KR20170083865A - 확대된 시야각을 가지는 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents

확대된 시야각을 가지는 홀로그래픽 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 확대된 시야각을 가지는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것으로, 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 가간섭성 평행광을 출력하는 광원부, 상기 출력된 가간섭성 평행광을 이용하여 영상 신호를 과소 샘플링한 홀로그램 신호를 퓨리에 변환하여 출력하는 퓨리에 변환 광학부, 그리고 상기 퓨리에 변환된 홀로그램 신호를 위너 필터를 이용하여 복원하는 영상 복원 광학부를 포함하되, 상기 홀로그램 신호는 성긴 영상 신호이며, 상기 영상 복원 광학부는 상기 위너 필터를 이용하여 상기 성긴 영상 신호를 최소 자승법으로 복원한다.

Description

확대된 시야각을 가지는 홀로그래픽 디스플레이 장치{HOLOGRAPHIC DISPLAY DEVICE WITH WIDE VIEWING ANGLE}
본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 확대된 시야각을 가지는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 시야각 확대 방법에 관한 것이다.
홀로그래픽 디스플레이(holographic display)는 3차원 영상을 공간적으로 재생할 수 있는 영상기기로서, 기존의 평면 영상과는 다르게 실감나는 입체영상을 제공한다. 하지만, 현재 기술로 충분한 크기의 입체영상을 충분한 시야각(viewing-angle)으로 재생하는 것은 매우 어려운 실정이다. 일반적으로, 재생 영상의 크기와 시야각은 홀로그램 공간대역폭에 의존한다. 또한, 이러한 공간대역폭은 홀로그램 표시소자의 분해능이 결정한다. 따라서, 매우 큰 입체영상을 넓은 시야각으로 재생하기 위해서는 마이크로미터 이하의 크기를 가지는 픽셀들을 이용하여 충분히 큰 공간 광변조기(spatial light modulator)를 제조하여야 한다. 현재 홀로그램 표시소자로 사용되고 있는 LCD(liquid crystal display)나 DMD(digital micro-mirror device) 패널은 단지 1도에서 2도 이내의 시야각을 가지는데 그친다.
마이크로미터 이하의 픽셀 크기를 가지는 공간 광변조기가 개발되는 경우라도, 현실적인 재생 영상 크기를 확보하기 위해서는 방대한 양의 홀로그램 데이터를 처리하여야 한다. 따라서, 고 분해능 홀로그램 표시소자를 개발하거나 또는 공간 광변조기를 공간적 또는 시간적으로 다중화하는 종래의 기술로는 큰 입체영상을 넓은 시야각으로 재생할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 실현화하기에는 여전히 어려움이 있다.
따라서, 이러한 홀로그래픽 디스플레이 장치를 상용화하기 위해서는 현재 데이터 처리 기술로도 홀로그램 영상 데이터를 효율적으로 다룰 수 있으면서, 홀로그램 재생 영상의 시야각을 증대시킬 수 있는 디스플레이 장치 개발이 필요한 실정이다.
최근에 나이퀴스트 샘플링 주파수보다 적은 신호 샘플링으로도 원 신호를 완벽하게 복원할 수 있는 압축센싱(compressed sensing) 기술을 이용하여 홀로그램 영상을 수치적으로 복원하는 디지털 홀로그래피 기술이 활발하게 연구되고 있다. 원리적으로는 충분한 정보를 얻어야만 홀로그래픽 토모그램을 완성할 수 있는 데 반하여, 압축센싱 알고리즘을 적용하면 보다 적은 정보 샘플링으로도 영상을 재구성할 수 있게 된다. 하지만, 현재 압축센싱 원리를 이용한 compressive holography 기술 분야는 수치적 복원 기술 연구에 머무르고 있는 상황으로 광학적 재생 방법에의 적용이 요구된다 하겠다.
본 발명은 시야각을 확대할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 시야각 확대 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 가간섭성 평행광을 출력하는 광원부, 상기 출력된 가간섭성 평행광을 이용하여 영상 신호를 과소 샘플링한 홀로그램 신호를 퓨리에 변환하여 출력하는 퓨리에 변환 광학부, 그리고 상기 퓨리에 변환된 홀로그램 신호를 위너 필터를 이용하여 복원하는 영상 복원 광학부를 포함하되, 상기 홀로그램 신호는 성긴 영상 신호이며, 상기 영상 복원 광학부는 상기 위너 필터를 이용하여 상기 성긴 영상 신호를 최소 자승법으로 복원한다.
실시 예로서, 상기 퓨리에 변환 광학부는, 상기 가간섭성 평행광을 복소진폭 공간 광변조하여 출력하는 공간 광변조기, 상기 복소진폭 공간 광변조된 가간섭성 평행광을 설정된 분해능으로 샘플링하는 샘플링 마스크, 그리고 상기 샘플링된 가간섭성 평행광을 퓨리에 변환하여 2차원 홀로그램 이미지를 제 1 초점면에 생성하는 제 1 퓨리에 렌즈를 포함한다.
실시 예로서, 상기 샘플링 마스크의 단위 픽셀의 크기는 상기 공간 광변조기의 단위 픽셀의 크기보다 작다.
실시 예로서, 상기 공간 광변조기 및 상기 샘플링 마스크는 서로 일체로 형성된다.
실시 예로서, 상기 공간 광변조기 및 상기 샘플링 마스크는 상기 제 1 퓨리에 렌즈의 제 2 초점면에 위치한다.
실시 예로서, 상기 공간 광변조기는 상기 가간섭성 평행광을 위상변조하거나 또는 진폭변조하여 공간 광변조 동작을 수행한다
실시 예로서, 상기 광원부는 적색, 녹색, 또는 청색의 레이저 장치 또는 발광 다이오드 자치 중 하나를 이용하여 상기 가간섭성 평행광을 출력한다.
실시 예로서, 상기 영상 복원 광학부는, 상기 성긴 영상 신호인 홀로그램 신호를 최소 자승법을 이용하여 필터링하여 출력하는 위너 필터 그리고 상기 필터링된 홀로그램 신호를 3차원 홀로그램 영상으로 재생하는 제 2 퓨리에 렌즈를 포함한다.
실시 예로서, 상기 위너 필터는 상기 제 2 퓨리에 렌즈의 제 1 초점면에 위치한다.
실시 예로서, 상기 영상 신호가 성긴 영상 신호가 아닌 경우, 웨이블릿 변환을 통해 상기 영상 신호를 성긴 영상 신호로 변환하고, 변환된 성긴 영상 신호를 역웨이블릿 변환하여 상기 영상 신호를 복원하는 역웨이블릿 변환 광학부를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 역웨이블릿 변환 광학부는 제 3 퓨리에 렌즈, 제 4 퓨리에 렌즈, 및 역웨이블릿 변환 필터를 포함하며, 상기 역웨이블릿 변환 필터는 상기 제 3 퓨리에 렌즈와 제 4 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치한다.
본 발명의 실시 예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 가간섭성 평행광을 출력하는 광원부, 상기 출력된 가간섭성 평행광을 복소진폭 공간 광변조하여 출력하는 공간 광변조기, 상기 복소진폭 공간 광변조된 가간섭성 평행광을 설정된 분해능으로 샘플링하는 샘플링 마스크, 상기 샘플링된 가간섭성 평행광을 퓨리에 변환하여 2차원 홀로그램 이미지를 제 1 초점면에 생성하는 제 1 퓨리에 렌즈, 상기 2차원 홀로그램 이미지를 최소 자승법을 이용하여 필터링하여 출력하는 위너 필터, 그리고 상기 필터링된 2차원 홀로그램 이미지를 3차원 홀로그램 영상으로 재생하는 제 2 퓨리에 렌즈를 포함하되, 상기 공간 광변조기 및 상기 샘플링 마스크는 서로 이격 거리 없이 일체로 형성되어 상기 제 1 퓨리에 렌즈의 제 1 초점면에 위치한다.
실시 예로서, 상기 위너 필터는 상기 제 1 퓨리에 렌즈 및 상기 제 2 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치한다.
실시 예로서, 상기 샘플링 마스크의 단위 픽셀의 크기는 상기 공간 광변조기의 단위 픽셀의 크기보다 작다.
실시 예로서, 상기 2차원 홀로그램 이미지는 성긴 영상 신호로 구성된다.
본 발명에 따르면, 수치적으로 최적화한 시스템 행렬을 바탕으로 제조한 위너필터를 이용하여 홀로그램 영상을 재생함으로써, 보다 작은 픽셀 크기로 샘플링한 홀로그램 정보를 가지고도 홀로그램 입체영상을 재생할 수 있어 홀로그래픽 디스플레이 장치의 시야각을 확대할 수 있다.
도 1은 공간 광변조기의 픽셀 크기에 따른 홀로그램 영상의 크기 및 시야각을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 시야각 확대 홀로그래픽 디스플레이 장치를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2의 시야각 확대 홀로그래픽 디스플레이 장치의 보다 구체적인 구성도를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 샘플링 마스크를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 샘플링 마스크를 통해 샘플링된 홀로그램 정보를 이용하여 광학적으로 홀로그램 영상을 재생하는 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 시야각 확대 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 도면이다.
전술한 특성 및 이하 상세한 설명은 모두 본 발명의 설명 및 이해를 돕기 위한 예시적인 사항이다. 즉, 본 발명은 이와 같은 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 다음 실시 형태들은 단지 본 발명을 완전히 개시하기 위한 예시이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자들에게 본 발명을 전달하기 위한 설명이다. 따라서, 본 발명의 구성 요소들을 구현하기 위한 방법이 여럿 있는 경우에는, 이들 방법 중 특정한 것 또는 이와 동일성 있는 것 가운데 어떠한 것으로든 본 발명의 구현이 가능함을 분명히 할 필요가 있다.
도 1은 공간 광변조기(spatial light modulator)의 픽셀 크기에 따른 홀로그램 영상의 크기 및 시야각(viewing angle)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 일반적으로 공간 광변조기는 홀로그램 영상의 재생을 위해 홀로그래픽 디스플레이(holographic display) 패널에 사용된다. 홀로그램 영상은 홀로그램 간섭무늬(hologram fringe pattern)에 입사한 입사광(CPW)의 회절 현상으로 발생한다. 따라서, 디지털 소자를 이용하는 홀로그래픽 디스플레이 장치는 공간 광변조기(10)의 단위 픽셀(PIX)의 회절각(diffraction angle)이 홀로그램 영상의 시야각(VW)이 된다. 공간 광변조기의 단위 픽셀(PIX)의 픽셀 크기(d)와 시야각(θ)은 수학식 dxsin? = nλ 를 만족한다. 여기에서, n은 0 이상의 정수이고 λ는 빛의 파장이다. 예컨대, 30°의 시야각(VW) 을 구현하기 위해서는 0.6um 의 픽셀 크기를 가지는 픽셀 어레이 패널이 필요한 것을 알 수 있다. 일반적으로 사용되고 있는 공간 광변조기(10)의 단위 픽셀(PIX)의 크기는 수 마이크로미터(um)이다. 따라서, 30°의 시야각(VW)을 구현하기 위해서는 보다 작은 크기의 단위 픽셀(PIX)을 가지는 디스플레이 패널이 필요하다.
또한, 고 분해능 즉, 작은 단위 픽셀 크기를 가지는 패널 소자의 개발이 이루어지는 경우에도 예컨대, 10cm×10cm 크기의 홀로그램 영상을 30°의 시야각(VW)으로 재생하기 위해서는 28Gbit의 픽셀 정보를 가지는 공간 광변조기가 필요할 것이다. 즉, 고 분해능을 가지는 패널 소자의 개발이 이루어지는 경우에도 홀로그램 영상 재생을 위해서는 매우 큰 데이터를 처리하여야 한다. 또한, 홀로그램 영상의 크기와 시야각(VW)은 서로 트레이드-오프(trade-off) 관계에 있기 때문에 이미징 광학계를 이용하여 홀로그램 영상의 크기를 확대하는 데에도 한계가 있다.
본 발명에서는 보다 적은 데이터의 처리로도 홀로그래픽 디스플레이 장치의 시야각을 확대할 수 있는 디스플레이 장치 및 그것의 시야각 확대 방법을 제공하고자 한다. 이를 위해, 본 발명에서는 종래의 공간 광변조기에 압축 센싱 원리를 적용하여 충분한 크기의 홀로그램 3차원 입체 영상을 보다 넓은 시야각으로 시청할 수 있게 하는 홀로그래픽 디스플레이 기술을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 시야각 확대 홀로그래픽 디스플레이 장치를 예시적으로 보여주는 블록도이고, 도 3은 도 2의 시야각 확대 홀로그래픽 디스플레이 장치의 보다 구체적인 구성도를 보여주는 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 광원부(110), 퓨리에 변환 광학부(120), 및 영상복원 광학부(130)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 압축 센싱 원리에 기반한 수치적 영상 복원 기술을 이용하여 홀로그래픽 디스플레이 시야각을 확대한다. 즉, 샘플링 마스크로 과소 샘플링한(under-sampled) 홀로그램 데이터를 홀로그램 영상을 공간적으로 재현할 수 있는 광학적 영상 재생 방법에 응용하여 홀로그래픽 디스플레이 장치의 시야각을 확대한다.
디지털 홀로그램 신호는 영상 신호(g)와 공간 임펄스 응답(k, spatial impulse response)와의 컨볼루션으로 표현되는 프레넬 전파(Fresnel propagation)을 이용하여 생성된다. 여기에서, 공간 임펄스 응답(k)은 (1/jλz)exp(jkz)exp[(jk/2z)(x2+y2)]이다. 여기에서, x, y, z는 각각 3차원 좌표값을 의미한다. 이때, 공간 임펄스 응답은 영상 신호(g)에 대한 컨볼루션 커널의 역할을 수행한다. 상술한 컨벌루션을 전개하여 프레넬 홀로그램(u)에 대해 정리하면, u=Fg의 형태로 나타낼 수 있다. 여기에서, F는 프레넬 변환행렬을 의미한다. 프레넬 변환행렬(F)은 프레넬 전파를 이용하여 생성된 well-conditioned 행렬이므로 이러한 선형 행렬식, 즉 u=Fg를 이용하여 원 영상 신호(g)의 복원이 가능하다.
선형 행렬식에서 디지털 홀로그램 픽셀 정보의 샘플링 수를 보다 적게 하면, 즉 샘플링 행렬에서 열(column)의 수보다 적은 임의의 행(row) 들을 선택하여 행렬을 만드는 경우, 과소결정된 선형계(underdetermined linear system)가 된다. 프레넬 변환행렬은 예컨대, 가우시안 랜덤 행렬 등과 같이 L1-norm 최적화 문제를 해결할 수 있는 RIP(restricted isometry property)조건을 잘 만족한다. 따라서 과소결정된 선형계는 충분히 성긴 신호 영상 또는 웨이블릿 변환과 같은 성긴 영역으로 변환된 영역에서 영상 정보를 찾는 방식을 이용하여 원 영상 신호를 완벽하게 복원할 수 있다. 충분히 성긴 신호 영상이 아닌 경우에도, 성긴 영역 변환 행렬(Ψ)과 성긴 영역 영상신호(?)를 정의하고, 행렬곱(FΨ)을 선형 행렬계의 시스템 행렬(Φ, system matrix)로 표현하면, 선형 행렬계는 다음과 같은 min ∥h - Φα∥ + ∥α∥, L1-norm 의 최소화 문제가 된다.
본 발명은 수치적 영상 복원 원리를 광학적 영상 재생 방법에 적용하고자 한다. 즉, 직교 매칭 퍼슛(orthogonal matching pursuit) 알고리즘을 이용하여 시스템 행렬을 수치적으로 최적화하고, 최적화된 시스템 행렬을 이용하여 위너필터를 제조하여 광학적으로 최소자승해(least square solution)를 구하는 방식을 이용하여 홀로그램 입체 영상을 복원한다. 시스템 행렬은 3차원 영상으로 재구성하기 위해 필요한 기하학적 구조 정보를 포함하는 행렬을 의미한다.
광원부(110)는 가간섭성 평행광(CPW, coherent plane wave)을 생성한다. 예시적으로, 광원부(110)는 적색, 녹색 및 청색 레이저 장치 및 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 장치 중 적어도 하나를 이용하여 가간섭성 평행광(CPW)을 생성할 수 있다.
퓨리에 변환 광학부(120)는 과소 샘플링된 홀로그램 데이터를 생성하여 샘플링된 홀로그램 데이터를 퓨리에 변환(Fourier transform)한다. 퓨리에 변환 광학부(120)는 공간 광변조기(121), 샘플링 마스크(122), 및 제 1 퓨리에 렌즈(123)를 포함할 수 있다.
공간 광변조기(121)는 제 1 퓨리에 렌즈의 전방 초점 면에 디지털 홀로그램 간섭무늬를 인코딩한다. 공간 광변조기(121)는 공간 광변조기(121)로 입사되는 가간섭성 평행광 (CPW)에 대해 복소진폭 공간 광변조를 일으킨다. 공간 광변조기(121)는 또한, 복소진폭 공간 광변조와 같은 광학계 변형과 동시에 위상변조 또는 진폭변조로 공간 광변조를 할 수 있다.
샘플링 마스크(122)는 공간 광변조기(121)의 픽셀 크기보다 작은 서브 픽셀들로 구성되며, 공간 광변조기(121)의 픽셀 크기보다 작은 크기로 홀로그램 정보를 샘플링한다. 샘플링 마스크(122)에 대한 보다 구체적인 설명은 도 3을 참조하여 아래에서 설명한다.
제 1 퓨리에 렌즈(123)는 초점거리(f)를 가지며, 제 1 퓨리에 렌즈(123) 전방의 초점면에 인코딩된 홀로그램 간섭무늬를 퓨리에 변환하여 제 1 퓨리에 렌즈(123) 후방의 초점면에 2차원 홀로그램 이미지(IMG2D)를 생성한다. 즉, 제 1 퓨리에 렌즈(123)는 공간 광변조기(121) 및 샘플링 마스크(122)에 의해 인코딩 및 샘플링된 디지털 홀로그램 정보를 퓨리에 변환하여 2차원 홀로그램 이미지(IMG2D)를 생성한다.
여기에서, 공간 광변조기(121)와 샘플링 마스크(122)는 하나의 소자로 제조될 수 있다. 즉, 공간 광변조기(121)와 샘플링 마스크(122)는 서로 이격거리 없이 일체로 형성될 수 있다. 이때, 공간 광변조기(121)와 샘플링 마스크(122)는 제 1 퓨리에 렌즈(123)의 전방 초점면에 위치할 수 있다.
영상 복원 광학부(130)는 위너 필터(131, Wiener filter) 및 제 2 퓨리에 렌즈(132)를 포함할 수 있다. 영상 복원 광학부(130)는 위너필터(131) 및 제 2 퓨리에 렌즈(132)를 통해 성긴 영상 신호(sparse image signal)인 2차원 홀로그램 이미지(IMG2D)를 최소 자승법(method of least square)을 이용하여 3차원 홀로그램 이미지(IMG3D)로 복원한다.
위너 필터(131)는 제 1 퓨리에 렌즈(123)를 통해 퓨리에 변환되어 제 1 퓨리에 렌즈(123)의 후방 초점면에 형성된 2차원 홀로그램 이미지(IMG2D)를 필터링한다. 예를 들어, 위너 필터(131)는 2차원 홀로그램 이미지(IMG2D)의 스펙트럼 밀도를 균일화한 후 균일화된 2차원 홀로그램 이미지의 제곱 평균 오차를 최소화하는 필터링 동작을 수행할 수 있다.
제 2 퓨리에 렌즈(132)는 위너 필터(131)에서 필터링된 2차원 홀로그램 이미지(IMG2D)를 복원하여 3차원 홀로그램 이미지(IMG3D)로 출력한다. 이때, 3차원 홀로그램 이미지(IMG3D)는 제 2 퓨리에 렌즈(132)의 후방 초점면을 중심으로 일정한 영역 상에 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 샘플링 마스크를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면 샘플링 마스크(122)는 공간 광변조기(121)의 픽셀(121a)의 크기보다 작은 서브 픽셀(122a)들의 어레이로 구성될 수 있다.
샘플링 마스크(122)는 공간 광변조기(121)의 픽셀(121a)의 크기보다 작은 크기의 서브 픽셀(122a)들로 구성될 수 있다. 따라서 공간 광변조기(121)의 픽셀(121a)의 크기보다 작은 크기로 홀로그램 정보를 샘플링할 수 있다.
예시적으로, 샘플링 마스크(122)의 픽셀 어레이를 공간 광변조기 픽셀 어레이와 이격 거리 없이 정합하여 배치하고, 샘플링 마스크(122)의 단위 픽셀을 일률적으로 서브 픽셀로 분할함으로써, 고 분해능으로 홀로그램 정보를 샘플링할 수 있다. 즉, 샘플링 마스크(122)의 단위 픽셀 내의 특정 서브 픽셀(122a) 하나를 선택g하는 경우 서브 픽셀(122a)의 분해능으로 홀로그램 정보를 샘플링할 수 있다.
도 5는 도 4의 샘플링 마스크를 통해 샘플링된 홀로그램 정보를 이용하여 광학적으로 홀로그램 영상을 재생하는 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 홀로그램 영상을 재생하는 방법은 샘플링 마스크를 설계하는 단계(S110), 시스템 행렬을 생성하는 단계(120), 생성된 시스템 행렬을 최적화하는 단계(S130), 최적화된 시스템 행렬을 이용하여 위너 필터를 설계하는 단계(S140), 및 설계된 위너 필터를 이용하여 홀로그램 영상을 재생하는 단계(S150)을 포함할 수 있다.
단계 S110에서, 홀로그램 정보의 샘플링 분해능을 결정하여 샘플링 마스크를 설계한다. 샘플링 분해능은 홀로그램 영상의 해상도, 홀로그래픽 디스플레이 장치의 데이터 처리 속도, 처리 용량 등을 고려하여 상황에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
단계 S120에서, 설계된 샘플링 마스크를 이용하여 홀로그램 영상 신호를 과소 샘플링(undersampling)하는 시스템 행렬을 생성한다.
단계 S130에서, 직교 매칭 퍼슛 알고리즘을 사용하여 시스템 행렬은 최적화한다. 예를 들어, 상술한 min ∥h - Φα∥2 + ∥α∥1 과 같은 직교 매칭 퍼슛 알고리즘은 이용하여 시스템 행렬을 수치적으로 최적화한다.
단계 S140에서, 최적화된 시스템 행렬을 이용하여 위너 필터를 설계한다. 즉, 최적화된 시스템 행렬을 이용하여 입력 신호와 출력되길 원하는 출력 신호에 대한 평균 제곱 오차가 최소화되도록 위너 필터를 설계한다.
단계 S150에서, 설계된 위너 필터를 이용하여 홀로그램 영상을 재생한다. 즉, 다시 말해, 공간 광변조기(121), 샘플링 마스크(122), 위너 필터(131) 및 제 1 및 제 2 퓨리에 렌즈(123, 132)의 조합을 이용하여 홀로그램 영상을 재생한다.
도 5에 따른 홀로그램 영상 재생 방법에 따르면, 재생되는 홀로그램 영상의 시야각이 확대될 수 있다. 이는 재생되는 홀로그램 영상의 시야각은 픽셀의 크기에 대한 회절각으로 나타나기 때문에 공간 광변조기(121)의 픽셀 크기보다 작은 샘플링 마스크(122)의 서브 픽셀은 보다 큰 회절각을 발생시키며, 따라서 홀로그램 영상의 시야각이 확대될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 시야각 확대 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 도면이다. 도 5를 참조하면 본 발명의 다른 실시 예에 따른 시야각 확대 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)는 광원부(310), 퓨리에 변환 광학부(320), 영상 복원 광학부(330), 역웨이블릿 변환 광학부(340)를 포함할 수 있다. 여기에서, 광원부, 퓨리에 변환 광학부(320), 및 영상 복원 광학부(330)은 각각 도 2의 광원부(110), 퓨리에 변환 광학부(120), 및 영상 복원 광학부(130)과 그 구성 및 동작이 동일하여 그 구체적인 설명은 생략한다.
홀로그래픽 디스플레이 장치(300)에서 광학적으로 재생하고자 하는 원본 영상이 성긴 영상(aparse image)이 아닌 경우에는 웨이블릿 필터를 통해 성긴 영상으로 변환할 수 있다. 즉, 시스템 행렬을 웨이블릿 변환(wavelet transform)과 같은 성긴 변환 행렬과 프레넬 변환 행렬 곱으로 구성하고, 구성된 시스템 행렬을 이용하여 과소 샘플링된 홀로그램 데이터를 생성할 수 있다. 그 후, 시스템 행렬을 이용하여 위너 필터를 제조하고 이를 이용하여 성긴 영상으로 변환된 입체 영상을 재생할 수 있다. 이때, 역웨이블릿 변환 필터를 이용한 4초점 이미징 광학계를 구성하여 원본 영상을 복원할 수 있다.
제 3 및 제 4 퓨리에 렌즈(341, 343) 및 역웨이블릿 변환 필터(342)를 포함하는 역웨이블릿 광학 변환부(340)는 제 3 퓨리에 렌즈(341)의 전방 초점면에 형성되는 성긴 변환된 영상을 제 4 퓨리에 렌즈(343)의 후방 초점면을 중심으로 일정한 영역에 원본 영상(IMG3D)으로 복원한다. 이때, 역웨이블릿 변환 필터(342)는 제 3 및 제 4 퓨리에 렌즈(341, 343)의 사이에 위치한 공통 초점면에 위치한다.
또한, 퓨리에 렌즈의 초점 면에 배치되는 위너 필터(331) 및 역웨이블릿 변환 필터(342)는 VanderLugt 형 필터의 제조 방법으로 제조할 수 있으며, 또한 다양한 유형의 광학 간섭계를 이용하여 제조할 수 있다.
또한, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 RGB 광학 시스템을 통해 시간 다중화 재생 방법 및 공간 다중화 재생 방법을 적용하여 컬러 홀로그램 영상을 재생할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 광학계는 상술한 구조에 한정되지 않으며, 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 동일한 기술한 효과를 낼 수 있는 적절한 광학계로 변형되어 사용될 수 있다.
각각의 개념도에 나타낸 구성은 단지 개념적인 관점에서 이해되어야 한다. 본 발명의 이해를 돕기 위해, 개념도에 나타낸 구성 요소 각각의 형태, 구조, 크기 등은 과장 또는 축소되어 표현되었다. 실제로 구현되는 구성은 각각의 개념도에 나타낸 것과 다른 물리적 형상을 가질 수 있다. 각각의 개념도는 구성 요소의 물리적 형상을 제한하기 위한 것이 아니다.
각각의 블록도에 나타낸 장치 구성은 발명의 이해를 돕기 위한 것이다. 각각의 블록은 기능에 따라 더 작은 단위의 블록들로 형성될 수 있다. 또는, 복수의 블록들은 기능에 따라 더 큰 단위의 블록을 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 기술 사상은 블록도에 도시된 구성에 의해 한정되지 않는다.
이상에서 본 발명에 대한 실시 예를 중심으로 본 발명이 설명되었다. 다만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 특성상, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 본 발명의 요지를 포함하면서도 위 실시 예들과 다른 형태로 달성될 수 있다. 따라서, 위 실시 예들은 한정적인 것이 아니라 설명적인 측면에서 이해되어야 한다. 즉, 본 발명의 요지를 포함하면서 본 발명과 같은 목적을 달성할 수 있는 기술 사상은 본 발명의 기술 사상에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 또는 변형된 기술 사상은 본 발명이 청구하는 보호 범위에 포함되는 것이다. 또한, 본 발명의 보호 범위는 위 실시 예들로 한정되는 것이 아니다.
10, 121, 321; 공간 광변조기
100, 300: 홀로그래픽 디스플레이 장치
110, 310: 광원부 120, 320: 퓨리에 변환 광학부
122: 샘플링 마스크 123: 제 1 퓨리에 렌즈
130, 330: 영상 복원 광학부 131: 위너필터
132: 제 2 퓨리에 렌즈 340: 역웨이블릿 변환 광학부

Claims (15)

  1. 가간섭성 평행광을 출력하는 광원부;
    상기 출력된 가간섭성 평행광을 이용하여 영상 신호를 과소 샘플링한 홀로그램 신호를 퓨리에 변환하여 출력하는 퓨리에 변환 광학부; 그리고
    상기 퓨리에 변환된 홀로그램 신호를 위너 필터를 이용하여 복원하는 영상 복원 광학부를 포함하되,
    상기 홀로그램 신호는 성긴 영상 신호이며, 상기 영상 복원 광학부는 상기 위너 필터를 이용하여 상기 성긴 영상 신호를 최소 자승법으로 복원하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨리에 변환 광학부는,
    상기 가간섭성 평행광을 복소진폭 공간 광변조하여 출력하는 공간 광변조기;
    상기 복소진폭 공간 광변조된 가간섭성 평행광을 설정된 분해능으로 샘플링하는 샘플링 마스크; 그리고
    상기 샘플링된 가간섭성 평행광을 퓨리에 변환하여 2차원 홀로그램 이미지를 제 1 초점면에 생성하는 제 1 퓨리에 렌즈를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 샘플링 마스크의 단위 픽셀의 크기는 상기 공간 광변조기의 단위 픽셀의 크기보다 작은 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기 및 상기 샘플링 마스크는 서로 일체로 형성된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기 및 상기 샘플링 마스크는 상기 제 1 퓨리에 렌즈의 제 2 초점면에 위치하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기는 상기 가간섭성 평행광을 위상변조하거나 또는 진폭변조하여 공간 광변조 동작을 수행하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상 복원 광학부는,
    상기 성긴 영상 신호인 홀로그램 신호를 최소 자승법을 이용하여 필터링하여 출력하는 위너 필터; 그리고
    상기 필터링된 홀로그램 신호를 3차원 홀로그램 영상으로 재생하는 제 2 퓨리에 렌즈를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 위너 필터는 상기 제 2 퓨리에 렌즈의 제 1 초점면에 위치하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는 적색, 녹색, 또는 청색의 레이저 장치 또는 발광 다이오드 자치 중 하나를 이용하여 상기 가간섭성 평행광을 출력하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 신호가 성긴 영상 신호가 아닌 경우, 웨이블릿 변환을 통해 상기 영상 신호를 성긴 영상 신호로 변환하고, 변환된 성긴 영상 신호를 역웨이블릿 변환하여 상기 영상 신호를 복원하는 역웨이블릿 변환 광학부를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 역웨이블릿 변환 광학부는 제 3 퓨리에 렌즈, 제 4 퓨리에 렌즈, 및 역웨이블릿 변환 필터를 포함하며,
    상기 역웨이블릿 변환 필터는 상기 제 3 퓨리에 렌즈와 상기 제 4 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  12. 가간섭성 평행광을 출력하는 광원부;
    상기 출력된 가간섭성 평행광을 복소진폭 공간 광변조하여 출력하는 공간 광변조기;
    상기 복소진폭 공간 광변조된 가간섭성 평행광을 설정된 분해능으로 샘플링하는 샘플링 마스크;
    상기 샘플링된 가간섭성 평행광을 퓨리에 변환하여 2차원 홀로그램 이미지를 제 1 초점면에 생성하는 제 1 퓨리에 렌즈;
    상기 2차원 홀로그램 이미지를 최소 자승법을 이용하여 필터링하여 출력하는 위너 필터; 그리고
    상기 필터링된 2차원 홀로그램 이미지를 3차원 홀로그램 영상으로 재생하는 제 2 퓨리에 렌즈를 포함하되,
    상기 공간 광변조기 및 상기 샘플링 마스크는 서로 이격 거리 없이 일체로 형성되어 상기 제 1 퓨리에 렌즈의 제 1 초점면에 위치하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 위너 필터는 상기 제 1 퓨리에 렌즈 및 상기 제 2 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 샘플링 마스크의 단위 픽셀의 크기는 상기 공간 광변조기의 단위 픽셀의 크기보다 작은 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 2차원 홀로그램 이미지는 성긴 영상 신호로 구성되는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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