KR20120020954A

KR20120020954A - 디지털 홀로그램 영상 재생 장치

Info

Publication number: KR20120020954A
Application number: KR1020100084910A
Authority: KR
Inventors: 윤민성; 이근식
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-08
Also published as: US20120050459A1; US8817068B2; DE102011051734B4; DE102011051734A1

Abstract

본 발명은 디지털 홀로그램 영상 복원 및 재생을 최적화하기 위해 0차 회절 성분을 제거한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치는 홀로그램 간섭 패턴을 생성하는 패턴 생성기; 상기 패턴 생성기에서 상기 홀로그램 간섭 패턴을 전송받아 구현하는 공간 광 변조기; 상기 공간 광 변조기의 일측면에 배치되어 상기 공간 광 변조기로 참조광을 조사하는 광원; 상기 광원에서 출사된 참조광을 상기 공간 광 변조기 전면에 조사하도록 상기 참조광의 단면을 조절하는 광학장치; 그리고 상기 광원의 전면부와 상기 공간 광 변조기 전면부 사이의 소정 위치에 배치된 확산판을 포함한다. 본 발명에 의한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치는 복원하고자 하는 이미지 자체에 왜곡이나 변형 없이 0차 회절 성분의 강도만을 낮춤으로써 깨끗한 3차원 영상을 복원하는 효과를 갖는다.

Description

디지털 홀로그램 영상 재생 장치 {DIGITAL HOLOGRAM IMAGE DISPLAY DEVICE}

본 발명은 디지털 홀로그램 영상을 복원/재생하여 3차원 영상을 재생하는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 디지털 홀로그램 영상 복원 및 재생을 최적화하기 위해 0차 회절 성분을 제거한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치에 관한 것이다.

최근 3차원 (3D: Three Dimension) 영상과 영상 재생 기술에 대한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 3차원 영상 관련 미디어는 시각 정보의 수준을 한 차원 더 높여주는 새로운 개념의 실감 영상 미디어로서 차세대 영상장치를 주도할 것으로 예상된다. 기존의 2차원 영상 시스템은 평면 영상을 제공하지만 3차원 영상 시스템은 물체가 가지고 있는 실제 이미지 정보를 관찰자에게 보여주는 관점에서 궁극적인 영상 구현 기술이라고 할 수 있다.

3차원 입체 영상을 재생하기 위한 방법으로는 크게, 스테레오스코피 (stereoscopy), 홀로그래피 (holography) 및 집적영상 (integral imaging) 등의 방법들이 연구 개발되고 있다. 이 중에서 홀로그래피 방식은 레이저를 이용하여 제작한 홀로그래피를 관측시 특수 안경을 장착하지 않고도 실물과 동일한 입체 영상을 느낄 수 있는 방식이다. 따라서, 홀로그래피 방식은 입체감이 뛰어나며 관측자가 피로감 없이 입체 영상을 느낄 수 있는 가장 이상적인 방식으로 알려져 있다.

홀로그래피 방식은 물체에서 반사된 빛(물체파)과 간섭성이 있는 빛(기준파)을 겹쳐서 얻어지는 간섭신호를 기록하고 이를 재생하는 원리를 이용하는 것이다. 가간섭성이 높은 레이저 광을 사용하여 물체에 부딪쳐 산란되는 물체파를 또 다른 방향에서 입사된 기준파와 만나게 하여 형성된 간섭 무늬를 산진 필름에 기록하는 것을 홀로그램이라고 한다. 물체파와 기준파가 만날 때, 간섭에 의한 간섭 무늬를 형성하는데, 이 간섭 무늬에 물체의 진폭과 위상 정보가 함께 기록된다. 이렇게 기록된 간섭 무늬에 참조광을 조사하여 홀로그램에 기록된 입체성을 3차원 영상으로 복원하는 것을 홀로그래피라고 한다.

홀로그램을 저장, 전송 및 영상처리를 위해 컴퓨터에 의해 생성하는 방법으로서, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH: Computer Generated Hologram)이 개발되었다. 이 컴퓨터 생성 홀로그램은 지금까지 다양한 방법으로 개발되고 있는데, 근래에는 디지털 산업의 발달에 의해 정지 영상의 컴퓨터 생성 홀로그램에 머무르지 않고 동영상의 컴퓨터 생성 홀로그램을 표시하기 위한 시스템이 개발되고 있다.

컴퓨터 생성 홀로그램은 컴퓨터를 이용하여 직접 홀로그램에 저장되는 간섭무늬를 만드는 것으로. 간섭 무늬 이미지를 컴퓨터로 계산하여 생성한 후, 액정 - 공간 광 변조기(LC-SLM: Liquid Crystal - Spatial Light Modulator)와 같은 공간 광 변조기에 전송하고, 이 SLM에 참조광을 조사하여 입체 영상을 복원/재생한다. 도 1은 종래 기술에 의한 컴퓨터 생성 홀로그램 방식을 구현한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 컴퓨터(10)에서 구현하고자 하는 입체 영상에 해당하는 간섭 무늬 이미지를 생성한다. 생성된 간섭 무늬는 SLM(20)으로 전송된다. SLM(20)은 투과형 액정표시패널로 형성하여 간섭 무늬를 표시할 수 있다. SLM(20)의 일측면에는 참조광으로 사용할 레이저 광원(30)이 위치해 있다. 레이저 광원(30)에서 조사되는 참조광(90)을 SLM(20)의 전면에 고르게 투사하기 위해서 확장기(40)와 렌즈(50)가 순차적으로 배치된다. 레이저 광원(30)에서 출사된 참조광(90)은, 확장기(40)와 렌즈(50)를 거쳐 SLM(20)의 일측면에 조사된다. SLM(20)이 투과형 액정표시 패널인 경우, SLM(20)의 타측면에는 SLM(20)에 구현된 홀로그램의 간섭 무늬에 의해 3차원 입체 영상(80)이 표시된다.

이때, SLM(20)에 구현된 홀로그램 패턴을 통과하는 참조광(90)이 모두 회절하지 않고, SLM(20)을 그대로 통과하는 성분이 발생한다. 이러한 성분을 DC 성분 혹은 0차 회절 성분이라고 부른다. 회절이 일어나지 않고 SLM(20)을 그냥 통과한 0차 회절광은, 복원된 이미지와 겹쳐져서 복원 영상의 화질을 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 양질의 3차원 영상을 얻기 위해서는 반드시 0차 회절광을 제거하여야 한다. 지금까지 디지털 홀로그램에서 0차 회절광을 제거하는 것에 관련되어 많은 연구가 있었다.

예를 들어, SLM에 오목 렌즈를 사용하여 0차 회절광을 분산시켜 제거하는 방법 (OpticsInfoBase '09, 7 "Experimental modules covering imaging, dffraction, Fourier optics and polarization based on a liquid-crystal cell SLM)이 있다. 그러나, 이 경우 복원되는 이미지의 크기가 작아지는 문제가 있다. 그리고, 편광판(polarizer)을 사용하여 0차 회절광을 약화 시키는 방법 (Otics Express '08, 9 "Hologram optimization for SLM-based reconstruction with regard to polarization effects")이 제안되기도 했다. 하지만, 이 경우에는 복원되는 이미지의 강도(intensity)가 낮아지는 문제가 발생한다. 또한, 기계적인 방법으로 0차 회절광을 제거할 수는 있으나, 복원 영상의 손실을 야기하거나, 크기가 큰 이미지에 대해서는 효과를 전혀 얻을 수 없는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 종래의 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 한계를 극복하기 위해 고안된 것으로, 0차 회절 성분을 제거하여 양질의 3차원 영상을 재생하는 디지털 홀로그램 영상 재생 장치를 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치는 홀로그램 간섭 패턴을 생성하는 패턴 생성기; 상기 패턴 생성기에서 상기 홀로그램 간섭 패턴을 전송받아 구현하는 공간 광 변조기; 상기 공간 광 변조기의 일측면에 배치되어 상기 공간 광 변조기로 참조광을 조사하는 광원; 상기 광원에서 출사된 참조광을 상기 공간 광 변조기 전면에 조사하도록 상기 참조광의 단면을 조절하는 광학장치; 그리고 상기 광원의 전면부와 상기 공간 광 변조기 전면부 사이의 소정 위치에 배치된 확산판을 포함한다.

상기 확산판은 상기 광학 장치 배면 그리고 상기 광원 전면에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 확산판은 상기 공간 광 변조기 전면에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 확산판은 상기 광학 장치와 상기 공간 광 변조기 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 광학 장치는, 상기 참조광의 단면적을 확대 시키는 확산기; 그리고 상기 확산기에 의해 단면적이 확대된 상기 참조광을 상기 공간 광 변조기의 전면 크기에 맞추어 균일하게 조정하는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 공간 광 변조기는, 서로 면 대향하는 투명 상판 및 투명 하판과, 상기 투명 상판 및 상기 투명 하판 사이에 개재된 액정층을 포함하는 액정표시패널인 것을 특징으로 한다.

상기 광원은, 상기 공간 광 변조기 하면의 일측변에 배치된 레이저 다이오드 및 콜리메이티드 LED 중 어느 하나를 포함하고; 상기 광학 장치는 상기 광원에 연결된 광 입사부와, 상기 공간 광 변조기의 배면을 향하는 광 출사부를 갖는 광 섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 공간 광 변조기와 상기 확산판 사이에 광학 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치는 0차 회절 성분을 선택적으로 제거할 수 있다. 특히, 본 발명에 의한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치는 복원하고자 하는 이미지 자체에 왜곡이나 변형 없이 0차 회절 성분의 강도만을 낮춤으로써 깨끗한 3차원 영상을 복원하는 효과를 갖는다.

도 1은 종래 기술에 의한 컴퓨터 생성 홀로그램 방식을 구현한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구성을 나타내는 도면
도 2는 본 발명에 의한 컴퓨터 생성 홀로그램 방식의 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구성을 나타내는 도면
도 3a 내지 3d는 확산판의 위치에 따른 출력 영상의 품질을 나타내는 도면들.
도 4는 투과형 액정표시장치를 이용한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구조를 나타내는 개략도.

이하, 첨부한 도면들, 도 2 내지 을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 도 2는 본 발명에 의한 컴퓨터 생성 홀로그램 방식의 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치는 3차원 영상 정보에 해당하는 간섭 무늬를 생성하는 컴퓨터(100), 컴퓨터(100)로부터 간섭 무늬 패턴을 전송 받아 간섭 무늬를 구현하는 SLM(200)을 포함한다. SLM(200)에 구현된 간섭 무늬에 참조광(900)을 조사하기 위한 광원(300)이 SLM(200)의 일측면에 위치한다. 참조광(900)은 평행 직진하는 성질을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 광원(300)은 레이저(LASER)이거나, 콜리메이티드 LED (collimated LED)를 포함하는 것이 바람직하다. 광원(300)과 SLM(200) 사이에는 참조광(900)을 SLM(200)의 전면에 고르게 조사하도록 하기 위한 확장기(400) 및 렌즈(500)가 차례로 배치된다.

예를 들어, 광원(300)과 확장기(400)는 약 158mm 정도 이격되고, 확장기(400)와 렌즈(500)는 100mm 정도 이격되며, 렌즈(500)와 SLM(200)은 약 90mm 이격되어 배치될 수 있다. 광원(300)에서 출사된 빛은 확장기(400)에 의해서 큰 직경을 갖는 참조광(900)으로 변경된다. 그리고 렌즈(500)는 참조광(900)의 직경이 무한히 확장되지 않고 SLM(200)의 전면에 고르게 조사되도록 한다. 이 경우, SLM(200)에 조사된 참조광(900)에 의해 복원되는 3차원 출력 영상(800)은 SLM(200)에서 약 1387mm 떨어진 허공에서 재생될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 참조광(900)이 SLM(200)에서 회절하지 않고 그대로 통과하는 0차 회절 성분을 줄이기 위한 방법으로 광원(300)과 출력 영상(800) 사이의 적절한 위치에 확산판(700)을 더 구비한다. 예를 들어, 확산판(700)은 SLM(200)과 출력 영상(800) 사이에, 렌즈(500)와 SLM(200) 사이에, 렌즈(500)와 확장기(400) 사이에, 또는 광원(300)과 확장기(400) 사이 중 선택한 어느 한 곳에 위치할 수 있다.

도 3a 내지 3d는 확산판(700)의 위치에 따른 출력 영상(800)의 품질을 나타내는 도면들이다. 도 3a는 확산판(700)을 사용하지 않은 상태에서 복원 영상의 강도를 나타내는 그래프이다. 도 3a에서는 0차 회절 성분을 전혀 제거하지 못하여 복원 영상이 0차 회절 성분의 강도가 복원 영상의 강도보다 더 강하게 출력된 상태를 나타낸다. 즉, 복원 영상이 어떤 것인지를 정확하게 인지할 수 없는 상태이다.

도 3b는 확산판(700)을 SLM(200) 바로 앞에 위치시킨 경우의 복원 영상의 강도를 나타내는 그래프이다. 0차 회절 성분의 강도가 줄어들어 복원 영상을 인지할 수 있는 상태를 나타낸다. 도 3c는 확산판(700)을 렌즈(500)와 SLM(200) 사이에 위치시킨 경우의 복원 영상의 강도를 나타내는 그래프이다. 0차 회절 성분의 강도가 현저히 줄어들어 복원 영상을 정확하게 인지할 수 있는 상태를 나타낸다. 마지막으로 도 3d는 확산판(700)을 광원(300) 바로 앞에 위치시킨 경우의 복원 영상의 강도를 나타내는 그래프이다. 거의 모든 0차 회절 성분이 삭제되어 복원하고자 하는 3차원 영상을 원본 그대로 인지할 수 있는 상태를 나타낸다.

본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 의하면, 본 발명에 의한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치는 확장기(400) 후면의 광원(300) 바로 앞에 확산판(700) (또는 확산 필름)을 더 구비함으로써, 0차 회절 성분의 강도만을 선택적으로 감소시킬 수 있다.

본 발명에 의한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치를 투과형 액정표시장치를 이용하여 3차원 영상 재생장치로 구현하는 예를 살펴보면 다음과 같다. 도 4는 투과형 액정표시장치를 이용한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구조를 나타내는 개략도이다.

도 4를 참조하면, SLM(200)을 투과형 액정표시패널로 구성한다. 즉, SLM(200)은 투명한 유리 기판으로 형성한 상판(SU)과 하판(SD)이 대면하며, 그 사이에 액정층(LC)을 개재하여 결합된 투과형 액정표시패널로 형성한다. SLM(200)은 컴퓨터 혹은 비디오 처리 장치(도시하지 않음)로부터 간섭 무늬 패턴 데이터를 입력 받아 간섭 무늬를 표시한다. 상판(SU)과 하판(SD) 각각에는 액정표시패널을 구성하는 박막 트랜지스터 및 칼라필터 등이 형성될 수 있다.

그리고, SLM(200)의 하면에는 광원(300) 및 광섬유(OF)를 포함하는 백 라이트 유닛(BLU)이 배치된다. 광원(300)은 적색 레이저 다이오드(R), 녹색 레이저 다이오드(G) 및 청색 레이저 다이오드(B)들을 포함하는 레이저 다이오드나 적색, 녹색 및 청색 콜리메이티드 LED들로 광원(300)으로 구성할 수 있다. 한편, 광원(300)은 적색, 녹색 및 청색을 구분하는 R, G, B 혹은 그외의 다른 색상들을 조합한 광원(300)일 수도 있고, 백색 레이저 다이오드나 백색 콜리메이티드 LED와 같은 단일 광원(300)일 수도 있다. 이와 같이 광원(300)은 다양할 수 있으나, 이하의 설명에서는 편의상 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드들(R, G, B)의 경우로 설명한다.

광원(300)에서 출사된 참조광이 SLM(200) 기판의 하부 전면으로 고르게 유도하기 위해 광 섬유(OF)를 이용한다. 예를 들어, 레이저 다이오드들(R, G, B)이 백 라이트 유닛(BLU)의 일측면에 배치될 수 있다. 그리고, 광 섬유(OF)를 이용하여 레이저 다이오드(R, G, B)들에서 출사된 레이저 광을 SLM(200)의 하면에서 확대 출사되도록 유도할 수 있다. 광 섬유(OF)는 액정패널인 SLM(200)의 전면에 대응하도록 배치될 수 있다. 특히, 광 섬유(OF)의 코어를 둘러싼 클래드의 일부를 제거하여 광 섬유(OF) 외부로 레이저 광을 출사시키는 광 출사부(OUT)를 다수 형성하여 레이저 광이 액정패널 전면에 조사되도록 구성할 수 있다.

도 3을 참조하여 도 4에 의한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치에서는, 광원(300)에서 출사된 참조광을 SLM(200)의 면적에 대응하도록 확장하는 역할을 하는 것이 광 섬유(OF)라고 할 수 있다. 따라서, 도 4에서도 도 3에서 렌즈(500) 기능을 하는 광학적 수단을 더 구비할 수 있다. 즉, 광 섬유(OF)에 의해 확장된 참조광이 SLM(200)의 면적에 대응하는 크기를 유지하여, 평행 직진하도록 조절하는 광학시트(510)를 SLM(200)과 광 섬유(OF) 사이에 더 포함할 수 있다.

또한, 0차 회절 성분을 제거하기 위한 확산판(700)이 광 섬유(OF)의 광 출사부(OUT) 상면 그리고 SLM(200)의 하면 사이에 배치될 수 있다. 바람직하게는 광 섬유(OF)와 광학시트(510) 사이에 배치하는 것이 좋다. 또는, 확산판(700)을 작은 필름 형태로 형성하여, 레이저 다이오드들(R, G, B) 각각과 접촉하는 광 섬유(OF)의 광 입사부(IN) 사이에 배치되어 레이저 광이 확산필름(도시하지 않음)을 통과한 후, 광 섬유(OF)로 입사되도록 구성할 수도 있다.

이와 같은 구성을 갖는 액정표시장치는 액정표시패널인 SLM(200)에서 간섭 무늬 패턴을 구현하고, 레이저 다이오드(R, G, B)들을 참조광의 광원(300)으로 하여 액정표시패널에 조사함으로써 SLM(200) 상부의 허공에 3차원 영상을 재생한다. 특히, 확산판(700) 혹은 확산 필름을 구비하여, 0차 회절 성분을 제거한 양질의 3차원 영상을 구현할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

10, 100: 컴퓨터 20, 200: SLM(공간 광 변조기)
30, 300: 레이저 광원 40, 400: 확장기
50, 500: 렌즈 80, 800: 출력 영상
90, 900: 참조광 700: 확산판
SU: 상판 SD: 하판
LC: 액정층 R: 적색 레이저 다이오드
G: 녹색 레이저 다이오드 B: 청색 레이저 다이오드
OF: 광섬유 BLU: 백 라이트 유닛
OUT: 광 출사부 IN: 광 입사부
510: 광학 시트

Claims

홀로그램 간섭 패턴을 생성하는 패턴 생성기;
상기 패턴 생성기에서 상기 홀로그램 간섭 패턴을 전송받아 구현하는 공간 광 변조기;
상기 공간 광 변조기의 일측면에 배치되어 상기 공간 광 변조기로 참조광을 조사하는 광원;
상기 광원에서 출사된 참조광을 상기 공간 광 변조기 전면에 조사하도록 상기 참조광의 단면을 조절하는 광학장치; 그리고
상기 광원의 전면부와 상기 공간 광 변조기 전면부 사이의 소정 위치에 배치된 확산판을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 영상 재생 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 확산판은 상기 광학 장치 배면 그리고 상기 광원 전면에 위치하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 영상 재생 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 확산판은 상기 공간 광 변조기 전면에 위치하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 영상 재생 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 확산판은 상기 광학 장치와 상기 공간 광 변조기 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 영상 재생 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치는,
상기 참조광의 단면적을 확대 시키는 확산기; 그리고
상기 확산기에 의해 단면적이 확대된 상기 참조광을 상기 공간 광 변조기의 전면 크기에 맞추어 균일하게 조정하는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 영상 재생 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 공간 광 변조기는,
서로 면 대향하는 투명 상판 및 투명 하판과, 상기 투명 상판 및 상기 투명 하판 사이에 개재된 액정층을 포함하는 액정표시패널인 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 영상 재생 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 광원은, 상기 공간 광 변조기 하면의 일측변에 배치된 레이저 다이오드 및 콜리메이티드 LED 중 어느 하나를 포함하고;
상기 광학 장치는 상기 광원에 연결된 광 입사부와, 상기 공간 광 변조기의 배면을 향하는 광 출사부를 갖는 광 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 영상 재생 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 공간 광 변조기와 상기 확산판 사이에 광학 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 영상 재생 장치.