KR102526749B1 - 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛 - Google Patents

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Abstract

홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛(BLU)에 관해 개시되어 있다.
개시된 홀로그래픽 디스플레이용 BLU는 도파관에 부착된 제1 회절격자와, 상기 제1 회절격자에 광을 공급하는 제2 회절격자와, 상기 제2 회절격자에 광을 공급하는 광원과, 상기 도파관 후방으로 방출되는 광을 상기 제1 회절격자를 향해 반사시키는 광 반사수단을 포함한다. 상기 도파관의 전방에 렌즈가 더 구비될 수 있다. 상기 광 반사수단은 상기 도파관의 뒷면에 평행하게 배치될 수 있다. 상기 광 반사수단은 상기 도파관과 경사지게 배치될 수 있다. 상기 광 반사수단은 미러 또는 프리즘 어레이일 수 있다.

Description

홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛{Back light unit for holographic display}
본 개시는 디스플레이용 광원에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛에 관한 것이다.
액정디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD)에 사용되는 백 라이트 유닛(Back Light Unit, BLU)에 비해 홀로그래픽 디스플레이에 사용되는 BLU는 간섭성이 높은 광이 사용된다. BLU는 도파관(waveguide) 형태이다. 도파관으로부터 방출되는 광의 간섭성을 유지하기 위해 회절격자(grating)가 사용된다. 회절격자는 표면요철형 또는 굴절률 변조형으로 제작될 수 있다. 이러한 형태의 회절격자는 2개의 레이저광으로 형성한 간섭무늬를 포토레지스트나 포토폴리머(photopolymer)와 같은 감광성 매질에 노광한 다음, 현상공정과 식각공정을 거쳐 형성할 수 있다. 양산성 측면에서 표면 요철형 회절격자가 널리 사용되고 있다.
홀로그래픽 디스플레이에서 홀로그램 영상을 볼 수 있는 시영역(view zone)은 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)의 해상도에 의해 결정될 수 있다. 현재 상용화된 LCD를 홀로그래픽 디스플레이에 적용할 경우, 1m 정도의 시청거리에서 직경이 8mm 정도의 좁은 영역에서만 홀로그램 영상을 볼 수 있다. 이러한 한계 때문에, 최소한 시청자의 양안의 위치에 2개의 시영역이 형성되어야 하고, 시청자는 시영역이 형성된 위치에 고정된 상태로 홀로그램 영상을 볼 수 있다. 이러한 홀로그램 영상을 제공하기 위해 사용되는 기존의 홀로그래픽 디스플레이용 BLU의 경우, 구조가 상대적으로 복잡하고, 또한 상기 홀로그램 영상을 제공하기 위해 상대적으로 많은 부품이 사용된다.
본 개시는 광 이용효율을 높일 수 있는 홀로그래픽 디스플레이용 BLU를 제공한다.
본 개시는 구성이 복잡하지 않으면서 보다 넓은 시영역을 제공할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이용 BLU를 제공한다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 홀로그래픽 디스플레이용 BLU는 도파관에 부착된 제1 회절격자와, 상기 제1 회절격자에 광을 공급하는 제2 회절격자와, 상기 제2 회절격자에 광을 공급하는 광원과, 상기 도파관 후방으로 방출되는 광을 상기 제1 회절격자를 향해 반사시키는 광 반사수단을 포함한다.
이러한 백 라이트 유닛에서, 상기 도파관의 전방에 렌즈가 더 구비될 수 있다.
상기 광 반사수단은 상기 도파관의 뒷면에 평행하게 배치될 수 있다.
상기 광 반사수단은 상기 도파관과 경사지게 배치될 수 있다.
상기 광 반사수단에 상기 광 반사수단의 회전을 위한 회전장치가 연결될 수 있다.
상기 광 반사수단은 미러(mirror) 또는 프리즘 어레이를 포함할 수 있다.
상기 광 반사수단은 상기 도파관과 이격될 수 있다.
개시된 홀로그래픽 디스플레이용 BLU(이하, 개시된 BLU)는 하나의 광원을 구비하는 바, 기존의 BLU에 비해 구성이 상대적으로 단순하다. 개시된 BLU는 도파관 후방에 광 반사수단을 구비한다. 이러한 광 반사수단은 도파관 후방으로 방출되는 회절광을 전방으로 반사시킨다. 이에 따라 상기 도파관에서 전방으로 방출된 광과 상기 광 반사수단으로 의해 전방으로 반사된 광이 함께 홀로그램에 입사되는 바, 광 이용효율을 높일 수 있다. 광원으로부터 도파관에 입사되는 광의 입사각을 제어하면, 도파관에 입사되는 광의 굴절각을 제어할 수 있고, 이에 따라 도파관 내에서 광의 전반사각과 도파관에서 전방으로 회절되는 광과 후방으로 회절되는 광의 방출각도 제어할 수 있다. 결국, 도파관에 입사되는 광의 입사각을 제어함으로써, 상기 광 반사수단에 도달되는 후방 회절된 광의 입사각도 달라진다. 이러한 상황변화에 맞게 상기 광 반사수단을 주어진 범위에서 회전시킴으로써, 홀로그램 영상을 볼 수 있는 시영역의 위치를 실시간으로 변화시킬 수 있다. 더 나아가서 상기 광원으로부터 도파관에 입사되는 광의 입사각의 변화와 광 반사수단의 회전동작을 실시간으로 연계함으로써, 시청자의 시청위치를 추적하면서 홀로그램 영상을 제공할 수도 있다. 곧, 시청자에 대한 아이 트래킹(eye tracking)도 가능하다.
도 1은 일 실시예에 의한 홀로그래픽 디스플레이용 BLU의 평면도이다.
도 2는 다른 실시예에 의한 홀로그래픽 디스플레이용 BLU의 평면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 의한 홀로그래픽 디스플레이용 BLU의 평면도이다.
도 4는 도 2의 경우에서 광 반사수단이 주어진 범위에서 회전되는 경우를 나타낸 평면도이다.
이하, 홀로그래픽 디스플레이용 BLU를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 일 실시예에 의한 홀로그래픽 디스플레이용 BLU의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 홀로그래픽 디스플레이용 BLU(200)는 도파관(30)과 제1 회절격자(32)와 광 반사수단(34)과 광원(36)과 제2 회절격자(38)를 포함한다. 제1 회절격자(32)는 도파관(30)의 전방면(앞면)에 부착되어 있다. 제1 회절격자(32)는 도파관(30)의 전방면의 대부분을 덮는다. 제1 회절격자(32)는 회절광을 발생시키는 출력 회절격자로써, 도파관(30)의 전방으로, 곧 시청자 방향으로 방출되는 광에 대한 제1 전방 회절광(46)을 발생시킨다. 전방 회절광(46)은 간섭성을 가질 수 있다. 제1 회절격자(32)는 입사광(42)에 대해서 제1 전방 회절광(46)과 함께 반사 혹은 후방 회절광(48)을 발생시킨다. 후방 회절광(48)은 도파관(30)의 뒤면을 향하고, 도파관(30)을 통과하여 도파관(30) 후방으로 방출된다. 광 반사수단(34)은 도파관(30)의 후방에 배치되어 있다. 광 반사수단(34)은 도파관(30)과 이격되어 있다. 광 반사수단(34)은 도파관(30)의 후방으로 방출된 후방 회절광(48)을 도파관(30)으로 반사시킨다. 광 반사수단(34)에 의해 반사된 후방 회절광(52)은 도파관(30)과 제1 회절격자(32)를 차례로 통과하여 도파관(30) 전방으로 방출된다. 이와 같이 광 반사수단(34)에 의해 반사되어 도파관(30) 전방으로 방출된 후방 회절광(52)을 이하, 제2 전방 회절광(52)이라 한다. 한 광원(36)에서 비롯된 제1 전방 회절광(46)과 제2 전방 회절광(52)을 홀로그램 영상을 표시하는데 사용함으로써, 광 이용효율을 높일 수 있다. 또한, 제1 전방 회절광(46)과 제2 전방 회절광(52)을 이용하여 홀로그래픽 디스플레이 앞쪽에 2개의 시영역(view zone)이 형성될 수 있는 바, 기존의 경우처럼 2개의 광원을 구비할 필요가 없어 BLU 구조와 구성을 단순화할 수 있다.
계속해서, 광 반사수단(34)은 도파관(30)의 뒷면과 평행하게 배치될 수 있다. 광 반사수단(34)은, 예를 들면 미러(mirror)일 수 있으나, 이것으로 제한되지 않는다. 광원(36)은 도파관(30)의 앞면에 부착될 수 있다. 광원(36)은 도파관(30)을 통해서 제2 회절격자(38)에 광을 공급한다. 광원(36)으로부터 제2 회절격자(38)에 입사되는 광(40)은 주어진 입사각으로 제2 회절격자(38)에 입사된다. 이때, 상기 입사각은 제1 및 제2 전방 회절광(46, 52)의 방출방향을 고려해서 미리 설정될 수 있다. 후술되지만, 광 반사수단(34)이 회전되는 경우, 제2 회절격자(38)에 입사되는 광(40)의 입사각은 주어진 범위에서 제어될 수 있다. 제2 회절격자(38)는 도파관(30)의 뒷면에 구비될 수 있다. 제2 회절격자(38)는 도파관(30)을 사이에 두고 광원(36)과 대향할 수 있다. 제2 회절격자(38)는 도파관(30)을 통해서 제1 회절격자(32)에 광을 공급하는 역할을 한다. 제2 회절격자(38)에 의해 입사광(40)에 대한 회절광(42)가 발생된다. 회절광(42)은 도파관(30)을 따라 진행한다. 도파관(30)과 제1 회절격자(32)의 접촉면(경계면)에 도달된 회절광(42)의 일부는 전반사되고, 나머지는 제1 회절격자(32)에 의해 회절되어 제1 전방 회절광(46)과 후방 회절광(38)이 발생된다. 도파관(30)과 제1 회절격자(32)의 접촉면(경계면)에서 전반사된 광(44)은 도파관(30)의 뒷면에서 다시 전반사되어 도파관(30)의 앞면을 향하고, 상술한 전반사와 회절이 반복된다. 광원(36)은 도파관(30)과 이격되어 배치될 수도 있다. 이 경우, 제2 회절격자(38)에 입사되는 광(40)의 입사각이 광원(36)이 도파관(30)의 앞면에 부착되어 있을 때와 동일하게 유지되도록 광원(36)에서 방출되는 광의 방출각은 조절될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 의한 홀로그래픽 디스플레이용 BLU의 평면도이다. 도 1과 다른 부분에 대해서만 설명한다. 도 1에서 설명한 부재와 동일한 부재에 대해서는 도 1에서 사용한 참조번호를 그대로 사용하고, 그에 대한 설명은 생략한다. 이러한 내용은 후술되는 다른 실시예에도 적용된다.
도 2를 참조하면, 도파관(30) 전방에 렌즈(66)가 배치되어있다. 렌즈(66)는 집광렌즈로써, 예를 들면 볼록렌즈일 수 있다. 광 반사수단(34)은 도파관(30)에 대해 평행하지 않다. 곧, 광 반사수단(34)은 도파관(30)의 뒷면에 대해 주어진 각(α)으로 경사져 있다. 제1 회절격자(32)로부터 도파관(30)의 후방으로 회절된 후방 회절광(60)은 광 반사수단(34)에 의해 도파관(30)으로 반사된다. 광 반사수단(34)에 의해 반사된 광(62)은 도파관(30)과 제1 회절격자(32)를 거쳐 도파관(30) 전방으로 방출된다. 광 반사수단(34)에 의해 반사된 광(62)은 후방 회절광(60)과 동일한 것이므로, 광(62)은 제3 전방 회절광이 될 수 있다. 제1 전방 회절광(46)과 제3 전방 회절광(62)은 집광렌즈(66)에 의해 집속되어 홀로그램 영상을 표시하는데 사용된다. 제1 전방 회절광(46)과 제3 전방 회절광(62)은 서로 평행하지 않으며, 진행방향도 서로 다르다. 제1 전방 회절광(46)의 진행 방향은 도 1과 동일하게 우측방향이지만, 제3 전방 회절광(62)의 진행 방향은 경사진 광 반사수단(34)의 영향으로 좌측방향이 된다. 이에 따라 렌즈(66)에 의한 제1 전방 회절광(46)의 집속 위치와 제2 전방 회절광(62)의 집속 위치는 다르게 되어 2개의 시영역이 형성될 수 있다. 도 2에서 참조번호 150은 홀로그램을 포함하는 디스플레이 패널을 나타낸다.
도 3은 또 다른 실시예에 의한 홀로그래픽 디스플레이용 BLU의 평면도이다.
도 3을 참조하면, 도파관(30)의 후방에 프리즘 어레이(70)가 배치되어 있다. 프리즘 어레이(70)가 배치됨으로써, 도 2의 경우보다 BLU 부피를 줄일 수 있다. 프리즘 어레이(70)는 전체적으로 도파관(30)과 평행하게 배치될 수 있다. 프리즘 어레이(70)는 광 반사수단의 하나로 구비된 것이다. 프리즘 어레이(70)는 어레이를 이루는 복수의 프리즘(70a)을 포함한다. 복수의 프리즘(70a) 각각의 경사면(S1)은 반사면이 된다. 따라서 프리즘 어레이(70)는 도 2의 광 반사수단(34)이 경사진 경우와 동일하게 작용할 수 있다. 도파관(30) 후방으로 방출된 후방 회절광(60)은 프리즘 어레이(70)의 프리즘(70a)의 경사면(S1)에서 반사되어 제3 전방 회절광(62)이 된다. 제1 및 제3 전방 회절광(46, 62)이 2개의 시영역을 형성하는 것은 도 2에서 설명한 바와 같다.
한편, 필요하다면, 도 2에서 광 반사수단(34)이 경사지게 배치된 것처럼, 도 3의 프리즘 어레이(70) 자체를 도파관(30)의 뒷면과 경사지게 배치할 수 있다. 이 경우, 후방 회절광(60)이 프리즘(70a)의 반사면(S1)에서 반사되는 각은 프리즘 어레이(70)가 회전되지 않았을 때보다 커진다. 따라서 제3 전방 회절광(62)의 진행 방향이 렌즈(66)를 벗어나지 않도록 제2 회절격자(38)에 입사되는 광(40)의 입사각을 적절히 조절할 수 있다. 이러한 입사각의 조절은 광원(36)에서 방출되는 광의 방출각, 곧 광원(36)으로부터 도파관(30)의 앞면에 입사되는 광의 입사각을 제어하여 이룰 수 있다. 도 3에서 참조번호 150은 홀로그램을 포함하는 디스플레이 패널을 나타낸다.
도 4는 도 2의 경우에서 광 반사수단(34)이 주어진 범위에서 회전되는 경우를 나타낸 평면도이다.
도 4를 참조하면, 광 반사수단(34)은 주어진 범위에서 회전될 수 있다. 이를 위해 광 반사수단(34)의 일측에 회전장치(110)가 구비될 수 있다. 광 반사수단(34)이 회전될 경우, 도파관(30) 전방으로 방출되는 광의 진행 방향이 달라지고, 결과적으로 시영역이 달라진다. 예를 들어, 광 반사수단(34)이 회전하여 광 반사수단(34)의 경사각(α)이 제1 경사각(α1)으로 증가된 경우, 광 반사수단(34)에서 반사된 제5 전방 회절광(100)의 진행각도(도파관(30)의 앞면에 수직한 법선에 대한 각)는 제3 전방 회절광(62)의 진행각도보다 커진다. 제5 전방 회절광(100)과 제3 전방 회절광(62)은 모두 좌측 방향으로 진행하지만, 각 회절광(62, 100)의 진행각도가 다르기 때문에, 진행 방향은 서로 다르게 된다. 따라서 제3 및 제5 전방 회절광(62, 100)에 의해 형성되는 제3 및 제5 시영역(A3, A5)의 위치도 서로 다르게 된다. 광 반사수단(34)의 경사각이 제1 경사각(α1)으로 증가된 경우, 제5 전방 회절광(100)의 진행 방향이 렌즈(66)를 벗어나지 않도록 하기 위해, 도파관(30)과 제1 회절격자(32)의 접촉면(경계면)에는 광 반사수단(34)이 회전되지 않았을 때, 입사되는 광(42)의 입사각보다 큰 입사각을 갖는 광(92)이 입사된다. 광(92)은 상기 접촉면에서 전반사광(94)과 제4 전방 회절광(96)과 후방 회절광(98)으로 나뉘어진다. 광(92)은 제2 회절격자(38)에 의해 회절된 광이므로, 상기 접촉면(경계면)에 대한 광(92)의 입사각은 제2 회절격자(38)에 입사되는 광(40)의 입사각을 조절하여 조절될 수 있다. 상기 접촉면(경계면)에 대한 광(42)과 광(92)의 입사각이 다르므로, 상기 접촉면(경계면)에서 광(42)으로부터 제1 전방 회절광(46)과 후방 회절광(60)이 발생되는 위치와 광(92)으로부터 제4 전방 회절광(96)과 후방 회절광(98)이 발생되는 위치가 달라진다. 광(42)의 입사각과 광(92)의 입사각이 서로 다르기 때문에, 제1 전방 회절광(46)과 제4 전방 회절광(96)의 방출각도 달라진다. 곧, 제1 및 제4 전방 회절광(46, 96)의 진행 방향은 모두 우측방향이지만, 제1 및 제4 전방 회절광(46, 96)의 진행 각도는 다르다. 제4 전방 회절광(96)이 진행각도(도파관(30)의 앞면에 수직한 법선에 대한 각)는 제1 전방 회절광(46)의 진행각도보다 클 수 있다. 따라서 제4 전방 회절광(96)에 의해 형성되는 제4 시영역(A4)은 제1 전방 회절광(46)에 의해 형성되는 제1 시영역(A1)보다 우측에 있다. 후방 회절광(98)은 제1 경사각(α1)을 갖는 위치에 있는 광 반사수단(34)에 의해 반사되어 제5 전방 회절광(100)이 된다.
제1 및 제3 시영역(A1, A3)은 광 반사수단(34)이 주어진 경사각(α)으로 경사졌을 때, 제1 전방 회절광(46)과 제3 전방 회절광(62)에 의해 형성되는 2개의 시영역이고, 제4 및 제5 시영역(A4, A5)은 광 반사수단(34)이 제1 경사각(α1)의 위치로 회전되었을 때, 제4 전방 회절광(96)과 제5 전방 회절광(100)에 의해 형성되는 2개의 시영역이다. 제1 및 제3 시영역(A1, A3)의 위치와 제4 및 제5 시영역(A4, A5)의 위치가 다르다는 점은 광 반사수단(34)을 회전시켜 시영역을 변화시킬 수 있음을 의미한다.
게다가, 광원(36)으로부터 방출되는 광의 방출각 혹은 제2 회절격자(38)에 입사되는 광(40)의 입사각을 실시간으로 제어하고, 이것을 광 반사수단(34)의 회전장치(110)과 연계할 경우, 실시간으로 시영역이 형성되는 위치를 변화시킬 수 있다. 따라서 개시된 BLU를 이용할 경우, 시청자의 눈을 추적하여 시청자의 양안의 위치에 홀로그램 영상을 볼 수 있는 시영역을 실시간으로 형성할 수 있다.
도 4에서 참조번호 150은 홀로그램을 포함하는 디스플레이 패널을 나타낸다.
상술한 실시예에서 광원(36)과 제2 회절격자(38)의 배치위치는 서로 바뀔 수도 있다. 곧, 광원(36)이 도파관(30)의 뒷면에 배치될 수도 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
30:도파관 32, 38:제1 및 제2 회절격자
34:광 반사수단 36:광원
40:제2 회절격자(38)에 입사되는 광
42, 92:도파관과 제1 회절격자의 경계면에 입사되는 광
44, 94:전반사광 46,52,62,96,100:제1 내지 제5 전방 회절광
48,60,98:후방 회절광 66:렌즈
70:프리즘 어레이 70a:프리즘
110:회전장치 150:홀로그램 디스플레이 패널
200, 300, 400:BLU S1:프리즘의 경사면
A1, A3, A4, A5:제1, 제3, 제4 및 제5 시영역(view zone)

Claims (11)

  1. 도파관;
    상기 도파관의 광 방출면에 부착된 제1 회절격자;
    상기 광 방출면과 마주하는 상기 도파관의 일 면에 구비되고, 상기 도파관을 통해 상기 제1 회절격자에 광을 공급하는 제2 회절격자;
    상기 광 방출면에 상기 제1 회절격자와 함께 구비되고, 상기 도파관을 통해 상기 제2 회절격자에 광을 공급하는 광원; 및
    상기 도파관 후방으로 방출되는 광을 상기 제1 회절격자를 향해 반사시키는 광 반사수단;을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관의 전방에 렌즈가 더 구비된 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 반사수단은 상기 도파관의 뒷면에 평행하게 배치된 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 반사수단은 상기 도파관과 경사지게 배치된 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 반사수단에 상기 광 반사수단의 회전을 위한 회전장치가 연결된 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 반사수단은 미러(mirror)를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 반사수단은 상기 도파관과 이격된 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 반사수단은 프리즘 어레이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관은 단일층인 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 반사수단은 서로 이격되고, 고정된 복수의 반사면을 갖는 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 반사수단은 상기 도파관과 이격되고, 상기 도파관과 직접 마주하며, 단일 반사판인 홀로그래픽 디스플레이용 백 라이트 유닛.
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