KR101690700B1 - 무안경 방식의 3차원 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치 - Google Patents

무안경 방식의 3차원 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 지지판(1)과; 상기 지지판(1)의 중앙부위에 설치되는 구동제어장치(10)와; 상기 구동제어장치(10)의 일측으로 일정간격 이격되어 위치하여 지지판(1)에 고정결합되는 레이저광원(20)과; 상기 레이저광원(20)의 전방으로 일정간격 이격되어 지지판(1)에 설치되는 평행광생성렌즈(30)와; 상기 평행광생성렌즈(30)로부터 입사하는 광을 일정각도 편향시켜 반사시키는 제1미러(42)와, 상기 제1미러(42)로부터 전달되는 광을 일정각도 편향시켜 반사시키는 제2미러(46)로 이루어지는 미러(40)와; 일정두께를 가지는 직사각형 구조로 이루어져 상기 제2미러(46)에서 반사되어 입사하는 광을 일정각도의 광으로 회절시키는 제1회절격자(50)와; 상기 제1회절격자(50)에 의해 회절된 광을 직상방으로 회절시키는 제2회절격자(60)와; 상기 제2회절격자(60) 상부로 일정간격 이격되어 설치되는 공간광변조기(70)와; 상기 공간광변조기(70) 상부로 일정간격 이격되어 설치되는 수렴렌즈(80)를; 포함하는 무안경 방식의 3차원 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치를 제공한다.

Description

무안경 방식의 3차원 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치{Digital holographic 3D display apparatus of glasses free type}
본 발명은 무안경 방식의 3차원 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 레이저광원에서 생성되는 점 광원을 홀로그램스트립 및 홀로그램판을 이용하여 면 광원으로 변환시켜 3차원의 홀로그램 이미지를 구현할 수 있는 디스플레이장치에 관한 것이다.
디지털 홀로그래픽 디스플레이장치는 3차원 물체를 가장 정확하게 구현할 수 있는 가장 이상적인 디스플레이 기술로 알려져 있다. 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치에서 디스플레이 기능을 담당하는 것은 액정 등으로 이루어지는 공간광변조기로서, 대화면의 홀로그래픽 디스플레이를 구현하기 위해서는 공간광변조기 면적과 동일한 넓이로 입사할 수 있는 콜리메이션된 가간섭성(coherent) 광원이 필요하다.
지금까지 알려진 가간섭성 광원 중 대표적인 것이 레이저 광이다. 그런데, 레이저 광은 그 특성상 빔의 지름이 수 mm 내외로서 대화면의 공간광변조기의 변조 면적에 빔을 입사하기 위해서는 레이저 광에서 생성되는 빔을 수 백배 이상으로 확대해야 하나 기존에 알려진 광학 시스템으로 빔을 이정도 크기까지 확대하기 위해서는 고가의 매우 복잡한 장치가 동원되어야 하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 기술 중에 대한민국 공개특허 제2012-0099364호 및 대한민국 공개특허 제2014-0081401호가 있다. 전자는 도 6에 개시된 것과 같이, 복수 개의 레이저 다이오드(LD)를 배치한 다음 각 레이저 다이오드에서 생성되는 광을 막대형 반원통 렌즈(L)로서 편광시키고, 반원통 렌즈(L)에 의해 편광된 광을 도파로(WL) 및 회절격자(VG)로서 공간광변조기으로 유도함에 그 기술적 특징이 있다. 하지만, 이 기술은 그 구성이 복잡함은 별론으로 하더라도 면 광원을 생성하기 위해서는 상당한 숫자의 레이저 다이오드가 필요한 단점이 있다.
이에 비해, 후자는 도 7에 개시된 것과 같이, 단일의 레이저 광(30)을 사용하되 레이저 광으로부터 생성되는 빔을 내면에 반사막(48)이 마련되는 콜리메이터(40)로서 면 광원으로 변환시킬 수 있다는 점에서 전자에 비해 장치 구성이 매우 간단하다. 하지만, 이 기술이 의도하는 바를 달성하기 위해서는 콜리메이터의 내면에 마련되는 반사막을 이용하여 입사하는 광 모두를 일정각도로 반사시켜야 하는데 현실적으로 이를 실현하는 것이 매우 어렵다.
대한민국 공개특허 제2012-0099364호, 대한민국 공개특허 제2014-0081401호
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 단일의 레이저 광을 이용하여 일정면적을 가지는 공간광변조기에 균일한 광을 입사시킬 수 있는 장치를 제공함에 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여, 지지판(1)과; 컴퓨터 생성 홀로그램 데이터를 포함하여 상기 지지판(1)의 중앙부위에 설치되는 구동제어장치(10)와; 상기 구동제어장치(10)의 일측으로 일정간격 이격되어 위치하여 지지판(1)에 고정결합되는 레이저광원(20)과; 상기 레이저광원(20)의 전방으로 일정간격 이격되어 지지판(1)에 설치되는 평행광생성렌즈(30)와; 상기 평행광생성렌즈(30)의 전방으로 일정간격 이격되어 지지판(1)에 설치되되 상기 평행광생성렌즈(30)로부터 입사하는 광을 일정각도 편향시켜 반사시키는 제1미러(42)와, 상기 평행광생성렌즈(30)와 제1미러(42)를 연결하는 가상선에 직교한 상태로 지지판(1)에 위치하되 상기 제1미러(42)로부터 전달되는 광을 편향시켜 반사시키도록 반사면을 일측 방향으로 1°~ 10°범위 내에서 조절가능하게 설치되는 제2미러(46)로 이루어지는 미러(40)와; 일정두께를 가지는 직사각형 구조로 이루어져 상기 구동제어장치(10)의 타측과 일정간격 이격되어 상기 지지판(1)에 설치되되, 상기 제2미러(46)에서 1°~ 10°범위 내에서 편향된 상태로 입사하는 광을 회절시키는 제1회절격자(50)와; 일정 면적을 가지는 판상 구조로 이루어져 상기 구동제어장치(10) 상부로 일정간격 이격되어 설치되되, 상기 제1회절격자(50)에 의해 회절된 광을 직상방으로 회절시키는 제2회절격자(60)와; 상기 구동제어장치(10)에 의해 제어되며 상기 홀로그램판렌즈(60) 상부로 일정간격 이격되어 설치되는 공간광변조기(70)와; 상기 공간광변조기(70) 상부로 일정간격 이격되어 설치되는 수렴렌즈(80)를; 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
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또한, 상기 제1회절격자(50)는 각도조절핀(52)에 의해 면광의 회절 각도를 조절할 수 있다.
이때, 상기 공간광변조기(70)는 액정으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 제1, 2회절격자를 조합하되, 미러를 통해 제1회절격자로 입사되는 광의 입사 각도를 적절하게 조절하는 구성을 제안함으로써, 장치 자체의 크기를 소형화할 수 있음은 물론 단일의 레이저광원을 이용하더라도 일정 크기를 가지는 공간광변조기에 균일한 면광을 제공하여 세밀한 입체 영상을 구현이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치의 개략적인 외관 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치의 개략적인 내부 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치를 이루는 각 부분의 개략적인 결합 구성도.
도 4a는 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치에 있어 홀로그램스트립의 개략적인 단면 구성도.
도 4b는 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치에 있어 홀로그램판의 개략적인 단면 구성도.
도 5a 및 도 5b 각각은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치에 있어 개략적인 광로 구성도.
도 6은 종래 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치의 개략적인 일 구성도.
도 7은 종래 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치의 개략적인 다른 구성도.
본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명의 실시예를 상술함에 있어 본 발명의 기술적 특징과 직접적인 관련성이 없거나, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 3 각각은 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치의 개략적인 외관 구성도, 내부 구성도 그리고 개략적인 결합 구성도를 보여준다. 각 도면에 개시된 것과 같이 본 발명은 지지판(1), 구동제어장치(10), 레이저광원(20), 평행광생성렌즈(30), 미러(40), 제1회절격자(50), 제2회절격자(60), 공간광변조기(70), 수렴렌즈(80)를 포함하여 이루어지는 특징이 있다. 이하 이들 각 구성을 구체적으로 살펴본다.
지지판(1)은 설치되는 각종 장치를 지지하는 수단이다. 지지판(1)의 상부에는 도 1과 같이 측판(2) 및 상판(3)이 구비될 수 있다. 상판(3)의 중앙부위에는 일정크기의 관통공(4)이 형성된다. 관통공(4)은 공간광변조기(70)의 면적에 비례하도록 형성되는 것이 바람직하다.
구동제어장치(10)는 레이저광원(20) 및 공간광변조기(70)를 제어하는 수단으로, 메모리부, 제어부, 전원부를 포함하며 지지판(1)의 중앙부위에 설치된다. 메모리부에는 복수 개의 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH, Computer Generated Holography) 데이터가 저장된다.
레이저광원(20)은 구동제어장치(10)의 일측으로 일정간격 이격된 상태로 지지판(1)에 고정결합된다. 레이저광원(20)은 단색광으로 이루어질 수 있음은 물론 RGB 삼원색의 백색광으로 이루어질 수도 있다.
평행광생성렌즈(30)는 레이저광원(20)에서 생성되는 점 광원을 일정 크기의 단면적(원)을 가지는 광으로 확대하는 수단으로, 레이저광원(20)의 전방으로 일정간격 이격되어 지지판(1)에 설치된다. 평행광생성렌즈의 구성은 관련 업계에 널리 알려져 있는바 상세한 설명은 생략한다.
미러(40)는 평행광생성렌즈(30)로부터 전달되는 광을 일정각도 편향시키는 수단으로 제1, 2미러(42, 46)로 이루어진다. 제1미러(42)는 평행광생성렌즈(30)로부터 입사하는 광을 일정각도 편향시켜 반사시키는 수단으로, 평행광생성렌즈(30)의 전방으로 일정간격 이격되어 지지판(1)에 설치된다. 제2미러(46)는 제1미러(42)로부터 전달되는 광을 일정각도 편향시켜 반사시키는 수단으로, 평행광생성렌즈(30)와 제1미러(42)를 연결하는 가상선에 직교한 상태로 지지판(1)에 위치하되, 도 5a와 같이 반사면이 일측 방향으로 1°~ 10°범위 내에서 조절가능하게 설치된다. 본 발명이 이러한 구성의 제1, 2미러를 제안하는 이유는 장치 자체의 크기를 최소화하기 위함임과 동시에 제1미러로부터 전달되는 광을 일정 각도 θ로 편향시켜 반사시키기 위함이다.
제1회절격자(50)는 제2미러(46)에서 반사되어 입사하는 광을 일정각도로 회절시키는 수단으로, 구동제어장치(10)의 타측과 일정간격 이격되어 지지판(1)에 설치된다. 제1회절격자(50)는 도면에 개시된 것과 같이 일정두께를 가지는 직사각형 구조로 이루어지는 것이 바람직하며, 특정 패턴의 간섭무늬(grating)가 형성된다. 제1회절격자는 포토폴리머에 간섭무늬를 형성하여 구성될 수 있으며, 포토폴리머에 이러한 기능을 가지도록 간섭무늬를 형성시키는 작업은 관련 업계에서 널리 알려져 있는바 그 설명은 생략한다.
이때, 제1회절격자(50)는 도 4a와 같이, 일면에는 기재층(55) 및 무반사층(57)이 마련되고 타면에는 보호층(56) 및 HWP층(58)이 마련되는 구성으로 이루어질 수 있다. 기재층(55) 및 보호층(56)은 제1회절격자(50)의 보호를 위한 수단이며 유리소재로 이루어질 수 있다. 무반사층(57)은 입사하는 광이 반사되는 것을 방지하는 수단으로, 일정두께를 가지는 유리 표면에 반사를 방지하는 코팅층이 형성되어 이루어질 수 있다. HWP층(58)는 입사하는 광 중에서 간섭무늬를 기록하기 위해 사용된 파장만 통과시키는 수단이다.
본 발명은 도 5a에 개시된 것과 같이, 제2미러(46)의 반사면이 일측 방향으로 1°~ 10°범위 내에서 조절가능하게 설치됨에 따라, 제2미러(46)를 통해 제1회절격자(50)의 일측면으로 입사되는 광은 1°~ 10°범위 내에서 편향된다. 이는 일정 크기의 단면적(원)을 가지며 입사하는 광을 확산시켜 제1회절격자(30)의 일측면으로 조사하기 위함이며, 이와 동시에 장치 자체의 크기를 최소화하기 위함이다.
또한, 본 발명은 제1회절격자(50) 일단부위에 각도조절핀(52)이 마련되는 경우를 배제하지 않는다. 각도조절핀(52)은 도 2와 같이 제1회절격자(50) 자체를 일방향 또는 타방향으로 일정각도 회전시키는 수단이다. 즉, 제1회절격자(50)에서 회절되어 제2회절격자(60)로 조사되는 회절광의 각도를 적절히 조절함으로써, 직사각형 구조로 이루어지는 제1회절격자에 의해 회절된 광 모두가 판상으로 이루어지는 제2회절격자로 적절하게 전달될 수 있게 된다.
제2회절격자(60)는 제1회절격자(50)로부터의 회절광을 받아 직상방으로 회절시키는 수단으로, 구동제어장치(10) 상부로 일정간격 이격되어 설치된다. 즉, 제2회절격자(60)는 제1회절격자(50)로부터 전달되는 회절광을 직상방으로 그대로 회절시킨다. 제2회절격자(60)의 면적은 공간광변조기(70)의 면적과 동일하거나 조금 크게 이루어지는 것이 바람직하다.
이때, 제2회절격자(60)는 도 4b와 같이, 일면에는 무반사층(67)이 마련되고 타면에는 기재층(65)이 마련되는 구성으로 이루어질 수 있다. 기재층(65)은 제2회절격자(60)를 보호하는 수단이며 유리소재로 이루어질 수 있다. 무반사층(67)은 입사하는 광이 반사되는 것을 방지하는 수단으로, 일정두께를 가지는 유리 표면에 반사를 방지하는 코팅층이 형성되어 이루어질 수 있다. 전술한 제1회절격자(50)에서 필요한 파장대만 통과된 상태이기 때문에 제2회절격자(60)에는 별도의 HWP층이 필요하지 않다.
전술한 제1회절격자(50)의 경우와 동일하게 제2회절격자(60)에도 특정 패턴의 간섭무늬(grating)가 형성되며, 이는 포토폴리머에 간섭무늬를 형성하여 구성될 수 있다.
또한, 제1, 2회절격자(50, 60) 각각은 단일의 간섭무늬로 이루어질 수 있음은 물론 복수의 간섭무늬로 이루어질 수 있다. 전자는 레이저광원(10)을 단색광으로 사용하는 경우에 해당되며, 후자는 레이저광원(10)을 RGB 삼원색으로 하여 백색광을 사용하는 경우에 해당된다. 특히 후자의 경우 단일의 스트립이나 판에 각각의 색(파장)에 해당하는 간섭무늬를 형성하여 사용할 수도 있으며, 이와 달리 각각의 색에 해당하는 간섭무늬를 별도의 제1, 2회절격자에 형성한 다음 이들을 적층하여 사용할 수도 있을 것이다.
공간광변조기(70)는 구동제어장치(10)와 연동되어 제2회절격자(60)로부터 조사되는 회절광을 이용하여 입체 영상을 구현하는 수단으로, 제2회절격자(60) 상부로 일정간격 이격되어 설치된다. 즉, 구동제어장치(10)가 특정 컴퓨터 생성 홀로그램 데이터를 분석하여 공간광변조기(70)를 변조한 상태에서 제2회절격자(60)로부터의 광이 공간광변조기(70)로 투사되면, 광은 공간광변조기(70)에서 특정 컴퓨터 생성 홀로그램에 대응하는 입체 영상으로 변환되어 외부로 디스플레이된다. 공간광변조기(70)는 디스플레이기구로서 널리 사용되고 있는 통상의 액정으로 이루어질 수 있다.
수렴렌즈(80)는 공간광변조기(70)에서 변조된 다음 외부로 투사되는 입체 영상을 관찰자가 양안을 이용하여 용이하게 식별할 수 있도록 조절하는 수단으로, 공간광변조기(70) 상부로 일정간격 이격되어 설치된다. 수렴렌즈(80)는 단일의 초점을 가지도록 구성되거나, 또는 좌우 각각의 초점을 가지도록 구성될 수 있다. 후자의 경우는 관찰자의 양안에 각기 다른 입체 영상을 제공해 줄 수 있다는 점에서 보다 세밀한(깊은) 입체 영상을 제공해준다.
수렴렌즈(80)는 프리디플렉션렌즈(pre-deflection lens) 및 필드렌즈(field lense) 조합으로 이루어질 수 있는데 이는 관련 업계에 널리 알려져 있는 사항인바 상세한 설명은 생략한다. 도면부호 76은 및 86 각각은 간격유지 및 설치프레임이며, 도면부호 72는 공간광변조기(70)를 구동제어장치(10)와 연결하는 연결핀이다. 연결핀(72)을 통해 공간공변조기(70)는 구동제어장치(10)에 의해 그 작동이 제어된다.
첨부된 도 5a 및 도 5b 각각을 참조하여 본 발명에 따른 광로 구성을 개략적으로 살펴본다.
구동제어장치(10)의 입력신호에 따라 레이저광원(20)이 작동하면 광이 생성되어 평행광생성렌즈(30)로 입사한다. 이때, 레이저광원(20)에서 생성되는 광은 점 광원이며, 점 광원은 평행광생성렌즈(30)에 의해 일정 크기의 단면적(원)을 가지는 광으로 변환된다.
평행광생성렌즈(30)에 의해 일정 크기의 단면적(원)으로 변환된 광은 제1미러(42)를 거쳐 제2미러(46)로 동일한 크기의 단면적(원)을 가지며 반사된다. 제2미러(46)에서 반사된 광은 일정 각도 θ로 편향된 상태로 제1회절격자(50)의 측면으로 입사한다.
이러한 입사 각도에 따라 제2미러(46)에서 반사된 일정 크기의 단면적(원)을 가지는 광 A는 제1회절격자(50)의 일측면부위 모두를 커버하며 분산되어 입사한다. 광 A가 제1회절격자(50)의 일측면부위 모두를 커버하며 분산되어 입사되면, 제1회절격자(50)는 도 4b와 같이 이를 일정 면적을 가지는 광 B로 변환시켜 회절시킨다.
제1회절격자(50)에 의해 일정 면적을 가지는 광으로 회절된 광 B는 제2회절격자(60)의 하면으로 균일하게 입사되고, 제2회절격자(60)의 하면에 균일하게 입사된 회절광 B은 제2회절격자(60)에 의해 재차 회절된 광 C로 변환되어 공간광변조기(70)로 전달한다. 이에 따라, 공간광변조기(70)에는 공간광변조기의 면적에 대응하는 면광이 입사되는 것이다.
이처럼, 본 발명은 제1, 2회절격자를 조합하되, 미러를 통해 제1회절격자즈로 입사되는 광의 입사 각도를 적절하게 조절하는 구성을 제안함으로써, 단일의 레이저광원을 이용하더라도 일정 크기를 가지는 공간광변조기에 균일한 면광을 제공하는 것이 가능해 보다 세밀한 입체 영상을 구현할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 한정하여 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명은 이에 한정되지 않고 여러 다양한 방법으로 변경되어 실시될 수 있으며, 나아가 개시된 기술적 사상에 기초하여 별도의 기술적 특징이 부가되어 실시될 수 있음은 자명하다 할 것이다.
1 : 지지판 10 : 구동제어장치
20 : 레이저광원 30 : 평행광생성렌즈
42 : 제1미러 46 : 제2미러
50 : 제1회절격자 52 : 각도조절핀
60 : 제2회절격자 70 : 공간광변조기
80 : 수렴렌즈

Claims (4)

  1. 지지판(1)과;
    컴퓨터 생성 홀로그램 데이터를 포함하여 상기 지지판(1)의 중앙부위에 설치되는 구동제어장치(10)와;
    상기 구동제어장치(10)의 일측으로 일정간격 이격되어 위치하여 지지판(1)에 고정결합되는 레이저광원(20)과;
    상기 레이저광원(20)의 전방으로 일정간격 이격되어 지지판(1)에 설치되는 평행광생성렌즈(30)와;
    상기 평행광생성렌즈(30)의 전방으로 일정간격 이격되어 지지판(1)에 설치되되 상기 평행광생성렌즈(30)로부터 입사하는 광을 일정각도 편향시켜 반사시키는 제1미러(42)와, 상기 평행광생성렌즈(30)와 제1미러(42)를 연결하는 가상선에 직교한 상태로 지지판(1)에 위치하되 상기 제1미러(42)로부터 전달되는 광을 편향시켜 반사시키도록 반사면을 일측 방향으로 1°~ 10°범위 내에서 조절가능하게 설치되는 제2미러(46)로 이루어지는 미러(40)와;
    일정두께를 가지는 직사각형 구조로 이루어져 상기 구동제어장치(10)의 타측과 일정간격 이격되어 상기 지지판(1)에 설치되되, 상기 제2미러(46)에서 1°~ 10°범위 내에서 편향된 상태로 입사하는 광을 회절시키는 제1회절격자(50)와;
    일정 면적을 가지는 판상 구조로 이루어져 상기 구동제어장치(10) 상부로 일정간격 이격되어 설치되되, 상기 제1회절격자(50)에 의해 회절된 광을 직상방으로 회절시키는 제2회절격자(60)와;
    상기 구동제어장치(10)에 의해 제어되며 상기 제2회절격자(60) 상부로 일정간격 이격되어 설치되는 공간광변조기(70)와;
    상기 공간광변조기(70) 상부로 일정간격 이격되어 설치되는 수렴렌즈(80)를;
    포함하는 무안경 방식의 3차원 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1회절격자(50)는 각도조절핀(52)에 의해 광의 회절 각도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 무안경 방식의 3차원 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치.
  4. 제1항 또는 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 공간광변조기(70)는 액정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무안경 방식의 3차원 디지털 홀로그래픽 디스플레이장치.
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