KR101875848B1 - 디스플레이용 광변조 소자 - Google Patents

디스플레이용 광변조 소자 Download PDF

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시리얼 테크놀로지즈 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 관찰자 윈도우를 포함하는 디스플레이에 관한 것으로, 상기 디스플레이는 3D 장면의 3D 및/또는 2D 표시 모드에서 변하는 눈 위치에 따라 조정될 수 있다. 이러한 디스플레이를 다수의 관찰자들이 의해 동시에 사용하는 것이 가능해야 한다. 본 발명에 따른 디스플레이는 광변조 소자 및 제어장치를 포함하고, 상기 광변조 소자는 제어가능한 회절 소자과 제어가능한 공간 광변조기를 포함하고, 상기 광변조기로 관찰자 윈도우에 의해 3차원으로 감지할 수 있는 3D 장면이 제어가능하게 코딩된다. 관찰자 윈도우는 변하는 눈 위치에 간섭성 광 빔에 의해 생성될 수 있다. 회절 소자는 작동을 위해 적어도 하나의 전극과 제어가능한 재료를 포함하고, 상기 재료에 회절 격자로서 프리즘 -및/또는 렌즈 함수 및/또는 산란 함수가 위상 프로파일로 적어도 1차원으로 제어가능하게 인코딩될 수 있고, 이 경우 산란 함수의 회절 격자는 위상 편이를 갖고, 상기 위상 편이는 검출된 눈 위치의 거리에 의존하여 가변 주파수에 의해 실시된다. 관찰자 윈도우의 크기는 검출된 눈 위치 및 사전 설정된 표시 모드를 위해 조절될 수 있다. 본 발명의 적용 분야는 홀로그래픽 및 자동 입체 영상 디스플레이이다.

Description

디스플레이용 광변조 소자{LIGHT MODULATION DEVICE FOR A DISPLAY}
본 발명은 제어장치에 의해 제어될 수 있는 적어도 하나의 공간 광변조기와 적어도 하나의 제어가능한 회절 소자를 포함하고, 3D 장면의 이미지들을 3차원으로 표시하도록 형성된 디스플레이에 관한 것이다.
본 발명의 적용 분야는 3D 장면이 예컨대 홀로그램으로 코딩되거나 또는 3D 장면의 입체 영상 이미지가 2차원 및/또는 3차원으로 표시될 수 있는 홀로그래픽 또는 자동 입체 영상 디스플레이일 수 있는, 관찰자 윈도우를 포함하는 디스플레이이다. 적어도 하나의 관찰자 윈도우가 관찰자의 눈 위치와 일치하는 경우에, 관찰자는 3D 장면을 홀로그래픽 재구성 또는 스테레오 이미지로서 볼 수 있다.
관찰자는 홀로그래픽 디스플레이에 의해, 관찰자 윈도우가 눈의 동공과 일치하는 경우에 관찰자 윈도우 및 디스플레이 스크린에 의해 규정된 재구성 공간에서 객체의 재구성된 장면을 볼 수 있다. 눈의 동공은 재구성이 형성될 수 있는 눈 위치에 있다. 그러나 관찰자가 디스플레이의 광학 축에 대해 또는 광학 축을 따라 가로 방향으로 이동하는 경우에, 관찰자 윈도우는 더 이상 관찰자의 눈의 동공과 일치하지 않고, 관찰자는 재구성을 더 이상 완전하게 볼 수 없다. 관찰자가 재구성을 다시 완전히 볼 수 있도록 하기 위해서, 관찰자 윈도우의 위치와 눈의 동공의 새로운 위치(눈 위치)는 다시 일치해야 한다.
이를 위해 선행기술에 예컨대 DE 10 2005 023 743 A1호 또는 WO 2007/131817 A1호에 의해 관찰자 윈도우를 편향 소자를 이용해서 가로 방향으로 및/또는 축방향으로 새로운 눈 위치로 안내하는 것이 공지되어 있다. 이 경우 새로운 눈 위치에 대한 관찰자 윈도우의 크기는 예를 들어 제어가능한 광변조기의 평면일 수 있는 기준 평면에 대한 거리에 따라 사전 설정 가능하게 조정될 수 있어야 한다.
다수의 간행물에서 자동 입체 디스플레이가 기술되고, 예를 들어 DE 10 2008 043 620 A1호 또는 WO 03/019952 A1호에서 3D 장면은 3차원으로 표시될 수 있고, 적어도 한 관찰자는 스위트 스팟(Sweet Spot)이라고도 하는 관찰자 윈도우에 의해 볼 수 있다. 이 경우에도 관찰자 윈도우는 관찰자 눈의 변경되는 위치에 생성될 수 있다.
광원의 빔 각(beam angle)은 자동 입체 디스플레이에서 관찰자 평면 내로 렌즈 어레이를 이용한 광원의 이미징에 의해 형성된 관찰자 윈도우의 크기를 결정한다. 기준 평면(예컨대 디스플레이 평면 또는 변조기 평면)에 대한 축방향 거리의 변경 시 알려진 바와 같이 관찰자 윈도우의 크기가 변경되므로, 2개의 눈을 위한 관찰자 윈도우들의 중첩 문제가 발생할 수 있고, 이로 인해 해당 관찰자에게는 3차원 표시를 감지하는데 장애가 될 수 있다. 관찰자 윈도우가 축소되는 경우에 3D 장면은 완전한 3차원으로 보여질 수 없는 문제가 발생한다.
단일 패러랙스(single parallax) 모드에서 1D-코딩에 의해 홀로그래픽 디스플레이가 작동되고, 비간섭 방향으로 동공 크기에 상응하는 폭을 갖는 관찰자 윈도우가 생성되어야 하는 경우에도 마찬가지다.
또한, 자동 입체 또는 홀로그래픽 디스플레이는 3D 표시 모드로부터 2D 표시 모드로 전환 가능하게 구현하는 것이 요구된다. 이를 위해 예컨대 전환 가능한 확산기(산란 소자)가 추가로 광 경로에서 사용될 수 있다(예컨대 US 5,897,184 참조). 확산기는 3D 모드를 위해 예컨대 투과 비산란 상태를 포함할 수 있다. 적어도 동공 직경에 상응해야 하는 생성될 관찰자 윈도우의 크기는 3D 모드에서 항상 디스플레이와 검출된 눈 위치 사이의 거리에 맞게 조정된다.
2D 모드를 위해 확산기는 산란 상태로 전환될 수 있다. 이때, 관찰자 윈도우는 적어도, 한 관찰자의 2개의 눈 또는 모든 관찰자의 모든 눈을 통해 연장될 수 있을 정도의 크기일 수 있다. 전환 가능한 확산기 또는 전술한 편향 소자와 같은 추가 광학 소자에 의해, 3차원 이미지 컨텐츠를 표시하기 위한 디스플레이는 복잡하고, 비용이 많이 들며 장애에 민감하다.
전환 가능한 산란 소자는 - 자체로 - 예컨대 국제 특허 출원 PCT/EP2010/058625(WO 2010/149587 A2에 해당)이 공지되어 있다. PCT/EP2010/058625의 게시 내용 전체는 본문에 포함된다.
본 발명의 과제는, 변하는 눈 위치에서 3D 및/또는 2D 표시 모드로 3D 장면을 재현할 수 있는 디스플레이를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항에 따른 광변조 소자를 포함하는 디스플레이에 의해 해결된다.
3D 장면의 자동 입체 영상 또는 홀로그래픽 이미지의 표시 및 2D 표시 모드로 변경은 광학 수단에 의해 복잡하지 않게 실시될 수 있다. 이러한 디스플레이는 동시에 다수의 관찰자들에 의해 사용될 수 있다.
디스플레이는 3D 모드 및 2D 모드로 3D 장면을 표시하기 위해 작동될 수 있고, 제어가능한 공간 광변조기와 적어도 하나의 제어가능한 회절 소자를 포함하고, 이들은 제어장치에 의해 제어될 수 있고, 이 경우 변하는 눈 위치에 간섭 광 빔에 의해 관찰자 윈도우가 생성될 수 있는 것이 전제된다.
본 발명에 따라 상과 과제는 회절 소자가 전극 및 제어가능한 재료를 포함하는 광변조 소자에 의해 해결되고, 상기 재료에 회절 격자로서 프리즘 -및/또는 렌즈 함수 및/또는 산란 함수가 위상 프로파일로 적어도 1차원으로 제어가능하게 인코딩될 수 있고, 이 경우 산란 함수의 회절 격자는 위상 편이를 갖고, 상기 위상 편이는 검출된 눈 위치의 거리에 따라서 가변 주파수에 의해 조절되고, 상기 눈 위치에 대해 사전 설정된 표시 모드를 위한 관찰자 윈도우의 사전 설정된 크기가 조절될 수 있다. 이 경우 회절 소자에 인코딩된 산란 함수는 다른 경우에는 일반적으로 이러한 광변조 소자에서 사용되는, 추가 광학 소자로서 형성된, 2D 모드의 구현을 위한 산란 소자를 대체하고, 상기 산란 소자는 이 경우 적어도 1차원으로 작동될 수 있어야 한다. 회절 소자에 대해 상이한 거리를 갖는 검출된 눈 위치에 대해 바람직하게 투과 광 빔의 산란각은, 3D 모드에서 관찰자 윈도우의 사전 설정된 크기가 변하지 않도록 제어될 수 있다.
관찰자의 z-트래킹(축방향)을 위해 제어가능한 회절 소자에 인코딩된 렌즈 함수가 초점 거리에 따라 변경되는 경우에, 관찰자 윈도우는 새로운 관찰자 평면에 생성될 수 있다. 그러나, 관찰자 윈도우의 크기 또는 적어도 수평 폭은 비간섭 방향으로 기준 평면에 대한 관찰자 윈도우의 거리에 비례하여 변경된다. 너무 작은 관찰자 윈도우는 더 이상 완전한 동공 위치를 조명하지 못하고, 너무 큰 관찰자 윈도우는 인접한 눈으로 누화를 일으킬 수 있다. 이러한 문제는 본 발명에 의해 극복될 수 있다. 예컨대 2 내지 3 cm의 관찰자 윈도우의 사전 설정된 폭은 축방향으로 눈 위치의 변경시 유지될 수 있고, 상기 폭은 검출된 다른 눈 위치에 대해서 회절 소자에 의해 의도대로 제어될 수 있다.
광변조기를 통해 안내되는 광 빔은 회절 격자로서 인코딩된 위상 편이에 의해 산란각을 갖고, 상기 산란각은 바람직하게 동시에 작동될 전극의 가변 개수에 따라 변경될 수 있다.
산란 함수를 위한 위상값으로서 인코딩될 수 있는 제어값들을 계산하기 위해, 본 발명의 구현 시 2개의 상이한 방법이 바람직하게 적용될 수 있다. 위상값들은 예를 들어 랜덤 위상값들의 시퀀스로서 또는 예컨대 반복 프로세스의 푸리에 변환에 의해 계산될 수 있고, 상기 위상값에서 생성될 관찰자 윈도우를 위한 관찰자 평면의 강도 분포가 사전 설정될 수 있다.
본 발명에 따라 위상 편이는 랜덤 위상값들의 시퀀스에 의해 조절될 수 있고, 상기 랜덤 위상값들은 제어장치에 의해 공간 주파수 스펙트럼 및/또는 값 범위로부터 선택될 수 있다. 이러한 방법은, 낮은 연산 복잡도에 의해 실시될 수 있는 장점을 제공한다. 관찰자 윈도우는 검출된 눈 위치에서 광의 연속적인 강도 분포를 갖고, 이 경우 관찰자 윈도우는 명확하게 규정되지 않는다.
주파수가 균일한 경우에 위상값들의 값 범위가 감소하는 방법에 의해 관찰자 윈도우의 크기도 변경될 수 있다(이 경우에 그 폭이 감소함). 값 범위의 최대 위상은 예컨대 2π가 아닌 π만이 가능할 수 있다.
위상값들은, 관찰자 눈의 가능한 위치들의 좌표를 위해 해당하는 위상값들이 제어값으로서 저장된 표에서 판독될 수 있고, 이로써 계산 시간이 단축될 수 있다.
산란 함수는 회절 격자로서 위상 프로파일로 제어가능하게 인코딩될 수 있고, 상기 위상 프로파일에 의해 광 빔은 제어 장치에 의해 사전 설정된 2D 표시 모드를 구현할 수 있는 크기를 갖는, 관찰자의 눈을 위한 관찰자 윈도우를 형성한다. 본 발명에 따라 이로써 3D 모드에서 2D 모드로 전환이 이루어질 수 있고, 이 경우 광 경로에 스위치 온- 및 오프될 수 있는 추가 산란 소자가 작동되지 않아도 된다. 인코딩될 회절 격자로서 산란 함수의 제어에 의해, 관찰자 윈도우의 사전 설정된 크기는 변경되지 않고 유지되거나, 또는 제어가능하게 변경될 수 있으므로, 관찰자를 위해 3D 모드가 2D 모드로 제어가능하게 변경될 수 있다. 반대 방식도 본 발명에 따른 광변조 소자에 의해 회절 소자가 적절하게 제어됨으로써 구현될 수 있다.
또한, 산란 함수는 회절 격자로서 위상값들로 제어가능하게 인코딩될 수 있고, 상기 위상값들은 반복 푸리에 변환 방법에 의해 계산될 수 있다.
반복 푸리에 변환의 계산은 복소 매트릭스 값들로 실시되고, 상기 복소 매트릭스 값들은 적어도 1차원 값 분포를 갖고, 상기 매트릭스 값들에 의해 적어도 하나의 회절 격자는 적어도 한 방향으로 인코딩될 수 있고, 이 경우 관찰자 윈도우를 위한 크기 또는 적어도 하나의 수평 폭 및 강도 분포가 사전 설정된다.
관찰자 윈도우의 크기는 회절 소자에 산란 함수가 인코딩됨으로써 또는 적어도 부분적으로 간섭 광 빔을 방사하는 광원의 디포커스 이미징에 의해 적어도 1차원으로 제어가능하다. 따라서 관찰자 평면에 가까운 평면으로 디포커싱 이미징을 위해 회절 소자에 회절 격자로서 구형 위상 프로파일이 인코딩될 수 있다.
회절 소자의 다른 실시예에서 렌즈 함수는 회절 격자로서 구형 위상 프로파일로 인코딩될 수 있고, 이 경우 관찰자 윈도우의 크기는 관찰자 평면에 가까운 평면에서 1차원으로 비간섭 방향으로 조절될 수 있다.
위상 프로파일을 갖는 프리즘 함수 또는 렌즈 함수를 위해 제어될 수 있는 회절 격자는 입사하는 광을 편향만 또는 포커싱만 할 수 있다. 관찰자 윈도우로부터 볼 수 있는 이미지 컨텐츠는 별도의 SLM(공간 광변조기)에서 생성되고, 상기 이미지 컨텐츠는 3D 장면을 홀로그래픽으로 또는 입체 영상으로 3D 디스플레이에 나타낼 수 있다. 규정된 관찰자 거리(검출된 눈 위치)에 대해 사전 설정된, 제어가능한 회절 격자에 의해 생성된 관찰자 윈도우의 크기는 상응하는 해당 관찰자의 동공 크기에 맞게 조정된다.
검출된 눈 위치에 대해 회절 소자의 제어가능한 재료에 제어값들이 인코딩되어 계산된 굴절률-변화가 제공될 수 있음으로써, 방사된 광 빔은 프리즘 함수(가로방향 편향) 및/또는 렌즈 함수(관찰자 윈도우의 축방향 변위) 및/또는 산란 함수에 의해 변조될 수 있다.
광변조 소자에서 관찰자의 위치에 따라 검출된 눈 위치에 대해 2D 모드를 위해 광 산란이 이루어질 수 있는 한편, 다른 관찰자의 다른 눈 위치에 대한 3D 모드는 유지된다. 이를 위해 해당 관찰자를 위해 2D 모드에서 3D 장면의 재현을 위한 적절한 산란 함수가 회절 소자의 제어가능한 재료에 인코딩될 수 있다.
회절 소자는 제어가능한 재료로서 예를 들어 적어도 하나의 제어가능한 액정층(Liquid Crystal, LC)을 포함할 수 있거나 또는 굴절률이 제어될 수 있는 고체 결정층을 포함할 수 있다.
관찰자 윈도우는 2차원으로 작동되는 회절 격자에 의해 가로방향 및/또는 축방향으로 다양한 눈 위치에 생성될 수 있다.
3D 모드를 위한 예컨대 2 내지 3 cm인 관찰자 윈도우의 사전 설정된 크기 또는 폭은 적어도 축방향으로 눈 위치의 거리 변동 시 변경되지 않고 유지될 수 있다. 관찰자 윈도우는 본 발명에 따라 회절 격자로서 인코딩된 산란 함수에 의해 각각의 검출된 눈 위치에 대해 조절 가능하게 생성될 수 있다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 청구항에 따른 광변조 소자를 구비한 디스플레이를 포함하고, 이 경우 입체 영상 및/또는 홀로그래픽 이미지 컨텐츠는 광변조 소자에서 제어가능하게 표시될 수 있다.
관찰자 윈도우의 조절 가능한 크기 변경과 본 발명에 따른 디스플레이에서 표시 모드의 변경의 조합은 광을 회절 및 비회절 시키는 제어가능한 장치에 의해, 디스플레이 내의 광학 수단의 개수를 바람직하게 감소시킬 수 있다.
본 발명은 도면을 참고로 상세히 설명된다. 도면에는 개략적으로 도시된다.
도 1a는 선행기술에 따른, 거리에 비례해서 변경되는 폭을 갖는 관찰자 윈도우를 갖는 디스플레이의 광변조 장치의 평면도.
도 1b는 본 발명에 따른, 거리에 따라 조정되는 폭을 갖는 관찰자 윈도우를 갖는 광변조 장치의 평면도.
도 2a, 도 3a 및 도 4a는 본 발명에 따른, 관찰자 윈도우의 다양한 크기를 조절할 수 있는 위상 프로파일의 예를 도시한 도면.
도 2b, 도 3b 및 도 4b는 본 발명에 따른, 관찰자 윈도우의 사전 설정된 크기에 대해 사전 설정될 수 있는 수평 강도 분포의 예를 도시한 도면.
도 5는 산란 함수에 제어가능하게 인코딩될 수 있는 위상 프로파일에 대한 제어값들을 검출하기 위한 반복 변환 방법의 다이어그램.
도면에서 3D 플레이의 동일한 부품들은 동일한 도면부호로 도시된다. 3D 디스플레이는 홀로그래픽 또는 자동 입체 영상 디스플레이일 수 있다.
본 발명은, 회절 소자를 통해 안내된 광 빔이 프리즘 - 및/또는 렌즈- 및/또는 산란 함수를 포함하는 회절 소자의 제어된 층에서 굴절률 변조에 의해 변조될 수 있는 것에서 시작된다. 상기 함수들에 의해 광은 적어도 1차원으로 사전 설정된 방향으로 전파되고 또는 편향될 수 있다. 제어된 층에서, 예컨대 액정(LC) 재료에서 상기 함수들은 회절 격자로서 전압 프로파일로 적어도 1차원으로 제어가능하게 인코딩됨으로써, 광 빔의 전파 또는 편향이 결정될 수 있다.
회절 소자는 제어가능한 재료의 제어를 위해 다수의 전극을 가진 전극 어레이를 포함하고, 상기 전극들은 평행하게 나란히 배치되고, 스트립 또는 선형으로 형성된다.
또한, 디스플레이는 광변조 소자를 포함하고, 상기 광변조 소자는 입사하는 적어도 부분 간섭 광 빔을 제어장치의 작동 시 3D 장면의 코딩된 입체 영상 또는 홀로그래픽 이미지로 변조할 수 있다. 3D 장면은 홀로그래픽 디스플레이에 의해 홀로그래픽으로 재구성될 수 있거나 또는 입체 영상 디스플레이에서 3차원으로 인식될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 개략적인 평면도에 다양한 크기의 관찰자 윈도우를 포함하는 디스플레이가 도시되고, 상기 디스플레이는 홀로그래픽 또는 입체 영상 3D 디스플레이일 수 있다.
도 1a에 관찰자 윈도우(SP1, SP2)를 포함하는 디스플레이(D)가 도시되고, 상기 관찰자 윈도우들은 눈 위치에서 거리(d1)에 따라 사전 설정된 크기 또는 사전 설정된 수평 폭 및 다른 거리(d2)에 따라 비례적으로 변경된 크기 또는 수평 폭(SP1', SP2')을 갖는다. 거리(d2)에서 관찰자 윈도우들은 중첩할 수 있을 정도로 크다. 눈 위치(d2)에서 관찰자 눈은 좌측 이미지 컨텐츠로부터 우측 관찰자 윈도우로 및 역으로 간섭 누화를 감지할 수 있다. 이러한 누화는 3D 품질을 저하시킬 수 있다. 이는 선행기술에 공지되어 있다.
관찰자 윈도우(SP1, SP2)의 중심과 눈은 바람지하게 약 65 mm의 일반적인 거리를 갖는다. 관찰자 윈도우는 각각 2 - 3 cm의 최대 폭을 가져야 하고, 상기 관찰자 윈도우에 의해 3D 장면은 홀로그래픽 또는 입체 영상 디스플레이에서 3D 표시 모드로 최적으로 감지될 수 있다.
도 1b에 도시된 본 발명에 따른 디스플레이(D)는 제어가능한 적어도 하나의 광변조 소자와 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치에 의해 제어가능한 공간 광변조기 및 적어도 하나의 제어가능한 회절 소자가 제어될 수 있다. 제시된 부품들은 도면에서 상세히 도시되지 않는다.
회절 소자는 제어가능한 재료, 예를 들어 정렬된 제어가능한 액정(LC) 분자를 포함할 수 있고, 상기 재료는 전극에 의해 제어될 수 있다. 회절 격자의 작동은 바람직하게 선형으로 평행하게 나란히 배치된 전극들에 의해 이루어져야 하고, 상기 전극들은 매트릭스를 형성할 수 있다. 각각의 전극에 전압이 인가될 수 있고, 이로써 전압 프로파일이 형성될 수 있다. LC 분자들은 전압에 따라서 정렬되고, 이로써 굴절률 프로파일이 형성된다. 조절된 방향 설정에 의해 회절 소자를 투과하는 광 빔은 적절한 위상 변화를 포함할 수 있다.
검출된 눈 위치로부터 굴절률 프로파일 및 각 전극을 위한 전압이 계산되고, 이는 관찰자 윈도우가 검출된 눈 위치에 생성될 수 있도록 광 빔을 편향시키기 위해 필요하다. 또한, 추가로 산란 함수를 위한 위상 프로파일이 제어될 수 있으므로, 상기 검출된 눈 위치에 대한 관찰자 윈도우의 크기는 광 빔에 의해 제어가능하게 조정될 수 있다.
이 경우 제어가능한 재료는, 산란 함수는 회절 격자로서 위치에 따라 변동될 수 있는 주파수를 갖는 위상 프로파일로 적어도 일차원으로 인코딩될 수 있도록, 가변 개수의 전극에 의해 작동될 수 있다.
관찰자 윈도우의 크기는 2차원으로 작동되는 회절 격자에 의해서도 가로방향으로 및/또는 축방향으로 상이한 눈 위치에 생성될 수 있다.
투과 광 빔에 의해 도 1b에 따라, 본 발명에 따른 디스플레이(D)와의 거리(d2)에서 최적으로 설정된 크기를 갖는 2개의 관찰자 윈도우(SP1", SP2")가 생성될 수 있고, 상기 윈도우들은 중첩할 수 없다. 3D 모드에서 3D 장면의 감지는 간섭 누화 없이 가능하고, 이 경우 3D 모드란 디스플레이의 3차원 표시 모드이다.
디스플레이될 장면으로부터 우측 및 좌측 입체 영상이 제공되지 않거나 또는 모든 관찰자를 위해 충분히 신속하게 사전 설정된 3D 모드가 제어될 수 없는 경우에, 2D 모드가 관찰자 윈도우에서 회절 소자의 변경된 제어에 의해 구현될 수 있다. 이를 위해 회적 격자가 인코딩될 수 있고, 상기 회절 격자에 의해 투과 광 빔을 위해 산란각이 사전 설정될 수 있고, 상기 산란각 의해 관찰자의 2개의 눈 중 하나를 커버하는 관찰자 윈도우가 생성될 수 있다.
이로써 본 발명에 따라 제어가능한 재료에 1차원으로 인코딩될 산란 함수가 변경됨으로써 관찰자 윈도우에 의해 적어도 한 관찰자를 위해 3D/2D 전환이 실시될 수 있다.
디스플레이는 실시예에서 광변조 소자를 포함할 수 있고, 상기 소자에서 검출된 제 2 눈 쌍의 2D 모드를 위해 제어되는 산란각은 제어가능하게 인코딩될 수 있는 한편, 3D 모드는 검출된 제 1 눈 쌍을 위해 유지되어야 한다. 입체 영상 또는 홀로그래픽 이미지들은 광변조기에서 순차적으로 디스플레이되고, 제 1 및 제 2 관찰자를 위해 회절 격자의 작동에 의해 상이한 크기로 생성될 수 있는 관찰자 윈도우들에 공통적으로 사용될 수 있다.
렌즈 함수는 회절 격자로서 구형 위상 프로파일로 인코딩되는 한편, 프리즘 함수는 회절 격자로서 선형 위상 프로파일로 인코딩된다. 산란 함수는 본 발명에 따라 위상값들로 인코딩될 수 있고, 상기 위상값들은 상이한 2개의 방법에 의해 계산될 수 있다.
제 1 방법에서 랜덤 위상값들은 관찰자 윈도우의 수평 폭 또는 크기의 조절을 위해 검출되고 또는 계산된다. 산란 함수는 추가로 예를 들어 회절 소자에 인코딩될 수 있고, 상기 회절 소자에 렌즈- 및/또는 프리즘 함수가 이미 인코딩되어 있을 수 있다. 산란 함수를 위해 랜덤 위상의 결과가 선택되고, 0 내지 2π의 값들을 취할 수 있고, 랜덤으로 연속할 수 있다. 즉, 의사 랜덤 함수에 의해 값들이 계산되는 의사 랜덤 위상의 시퀀스일 수 있다.
관찰자 윈도우의 크기 또는 적어도 하나의 수평 폭은 랜덤 위상 시퀀스 또는 랜텀 위상 시퀀스에 의해 제어가능한 위상 편이의 주파수에 의해 조절될 수 있다. 최대 수평 폭은 하나의 전극으로부터 인접한 다음 전극으로 랜덤 값만큼 위상의 변경에 의해 제어될 수 있다. 수평 폭의 계산은 간단하게 하기와 같이 이루어질 수 있다.
파장 λ= 532nm 및 전극의 주기 p = 1㎛ 대한 광 회절의 식 sin(θ) = λ/p에 따라, 예컨대 θ= 32°의 산란각이 얻어진다. 산란각 θ으로부터 관찰자 윈도우의 최대 폭 w은 w= tan(θ)*d에 의해 주어지고, 이 경우 d는 회절 소자 또는 도 1b의 3D 디스플레이와 관찰자 평면 사이의 거리이다. 이 실시예에서 거리 d = 0.7 m에 대해 수평 폭 w = 0.44 m가 얻어진다. 폭 w은 관찰자 윈도우의 중심으로부터 강도가 0으로 감소하는 가장자리까지 측정된다. 이는 회절 소자의 충전 팩터 1에 적용되고, 즉 회절 소자는 비투과 영역을 포함하지 않는다.
더 작은 수평 폭 w은 예를 들어, 랜덤 위상 시퀀스의 더 작은 주파수 또는 랜덤 위상 시퀀스에 의해 제어가능한 더 작은 위상 편이가 조절될 수 있음으로써 달성될 수 있다. 이 경우 예컨대 위상은 다음 전극이 아닌 다음 다음 전극으로 랜덤 값만큼 변경된다. 이 실시예에서 전술한 수치 및 p = 2 ㎛에 의해 관찰자 윈도우의 폭 w은 w = 0.19 m로 대략 절반이 될 수 있다. 위상 변화는 사전 설정된 개수의 전극들, 예컨대 서로 인접하게 배치된 2개 이상의 전극들은 동일한 랜덤 위상 시퀀스에 의해 제어될 수 있도록 제어될 수도 있다.
렌즈-, 프리즘- 및 산란 함수가 회절 격자로서 동시에 제어되어야 하는 경우에, 회절 소자의 제어될 각각의 전극마다 상기 함수들의 위상값이 추가된다. 전체값이 0 내지 2π의 값 범위에 있지 않은 경우에, 전체값이 0 내지 2π의 값 범위에 있을 때까지 대개 2π가 가산 또는 감산된다. 전극에는 회절 격자가 해당 위치에서 상기 전체값 만큼 위상을 변조하도록 전압이 인가된다.
산란 함수를 위해 작동되는 회절 격자는 위상 편이를 갖고, 상기 위상 편이는 검출된 눈 위치의 거리에 따라서 가변 주파수에 의해 제어가능하게 인코딩될 수 있다. 위상 편이에 의해 투과 광 빔을 위해 산란각이 조절될 수 있고, 상기 위상 편이에 의해 관찰자 윈도우의 크기는 작동 시 검출된 눈 위치와 광변조기 사이의 거리에 따라 적어도 수평으로 변경될 수 있다. 또한, 3D 장면의 관찰자 윈도우에 의해 표시될 모드는 사전 설정되어야 한다.
관찰자 윈도우의 수평 폭의 제어는 도 2 및 도 3에 도시된다. 도 2a는 바람직하게 회절 격자로서 인코딩되는 위상 값들 φ이 x 좌표 xLCG의 함수로서 도시된다. 도 2b는 관찰자 윈도우의 강도 분포(I)를 눈 위치에 대한 관찰자 평면에서 x 좌표 xOb의 함수로서 도시한다. 위상값들은 고주파로 0과 2π 사이에서 계산되고, 이 경우 넓은 관찰자 윈도우가 제어될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a와 동일한 척도로 회절 격자에 인코딩된 위상값 프로파일 및 관찰자 윈도우의 강도 분포(I)를 도시하고, 이 경우 위상값들은 0 내지 2π 사이에서 더 작은 주파수를 포함하는 주파수 범위에 의해 계산될 수 있다. 도 3b의 관찰자 윈도우를 위한 위상 편이(도 3a)의 개수는 도 2a에서보다 작다. 이러한 위상 편이에 의해 관찰자 윈도우가 작동될 수 있고, 상기 관찰자 윈도우의 크기는 새로운 눈 위치에 대해 약간만 변경될 수 있다. 사전 설정된 광의 파장에서 주파수 범위의 선택에 의해 관찰자 평면에서 관찰자 윈도우의 크기가 변경될 수 있다.
랜덤 위상의 최대 주파수 및/또는 값 범위의 선택에 의해 위상 편이 및 그에 따른 광 빔을 위한 산란각이 제어될 수 있다. 작은 값 범위 및/또는 낮은 최대 주파수를 갖는 위상 프로파일로부터 결과되는 위상 편이에 의해 새롭게 제어되는 관찰자 윈도우는 값과 관련해서 약간만 변경, 확대 또는 축소될 수 있다. 이로써 랜덤 위상은 디스플레이와 관찰자 평면 사이의 변경되는 거리에 대해 관찰자 윈도우의 크기를 변경하는데 이용될 수 있다.
고주파 위상 편이란, 변경되는 다수의 위상값들을 위치 제한적으로 포함하는 인코딩된 위상 값들의 시퀀스이다(도 2a). 저주파 위상 편이에서, 이러한 위치 제한적인 범위에 대해 변경되는 위상값들의 개수는 비교적 더 적다(도 3a).
도 4a 및 도 4b는 관찰자 윈도우의 폭을 감소시킬 수 있게 작동되는 회절 격자에 대한 대안 도면을 도시한다. 위상값들의 최대 주파수를 낮추는 대신에, 위상값들의 값 범위가 감소될 수 있다. 최대 위상값은 도 2a에서와 같은 2π 대신에 도 4a에서는 예컨대 π이다.
이러한 실시예는 광학 작용에서 볼 때 관찰자 윈도우의 크기 또는 수평 폭을 조절하기 위한 회절 격자로서 랜덤 위상값이 인코딩될 수 있는 랜덤 숫자의 수학적 계산 방법을 설명한다. 상기 방법은 낮은 연산 복잡도의 장점을 갖지만, 가우스 함수에 근사하는 관찰자 윈도우의 정확하게 규정되지 않은 강도 분포를 야기한다.
계산 시간은 예컨대 관찰자 눈의 가능한 위치의 좌표를 위해 제어값으로서 적절한 위상값들이 저장된 표에서 위상값들을 판독함으로써 더 단축될 수 있다.
관찰자 윈도우의 크기 또는 수평 폭을 제어하기 위해 회절 소자에 인코딩되는 산란 함수의 위상 프로파일은 반복 푸리에 변환을 이용하여 제 2 방법으로 검출될 수 있다. 이러한 방법은 제 1 방법보다 큰 연산 복잡도를 필요로 하지만, 적어도 하나의 관찰자 눈을 위해 정확히 규정된 경계를 갖는 사전 설정될 수 있는 더 큰 강도 분포를 갖는 관찰자 윈도우가 생성될 수 있다.
산란 함수는 사전 설정될 수 있는 강도 분포에 대한 푸리에 변환에 의해 관찰자 평면의 적어도 하나의 눈 위치에서 계산될 수 있다. 인코딩된 회절 격자에 의해 입사하는 광의 위상만 변경될 수 있기 때문에, 정진폭을 갖는 순수 위상값들만이 계산되고 인코딩되어야 한다. 반복 푸리에 변환(IFT)에 의한 상기 위상값의 계산은 공지된 바와 같은 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 회절 소자의 평면과 관찰자 평면 사이에서 종결 기준이 달성될 때까지 실행하는 것을 필요로 한다.
반복 푸리에 변환 방법의 과정은 도 5에 개략적으로 도시되고, 하기에서 간단히 설명된다. 2개의 매트릭스 M1과 M2에 제공된 매트릭스 값들의 변환과 재변환은 반복 계산 과정의 4개의 계산 단계들로 실시된다. 반복 계산 과정들은 수 회 반복되고, 이 경우 매트릭스 M1과 M2는 동일한 개수의 복소 매트릭스 값들을 포함한다. M1의 매트릭스 값들의 크기는 관찰자 평면에서의 강도 분포의 제곱근이다. 매트릭스 M2의 매트릭스 값들의 위상은 회절 소자의 회절 격자 내의 위상 분포이다. 매트릭스 M1과 M2의 계산은 1차원 또는 2차원 값 분포에 의해 실시될 수 있다. 관찰자 평면에서의 강도 분포는 1차원 값 분포에 의해 한 방향으로 제어될 수 있다. 2개의 회절 격자가 1차원으로(또는 하나의 2차원 회절 격자) 회절 소자의 평면에서 교차하는 경우에, 즉, 서로 90°각도로 제어가능하게 인코딩되는 경우에, 관찰자 평면에서 산란된 광 빔의 강도 분포는 2개의 가로방향으로 제어될 수 있다.
M1의 복소 매트릭스 값의 크기에 반복 시작 시 진폭값들이 포함되고, 이 경우 진폭값들의 제곱근은 관찰자 평면에서 사전 설정될 강도 분포에 상응하고, M1의 설정값을 나타낸다. 사전 설정될 강도 분포는 매트릭스 M1의 샘플링 시점에 계산된다. M1의 매트릭스 값들의 위상은 임의의 값으로 설정된다. 반복 반복될 4개의 계산 단계는 세부적으로 다음을 포함한다:
S1: 매트릭스 M1에서 매트릭스 M2로 푸리에 변환(FT)
S2: M2의 매트릭스 값들의 위상은 변경되지 않은 채 M2의 매트릭스 값들의 크기를 값 1로 설정하는 단계
S3: 매트릭스 M2에서 매트릭스 M1으로 역 푸리에 변환(FT')
S4: M1의 매트릭스 요소들의 위상은 변경되지 않은 채 M1의 매트릭스 값들의 크기를 설정값으로 설정하는 단계
4개의 계산 단계들은 반복적으로 반복되고, 이 경우 M1의 매트릭스 값들의 크기는 점점 더 설정값에 근사해진다. 실제 진폭값들이 설정값과 근소하게만 차이를 갖는 경우에, 예를 들어 종결 기준과 10% 미만의 차이를 갖는 경우에 반복은 종료된다. 반복 종료 후의 M2의 매트릭스 값들은 전극을 작동하는데 이용되므로, 사전 설정된 거리에서 사전 설정된 크기 또는 수평 폭의 관찰자 윈도우와 산란각이 생성될 수 있다.
관찰자 평면이 회절 격자의 푸리에 평면이 아닌 경우에, 푸리에 변환(FT) 또는 역 푸리에 변환(FT') 대신에 계산을 위해 프레스넬(Fresnel) 변환이 이용된다. 변환들은 구형 위상 프로파일 또는 역 구형 위상 프로파일에서 구별되고, 상기 위상 프로파일은 회절 격자의 푸리에 평면에 대한 관찰자 평면의 거리에 의존한다.
IFT 방법에 의해 회절 격자의 제어값들이 계산되고, 상기 제어값들에 의해 사전 설정된 강도 분포를 갖는 관찰자 윈도우가 생성될 수 있다. 특히 이로써 예컨대 2 cm 내지 3 cm의 바람직한 폭을 갖고 바람직하게 사각형 강도 프로파일을 갖는 관찰자 윈도우는 격자 함수의 제어에 의해 생성될 수 있다. IFT 방법으로 계산되고 그로 인해 결과되는 위상값들에 의해 생성된 관찰자 윈도우가 관찰자의 각각의 눈에 위치 설정되는 경우에, 눈은 상이한 강도 분포에 의해 균일하게 조명되고 검출되지 않은 관찰자 눈으로 광 또는 이미지 컨텐츠의 누화는 감소될 수 있다.
IFT 방법은 디스플레이에서 실시간으로 이용될 수 있다. 매트릭스 M2의 매트릭스 값들은 3D 디스플레이의 관찰자 평면에서 상이한 강도 분포를 위해 바람직하게 사전에 계산될 수 있고, 표에 저장될 수 있고, 상기 매트릭스 값들은 필요 시 상기 표에서 판독될 수 있다.
대안으로서, 관찰자 윈도우의 확장을 위해 광원이 디포커스되어 "이미징( imaging)"될 수 있다. 이를 위해, 광원이 비간섭 방향으로 관찰자 평면에 가까운 평면으로 이미징되도록 초점 거리를 갖는 렌즈 함수가 회절 소자에 제어가능하게 인코딩된다. 이로써 관찰자 평면에서 광원은 불명확하게 인지될 수 있고, 관찰자 윈도우의 크기는 비간섭 방향으로 확장될 수 있다.
본 발명에 의해 3D/2D 전환을 위한 추가의 광학 산란 소자 또는 전환 소자들은 생략될 수 있다.
SP1, SP2 관찰자 윈도우
FT 푸리에 변환

Claims (12)

  1. 3D 장면을 3D 모드 및 2D 모드로 표시하는 것을 제어할 수 있는 디스플레이용 광변조 소자에 있어서,
    상기 광변조 소자는 제어 장치에 의해 제어될 수 있는 제어가능한 공간 광변조기와 적어도 하나의 제어가능한 회절 소자를 포함하고, 변하는 눈 위치에서 간섭(coherent) 광 빔에 의해 관찰자 윈도우가 생성될 수 있으며, 상기 제어 가능한 회절 소자는 전극 및 제어가능한 재료를 포함하고, 상기 제어가능한 재료에, 프리즘 함수 및 산란 함수, 렌즈 함수 및 산란 함수, 또는 프리즘 함수, 렌즈 함수 및 산란 함수가, 위상 프로파일을 이용하여 회절 격자로서 적어도 1차원으로 제어가능하게 인코딩될 수 있고, 상기 산란 함수를 표시하는 상기 회절 격자는 위상 편이(phase shift)를 포함하고, 상기 위상 편이는 검출된 눈 위치까지의 거리에 의존하여 가변 주파수에 의해 제어되고, 상기 검출된 눈 위치에 대해 상기 관찰자 윈도우의 사전 설정된 크기가 사전 설정된 표시 모드에 대해 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 빔은 산란각을 갖고, 상기 산란각은 동시에 작동될 전극의 가변 개수에 따라 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 편이는 랜덤 위상값들의 시퀀스에 의해 제어될 수 있고, 상기 랜덤 위상값들은 제어 장치에 의해 공간 주파수 스펙트럼으로부터, 값 범위로부터, 또는 공간 주파수 스펙트럼 및 값 범위로부터 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 관찰자 윈도우의 크기 변경을 위해 상기 위상값들의 최대 값 범위가 감소하는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 위상값들은, 관찰자 눈의 가능한 위치들의 좌표를 위한 해당 위상값들이 제어값으로서 저장된 표로부터 판독될 수 있는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산란 함수는 상기 제어가능한 회절 소자에 회절 격자로서 위상값을 이용하여 제어가능하게 인코딩될 수 있고, 상기 위상값들은 반복 푸리에 변환(iterative Fourier transformation) 방법에 의해 계산될 수 있는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반복 푸리에 변환의 계산은 복소 매트릭스 값들로 실시되고, 상기 복소 매트릭스 값들은 적어도 1차원 값 분포를 갖고, 이에 따라 적어도 하나의 회절 격자는 상기 제어가능한 회절 소자에 적어도 한 방향으로 제어가능하게 인코딩될 수 있고, 상기 회절 격자는 사전 설정된 강도 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 관찰자 윈도우의 크기는 상기 제어가능한 회절 소자에 산란 함수를 인코딩하는 것에 의해, 또는 광원의 디포커스 이미징에 의해 적어도 1차원적으로 제어될 수 있고, 관찰자 평면에 가까운 평면을 위해 구형 위상 프로파일이 상기 제어가능한 회절 소자에 회절 격자로서 제어가능하게 인코딩되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산란 함수는 회절 격자로서 위상 프로파일을 이용하여 제어가능하게 인코딩될 수 있고, 이에 따라 상기 제어 장치에 의해 2D 모드가 제공되는 관찰자의 관찰자 눈에 대해 관찰자 윈도우를 생성하기 위한 산란각이 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    관찰자의 위치에 따라 검출된 눈 위치에 대한 2D 모드를 위한 산란 함수가 제공되는 한편, 다른 관찰자의 다른 눈 위치에 대해 3D 모드가 유지되는 것을 특징으로 하는 광변조 소자.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 광변조 소자를 구비한 디스플레이에 있어서,
    입체(stereoscopic) 이미지 컨텐츠, 또는 홀로그래픽 이미지 컨텐츠, 또는 입체 이미지 컨텐츠 및 홀로그래픽 컨텐츠가 상기 광변조 소자에서 제어가능하게 표시될 수 있는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광변조 소자는 제어가능한 회절 소자를 포함하고, 상기 회절 소자에 의해 적어도 두 명의 관찰자를 위한 관찰자 윈도우가 제어될 수 있고, 3D 모드에서 디스플레이의 작동 시 3D 장면을 표시하기 위해 눈 위치에 대한 2개의 상기 관찰자 윈도우의 크기들이 동시에 제어가능하게 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
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