KR102643176B1 - Variable-depth holographic display device providing expandable eyebox - Google Patents
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Abstract
확장형 아이박스를 제공하는 가변 심도형 홀로그래픽 디스플레이 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 복수의 파장의 광을 출광하는 복수의 광원; 및 복수의 광원으로부터 출광된 광을 이용하여, 홀로그래픽 디스플레이의 패널 역할을 하는 공간광변조기;를 포함하고, 공간광변조기는, 기존보다 아이박스의 크기가 확장된 확장형 아이박스를 제공하기 위해, 복수의 산란층을 서로 다른 깊이의 타겟 심도면에 위치시켜, 개별 홀로그래픽 픽셀의 발산각이 산란층을 단일 깊이의 타겟 심도면에 위치되는 경우보다 확대되도록 할 수 있다. 이에 의해, 홀로그램 콘텐츠를 관측 가능한 아이박스를 증대시킴으로써 보다 넓은 범위에서 사용자의 홀로그램 콘텐츠 관측이 가능하도록 할 수 있다. A variable depth holographic display device providing an expandable eyebox is provided. A holographic display device according to an embodiment of the present invention includes a plurality of light sources emitting light of a plurality of wavelengths; And a spatial light modulator that functions as a panel of a holographic display using light emitted from a plurality of light sources, wherein the spatial light modulator is configured to provide an expanded eye box with an expanded eye box size compared to the existing eye box, By placing a plurality of scattering layers in the target depth plane at different depths, the divergence angle of individual holographic pixels can be enlarged compared to when the scattering layers are located in the target depth plane at a single depth. As a result, by increasing the eyebox through which holographic content can be observed, it is possible to enable the user to observe holographic content in a wider range.
Description
본 발명은 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 확장형 아이박스를 제공하는 가변 심도형 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a holographic display device, and more specifically, to a variable depth holographic display device that provides an expandable eyebox.
홀로그래픽 디스플레이는 빛의 회절(Diffraction) 현상을 이용하여 공간 상에서 전파되는 물체의 광파 그 자체를 재생함으로써 입체를 표현하는 기술로, 물체광의 고유한 특성인 세기와 위상 정보를 모두 표현함으로써 가장 이상적이고 궁극적인 형태의 입체 디스플레이로 받아들여지고 있다. 홀로그래픽 디스플레이 패널의 개별 픽셀은 픽셀의 개구부 크기에 반비례되는 회절각을 가지게 되며, 해당 회절각은 전체 홀로그래픽 디스플레이의 아이박스 등을 결정하게 된다. Holographic display is a technology that expresses three-dimensional images by reproducing the light waves of an object propagating in space using the diffraction phenomenon of light. It expresses both intensity and phase information, which are the unique characteristics of object light, and is the most ideal It is accepted as the ultimate form of three-dimensional display. Each pixel of a holographic display panel has a diffraction angle that is inversely proportional to the size of the pixel's opening, and the diffraction angle determines the eye box of the entire holographic display.
구체적으로, 도 1에 예시된 바와 같이, 홀로그래픽 디스플레이의 패널 역할을 하는 공간광변조기(Spatial light modulator, SLM)의 개별 픽셀이 p의 크기를 가진다고 할 때, 각 픽셀의 회절각 θ는 아래와 같이 결정된다.Specifically, as illustrated in FIG. 1, when individual pixels of a spatial light modulator (SLM) serving as a panel of a holographic display have a size of p, the diffraction angle θ of each pixel is as follows. It is decided.
(수식 1) (Formula 1)
이때, λ는 조광 파장이고, θ는 타겟이 되는 가상 심도면에서의 홀로그래픽 픽셀의 발산각을 결정 지으며, 아이피스 렌즈를 통하여 시준 또는 확대된 허상을 결상하게 된다. At this time, λ is the illumination wavelength, θ determines the divergence angle of the holographic pixel in the target virtual depth plane, and a collimated or enlarged virtual image is formed through the eyepiece lens.
도 1에 예시된 바와 같이 같이, 확대된 허상을 형성하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 관측 가능한 시역인 아이박스의 폭 w는 아래와 같다.As illustrated in FIG. 1, the width w of the eyebox, which is an observable viewing area in a holographic display device that forms an enlarged virtual image, is as follows.
(수식 2) (Formula 2)
현재 기술적으로 가용한 공간광변조기의 픽셀 크기 p는 약 4um 이상이므로, 녹색광 기준 이론적으로 얻어지는 최대 회절각은 약 7.8도 수준이며, 아이피스 렌즈를 통상적인 수준(초점거리 20mm~30mm)으로 상정할 시에, 아이박스의 폭 w는 약 2.7mm~4mm 로 제한된다. Since the pixel size p of the currently technically available spatial light modulator is about 4um or more, the theoretical maximum diffraction angle obtained based on green light is about 7.8 degrees, assuming that the eyepiece lens is at a typical level (focal length 20mm~30mm) In this case, the width w of the eyebox is limited to about 2.7mm to 4mm.
실제 사람의 동공 직경이 약 4mm 크기이고 동공의 움직임 및 사용자마다 다른 양안 간격을 고려한다면, 해당 아이박스는 증강현실 장치의 범용적 사용을 제한하는 요인으로 작용할 수 있다. In reality, a person's pupil diameter is approximately 4 mm, and considering pupil movement and binocular spacing that vary from user to user, the eye box may act as a factor limiting the general use of augmented reality devices.
정리하면, 홀로그래픽 디스플레이 기반의 증강현실 장치는 가상 콘텐츠의 파면을 재현함으로써 실제와 동일한 입체 효과를 유발할 수 있다는 장점이 있지만, 매우 좁은 아이박스를 한계점으로 가지고 있어, 이를 개선하기 위한 방안의 모색이 요구된다. In summary, holographic display-based augmented reality devices have the advantage of producing the same three-dimensional effect as the real thing by reproducing the wavefront of virtual content, but have a very narrow eyebox as a limitation, so it is necessary to find ways to improve this. It is required.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 공간광변조기 등을 통하여 재생되는 홀로그램 디스플레이에서, 여러 가변 심도에 걸쳐 콘텐츠를 표현할 수 있는 능력을 잃지 않으면서도 좁은 회절각도로 인하여 제한된 아이박스를 기존보다 확장시킬 수 있는 가변 심도형 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공함에 있다.The present invention was devised to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to achieve narrow diffraction without losing the ability to express content over various variable depths in a holographic display reproduced through a spatial light modulator, etc. The aim is to provide a variable depth holographic display device that can expand the limited eye box due to the angle.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 복수의 파장의 광을 출광하는 복수의 광원; 및 복수의 광원으로부터 출광된 광을 이용하여, 홀로그래픽 디스플레이의 패널 역할을 하는 공간광변조기;를 포함하고, 공간광변조기는, 기존보다 아이박스의 크기가 확장된 확장형 아이박스를 제공하기 위해, 복수의 산란층을 서로 다른 깊이의 타겟 심도면에 위치시켜, 개별 홀로그래픽 픽셀의 발산각이 산란층을 단일 깊이의 타겟 심도면에 위치되는 경우보다 확대되도록 할 수 있다. According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a holographic display device includes: a plurality of light sources emitting light of a plurality of wavelengths; And a spatial light modulator that functions as a panel of a holographic display using light emitted from a plurality of light sources, wherein the spatial light modulator is configured to provide an expanded eye box with an expanded eye box size compared to the existing eye box, By placing a plurality of scattering layers in the target depth plane at different depths, the divergence angle of individual holographic pixels can be enlarged compared to when the scattering layers are located in the target depth plane at a single depth.
그리고 각각의 산란층은, 각각의 파장에 대해서만 개별적으로 반응하여, 선택적으로 산란층 역할을 수행할 수 있다. And each scattering layer can respond individually to each wavelength and selectively serve as a scattering layer.
또한, 각각의 산란층은, 별도의 활성(Active) 소자 없이, 각각의 파장에 선택적으로 반응할 수 있는 패시브(Passive) 광학소자를 이용할 수 있다. Additionally, each scattering layer can use a passive optical element that can selectively respond to each wavelength without a separate active element.
그리고 공간광변조기에서 표현되는 홀로그래픽 영상은, 각각의 파장 및 산란층까지의 거리를 고려하여 재생성되며, 공간광변조기에 의해 제공 가능한 아이박스의 폭은, 각각의 산란층에서 제공 가능한 아이박스의 최소치와 동일할 수 있다. And the holographic image expressed by the spatial light modulator is reproduced taking into account each wavelength and the distance to the scattering layer, and the width of the eyebox that can be provided by the spatial light modulator is the width of the eyebox that can be provided by each scattering layer. It may be equal to the minimum value.
또한, 각각의 산란층은, 아이피스 렌즈의 결상 특성에 따라 아이피스 렌즈로부터 서로 다른 간격을 가지도록 배치되어, 서로 다른 허상 결상면의 깊이를 제공할 수 있다. Additionally, each scattering layer is arranged to have different distances from the eyepiece lens according to the imaging characteristics of the eyepiece lens, thereby providing different depths of the virtual image imaging plane.
그리고 각각의 산란층은, 각각의 파장에 대해서만 개별적으로 반응하도록, 홀로그래픽 광학소자(Holographic optical element), 표면 부조형 격자(Surface relief grating) 및 메타 표면(meta surface) 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. And each scattering layer may be implemented with at least one of a holographic optical element, a surface relief grating, and a meta surface so that it responds individually to each wavelength. .
또한, 복수의 광원은, 서로 다른 동작 주기에 따라 스위칭되며, 단일 개체인 컴바이너(Combiner)를 거쳐 공통된 광경로로 출광될 수 있다. In addition, the plurality of light sources are switched according to different operation cycles and may emit light through a common optical path through a combiner, which is a single entity.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치는, 복수의 파장의 광을 출광하는 복수의 광원; 픽셀의 발산각이 확대된 개별 홀로그래픽 픽셀이 각각 기준빔과 신호빔으로 분할되어, 서로 다른 방향으로 출광하도록 하는 분할부; 분할부에 의해 분할되어 출광되는 신호빔의 방향을 조정하는 제1 방향조정부; 복수로 구현되되, 서로 다른 깊이의 타겟 심도면에 위치되어, 제1 방향조정부에 의해 방향이 조정된 신호빔이 입광되면, 입광된 평행광 형태의 신호빔을 산란된 광파의 형상으로 변조하되, 입광된 신호빔의 개별 홀로그래픽 픽셀의 발산각이 산란층 역할을 수행하는 광학소자를 단일 깊이의 타겟 심도면에 위치되는 경우보다 확대되도록 하는 제1 광학소자; 분할부에 의해 분할되어 출광되는 기준빔의 방향을 조정하는 제2 방향조정부; 복수로 구현되되, 서로 다른 깊이의 타겟 심도면에 위치되어, 제2 방향조정부에 의해 방향이 조정된 기준빔을 통과시키되, 입광된 기준빔의 개별 홀로그래픽 픽셀의 발산각이 산란층 역할을 수행하는 광학소자를 단일 깊이의 타겟 심도면에 위치되는 경우보다 확대되도록 하는 제2 광학소자; 및 제2 광학소자를 통과한 기준빔 및 제1 광학소자에 의해 변조된 신호빔의 간섭 패턴을 저장하는 기록매질;을 포함한다. Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, an apparatus for manufacturing a holographic optical element includes: a plurality of light sources emitting light of a plurality of wavelengths; a splitting unit that divides individual holographic pixels with enlarged divergence angles into reference beams and signal beams to emit light in different directions; a first direction adjustment unit that adjusts the direction of the signal beam divided by the splitting unit and emitted; It is implemented in plural, and is located in target depth planes of different depths, and when a signal beam whose direction is adjusted by the first direction adjustment unit enters the light, the signal beam in the form of incident parallel light is modulated into the shape of a scattered light wave, a first optical element that causes the divergence angle of the individual holographic pixels of the incident signal beam to be enlarged compared to the case where the optical element serving as a scattering layer is located in the target depth plane of a single depth; a second direction adjustment unit that adjusts the direction of the reference beam that is divided by the splitting unit and emitted; It is implemented in plural, and is located in the target depth plane at different depths, passing through a reference beam whose direction is adjusted by the second direction adjustment unit, and the divergence angle of the individual holographic pixel of the incident reference beam serves as a scattering layer. a second optical element that causes the optical element to be enlarged compared to the case where the optical element is located in the target depth plane of a single depth; and a recording medium storing the interference pattern of the reference beam that passed through the second optical element and the signal beam modulated by the first optical element.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 홀로그램 콘텐츠를 관측 가능한 아이박스를 증대시킴으로써 보다 넓은 범위에서 사용자의 홀로그램 콘텐츠 관측이 가능하도록 할 수 있다. As described above, according to embodiments of the present invention, it is possible to enable the user to observe holographic content in a wider range by increasing the eye box through which holographic content can be observed.
도 1은, 기존의 홀로그래픽 디스플레이가 예시된 도면,
도 2 내지 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 설명에 제공된 도면,
도 4는, 산란층과 아이피스 렌즈 간의 거리에 따른 가상 화면 심도의 변화의 설명에 제공된 도면,
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 시분할 구동 설명에 제공된 도면,
도 6은, 상기 도 5에 도시된 광원을 이용하여 홀로그래픽 영상의 1프레임을 3개의 광원으로 분할하여 동작하는 실시예의 설명에 제공된 도면,
도 7은, 통상적인 홀로그래픽 광학소자의 파장 선택성의 설명에 제공된 도면, 그리고
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치의 설명에 제공된 도면이다. 1 is a diagram illustrating an existing holographic display;
2 to 3 are diagrams provided to explain a holographic display device according to an embodiment of the present invention;
4 is a diagram provided to explain the change in virtual screen depth according to the distance between the scattering layer and the eyepiece lens;
5 is a diagram provided to explain time-division driving of a light source according to an embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a diagram provided to explain an embodiment of operating by dividing one frame of a holographic image into three light sources using the light source shown in FIG. 5;
7 is a diagram provided to explain the wavelength selectivity of a typical holographic optical element, and
FIG. 8 is a diagram provided to explain an apparatus for manufacturing a holographic optical element according to another embodiment of the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 2 내지 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 설명에 제공된 도면이고, 도 4는, 각각의 산란층(210-1~210-N)과 아이피스 렌즈(220) 간의 거리에 따른 가상 화면 심도의 변화의 설명에 제공된 도면이다. FIGS. 2 and 3 are diagrams provided to explain a holographic display device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing a diagram between each of the scattering layers 210-1 to 210-N and the eyepiece lens 220. This diagram is provided to explain the change in virtual screen depth according to distance.
본 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 공간광변조기(200) 등을 통하여 재생되는 홀로그램 디스플레이에서, 여러 가변 심도에 걸쳐 콘텐츠를 표현할 수 있는 능력을 잃지 않으면서도 좁은 회절각도로 인하여 제한된 아이박스를 기존보다 확장시키기 위해 마련된다.The holographic display device according to this embodiment is a holographic display reproduced through a spatial light modulator 200, etc., without losing the ability to express content across various variable depths, while maintaining a limited eye box due to a narrow diffraction angle. It is designed to expand beyond the existing one.
이를 위해, 본 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 복수의 파장의 광을 출광하는 복수의 광원(100-1~100-N) 및 복수의 광원(100-1~100-N)으로부터 출광된 광을 이용하여, 홀로그래픽 디스플레이의 패널 역할을 하는 공간광변조기(200)를 포함할 수 있다. For this purpose, the present holographic display device uses a plurality of light sources (100-1 to 100-N) that emit light of a plurality of wavelengths and light emitted from the plurality of light sources (100-1 to 100-N). , may include a spatial light modulator 200 that serves as a panel of a holographic display.
공간광변조기(200)는, 기존보다 아이박스의 크기가 확장된 확장형 아이박스를 제공하기 위해, 복수의 산란층(210-1~210-N)을 서로 다른 깊이의 타겟 심도면에 위치시켜, 개별 홀로그래픽 픽셀의 발산각이 산란층을 단일 깊이의 타겟 심도면에 위치되는 경우보다 확대되도록 할 수 있다. 여기서, 복수의 산란층(210-1~210-N)은, 깊이(심도)가 가장 얕은 P1의 산란층(210-1)부터 깊이(심도)가 가장 깊은 Pn까지의 산란층(210-N)으로 구성될 수 있다. The spatial light modulator 200 positions a plurality of scattering layers (210-1 to 210-N) in the target depth plane at different depths to provide an expanded eye box with an expanded eye box size than before. The divergence angle of the individual holographic pixels can cause the scattering layer to be magnified compared to if it were located in a single depth target depth plane. Here, the plurality of scattering layers (210-1 to 210-N) are from the scattering layer (210-1) of P1, which has the shallowest depth, to Pn, which has the deepest depth (210-N). ) can be composed of.
각각의 산란층(210-1~210-N)은, 각각의 파장(λ1~λn)에 대해서만 개별적으로 반응하여, 선택적으로 산란층(210-1~210-N) 역할을 수행할 수 있으며, 그 외 파장의 빛에 대해서는 반응하지 않는 특성을 지닌다.Each scattering layer (210-1 to 210-N) reacts individually only to each wavelength (λ1 to λn) and can selectively serve as a scattering layer (210-1 to 210-N). It has the characteristic of not reacting to light of other wavelengths.
예를 들면, RGB(Red-Green-Blue) 각 색상에 해당하는 파장의 광(레이저)을 복수의 광원(100-1~100-N)이 출광하는 경우, 산란층(210-1~210-N)은, 3개로 구성되며, 각각의 산란층(210-1~210-N)은, Red 색상의 파장에 대해서만 반응하는 R산란층, Green 색상의 파장에 대해서만 반응하는 G산란층, Blue색상의 파장에 대해서만 반응하는 B산란층으로 구현될 수 있다. For example, when a plurality of light sources (100-1 to 100-N) emit light (laser) of wavelengths corresponding to each color of RGB (Red-Green-Blue), the scattering layer (210-1 to 210- N) is composed of three, and each scattering layer (210-1 to 210-N) is an R scattering layer that responds only to red-colored wavelengths, a G-scattering layer that responds only to green-colored wavelengths, and a blue-colored layer. It can be implemented as a B scattering layer that responds only to wavelengths of
다른 예를 들면, RGB(Red-Green-Blue) 각 색상에 해당하는 파장의 광(레이저)을 복수의 광원(100-1~100-N)이 출광하는 경우, 산란층(210-1~210-N)은, 9개로 구성되며, 이 경우, Red 색상의 파장에 대해서만 반응하되, 서로 간에 조금씩 다른 파장에 대하여 반응하는 R1, R2, R3 산란층, Green 색상의 파장에 대해서만 반응하되, 서로 간에 조금씩 다른 파장에 대하여 반응하는 G1, G2, G3 산란층, Blue색상의 파장에 대해서만 반응하되, 서로 간에 조금씩 다른 파장에 대하여 반응하는 B1, B2, B3 산란층으로 구현될 수 있다. For another example, when a plurality of light sources (100-1 to 100-N) emit light (laser) of wavelengths corresponding to each color of RGB (Red-Green-Blue), the scattering layer (210-1 to 210) -N) is composed of 9, and in this case, R1, R2, and R3 scattering layers, which react only to red-colored wavelengths, but react to slightly different wavelengths from each other, and react only to green-colored wavelengths, but to each other. It can be implemented as G1, G2, and G3 scattering layers that respond to slightly different wavelengths, and B1, B2, and B3 scattering layers that respond only to blue-colored wavelengths, but react to slightly different wavelengths.
이를 통해, 개별 홀로그래픽 픽셀의 발산각이 산란층을 단일 깊이의 타겟 심도면에 위치되는 경우보다 확대되도록 할 수 있다. Through this, the divergence angle of individual holographic pixels can be enlarged compared to the case where the scattering layer is located in the target depth plane at a single depth.
이러한 각각의 산란층(210-1~210-N)은, 각각의 파장에 대해서만 개별적으로 반응하도록, 홀로그래픽 광학소자(Holographic optical element), 표면 부조형 격자(Surface relief grating) 및 메타 표면(meta surface) 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. Each of these scattering layers (210-1 to 210-N) uses a holographic optical element, a surface relief grating, and a meta surface to individually react only to each wavelength. surface) can be implemented with at least one of the following:
또한, 각각의 산란층(210-1~210-N)은, 별도의 활성(Active) 소자 없이, 각각의 파장에 선택적으로 반응할 수 있는 패시브(Passive) 광학소자를 이용할 수 있다. Additionally, each scattering layer (210-1 to 210-N) can use a passive optical element that can selectively respond to each wavelength without a separate active element.
도 2에 도시된 바와 같이 파장 λ1으로 재현된 홀로그래픽 영상은 P2~Pn까지의 산란층(210-1~210-N)을 모두 통과하여 P1에서 산란되며, 이때, 산란각 θ1은 기존 SLM의 회절각 대비 매우 큰 값을 제공함으로써 충분한 크기의 아이박스를 제공할 수 있다. As shown in Figure 2, the holographic image reproduced at wavelength λ1 passes through all of the scattering layers (210-1 to 210-N) from P2 to Pn and is scattered at P1, and at this time, the scattering angle θ1 is that of the existing SLM. By providing a very large value compared to the diffraction angle, an eyebox of sufficient size can be provided.
마찬가지로, 도 3에 예시된 바와 같이 λn의 파장으로 홀로그래픽 영상을 재현할 경우, 해당 영상은 Pn에서 산란되며 P1~Pn-1의 산란층(210-1~210-N)을 통과하여 사용자에게 전달될 수 있다. Likewise, when a holographic image is reproduced with a wavelength of λn as illustrated in FIG. 3, the image is scattered at Pn and passes through the scattering layers (210-1 to 210-N) of P1 to Pn-1 to the user. It can be delivered.
이때 공간광변조기(200)에서 표현되는 홀로그래픽 영상은 각각의 파장 및 산란층(210-1~210-N)까지의 거리를 고려하여 재생성될 수 있다. 최종적으로 제공 가능한 아이박스의 폭은 각각의 산란층(210-1~210-N)에서 제공 가능한 아이박스의 최소치와 같다.At this time, the holographic image expressed by the spatial light modulator 200 can be reproduced taking into account each wavelength and the distance to the scattering layers 210-1 to 210-N. The final width of the eyebox that can be provided is equal to the minimum value of the eyebox that can be provided in each scattering layer (210-1 to 210-N).
또한, 각각의 산란층(210-1~210-N)은, 아이피스 렌즈(220)의 결상 특성에 따라 아이피스 렌즈(220)로부터 서로 다른 간격을 가지도록 배치되어, 서로 다른 허상 결상면의 깊이를 제공할 수 있다. In addition, each scattering layer (210-1 to 210-N) is arranged to have different distances from the eyepiece lens 220 according to the imaging characteristics of the eyepiece lens 220, so as to provide different depths of the virtual image imaging plane. can be provided.
구체적으로, 각각의 산란층(210-1~210-N)은 아이피스 렌즈(220)로부터 각각 g1~gn까지의 서로 다른 간격을 가지고 배치되는데, 아이피스 렌즈(220)의 결상 특성에 따라 작은 간격을 가지고 배치되는 산란층(210-1~210-N)이라 하더라도 넓은 범위에 걸쳐 서로 다른 허상 결상면의 깊이를 제공할 수 있다. Specifically, each scattering layer (210-1 to 210-N) is arranged with different intervals from g1 to gn from the eyepiece lens 220, and the spacing is small depending on the imaging characteristics of the eyepiece lens 220. Even the scattering layers (210-1 to 210-N) arranged with each other can provide different depths of virtual image formation surfaces over a wide range.
예를 들어, 도 4에 예시된 바와 같이, 1mm 이내의 간격을 가지는 산란층(210-1~210-N)들을 이용하더라도 아이피스 렌즈(220)를 통하여 확대된 허상면은 통상적인 증강현실 사용자의 심도 사용 범위(사용자 전면의 약 25cm ~ 무한대)를 모두 포함할 수 있다.For example, as illustrated in FIG. 4, even if scattering layers 210-1 to 210-N having a spacing of less than 1 mm are used, the virtual image surface enlarged through the eyepiece lens 220 is similar to that of a typical augmented reality user. It can cover the entire depth of field range (approximately 25 cm in front of the user to infinity).
따라서, 본 발명은 기존 홀로그래픽 디스플레이가 제공가능하는 심도 가변에 따른 입체 효과를 잃지 않으면서도 산란층(210-1~210-N)을 이용하여 넓은 아이박스를 제공할 수 있다. Therefore, the present invention can provide a wide eye box using the scattering layers 210-1 to 210-N without losing the three-dimensional effect due to the variable depth that can be provided by existing holographic displays.
도 5은, 본 발명의 일 실시예에 따른 광원(100)의 시분할 구동 설명에 제공된 도면이다. FIG. 5 is a diagram provided to explain time-division driving of the light source 100 according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광원(100)은, 복수의 파장의 (레이저) 광원(100)을 기반으로 파장을 선택하여 제공하기 위해, 컨트롤러(110)와 컴바이너(120)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5, the light source 100 according to an embodiment of the present invention includes a controller 110 and a combiner to select and provide wavelengths based on the (laser) light source 100 of a plurality of wavelengths. It may include (120).
구체적으로, 도 5에 예시된 바와 같이, 복수의 광원(100-1~100-N)은 광파이버 또는 Freespace 커플링을 통하여 하나의 컴바이너(120)를 거쳐 공통된 광경로로 출광될 수 있다. Specifically, as illustrated in Figure 5, a plurality of light sources (100-1 to 100-N) may emit light through a common optical path through one combiner 120 through optical fiber or freespace coupling.
이때, 각각의 광원(100-1~100-N)이 (레이저) 컴바이너(120)로 커플링되기에 앞서 개별 컨트롤러(110)(단락용 스위치, 광 Block 등으로 구현될 수 있음)를 거치며, 시간 축 상에서 빠르게 스위칭되며 λ1~λn에 해당하는 파장을 시분할하여 제공하는 기능을 수행할 수 있다. At this time, before each light source (100-1 to 100-N) is coupled to the (laser) combiner 120, an individual controller 110 (can be implemented as a short-circuit switch, optical block, etc.) It switches quickly on the time axis and can perform the function of providing wavelengths corresponding to λ1 to λn by time division.
이를 통해, 복수의 광원(100-1~100-N)은, 서로 다른 동작 주기에 따라 스위칭되며, 단일 개체인 컴바이너(120)를 거쳐 공통된 광경로로 출광될 수 있다. Through this, the plurality of light sources (100-1 to 100-N) are switched according to different operation cycles and can emit light through a common optical path through the combiner 120, which is a single entity.
도 6은, 상기 도 5에 도시된 광원(100)을 이용하여 서로 다른 동작 주기에 따라 스위칭되는 시분할 구동을 통해 동작하는 컴바이너(120)에 대하여 홀로그래픽 영상의 1 프레임을 총 3개의 레이저 광원(100)으로 분할하여 동작하는 예시를 나타낸 도면이다. FIG. 6 shows one frame of a holographic image for a combiner 120 operating through time division driving switched according to different operation cycles using the light source 100 shown in FIG. 5 with a total of three lasers. This is a diagram showing an example of operation by dividing into light sources 100.
도 6을 참조하면, 해당 광원(100)의 동작 주기에 맞추어, 공간광변조기(200) 상에서의 홀로그램 패턴 역시도 설계된 파장 및 파장 선택적 산란층(210-1~210-N)의 거리에 따라 다르게 생성되어 빠르게 변화되어야 한다. Referring to FIG. 6, in accordance with the operation cycle of the light source 100, the hologram pattern on the spatial light modulator 200 is also generated differently depending on the designed wavelength and the distance of the wavelength selective scattering layers 210-1 to 210-N. It must change quickly.
도 7는, 통상적인 홀로그래픽 광학소자의 파장 선택성의 설명에 제공된 도면이고, 도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치의 설명에 제공된 도면이다. FIG. 7 is a diagram provided to explain the wavelength selectivity of a typical holographic optical element, and FIG. 8 is a diagram provided to explain an apparatus for manufacturing a holographic optical element according to another embodiment of the present invention.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 산란층(210-1~210-N)(파장 선택적 산란층)은 홀로그래픽 광학소자에 적용이 가능하다. Meanwhile, the scattering layer (210-1 to 210-N) (wavelength selective scattering layer) according to an embodiment of the present invention can be applied to a holographic optical device.
구체적으로, 홀로그래픽 광학소자는 서로 다른 방향에서 입광하는 두 평면파(기준빔 및 신호빔)의 간섭 패턴을 기록매질(360)(예: 포토폴리머, 광굴절폴리머, 실버할라이드 등)에 기록함으로써 제작될 수 있다.Specifically, the holographic optical element is manufactured by recording the interference pattern of two plane waves (reference beam and signal beam) incident from different directions on the recording medium 360 (e.g. photopolymer, photorefractive polymer, silver halide, etc.) It can be.
이때, 기록된 간섭 패턴은 홀로그래픽 기록매질(360) 내에 주기적으로 반복되는 형태의 체적 격자(Volume grating)을 형성하며, 추후 재생 단계에서 입광하는 투사빔이 체적 격자의 브래그 조건(Bragg condition)을 만족할 경우 회절 현상을 통하여 재생빔을 출력할 수 있다. At this time, the recorded interference pattern forms a periodically repeating volume grating in the holographic recording medium 360, and the incident beam in the later reproduction stage meets the Bragg condition of the volume grating. If satisfactory, the reproduction beam can be output through the diffraction phenomenon.
만일, 입광하는 빛이 기록된 체적 격자의 브래그 조건에서 벗어날 경우, 별도의 회절은 발생하지 않고 그대로 투과하게 되는 특성을 가지게 되며 이를 파장 및 각도 선택성이라 한다. If the incident light deviates from the Bragg condition of the recorded volume grating, it has the characteristic of being transmitted as is without any separate diffraction, which is called wavelength and angle selectivity.
본 발명에서는 이러한 홀로그래픽 광학소자의 파장 선택성을 활용할 수 있다. In the present invention, the wavelength selectivity of this holographic optical device can be utilized.
도 7은 통상적인 홀로그래픽 광학소자의 파장 선택성을 보여주는데, 설계된 파장(도 7의 λr) 대비 약 +/- 7.5nm 의 파장 편차만 발생하더라도 회절 효율이 반 이하로 감소함을 알 수 있다. Figure 7 shows the wavelength selectivity of a typical holographic optical device. It can be seen that even if there is only a wavelength deviation of about +/- 7.5 nm compared to the designed wavelength (λr in Figure 7), the diffraction efficiency is reduced by less than half.
따라서, 해당 수치 이상의 파장 간격을 가지는 복수의 홀로그래픽 광학소자 산란층(210-1~210-N)을 적용하여 본 발명을 구현할 수 있다.Therefore, the present invention can be implemented by applying a plurality of holographic optical element scattering layers (210-1 to 210-N) having a wavelength interval greater than the corresponding value.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른, 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치는, 홀로그래픽 광학소자에 기반한 파장 선택적 산란층(210-1~210-N)을 기록하기 위하여, 신호빔과 기준빔의 2종 경로(패스)로 구성되어 홀로그래픽 매질 위치에서 간섭을 일으키도록 설계되며, 이를 위해, 광원(100), 분할부(310), 제1 방향조정부(320), 제1 광학소자(330), 제2 방향조정부(340), 제2 광학소자(350) 및 기록매질(360)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 8, the apparatus for manufacturing a holographic optical element according to this embodiment uses a signal beam and a reference beam to record wavelength-selective scattering layers (210-1 to 210-N) based on the holographic optical element. It is designed to cause interference at the location of the holographic medium by consisting of two types of paths, and for this purpose, the light source 100, the dividing part 310, the first direction adjusting part 320, and the first optical element 330 ), a second direction adjustment unit 340, a second optical element 350, and a recording medium 360.
광원(100)은, 복수로 구현되어, λ1~λn에 해당하는 파장의 광을 출광할 수 있으나, 경우에 따라서는 복수가 아닌 단독(단일 파장의 레이저)으로 구현될 수도 있다. 단일 파장의 레이저를 사용하여 λ1~λn에 선택적인 산란층(210-1~210-N)을 기록하는 경우에는, 기록 파장 및 재생 파장 간의 파장 편차에 따라 기록 격자를 각도적으로 보상해주어야 한다. The light source 100 may be implemented as a plurality of light sources and may emit light with a wavelength corresponding to λ1 to λn. However, in some cases, the light source 100 may be implemented singly (a single wavelength laser) rather than as a plurality of light sources. When recording a selective scattering layer (210-1 to 210-N) in λ1 to λn using a single wavelength laser, the recording grid must be angularly compensated according to the wavelength deviation between the recording and reproducing wavelengths.
분할부(310)는, 픽셀의 발산각이 확대된 개별 홀로그래픽 픽셀이 각각 기준빔과 신호빔으로 분할되어, 서로 다른 방향으로 출광하도록 할 수 있다. The splitter 310 may divide individual holographic pixels with enlarged divergence angles into reference beams and signal beams, so that they emit light in different directions.
제1 방향조정부(320)는, 분할부(310)에 의해 분할되어 출광되는 신호빔의 방향을 조정하기 위해 마련되며, 제1 광학소자(330)는, 복수로 구현되되, 서로 다른 깊이의 타겟 심도면에 위치되어, 제1 방향조정부(320)에 의해 방향이 조정된 신호빔이 입광되면, 입광된 평행광 형태의 신호빔을 산란된 광파의 형상으로 변조하되, 입광된 신호빔의 개별 홀로그래픽 픽셀의 발산각이 산란층 역할을 수행하는 광학소자를 단일 깊이의 타겟 심도면에 위치되는 경우보다 확대되도록 할 수 있다. The first direction adjustment unit 320 is provided to adjust the direction of the signal beam that is divided and emitted by the splitter 310, and the first optical elements 330 are implemented in plural, with targets of different depths. When a signal beam located in the depth plane and whose direction has been adjusted by the first direction adjustment unit 320 enters the light, the signal beam in the form of incident parallel light is modulated into the shape of a scattered light wave, but The divergence angle of the graphic pixel can be enlarged compared to the case where the optical element serving as a scattering layer is located in the target depth plane of a single depth.
구체적으로, 제1 광학소자(330)는, 제1 방향조정부(320)에 탑재되어, 입광된 평행광을 산란된 광파의 형상으로 변조할 수 있도록 Film형 diffuser, Ground diffuser, 간유리, 혹은 매우 작은 피치의 마이크로렌즈 어레이 등으로 구현될 수 있다. Specifically, the first optical element 330 is mounted on the first direction adjustment unit 320 and is made of a film-type diffuser, ground diffuser, ground glass, or ultraviolet light to modulate the incident parallel light into the shape of a scattered light wave. It can be implemented with a small pitch microlens array, etc.
제2 방향조정부(340)는, 분할부(310)에 의해 분할되어 출광되는 기준빔의 방향을 조정하기 위해 마련되고, 제2 광학소자(350)는, 복수로 구현되되, 서로 다른 깊이의 타겟 심도면에 위치되어, 제2 방향조정부(340)에 의해 방향이 조정된 기준빔을 통과시킬 수 있으며, 입광된 기준빔의 개별 홀로그래픽 픽셀의 발산각이 산란층 역할을 수행하는 광학소자를 단일 깊이의 타겟 심도면에 위치되는 경우보다 확대되도록 할 수 있다. The second direction adjustment unit 340 is provided to adjust the direction of the reference beam that is divided and emitted by the splitter 310, and the second optical elements 350 are implemented in plurality, with targets of different depths. It is located in the depth plane and can pass the reference beam whose direction is adjusted by the second direction adjustment unit 340, and the divergence angle of the individual holographic pixel of the incident reference beam is used to create a single optical element that serves as a scattering layer. The depth can be enlarged compared to the case where it is located in the target depth plane.
그리고 제2 방향조정부(340)는, 상하좌우로의 회전이동을 지원하기 위하여 최소 1축 이상의 미세한 회전 기능을 지원하여야 하며, 제2 광학소자(350)를 거쳐 홀로그래픽 디스플레이의 투사각도 및 파면을 모사할 수 있도록 변조되어야 한다. 이때, 제2 광학소자(350)는, Galvo Mirror, MEMS Mirror 등을 이용한 2축 전동 스캐닝 장치로 구현될 수 있다. And the second direction adjustment unit 340 must support a fine rotation function of at least one axis to support rotational movement up, down, left, and right, and adjusts the projection angle and wave front of the holographic display through the second optical element 350. It must be modulated so that it can be copied. At this time, the second optical element 350 may be implemented as a two-axis motorized scanning device using a galvo mirror, MEMS mirror, etc.
기록매질(360)은, 제2 광학소자(350)를 통과한 기준빔 및 제1 광학소자(330)에 의해 변조된 신호빔의 간섭 패턴을 저장할 수 있다.The recording medium 360 can store the interference pattern of the reference beam that passed through the second optical element 350 and the signal beam modulated by the first optical element 330.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been shown and described, but the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and may be used in the technical field to which the invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be understood individually from the technical idea or perspective of the present invention.
100 : 광원
110 : 컨트롤러
120 : 컴바이너(Combiner)
200 : 공간광변조기(SLM)
210 : 산란층
220 : 아이피스(Eyepiece) 렌즈
310 : 분할부
320 : 제1 방향조정부
330 : 제1 광학소자
340 : 제2 방향조정부
350 : 제2 광학소자
360 : 기록매질100: light source
110: controller
120: Combiner
200: Spatial light modulator (SLM)
210: scattering layer
220: Eyepiece lens
310: division part
320: First direction adjustment unit
330: first optical element
340: Second direction adjustment unit
350: second optical element
360: recording medium
Claims (8)
복수의 광원으로부터 출광된 광을 이용하여, 홀로그래픽 디스플레이의 패널 역할을 하는 공간광변조기;를 포함하고,
공간광변조기는,
기존보다 아이박스의 크기가 확장된 확장형 아이박스를 제공하기 위해, 복수의 산란층을 서로 다른 깊이의 타겟 심도면에 위치시켜, 개별 홀로그래픽 픽셀의 발산각이 산란층을 단일 깊이의 타겟 심도면에 위치되는 경우보다 확대되도록 하고,
각각의 산란층은,
각각의 파장에 대해서만 개별적으로 반응하여, 선택적으로 산란층 역할을 수행하며,
각각의 산란층은,
별도의 활성(Active) 소자 없이, 각각의 파장에 선택적으로 반응할 수 있는 패시브(Passive) 광학소자를 이용하고,
공간광변조기에서 표현되는 홀로그래픽 영상은,
각각의 파장 및 산란층까지의 거리를 고려하여 재생성되며,
공간광변조기에 의해 제공 가능한 아이박스의 폭은,
각각의 산란층에서 제공 가능한 아이박스의 최소치와 동일하고,
각각의 산란층은,
각각의 파장에 대해서만 개별적으로 반응하도록, 홀로그래픽 광학소자(Holographic optical element), 표면 부조형 격자(Surface relief grating) 및 메타 표면(meta surface) 중 적어도 하나로 구현되고,
각각의 산란층은,
RGB(Red-Green-Blue) 각 색상에 해당하는 파장의 광을 복수의 광원이 출광하는 경우, 3개 또는 9개로 구성되며,
3개로 구성되는 경우, Red 색상의 파장에 대해서만 반응하는 R 산란층, Green 색상의 파장에 대해서만 반응하는 G 산란층 및 Blue 색상의 파장에 대해서만 반응하는 B 산란층으로 구성되고,
9개로 구성되는 경우, Red 색상의 파장에 대해서만 반응하되, 서로 간에 다른 파장에 대하여 반응하는 R1, R2, R3 산란층, Green 색상의 파장에 대해서만 반응하되, 서로 간에 다른 파장에 대하여 반응하는 G1, G2, G3 산란층 및 Blue색상의 파장에 대해서만 반응하되, 서로 간에 다른 파장에 대하여 반응하는 B1, B2, B3 산란층으로 구성되며,
복수의 광원은,
서로 다른 동작 주기에 따라 스위칭되며, 단일 개체인 컴바이너(Combiner)를 거쳐 공통된 광경로로 출광되고,
각각의 산란층은,
아이피스 렌즈의 결상 특성에 따라 아이피스 렌즈로부터 서로 다른 간격을 가지도록 배치되어, 서로 다른 허상 결상면의 깊이를 제공하며,
아이피스 렌즈를 통하여 확대된 허상면은
아이피스 렌즈로부터 1mm 이내의 서로 다른 간격을 가지는 각각의 산란층을 이용하는 경우, 사용자 전면의 25cm 이상에 해당하는 사용자의 심도 사용 범위를 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.A plurality of light sources emitting light of a plurality of wavelengths; and
A spatial light modulator that functions as a panel of a holographic display using light emitted from a plurality of light sources,
The spatial light modulator,
In order to provide an expanded eyebox with an expanded eyebox size than before, a plurality of scattering layers are placed in the target depth plane at different depths, so that the divergence angle of each holographic pixel changes the scattering layer to a target depth plane of a single depth. Make it larger than when it is located in,
Each scattering layer is,
It responds individually to each wavelength and selectively acts as a scattering layer.
Each scattering layer is,
Using passive optical elements that can selectively respond to each wavelength without a separate active element,
The holographic image expressed by the spatial light modulator is,
It is regenerated considering each wavelength and the distance to the scattering layer,
The width of the eyebox that can be provided by the spatial light modulator is:
It is equal to the minimum value of the eyebox that can be provided in each scattering layer,
Each scattering layer is,
Implemented with at least one of a holographic optical element, a surface relief grating, and a meta surface to respond individually to each wavelength,
Each scattering layer is,
When multiple light sources emit light of wavelengths corresponding to each RGB (Red-Green-Blue) color, it consists of 3 or 9 light sources.
When composed of three, it consists of an R scattering layer that responds only to red-colored wavelengths, a G-scattering layer that responds only to green-colored wavelengths, and a B-scattering layer that responds only to blue-colored wavelengths.
When composed of 9, scattering layers R1, R2, and R3 react only to red-colored wavelengths, but react to different wavelengths; G1, which responds only to green-colored wavelengths, but reacts to different wavelengths; It consists of G2, G3 scattering layers and B1, B2, and B3 scattering layers that react only to blue color wavelengths, but react to different wavelengths.
Multiple light sources,
It is switched according to different operation cycles and is emitted into a common optical path through a single entity, the combiner.
Each scattering layer is,
Depending on the imaging characteristics of the eyepiece lens, they are arranged at different distances from the eyepiece lens to provide different depths of the virtual image forming plane.
The virtual image plane magnified through the eyepiece lens is
A holographic display device, characterized in that when using individual scattering layers having different intervals of less than 1 mm from the eyepiece lens, the entire depth of field usage range of the user corresponding to 25 cm or more in front of the user is included.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |