KR102111439B1 - 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치에 관한 것으로, 발광 모드에서는 액정 디스플레이 모듈을 통해 정상적인 디스플레이 기능을 수행하고 수광 모드에서는 이미지 센서를 통해 외부 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득할 수 있으며, 이를 통해 디스플레이 기능과 함께 홀로그램 카메라의 기능을 동시에 수행할 수 있고, 별도의 렌즈 등을 구비하지 않고 액정층의 액정 배열 상태 변환 방식을 통해 렌즈 기능을 수행하도록 함으로써, 발광 모드 상태에서 디스플레이 화면에 노치 혹은 펀치홀과 같은 영역이 불필요하여 디스플레이 화면을 전자 기기의 전면 전체 영역으로 확장할 수 있어 디자인 향상 및 설계 공간 효율이 향상되고 더욱 컴팩트한 디자인이 가능한 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치를 제공한다.

Description

홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치{LCD DISPLAY UNIT WITH HOLOGRAPHIC UNIT}

본 발명은 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 발광 모드에서는 액정 디스플레이 모듈을 통해 정상적인 디스플레이 기능을 수행하고 수광 모드에서는 이미지 센서를 통해 외부 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득할 수 있으며, 이를 통해 디스플레이 기능과 함께 홀로그램 카메라의 기능을 동시에 수행할 수 있고, 별도의 렌즈 등을 구비하지 않고 액정층의 액정 배열 상태 변환 방식을 통해 렌즈 기능을 수행하도록 함으로써, 발광 모드 상태에서 디스플레이 화면에 노치 혹은 펀치홀과 같은 영역이 불필요하여 디스플레이 화면을 전자 기기의 전면 전체 영역으로 확장할 수 있어 디자인 향상 및 설계 공간 효율이 향상되고 더욱 컴팩트한 디자인이 가능한 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다.

최근 3D 입체영상 기술은 영화, 방송, 오락, 우주항공, 군사, 의료 등 거의 모든 산업에서 광범위하게 활용되어 큰 영향을 가져올 것으로 예상되는 등 부가가치 파급효과가 지대할 것으로 예상되어, 최근 3D 영상기술개발 관련 커뮤니티에 회자되고 있을 뿐만 아니라 향후 연구개발 관련해 국가적인 이슈로 등장하고 있다.

3D 입체영상 제공 기술은 크게 좌우 눈에 다른 영상을 제공해 그 시차로 인해 깊이감을 느끼게 하는 안경착용 방식과 무안경 방식으로 구분되며, 안경착용 방식은 다시 편광안경 및 셔틀 글래스 방식으로 나눌 수 있다. 무안경 방식은 안경착용 방식과 같이 관찰자의 좌우 눈에 다른 영상을 보여주는 시차방식의 직접 영상(렌티큘러, 패럴랙스 배리어, 패럴랙시 일루미네이션)과 공간상에 실제로 3차원 영상을 생성하기 위해 물체의 단면 영상을 연속적으로 재생하는 체적(volumetric) 방식, 그리고 3차원 물체의 파면 정보를 기록 및 재현하는 홀로그래피 방식이 존재한다.

양안시차 방식의 입체영상 제공 기술은 몇 가지의 이유로, 자연스러운 입체영상과는 다르게 인간에게 두통 및 어지럼증 등의 근원적인 문제점을 안고 있다. 이는 모두 입체영상 제작 시의 영상정렬, 광학적 왜곡, 입체감 조절을 위한 카메라 세팅 및 감성적 측면 등의 충분한 고려를 하지 못한 입체영상물 촬영 및 디스플레이 장치의 세팅, 좌우 영상을 번갈아 뿌려주면서 발생되는 플리커 현상, 또한 과도한 돌출효과 생성에 의한 입체영상 자체의 왜곡 등에 기인하게 된다.

이러한 양안시차 방식의 문제점으로 야기되는, 스테레오 방식 입체영상 시청의 불편함을 근원적으로 해결해 줄 수 있는 방식이 홀로그래피 기술이다. 일반적으로, 인간은 물체에 부딪쳐 나오는 빛으로 인해 3차원 물체를 인지하게 되는데 이 물체의 빛을 생성할 수만 있다면, 실제의 물체 형상을 재현하는 것이 가능하게 될 것이다. 홀로그램은 이것을 실현한 것으로, 레이저 빛을 사용해 물체로부터 반사되어 나오는 물체파를 또 다른 방향에서 나온 레이저 빛과 만나게 하여 사진필름에 함께 기록한다. 이때 두 방향의 빛이 만나면 물체의 각 구분에서 반사된 물체파의 위상 차이에 따른 간섭무늬가 생성되고 이 간섭무늬에는 물체의 진폭과 위상이 함께 기록된다. 이렇게 간섭무늬의 형태로 물체의 형상이 기록된 사진필름을 홀로그램이라 한다. 즉, 홀로그램은 두 개의 레이저광이 상호 만나 일으키는 빛의 간섭효과를 이용하여 사진용 필름과 유사한 표면에 3차원 이미지를 기록한 것이다.

홀로그래피는 빛의 세기 정보만을 기록하는 일반적인 사진 기술과는 달리 물체에서 전파된 빛의 진폭, 위상 정보를 취득하여 기록한다. 현재까지는 가시광의 진폭 및 위상 정보를 직접 기록할 수 있는 센서가 없기 때문에, 가시광의 진폭 및 위상 정보의 취득 시 빛의 간섭 현상을 통해 관련 정보를 간접적으로 취득한다. 간섭은 물체광 및 참조광의 두 광파가 상호작용해 나타나는 현상이지만, 인공적으로 진폭과 위상이 정렬된 빛인 레이저를 사용하지 않으면 간섭무늬 획득이 어려우므로, 최근까지 홀로그래피 기술에는 레이저가 주로 사용되었다.

그러나, 이러한 레이저를 사용하는 경우, 레이저 이외의 다른 빛을 모두 차단해야 하므로, 실질적으로 외부 환경에서 홀로그램을 촬영 기록할 수 없다. 이러한 현실적인 문제를 해결하기 위해 자가간섭(Self-interference) 방식의 홀로그래피 기술이 개발되었다.

자가간섭 홀로그래피는 물체로부터 발광, 반사된 입사광을 공간적, 혹은 편광상태에 따라 나누는 자가 참조 방식으로 간섭 무늬를 획득한다. 나뉘어진 광파는 간섭계, 혹은 편광 변조기의 영향을 받아 서로 다른 곡률을 가진 파면으로 변조되어 전파되고 이미지 센서 상에서 간섭 무늬를 형성한다. 이때의 간섭은 동일한 시공간에서 출발한 빛에서 기인한 쌍둥이 광파끼리 일어나기 때문에 광원의 조건에서 자유롭다. 따라서 형광, 전구, LED, 혹은 자연광 조건에서 촬영이 가능하다.

이러한 자가간섭 홀로그래피 기술은 그 개념이 정립되어 있지만, 이를 실제 구현한 시스템은 아직 거의 개발되어 있지 않으며, 입사광을 분리하여 간섭 무늬를 형성하기 위해 복잡한 광학 시스템을 적용해야 하는 등 실제 제품에 적용되지는 못하고 있는 실정이다.

광학 부품이 모두 한 축으로만 정렬된 홀로그래피 기술의 경우 이미지 센서의 해상도나 면적을 그대로 홀로그램으로 활용할 수 있다는 장점이 있지만, 간섭 공식에 의하면 물체의 홀로그램 정보 외에, 광원의 정보와 물체의 쌍영상(twin-image) 정보가 함께 기록된다는 단점이 있다. 이러한 광원 및 쌍영상 정보를 얻어진 홀로그램 정보에서 제거하기 위해 위상 변이 기술을 이용한다. 물체광 혹은 참조광의 광 경로를 파장보다 작은 길이만큼 2~4단계로 미세 조절하면 위상 정보가 미세하게 변이되고, 각 단계마다 빛의 세기 정보를 측정한 뒤, 이를 연산하면 광원 및 쌍영상 정보가 제거된 복소 홀로그램을 얻을 수 있다. 4단계의 위상 변이 시스템에서 복소 홀로그램은 수학식 1과 같이 얻어진다. 수학식 1에서, (x,y)는 이미지 센서 면의 좌표이며, I는 각 위상 변위 된 이미지, 그리고 Φ는 복소 홀로그램이다.

홀로그래피 기술에서 위상 변이를 위해 다양한 위상 변이 시스템이 시도되고 있는데, 예를 들면, Piezo-actuator와 같이 간섭계의 거울을 나노 단위로 미세하게 움직일 수 있는 장비를 사용하거나, 또는 위상 변조가 가능한 공간 광변조기를 사용하는 방식이 시도되고 있다. 그러나, 이들 장비는 매우 고가이며, 온도, 습도 및 진동과 같은 외부 환경에 민감하다는 단점이 있으며, 또한 광 경로를 직접 변조하기 때문에, 특정 파장대에서만 0부터 360도까지 위상의 완전한 변조가 가능하고, 특정 파장에서 멀수록 위상 변이 오차가 커진다는 단점이 있다.

이러한 위상 변이 시스템은 광의 위상을 순차적으로 변화시키는 방식으로 적용되며, 전술한 4단계의 위상 변이 시스템에서는 각 단계에서 위상 변이된 4개의 정보를 조합하여 하나의 복소 홀로그램을 얻을 수밖에 없으므로, 하나의 복소 홀로그램을 얻기 위해서는 4단계의 위상 변이 시간이 소요되고, 따라서, 정지된 물체에 대한 홀로그램을 얻을 수는 있지만 움직이는 물체에 대해서는 홀로그램을 획득하지 못한다. 즉, 홀로그램 동영상 촬영은 불가능하다는 근본적인 문제가 있다.

한편, 최근에는 스마트폰과 같은 전자 기기에 액정 디스플레이가 널리 사용되고 있는데, 이러한 전자 기기는 디스플레이 화면의 최대 확장 및 디자인 향상 등을 위해 베젤이 최소화되는 형태로 개발되고 있다.

스마트 폰과 같은 전자 기기의 베젤을 최소화하기 위해서는 전면이 디스플레이 화면으로 꽉 차는 디자인 구조가 되어야 하는데, 스마트 폰의 전면에는 전면 카메라와 각종 센서들의 영역이 필요하므로, 이를 최소화하기 위한 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다.

예를 들면, 스마트 폰의 전면 일측에 노치 디자인을 형성하고, 노치 영역에 전면 카메라와 센서 모듈을 조밀하게 배치하여 디스플레이 영역을 확장하는 구조나 또는 액정 디스플레이 내에 전면 카메라를 위한 펀치홀을 형성하고 나머지 영역을 모두 디스플레이 영역으로 활용하는 구조 등이 나타나고 있다.

이러한 방식들은 디스플레이 화면에 노치 또는 펀치홀 등이 위치하게 되므로, 그 영역이 축소되긴 했지만 여전히 전면부 전체 영역을 디스플레이 화면으로 활용할 수 없다는 문제가 있다.

국내등록특허 제10-1467672호

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 발광 모드에서는 액정 디스플레이 모듈을 통해 정상적인 디스플레이 기능을 수행하고 수광 모드에서는 이미지 센서를 통해 외부 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득할 수 있으며, 이를 통해 디스플레이 기능과 함께 홀로그램 카메라의 기능을 동시에 수행할 수 있는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 렌즈 등을 구비하지 않고 액정층의 액정 배열 상태 변환 방식을 통해 렌즈 기능을 수행하도록 함으로써, 발광 모드 상태에서 디스플레이 화면에 노치 혹은 펀치홀과 같은 영역이 불필요하여 디스플레이 화면을 전자 기기의 전면 전체 영역으로 확장할 수 있어 디자인 향상 및 설계 공간 효율이 향상되고 더욱 컴팩트한 디자인이 가능한 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은, 제 1 편광판, 컬러 필터, 액정층, TFT 기판, 제 2 편광판 및 백라이트 모듈이 전후 방향을 따라 순차적으로 적층 배치되고, 상기 제 2 편광판 및 백라이트 모듈의 일부 영역에는 광이 통과할 수 있도록 광 투과홀이 형성되며, 상기 액정층의 전체 영역 중 상기 광 투과홀과 동축상에 위치하는 일부 영역에 렌즈 변환 영역이 형성되는 액정 디스플레이 모듈; 상기 렌즈 변환 영역의 액정 배열 상태를 동작 제어하며, 발광 모드시 상기 렌즈 변환 영역이 정상적인 디스플레이 기능을 수행하는 액정 배열 상태가 되도록 하고, 수광 모드시 상기 렌즈 변환 영역이 외부 대상 물체로부터 입사되는 입사광을 좌원 편광 및 우원 편광으로 변화시키는 기하학적 위상 렌즈의 기능을 수행하는 액정 배열 상태가 되도록 하는 액정 제어부; 및 상기 광 투과홀의 후방에 배치되어 상기 렌즈 변환 영역을 통해 변화된 좌원 편광 및 우원 편광을 수광하며 좌원 편광 및 우원 편광의 간섭에 의해 생성된 간섭 무늬를 획득하는 이미지 센서를 포함하고, 상기 이미지 센서에 의해 획득된 간섭 무늬를 이용하여 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치를 제공한다.

이때, 상기 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치는, 상기 렌즈 변환 영역을 통해 변화된 좌원 편광 및 우원 편광이 상기 이미지 센서에 수광되는 과정에서 상기 좌원 편광 및 우원 편광이 2개의 직선 편광으로 변화되어 상기 이미지 센서에 수광되도록 상기 이미지 센서의 전방에 배치되며, 상기 이미지 센서의 수광 영역의 다수개 분할 영역마다 각각 서로 다른 위상을 갖는 직선 편광이 수광되도록 형성되는 공간 분할 위상 변이 수단을 더 포함하고, 각 분할 영역마다 서로 다른 위상의 직선 편광에 의해 생성된 간섭 무늬를 상기 이미지 센서에 의해 동시에 획득하고, 이를 조합하여 하나의 홀로그램 데이터를 획득할 수 있다.

또한, 상기 공간 분할 위상 변이 수단은 상기 이미지 센서의 전방면에 부착되는 마이크로 편광판 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 편광판 어레이는 투과광을 직선 편광으로 변환하는 다수개의 미세 편광판이 상기 이미지 센서의 다수개 분할 영역에 각각 대응되게 배열되는 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 이미지 센서의 분할 영역은 상기 이미지 센서의 픽셀에 각각 대응되게 형성될 수 있다.

또한, 각각의 상기 미세 편광판의 광 투과축은 서로 다른 각도를 갖도록 형성되어 각 미세 편광판을 통과한 직선 편광이 서로 다른 위상을 갖도록 형성될 수 있다.

또한, 다수개의 상기 미세 편광판의 광 투과축 각도는 45°각도 차이로 순차적으로 변화하는 서로 다른 4개 종류의 광 투과축 각도 중 어느 하나를 갖도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 액정 디스플레이 모듈에는 상기 백라이트 모듈에 형성된 광 투과홀 영역을 통해 상기 액정층을 향한 후면광을 조사하는 보조 백라이트 모듈이 더 구비되고, 상기 보조 백라이트 모듈은 상기 발광 모드시에만 작동하도록 별도의 백라이트 제어부에 의해 동작 제어될 수 있다.

또한, 상기 보조 백라이트 모듈은, 상기 백라이트 모듈과 상기 액정층 사이 공간으로부터 외부 영역에 배치되는 발광 램프; 및 상기 발광 램프에서 발생한 광이 상기 광 투과홀을 통해 상기 액정층을 향해 조사되도록 광을 가이드하는 광 가이드를 포함할 수 있다.

또한, 상기 발광 램프와 상기 광 가이드 사이에는 상기 발광 램프의 광이 통과하도록 별도의 제 3 편광판이 배치될 수 있다.

또한, 상기 이미지 센서와 광 투과홀 사이에는 상기 렌즈 변환 영역을 통해 변환된 좌원 편광 및 우원 편광이 통과하도록 별도의 광 필터가 배치될 수 있다.

본 발명에 의하면, 발광 모드에서는 액정 디스플레이 모듈을 통해 정상적인 디스플레이 기능을 수행하고 수광 모드에서는 이미지 센서를 통해 외부 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득할 수 있으며, 이를 통해 디스플레이 기능과 함께 홀로그램 카메라의 기능을 동시에 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 별도의 렌즈 등을 구비하지 않고 액정층의 액정 배열 상태 변환 방식을 통해 렌즈 기능을 수행하도록 함으로써, 발광 모드 상태에서 디스플레이 화면에 노치 혹은 펀치홀과 같은 영역이 불필요하여 디스플레이 화면을 전자 기기의 전면 전체 영역으로 확장할 수 있어 디자인 향상 및 설계 공간 효율이 향상되고 더욱 컴팩트한 디자인이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템의 기본 구성을 개념적으로 도시한 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기하학적 위상 렌즈의 특성을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 분할 위상 변이 수단이 적용된 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템의 구성을 개념적으로 도시한 개념도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템의 세부 구성을 예시적으로 도시한 도면,
도 5는 액정 디스플레이 모듈의 구성을 개념적으로 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 외형을 예시적으로 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 내부 구조를 설명하기 위해 도 6의 "A-A"선을 따라 취한 단면도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 구성을 기능적으로 도시한 기능 블록도,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 발광 모드 및 수광 모드 상태를 설명하기 위해 도 6의 "B-B"선을 따라 취한 단면도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 발광 모드 및 수광 모드 상태에 대한 외부 형태를 예시적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치는 액정 디스플레이 모듈(800)과, 액정 제어부(910)와, 이미지 센서(200)를 포함하여 구성되며, 발광 모드에서는 액정 디스플레이 모듈(800)을 통해 정상적인 디스플레이 기능을 수행하고 수광 모드에서는 이미지 센서(200)를 통해 외부 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득할 수 있으며, 발광 모드 상태에서 디스플레이 화면에 노치 혹은 펀치홀과 같은 영역이 불필요하여 디스플레이 화면을 전자 기기의 전면 전체 영역으로 확장할 수 있다.

본 발명에서 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득하는 방식은 대상 물체로부터 전파되는 입사광을 자가간섭 방식으로 간섭 무늬를 생성하여 획득하는 자자간섭 디지털 홀로그래픽 시스템인데, 먼저, 이러한 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템에 대해 살펴보고, 이후, 이를 액정 디스플레이 모듈과 함께 적용하는 구조를 전체적으로 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템의 기본 구성을 개념적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기하학적 위상 렌즈의 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 분할 위상 변이 수단이 적용된 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템의 구성을 개념적으로 도시한 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템의 세부 구성을 예시적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템은 대상 물체로부터 전파되는 입사광을 자가 간섭 방식으로 간섭 무늬를 생성하여 획득하는 구조로서, 입사광이 통과하도록 배치되어 입사광을 좌원 편광 및 우원 편광으로 변화시키는 기하학적 위상 렌즈(100)와, 입사광 또는 기하학적 위상 렌즈(100)를 통과한 좌원 편광 및 우원 편광을 적색광, 녹색광 및 청색광으로 분리하는 삼색 프리즘(TP)과, 기하학적 위상 렌즈(100)를 통해 변화된 좌원 편광 및 우원 편광을 수광하는 이미지 센서(200)를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 기하학적 위상 렌즈(100)를 통해 변화된 좌원 편광 및 우원 편광을 직선 편광으로 변화시켜 이미지 센서(200)에 수광되도록 하는 공간 분할 위상 변이 수단(700)을 더 포함하여 구성된다.

여기서, 기하학적 위상 렌즈(100)는 본 발명의 액정 디스플레이 장치에는 직접적으로 구비되지 않고, 후술하는 액정 디스플레이 모듈의 액정층의 렌즈 변환 영역을 통해 기하학적 위상 렌즈와 동일한 기능이 수행되도록 구성되는데, 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템을 설명하는 구성에서는 설명의 편의를 위해 기하학적 위상 렌즈가 적용되는 것으로 설명한다. 또한, 이미지 센서(200)는 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득하는 것으로, 홀로그래픽 시스템을 구성하며, 후술하는 액정 디스플레이 모듈의 후방에 배치되어 수광 모드시 대상 물체로부터 전파되는 입사광에 대한 간섭 무늬를 획득하고, 이를 이용하여 홀로그램 데이터를 획득한다.

먼저, 공간 분할 위상 변이 수단(700)이 구비되지 않은 기본적인 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템의 원리에 대해 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이 입사광은 기하학적 위상 렌즈(100)를 통과하는 과정에서 좌원 편광 및 우원 편광으로 변화되고, 변화된 좌원 편광 및 우원 편광의 간섭에 의해 간섭 무늬가 생성된다. 이러한 간섭 무늬는 이미지 센서(200) 상에서 생성되어 이미지 센서(200)에 의해 획득된다.

기하학적 위상 렌즈(100)에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 기하학적 위상 렌즈(Geometric Phase Lens)는 액정이 특정 고정 배열을 유지해 렌즈의 역할을 하는 소자이다. 일반적인 렌즈는 굴절률이 다른 매질의 두께를 조절해 입사광의 파면을 변조해 수렴 혹은 발산하게 하는 동적 위상(dynamic phase) 변조를 하지만, 기하학적 위상(geometrical phase) 렌즈는 액정의 복굴절 특성에 따른 빛의 편광상태 변화로 위상 변화가 일어나고, 이에 따라 입사광의 파면이 변조된다는 차이점을 가진다. 기하학적 위상 렌즈를 제작할 때 홀로그램 촬영 기법을 이용하기 때문에, 기록하고자 하는 렌즈면의 쌍영상(twin-image)이 함께 기록되고 따라서 음과 양의 초점거리를 모두 가지는 렌즈 특성을 보인다.

이러한 기하학적 위상 렌즈는 액정 소자를 전기적으로 움직일 필요가 없이 광감성 고분자가 경화되면서 형성된 배향막에 따라 영구적으로 배향되기 때문에 독립적인 수동 광학 소자로 작용한다. 매우 투명하고, 얇으며, 제작이 간편하다는 장점이 있다.

또한, 편광 선택성이 있어서, 입사광이 우원 편광일 경우 좌원 편광으로 바뀌며 양의 초점거리에 따라 수렴하고, 입사광이 좌원 편광일 경우 우원 편광으로 바뀌며 음의 초점거리에 따라 발산한다. 직선 편광 또는 무편광 빛이 입사하면 에너지가 절반으로 나뉘며 수렴 및 발산하는데, 이때, 수렴광은 좌원 편광, 발산광은 우원 편광이 된다.

참고로, 원편광(circular polarization)은 광파의 전기 변위 벡터(또는 자기장 변위 벡터)의 진동 방향이 원진동인 것을 의미하는데, 직선 편광이 1/4 파장판의 주축에 대하여 45°경사진 진동면을 가지고 입사할 때 1/4 파장판을 통과한 빛은 원편광이다. 빛의 전기 벡터가 관측자로부터 보아 시계 방향으로 회전하는 원편광을 우원 편광이라 하고, 반시계 방향으로 회전하는 원편광을 좌원 편광이라고 한다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 우원 편광(L2)이 입사된 경우, 초점(f1)은 양의 초점거리 X1을 가지며 좌원 편광(L1)으로 변환되며, 기하학적 위상 렌즈(200)를 통과하여 초점 f1 지점으로 집광된다. 한편, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 좌원 편광(L1)이 입사된 경우, 초점(f2)은 음의 초점거리 X1을 가지며 우원 편광(L2)으로 변환되며, 기하학적 위상 렌즈(200)를 통과하여 초점 f2를 기준으로 연장되는 경로를 따라 발산하게 된다. 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 직선 편광 또는 무편광의 빛(L)이 입사된 경우, 에너지가 절반으로 나뉘며, 일부는 양의 초점(f1)을 가지며 좌원 편광(L1)으로 변환되어 수렴하고, 일부는 음의 초점(f2)을 가지며 우원 편광(L2)으로 변환되어 발산한다.

따라서, 대상 물체(10)로부터 발광 또는 반사되어 전파되는 입사광은 기하학적 위상 렌즈(100)를 통과하여 좌원 편광 및 우원 편광으로 변화되고, 이와 같이 변화된 좌원 편광 및 우원 편광의 상호 간섭에 의해 간섭 무늬를 생성하고, 간섭 무늬는 이미지 센서(200) 상에 생성되어 이미지 센서(200)에 의해 획득된다.

본 발명에 따른 자가간섭 홀로그래피 시스템은 이미지 센서(200)에 의해 획득된 간섭 무늬에 대한 정보를 통해 입사광의 정보를 획득할 수 있다. 즉, 이미지 센서(200)에 의해 획득된 간섭 무늬를 통해 홀로그램 이미지를 획득할 수 있다.

이와 같이 획득된 홀로그램 이미지는 별도의 홀로그램 디스플레이 장치를 통해 디스플레이될 수 있으며, 홀로그램 디스플레이 장치는 다양한 방식으로 적용될 수 있다.

한편, 배경 기술에서 살펴본 바와 같이 이러한 홀로그래피 기술의 경우, 간섭 무늬를 통해 홀로그램 이미지를 획득하는 이미지 센서(200)에는 광원의 정보와 물체의 쌍영상(twin-image) 정보가 함께 기록되고, 이는 노이즈로 작용하게 된다. 따라서, 이러한 광원 및 쌍영상 정보를 홀로그램 이미지에서 제거하기 위해 위상 변이 수단이 구비되는데, 일반적으로 연구되고 있는 위상 변이 수단은 광의 위상을 시간 순서에 따라 변화시키는 방식으로 구성되므로, 움직이는 물체에 대해 동영상 촬영이 불가능하다는 근본적인 문제가 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 위상 변이 수단으로 공간 분할 방식을 이용한 공간 분할 위상 변이 수단(700)이 구비된다.

공간 분할 위상 변이 수단(700)은 기하학적 위상 렌즈(100)를 통해 변화된 좌원 편광 및 우원 편광이 이미지 센서(200)에 수광되는 과정에서 좌원 편광 및 우원 편광이 2개의 직선 편광으로 변화되어 이미지 센서(200)에 수광되도록 이미지 센서(200)의 전방에 배치된다. 이때, 공간 분할 위상 변이 수단(700)은 이미지 센서(200)의 수광 영역을 다수개로 분할한 분할 영역별로 각각 서로 다른 위상을 갖는 직선 편광이 수광되도록 형성된다.

좀더 구체적으로 살펴보면, 공간 분할 위상 변이 수단(700)은 이미지 센서(200)의 전방면에 부착되는 마이크로 편광판 어레이(710)를 포함하여 구성될 수 있는데, 마이크로 편광판 어레이(710)는 투과광을 직선 편광으로 변환하는 다수개의 미세 편광판(711)이 이미지 센서(200)의 다수개 분할 영역에 각각 대응되게 배열되는 형태로 형성된다.

예를 들면, 이미지 센서(200)는 다수개의 픽셀을 갖는데, 이미지 센서(200)에 대한 분할 영역은 이러한 픽셀 단위로 형성될 수 있고, 미세 편광판(711)은 이러한 이미지 센서(200)의 픽셀에 각각 대응되게 형성되어 이미지 센서(200)의 픽셀과 동일한 배치 구조로 이미지 센서(200)의 전면에 부착될 수 있다.

이러한 미세 편광판(711)은 투과광을 직선 편광으로 변환하는 편광판 형태로 형성되는데, 이때, 미세 편광판(711)을 통해 변환되는 직선 편광의 위상이 각 미세 편광판(711)마다 서로 다르도록 미세 편광판(711)의 광 투과축(a1,a2,a3,a4)은 서로 다른 각도를 갖도록 형성된다.

예를 들면, 미세 편광판(711)의 광 투과축(a1,a2,a3,a4) 각도는 도 4에 도시된 바와 같이 45°각도 차이로 순차적으로 변화하는 서로 다른 4개 종류의 광 투과축 각도 중 어느 하나를 갖도록 형성될 수 있으며, 이를 통해 각각의 미세 편광판(711)을 통해 변환되는 직선 편광은 광 투과축(a1,a2,a3,a4) 각도에 따라 45°의 위상 차이를 갖게 된다. 이때, 다수개의 미세 편광판(711)은 서로 다른 종류의 광 투과축 각도를 갖는 미세 편광판(711)의 개수가 광 투과축 각도 종류마다 서로 동일한 개수로 구비되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성에 따라 대상 물체(10)로부터 전파되는 입사광은 기하학적 위상 렌즈(100)를 통과하여 좌원 편광 및 우원 편광으로 변화되고, 변화된 좌원 편광 및 우원 편광은 이미지 센서(200)에 수광되는 과정에서 이미지 센서(200)의 분할 영역에 대응되게 배치된 미세 편광판(711)을 통과하며 2개의 직선 편광으로 변화하고, 직선 편광 상태로 이미지 센서(200)에 수광된다. 이때, 좌원 편광 및 우원 편광이 변환된 2개의 직선 편광의 간섭에 의해 간섭 무늬가 생성되고, 생성된 간섭 무늬가 이미지 센서(200)에 의해 획득된다. 이러한 2개의 직선 편광에 의한 간섭 무늬는 다수개의 미세 편광판(711)마다 형성되는데, 각 미세 편광판(711)은 광 투과축(a1,a2,a3,a4)의 각도가 서로 달라 직선 편광의 위상이 다르므로, 결과적으로 4개의 위상 변이된 직선 편광에 의한 간섭 무늬를 동시에 획득할 수 있다.

다시 말하면, 간섭 무늬를 통해 홀로그램 이미지를 획득하는 과정에서, 노이즈 제거를 위해 위상 변이 수단을 이용하여 위상이 서로 다른 복수개의 간섭 무늬를 생성 획득하게 되는데, 일반적인 위상 변이 수단은 시간 순서에 따라 위상을 변화시키는 방식으로 구성되는데 반해, 본 발명의 일 실시예에서는 공간 분할 방식으로 위상 변화된 복수개의 간섭 무늬를 동시에 획득할 수 있다.

이와 같이 복수개의 위상 변이된 직선 편광에 의한 간섭 무늬를 동시에 획득하고, 이를 조합 연산 처리하여 하나의 복소 홀로그램을 획득할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템은 위상 변이된 직선 편광에 의한 간섭 무늬를 시간 순서에 따라 순차적으로 획득하는 것이 아니라 공간 분할 방식으로 동시에 획득함으로써, 1회 촬영을 통해 하나의 복소 홀로그램을 얻을 수 있다. 또한, 1회 촬영만으로 다수개의 위상 변이된 간섭 무늬를 동시에 획득할 수 있기 때문에, 정적인 물체 이외에도 생물체 같이 시간에 따라 변화하는 물체, 동영상 등 홀로그램 비디오 촬영이 가능하다.

아울러, 단순한 광학 부품인 기하학적 위상 렌즈를 이용하여 입사광에 대한 간섭 무늬를 획득할 수 있고, 이를 통해 홀로그램 이미지를 획득할 수 있으며, 제작이 간편하고 저비용이며 소형화가 가능한 형태로 제작이 가능하여 활용 범위를 다양하게 확장할 수 있다.

특히, 공간 분할 위상 변이 수단(700)으로 미세 편광판(711)이 적용되어 이미지 센서(200)의 전면에 부착될 수 있으므로, 위상 변이를 위한 별도의 광 경로가 불필요하여 전체 시스템을 소형화하는데 더욱 유리하다.

한편, 입사광이 기하학적 위상 렌즈(100)에 입사되기 이전에 통과하도록 기하학적 위상 렌즈(100)의 전방에는 입사광을 직선 편광으로 변화시키는 고정 편광판(600)이 배치될 수 있다.

이러한 고정 편광판(600)이 없더라도 전술한 바와 같이 복수개의 위상 변이된 간섭 무늬를 획득할 수 있지만, 고정 편광판(600)을 통해 입사광을 직선 편광으로 변환하여 기하학적 위상 렌즈(100)에 입사시킴으로써, 좌원 편광 및 우원 편광의 간섭 현상 및 공간 분할 위상 변이 수단(700)을 통한 직선 편광의 간섭 현상을 더욱 강화할 수 있고, 이를 통해 이미지 센서(200)에 더욱 선명한 간섭 무늬가 생성될 수 있다.

또한, 대상 물체(10)로부터 전파되는 입사광이 고정 편광판(600)을 통과하여 기하학적 위상 렌즈(100)로 입사되도록 고정 편광판(600)의 전방에 배치되어 입사광을 집광하는 입사 렌즈(300)가 구비될 수 있다.

이러한 입사 렌즈(300)는 고정 편광판(600)의 전방에 동축 상에 배치될 수 있다. 이를 통해 대상 물체(10)로부터 전파되는 입사광이 고정 편광판(600)을 통과하여 기하학적 위상 렌즈(100)로 입사되며, 이는 전술한 바와 같이 대상 물체(10)로부터 사방으로 방사되는 입사광 중 일부를 본 발명의 홀로그래픽 시스템에 입사시키기 위한 것으로, 일반적인 카메라 또는 현미경 등의 대물 렌즈 기능을 수행한다.

한편, 기하학적 위상 렌즈(100)에 의해 변화된 좌원 편광 및 우원 편광이 통과하도록 기하학적 위상 렌즈(100)와 공간 분할 위상 변이 수단(700) 사이에는 좌원 편광 및 우원 편광의 광 경로를 연장시키는 플로팅 렌즈(400)가 배치될 수 있다. 이러한 플로팅 렌즈(400)는 홀로그래픽 시스템의 제품 구조에 따라 사용자가 선택적으로 배치할 수 있으며, 예를 들면, 현미경이나 망원경 등의 경우에는 광 경로 연장을 위해 플로팅 렌즈(400)가 사용될 수 있다. 또한, 플로팅 렌즈(400)는 좌원 편광 및 우원 편광의 광 경로를 길게 연장함으로써, 좌원 편광 및 우원 편광의 간섭 효과가 강화되어 더욱 선명한 간섭 무늬를 획득할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 자가간섭 디지털 홀로그래픽 시스템에 대해서 설명하였는데, 본 발명에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치는 이러한 홀로그래픽 시스템을 액정 디스플레이 모듈에 적용한 것으로, 이하에서는 이러한 홀로그래픽 시스템이 적용된 액정 디스플레이 장치에 대해 도 5 내지 도 10을 중심으로 설명한다.

도 5는 액정 디스플레이 모듈의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 외형을 예시적으로 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 내부 구조를 설명하기 위해 도 6의 "A-A"선을 따라 취한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 구성을 기능적으로 도시한 기능 블록도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 발광 모드 및 수광 모드 상태를 설명하기 위해 도 6의 "B-B"선을 따라 취한 단면도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치의 발광 모드 및 수광 모드 상태에 대한 외부 형태를 예시적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치는 액정 디스플레이 모듈(800)과, 액정 제어부(910)와, 이미지 센서(200)를 포함하여 구성된다.

먼저, 일반적인 액정 디스플레이 모듈(800)은 도 5에 도시된 바와 같이 전후 방향을 따라 제 1 편광판(810), 컬러 필터(820), 액정층(830), TFT 기판(840), 제 2 편광판(850) 및 백라이트 모듈(860)이 순차적으로 적층 배치된다. 이러한 액정 디스플레이 모듈(800)의 구조는 매우 광범위하게 사용되는 구성이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 액정 디스플레이 모듈(800)은 제 2 편광판(850) 및 백라이트 모듈(860)의 일부 영역에 광이 통과할 수 있는 광 투과홀(801)이 형성된다. 도 6및 도 10에 도시된 바와 같이 발광 모드시에는 액정 디스플레이 모듈(800)의 전체 면적이 모두 디스플레이 화면으로 적용되고, 수광 모드시에만 액정 디스플레이 모듈(800)의 광 투과홀(801) 영역이 화면을 디스플레이하지 않는 렌즈 형태로 외부에 식별될 수 있다.

액정 디스플레이 모듈(800)의 액정층(830)의 전체 영역 중 광 투과홀(801)과 동축상에 위치하는 일부 영역에는 렌즈 변환 영역(831)이 형성된다. 렌즈 변환 영역(831)은 발광 모드시에는 정상적인 디스플레이 기능을 수행하는 액정 배열 상태가 되고, 수광 모드시에는 전술한 기하학적 위상 렌즈의 기능을 수행하는 액정 배열 상태가 된다.

여기서, 발광 모드는 액정 디스플레이 모듈(800)을 통해 정상적인 디스플레이 기능을 수행하는 상태를 의미하고, 수광 모드는 이미지 센서(200)를 통해 외부 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득하는 상태를 의미하는데, 발광 모드 및 수광 모드 모두 액정 디스플레이 모듈(800)이 작동하는 동안(온(ON) 상태)에 사용자의 조작 등에 의해 발생하는 모드 상태이며, 액정 디스플레이 모듈(800)이 오프된 상태에서는 이러한 발광 모드 및 수광 모드 자체가 모두 수행되지 않을 수 있다. 물론, 별도의 제어 과정을 통해 액정 디스플레이 모듈(800)이 오프된 상태에서도 수광 모드가 발생하도록 구성될 수도 있을 것이다.

액정 제어부(910)는 액정층(830)의 액정 배열 상태를 동작 제어하는데, 액정층(830) 전체 영역에 대한 액정 배열 상태를 동작 제어할 수도 있고, 렌즈 변환 영역(831)의 액정 배열 상태만 동작 제어할 수도 있다. 제어 방식은, 발광 모드시 렌즈 변환 영역(831)이 정상적인 디스플레이 기능을 수행하는 액정 배열 상태가 되도록 하고, 수광 모드시에는 렌즈 변환 영역(831)이 외부 대상 물체로부터 입사되는 입사광을 좌원 편광 및 우원 편광으로 변화시키는 기하학적 위상 렌즈의 기능을 수행하는 액정 배열 상태가 되도록 한다.

이러한 액정 배열 상태의 변환 방식은 액정층에 대한 일반적인 제어 방식을 통해 이루어질 수 있으며, 기하학적 위상 렌즈 기능을 수행하는 액정 배열 상태는 다음과 같은 수식을 이용하여 도출할 수 있다.

여기서, x,y는 픽셀의 물리적인 위치, f는 렌즈 초점거리, λ는 입사광의 중심파장을 의미한다.

이미지 센서(200)는 광 투과홀(801)의 후방에 배치되어 렌즈 변환 영역(831)을 통해 변화된 좌원 편광 및 우원 편광을 수광하여 좌원 편광 및 우원 편광의 간섭에 의해 생성된 간섭 무늬를 획득한다.

이미지 센서(200)에 의해 획득된 간섭 무늬를 이용하여 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득할 수 있는데, 이는 도 1 내지 도 4에서 설명한 홀로그래픽 시스템의 원리에 따라 이루어진다.

도 1 내지 도 4에서 설명한 기하학적 위상 렌즈의 기능은 렌즈 변환 영역(831)의 액정 배열 상태 조절을 통해 동일한 기능이 이루어지며, 공간 분할 위상 수단(700)은 이미지 센서(200)의 전방에 배치된다. 기하학적 위상 렌즈의 전방에 배치되는 고정 편광판의 기능은 액정 디스플레이 모듈(800)의 제 1 편광판(810)을 통해 이루어진다.

이러한 구조에 따라 외부 대상 물체로부터 전파되는 입사광은 제 1 편광판(810)을 통해 직선 편광으로 변화되어 렌즈 변환 영역(831)을 통과하게 되고, 렌즈 변환 영역(831)을 통과하는 과정에서 좌원 편광 및 우원 편광으로 변환되며 광 투과홀(801)을 통과하여 이미지 센서(200)에 수광된다.

따라서, 수광 모드시에는 외부 대상 물체로부터 전파되는 입사광이 렌즈 변환 영역(831)를 거쳐 좌원 편광 및 우원 편광으로 변환되어 이미지 센서(200)로 수광되며, 이미지 센서(200)에서 간섭 무늬를 획득하여 외부 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득할 수 있다.

한편, 발광 모드시에는 렌즈 변환 영역(831)이 정상적인 디스플레이 기능을 수행하는 액정 배열 상태로 변환되므로, 이 경우에는 렌즈 변환 영역(831)에 대해 백라이트 기능을 수행할 수 있는 별도의 보조 백라이트 모듈(870)이 구비된다.

즉, 보조 백라이트 모듈(870)은 광 투과홀(801) 영역을 통해 액정층(830)을 향해 후면광을 조사하도록 구성되는데, 이러한 보조 백라이트 모듈(870)은 발광 모드시에만 작동하도록 별도의 백라이트 제어부(920)에 의해 동작 제어될 수 있다.

이와 같이 발광 모드시에는 보조 백라이트 모듈(870)이 광 투과홀(801) 영역에서 후면광을 조사하기 때문에, 광 투과홀(801) 영역이 검게 보이는 등의 현상 없이 액정층(830)의 전체 영역이 모두 디스플레이 기능을 수행하게 된다.

보조 백라이트 모듈(870)은, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이 백라이트 모듈(860)과 액정층(830) 사이 공간으로부터 외부 영역에 배치되는 발광 램프(872)와, 발광 램프(872)에서 발생한 광이 광 투과홀(801)을 통해 액정층(830)을 향해 조사되도록 광을 가이드하는 광 가이드(871)를 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 광 가이드(871)는 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이 웨이브 가이드(wave guide) 형태로 구현될 수도 있으나, 이와 달리 빔스플리터 형태로 구현될 수도 있다.

이때, 발광 램프(872)는 백라이트 모듈(860)의 발광 램프와 동일한 종류, 예를 들면, LED 램프가 적용될 수 있으며, 발광 램프(872)와 광 가이드(871) 사이에는 발광 램프(872)의 광이 통과하도록 별도의 제 3 편광판(873)이 배치되며, 발광 램프(872)에서 발생한 광은 제 3 편광판(873)을 통과하여 직선 편광으로 변환된 상태로 광 투과홀(801)을 거쳐 액정층(830)으로 조사된다. 이러한 제 3 편광판(873)이 배치됨에 따라 보조 백라이트 모듈(870)에 의해 조사되는 후면광 또한 백라이트 모듈(860)에 의해 조사되는 후면광과 동일한 특성을 갖는다. 이는 백라이트 모듈(860)에 의해 조사되는 후면광 또한 제 2 평관판(850)을 통과하여 직선 편광으로 변환된 상태로 액정층(830)으로 조사되기 때문이다.

이러한 구성에 따라 발광 모드시에는 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 보조 백라이트 모듈(870)에 의해 광 투과홀(801) 영역에서도 후면광이 발생하므로, 액정층(830)의 전체 영역에서 디스플레이 기능이 수행되고, 수광 모드시에는 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 백라이트 모듈(860)만 작동하고 보조 백라이트 모듈(870)은 작동하지 않으므로, 외부 대상 물체로부터 발생한 입사광이 광 투과홀(801)을 거쳐 이미지 센서(200)에 수광되고, 홀로그램 데이터를 획득할 수 있다.

이때, 이미지 센서(200)와 광 투과홀(801) 사이, 좀더 구체적으로는 공간 분할 위상 변이 수단(700)의 전방에는 렌즈 변환 영역(831)을 통해 변환된 좌원 편광 및 우원 편광이 통과하도록 별도의 광 필터(720)가 배치될 수 있다.

광 필터(720)는 밴드패스필터 또는 컬러 필터가 적용될 수 있으며, 밴드패스필터가 적용되는 경우, 이미지 센서(200)에는 특정 파장대의 빛만이 수광되며, 컬러 필터가 적용되는 경우, 컬러 필터를 통해 입사된 각 색역을 구분하여 이미지 센서(200)에 수광되도록 할 수 있다. 컬러 필터가 적용되면, 이미지 센서(200)를 통해 천연색 칼라 홀로그램 데이터를 획득할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 기하학적 위상 렌즈
200: 이미지 센서
300: 입사 렌즈
400: 플로팅 렌즈
600: 고정 편광판
700: 공간 분할 위상 변이 수단
710: 마이크로 편광판 어레이
711: 미세 편광판
800: 액정 디스플레이 모듈
801: 광 투과홀
830: 액정층
831: 렌즈 변환 영역
860: 백라이트 모듈
870: 보조 백라이트 모듈
871: 광 가이드
872: 발광 램프
910: 액정 제어부
920: 백라이트 제어부

Claims (10)

1. 제 1 편광판, 컬러 필터, 액정층, TFT 기판, 제 2 편광판 및 백라이트 모듈이 전후 방향을 따라 순차적으로 적층 배치되고, 상기 제 2 편광판 및 백라이트 모듈의 일부 영역에는 광이 통과할 수 있도록 광 투과홀이 형성되며, 상기 액정층의 전체 영역 중 상기 광 투과홀과 동축상에 위치하는 일부 영역에 렌즈 변환 영역이 형성되는 액정 디스플레이 모듈;
   상기 렌즈 변환 영역의 액정 배열 상태를 동작 제어하며, 발광 모드시 상기 렌즈 변환 영역이 정상적인 디스플레이 기능을 수행하는 액정 배열 상태가 되도록 하고, 수광 모드시 상기 렌즈 변환 영역이 외부 대상 물체로부터 입사되는 입사광을 좌원 편광 및 우원 편광으로 변화시키는 기하학적 위상 렌즈의 기능을 수행하는 액정 배열 상태가 되도록 하는 액정 제어부; 및
   상기 광 투과홀의 후방에 배치되어 상기 렌즈 변환 영역을 통해 변화된 좌원 편광 및 우원 편광을 수광하며 좌원 편광 및 우원 편광의 간섭에 의해 생성된 간섭 무늬를 획득하는 이미지 센서
   를 포함하고, 상기 이미지 센서에 의해 획득된 간섭 무늬를 이용하여 대상 물체에 대한 홀로그램 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 렌즈 변환 영역을 통해 변화된 좌원 편광 및 우원 편광이 상기 이미지 센서에 수광되는 과정에서 상기 좌원 편광 및 우원 편광이 2개의 직선 편광으로 변화되어 상기 이미지 센서에 수광되도록 상기 이미지 센서의 전방에 배치되며, 상기 이미지 센서의 수광 영역의 다수개 분할 영역마다 각각 서로 다른 위상을 갖는 직선 편광이 수광되도록 형성되는 공간 분할 위상 변이 수단
   을 더 포함하고, 각 분할 영역마다 서로 다른 위상의 직선 편광에 의해 생성된 간섭 무늬를 상기 이미지 센서에 의해 동시에 획득하고, 이를 조합하여 하나의 홀로그램 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 공간 분할 위상 변이 수단은
   상기 이미지 센서의 전방면에 부착되는 마이크로 편광판 어레이를 포함하고,
   상기 마이크로 편광판 어레이는 투과광을 직선 편광으로 변환하는 다수개의 미세 편광판이 상기 이미지 센서의 다수개 분할 영역에 각각 대응되게 배열되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 이미지 센서의 분할 영역은 상기 이미지 센서의 픽셀에 각각 대응되게 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   각각의 상기 미세 편광판의 광 투과축은 서로 다른 각도를 갖도록 형성되어 각 미세 편광판을 통과한 직선 편광이 서로 다른 위상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   다수개의 상기 미세 편광판의 광 투과축 각도는 45°각도 차이로 순차적으로 변화하는 서로 다른 4개 종류의 광 투과축 각도 중 어느 하나를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액정 디스플레이 모듈에는
   상기 백라이트 모듈에 형성된 광 투과홀 영역을 통해 상기 액정층을 향한 후면광을 조사하는 보조 백라이트 모듈이 더 구비되고,
   상기 보조 백라이트 모듈은 상기 발광 모드시에만 작동하도록 별도의 백라이트 제어부에 의해 동작 제어되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 보조 백라이트 모듈은
   상기 백라이트 모듈과 상기 액정층 사이 공간으로부터 외부 영역에 배치되는 발광 램프; 및
   상기 발광 램프에서 발생한 광이 상기 광 투과홀을 통해 상기 액정층을 향해 조사되도록 광을 가이드하는 광 가이드
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 발광 램프와 상기 광 가이드 사이에는 상기 발광 램프의 광이 통과하도록 별도의 제 3 편광판이 배치되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
   
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 이미지 센서와 광 투과홀 사이에는 상기 렌즈 변환 영역을 통해 변환된 좌원 편광 및 우원 편광이 통과하도록 별도의 광 필터가 배치되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 유닛을 구비한 액정 디스플레이 장치.
    
    

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