KR102476813B1 - Spatial Light Modulator and Digital Holography Using the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 갭 조절로 회절시의 에러를 줄일 수 있는 공간 광 변조기 및 이를 이용한 디지털 홀로그래피에 관한 것으로, 본 발명의 공간 광 변조기는, 서로 대향하여, 복수개의 픽셀을 갖는 제 1 기재 및 제 2 기재와, 상기 제 1 기재 상에 각 픽셀 상에 구비된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 마주보도록, 상기 제 2 기재의 내면에 위치한 제 2 전극과, 상기 제 1 기재와 제 2 기재 사이에 위치한 액정층과, 상기 제 2 기재의 외부면에 각 픽셀에 대응하여 위치하는, 서로 이격한 제 3 전극 및 제 4 전극 및 상기 제 2 기재의 외부면 상에, 나노 액정을 포함하는 액정 필름층을 포함하여 이루어진다.The present invention relates to a spatial light modulator capable of reducing errors in diffraction through gap adjustment and digital holography using the same. And, a first electrode provided on each pixel on the first substrate, a second electrode located on the inner surface of the second substrate to face the first electrode, and between the first substrate and the second substrate A liquid crystal layer located on the outer surface of the second substrate, third electrodes and fourth electrodes spaced apart from each other and located on the outer surface of the second substrate corresponding to each pixel, and a liquid crystal film layer containing nano-liquid crystals on the outer surface of the second substrate. made including
Description
본 발명은 입체 영상 표시에 관한 것으로, 특히 갭 조절로 회절시의 에러를 줄일 수 있는 공간 광 변조기 및 이를 이용한 디지털 홀로그래피에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D image display, and more particularly, to a spatial light modulator capable of reducing diffraction errors by adjusting a gap and digital holography using the same.
영상을 표시하는 디스플레이는 CRT(Cathode Ray Tube)로 시작되어, 평판 표시 장치로 개발되어 왔다. 평판 표시 장치의 예로, TFT-LCD (Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display Device), PDP (Plasma Display Panel Device), AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diode Display Device) 등이 있다.A display displaying an image started with a cathode ray tube (CRT) and has been developed as a flat panel display device. Examples of the flat panel display device include a thin film transistor-liquid crystal display device (TFT-LCD), a plasma display panel device (PDP), and an active matrix organic light emitting diode display device (AMOLED).
또한, 최근 이러한 디스플레이에 단순히 2차원적 영상을 표시하는데 그치지 않고, 보다 실제에 가깝게 시청자가 인지하도록 삼차원(3D)적으로 영상을 표시하는 요구가 있었다.In addition, recently, there has been a demand for displaying a three-dimensional (3D) image so that viewers can perceive it more realistically, rather than simply displaying a two-dimensional image on such a display.
3D 디스플레이에는 여러 종류가 있으며, 대표적으로 패럴랙스 배리어 또는 광학 렌즈와 같은 광 분리 소자를 통해 좌우안 영상을 분리하는 방식과, 전자적으로 생성된 홀로그램을 공간 광 변조기(SLM: Spatial Light Modulator)를 통해 재생하는 방식의 디지털 홀로그래피 방식 등이 있다.There are several types of 3D displays, typically a method of separating left and right eye images through an optical separation element such as a parallax barrier or an optical lens, and a method of separating an electronically generated hologram through a spatial light modulator (SLM). There is a digital holography method of a reproduction method, and the like.
이 중 디지털 홀로그래피 방식은 가장 자연스러운 시차를 제공함으로써 궁극적으로 지향해야 할 디스플레이로 알려져 있다. 이러한 디지털 홀로그래피에는 공간 광 변조기가 요구되는데, 상기 공간 광 변조기는 빛의 투과도를 조절하거나 빛의 위상 정보를 출력하는 기능을 한다. 상술한 좌우안 영상을 분리하는 방식에서는 양 눈에 다른 정보를 제공하여 양안시차를 통해 삼차원 영상을 인식하도록 하지만, 이에 반해 디지털 홀로그래피 방식은 빛의 간섭 현상을 이용하여 거리와 깊이를 표현하는 것이며, 간섭성이 있는 레이저와 같은 광원으로부터 빛이 비춰졌을 때 상기 공간 광 변조기에 간섭 영상에 대한 정보를 전달하며, 상기 공간 광 변조기는 전달되는 간섭 영상 정보를 회절시켜 삼차원 영상으로 출력하는 것이다.Among them, the digital holography method is known as the display to be ultimately pursued by providing the most natural parallax. A spatial light modulator is required for such digital holography, and the spatial light modulator controls light transmittance or outputs light phase information. In the method of separating the left and right eye images described above, different information is provided to both eyes to recognize a 3D image through binocular parallax, whereas the digital holography method expresses distance and depth using the interference phenomenon of light, When light is emitted from a light source such as a coherent laser, information on an interference image is transmitted to the spatial light modulator, and the spatial light modulator diffracts the transmitted interference image information and outputs a 3D image.
한편, 상기 공간 광 변조기는 일반적으로 빛의 세기를 조절한다.Meanwhile, the spatial light modulator generally controls the intensity of light.
예를 들어, 공간 광 변조기는 셀 (cell) 형상으로 제조되고 있으며, 대향하는 유리 기판 상에 각각 전극을 형성하고, 그 사이에 액정을 채운 상태로 형성된다. 이러한 공간 광 변조기는 양 유리 기판에 위치한 전극에 인가되는 수직 전계 여부에 따라 동작을 달리한다. 그런데, 세기용 광 변조기와 및 위상용 광 변조기가 개별적으로 제조되는 현재 이용되는 공간 광 변조기는, 세기용 광 변조기와 위상용 광 변조기의 픽셀들이 서로 정확한 정렬이 필요하고, 두 변조기 사이의 거리에 따라 의도하지 않은 시차(parallax)가 발생될 수 있다. 또한, 유리 기판이 갖는 두께로 회절시의 오차가 있으며, 또한, 해상도의 한계로 내부 픽셀 크기를 일정 수준 이상으로 작게 할 수 없어, 픽셀 피치와 회절 각도의 반비례 관계에 의해, 충분한 회절 각도를 확보할 수 없다. 따라서, 일정 수준 이상의 픽셀 피치를 갖는 경우, 3차원 상의 관찰이 어려운 문제가 있다.For example, the spatial light modulator is manufactured in a cell shape, and is formed in a state in which electrodes are formed on opposing glass substrates and liquid crystal is filled therebetween. This spatial light modulator operates differently depending on whether or not a vertical electric field is applied to electrodes located on both glass substrates. However, currently used spatial light modulators in which an intensity light modulator and a phase light modulator are separately manufactured require precise alignment of pixels of the intensity light modulator and the phase light modulator, and the distance between the two modulators is Accordingly, unintended parallax may occur. In addition, there is an error at the time of diffraction due to the thickness of the glass substrate, and the internal pixel size cannot be reduced beyond a certain level due to the limitation of resolution, and a sufficient diffraction angle is secured by the inverse relationship between the pixel pitch and the diffraction angle. Can not. Therefore, in the case of having a pixel pitch of a certain level or higher, there is a problem in that it is difficult to observe a 3D image.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 갭 조절로 회절시의 에러를 줄일 수 있는 공간 광 변조기 및 이를 이용한 디지털 홀로그래피를 제공하는 데, 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a spatial light modulator capable of reducing an error in diffraction by adjusting a gap and digital holography using the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공간 광 변조기는, 서로 대향하여, 복수개의 픽셀을 갖는 제 1 기재 및 제 2 기재와, 상기 제 1 기재 상에 각 픽셀 상에 구비된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 마주보도록, 상기 제 2 기재의 내면에 위치한 제 2 전극과, 상기 제 1 기재와 제 2 기재 사이에 위치한 액정층과, 상기 제 2 기재의 외부면에 각 픽셀에 대응하여 위치하는, 서로 이격한 제 3 전극 및 제 4 전극 및 상기 제 2 기재의 외부면 상에, 나노 액정을 포함하는 액정 필름층을 포함한다.The spatial light modulator of the present invention for achieving the above object comprises: a first substrate and a second substrate having a plurality of pixels facing each other; a first electrode provided on each pixel on the first substrate; , Corresponding to the second electrode located on the inner surface of the second substrate, the liquid crystal layer located between the first substrate and the second substrate, and each pixel on the outer surface of the second substrate so as to face the first electrode. A liquid crystal film layer including nano-liquid crystals is provided on the outer surface of the third and fourth electrodes and the second substrate, which are positioned and spaced apart from each other.
그리고, 상기 제 1 기재 및 제 2 기재 사이에, 상기 복수개의 픽셀을 둘러싸며 상기 액정층을 가두는 씰재를 더 포함할 수 있다.And, between the first substrate and the second substrate, a sealing material enclosing the liquid crystal layer while enclosing the plurality of pixels may be further included.
또한, 상기 액정 필름층 상에 편광 필름을 더 포함할 수도 있다.In addition, a polarizing film may be further included on the liquid crystal film layer.
한편, 제 1, 제 2 기재 사이에 광의 위상 변조를 위해, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극에 각각 전압을 인가하는 제 1 전압 인가 수단을 더 포함한다. 그리고, 상기 제 2 기재 상부의 액정 필름층에서, 광의 진폭 변조를 위해, 상기 제 3 전극 및 제 4 전극에 각각 전압을 인가하는 제 2 전압 인가 수단을 더 포함할 수 있다.On the other hand, in order to phase-modulate the light between the first and second substrates, a first voltage applying means for applying voltages to the first electrode and the second electrode, respectively, is further included. The liquid crystal film layer on the second substrate may further include a second voltage applying means for applying voltages to the third electrode and the fourth electrode, respectively, for amplitude modulation of light.
한편, 상기 제 1 기재 상에, 상기 제 1 전압 인가 수단과 연결되어, 평면상으로 상기 씰재의 외부에 위치한 제 1 패드부; 및 상기 제 2 기재의 외부면 상에, 상기 제 2 전압 인가 수단과 연결되어, 평면상으로 상기 씰재의 외부에 위치한 제 2 패드부를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제 1 패드부는 상기 제 1, 제 2 전극에 각각 연결되고, 상기 제 2 패드부는 상기 제 3, 제 4 전극에 각각 연결된다.On the other hand, a first pad portion connected to the first voltage applying unit on the first substrate and located outside the sealant in a planar shape; and a second pad portion connected to the second voltage applying unit on an outer surface of the second base material and positioned outside the sealant in a plan view. In this case, the first pad part is connected to the first and second electrodes, respectively, and the second pad part is connected to the third and fourth electrodes, respectively.
또한, 상기 액정 필름층은 미세 캡슐 단위의 나노 액정들이 바인더에 의해 결합된 것으로, 경화상태일 수 있다.In addition, the liquid crystal film layer is formed by combining nano liquid crystals in microcapsule units with a binder, and may be in a cured state.
한편, 상기 액정층은 ECB(Electrically Controlled Birefringence) 모드의 액정을 포함하는 것으로 수직 전계로 구동된다.Meanwhile, the liquid crystal layer includes liquid crystal in an electrically controlled birefringence (ECB) mode and is driven by a vertical electric field.
또한, 상기 제 1 기재 또는 제 2 기재는 글래스 또는 플라스틱 필름일 수 있다.In addition, the first substrate or the second substrate may be a glass or plastic film.
한편, 상기 제 1, 제 2 전극에 전압 인가시, 상기 제 1 기재에서 제 2 기재 사이에서 위상 변조되며, 이 때, 상기 제 1 기재로 입사되는 광은, 상기 제 2 기재를 통과하며 출사된다.Meanwhile, when voltage is applied to the first and second electrodes, phase modulation is performed between the first substrate and the second substrate, and at this time, the light incident to the first substrate passes through the second substrate and is emitted. .
또한, 상기 제 3, 제 4 전극에 전압 인가시, 상기 제 2 기재 상부에서 액정 필름층을 통과하여 진폭 변조되며, 상기 제 2 기재 상부로 입사된 광은, 상기 액정 필름층을 통과하며 빛의 세기가 결정된다.In addition, when a voltage is applied to the third and fourth electrodes, the amplitude is modulated by passing through the liquid crystal film layer on the top of the second substrate, and the light incident on the top of the second substrate passes through the liquid crystal film layer and age is determined
한편, 상술한 공간 광 변조기는, 상기 공간 광 변조기로 간섭성의 광을 전달하는 광원 유닛; 및 상기 공간 광 변조기로부터 출사된 광을 집속하여 특정 면에 삼차원 영상을 집속하는 렌즈계와 함께 디지털 홀로그래피에 이용될 수 있다.Meanwhile, the spatial light modulator described above may include a light source unit transmitting coherent light to the spatial light modulator; and a lens system for concentrating the light emitted from the spatial light modulator to form a 3D image on a specific surface, and may be used for digital holography.
여기서, 상기 공간 광 변조기로 홀로그램 정보를 전달하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 홀로그램 정보는, 상기 제 1 전극 내지 제 4 전극에 인가되는 전압 신호로 전달된다.Here, the signal processing unit may further include transmitting hologram information to the spatial light modulator. In this case, the hologram information is transmitted as a voltage signal applied to the first to fourth electrodes.
또한, 상기 광원 유닛은 가시광 영역대의 서로 다른 파장의 광을 각각 출사하는 제 1 내지 제 3 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 내지 제 3 광원은, 적색, 녹색, 청색 광일 수 있다. 그러나, 이러한 발광색은 이에 한하지 않으며, 광을 합산하여 백색 광을 나타낼 수 있다면, 다른 파장의 광원으로도 변경될 수 있다. 어느 경우, 광원 각각은 단일 파장의 광을 간섭성을 갖고 출사한다. 그리고, 상기 제 1 내지 제 3 광원은 시분할 구동될 수 있다.In addition, the light source unit may include first to third light sources respectively emitting light of different wavelengths in the visible light region. For example, the first to third light sources may be red, green, or blue light. However, the emission color is not limited thereto, and can be changed to a light source having a different wavelength as long as white light can be obtained by adding the light. In any case, each of the light sources emits light of a single wavelength coherently. Also, the first to third light sources may be time-division driven.
본 발명의 공간 광 변조기 및 이를 이용한 디지털 홀로그래피는 다음과 같은 효과가 있다.The spatial light modulator and digital holography using the spatial light modulator of the present invention have the following effects.
첫째, 정보를 표현하는데 있어서, 전압 인가 수단을 통해, 독립적으로 두 변조로 나누어 표현이 가능하여, 데이터 처리량이 감소된 이점이 있다. 즉, 위상 및 진폭의 변조가 자유로움과 동시에, 동시에 개별적으로 위상 및 진폭의 조절이 가능하여, 데이터 처리양이 감소할 수 있다. 이로써, 실시간 영상을 재생할 수 있다.First, in expressing information, it is possible to express information by dividing it into two modulations independently through a voltage application unit, thereby reducing data throughput. That is, the modulation of the phase and amplitude is free and the phase and amplitude can be individually adjusted at the same time, so the amount of data processing can be reduced. As a result, real-time images can be reproduced.
둘째, 영상 재생시 진폭 변조부(amplitude SLM)와 위상 변조부(phase SLM)의 변조 값을 조합하여 복원이 이루어지기 때문에, 진폭과 위상의 고유 변조 값이 있어, 복원 과정시 나타나는 노이즈를 감소할 수 있다.Second, since restoration is performed by combining the modulation values of the amplitude SLM and phase SLM during image reproduction, there are unique modulation values of amplitude and phase, which can reduce noise during the restoration process. can
셋째, 경화형 나노 액정을 사용해, 필름 상으로 제 2 기재의 외부면에 부착하여 공간 광 변조기를 제작할 수 있어, 적층형 공간 광 변조기와 동일 기능을 하면서도 상측 셀에서, 유리 기판과 같은 두꺼운 기재를 줄일 수 있어, 슬림화가 가능하다.Third, a spatial light modulator can be fabricated by attaching the curable nano liquid crystal to the outer surface of the second substrate in the form of a film, so that a thick substrate such as a glass substrate can be reduced in the upper cell while performing the same function as the stacked spatial light modulator. Yes, slimming is possible.
넷째, 공간 광 변조기의 슬림화로 스택형 공간 광 변조기에서, 2개의 SLM 간 갭에 의해 발생되는 회절 에러를 방지하여, 시청 영역이 넓어지는 효과를 얻게 된다.Fourth, by slimming the spatial light modulator, a diffraction error caused by a gap between two SLMs is prevented in the stacked spatial light modulator, thereby obtaining an effect of widening the viewing area.
다섯째, 서로 다른 이형의 광 변조기간의 합착이 요구되지 않아, 비전 장비 에러 등에 의한 정렬에 따른 오차를 방지할 수 있어, 합착 에러를 방지할 수 있는 이점이 있다.Fifth, there is an advantage in preventing an alignment error due to an alignment error due to an error in vision equipment, etc., because coalescing between light modulators of different shapes is not required.
도 1은 본 발명의 디지털 홀로그래피를 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 공간 광 변조기의 픽셀과 회절 각도의 원리를 나타낸 도면
도 3a 및 도 3b는 스택형 공간 광 변조기의 시청 영역과 에러 영역 발생을 나타낸 도면
도 4는 스택형 공간 광 변조기의 갭에 따른 시청 영역의 변화를 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 공간 광 변조기를 나타낸 단면도
도 6은 본 발명의 공간 광 변조기를 나타낸 평면도
도 7a는 도 5의 위상용 공간 광 변조부에서 전압 대 굴절률 변화를 나타낸 그래프
도 7b는 도 5의 진폭용 공간 광 변조부에서 전압 대 투과율 변화를 나타낸 그래프
도 8a 및 도 8b는 위상용 및 진폭용 공간 광 변조부에서의 광진행을 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 디지털 홀로그래피에서, 광원과 공간 광 변조기의 배치와 광진행을 나타낸 도면 1 is a diagram schematically showing the digital holography of the present invention
2 is a diagram showing the principles of pixels and diffraction angles of a spatial light modulator;
3a and 3b are diagrams illustrating generation of a viewing area and an error area of a stacked spatial light modulator;
4 is a graph showing a change in viewing area according to a gap of a stacked spatial light modulator;
5 is a cross-sectional view showing the spatial light modulator of the present invention
6 is a plan view showing the spatial light modulator of the present invention
FIG. 7A is a graph showing voltage vs. refractive index change in the phase spatial light modulator of FIG. 5;
FIG. 7B is a graph showing change in transmittance versus voltage in the spatial light modulator for amplitude of FIG. 5
8A and 8B are diagrams showing light propagation in a spatial light modulator for phase and amplitude;
9 is a view showing the arrangement of light sources and spatial light modulators and light propagation in digital holography according to the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로, 실제 제품의 부품 명칭과 상이할 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Like reference numbers throughout the specification indicate substantially the same elements. In the following description, if it is determined that a detailed description of a known technology or configuration related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the component names used in the following description are selected in consideration of the ease of writing the specification, and may be different from the part names of the actual product.
도 1은 본 발명의 디지털 홀로그래피를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram schematically showing digital holography of the present invention.
도 1과 같이, 본 발명의 디지털 홀로그래피는, 간섭성의 광을 전달하는 광원 유닛(10)과, 홀로그램 영상 정보를 받아 광원 유닛(10)으로부터 전달된 광을 특정의 간섭 패턴으로 공간 광 변조하여 출사하는 공간 광 변조기(200)와, 상기 공간 광 변조기(200)로부터 출사된 광을 집속하여 특정 면에 홀로그램 영상(40)을 집속하는 렌즈계(30)를 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 1, the digital holography of the present invention spatially modulates the
여기서, 상기 광원 유닛(10)은 단일의 파장의 광을 간섭성 있는(coherent) 상태로 출사하는 것으로, 예를 들어, 레이저 광원을 포함할 수 있다. 또한, 공간 광 변조기(200)에 요구되는 면적에 따라 단일 혹은 복수개의 광원을 포함할 수 있다. 만일, 광원 유닛(10)에 단일의 광원이 구비되는 경우, 출사되는 광의 파장은 백색 파장 또는 이보다 단파장일 수 있다.Here, the
또한, 상기 공간 광 변조기(200)는 나타내고자 하는 홀로그램에 상당하여 간섭 패턴이 표시될 수 있으며, 이러한 간섭 무늬는 외부의 신호 처리부(50)에서 홀로그램 정보를 생성하여 전달한다. 즉, 상기 공간 광 변조기(200)에 나타나는 간섭 패턴은 공간 광 변조기(200)에 인가되는 신호에 따라 변경될 수 있으며, 이러한 변경을 신호 처리부(50)에서 수행하는 것이다. 여기서, 신호 처리부(50)에서 처리하는 홀로그램 정보를 CGH (Computer Generated Hologram data) 라고 하며, 이는 이벤트 혹은 표현하고자 하는 객체의 상태에 따라 가변된다.In addition, the spatial
또한, 상기 홀로그램 영상은 렌즈계(30)로부터 일정한 초점 거리에 상당한 면에 표현되며, 이를 초점 면이라고 하며, 상기 초점 면에는 스크린이 더 부가될 수도 있으나, 스크린이 없는 경우에도 투명한 공간의 초점 면에서 시청자는 홀로그램 영상을 시청할 수 있다.In addition, the holographic image is expressed on a plane corresponding to a certain focal distance from the
상술한 디지털 홀로그래피는 간략히 도시한 것으로, 광원 유닛(10)과 공간 광 변조기(200)는 수평면 상이 아닌 특정의 각도로 배치되고, 이들 사이에 미러나 렌즈 등의 별도의 광학계가 더 부여될 수도 있다. 이러한 조절은 광원 유닛(10)에서 출사하는 광의 범위 및 방향성을 고려하여 조절할 수 있다.The above-described digital holography is simply illustrated, and the
한편, 공간 광 변조기에 대해 보다 상세히 설명한다.Meanwhile, the spatial light modulator will be described in more detail.
도 2는 공간 광 변조기의 픽셀과 회절 각도의 원리를 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing the principle of pixels and diffraction angles of a spatial light modulator.
도 2는 일반적인 공간 광 변조기(20)의 이의 회절 각도를 나타낸 것이다. 도 2와 같이, 고정된 형상의 공간 광 변조기(20)는 규칙적으로 배치되는 개구부를 가질 수 있고, 상기 하나의 개구부가 갖는 폭을 일 피치(p)라 했을 때, 회절 각도 와 같은 조건을 만족한다.FIG. 2 shows the diffraction angle of a general spatial light modulator 20 thereof. As shown in FIG. 2 , the spatial light modulator 20 having a fixed shape may have regularly arranged openings, and when the width of one opening is set to one pitch p, the diffraction angle satisfies the same conditions as
그런데, 이 회절 각도의 조건에 따르게 되면, 입사광은 파장이 정해져 있으므로, 회절 각도는 피치 값에 관계되어 변하는데, 실질적으로 피치 값은 해상도의 한계로 1㎛ 이하로는 구현이 거의 불가능하며, 또한, 공간 광 변조기의 내부 픽셀 구성이 복잡하게 될수록 피치 값을 줄이는 데에는 한계가 있다. 즉, 피치 값이 10 ㎛라면 회절 각도 Θ는 가시광 영역대의 입사광에 대해, 2˚ 이상을 넘기 힘듦을 알 수 있다. 따라서, 상술한 도 1의 디지털 홀로그래피는 이러한 공간 광 변조기의 픽셀 피치에 의해 갖는 작은 회절 각도를 보상하기 위해, 공간 광 변조기에서 나온 광을 초점 면에 모아주는 렌즈계(30)를 구비하여, 선명한 홀로그램 영상을 시인할 수 있게 하는 것이다.However, when this diffraction angle condition is met, since the wavelength of the incident light is determined, the diffraction angle changes in relation to the pitch value. In practice, the pitch value is almost impossible to implement below 1 μm due to the limit of resolution, and , there is a limit to reducing the pitch value as the internal pixel configuration of the spatial light modulator becomes more complicated. That is, it can be seen that if the pitch value is 10 μm, the diffraction angle Θ hardly exceeds 2° for incident light in the visible light region. Accordingly, the above-described digital holography of FIG. 1 includes a
한편, 공간 광 변조기(20)는 회절 각도에 상당하여 홀로그램 영상의 시청영역을 가질 수 있다.Meanwhile, the spatial light modulator 20 may have a viewing area of a holographic image corresponding to the diffraction angle.
공간 광 변조기의 형태는 픽셀에 구비된 가변 수단에 따라 여러 방식으로 나뉠 수 있으나, 예를 들어, 전기적으로 제어 가능하고, 광학적 가변을 꾀하는 방식 중 액정 기반의 공간 광 변조기(SLM: Spatial Light Modulator)가 있다.The shape of the spatial light modulator can be divided into various methods depending on the variable means provided in the pixel, but, for example, among the methods that are electrically controllable and optically variable, a liquid crystal-based spatial light modulator (SLM) there is
그리고, 이러한 공간 광 변조기는 조절하는 대상에 따라 크게, 빛의 위상 정보만을 조절하는 위상용 공간 광 변조기(phase SLM)와, 빛의 세기만을 조절하는 진폭용 공간 광 변조기(amplitude SLM) 및 빛의 위상 정보와 빛의 세기를 동시에 입력하는 통합 방식의 공간 광 변조기로 구분될 수 있다. 이 중 통합 방식의 공간 광 변조기는 신호 처리부에서의 생성하는 홀로그램 정보(CGH: Computer Generated Hologram)의 생성 속도, 빛의 투과 효율 부분에서, 가장 우수하며, 본 발명에서는 통합 방식의 공간 광 변조기를 이용한 것이다.In addition, these spatial light modulators include a phase SLM that adjusts only the phase information of light, an amplitude SLM that controls only the intensity of light, and a light It can be classified as an integrated spatial light modulator that simultaneously inputs phase information and light intensity. Among them, the integrated spatial light modulator is the best in terms of the speed of generating hologram information (CGH: Computer Generated Hologram) generated by the signal processing unit and the transmission efficiency of light. In the present invention, the integrated spatial light modulator using will be.
위상용 공간 광 변조기는 광원에서 나오는 광의 위상의 변화시키고, 진폭용 공간 광 변조기는 광의 진폭만을 변조한다. 또한, 공간 광 변조기를 통과한 광은 공간 광 변조기의 각 픽셀에 의해 회절이 일어난다. 종래에 제시된 공간 광 변조기 중 하나의 셀 내의 위상과 진폭을 모두 변조하는 공간 광 변조기가 제안되었으나, 이 구조는 기본적으로 액정 패널의 기본 구조인 양 기판 상에 각각 전극을 구비하여 그 사이에 전계로 동작하는 것으로, 내부 데이터 처리가 방대하여, 데이터 처리에 지연이 있어, 실시간 3D 표시가 불가능하였고, 또한, 진폭과 위상 값의 조합이 어려워 정확한 3D 표시가 어려운 문제가 있었다. 따라서, 현재 이용하는 공간 광 변조기는 위상 변조와 진폭 변조를 동시에 구현하기 위해, 위상용 공간 광 변조기와 진폭용 공간 광 변조기를 각각 별도로 형성하여 접합하는 방식으로 이용하고 있다.The spatial light modulator for phase changes the phase of light emitted from the light source, and the spatial light modulator for amplitude modulates only the amplitude of light. Also, light passing through the spatial light modulator is diffracted by each pixel of the spatial light modulator. Among conventional spatial light modulators, a spatial light modulator that modulates both the phase and amplitude within one cell has been proposed, but this structure is basically provided with electrodes on both substrates, which are the basic structure of a liquid crystal panel, and an electric field is generated between them. In operation, internal data processing is extensive, and there is a delay in data processing, so real-time 3D display is impossible, and it is difficult to accurately 3D display because it is difficult to combine amplitude and phase values. Accordingly, currently used spatial light modulators are used in such a way that a spatial light modulator for phase and a spatial light modulator for amplitude are separately formed and bonded to simultaneously implement phase modulation and amplitude modulation.
위상용 공간 광 변조기의 경우, 입사된 모든 빛을 모두 투과시키기 때문에, 노이즈가 많으며, 진폭 값을 가지고 있는 물체를 위상으로 표현하여야 하기 때문에, 이를 최적화하기 위한 반복 계산(iteration)이 요구된다. 진폭용 공간 광 변조기는 빛의 투과율을 조절할 수 있어, 노이즈가 적으며, 반복 계산을 필요로 하지 않기 때문에, 실시간 동적 홀로그램을 재생하는데, 유효하다는 장점을 가지고 있으나, 역상 이미지가 뿌옇게 관찰되는 트윈 노이즈(twin noise)와 비회절 성분이 식별되는 DC 노이즈의 제거를 위해 필터 장착이 요구되기 때문에, 셀 구조로 구현이 어렵다는 단점이 있다.In the case of a spatial light modulator for phase, because it transmits all incident light, there is a lot of noise, and since an object having an amplitude value must be expressed as a phase, iterations are required to optimize it. Spatial light modulator for amplitude has the advantage of being effective in reproducing dynamic holograms in real time because it can adjust the transmittance of light, has low noise, and does not require repetitive calculation, but has twin noise in which reverse images are blurred Since a filter is required to remove twin noise and DC noise in which non-diffraction components are identified, it is difficult to implement in a cell structure.
이에 따라 진폭과 위상을 동시 변조할 수 있는 셀 구조에 대한 요구가 있으며, 이러한 진폭과 위상의 개별적 제어가 가능한 셀은 노이즈 크기를 급감시켜 홀로그램 3D 영상 화질을 크게 향상할 수 있다.Accordingly, there is a demand for a cell structure capable of simultaneously modulating the amplitude and phase, and a cell capable of individually controlling the amplitude and phase can significantly improve the quality of hologram 3D images by drastically reducing the size of noise.
이하에서는 스택형 공간 광 변조기를 살펴본다.Hereinafter, a stacked spatial light modulator will be described.
도 3a 및 도 3b는 스택형 공간 광 변조기의 시청 영역과 에러 영역 발생을 나타낸 도면이다.3A and 3B are diagrams illustrating generation of a viewing area and an error area of a stacked spatial light modulator.
도 3a 및 도 3b와 같이, 스택형 공간 광 변조기(30)는, 위상용 공간 광 변조기(35)과, 진폭용 공간 광 변조기(39)가 독립적인 셀로 형성되어 있으며, 각각의 공간 광 변조기(35, 39)가 서로 대향되는 기판(21a, 21b/ 26a, 26b)과 그 사이에 액정층(22, 27) 및 상기 액정층을 둘러싼 씰재(23, 28)를 포함하여 이루어진다.3A and 3B, in the stacked spatial
그런데, 여기서 이용되는 기판(21a, 21b/26a, 26b)는 글래스 기판으로, 그 두께가 각각 0.5mm 내지 1mm에 상당하여 광이 진행함에 있어, 위상용 공간 광 변조기(35)와 진폭용 공간 광 변조기(39) 사이의 갭이 1mm 이상 수준이 된다. 따라서, 상기 위상용 공간 광 변조기(35)와 진폭용 공간 광 변조기(39)의 각각의 피치가 정위치에 정렬되어 있고, 그 사이의 갭이 없을 때, 광은 도 2에 상당한 정확한 회절 각도 Θ를 갖겠지만, 도 3b와 같이, 위상용 공간 광 변조기(35)와 진폭용 공간 광 변조기(39) 사이의 갭(g) 발생으로, 회절 각도 주변의 에러 광 영역이 발생한다. 이로써, 스택형 공간 광 변조기는 시청 가능한 영역의 시야각이 좁아지는 문제가 있는 것이다.By the way, the
도 4는 스택형 공간 광 변조기의 갭에 따른 시청 영역의 변화를 나타낸 그래프이다.4 is a graph illustrating a change in a viewing area according to a gap of a stacked spatial light modulator.
스택형 공간 광 변조기에서의 갭에 따라 시청 영역을 도 4와 같이, 실험적으로 살펴보면, 갭이 약 380㎛ 이하의 수준이라면, 시청 영역이 일정하지만, 갭이 380㎛을 넘는 경우, 시청 영역은 갭이 증가되는 것에 반비례 관계로 줄어듦을 확인할 수 있다. 여기서, 시청 영역은 시청자가 특정의 시청 거리에서, 홀로그램 영상을 인지할 수 있는 일종의 시야 창이라 할 수 있다. 실험에서는 시청 거리를 1m 로 하여 실험하였고, 픽셀 사이즈는 35㎛로 하였으며, 광원의 파장은 532nm로 한 것으로, 픽셀 사이즈와, 광원의 파장, 시청 거리를 달리하였을 때, 실제 시청 영역의 수치는 변할 수 있지만, 소정 값 이상으로 갭이 늘었을 때, 시청 영역이 반비례하여 줄어드는 경향성은 동일하게 나타난다.Experimentally examining the viewing area according to the gap in the stacked spatial light modulator as shown in FIG. 4 , if the gap is at a level of about 380 μm or less, the viewing area is constant, but when the gap exceeds 380 μm, the viewing area is gap It can be seen that this decreases in inverse proportion to the increase. Here, the viewing area may be referred to as a kind of viewing window through which a viewer can perceive a holographic image at a specific viewing distance. In the experiment, the viewing distance was set to 1m, the pixel size was set to 35㎛, and the wavelength of the light source was set to 532nm. However, when the gap increases beyond a predetermined value, the viewing area tends to decrease in inverse proportion to each other.
이하, 본 발명에서는 스택형 공간 광 변조기의 신호 처리 상의 이점을 그대로 가지면서, 이의 에러 광 영역을 줄이고자 갭을 줄인 공간 광 변조기의 구조를 살펴본다. 본 발명의 공간 광 변조기는, 위상용 공간 광 변조기를 형성하고, 그 배면측에 전극을 형성한 후, 나노 액정을 포함한 필름을 코팅하여 진폭용 공간 광 변조부를 형성하여, 개별 구동이 가능한 적층한 공간 광 변조를 형성한 것을 제안한다.Hereinafter, in the present invention, a structure of a spatial light modulator with a reduced gap in order to reduce an error light region thereof while maintaining the advantages of signal processing of the stacked spatial light modulator will be described. In the spatial light modulator of the present invention, a spatial light modulator for phase is formed, an electrode is formed on the rear side of the spatial light modulator, and a spatial light modulator for amplitude is formed by coating a film containing nano-liquid crystals to form a stacked stack capable of individually driving. It is proposed to form spatial light modulation.
이 구조를 통해 전체 공간 광 변조기의 갭이 줄어들어 에러 광 발생이 줄어들고 시야각이 보다 넓어질 수 있게 된다.Through this structure, the gap of the entire spatial light modulator is reduced, so that error light generation is reduced and the viewing angle can be widened.
도 5는 본 발명의 공간 광 변조기를 나타낸 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing the spatial light modulator of the present invention.
도 5와 같이, 본 발명의 공간 광 변조기(200)는, 서로 대향하여, 복수개의 픽셀을 갖는 제 1 기재(310) 및 제 2 기재(320)와, 상기 제 1 기재(310) 상에 각 픽셀 상에 구비된 제 1 전극(311)과, 상기 제 1 전극(311)과 마주보도록, 상기 제 2 기재(320)의 내면에 위치한 제 2 전극(321)과, 상기 제 1 기재(310)와 제 2 기재(320) 사이에 위치한 액정층(315)과, 상기 제 2 기재(320)의 외부면에 각 픽셀에 대응하여 위치하는, 서로 이격한 제 3 전극(331) 및 제 4 전극(332) 및 상기 제 2 기재(320)의 외부면 상에, 나노 액정을 포함하는 액정 필름층(335)을 포함한다.As shown in FIG. 5 , the spatial
특히, 본 발명의 공간 광 변조기(200)는 서로 독립적으로 작용하는 위상 변조부(phase SLM)와 진폭 변조부(amplitude SLM) 사이의 갭을 줄이기 위해, 제 2 기재(320)의 내면과 외부면이 서로 다른 변조부의 구동 전극의 형성면으로 이용되고 있다. 즉, 위상 변조부와 진폭 변조부의 기재가 공유되어, 갭을 줄일 수 있고, 또한, 공간 광 변조기의 전체 두께를 줄여 슬림화할 수 있다.In particular, the spatial
한편, 상기 제 1 기재(310) 또는 제 2 기재(320)는 글래스 또는 플라스틱 필름일 수 있다. 플라스틱 필름의 경우, 두께가 글래스보다 얇게 구현이 가능하다는 이점이 있다. 글래스의 경우에도 일부 두께를 식각하여 줄여 일정의 시청 거리를 확보할 수 있는 두께로 조절할 수도 있다.Meanwhile, the
또한, 본 발명의 공간 광 변조기에서 위상 변조부(phase SLM)과 진폭 변조부(amplitude SLM) 내의 위상 및 진폭의 변경은 각각 구비된 제 1, 제 2 전극(311, 321) 사이의 수직 전계 구동에 의해 내부 액정층(315)을 구동하고, 제 3, 제 4 전극(331, 332) 사이의 수평 전계 구동에 의해 나노 액정층(335)을 구동하여 광학적인 액정 배열의 변경으로 이루어질 수 있다.In addition, in the spatial light modulator of the present invention, the phase and amplitude changes in the phase SLM and the amplitude SLM are driven by a vertical electric field between the first and
여기서, 제 1, 제 2 기재(310, 320) 사이의 액정층(315)은 물성적으로 액정 분자를 액상과 고체 상 사이의 특성을 갖는 것으로, 내부 액정이 외부로 방출됨을 방지하여, 상기 제 1 기재(310) 및 제 2 기재(320) 사이에, 상기 복수개의 픽셀을 둘러싸며 상기 액정층(315)을 가두는 씰재(317)를 형성한다.Here, the
또한, 각 픽셀은 일 피치(p)의 폭을 갖는 것으로, 씰재(317) 내에서 상기 픽셀은 매트릭스 상으로 규칙적으로 배치되어 있다. 또한, 상기 위상 변조부(phase SLM)의 제 1 전극(311)과 진폭 변조부(amplitude SLM)의 상기 제 3, 제 4 전극(331, 332)은 상기 일 피치(p) 내에 각각 구비된다. 상기 제 1 기재(310)와 제 2 기재(320)에 공통적으로 픽셀들의 영역이 정의되어 있기에, 이들 전극들(311, 331, 332)은 합착시의 정렬을 요하지 않고, 각각의 픽셀 내에 정확한 위치에 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제 2 기재(320)의 내면와 외부면에 각각 제 2 전극(321)과 제 3, 제 4 전극(331, 332)이 형성되어 있어, 제 2 기재(320)의 내면 또는 외부면 중 한 면에 전극을 형성 후, 제 2 기재(320)를 반전시켜 다른 면에 전극을 형성하게 되어, 먼저 형성된 전극이 후에 형성되는 전극의 위치 기준이 될 수 있다.In addition, each pixel has a width of one pitch p, and the pixels are regularly arranged in a matrix in the sealing
또한, 상기 액정 필름층(335)은 미세 캡슐 단위의 나노 액정들이 바인더에 의해 결합된 것으로, 공간 광 변조기(200) 내에서 바인더 내의 미세 캡슐은 고정되어 경화상태이며, 제 3, 제 4 전극(331, 332) 사이의 수평 전계 인가에 따라 미세 캡슐 내의 나노 액정의 배열을 달리하여, 광의 진행을 달리할 수 있다.In addition, the liquid
예를 들어, 상기 미세 캡슐은, 복수개의 액정 단분자를 고분자 재료로 인캡슐레이션시킨 것으로, 전계 미인가 상태에서는 등방성(isotropic) 상태로 출사된 광을 변화없이 그대로 출사하며, 전계 인가시는 미세 캡슐 내 액정 단분자가 전계 방향과 수직 또는 수평한 방향으로 정렬하는 특성을 갖는 것이다. 즉, 미세 캡슐 내의 액정 단분자가 전계 인가시 스위칭하게 되는 것이다. 상기 미세 캡슐 사이사이를 채우는 바인더는 UV 경화가 가능한 재료로, 미세 캡슐을 포함한 바인더를, 제 3, 제 4 전극(331, 332)이 형성된 제 2 기재(320) 상에 형성 후, UV 경화 공정을 거쳐 필름 상으로 액정 필름층(335)으로 경화시킨다.For example, the microcapsule is obtained by encapsulating a plurality of liquid crystal single molecules in a polymer material, and emits light emitted in an isotropic state as it is without change in an electric field unapplied state, and when an electric field is applied, the microcapsule It has the property of aligning liquid crystal single molecules in the direction perpendicular or horizontal to the direction of the electric field. That is, liquid crystal single molecules in the microcapsules are switched when an electric field is applied. The binder filling the spaces between the microcapsules is a UV curable material, and after forming the binder including the microcapsules on the
한편, 상기 액정 필름층(335) 상에는 편광 필름(340)을 더 포함하여, 광의 출사 방향을 달리할 수 있다. 이 경우에는, 액정 필름층(335)의 경화 공정을 편광 필름(340)의 부착 후 진행할 수도 있다.Meanwhile, a
이하, 위상 변조부와 진폭 변조부의 구체적인 동작을 살펴본다.Hereinafter, detailed operations of the phase modulator and the amplitude modulator will be described.
도 6은 본 발명의 공간 광 변조기를 나타낸 평면도이며, 도 7a는 도 5의 위상용 공간 광 변조부에서 전압 대 굴절률 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7b는 도 5의 진폭용 공간 광 변조부에서 전압 대 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.6 is a plan view showing the spatial light modulator of the present invention, FIG. 7a is a graph showing the change in refractive index versus voltage in the spatial light modulator for phase of FIG. 5, and FIG. 7b is a graph showing the voltage in the spatial light modulator for amplitude in FIG. It is a graph showing the change in transmittance versus transmittance.
도 6과 같이, 제 1, 제 2 기재(310, 320) 사이에 광의 위상 변조를 위해, 상기 제 1 전극(311) 및 제 2 전극(321)에 각각 전압을 인가하는 제 1 전압 인가 수단(341)을 포함한다. 그리고, 상기 제 2 기재(320) 상부의 액정 필름층(335)에서, 광의 진폭 변조를 위해, 상기 제 3 전극(331) 및 제 4 전극(332)에 각각 전압을 인가하는 제 2 전압 인가 수단(342)을 더 포함한다.As shown in FIG. 6, in order to phase-modulate light between the first and
도시된 예에서는 상기 제 1 전압 인가 수단(341)이 제 1 전극(311)이 형성된 제 1 기재(310)의 면 상에 형성된 것을 나타내었고, 제 2 전압 인가 수단(342)은 제 3, 제 4 전극(331, 332)이 형성된 상기 제 2 기재(320)의 외부면 상에 형성된 것을 나타내었다. 이들 제 1, 제 2 전압 인가 수단(341, 342)은 외부로 돌출되어, 공간 광 변조기(200)에 외측에 구비된 신호 처리부(도 1의 50 참조)에 연결될 수 있다.In the illustrated example, the first voltage applying means 341 has been shown to be formed on the surface of the
또한, 상기 제 1 기재(310) 상에, 상기 제 1 전압 인가 수단(341)과 연결되고, 평면상으로 상기 씰재(317)의 외부에 위치한 제 1 패드부(PAD1) 및 상기 제 2 기재(320)의 외부면 상에, 상기 제 2 전압 인가 수단(342)과 연결되어, 평면상으로 상기 씰재(317)의 외부에 위치한 제 2 패드부(PAD2)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제 1 패드부(PAD1)는 상기 제 1, 제 2 전극(311, 321)에 별도의 링크 배선(미도시)을 통해 각각 연결되고, 상기 제 2 패드부(PAD2)는 상기 제 3, 제 4 전극(331, 332)에 각각 링크 배선(미도시)을 통해 연결될 수 있다. 한편, 상기 제 1 패드부(PAD1)는 제 1 기재(310)의 제 1 전극(311)의 형성면에 있어, 제 1 전극(311)과 평면적 연결로 전기적 도통이 가능하다. 하지만, 제 2 전극(321)은 제 2 기재(320)의 내면에 있어, 단순히 링크 배선만으로는 전기적 연결이 안되고, 예를 들어, 제 2 전극(321) 상에 위치하는 씰재(317)의 성분을 도전성 재료를 포함시켜, 씰재(317)와 접하는 제 1 기재(310) 측의 제 1 패드부(PAD1)로 연결되는 링크 배선(미도시)을 구비하여, 제 2 전극(321), 씰재(317), 링크 배선 및 제 1 패드부(PAD1)로의 순차 연결을 통해 제 1 전압 인가 수단(341)에 연결시킬 수 있다.In addition, a first pad part PAD1 connected to the first voltage applying means 341 on the
경우에 따라, 상기 제 2 전극(321)은 하부 제 1 기재(310)와의 전기적 연결없이, 도전 접지를 취할 수도 있다. 이 경우, 제 2 전극(321)은 항상 접지 상태로, 제 1 전극(311)에 전압 인가로서, 위상 변조부(phase SLM)의 전계 형성 여부를 조절할 수 있다.In some cases, the
한편, 상기 액정층(315)은 ECB(Electrically Controlled Birefringence) 모드의 액정을 포함하는 것으로, 제 1, 제 2 전극(311, 321) 사이의 수직 전계로 구동된다. 위상 변조부(phase SLM)의 개별 픽셀별 구동이 가능하도록 제 1 전극(311)은 픽셀 별로 나뉘어져 있다. 제 2 전극(321)은 필요에 따라 픽셀 별로 구분하거나 혹은 복수개의 픽셀을 묶어 구분되어 형성될 수 있다.Meanwhile, the
도 7a와 같이, 위상 변조부(phase SLM)는 전압인가시 액정층(315)이 전압 인가에 따라 유효 굴절률(effective refractive)이 달라져 위상 변화의 효과를 얻는 것이다. 상기 위상 변조부(phase SLM)는 제 1 기재(310)와 제 2 기재(320) 사이의 액정층(315)에서, 전압 인가시 수직 전계가 발생하며, 전압 값에 비례 또는 반비례하여 입사광의 파장(λ)에서, 0~ λ 사이의 위상 변조를 한다. 전압 인가 전 상기 위상 변조부(phase SLM)의 액정층(315)은 지연 값(retardation value)을 대략 적색 파장(λred)에 상당한 값이 되도록 설계한다. 즉, 제 1, 제 2 기재(310, 320) 사이의 간격(d)과, 액정층(315)에 포함되는 액정을 특정의 복굴절률을 갖는 재료로 선택하여, 이를 통해, 상기 위상 변조부(phase SLM)는 최대 값 λred 의 범위 내(0~ λred )에서 위상 변조될 수 있다.또한, 도 7b와 같이, 진폭 변조부(amplitude SLM)는 전압 인가에 따라, 액정 필름층(335)의 투과율이 변화하여 이로써, 빛의 세기의 변화, 즉, 진폭변화의 효과를 얻는 것이다.As shown in FIG. 7A, the phase modulator (phase SLM) obtains the effect of phase change by changing the effective refractive index according to the voltage applied to the
진폭 변조부(amplitude SLM)에서 투과율을 결정하는 것은 액정 필름층(335)인 것으로, 이의 투과율은 의 식을 따른다. 여기서 각도 α는 전압 인가시 편광 필름(340)의 투과축과 액정 광축 사이의 각도로, 각도 α가 45˚일 때, 투과율이 최대가 됨을 알 수 있다. 그리고, 진폭 변조부(amplitude SLM)는 상기 액정 필름층(335) 내의 나노 액정의 배향 각도를 전압으로 조절함으로써, 상기 투과율, 즉, 빛의 세기를 조절할 수 있는 것이다. 한편, 상기 진폭 변조부(amplitude SLM)의 투과율에 관계된 것으로, 액정 필름층(335)은 가장 시감 특성이 좋은 녹색 파장(λgreen)에 대해 λ/2의 지연 값(retardation value)를 갖도록 설계한다. 그런데, 전압 인가 전 초기 상태에서는 각도 α가 0˚인 것으로, 진폭 변조부(amplitude SLM)는 내부 액정 필름층(335)에서, 지연 값에 관계없이 투과율은 0이 되며, 인가하는 전압 값을 올리면 점차 투과율의 상승을 얻을 수 있다. 여기서, 각도 α를 결정하는 것은, 액정 필름(335) 내의 나노 액정의 배향 과 상기 액정 필름(335) 상의 편광 필름(340)과의 관계이며, 각도 α가 45˚일 때, 투과율이 최대가 되도록 하기 위해, 상기 제 3, 제 4 전극(331, 332)은 편광 필름(340)의 투과축에 대해 +45˚ 또는 -45˚ 의 길이 방향을 갖도록 설계할 수 있다.It is the liquid
도 8a 및 도 8b는 위상용 및 진폭용 공간 광 변조부에서의 광진행을 나타낸 도면이다.8A and 8B are diagrams illustrating light propagation in the spatial light modulator for phase and amplitude.
도 8a와 같이, 위상 변조부(phase SLM)는 입사된 광의 위상(Ф)을 픽셀별로 제 1 전극(311)에 인가된 전압 값 변화에 의해 픽셀별로 변조(φ1', φ2', φ3')시킨다.As shown in FIG. 8A, the phase modulator (phase SLM) modulates the phase Ф of the incident light pixel by pixel (φ1', φ2', φ3') by changing the voltage value applied to the
이 경우, 상기 제 1, 제 2 전극(311, 322)에 전압 인가시, 상기 제 1 기재(310)에서 제 2 기재(320) 사이에서 위상 변조되며, 이 때, 상기 제 1 기재(310)로 입사되는 광은, 상기 제 2 기재(320)를 통과하며 상기 제 1 기재(310)로 입사된 광의 위상을 변조하여 출사된다. 이는 전압 인가에 따라 액정층(315) 내의 유효 굴절률(effective refractive)의 변화로 가능하다.In this case, when voltage is applied to the first and
그리고, 도 8b와 같이, 진폭 변조부(amplitude SLM)는 전압의 세기에 따라, 진폭을 A1, A2, A3로 변화시키는 것으로, 이 또한, 픽셀별로 제어가 가능하다.And, as shown in FIG. 8B, the amplitude modulator (amplitude SLM) changes the amplitude to A1, A2, and A3 according to the strength of the voltage, and this can also be controlled for each pixel.
본 발명에서, 상기 픽셀별 제어는, 도 6의 제 1, 제 2 패드부(PAD1, PAD2)에 각 픽셀이 독립적으로 제 1, 제 2 전압 인가 수단(341, 342)에 연결되게 하여 이루어진다.In the present invention, the pixel-by-pixel control is performed by allowing each pixel to be independently connected to the first and second voltage application means 341 and 342 to the first and second pad portions PAD1 and PAD2 of FIG. 6 .
또한, 상기 진폭 변조부(amplitude SLM)는 제 3, 제 4 전극(331, 332)에 전압 인가시, 상기 제 2 기재(320) 상부에서 액정 필름층(335)을 통과하여 진폭 변조되며, 상기 제 2 기재(320) 상부로 입사된 광은, 상기 액정 필름층(335)을 통과하며 입사된 광의 파장에 반(λ/2)에 상당한 지연 값을 갖고 출사된다.In addition, when a voltage is applied to the third and
한편, 상술한 공간 광 변조기(200)에 구비된 제 1 내지 제 4 전극(311, 321, 331, 332)은 투명 전극일 수 있으며, 경우에 따라 제 1 전극(311) 및 제 3, 제 4 전극(331, 332)은 픽셀의 피치 대비 그 폭이 작을 경우에는 금속으로 대체될 수도 있다.Meanwhile, the first to
본 발명의 공간 광 변조기(200)는, 정보를 표현하는데 있어서, 제 1, 제 2 전압 인가 수단(341, 342)을 통해, 독립적으로 두 변조로 나누어 표현이 가능하여, 데이터 처리량이 감소된 이점이 있다. 즉, 본 발명의 공간 광 변조기는 적층형 구조를 얇은 두께로 형성 가능하여, 위상 및 진폭의 변조가 자유로움과 동시에, 동시에 개별적으로 위상 및 진폭의 조절이 가능하여, 데이터 처리양이 감소할 수 있다. 이로써, 실시간 영상을 재생할 수 있다.In expressing information, the spatial
또한, 영상 재생시 진폭 변조부(amplitude SLM)와 위상 변조부(phase SLM)의 변조 값을 조합하여 복원이 이루어지기 때문에, 진폭과 위상의 고유 변조 값이 있어, 복원 과정시 나타나는 노이즈를 감소할 수 있다.In addition, since restoration is performed by combining the modulation values of the amplitude modulator (amplitude SLM) and the phase modulator (phase SLM) during image reproduction, there are unique modulation values of amplitude and phase, which can reduce noise during the restoration process. can
또한, 경화형 나노 액정을 사용해, 필름 상으로 제 2 기재의 외부면에 부착하여 공간 광 변조기를 제작할 수 있어, 적층형 공간 광 변조기와 동일 기능을 하면서도 상측 셀인 진폭 광 변조기에서, 유리 기판과 같은 두꺼운 기재를 줄일 수 있어, 슬림화가 가능하다.In addition, a spatial light modulator can be fabricated by attaching the curable nano-liquid crystal to the outer surface of the second substrate in the form of a film, so that in the amplitude light modulator, which is the upper cell, while having the same function as the stacked spatial light modulator, a thick substrate such as a glass substrate can be reduced, making slimming possible.
그리고, 공간 광 변조기의 슬림화로 스택형 공간 광 변조기에서, 2개의 SLM 간 갭에 의해 발생되는 회절 에러를 방지하여, 시청 영역이 넓어지는 효과를 얻게 된다.In addition, by slimming the spatial light modulator, a diffraction error caused by a gap between two SLMs is prevented in the stacked spatial light modulator, thereby obtaining an effect of widening the viewing area.
더불어, 서로 다른 이형의 광 변조기간의 합착이 요구되지 않아, 비전 장비 에러 등에 의한 정렬에 따른 오차를 방지할 수 있어, 합착 에러를 방지할 수 있는 이점이 있다.In addition, there is an advantage in that coalescence errors can be prevented because it is not required to coalesce optical modulators of different shapes, and errors due to alignment due to errors in vision equipment can be prevented.
한편, 이하에서는 도 1에서 설명한 광원 유닛(10)의 변형예와 더불어, 이를 이용하여, 디지털 홀로그래피에서, 컬러 표시 가능한 홀로그램 재생을 살펴본다.Meanwhile, in the following, hologram reproduction capable of displaying color in digital holography will be reviewed using the modified example of the
도 9는 본 발명의 디지털 홀로그래피에서, 광원과 공간 광 변조기의 배치와 광진행을 나타낸 도면이다.FIG. 9 is a view showing arrangement of light sources and spatial light modulators and light propagation in digital holography according to the present invention.
도 9와 같이, 광원 유닛(10)은 가시광 영역대의 서로 다른 파장의 광을 각각 출사하는 제 1 내지 제 3 광원(12a, 12b, 12c)을 포함할 수 있으며, 이는 일례로, 적색, 녹색, 청색 광원일 수 있다. 그러나, 이러한 발광색은 이에 한하지 않으며, 광을 합산하여 백색 광을 나타낼 수 있다면, 다른 파장의 광원으로도 변경될 수 있다. 어느 경우, 광원 각각은 단일 파장의 광을 간섭성을 갖고 출사한다. 또한, 상기 제 1 내지 제 3 광원(12a, 12b, 12c) 상에는 공간 광 변조기(200)로, 평행 변 발광으로 제어하는 웨이브가이드(waveguide)(11)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 내지 제 3 광원(12a, 12b, 12c)은 각각 레이저 광원일 수 있다. 만일 지향성이 좋고, 간섭성이 좋으며, 각각이 단일 파장 광을 출사되는 형태의 광원이라면 대체될 수도 있다.As shown in FIG. 9 , the
또한, 이러한 복수개의 제 1 내지 제 3 광원(12a, 12b, 12c)을 구비하는 경우, 상기 공간 광 변조부(200)는 일 시점에서 단일 파장에 대한 처리만 가능하므로, 시분할 구동한다.In addition, when the plurality of first to third
상기 제 1 내지 제 3 광원(12a, 12b, 12c)은 각각 단일의 서로 다른 파장을 갖는 것으로, 서로 합산되어 백색 광을 나타낼 수 있는 것이다. 또한, 제 1 내지 제 3 광원(12a, 12b, 12c)은 시분할 구동되어, 공간 광 변조기(200)는 특정 시점에서, 해당 파장의 광을 위상(φ1', φ2', φ3') 및 진폭(A1, A2, A3)을 변조하고, λ 및 λ/2의 지연 값을 갖도록 광을 출사한다.The first to third
상기 공간 광 변조기(200)는 도 1과 같이, 신호 처리부(50)와 연결되어, 픽셀별 구비된 전극에 전압 인가에 따라 간섭 무늬 영상 정보를 인가받으며, 이를 회절시켜 위상 및 진폭의 변조하게 된다. 또한, 상기 공간 광 변조기(200)는 나타내고자 하는 홀로그램에 상당하여 간섭 무늬 영상 정보를 상기 제 1 내지 제 4 전극(311, 321, 331, 332)으로 전압 신호를 인가하여, 패턴이 표시될 수 있다. 즉, 상기 공간 광 변조기(200)에 나타나는 간섭 패턴은 공간 광 변조기(200)에 인가되는 신호에 따라 변경될 수 있으며, 이러한 변경을 신호 처리부(50)에서 수행하는 것이다. 여기서, 신호 처리부(50)에서 처리하는 홀로그램 정보를 CGH (Computer Generated Hologram data) 라고 하며, 이는 이벤트 혹은 표현하고자 하는 객체의 상태에 따라 가변된다.As shown in FIG. 1, the spatial
도시하지 않았지만, 회절 각도가 작을 경우, 광의 집속 및 시청 거리에 인지 가능한 홀로그램 표시를 위해, 상기 광 변조기로부터 출사된 광을 집속하여 특정 면에 삼차원 영상을 집속하는 렌즈계(도 1의 30)가 더 포함될 수 있다. 상기 렌즈계는 상기 공간 광 변조기(200)의 내부 픽셀을 1㎛ 수준 이하로 형성 가능시 생략될 수도 있는 구성 요소이다.Although not shown, when the diffraction angle is small, a lens system (30 in FIG. 1) for concentrating the light emitted from the light modulator and concentrating a 3D image on a specific surface is further provided for focusing light and displaying a hologram perceptible at a viewing distance. can be included The lens system is a component that may be omitted when it is possible to form internal pixels of the spatial
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.On the other hand, the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those skilled in the art.
10: 광원 유닛 11: waveguide
12a~12c: 광원 20: SLM
30: 렌즈계 40: 홀로그램
50: 신호처리부 310: 제 1 기재
311: 제 1 전극 315: 액적층
317: 씰재 320: 제 2 기재
321: 제 2 전극 331: 제 3 전극
332: 제 4 전극 335: 액정 필름층
340: 편광판 341: 제 1 전압 인가 수단
342: 제 2 전압 인가 수단 phase SLM: 위상 변조부
Amplitude SLM: 진폭 변조부10: light source unit 11: waveguide
12a to 12c: light source 20: SLM
30: lens system 40: hologram
50: signal processing unit 310: first substrate
311: first electrode 315: droplet layer
317
321: second electrode 331: third electrode
332: fourth electrode 335: liquid crystal film layer
340: polarizer 341: first voltage application unit
342: second voltage application unit phase SLM: phase modulator
Amplitude SLM: Amplitude modulator
Claims (20)
상기 제 1 기재 상에 각 픽셀 상에 구비된 제 1 전극;
상기 제 1 전극과 마주보도록, 상기 제 2 기재의 내면에 위치한 제 2 전극;
상기 제 1 기재와 제 2 기재 사이에 위치한 액정층;
상기 제 2 기재의 외부면에 각 픽셀에 대응하여 위치하며, 서로 이격한 제 3 전극 및 제 4 전극;
상기 제 2 기재의 외부면 상에, 나노 액정을 포함하는 액정 필름층; 및
상기 액정 필름층과 접한 편광 필름을 포함하고,
상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극은 상기 편광 필름의 투과축에 대해 +45° 또는 -45°의 길이 방향을 갖고,
상기 액정층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 인가된 전압 차에 따라 유효 굴절률을 달리하며 입사광을 상기 제 2 기재 측으로 전달하며,
상기 액정 필름층은 상기 제 3, 제 4 전극에 전압 인가 전 상기 편광 필름의 투과축에 일치하는 광축을 갖도록 상기 나노 액정이 배향되고, 상기 제 3, 제 4 전극에 인가된 전압 차가 커지면, 상기 액정 필름층을 통과하는 광의 투과율이 증가하는 공간 광 변조기.facing each other, a first substrate and a second substrate having a plurality of pixels;
a first electrode provided on each pixel on the first substrate;
a second electrode positioned on an inner surface of the second substrate to face the first electrode;
a liquid crystal layer positioned between the first substrate and the second substrate;
a third electrode and a fourth electrode located on the outer surface of the second substrate to correspond to each pixel and spaced apart from each other;
On the outer surface of the second substrate, a liquid crystal film layer containing nano-liquid crystals; and
A polarizing film in contact with the liquid crystal film layer,
The third electrode and the fourth electrode have a longitudinal direction of +45 ° or -45 ° with respect to the transmission axis of the polarizing film,
The liquid crystal layer varies an effective refractive index according to a voltage difference applied to the first electrode and the second electrode and transmits incident light toward the second substrate,
In the liquid crystal film layer, before voltage is applied to the third and fourth electrodes, the nano-liquid crystal is oriented so that the optical axis coincides with the transmission axis of the polarizing film, and when the voltage difference applied to the third and fourth electrodes increases, the A spatial light modulator in which transmittance of light passing through a liquid crystal film layer is increased.
상기 제 1 기재 및 제 2 기재 사이에, 상기 복수개의 픽셀을 둘러싸며 상기 액정층을 가두는 씰재를 더 포함하는 공간 광 변조기.According to claim 1,
The spatial light modulator further comprising a sealant between the first substrate and the second substrate, enclosing the plurality of pixels and enclosing the liquid crystal layer.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극에 각각 전압을 인가하는 제 1 전압 인가 수단을 더 포함한 공간 광 변조기.According to claim 2,
The spatial light modulator further comprises a first voltage application means for applying voltages to the first electrode and the second electrode, respectively.
상기 제 3 전극 및 제 4 전극에 각각 전압을 인가하는 제 2 전압 인가 수단을 더 포함하는 공간 광 변조기.According to claim 4,
The spatial light modulator further comprises a second voltage application means for applying voltages to the third electrode and the fourth electrode, respectively.
상기 제 1 기재 상에, 상기 제 1 전압 인가 수단과 연결되어, 평면상으로 상기 씰재의 외부에 위치한 제 1 패드부; 및
상기 제 2 기재의 외부면 상에, 상기 제 2 전압 인가 수단과 연결되어, 평면상으로 상기 씰재의 외부에 위치한 제 2 패드부를 더 포함한 공간 광 변조기.According to claim 5,
a first pad portion connected to the first voltage applying unit on the first base material and positioned outside the sealant in a plane view; and
The spatial light modulator further comprising a second pad part connected to the second voltage application unit and positioned on an outer surface of the second base material and positioned outside the seal member in a plan view.
상기 제 1 패드부는 상기 제 1, 제 2 전극에 각각 연결되고,
상기 제 2 패드부는 상기 제 3, 제 4 전극에 각각 연결된 공간 광 변조기.According to claim 6,
The first pad part is connected to the first and second electrodes, respectively;
The second pad part is connected to the third and fourth electrodes, respectively, of the spatial light modulator.
상기 액정 필름층은 미세 캡슐 단위의 나노 액정들이 바인더에 의해 결합된 공간 광 변조기.According to claim 1,
The liquid crystal film layer is a spatial light modulator in which nano liquid crystals in microcapsule units are bonded by a binder.
상기 액정층은 ECB(Electrically Controlled Birefringence) 모드의 액정을 포함하며,
상기 액정층은 상기 제 1, 제 2 전극에 전압 인가 전 적색 파장에 상당한 지연 값을 갖는 공간 광 변조기.According to claim 1,
The liquid crystal layer includes a liquid crystal of an electrically controlled birefringence (ECB) mode,
The spatial light modulator of claim 1 , wherein the liquid crystal layer has a delay value corresponding to a red wavelength before voltage is applied to the first and second electrodes.
상기 제 1 기재 또는 제 2 기재는 글래스 또는 플라스틱 필름인 공간 광 변조기.According to claim 1,
The spatial light modulator of claim 1 , wherein the first or second substrate is a glass or plastic film.
상기 제 1, 제 2 전극에 전압 인가시, 상기 액정층은 상기 제 1, 제 2 전극에 인가되는 전압 차에 따라 0 내지 상기 입사광의 파장 사이에서 위상 변조하여 광을 출사하는 공간 광 변조기.According to claim 5,
When a voltage is applied to the first and second electrodes, the liquid crystal layer phase-modulates between 0 and the wavelength of the incident light according to a voltage difference applied to the first and second electrodes, and emits light.
상기 제 3, 제 4 전극에 전압 인가시, 상기 제 2 기재 상부에서 상기 액정 필름층을 통과하여 진폭 변조되는 공간 광 변조기.According to claim 11,
When voltage is applied to the third and fourth electrodes, the spatial light modulator is amplitude-modulated by passing through the liquid crystal film layer on the second substrate.
상기 공간 광 변조기로 간섭성의 광을 전달하는 광원 유닛; 및
상기 공간 광 변조기로부터 출사된 광을 집속하여 특정 면에 삼차원 영상을 집속하는 렌즈계를 포함하고,
상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극은 상기 편광 필름의 투과축에 대해 +45° 또는 -45°의 길이 방향을 갖고,
상기 액정층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 인가된 전압 차에 따라 유효 굴절률을 달리하며 입사광을 상기 제 2 기재 측으로 전달하며,
상기 액정 필름층은 상기 제 3, 제 4 전극에 전압 인가 전 상기 편광 필름의 투과축에 일치하는 광축을 갖도록 상기 나노 액정이 배향되고, 상기 제 3, 제 4 전극에 인가된 전압 차가 커지면, 상기 액정 필름층을 통과하는 광의 투과율이 증가하는 디지털 홀로그래피.A first substrate and a second substrate having a plurality of pixels facing each other, a first electrode provided on each pixel on the first substrate, and an inner surface of the second substrate facing the first electrode. a second electrode, a liquid crystal layer located between the first substrate and the second substrate, and a third electrode and a fourth electrode located on the outer surface of the second substrate corresponding to each pixel and spaced apart from each other; 2, a spatial light modulator including a liquid crystal film layer containing nano-liquid crystals, and a polarizing film in contact with the liquid crystal film layer, on an outer surface of the substrate;
a light source unit transmitting coherent light to the spatial light modulator; and
A lens system for focusing the light emitted from the spatial light modulator to focus a three-dimensional image on a specific surface;
The third electrode and the fourth electrode have a longitudinal direction of +45 ° or -45 ° with respect to the transmission axis of the polarizing film,
The liquid crystal layer varies an effective refractive index according to a voltage difference applied to the first electrode and the second electrode and transmits incident light toward the second substrate,
In the liquid crystal film layer, before voltage is applied to the third and fourth electrodes, the nano-liquid crystal is oriented so that the optical axis coincides with the transmission axis of the polarizing film, and when the voltage difference applied to the third and fourth electrodes increases, the Digital holography in which the transmittance of light passing through a liquid crystal film layer increases.
상기 공간 광 변조기로 홀로그램 정보를 전달하는 신호 처리부를 더 포함한 디지털 홀로그래피.According to claim 13,
Digital holography further comprising a signal processing unit transmitting hologram information to the spatial light modulator.
상기 홀로그램 정보는, 상기 제 1 전극 내지 제 4 전극에 인가되는 전압 신호로 전달되는 디지털 홀로그래피.According to claim 14,
The hologram information is transmitted as a voltage signal applied to the first to fourth electrodes.
상기 광원 유닛은 가시광 영역대의 서로 다른 파장의 광을 각각 출사하는 제 1 내지 제 3 광원을 포함하는 디지털 홀로그래피.According to claim 13,
The light source unit includes first to third light sources respectively emitting light of different wavelengths in the visible light region.
상기 제 1 내지 제 3 광원은 시분할 구동되는 디지털 홀로그래피.According to claim 16,
The first to third light sources are time-division driven digital holography.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극에 각각 전압을 인가하는 제 1 전압 인가 수단 및 상기 제 3 전극 및 제 4 전극에 각각 전압을 인가하는 제 2 전압 인가 수단을 더 포함하는 디지털 홀로그래피.According to claim 15,
and a first voltage application means for applying voltages to the first electrode and the second electrode, respectively, and a second voltage application means for applying voltages to the third and fourth electrodes, respectively.
상기 액정층은
상기 제 1, 제 2 전극에 전압 인가 전 적색 파장의 지연 값을 갖고,
상기 제 1, 제 2 전극에 전압 인가시, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 인가된 전압 차에 비례 또는 반비례하여 0 내지 입사광의 파장 범위 사이에서 상기 입사광을 위상 변조하는 디지털 홀로그래피.According to claim 18,
The liquid crystal layer
It has a delay value of a red wavelength before voltage is applied to the first and second electrodes,
When a voltage is applied to the first and second electrodes, the incident light is phase modulated between 0 and the wavelength range of the incident light in proportion or inverse proportion to the voltage difference applied to the first electrode and the second electrode. Digital holography.
상기 제 3, 제 4 전극에 전압 인가시, 상기 제 2 기재를 통과한 상기 위상 변조된 광은, 상기 제 2 기재 상부에서 상기 액정 필름층을 통과하며 진폭 변조되는 디지털 홀로그래피.According to claim 19,
When a voltage is applied to the third and fourth electrodes, the phase-modulated light passing through the second substrate passes through the liquid crystal film layer on top of the second substrate and is amplitude-modulated.
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