장된 변조기"를 정의한다. 예를 들어, 디스플레이 장치(예컨대, LCOS SLM)는 도 6 에 도시된 확장된 변조기의 위치 (0, 0)에 배치될 수 있고, 2 개의 1 차원 동공 확장기들에 의해 형성되는 (가상) 레플리카들(즉, 레플리카 디스플레이 장치들)은 동공 확장의 제1 방향으로 (0,2) 및 동공 확장의 제2 방향으로 (4, 0)까지 연장되는 위치들에 배치된다. 광 경로의 방향은 화살표(601)에 의해 도시되며, 화살표(601)는 동공 확장의 제1 및 제2 방향에 수직이다.
따라서,각도(공간) 및 동공 확장의 대응하는 방향에 의해 정의된 제1 도파관 동공 확장기(예를 들어, 세장형 도파관)에서 생성된 레플리카들 사이의 제1 오프셋(i), 각도(공간) 및 동공 확장의 대응하는 방향에 의해 정의된 제2 도파관 동공 확장기(예를 들어, 평면 도파관)에서 생성된 레플리카들 사이의 제2 오프셋(ii), - 도 6 에서 일반적인 평행사변형 형상을 생성하는 - 제1 오프셋과 제2 오프셋의 방향 사이의 임의의 스큐(iii), 및 - 도 6 에 도시된 방향(601)으로의 - 디스플레이 장치 레플리카와 눈 위치 사이의 광학 경로 길이(차이)(iv)를 포함하는 확장된 변조기가 정의된다.
도 7 은 본 개시에 따른, 도 6 에 도시된 확장된 변조기와 같은 확장된 변조기를 이용하여 포인트 클라우드 홀로그램을 계산하기 위한 배열를 도시한다.
배열은 공간 내의 원하는 가상 이미지 위치에서의 가상 이미지(700) 및 뷰잉 시스템의 입구 개구(730)를 형성하는 동공을 갖는 눈(720)을 포함하는 뷰잉 시스템을 포함한다. 배열은 아이-박스 내의 눈(720)의 하나의 위치를 도시한다. 따라서, 포인트 클라우드 홀로그램은 특정 아이-박스 위치와 연관된다. 또한, 배열은 가상 이미지(700)와 눈(720) 사이에 위치된 확장된 변조기(또는 가상 표면)(710)를 포함한다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 도 7에서, 광 경로는 도파관 내에서 효과적으로 펼쳐진다.
종래 기술에 잘 알려진 포인트 홀로그램을 계산하기 위한 종래의 기술에 따르면, 구면파(또는 "웨이블릿")는 각 가상 이미지 포인트로부터 디스플레이 장치의 평면으로 경로를 따라 전파된다. 포인트 클라우드 홀로그램은, 각각의 가상 이미지 포인트로부터 디스플레이 장치의 평면과의 교차점의 각각의 영역에 전파하는 웨이블릿에 의해 형성되는 복소 광 패턴(즉, 진폭 및 위상 분포를 갖는 복소 광 필드)에 기초하여(예를 들어, 결합/중첩함으로써) 결정된다. 각각의 가상 이미지 포인트와 연관된 웨이블릿의 복소 광 패턴은 디스플레이 장치의 평면과의 교차점의 대응 영역에서 "캡처되는" 것으로 말할 수 있다.
그러나, 본 개시에 따르면, 포인트 클라우드 홀로그램은 각각의 가상 이미지 포인트로부터 그 각각의 가상 이미지 포인트로부터 확장된 변조기 또는 가상 표면과의 교차점 영역에 전파하는 웨이블릿에 의해 형성되는 복소 광 패턴(즉, 진폭 및/또는 위상 분포)에 기초하여(예를 들어, 결합/중첩함으로써) 결정된다. 또한, 관찰자의 눈에 도달하는 가상 이미지 포인트들로부터 전파되는 웨이블릿들의 부분들만이 고려된다.
도 7 은 관찰자의 눈(720)으로부터 원하는 거리에 위치된 가상 이미지(700)의 예시적인 제1 및 제2 가상 이미지 포인트들(701, 702)을 도시한다. 파선으로 도시된 바와 같이, (확장하는) 구면파들 또는 웨이블릿들은 각각의 예시적인 가상 이미지 포인트(701, 702)로부터 확장된 변조기(710)를 통해 관찰자의 눈(720)의 입구 개구(730)로 전파된다. 한 쌍의 제1 직선들(711)은 제1 가상 이미지 포인트(701)로부터 연관된 웨이블릿(의 관련 부분)의 에지/둘레를 나타내는 입구 개구(730)의 대향하는 극단적인 위치들(즉, 도면에서 좌측 및 우측)로 연장된다. 유사하게, 한 쌍의 제2 직선들(721)은 제2 가상 이미지 포인트(702)로부터 연관된 웨이블릿(의 관련 부분)의 에지/둘레를 나타내는 입구 개구(730)의 대향하는 극단적인 위치/에지(즉, 도면에서 좌측 및 우측)로 연장된다. 제1 및 한 쌍의 제2 직선들(711, 721)은 확장된 변조기(710)(또는 가상 표면)를 갖는 교차점(800, 900)의 각각의 영역을 갖는다. 따라서, 제1 및 한 쌍의 제2 직선들(711, 721)은, 특정 아이-박스 위치에서 관찰자의 눈(720)의 입구 개구(730)(즉, 동공)를 통과할 수 있는 제1 및 제2 가상 이미지 포인트(701, 702)와 각각 연관된, 본 개시에 따른, 원하는 웨이블렛(의 부분)을 "기술"(즉, 주위의 경계를 형성)한다. 이하의 설명에서, 가상 이미지 포인트로부터 전파되는 '웨이블릿'에 대한 참조는 전술한 바와 같이 직선 라인에 의해 기술되는 전파하는 파의 부분에 관련된다.
여기서 설명된 바와 같이, 확장된 변조기는 엇갈리기(staggered) 때문에, 각각의 가상 이미지 포인트로부터 전파하는 웨이블릿의 교차점의 영역은 전파 방향에서 상이한 거리에 - 또는 (디스플레이 장치의 평면에 대해) 상이한 수직 거리에 - 있다. 특히, 상이한 가상 이미지 포인트들로부터 전파되는 웨이블릿들은 확장된 변조기(710)의 (디스플레이 장치의) 상이한 "레플리카들"을 통과한다. 일부 웨이블릿들은 - 예를 들어, 가상 이미지 포인트(701)와 연관된 것 - 복수의 레플리카들과 교차될 수 있는 반면, 다른 웨이브릿들은 - 예를 들어, 가상 이미지 포인트(702)와 연관된 것 - 아래에서 더 설명되는 바와 같이 단일 레플리카와 교차한다. 예를 들어, 도 7은 제1 가상 이미지 포인트(701)로부터 눈(720)으로 전파하고 한 쌍의 제1 직선들(711)에 의해 기술되는/경계 지어지는 제1 웨이블릿의 확장된 변조기(710)와의 교차점(800)의 제1 영역을 도시한다. 유사하게, 도 7은 제2 가상 이미지 포인트(702)로부터 눈(720)으로 전파하고 한 쌍의 제2 직선들(711)에 의해 기술되는/경계 지어지는 제2 웨이블릿의 확장된 변조기(710)와의 교차점(900)의 제2 영역을 도시한다. 교차점의 이들 영역은 도 8 및 도 9 를 참조하여 아래에서 설명된다.
도 8은 제1 가상 이미지 포인트(701)로부터 전파되는, 한 쌍의 제1 직선들(711)에 의해 기술되는, 제1 웨이블릿의 확장된 변조기(710)와의 교차점(800)의 제1 영역을 도시한다. 특히, 제1 웨이브렛은 확장된 변조기(710)의 2 개의 인접한 가상 레플리카들을 포함하는 영역에서 교차하고 - 이들 가상 레플리카들은 도 7 의 수평선들 및 도 8 의 수직선들로서 도시된다. 위에서 언급된 바와 같이, 확장된 변조기의 상이한 가상 레플리카들은 상이한 수직 거리에서 상이한 평면에 있다. 따라서, 확장된 변조기의 각 가상 레플리카와 교차하는 영역에서의 복소 광 패턴은 개별적으로 결정된다. 이는 두 개의 인접한 가상 레플리카들과 교차하는 웨이블릿의 부분들이 가상 이미지 포인트(791)로부터 상이한 거리를 전파할 것이고, 따라서 확장된 변조기에 도달 시에 상이한 복소 광 패턴 또는 파면을 가질 것이기 때문이다.
각각의 가상 이미지 포인트로부터 확장된 변조기에 도달하는 광 필드를 나타내는 진폭 및 위상 값의 쌍들의 공간 분포를 지칭하기 위해 "복소 광 패턴"에 대한 참조가 이루어진다. 즉, 복소 광 패턴은 포인트 또는 포인트들에서 웨이블릿의 파면에 대응하거나 확장된 변조기를 교차시킨다. 실시예들에서, 복소 광 패턴은 진폭 및 위상 값의 쌍들의 어레이이다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 장치는 위상 변조기이고, 이 경우 진폭 값들은 궁극적으로 무시되거나 폐기될 수 있다. 복소 광 패턴은 또한 '복소 광 필드'로 지칭될 수 있다.
따라서, 도 8 은 확장된 변조기(710)의 제1 가상 레플리카(도면의 상단에 도시됨)와의 교차점에서 웨이블릿에 의해 형성된 제1 복소 광 패턴(810')을 도시한다. 제1 복소 광 패턴(810')은 제1 가상 레플리카의 평면에서 캡처되고 제1 가상 이미지 포인트(701)와 연관된 제1 서브-홀로그램 컴포넌트(810)를 형성한다. 또한, 도 8은 확장된 변조기(710)의 제2 가상 레플리카(도면의 하단에 도시됨)와의 교차점에서 웨이블릿에 의해 형성된 제2 복소 광 패턴(811')을 도시한다. 제2 복소 광 패턴(811')은 제2 가상 레플리카의 평면에서 캡처되고 제1 가상 이미지 포인트(70 1)와 연관된 제2 서브-홀로그램 컴포넌트(811)를 형성한다. 특히, 확장된 변조기(710)의 제1 및 제2 가상 레플리카들 각각에서의 교차점의 영역은 원 또는 타원(의 일부)으로서 도시된다. 이것은 뷰잉 시스템의 입사 동공(entrance pupil)을 통과하는 광선에 대응하기 때문에 주 기여 영역(primary contributory area)에 대응한다. 일부 경우에, 이것은 주 이미지(및 "고스트 이미지"가 아닌)가 뷰잉 시스템에 의해 형성되는 것을 보장한다. 일부 실시예들에서, 주 기여 영역의 형상은 뷰잉 시스템의 입사 동공(entrance pupil)의 형상에 대응한다(예를 들어, 동일한 일반적인 형상을 갖지만 반드시 동일한 크기를 갖지 않는다). 웨이블릿에 의해 형성된 복소 광 패턴들(810', 811')이 각각의 가상 레플리카들의 에지에 위치되기 때문에, 주 기여 영역은 가상 이미지 포인트(701)의 서브-홀로그램(820)의 상부 및 하부 에지에 있다.
도 8은 제1 서브-홀로그램 컴포넌트(810) 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트(811)가 결합되어 - 특히 중첩되어 - 제1 가상 이미지 포인트(701)와 연관된 서브-홀로그램(820)을 형성하는 것을 도시한다. 특히, 각각의 복소 광 패턴(810', 811')과 연관된 (디스플레이 장치 상의) 공간 정보는 중첩의 과정에서 유지된다. 즉, 제1 복소 광 패턴(810')은 디스플레이 장치의 하부 영역에 대응하는 위치에 형성되어 이 가상 이미지 포인트(701)의 최종 서브-홀로그램(820)의 대응하는 하부 영역에 나타난다. 마찬가지로, 제2 복소 광 패턴(811')은 디스플레이 장치의 상부 영역에 대응하는 위치에 형성되어, 이 가상 이미지 포인트(701)의 최종 서브-홀로그램(820)의 대응하는 상부 영역에 나타난다.
도 9 는 제2 가상 이미지 포인트(702)로부터 전파되는, 한 쌍의 제2 직선들(721)에 의해 기술되는 제2 웨이블릿의 확장된 변조기(710)와의 교차점(900)의 영역을 도시한다. 특히, 웨이블릿은 확장된 변조기(710)의 단일 가상 레플리카의 영역에서 교차한다 - 이 가상 레플리카는 도 7의 수평선 및 도 9의 수직선으로서 도시된다. 따라서, 확장된 변조기(710)의 가상 레플리카의 (단일) 평면에서의 교차점의 영역에서의 복소 광 패턴(920')은 캡처되고 제2 가상 이미지 포인트(702)와 연관된 서브-홀로그램(920)을 형성한다. 다시 한번, 확장된 변조기(710)의 가상 레플리카에서 교차점의 영역은 원 또는 타원으로서 도시된다. 이것은 제2 가상 이미지 포인트(702)에 대한 주 기여 영역에 대응한다. 웨이블릿에 의해 형성된 복소 광 패턴이 가상 레플리카의 중심에 위치되기 때문에, 주 기여 영역은 이 가상 이미지 포인트(702)에 대한 서브-홀로그램(920)의 중심에 있다.
포인트 클라우드 홀로그램은 가상 이미지(700)의 각각의 가상 이미지 포인트(예컨대, 701, 702)와 연관된 서브-홀로그램들(예컨대, 820, 920)을 결합/중첩함으로써 전체 가상 이미지(700)에 대해 결정된다.
포인트 클라우드 홀로그램의 개선된 계산 방법은 확장된 변조기를 이용하므로, 이는 전술된 바와 같이, 제1 차원에서 레플리카들 사이의 제1 오프셋(i), 제2 차원에서 레플리카들 사이의 제2 오프셋(ii) 및 하나 이상의 도파관 동공 확장기들에 의해 생성된 레플리카들 사이의 임의의 스큐(iii), 뿐만 아니라 눈 위치에 대한 레플리카들 사이의 광 경로 길이 차이(iv)들의 차이들을 자동으로 고려한다.
또한, 포인트 클라우드 홀로그램의 개선된 계산 방법은 관련 눈 위치에서 관찰자의 눈의 입사 동공을 통과할 수 있는 가상 이미지로부터의 웨이블릿/광선만을 고려한다. 따라서, 주 이미지(및 고스트 이미지가 아님)에 기여하는 광선만이 - 즉 확장된 변조기와 웨이블릿의 교차점에서의 주 기여 영역들이 - 고려된다. 결과적으로, 개선된 방법은 전술한 바와 같이, 원치않는 "고스트 이미지"의 형성을 자동으로 회피한다. 또한, 방법은 관련 눈 위치에서 관찰자의 눈의 입사 동공을 통과할 수 있는 가상 이미지로부터의 웨이블릿/광선만을 전파하기 때문에, 계산 복잡도가 감소된다. 이러한 방식으로, 계산 자원들의 소비와 같이, 포인트 클라우드 홀로그램을 계산하는 속도가 감소된다.
신장된 가상 이미지 포인트들의 보정
따라서, 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대한 가상 이미지 포인트의 홀로그램을 계산하는 방법이 설명된다. 이 방법에 따라 계산된 홀로그램에 의해 형성된 이미지의 품질 및 선명도를 시험한 후, 본 발명자들은, 레플리카들 사이의 오프셋 및 스큐를 고려한 이후에도, 계산된 홀로그램으로 광이 인코딩될 때 실제로 형성되는 이미지 포인트들이 서브-홀로그램이 계산된 원래의 가상 이미지 포인트에 비해 길쭉한 것처럼 보이게 된다는 것을 예기치 않게 발견하였다. 이는 하나 이상의 서브-홀로그램 컴포넌트를 포함하는 서브-홀로그램에 의해 형성되고 다수의 레플리카들에 걸친 교차점을 갖는 이미지 포인트들에 대한 경우이다. 긴 이미지 포인트는 상기 방법에 따라 계산된 홀로그램에 의해 형성된 이미지의 품질 및 선명도에 악영향을 미친다. 실제 이미지 포인트들의 신장은 도 10a 내지 도 10c 및 도 11a 내지 도 11c와 관련하여 더 상세히 설명된다.
도 10a 내지 도 10c는 광이 서브-홀로그램 컴포넌트(920)(위에서 설명됨)를 포함하는 서브-홀로그램으로 인코딩될 때 형성되는 실제 이미지 포인트(1002)에 관한 것이다. 서브-홀로그램(920)을 표시하는 디스플레이 장치로부터의 광이 홀로그램으로 인코딩되고 도파관을 통과할 때, 홀로그램의 복수의 레플리카들이 생성된다 - 즉 도 6 및 도 7에 도시된 것과 유사한 "확장된 변조기"가 형성된다. 이미지 포인트(1002)를 형성하는 대응하는 복소 광 필드(1006)는 디스플레이 장치의 단일 레플리카(1004) 내에 있다. 즉, 도 10a 내지 도 10c는 도 7 의 가상 이미지 포인트(702)에 대응하는 실제 이미지 포인트(1002)를 도시한다. 도 10a는 단일 레플리카(1004) 내의 복소 광 필드(1006)를 도시한다. 도 10b는 복소 광 필드(1000)와 연관된 점-확산 함수의 메인 로브(1008)를 도시한다. 도 10c는 점-확산 함수(1008)로부터 초래되는 실제 이미지 포인트(1002)를 도시한다. 단일 메인 로브(1008)을 포함하는 단일 점-확산 함수는 실제 이미지 포인트(1002)에 기여한다. 실제 이미지 포인트(1002)는 원형(즉, 길지 않음)인 것으로 나타나며, 따라서 또한 원형인 가상 이미지 포인트(702)와 동일한 형상을 갖는다.
도 11a 내지 도 11c는 광이 제1 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트(810,811)(전술함)를 포함하는 서브-홀로그램(820)으로 인코딩될 때 형성되는 실제 이미지 포인트(1102)에 관한 것이다. 실제 이미지 포인트(1102)는 제1 및 제2 복소 광 필드(1106, 1107)를 포함한다. 이들 제1 및 제2 복소 광 필드(1106,1107)는 각각의 인접한 제1 및 제2 가상 레플리카들(1104, 11052) 내에 형성된다. 도 11a는 제1 레플리카(1104) 내의 복소 광 필드(1106) 및 제2 레플리카(1105) 내의 복소 광 필드(1107)를 도시한다. 일부 예들에서, 도 11a에서 단지 2 개의 레플리카가 도시되지만, 확장된 변조기는 전술된 바와 같이 하나 또는 2 차원 어레이를 형성할 수 있는 2 개 초과의 레플리카들을 포함하고, 복소 광 필드는 2 개 초과의 레플리카들을 교차시킬 수 있다. 제1 및 제2 복소 광 필드들(1106, 1107)을 포함하는 도 11a의 제1 및 제2 레플리카들(1104, 1105)의 부분들만이 도 11a에 도시된다. 도 11a 내지 도 11c는 도 7 의 가상 이미지 포인트(701)에 대응하는, 본 발명자들에 의해 관찰되는 실제 이미지 포인트(1102)를 나타낸다. 재구성된 이미지 포인트(1102)는 세장형이지만, 가상 이미지 포인트(702)는 원형이다.
도 11b는 복소 광 필드(1106)에 대응하는 제1 점-확산 함수의 메인 로브(1108)(실선) 및 제2 점-확산 함수의 메인 로브(1109)(복소 광 필드(1107)에 대응하는 파선)를 도시한다. 제1 및 제2 점-확산 함수들의 메인 로브(1108, 1109)는 부분적으로 중첩하지만, 피크들은 공간적으로 분리된다. 다시 말해서, 2 개의 메인 로브(1108, 1109)는 공동-위치되지 않으며, 그 결과는 재구성된 이미지 포인트(1102)를 형성하는 결합된 복소 광 필드가 2 개의 공동-위치되지 않는 점-확산 함수들을 포함한다는 것이다. 이것은 단일 피크/메인 로브(1008)를 갖는 단일 점-확산 함수를 포함하는 도 10b의 단일 로브(1008)와 상이하다. 도 11c는 도 11b의 2 개의 점-확산 함수로부터의 결과적인 실제 이미지 포인트(1102)를 도시한다. 2 개의 메인 로브(1108, 1109)가 공간적으로 공동-위치되지 않기 때문에, 결과적인 실제 이미지 포인트(1102)는 세장형 원형 형상(즉, 타원형 형상)을 갖는다. 실제 이미지 포인트의 신장은 실제 이미지 포인트(1102)를 포함하여 형성되는 전체 이미지의 품질 및 선명도를 감소시키는 효과를 갖는다.
본 발명자들은 재구성된 이미지 포인트(1102)가 서브-홀로그램 계산을 위해 이용된 가상 이미지 포인트에 비해 긴 형상을 갖는다는 발견에 의해 놀랐다. 도 6 내지 도 9와 관련하여 설명된 방법은 레플리카들 사이의 오프셋들, 레플리카들의 스큐 및 레플리카들의 광학 경로 길이 차이들을 고려하기 때문에, 도 11a의 결합된 복소 광 필드들(1106, 1107)은 도 10a의 단일 복소 광 필드(1006)와 동등하고 동일할 것으로 예상되었다. 단일 메인 로브를 갖는 (효과적으로) 단일 점-확산 함수가 생성될 것으로 예상되었다. 그러나, 본 발명자들의 시뮬레이션 및 실험은 이것이 케이스(예를 들어, 도 11b 및 도 11c)가 아니라는 것을 보여주었다. 본 발명자들은 메인 로브(1108, 1109)의 공간 분리가 확장된 변조기/가상 표면을 형성하는 레플리카들 사이의 경계에서 회절-유형 효과들에 의해 야기된다는 것을 식별하였다. 이 회절은 메인 로브(1108, 1109)의 변위/시프트를 유발한다. 특히, 제1 점-확산 함수의 메인 로브(1108)는 음의 x 방향으로 시프트되고, 제2 점-확산 함수의 메인 로브(1109)는 양의 x 방향으로 시프트된다. 본 발명자들은, 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 적절한 로컬 위상-램프 함수를 적용함으로써, 메인 로브(1108, 1109)가 정렬되도록 제1 및 제2 점-확산 함수의 시프트가 보상될 수 있다는 것을 발견하였다. 메인 로브들(1108, 1109)을 정렬하는 것은, 결합된 제1 및 제2 점-확산 함수들이 도 10b의 점-확산 함수와 유사하도록 메인 로브(1108, 1109)가 공동-위치되는 것을 의미한다. 다시 말해서, 결합된 메인 로브(1108, 1109)에 의해 형성되는 실제 이미지 포인트는 세장형보다는 실질적으로 원형이고, 따라서 홀로그램이 형성되도록 계산되는 연관된 가상 이미지 포인트와 동일한 형상을 갖는다. 이는 형성된 홀로그램/이미지의 품질에 악영향을 미친다. 또한, 이는, 바람직하지 않은 단위 면적당 더 적은 수의 픽셀들이 보여질 수 있기 때문에 디스플레이의 해상도를 감소시킨다.
도 12 는 본 개시에 따라, 가상 이미지 포인트의 신장이 실질적으로 제거된 가상 이미지 포인트(가상 이미지 포인트(701)와 같은)에 대한 서브-홀로그램을 계산하는 방법을 나타내는 흐름도를 도시한다.
방법의 과정(1202)은 가상 이미지 포인트로부터 관찰자의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 범위가 정해진 영역을 결정하는 과정을 포함하고, 영역은 디스플레이 장치의 제1 가상 레플리카 상의 제1 영역 컴포넌트 및 디스플레이 장치의 제2 가상 레플리카 상의 제2 영역 컴포넌트를 포함한다. 도 11의 맥락에서, 방법의 제1 영역 컴포넌트 과정(1204)은 제1 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 내의 가상 이미지 포인트의 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 결정하는 과정을 포함한다. 방법의 과정(1206)은 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 형성하도록 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 중첩하는 과정을 포함한다. 과정들(1202 내지 1206)은 가상 이미지 포인트(701)에 대해 전술된 방법에 대응한다(도 7 및 도 8 참조).
방법의 과정(1208)은 제1 영역 컴포넌트에 제1 로컬 위상-램프 함수를 적용하고 제2 영역 컴포넌트에 제2 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정을 포함한다. 위상-램프 함수들 각각은 격자 함수로 지칭될 수 있다. 제1 로컬-위상 램프를 적용하는 과정은 제1 로컬 위상-램프 함수를 계산된 제1 서브-홀로그램 컴포넌트와 중첩(예를 들어, 가산)시키는 과정을 포함한다. 제2 로컬-위상 램프를 적용하는 과정은 제2 로컬 위상-램프 함수를 계산된 제2 서브-홀로그램 컴포넌트와 중첩시키는 과정을 포함한다.
서브-홀로그램 컴포넌트들 상에 로컬 위상-램프 함수들을 중첩시킴으로써, 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트(및 위상-램프 함수)로 인코딩된 광은 레플리카들 사이의 경계에서 회절에 의해 야기된 변위와 반대 방향으로 조향될 수 있다. 상이한 로컬 영역들(특히, 상이한 서브-홀로그램 컴포넌트들)에 상이한 위상-램프 함수들을 적용함으로써, 상이한 서브-홀로그램 컴포넌트들로 인코딩된 광은 상이한 방향들로 조향될 수 있다. 회절 효과들에 의해 야기되는 광의 변위를 알거나/추정하는 것은 상이한 서브-홀로그램 컴포넌트들로부터 방출된 점-확산 함수들을 정렬/공동-위치(co-localiise)하기 위해 적절한 로컬 위상-램프 함수들을 선택하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 본 명세서에 설명된 바와 같은 적어도 하나의 로컬 위상-램프 함수를 이용하는 조향(steering)은 유리하게는 신장 효과를 실질적으로 제거하기 위해 이용될 수 있다.
과정(1208)은 이제 도 8에 도시된 서브-홀로그램 및 도 11b에 도시된 점-확산 함수들의 맥락에서 설명될 것이다.
이전에, 제1 레플리카의 평면에서 캡처된 제1 복소 광 패턴(810')이 제1 서브-홀로그램 컴포넌트(810)를 형성하는 방법이 설명되었다. 방법의 과정(1208)이 수행될 때, 제1 서브-홀로그램 컴포넌트(810)를 형성하는 과정은 제1 복소 광 패턴(810')과 제1 로컬 위상-램프 함수를 중첩시키는 과정을 추가로 포함한다. 제1 로컬 위상-램프 함수는 제1 점-확산 함수의 메인 로브(1108)가 예를 들어 양의 x 방향으로 시프트되도록 제1 서브-홀로그램 컴포넌트로 인코딩된 광을 조향하기 위해 선택된다. 메인 로브(1108)의 이러한 시프트는 레플리카들 사이의 인터페이스에서 발생하는 음의 x 방향으로의 변위를 반전하도록 설계된다. 유사하게, 제2 서브-홀로그램 컴포넌트(811)를 형성하는 과정은 제2 복소 광 패턴(811')과 제2 로컬 위상-램프 함수를 중첩시키는 것을 추가적으로 포함한다. 제2 로컬 위상-램프 함수는 제2 점-확산 함수의 메인 로브(1109)가 음의 x 방향으로 시프트되도록 제2 서브-홀로그램 컴포넌트로 인코딩된 광을 조향하기 위해 선택된다. 메인 로브(1109)의 이러한 시프트는 레플리카 경계에서 야기되는 양의 x 방향으로의 변위를 반전하도록 설계된다. 제1 및 제2 로컬 위상-램프 함수들의 결합은 메인 로브들(1108, 1109)의 정렬을 유발한다. 결과는 도 11b의 제1 및 제2 점-확산 함수들이 도 10b의 단일 점-확산 함수와 유사하게 조향되어, 시프트된 메인 로브들(1108, 1109)에 의해 생성된 실제 이미지 포인트들은 신장되지 않고 서브-홀로그램이 계산되는 가상 이미지 포인트들(즉, 구형인)을 더 잘 표현한다.
도 13은 방법의 과정(1208)을 적용하는 효과를 나타낸다. 이미지 포인트(1302)는 방법의 과정(1208)의 적용이 없는 실제 이미지 포인트이고, 따라서 신장된다. 이미지(1304)는 방법의 과정(1208)이 적용되는 실제 이미지 포인트이고, 따라서 신장되지 않고 홀로그램이 표현하기 위해 계산된 (원형) 가상 이미지 포인트를 정확하게 표현한다.
일부 실시예들에서, 제1 및 제2 로컬 위상-램프 함수들은 각각의 레플리카 상의 각각의 영역 컴포넌트의 파라미터에 기초하여 선택된다. 일부 실시예들에서, 파라미터는: 각각의 레플리카의 에지로부터 영역 컴포넌트 각각의 적어도 일부분의 중심 거리; 영역 컴포넌트 각각의 크기; 서브-홀로그램 컴포넌트 각각의 크기; 위상-램프가 선택되게 하는 영역 컴포넌트의 제1 영역 컴포넌트 또는 제2 영역 컴포넌트 중 다른 하나에 대한 크기의 비율; 및/또는 위상-램프가 선택되게 하는 서브-홀로그램 컴포넌트의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 또는 제2 서브-홀로그램 컴포넌트 중 다른 하나에 대한 크기의 비율 중 적어도 하나를 포함한다. 통상의 기술자는 로컬 위상-램프 함수의 파라미터들(예를 들어, 그래디언트, 형상 및/또는 크기)이 간단한 시험 및 에러를 포함하는 임의의 수의 상이한 방법들에 의해 어떻게 결정될 수 있는지를 이해할 것이다. 따라서, 본 개시는 위상-램프 함수 또는 그 결정 방법의 파라미터들에 관하여 제한되지 않는다. 서브-홀로그램 컴포넌트에 의해 형성된 점-확산 함수의 시프트의 양은 서브-홀로그램 컴포넌트/영역 컴포넌트의 상대적 크기에 의존한다. 따라서, 파라미터들 각각은 요구되는 점-확산 함수의 시프트의 양에 대한 프록시(proxy)로서 이용될 수 있다.
도 11에 도시된 예에서, 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트(및 제1 및 제2 복소 광 필드(1106 및 1107))는 크기가 동일하다. 따라서, 위의 파라미터들 각각은 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트 모두에 대해 동일하다. 이러한 방식으로, 메인 로브들(1108, 1009)에서 동일하지만 반대되는 시프트는 로브들이 공동-위치(co-localised)되게 한다. 제1 및 제2 로컬 위상-램프 함수들은 이 예에서 대칭인 것으로 설명될 수 있다. 다른 예들에서, 제1 영역 컴포넌트는 영역의 에지 각각으로부터 제2 영역 컴포넌트까지의 크기 및 거리가 상이할 수 있다. 이와 같이, 제1 영역 컴포넌트에 대해 선택된 위상-램프 함수는 제2 영역 컴포넌트에 대해 선택된 위상-램프 함수와 크기가 상이할 것이다. 다시 말해서, 제1 및 제2 영역 컴포넌트에 적용된 위상-램프 함수들은 비대칭으로 설명될 수 있다.
일부 예들에서, 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트들 중 적어도 하나에 대한 위상-램프 함수를 선택하는 과정은 룩업 테이블 또는 데이터베이스에서 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트의 파라미터를 검색하는 과정을 포함한다. 룩업 테이블 또는 데이터베이스는 데이터 쌍들 또는 키-값 쌍들을 포함한다. 데이터 쌍들 또는 키-값 쌍들은 적절한 위상-램프 함수들을 갖는 파라미터에 대한 값들을 관련시킨다. 룩업 테이블 또는 데이터베이스는 위상-램프 함수에 대한 기울기 값을 포함한다. 제1 영역 컴포넌트 및 제2 영역 컴포넌트에 대한 위상 램프 함수를 선택하는 과정은 파라미터를 룩업 테이블 또는 데이터베이스에 입력하는 과정을 포함한다. 그 후, 로컬 위상-램프 함수가 출력된다. 이는 서브-홀로그램 컴포넌트가 계산될 때마다 적용된다.
추가적인 특징들
실시예들에서, 홀로그래픽 재구성은 컬러이다. 일부 실시예에서, 공간적으로 분리된 색상인 "SSC(Spatially-Separated Colours)"로 알려진 접근 방식은 색상 홀로그래픽 재구성을 제공하는 데 이용된다. 다른 실시예에서, 프레임 순차 색상인 "FSC(Frame Sequential Colour)"로 알려진 접근 방식이 이용된다.
예시들은 가시광으로 SLM을 조사하는 것을 설명하지만, 통상의 기술자라면 광원 및 SLM이 예를 들어 본 명세서에 개시된 바와 같이 적외선 또는 자외선 광을 지향시키는 데 똑같이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 통상의 기술자라면 정보를 사용자에게 제공하기 위해 적외선 및 자외선 광을 가시 광으로 변환하는 기술을 인지하고 있을 것이다. 예를 들어, 본 개시는 이러한 목적을 위해 인광체(phosphors) 및/또는 양자점(quantum dot) 기술을 사용하는 것으로 확장된다.
일부 실시예들은 단지 예시로서 2D 홀로그래픽 재구성들을 설명한다. 다른 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성은 3D 홀로그래픽 재구성이다. 즉, 일부 실시예에서, 각각의 컴퓨터-생성 홀로그램은 3D 홀로그래픽 재구성을 형성한다.
본 명세서에 설명된 방법 및 프로세스는 컴퓨터 판독가능 매체 상에 구현될 수 있다. 용어 "컴퓨터 판독가능 매체"는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 버퍼 메모리, 플래시 메모리 및 캐시 메모리와 같이 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하도록 구성된 매체를 포함한다. 또한, "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 기계가 여기에 기재된 방법론 중 하나 이상을 전체적으로 또는 부분적으로 수행하게 하는 명령들을 기계의 수행 지령으로서 저장할 수 있는 어떤 매체 혹은 다중의 매체의 조합을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
"컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 또한 클라우드 기반 스토리지 시스템을 포함한다. "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 솔리드-스테이트 메모리 칩(solid-state memory chip), 광학 디스크, 자기(magnetic) 메모리의 예시적인 형태의 하나 이상의 유형 및 비 일시적 데이터 저장소(예를 들어, 데이터 볼륨)를 포함하지만, 이에 국한되지 않으며, 디스크 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시 예에서, 실행을 위한 명령어는 캐리어 매체에 의해 전달될 수 있다. 이러한 캐리어 매체의 예는 일시적인 매체(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.
첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.
Claims (18)
- 서브-홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 상기 서브-홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대한 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 계산하는 방법으로서, 상기 방법은:
상기 가상 이미지 포인트로부터 관찰자의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 범위가 정해진 영역을 결정하는 과정으로서, 상기 영역은 상기 디스플레이 장치의 제1 가상 레플리카 상의 제1 영역 컴포넌트 및 상기 디스플레이 장치의 제2 가상 레플리카 상의 제2 영역 컴포넌트를 포함하는, 과정;
상기 제1 영역 컴포넌트 내의 상기 가상 이미지 포인트의 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 상기 제2 영역 컴포넌트 내의 상기 가상 이미지 포인트의 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 결정하는 과정;
상기 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 형성하도록 상기 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 및 상기 제2 서브-홀로그램 컴포넌트를 중첩하는 과정; 및
상기 제1 영역 컴포넌트 및 상기 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정을 포함하는, 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 로컬 위상-램프 함수와 연관된 변위는, 조명될 때 각각의 서브-홀로그램 컴포넌트들에 의해 형성되는 점-확산 함수들을 조정하는, 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 영역 컴포넌트에 제1 로컬 위상-램프 함수를 적용하고 상기 제2 영역 컴포넌트에 제2 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정을 포함하는, 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 제1 로컬 위상-램프 함수 및 상기 제2 로컬 위상-램프 함수는 상이한, 방법. - 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 제1 로컬 위상-램프 함수에 대응하는 제1 방향은 상기 제2 로컬 위상-램프 함수에 대응하는 제2 방향과 반대인, 방법. - 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정은, 각각의 영역 컴포넌트 및/또는 관련 서브-홀로그램 컴포넌트의 파라미터에 기초하여 위상-램프 함수를 선택하는 과정을 포함하는, 방법. - 제6 항에 있어서,
상기 파라미터는, 각각의 상기 레플리카의 에지로부터의 상기 영역 컴포넌트 각각의 적어도 일부분의 중심의 거리; 상기 영역 컴포넌트 각각의 크기; 상기 서브-홀로그램 컴포넌트 각각의 크기; 상기 위상-램프 함수가 선택되게 하는 상기 영역 컴포넌트의 상기 제1 영역 컴포넌트 또는 상기 제2 영역 컴포넌트 중 다른 하나에 대한 크기의 비율; 및/또는 상기 위상-램프 함수가 선택되게 하는 상기 서브-홀로그램 컴포넌트의 상기 제1 서브-홀로그램 컴포넌트 또는 제2 서브-홀로그램 컴포넌트 중 다른 하나에 대한 크기의 비율을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인, 방법. - 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정은, 상이한 위상-램프 함수들을 갖는 파라미터에 대한 값들과 관련된 데이터 쌍들 또는 키-값 쌍들을 포함하는 룩업 테이블 또는 데이터베이스에서 각각의 상기 서브-홀로그램 컴포넌트의 파라미터를 검색하는 과정을 포함하는, 방법. - 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가상 이미지와 상기 도파관 사이의 가상 표면을 식별하는 과정으로서 상기 가상 표면은 상기 디스플레이 장치 및 상기 도파관에 의해 형성된 상기 디스플레이 장치의 복수의 가상 레플리카를 포함하는, 과정; 및
상기 가상 표면 상의 영역을 식별하는 과정을 더 포함하는, 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 가상 표면은 상기 제2 가상 레플리카에 인접한 상기 제1 가상 레플리카를 포함하는, 방법. - 제10 항에 있어서,
상기 제1 가상 레플리카의 상기 제1 서브-홀로그램 컴포넌트는 상기 제2 가상 레플리카의 상기 제2 서브-홀로그램 컴포넌트에 인접하는, 방법. - 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 서브-홀로그램은, 대응하는 상기 가상 이미지 포인트로부터 관찰자를 향해 광파를 전파하고 상기 영역의 대응하는 위치에 도달하는 복소 광 필드를 결정하는 것에 의해 결정되는 포인트 클라우드 홀로그램이고,
선택적으로 상기 광파는 구면파인, 방법. - 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도파관에 의해 형성된 상기 디스플레이 장치의 각각의 가상 레플리카는, 상기 디스플레이 장치의 상기 가상 레플리카의 엇갈린(staggered) 가상 표면이 형성되도록 상기 디스플레이 장치로부터 상이한 수직 거리에 있는, 방법. - 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디스플레이 장치의 각각의 가상 레플리카는 상기 도파관에 의해 형성된 상기 홀로그램의 각각의 레플리카에 대응하는, 방법. - 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
상기 도파관 내의 광 경로를 상기 디스플레이 장치로부터 상기 도파관에 의해 형성된 상기 홀로그램의 대응하는 상기 레플리카로 펼침으로써 상기 디스플레이 장치의 각각의 가상 레플리카의 위치를 결정하는 과정을 더 포함하는, 방법. - 서브-홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 상기 서브-홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대한 가상 이미지의 홀로그램을 계산하는 방법으로서, 상기 방법은:
상기 가상 이미지의 복수의 가상 이미지 포인트들의 각각의 가상 이미지 포인트의 각각의 서브-홀로그램을 계산하는 과정을 포함하고,
각각의 서브-홀로그램은 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 계산되는, 방법. - 제16 항에 있어서,
상기 가상 이미지의 홀로그램을 형성하도록 각각의 상기 서브-홀로그램을 중첩시키는 과정을 더 포함하는, 방법. - 서브-홀로그램을 표시하도록 구성된 디스플레이 장치 및 상기 서브-홀로그램을 복제하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템에 대한 가상 이미지 포인트의 서브-홀로그램을 계산하는 방법으로서, 상기 방법은:
상기 가상 이미지 포인트 각각으로부터 관찰자를 향해 광파를 전파하는 과정;
상기 가상 이미지와 상기 관찰자 사이의 가상 표면에서 전파하는 광파의 교차점의 영역을 정의하는 과정으로서, 가상 표면은 상기 디스플레이 장치 및 상기 디스플레이 장치의 적어도 제1 가상 레플리카 및 상기 디스플레이 장치의 제2 가상 레플리카를 포함하고, 상기 가상 레플리카 각각은 상기 도파관에 의해 형성되고, 정의된 영역은 각각의 상기 가상 이미지 포인트로부터 상기 관찰자의 눈의 입사 동공의 주변으로 직선 경로들에 의해 경계 지어지는, 과정;
상기 디스플레이 장치의 상기 제1 가상 레플리카 상의 상기 광파의 상기 정의된 영역의 적어도 제1 영역 컴포넌트 및 상기 디스플레이 장치의 상기 제2 가상 레플리카 상의 상기 광파의 상기 정의된 영역의 제2 영역 컴포넌트를 식별하는 과정으로서, 상기 광파의 상기 영역 컴포넌트 각각은 상기 서브-홀로그램의 컴포넌트 각각을 형성하는, 과정; 및
상기 제1 영역 컴포넌트 및 상기 제2 영역 컴포넌트 중 적어도 하나에 로컬 위상-램프 함수를 적용하는 과정을 포함하는, 방법.
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