KR101398150B1

KR101398150B1 - 3차원 표현의 재구성물을 생성하기 위한 헤드 장착형 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR101398150B1
Application number: KR1020097012250A
Authority: KR
Inventors: 노르베르트 라이스터
Original assignee: 시리얼 테크놀로지즈 에스.에이.
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2014-05-27
Also published as: TWI376527B; TW200839290A; WO2008071588A1; CN101600982A; CN101600982B; US20100097671A1; DE102006059400B4; US8547615B2; KR20090089412A; JP2010512551A; DE102006059400A1

Abstract

본 발명은 하나 이상의 광원(13, 14), 하나 이상의 광학 시스템(12, 15), 및 하나 이상의 코딩 가능한 광변조기(16, 17)가 있는 프레임(2)을 구비하되, 3차원 표현의 파면이 코딩 면에 코딩되는 광변조기가 뷰잉 평면(4)에 정해진 뷰잉 윈도우(18, 19)의 지점에 위치되거나, 3차원 표현의 파면의 홀로그램이 코딩 면에 코딩되는 광변조기가 뷰잉 윈도우의 바로 앞의 영역에 위치되어 홀로그램을 뷰잉 윈도우로 변환하고, 그에 따라 광변조기가 조명될 때에 3차원 표현의 복소 파면들이 뷰잉 윈도우에 위치하고, 뷰잉 윈도우와 광변조기를 통해 펼쳐진 시야 원추에서 3차원 표현의 재구성물이 보일 수 있게 되는 3차원 표현의 재구성물을 생성하기 위한 헤드 장착형 디스플레이 장치(1)에 관한 것이다.

Description

3차원 표현의 재구성물을 생성하기 위한 헤드 장착형 디스플레이 장치{HEAD-MOUNTED DISPLAY DEVICE FOR GENERATING RECONSTRUCTIONS OF THREE-DIMENSIONAL REPRESENTATIONS}

본 발명은 하나 이상의 정면 영역과 서로 이격된 2개의 측면 영역들을 갖는 헬멧 형태 또는 고글 형태의 프레임을 구비하되, 정면 영역이 두 눈의 위치들에 병렬되는, 3차원 표현(물체 또는 장면)의 재구성물을 생성하기 위한 헤드 장착형 디스플레이 장치에 관한 것이다.

헬멧을 착용한 시청자에게 시각 이미지를 재생하기 위한 헬멧 지지형 광 디스플레이 장치가 간행물 GB 1 505 873 공보에 개시되어 있는데, 이 디스플레이 장치에서는 헬멧의 정면 영역에 반사 스크린이 시청자의 가시 영역 내에 놓일 정도로 떨어져 배치되되, 통상적으로 만들어진 홀로그램이 스크린에 형성되거나 스크린에 의해 상연된다. 재구성 광원은 홀로그램을 비출 때에 그 이미지가 시청자의 가시 영역 내에서 단지 작은 표현으로서만 재구성될 수 있을 정도로 반사 홀로그램에 대해 떨어져 헬멧의 각각의 측면 영역에 위치될 수 있다. 문제는 시각적 재구성물이 그 크기에 있어 작은 표현에 국한된 채로 머물러 그 헬멧 지지형 광 디스플레이 장치를 좀더 큰 물체나 특히 영화 장면을 코딩 및 시각화하는데 사용할 수 없다는데 있다.

헬멧에 유지되는 헬멧 장착형 디스플레이 장치(영문명: helmet mounted display)가 간행물 US 5 257 094 공보에 개시되어 있는데, 이 디스플레이 장치에서는 광 소자들, 예컨대 미러(mirror)와 빔 분리기(beam splitter)가 정면 영역에 포함되고, 외부로부터 주어지는 크기는 물론 측면 영역에 있는 2개의 미니 음극선관(CRT)들로부터의 간섭 디스플레이 정보와 관련하여 투과성을 개선하는 홀로그래피 소자도 역시 정면 영역에 포함된다. 또한, 조합형 집속 렌즈도 디스플레이 장치에 속한다. 정보를 출력하는 미니 CRT들의 스크린과 그와 병렬된 시청자의 동공들 사이의 광 결합은 디스플레이 장치를 포함한 헬멧의 중량이 감소하도록 구성된다.

문제는 헬멧 상의 디스플레이 장치 구조의 무게를 감소시키기 위한 노력에도 불구하고 여전히 존재하는 헬멧의 전체 중량으로 인해 시청자에게 상당히 큰 하중이 걸린다는데 있다. 아울러, 이 디스플레이 장치는 완성된 광학 및 홀로그래피 부품들을 미리 주어진 대로 배치하는데 한정되어 있다.

헤드에 착용하는 헤드 장착형 입체 이미지 디스플레이 장치(영문명: head mounted display - HMD)가 간행물 US 4 933 755 공보에 개시되어 있는데, 이 디스플레이 장치에서는 왼쪽 또는 오른쪽 눈에 대한 입체 이미지가 오른쪽 눈과 왼쪽 눈을 위한 액정 디스플레이 상에 각각 연출된다. 그럼으로써, 직시형 입체 이미지 디스플레이에서와 같이 각각의 눈에 대한 입체 이미지의 광 분리의 문제가 발생함이 없이 입체 비디오 이미지를 보는 것이 가능케 된다.

또한, 두 눈에 대해 공통의 액정 디스플레이가 마련되고, 입체 이미지가 시간 순차적으로 능동 빔 분리기(active beam splitter)를 경유하여 두 눈에 제공되는 헤드 장착형 디스플레이 장치가 간행물 US 6 674 493 공보에 개시되어 있다.

헤드 장착형 입체 이미지 디스플레이 장치의 문제는 그것이 입체 이미지를 생성하기는 하지만 그 입체 이미지가 입체 이미지 형성의 온갖 단점들을 다 갖고, 특히 컴퓨터 생성 비디오 홀로그램에 의해 3차원 물체를 재구성하는 홀로그래피 디스플레이에서 주어지는 바와 같이 물체에 대해 올바른 깊이로 눈의 원근 조절을 하는 것이 잘못될 가능성을 갖는다.

컴퓨터 생성 비디오 홀로그램을 계산하는 방법 및 장치가 간행물 DE 10 2004 063 838 A1 공보에 개시되어 있기도 한데, 그 홀로그램 계산 방법 및 장치에서는 광변조기에서 코딩된 홀로그램의 재구성물이 뷰잉 윈도우(viewing window)들로부터 시청자에 의해 보일 수 있고, 뷰잉 윈도우들에는 실제 3차원 장면으로부터 그곳에 도달하는 광에 상응하는 특정의 복소 진폭 및 위상 분포가 존재한다. 그 경우, 시청자는 뷰잉 윈도우를 통해 3차원 장면의 재구성물을 보게 되는데, 일반적으로 시청자마다 하나는 왼쪽 눈을 위한 것이고 다른 하나는 오른쪽 눈을 위한 것인 2개의 별개의 뷰잉 윈도우들이 마련된다.

뷰잉 윈도우들에서의 파면(wave front)을 계산하는 것은 시야 원추(영문명: frustum), 즉 원추형 공간 영역의 내부에 있는 3차원 장면을 평면 단면들로 가상으로 분해하고, 변환을 통해 그 평면들로부터 뷰잉 평면으로의 광 전파를 계산하여 뷰잉 윈도우에서 합산함으로써 이뤄진다. 뷰잉 윈도우의 크기는 대략 눈 또는 동 공의 크기로 한정될 수 있다.

재구성 시에, 뷰잉 윈도우에 일정한 3차원 표현(물체 및/또는 장면)을 디스플레이하는데 필요한 파면들은 다음의 2가지 상이한 방식으로 생성될 수 있다:

첫째로, 뷰잉 평면의 밖에 위치한 광변조기에서 3차원 표현의 복소 파면을 코딩하여 각각의 뷰잉 윈도우에 투영함으로써 직접적으로 생성되거나,

둘째로, 역시 뷰잉 평면의 밖에 위치한 광변조기에서 3차원 표현의 복소 파면의 변환을 홀로그램으로서 코딩하여 그 복소 파면을 각각의 뷰잉 윈도우로 역변환함으로써 간접적으로 생성된다.

양자의 경우에 있어 모두, 광변조기에서 코딩된 정보를 뷰잉 윈도우에 투영하거나 뷰잉 윈도우로 역변환하는 것은 스크린으로서 지칭되는 광학 시스템을 통해 이뤄진다. 통상적으로, 목표로 하는 것은 예컨대 20 듀티(duty) 이상의 가능한 한 큰 스크린 면과 뷰잉 공간을 데스크톱 디스플레이 또는 텔레비전 수상기의 형태로 구현하는 것이다. 그러한 면 상에는 첫 번째의 경우에서와 같이 광변조기에서 코딩된 복소 파면의 변환 형태가 생기거나, 아니면 두 번째의 경우에서와 같이 광변조기에서 코딩된 홀로그램의 확대된 투영이 생성된다.

양자의 경우에 모두, 스크린 면을 바라보는 시청자의 시야각에 의해 시야 원추가 주어진다. 그와 관련하여, 스크린 면에 대한 시청자의 위치는 데스크톱 디스플레이의 공간 또는 텔레비전 수상기의 공간에 해당하는 공간에 맞춰 제공된다. 그 두 가지 타입의 직시형 홀로그래피 디스플레이에서는, 시청자가 스크린 면에 대해 상대적 이동할 수 있는데, 시청자는 다양한 위치들로부터 3차원 표현의 재구성 물을 볼 수 있다.

공지의 직시형 홀로그래피 디스플레이 장치의 문제는 그것이 무엇보다도 공간 내의 뷰잉 윈도우의 위치도 시청자와 함께 이동할 것을, 즉 그에 필요한 장치, 예컨대 눈 위치를 탐지하는 엘리먼트들 및 뷰잉 윈도우를 추적하는 엘리먼트들에 의해 추적을 수행할 것을 필요로 한다는데 있다. 또한, 큰 스크린 면이 필요하다. 그것은 홀로그래피 디스플레이 장치를 그 제조에 있어 비교적 복잡하고 비싸게 만든다.

본 발명의 목적은 3차원 표현의 재구성물을 생성하기 위한 헤드 장착형 디스플레이를 제조하는데 드는 비용 및 노력이 줄어들 수 있도록 적절하게 구성되는 헤드 장착형 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.

그러한 목적은 청구항 1의 특징들에 의해 달성된다.

3차원 표현의 재구성물을 생성하기 위한 그러한 헤드 장착형 디스플레이 장치는 청구항 1에 따라 하나 이상의 정면 영역과 서로 간격을 두고 있는 2개의 측면 영역을 갖는 헬멧 형태 또는 고글 형태의 프레임을 구비하되, 정면 영역이 두 눈의 위치들에 병렬되고, 하나 이상의 광원, 하나 이상의 광학 시스템, 및 하나 이상의 코딩 가능한 광변조기가 있는 구조를 갖되, 3차원 표현의 파면이 코딩되는 광변조기가 뷰잉 평면에 정해진 뷰잉 윈도우의 지점에 위치되거나, 3차원 표현의 파면의 홀로그램이 코딩되는 광변조기가 뷰잉 윈도우의 바로 앞의 영역에 위치되어 홀로그램을 뷰잉 윈도우로 변환하고, 뷰잉 윈도우는 그 크기가 각각의 눈의 동공의 이동 범위의 적어도 일부에 상응하도록 고정되며, 광변조기는 각각의 코딩 면에 대해 3차원 표현으로부터 그 3차원 표현의 파면들 또는 홀로그램이 계산되는 코딩 장치에 연결되고, 각각의 광변조기는 그 파면들 또는 홀로그램으로 직접 코딩될 수 있으며, 그에 따라 광변조기가 조명될 때에 3차원 표현의 복소 파면들이 뷰잉 윈도우에 위치하고, 뷰잉 윈도우와 광변조기를 통해 펼쳐진 시야 원추에서 3차원 표현의 재구성물이 보일 수 있으며, 뷰잉 윈도우의 크기에 따라 두 눈 사이의 회절 광의 혼신을 억제하기 위한 하나 이상의 엘리먼트가 뷰잉 평면의 영역에 사용될 수 있다.

여기서, 일반적인 해당 개념으로서의 표현이란 그 각각의 정지 위치뿐만 아니라 이동하는 상태에 있는, 실제 상황의 형태는 물론 필름이나 비디오 녹화의 형태의 입체 물체 또는 입체 장면을 포함할 수 있다.

뷰잉 평면의 뷰잉 윈도우에 배치되는 광변조기들의 코딩 면들은 코딩 장치로부터 진폭과 위상으로 이뤄진 파면들의 복소 값들 또는 그로부터 유도된 값들로 코딩될 수 있는데, 하나의 광변조기는 왼쪽 눈의 뷰잉 윈도우에 직접 위치되거나 그 바로 앞에 위치되고, 제2 광변조기는 오른쪽 눈의 뷰잉 윈도우에 직접 위치되거나 그 바로 앞에 위치된다.

파면들의 복소 값들을 뷰잉 윈도우에 코딩하기 위해, 빔 분리기에 의해 형성되거나 광변조기들 중의 하나를 다른 광변조기에 투영함으로써 형성되는 진폭 광변조기 및/또는 위상 광변조기의 조합이 마련될 수 있다.

진폭 광변조기는 예컨대 뷰잉 평면의 밖에서 뷰잉 윈도우에 가까운 영역에 배치될 수 있고, 진폭 변조기의 변조 이미지에 의해 간섭되는 위상 광변조기는 뷰잉 평면에 직접 위치할 수 있는데, 진폭 변조기의 코딩 면은 투영 렌즈에 의해 각각의 대응 위상 광변조기에 변조 이미지로서 투영된다.

다른 한편으로, 진폭 광변조기와 위상 광변조기의 순서는 바뀔 수 있다.

광변조기의 코딩 면은 그 크기가 눈 안에서의 동공의 총 이동 범위에 상응하도록 고정될 수 있고, 그에 의해 동공의 이동 시에 3차원 표현의 재구성물이 끊어짐이 없이 보일 수 있게 된다.

광변조기들은 선택적으로 연속적인 코딩 면 또는 픽셀화된 코딩 면을 구비하는데, 여기서 픽셀은 진폭 변조 및/또는 위상 변조 가능한 면 요소이다.

광학부에 단 하나의 광변조기만을 사용할 경우, 광변조기는 중심축을 가로질러 배치되고, 광변조기에 선행하여 광원과 광학 시스템이 배치되는데, 그에 후속하여 위치되는 빔 분리기 및 그에 대해 측방으로 배치되고 서로 이격되며 동공 축에 대해 경사진 반사기들이 뷰잉 평면 전방에 배치되고, 광변조기의 코딩 면은 광학 시스템 및 빔 분리기에 의해 2개의 뷰잉 윈도우들로 변환되며, 광변조기의 코딩 면에서 바뀌는 복소 정보들을 미리 주어진 주파수로 왼쪽 뷰잉 윈도우와 오른쪽 뷰잉 윈도우로 번갈아 스위칭하는 스위칭 장치가 빔 경로에 마련된다.

그러한 스위칭 장치는 코딩 장치에 의해 주파수 제어되는 빔 다발 전향 장치로서 형성될 수 있다.

스위칭 장치는 분리되지 않은 빔 경로에는 물론 분리된 빔 경로에 위치될 수 있다.

하나 이상의 광원, 하나 이상의 광변조기, 조명 광학 기구로서 형성된 광학 시스템, 및 뷰잉 윈도우들에 생성된 각각의 파면을 갖는 광학부에는, 두 눈 사이에 생기는 교란 회절 광을 차단하여 혼신을 방지하는 블라인드로서의 하나 이상의 엘리먼트 또는 유닛이 위치할 수 있다.

광변조기와 눈 사이에는, 광변조기로부터 작은 각도로 나오는 광만을 통과시키는 수동 또는 능동 광학 소자의 형태의 하나 이상의 각도 민감 엘리먼트가 삽입될 수 있다.

본 발명에 따른 제2 디스플레이 장치의 광학부에 2개의 광변조기들을 사용할 경우, 한편으로 하나의 광변조기와 하나의 뷰잉 윈도우 사이에, 그리고 다른 한편으로 다른 광변조기와 다른 뷰잉 윈도우 사이에 필터 유닛 또는 블라인드가 삽입될 수 있는데, 그 경우에 짧은 초점 거리의 렌즈를 갖는 콤팩트한 구조가 제공된다.

코딩 장치는 하나 이상의 컴퓨터와 메모리 및 해당 광변조기들의 코딩 면/코딩 면들의 개개의 픽셀에 대한 코딩 정보를 계산하는 수단을 구비할 수 있다.

각각의 눈을 위한 광변조기/광변조기들은 충분한 가간섭 광(coherent light)을 광변조기들로 보내는 하나 이상의 광원에 연결된다.

컬러 재구성의 경우, 광원들은 선택적인 시간 다중화 시에 녹색, 적색, 및 청색 스펙트럼을 갖는 3개의 부분 광원들로 각각 이뤄질 수 있다.

프레임은 하나 이상의 유지 엘리먼트를 구비한다.

정면 영역에는 투과형 광학부는 물론 반사형 광학부도 사용될 수 있는데, 구성 엘리먼트들, 특히 기계적 수단들 및 유지 엘리먼트들을 적은 수로 갖는 광학부를 프레임에 고정적으로 조립한다.

선택적으로, 헬멧, 고글, 또는 적어도 광학부를 위한 최소의 부품을 갖는 유지 장치가 프레임으로서 제공되는데, 디스플레이 장치는 선택적으로 고글 형태의 구성(face mounted display) 또는 헬멧 장착형 고정 스탠드의 구성(helmet mounted display)으로 되거나, 이동 착용 방식으로 헬멧 및/또는 시청자의 머리(head mounted display)에 고정 연결된다.

광변조기와 프레임의 하나 이상의 유지 엘리먼트 사이에는 조정 장치가, 그리고 광변조기와 해당 광원 사이에는 로킹 장치가 마련될 수 있는데, 그 조정 장치와 로킹 장치에 의해 광변조기와, 광원 및 광학 시스템을 갖는 해당 광학부가 뷰잉 평면 및/또는 디스플레이 장치 중심축에 대해, 그리고 그와 평행한 동공 축에 대해 조절되어 로킹될 수 있다.

조정 장치와 로킹 장치와 광학부와 유지 엘리먼트 사이에는, 그들의 위치를 조절하기 위한 거의 기계적인 연결이 이뤄지고, 광원과 광변조기는 전기 연결 라인을 경유하여 코딩 장치와 전력 공급 장치에 연결된다.

시청자가 본 발명에 따른 디스플레이 장치를 헤드 장착형 디스플레이 장치로서 헤드에 고정적으로 조립 착용할 경우, 예컨대 순간적인 헤드 및 동공 위치를 탐지하고 뷰잉 평면에서 뷰잉 윈도우를 추적하기 위한 복잡한 장치들이 생략되는데, 그것은 시청자의 이동 시에 헤드 장착형 디스플레이 장치가 자동으로 동반 이동하여 눈에 대한 그 상대 위치가 고정적으로 유지되기 때문이다.

하지만, 예컨대 프레임에 도입된 하나 이상의 센서가 헤드 이동을 기록하여 그 헤드 이동의 신호를 코딩 장치에 전송하고 그에 입각하여 바뀐 내용을 광변조기에 나타냄으로써 시청자의 이동에 반응하는 것도 가능하다. 즉, 헤드 이동 시에 시청자의 시야각의 변화에 상응하는 신호를 코딩 장치에 전송하여 광변조기의 코딩을 위한 정보를 변경하는 하나 이상의 센서가 프레임의 영역에 마련될 수 있다.

선택적으로, 파면들의 코딩에 따르는 그 오디오 신호 출력이 각각의 광변조기에 접속되는 오디오 신호 장치가 프레임에 부속될 수 있다.

본 발명에 따른 제2 디스플레이 장치에 있어 광변조기에서 코딩되는 홀로그램을 계산하는 것은 선행 기술 및 이전 특허 출원들에 개시된 것(시야각, 평면 단면, 뷰잉 윈도우 및 변조 평면으로의 변환에 의한)과 유사한 방식으로 이뤄지되, 다만 선행 기술 및 이전 특허 출원들과는 달리 눈 가까이에 있거나 헬멧에 장착된 디스플레이 장치(helmet mounted display - HMD)에 맞춰, 즉 시청자의 눈으로부터의 광변조기까지의 매우 짧은 거리에 맞춰 설계된다.

본 발명에 따른 디스플레이 장치에서는, 전술된 홀로그램 계산의 이점, 즉 뷰잉 윈도우를 눈에 국한하고 그로부터 공지의 홀로그래피 디스플레이 장치들에 비해 광변조기의 해상도에 대한 요건이 덜 엄격히 주어진다는 이점이 적은 수의 작은 구성 엘리먼트들을 갖는 비교적 간단한 광학 구조의 이점과 조합된다.

파면들 내지 홀로그램에 대한 계산 및 코딩 방법의 사용 하에, 본 발명에 따른 2개의 주된 헤드 장착형 디스플레이 장치들이 제공된다:

제1 헤드 장착형 디스플레이 장치에서는, 광변조기가 뷰잉 평면에 직접 위치하거나, 전형적으로 수 센티미터의 짧은 거리에 걸쳐 광변조기가 뷰잉 평면에 투영된다. 뷰잉 윈도우에서의 파면의 복소 값들이 코딩 장치에 의해 직접 광변조기의 코딩 면에 기록된다. 여기서는, 그 이후에 뷰잉 평면으로의 부가의 변환을 수행할 필요가 없다.

반면에, 제2 헤드 장착형 디스플레이 장치에서는, 홀로그램으로서 코딩된 파면의 복소 값들이 광변조기의 평면으로부터 뷰잉 평면으로 변환되는데, 광변조기는 뷰잉 평면의 전방에 짧은 간격을 두고(바람직하게는 수 센티미터) 위치한다.

또한, 예컨대 공통의 평면에서 각각의 표현 점에 대한 서브홀로그램을 계산하되, 예컨대 룩업 테이블을 통해서도 계산하고, 이어서 모든 서브홀로그램들을 전체 홀로그램으로 합산하는 방법과 같은 다른 공지의 방법과의 조합도 홀로그램을 계산하는데 사용될 수 있다.

서브홀로그램의 계산은 광변조기의 코딩 면에 대해 이뤄진다. 하지만, 그러한 계산을 다른 평면에서 수행하고, 이어서 모든 서브홀로그램들의 합을 해당 광변조기의 코딩 면으로 변환할 수도 있다. 그것은 개개의 서브홀로그램이 전형적으로 광변조기의 코딩 면에서 상당한 연장을 가져 계산을 복잡하게 하지만, 다른 평면에서는 더 짧아서 계산을 용이하게 할 경우에 유리할 수 있다.

이하, 본 발명을 여러 첨부 도면들을 사용하여 실시예들에 의거해서 상세히 설명하기로 한다.

첨부 도면 중에서,

도 1은 동공의 바로 앞에서 뷰잉 평면의 뷰잉 윈도우들에 배치된 2개의 광변조기들을 구비한 본 발명에 따른 제1 헤드 장착형 디스플레이 장치를 개략적인 형 태로 나타낸 평면도이고,

도 2는 동공의 앞에서 뷰잉 평면의 뷰잉 윈도우들에 각각 배치된 위상 변조기를 구비하되, 뷰잉 윈도우들 전방의 영역에 배치된 진폭 광변조기가 각각의 위상 변조기에 투영되는 디스플레이 장치의 광학부를 도 1에 따른 개략적인 형태로 나타낸 도면이며,

도 3은 동공의 바로 앞에서 뷰잉 평면의 뷰잉 윈도우들에 배치되고 동공의 크기를 갖는 2개의 광변조기들을 구비한 도 1에 따른 광변조기 장치를 개략적인 형태로 나타낸 도면이고,

도 4는 동공의 바로 앞에서 뷰잉 평면의 뷰잉 윈도우들에 배치된 2개의 광변조기들을 구비하되, 광변조기들과 동공 사이에 각도 민감 엘리먼트가 위치되는 도 1에 따른 광학부에서의 광변조기 장치를 개략적인 형태로 나타낸 도면이며,

도 5는 뷰잉 평면의 밖에서 뷰잉 윈도우들 전방의 가까운 영역에 배치된 2개의 광변조기들을 구비하되, 2개의 평행한 광 경로들 사이에서 광변조기와 동공 사이의 영역에 회절 광에 의한 혼신을 피하기 위한 블라인드가 평행하게 정향되어 장착된 본 발명에 따른 제2 헤드 장착형 디스플레이 장치를 광학부에 국한하여 개략적인 형태로 나타낸 도면이고,

도 6은 뷰잉 평면의 밖에서 뷰잉 윈도우들에 가까운 영역에 광변조기를 구비하고, 도 5의 원리에 따른 광원 및 광변조기를 번갈아 뷰잉 윈도우에 조명하기 위한 빔 분리기를 구비한 정면 영역을 나타낸 도면이며,

도 7은 뷰잉 윈도우에 대해 상이한 거리를 갖는 상이한 크기의 광변조기들에 서 3차원 물체 이미지를 디스플레이할 때의 뷰잉 윈도우로부터의 시야 원추를 나타낸 도면이고,

도 8은 시청자에 대해 여러 거리를 두고 있는 공통의 변조기에 대해 두 눈에 대한 2개의 뷰잉 윈도우들 및 동공 축으로부터 벗어난 약간 상이한 시야 원추를 나타낸 도면이며;

도 9는 각각의 눈 전방의 가까운 영역에 별개의 작은 광변조기에 의한 시야 원추를 나타낸 것으로, 동일한 3차원 물체 이미지에서 각각의 눈에 대해 도 7 또는 도 8에 따른 멀리 떨어진 단일의 큰 광변조기에서와 동일한 시야 원추가 얻어지는 것을 나타낸 도면이다.

도 1에는, 3차원 표현의 재구성물을 생성하기 위한 본 발명에 따른 제1 헤드 장착형 디스플레이 장치가 개략적인 형태로 도시되어 있는데, 그 제1 헤드 장착형 디스플레이 장치는 하나 이상의 정면 영역(3)과 서로 이격된 2개의 측면 영역(5, 6)을 갖는 헬멧 형태 또는 고글 형태의 프레임(2)을 구비하되, 정면 영역(3)이 두 눈(7, 8)의 위치들에 병렬되고, 프레임(2)이 다수의 유지 엘리먼트들(9, 10, 11)을 구비한다.

본 발명에 따르면, 하나 이상의 정면 영역(3)은 2개의 광원들(13, 14), 각각의 광학 시스템(12, 15), 및 복소 값의 정보로 코딩될 수 있는 2개의 광변조기들(16, 17)이 있는 구조를 갖는데, 광변조기들(16, 17)은 도 1에 도시된 바와 같이 정해진 뷰잉 윈도우(18, 19)의 지점에 각각 위치되거나, 도 2에 도시된 바와 같이 뷰잉 윈도우(18, 19)에의 투영을 위해 뷰잉 윈도우(18, 19)의 전방의 가까운 영역에 위치되고, 뷰잉 윈도우(18, 19)는 그 크기가 각각의 눈(7, 8)의 동공(20, 21)의 이동 범위의 적어도 일부에 상응하도록 고정되며, 광변조기들(16, 17)은 3차원 표현으로부터 파면들이 계산되는 코딩 장치(26)에 연결되고, 광변조기들(16, 17)은 그 파면들로 코딩될 수 있어 디스플레이를 위한 복소 파면들이 뷰잉 윈도우들(18, 19)에 위치하게 된다.

광변조기들(16, 17)과 프레임(2)의 유지 엘리먼트들(9, 10, 11) 사이에는 조정 장치(22, 23)가 각각 마련될 수 있고, 광변조기들(16, 17)과 광원들(13, 14) 사이에는 로킹 장치(24, 25)가 각각 마련될 수 있다.

그 조정 장치들(22, 23)과 로킹 장치들(24, 25)에 의해, 광변조기들(16, 17)과 광원들(13, 14) 및 광학 시스템들(12, 15)이 뷰잉 평면(4) 및/또는 디스플레이 장치 중심축(28)에 대해, 그리고 그와 평행한 동공 축들(29, 30)에 대해 조절되어 로킹될 수 있다.

조정 장치들(22, 23)과 로킹 장치들(24, 25) 사이에는 광학 시스템들(12, 15) 및 유지 엘리먼트들(9, 10, 11)과의 거의 기계적 연결(실선으로 도시됨)이 이뤄지는 반면에, 광원들(13, 14)과 광변조기들(16, 17)은 전기 연결 라인들(점선으로 도시됨)을 경유하여 코딩 장치(26)와 전력 공급 장치(27)에 연결된다.

코딩 장치(26)는 하나 이상의 컴퓨터와 메모리 및 해당 광변조기(16, 17)의 코딩 면/코딩 면들의 개개의 픽셀에 대한 코딩 정보를 계산하기 위한 프로그램 기술 수단을 구비한다.

도 1에 도시된 본 발명에 따른 제1 디스플레이 장치(1)에서는, 광변조기들(16, 17)이 뷰잉 평면(4)의 뷰잉 윈도우들(18, 19)에 배치된다. 그럼으로써, 파면의 복소 값들이 코딩 장치(26)로부터 2개의 광변조기들(16, 17)의 코딩 면들로 기록될 수 있는데, 제1 광변조기(16)는 왼쪽 눈(7)의 제1 뷰잉 윈도우(18)에 직접 위치되고, 제2 광변조기(17)는 오른쪽 눈(8)의 제2 뷰잉 윈도우(19)에 직접 위치된다.

파면의 복소 값들을 기록하기 위해, 진폭 광변조기 및/또는 위상 광변조기의 조합이 마련될 수도 있는데, 그러한 조합은 예컨대 빔 분리기에 의해 연결되거나, 하나의 광변조기를 다른 광변조기에 투영함으로써 형성된다. 하지만, 그것은 코딩 장치(26)에 존재하는 프로그램 기술 수단의 제공 입력에 따라, 그리고 디스플레이 장치(1)의 광학부의 구성에 의존하여 달라진다.

예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 진폭 광변조기들(31, 32)이 광학 시스템들(46, 47)에 의해 위상 광변조기들(33, 34)에 투영될 수 있는데, 위상 광변조기들(33, 34)이 뷰잉 평면(4)에 직접 위치하고, 진폭 광변조기들(31, 32)의 변조 이미지들(35', 36')도 역시 뷰잉 평면(4)에 위치한다. 하지만, 진폭 광변조기들(31, 32) 자체의 코딩 면들(35, 36)은 뷰잉 평면(4)의 밖에서 뷰잉 윈도우(18, 19)에 가까운 영역에 배치된다. 진폭 광변조기들(31, 32)의 코딩 면들(35, 36)은 광원들(13, 14)로부터 각각의 조명 광학 기구(58, 59)를 경유하여 조명된다.

복소 값들의 완전한 기록을 가능케 하는 광변조기 또는 광변조기들의 조합을 사용할 가능성이 없다면, 파면의 복소 값들을 예컨대 위상 광변조기에 기록될 수 있는 순수한 위상 분포를 통해 근사하여 표현할 수도 있다. 그러면, 특히 홀로그래피 코딩 시에 파면들의 실제 값들과 설정 값들 사이의 편차들이 뷰잉 윈도우들(18, 19)에 생기고, 그로 인해 재구성에 오류가 있을 수 있다. 그 경우, 보정을 위해, 위상 홀로그램과 관련하여 통상적인 것과 같은 그러한 코딩의 최적화를 위한 방법, 예컨대 반복 방법(iterative method)과 조합하는 것이 가능하다.

각각의 눈(7, 8)에 대한 광변조기들(16, 17; 31, 32; 33, 34)은 충분한 가간섭 광으로 조명된다. 그에 대한 일례는 조명 광학 기구(58, 59)에 의해 광변조기들(16, 17; 31, 32; 33, 34)의 크기로 확장되는 레이저 빔일 수 있다. 컬러 재구성도 역시 그에 통상적인 방법, 예컨대 적색, 녹색, 및 청색 광원들의 시간 다중화에 의한 방법으로 수행될 수 있다. 그럴 경우, 광학부의 구조는 각각의 눈(7, 8)에 대해 사실상 광원 또는 광원들(13, 14), 투영 광학 기구(12, 15), 및 광변조기(16, 17)만으로 이뤄지게 되는데, 컬러 재구성의 경우에는 광원들(13, 14)이 3개의 부분 광원들, 예컨대 LED로 이뤄질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 투과형 디스플레이 장치는 물론 본 발명에 따른 반사형 디스플레이 장치도 구성될 수 있다. 적은 수의 구성 엘리먼트들을 갖는 그러한 구조는 기계적 수단(유지 엘리먼트들(9, 10, 11))에 의해 시청자의 머리에 있는 프레임(헬멧 또는 고글)에 고정적으로 조립되거나, 고정적으로 유지되는 프레임에 조립된다. 그와 관련하여, 광변조기(16, 17)의 크기 및 그에 따른 뷰잉 윈도우(18, 19)의 크기를 그 크기가 눈(7, 8) 안에의 동공(20, 21)의 전체 이동 범위에 상응함으로써 동공(20, 21)의 이동 시에 끊김이 없이 재구성물이 보일 수 있도록 선택하 는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 제1 디스플레이 장치의 또 다른 실시예에서는, 광변조기들(16, 17)이 동공(20, 21)의 면적의 크기와 동일한 크기의 코딩 면을 구비할 수 있지만, 여기서는 동공(20, 21)이 각각의 광변조기(16, 17)를 넘어서까지 일정 정도 이동할 경우에는 3차원 표현의 재구성물이 보일 수 없다.

3차원 표현의 재구성물을 생성하기 위한 본 발명에 따른 제2 디스플레이 장치(40)가 도 5에 도시되어 있는데, 다만 광학부에 국한하여 도시되어 있고, 그 본 발명에 따른 제2 디스플레이 장치(40)는 본 발명에 따른 제1 디스플레이 장치(1)와 마찬가지로 두 눈의 위치들에 병렬된 하나 이상의 정면 영역과 서로 이격된 2개의 측면 영역들을 갖는 헬멧 형태 또는 고글 형태의 프레임을 구비한다.

그러한 제2 디스플레이 장치(40)에 속한 정면 영역(3)은 2개의 광원들(13, 14), 2개의 광학 시스템들(43, 44), 및 복소 값의 정보로 코딩될 수 있는 2개의 광변조기들(41, 42)이 있는 구조를 갖는데, 광변조기들(41, 42)은 뷰잉 평면(4)의 밖에서 뷰잉 윈도우들(18, 19)의 전방 가까이에 위치되고, 뷰잉 윈도우들(18, 19)은 그 크기가 각각의 눈(7, 8)의 동공(20, 21)의 이동 범위의 적어도 일부에 상응하도록 고정되며, 광변조기들(41, 42)은 3차원 표현으로부터 파면들이 계산되는 코딩 장치(26)에 연결되고, 파면들은 광변조기들(16, 17)에서 홀로그램으로서 코딩될 수 있되, 홀로그램이 광학 시스템(43, 44)에 의해 해당 뷰잉 윈도우(18, 19)로 변환되어 디스플레이를 위한 복소 파면들이 뷰잉 윈도우들(18, 19)에 위치하게 된다.

여기서도 역시 본 발명에 따른 제1 디스플레이 장치(1)와 유사하게, 기계적 프레임(2)에는 선택적으로 유지 엘리먼트들(9, 10, 11)과 조정 장치, 로킹 장치, 및 전력 공급 장치(57)가 형성될 수 있다.

홀로그램 계산은 코딩 장치(26)에서 수행되는데, 예컨대 간행물 DE 10 2004 063 838 A1에 개시된 것에서와 같이 3차원 표현으로부터 단면들을 거쳐 뷰잉 평면(4)에서의 부분 파면들의 변환 및 합산에 이르기까지가 수행된다. 공통의 파면을 뷰잉 평면(4)으로부터 광변조기(16, 17)의 평면으로 변환하는 것은 광변조기가 뷰잉 평면의 밖에 위치하고 파면이 홀로그램으로서 코딩되는 경우에만 필요하다.

그 경우, 뷰잉 윈도우(18, 19)를 통해 바라보는 시청자는 3차원 표현의 재구성물(장면)을 도 7에 도시된 바와 같이 시야 원추(60)의 영역에서 보는데, 시야 원추(60)의 개방 각도는 광변조기 상의 픽셀 피치로부터 주어진다.

이하, 이전 특허 출원들에서의 장치들과 비교하여 수치적인 예를 기술하기로 한다.

디스플레이 장치의 직시형 구조는 예컨대 430×320㎟ 크기의 디스플레이, 207㎛의 픽셀 피치(여기서는, 각각의 복소 수치의 코딩을 위한 최대 픽셀), 및 라인당 2048 픽셀로 이뤄진다. 그것은 2미터 간격으로 약 6㎜의 뷰잉 윈도우를 생성한다.

역으로, 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 뷰잉 윈도우에 2048의 동일한 픽셀 수 및 약 3㎛의 픽셀 피치를 갖는 폭 6㎜의 작은 광변조기가 존재한다면, 가간섭 광의 조명 시에 2미터 간격으로 폭 430㎜의 회절 차수가 생성된다. 그 경우, 회절 이미지와 뷰잉 윈도우 사이에 동일한 시야 원추(60)가 펼쳐진다. 즉, 그럼으 로써, 큰 스크린 면을 갖는 직시형 구조에서와 동일한 가시 표현 영역이 생기게 된다. 여기서, 회절 차수의 가장자리에 대한 각도는 수도(several degrees) 정도이다.

픽셀화된 광변조기가 코딩에 사용되면, 높은 회절 차수가 생긴다. 그러한 높은 회절 차수를 억제하기 위한 부가의 조치를 취하지 않는다면, 높은 회절 차수보다 더 큰 각도로 전체 시야 원추의 반복들이 시야 원추에 이어진다. 즉, 재구성물의 주기적인 반복이 발생하되, 그 반복이 고유의 재구성물로부터 공간적으로 분리된다. 그러면, 연장이 큰 재구성 장면이 여러 겹으로 나란히 보이게 된다. 하지만, 연출하려는 물체를 그 주파수 범위 내로 적절히 한정한다면, 재구성물의 개개의 반복들이 공간적으로 겹쳐지지 않게 된다.

다음의 본 발명에 따른 다수의 조치들이 높은 회절 차수를 억제하는 역할을 한다:

- 도 4에 도시된 디스플레이 장치(1)의 부분에 있어서는, 뷰잉 윈도우(18, 19)에 직접 배치된 광변조기(16, 17)와 눈(7, 8) 사이에 예컨대 포일의 형태의 각도 민감 엘리먼트(37, 38)가 각각 삽입되는데, 그 각도 민감 엘리먼트(37, 38)는 광변조기(16, 17)로부터 작은 각도로 나오는 광만을 통과시키는 반면에, 큰 각도를 이룬 광은 눈(7, 8)에 도달하지 못한다. 도 4의 구조는 그것이 매우 콤팩트하다고 하는 이점을 갖는다.

- 도 5에 도시된 광학부에 있어서는, 광변조기(41, 42) 자체가 뷰잉 윈도우(18, 19)의 밖에 위치되는데, 광변조기(41, 42)는 광학 시스템(43, 44)을 통해 뷰잉 윈도우(18, 19)로 변환된다. 시청자의 두 눈(7, 8) 사이의 혼신을 피하기 위한 필터 유닛(예컨대, 도시를 생략한 4-f-시스템) 또는 도 5에 도시된 바와 같은 블라인드(45)가 광변조기들(41, 42)과 뷰잉 윈도우들(18, 19) 사이에 삽입된다. 여기서는, 짧은 초점 거리의 렌즈를 갖는 콤팩트한 구조가 제공되어 디스플레이 장치(40)가 프레임, 즉 헬멧에 조립될 수 있거나, 고글 장치로서 시청자의 머리에 직접 고정될 수 있다.

본 발명에 따른 제2 헤드 장착형 디스플레이 장치(40)에서는, 광변조기(41, 42)가 시청자의 눈(7, 8)에 가깝지만 뷰잉 평면(4)의 밖에 배치되는 도 5에 도시된 바와 같은 제1 실시 양태에서 광변조기들(41, 42)은 코딩이 그에 상응하게 변하는 경우라도 뷰잉 윈도우들(18, 19)에 투영된다.

제2 실시 양태의 본 발명에 따른 제2 헤드 장착형 디스플레이 장치(50)가 도 6에 도시되어 있는데, 본 실시 양태에서는 디스플레이 장치 중심축(28)을 가로질러 배치되는 코딩 가능한 하나의 광변조기(52)만이 사용된다. 광변조기(52)에 선행하여 광원(13)과 광학 시스템(53)이 배치된다. 광변조기(52)에 후속하여 위치하는 빔 분리기(54) 및 그에 대해 측방으로 배치되고 서로 이격되며 동공 축(29, 30)에 대해 경사진 2개의 반사기들이 뷰잉 평면(4)의 전방에 배치된다. 광변조기(52)의 코딩 면은 빔 분리기(54)에 의해 뷰잉 윈도우(18, 19)로 변환된다. 광변조기(52)를 뷰잉 윈도우(18, 19)에 투영하는 것은 또한 후속 배치된 광학 시스템(도시를 생략함)에 의해 가능하다. 다만, 그러한 디스플레이 장치는 스위칭 장치(57)에 의해 광변조기(52)의 코딩에 상응하는 파면들이 오른쪽과 왼쪽 눈(7, 8)에 번갈아 제공 될 경우에만 동작한다.

스위칭 장치(57)는 코딩 장치(26)에 의해 주파수 제어되는 빔 다발 전향 장치로서 형성될 수 있고, 분리되지 않은 빔 경로 또는 분리된 빔 경로에 위치될 수 있다.

이하, 광변조기들의 배치에 관한 규모 가변성(scalability)에 대해 설명하기로 한다:

예컨대, 간행물 DE 10 2004 063 838 A1에 개시된 바와 같이 시야 원추의 구성이 뷰잉 윈도우로부터 스크린까지, 그리고 디스플레이 배후로 연장되는 원추로서 간주한다면, 광변조기들이 동일한 해상도, 즉 시청자로부터의 그 거리에 상응하는 상이한 크기의 픽셀을 갖는다는 가정 하에, 예컨대

- 시청자로부터의 거리가 2미터인 20 듀티 스크린 면

- 또는 시청자로부터의 거리가 1미터인 10 듀티 스크린 면

- 또는 시청자로부터의 거리가 0.5미터인 5 듀티 스크린 면 등을 사용할 경우에 뷰잉 윈도우에 대해 디스플레이의 전방에 센터링된 중심 위치에 도 7, 도 8, 및 도 9에 도시된 것과 동일한 시야 원추가 생기게 된다.

전술된 경우들에서는, 동일한 3차원 표현이 광변조기에 코딩된다. 그와 관련하여, 3차원 표현으로부터 단면 평면들을 거쳐 뷰잉 윈도우까지 파면들의 복소 값들을 계산하는 것은 동일하다. 그러면, 파면들의 동일한 복소 값들이 뷰잉 윈도우에 존재한다. 계산에서는 뷰잉 윈도우로부터 광변조기로의 변환만이 상이하다(그와 관련하여, 거리에 상응하게 다른 위상 계수(phase factor)를 사용하고, 그에 상응하여 다른 복소 값들을 광변조기에 코딩한다).

대안적으로, 전술된 경우들 중의 하나에 대한 계산 및 그에 뒤이은 변환을 다른 스크린 면에서의 것으로부터 하는 것도 가능하다. 예컨대, 시청자로부터의 거리가 2미터인 20 듀티 스크린으로부터 시청자로부터의 거리가 1미터인 10 듀티 스크린으로 계산 및 변환하는 것이 가능하다.

하지만, 본 설명은 개개의 광변조기에 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 대한 2개의 뷰잉 윈도우들을 사용하고, 그 2개의 뷰잉 윈도우들이 스크린 면 전방의 중심 위치에 대해 눈 간격의 절반만큼 왼쪽 및 오른쪽으로 오프셋되어 있는 경우에는 더 이상 정확한 것이 아니다(도 8을 참조). 하지만, 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 눈의 전방에 있는 별개의 광변조기에 의해 개개의 광변조기에서와 동일한 시야 원추가 각각의 눈에 대해 얻어지게 된다.

시야 원추의 형성이 다음의 도 7, 도 8, 및 도 9에 도시되어 있다.

도 7에는, 뷰잉 윈도우에 대해 상이한 거리를 갖는 상이한 크기의 광변조기들(52', 52", 52"')에서 3차원 표현의 재구성물(61)을 디스플레이할 때의 뷰잉 윈도우(18)로부터의 시야 원추(60)가 표시되어 있다.

도 8에는, 시청자에 대해 상이한 거리를 두고 3차원 표현의 재구성물(61)을 디스플레이하기 위해 중심축에 배치된 공통의 광변조기들(52', 52", 52"')에 있어서의 동공 축(29, 30)을 갖는 두 눈(7, 8)에 대한 2개의 뷰잉 윈도우들(18, 19)로부터의 시야 원추들(62, 63)이 도시되어 있다.

도 9에는, 2개의 별개의 작은 광변조기들(41, 42)이 각각의 눈(7, 8)의 전방 의 가까운 영역에 표시되어 있는데, 동일한 3차원 표현의 재구성물(61)에서 도 7 또는 도 8에 따른 멀리 떨어진 단일의 큰 광변조기(52"')에서와 동일한 시야 원추(60, 63)가 각각의 눈(7, 8)에 대해 얻어진다.

그러한 구조는 작은 광변조기들(31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)을 뷰잉 평면(4)에 대해 짧은 거리로 배치함으로써 작은 광변조기들(예컨대, LCoS)에 의해 구현될 수 있다.

그것은 광변조기(16, 17)가 뷰잉 평면(4)에 위치하거나 뷰잉 평면(4)에 투영되는 도 1 내지 도 4에서 전술된 형태들과는 상이하다. 도 9에서는, 광변조기의 코딩 면이 시청자 가까이에, 그러나 뷰잉 평면(4)의 밖에 있게 된다. 그러한 구조에서는, 다수의 회절 차수들이 뷰잉 평면(4)에 나란히 생기게 된다. 뷰잉 윈도우(18, 19)가 동공(20, 21)보다 더 크다면, 시청자는 주기적 반복들을 보지 않게 된다.

뷰잉 윈도우(18, 19)의 크기를 눈(7, 8) 안에서의 동공(20, 21)의 이동 범위에 맞춤으로써 시청자의 동공이 이동 시에 뷰잉 윈도우(18, 19) 내에 머물도록 하는 것이 바람직하다.

뷰잉 윈도우(18, 19)에 대한 스크린 면의 거리가 짧은 경우에는, 다시 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 대한 별개의 광변조기들을 사용할 수 있는데, 그 경우에 각각의 시야 원추(60, 63)는 각각의 눈(7, 8)과 중심을 맞춰 주어진다.

높은 회절 차수를 억제하는 것은 왼쪽 눈(7)의 뷰잉 윈도우(18)의 높은 회절 차수가 오른쪽 눈(8)으로 마주칠 경우 및 그 역의 경우에만 필요하다.

그와 관련하여, 도 5는 각각의 광변조기(41, 42)에 대한 광원(13, 14), 조명 광학 기구로서 형성된 광학 시스템(43, 44), 각각의 눈(7, 8)에 대한 광변조기(41, 42), 및 높은 회절 차수로 인해 두 눈(7, 8) 사이의 유발되는 광을 차단하는 차단기로서의 엘리먼트 또는 유닛(45)을 구비한 본 발명에 따른 제2 디스플레이 장치(40)의 간단한 광학 구조를 도시하고 있다. 차단기(45)에 의해, 눈(7, 8)이 각각의 다른 광변조기(41, 42)의 높은 회절 차수를 보는 것이 방지된다. 차단기(45)를 구현하는 방안은 블라인드일 수 있다.

충분히 콤팩트한 구조에서는, 그러한 디스플레이 장치(40)를 헬멧 프레임(2)에 고정적으로 조립하거나 시청자의 머리에 쓰는 고글 프레임으로서 조립할 수 있다.

즉, 본 발명은 헤드 장착형 디스플레이 장치의 상대적으로 간단한 광학 구조를 가능케 한다. 또한, 큰 직시형 구조에 비해 조명을 함에 있어 광원 어레이 및 큰 렌즈 또는 렌즈 어레이가 필요한 것이 아니라, 단일의 광원 또는 각각의 눈에 대해 컬러당 하나의 광원과 광변조기의 크기의, 즉 전형적으로 지름이 0.5 내지 2 듀티의 범위에 있는 렌즈만이 필요하게 된다. 그것은 간단하게 제조될 수 있다.

2차원 코딩을 아무런 문제 없이 사용할 수 있는데, 직시형 장치에서와 같이 입체 분리를 필요로 함이 없이, 그리고 오른쪽과 왼쪽 홀로그램의 시간 다중화를 필요로 함이 없이 각각의 눈에 대해 전해상도를 갖는 광변조기를 제공할 수 있다.

또한, 시청자의 위치에 상응하게 뷰잉 윈도우를 추적하기 위한 복잡한 구성 엘리먼트들이 불필요하다.

광변조기에 대해 광원의 위치를 변경하는 것이 불필요한데, 왜냐하면 그 양자가 헬멧 또는 고글 형태의 장치에 의해 머리와 함께 동반 이동하기 때문이다. 따라서, 직시형 구조에서 추적을 위해 마련되는 셔터 디스플레이 또는 그와 유사한 장치가 생략된다. 그러면, 더 많은 조도까지 존재하게 되는데, 프로젝션 구조에 비해 예컨대 프로젝션 광학 기구 및 큰 스크린 면이 필요하지 않게 된다.

디스플레이 장치(1, 40, 50)가 사람의 머리에 제공되는 프레임(2 또는 51)을 구비하는 경우, 디스플레이 장치(1, 40, 50)를 디스플레이의 시작 시에 적어도 한번 눈(7, 8)에 대해 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 그럼으로써, 그에 뒤이어 눈(7, 8)이 머리의 이동 시에도 항상 뷰잉 윈도우(18, 19)에 머무는 것이 보장되게 되는데, 왜냐하면 그것이 머리와 함께 동반 이동하기 때문이다. 즉, 시청자의 위치를 탐지하기 위한 부가의 장치가 생략된다. 시청자를 부정확하게 추적함으로 인한 교란도 일어나지 않는다.

<도면 부호의 설명>

1: 제1 디스플레이 장치 2: 프레임

3: 전방 영역 4: 뷰잉 평면

5: 왼쪽 측면 영역 6: 오른쪽 측면 영역

7: 오른쪽 눈 8: 왼쪽 눈

9: 제1 유지 엘리먼트 10: 제2 유지 엘리먼트

11: 제3 유지 엘리먼트 12: 제1 광학 시스템

13: 제1 광원 14: 제2 광원

15: 제2 광학 시스템 16: 제1 광변조기

17: 제2 광변조기 18: 제1 뷰잉 윈도우

19: 제2 뷰잉 윈도우 20: 오른쪽 동공

21: 왼쪽 동공 22: 제1 조정 장치

23: 제2 조정 장치 24: 제1 로킹 장치

25: 제2 로킹 장치 26: 코딩 장치

27: 전력 공급 장치 28: 디스플레이 장치 중심축

29: 제1 동공 축 30: 제2 동공 축

31, 32: 진폭 광변조기 33, 34: 위상 광변조기

35, 36: 코딩 면 35', 36': 변조 이미지

37, 38: 각도 민감 엘리먼트

40: 제2 디스플레이 장치(제1 실시 양태)

41, 42: 광변조기 43: 제3 광학 시스템

44: 제4 광학 시스템 45: 블라인드

46: 제5 광학 시스템 47: 제6 광학 시스템

50: 제2 디스플레이 장치(제2 실시 양태)

51: 제2 프레임 52', 52", 52"': 광변조기

53: 제7 광학 시스템 54: 빔 분리기

55: 제1 반사기 56: 제2 반사기

57: 스위칭 장치 58: 제1 조명 광학 기구

59: 제2 광학 기구 60: 제1 시야 원추

61: 3차원 표현의 재구성물 62: 제2 시야 원추

63: 제3 시야 원추

Claims

3차원 표현의 재구성물을 생성하기 위한 헤드 장착형 디스플레이 장치에 있어서, 정면 영역 및 서로 거리를 두고 배치된 2개의 측면 영역들을 적어도 갖는 헬멧 형태 또는 고글 형태의 프레임을 구비하되, 상기 정면 영역은 안구들의 위치들과 관련이 있고, 적어도 하나의 광원(13, 14), 적어도 하나의 광학 시스템(12, 15; 46, 47) 및 적어도 하나의 코딩 가능한 광변조기(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)가 있는 구조를 갖되, 코딩 면에서 3차원 표현의 파면이 코딩되는 상기 광변조기(16, 17; 31, 32; 33, 34)가 시청자 평면(4)에서의 정의된 시청자 윈도우(18, 19)의 지점에 위치되거나, 코딩 면에서 3차원 표현의 파면의 홀로그램이 코딩되는 상기 광변조기(41, 42; 52)가 상기 시청자 윈도우(18, 19)의 바로 앞의 영역에 위치되어 홀로그램을 상기 시청자 윈도우(18, 19)로 변환시키고, 상기 시청자 윈도우(18, 19)는 그 크기가 안구들(7, 8) 각각의 동공(20, 21)의 이동 범위의 적어도 일부에 대응되며, 상기 광변조기(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)는 코딩 면들에 대해 3차원 표현으로부터 그 3차원 표현의 파면들 또는 홀로그램들이 계산되는 코딩 장치(26)에 연결되고, 상기 광변조기(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)들은 상기 파면들 또는 홀로그램들로 직접 코딩될 수 있으며, 그에 따라 상기 광변조기(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)들이 조명될 때에 3차원 표현의 복소 파면들이 상기 시청자 윈도우(18, 19)에 위치하고, 상기 시청자 윈도우(18, 19)와 상기 광변조기(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52) 사이에 펼쳐진 시야 원추(60, 63)에서 3차원 표현의 재구성물(61)이 보여질 수 있으며, 상기 시청자 윈도우(18, 19)의 크기에 따라 두 안구들(7, 8) 사이의 회절 광의 크로스토킹(cross-talking)을 억제하기 위한 적어도 하나의 엘리먼트(37, 38, 45)가 상기 시청자 평면(4)의 근처에서 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 시청자 평면(4)의 시청자 윈도우들(18, 19)에 배치된 상기 광변조기들(16, 17)의 코딩 면들은 상기 코딩 장치(26)에 의해 제공된, 진폭과 위상으로 이뤄진 복소 값들 또는 이러한 값들로부터 유도된 값들로 코딩될 수 있는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파면들의 복소 값들을 상기 시청자 윈도우들(18, 19)에서 코딩하기 위해, 빔 분리기에 의해 연결되거나 또는 하나의 광변조기(31, 32)를 각각의 다른 광변조기(33, 34)에 투영시킴으로써 연결되는 진폭변조 광변조기와 위상변조 광변조기의 조합이 제공되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제3항에 있어서, 한편으로 상기 진폭변조 광변조기들(31, 32)은 상기 시청자 평면(4)의 밖에서 상기 시청자 윈도우들(18, 19)에 가까운 영역에 배치되고, 상기 위상변조 광변조기들(33, 34)은 상기 시청자 평면(4)에 직접 위치하되, 상기 진폭변조 광변조기들(31, 32)의 코딩 면들(35, 36)은 광학 투영 시스템(46, 47)의 도움으로 대응 위상변조 광변조기(33, 34)상에 변조기 이미지(35', 36')로서 투영될 수 있거나, 다른 한편으로 상기 진폭변조 광변조기와 상기 위상변조 광변조기는 이와 다른 순서로 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광변조기(16, 17)의 코딩 면은 그 크기가 상기 안구(7, 8) 안에서의 동공(20, 21)의 전체 이동 범위에 상응하도록 정의되거나, 또는 상기 광변조기들(16, 17)의 코딩 면들은 상기 동공들(20, 21)의 표면적들과 동일한 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 중심축(28)의 방향을 가로질러 배치되는 하나의 코딩 가능한 광변조기(52)가 광학부에서 사용되되, 상기 광변조기(52)의 앞에 광원(13)과 광학 시스템(53)이 배치되고, 상기 광변조기(52) 뒤에 위치되는 빔 분리기(54) 및 상기 빔 분리기(54)의 양측면들에 배치되고 서로 이격되며 동공 축(29, 30)에 대해 경사진 2개의 반사기들(55, 56)이 상기 시청자 평면(4)의 전방에 배치되고, 상기 광변조기(52)의 코딩 면은 상기 광학 시스템(53) 및 상기 빔 분리기(54)를 통해 조명받아서 2개의 시청자 윈도우들(18, 19)로 변환되며, 상기 광변조기(52)의 전체 코딩 면에서 바뀌는 정보들을 주어진 빈도수로 왼쪽과 오른쪽 시청자 윈도우들(18, 19)로 번갈아 스위칭하는 스위칭 장치(57)가 언스플릿 광 경로에 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제6항에 있어서, 상기 스위칭 장치(57)는 상기 코딩 장치(26)에 의해 빈도수가 제어되는 광속(bundles of rays) 편향 장치의 형태로 설계되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원(13, 14), 상기 적어도 하나의 광변조기(41, 42; 52), 조명 광학 시스템(43, 44; 53), 및 상기 시청자 윈도우들(18, 19) 내에 각각 생성된 파면들을 갖는 광 경로에서, 상기 두 안구들(7, 8) 사이의 교란 회절 광을 차단하는 구경 조리개(aperture stop)로서 역할을 하는 적어도 하나의 엘리먼트 또는 컴포넌트(45)가 존재하는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 광변조기(16, 17)와 안구(7, 8) 사이에 수동 또는 능동 광소자의 형태의 적어도 하나의 각도 민감 엘리먼트(37, 38)가 삽입되되, 상기 각도 민감 엘리먼트(37, 38)는 상기 광변조기(16, 17)에 의해 작은 각도로 방출되는 광만을 통과시키고, 상기 광변조기(16, 17)는 상기 시청자 윈도우(18, 19)에 직접 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 2개의 광변조기들(41, 42)이 이용되는 경우, 한편으로 하나의 광변조기(41)와 하나의 시청자 윈도우(18) 사이에, 그리고 다른 한편으로 나머지 다른 하나의 광변조기(42)와 나머지 다른 하나의 시청자 윈도우(19) 사이에 필터 유닛 또는 구경 조리개(45)가 배치되어, 짧은 초점 거리를 나타내는 렌즈들을 갖는 콤팩트한 설계가 제공되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1, 2, 6, 7, 8, 9, 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코딩 장치(26)는 적어도 컴퓨터, 메모리, 및 각각의 광변조기들(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)의 코딩 면(들)을 코딩하기 위한 정보의 계산을 수행하는 프로그래밍 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1, 2, 6, 7, 8, 9, 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광변조기들(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)은 충분한 코히어런트 광을 상기 광변조기들(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)에 비추는 적어도 하나의 광원(13, 14)과 연결되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1, 2, 6, 7, 8, 9, 10항 중 어느 한 항에 있어서, 컬러 재구성이 요망되는 경우, 상기 광원들(13, 14)은 시간 다중화에 의해 결합되는, 녹색, 적색, 및 청색 스펙트럼을 각각 방출시키는 3개의 부분 광원들로 이뤄지는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 프레임(2)은 적어도 하나의 유지 엘리먼트(9, 10, 11)를 구비하며, 상기 정면 영역(3)에서 투과형 광학부 및 반사형 광학부가 사용되며, 상기 투과형 광학부 및 상기 반사형 광학부는 상기 유지 엘리먼트들(9, 10, 11)과 기계적 수단들을 통해 프레임(2, 51)에 고정적으로 장착되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프레임(2, 51)은 헬멧, 고글, 또는 적어도 광학부를 위한 최소 갯수의 부품을 갖는 유지 장치이며, 상기 디스플레이 장치(1, 40, 50)는 선택적으로 고글 형태를 갖거나 또는 고정 스탠드 형태로 헬멧에 의해 유지되거나, 이동 착용 방식으로 헬멧 또는 시청자의 머리에 고정 연결되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제14항에 있어서, 상기 광변조기(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41; 42; 52)와 상기 프레임(2; 51)의 적어도 하나의 유지 엘리먼트(9, 10, 11) 사이에 조정 장치(22, 23)가 배치되고, 광변조기(16, 17)와 이에 대응하는 광원(13, 14) 사이에는 로킹 장치(24, 25)가 마련되되, 상기 조정 장치(22, 23)와 상기 로킹 장치(24, 25)에 의해 상기 광변조기(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41; 42; 52)와, 상기 광원(13, 14) 및 상기 광학 시스템(12, 15)을 갖는 해당 광학부가 상기 시청자 평면(4) 또는 디스플레이 장치의 중심축(28)에 대해, 그리고 이 중심축(28)과 평행한 동공 축(29, 30)에 대해 조절되어 로킹될 수 있는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제16항에 있어서, 한편으로는 상기 조정 장치들(22, 23)과 상기 로킹 장치들(24, 25) 사이 및 다른 한편으로는 상기 광학부와 상기 유지 엘리먼트들(9, 10, 11) 사이에 기계적인 연결이 이뤄지고, 상기 광원들(13, 14)과 상기 광변조기들(16, 17)은 전기적 연결 케이블들을 통해 상기 코딩 장치(26)와 전력 공급기(27)에 연결되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 14, 16, 17항 중 어느 한 항에 있어서, 시청자가 자신의 머리를 움직일 때 시청자의 시야각의 변화에 따른 신호들을 상기 코딩 장치(26)에 전송하여 상기 광변조기들(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)의 코딩을 위한 정보가 변경되도록 하는 적어도 하나의 센서가 상기 프레임(2)의 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
제1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 14, 16, 17항 중 어느 한 항에 있어서, 택일적인 사항으로서 상기 프레임(2)은 적어도 하나의 오디오 신호 장치와 결합되며, 오디오 신호들의 출력은 상기 광변조기(16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52)들 각각에서의 파면들의 코딩과 동기되어 스위칭되는 것을 특징으로 하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
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