KR102661285B1 - 콘텍트 렌즈형 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 시스템 - Google Patents

콘텍트 렌즈형 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 시스템 Download PDF

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Abstract

콘텍트 렌즈형 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기 설정된 공간 상에서 사용자에게 필요한 정보를 홀로그램 영상으로 출력하는 시스템에 있어서, 사용자의 안구에 장착되며, 외부로부터 간섭무늬를 수신하여 사용자가 홀로그램 영상을 인지할 수 있도록 하는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈 및 상기 기 설정된 공간 내에 장착되어, 사용자가 착용하고 있는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈로 홀로그램 영상에 대응되는 간섭무늬를 출력하는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 제공한다.

Description

콘텍트 렌즈형 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 시스템{Contact Lens Type Projection Holographic Display Apparatus and System}
본 발명은 콘텍트 렌즈 형태를 갖는 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
헤드업 디스플레이 장치(Head-up Display)는 조종사나 운전자의 주시선 위치에 주행에 필요한 다양한 정보를 외부 시야와 함께 중첩시켜 허상으로서 표시하는 전방 시현 장치이다. 헤드업 디스플레이 장치가 별도의 투명 표시창을 구비하여, 투명 표시판에 증강현실 영상을 출력할 수도 있고, 차량 전면 윈드쉴드 글라스로 직접 증강현실 영상을 출력할 수도 있다.
이와 같은 헤드업 디스플레이 장치는 조종사나 운전자가 주행에 있어 필요한 정보를 확인하기 위해 다른 장소로 시선을 이동시킬 필요없이, 주행을 위한 시야 범위 내에 필요한 정보가 출력될 수 있다.
다만, 이러한 헤드업 디스플레이 장치는 윈드쉴드 글라스나 투명 표시판에 증강현실 영상이 출력되기 때문에, 외부로부터 강한 태양광이 입사할 경우, 운전자가 인지하기 곤란한 불편이 존재한다. 또한, 헤드업 디스플레이 장치는 차량 내 대쉬보드 부근에 장착되기 때문에, 운전자가 정자세에서 헤드업 디스플레이를 주시해야 하는 불편함이 있고, 차량에서 발생하는 진동에 의해 출력되는 영상도 함께 진동하는 불편이 존재한다. 기존의 차량용 헤드업 디스플레이는 심도가 특정지점에 고정되어 있어 입체영상의 구현이 불가능하며, 운전자가 헤드업 디스플레이 영상을 주시할때에는 도로 상황을 동시에 관찰하기 어렵다. 반면 홀로그램 영상 기술은 완벽한 입체 구현이 가능하기 때문에 운전자에게 실제와 동일한 자연스러운 영상 제공이 가능하다.
이러한 다양한 불편이 존재하여, 운전자 등이 시선을 이동시키지 않으면서도 자연스러운 증강현실 영상을 확인할 수 있도록 하는 새로운 장치에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 일 실시예는, 콘텍트 렌즈 형으로 구현되어, 사용자에 착용되어 증강현실 영상으로 프로젝션 홀로그램 영상을 출력하는 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기 설정된 공간 상에서 사용자에게 필요한 정보를 홀로그램 영상으로 출력하는 시스템에 있어서, 사용자의 안구에 장착되며, 외부로부터 간섭무늬를 수신하여 사용자가 홀로그램 영상을 인지할 수 있도록 하는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈 및 상기 기 설정된 공간 내에 장착되어, 사용자가 착용하고 있는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈로 홀로그램 영상에 대응되는 간섭무늬를 출력하는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 홀로그래픽 콘텍트 렌즈는 콘텍트 렌즈 및 입사하는 간섭무늬를 회절시키거나 굴절시켜 사용자의 안구로 회절광을 입사시키는 파면제어 광학소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 파면제어 광학소자는 상기 콘텍트 렌즈의 바깥쪽 커브에 부착되되거나 상기 콘텍트 렌즈 내에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 파면제어 광학소자를 거치며 사용자가 홀로그램 영상으로 인지할 수 있도록 하는 간섭무늬를 출력하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 간섭무늬로 변조될 광을 출력하는 광원 및 상기 광원에서 출력된 광을 수신하여, 기 설정된 간섭무늬로 변조시키는 광학계를 포함하며, 상기 기 설정된 간섭무늬는 기 설정된 거리를 지나 회절할 경우, 인간에게 홀로그램 영상으로 인지될 수 있도록 설정된 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광학계는 수신되는 광을 상기 기 설정된 간섭무늬로 변조시키는 공간 광 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 공간 광 변조기는 입사하는 광을 기 설정된 간섭무늬로 변조시킬 수 있도록 계산된 변조패턴(CGH: Computer Generated Hologram)을 저장하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 외부로부터 간섭무늬를 수신하여 사용자가 홀로그램 영상으로 인지할 수 있도록 하는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈에 있어서, 수신되는 간섭무늬를 회절시키거나 굴절시키는 파면제어 광학소자 및 상기 사용자에게 장착되어, 상기 파면제어 광학소자로부터 회절된 간섭무늬를 사용자의 안구로 입사시키는 콘텍트 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 파면제어 광학소자는 홀로그래픽 광학소자(HOE), 회절 광학소자(DOE) 또는 메타 소자인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 파면제어 광학소자는 상기 콘텍트 렌즈의 바깥쪽 커브에 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 파면제어 광학소자를 거치며 사용자가 홀로그램 영상으로 인지할 수 있도록 하는 간섭무늬를 출력하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 간섭무늬로 변조될 광을 각각 서로 다른 각도로 출력하는 복수의 광원과 어느 하나의 광원에서 출력된 광을 수신하여, 기 설정된 간섭무늬로 변조시키는 광학계 및 상기 복수의 광원 중 어느 하나가 광을 출력하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광학계는 수신되는 광을 상기 기 설정된 간섭무늬로 변조시키는 공간 광 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 공간 광 변조기는 입사하는 광을 기 설정된 간섭무늬로 변조시킬 수 있도록 계산된 변조패턴(CGH: Computer Generated Hologram)을 저장하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기 설정된 공간 상에서 사용자에게 필요한 정보를 홀로그램 영상으로 출력하는 시스템에 있어서, 간섭무늬로 변조될 광을 각각 서로 다른 각도로 출력하는 복수의 광원과 각 광원에서 출력된 광을 수신하여, 기 설정된 간섭무늬로 변조시키는 광학계와 광이 입사되는 방향으로 사용자의 안구 전방에 배치되는 콘텍트 렌즈 및 상기 콘텍트 렌즈의 바깥쪽 커브에 부착되거나 렌즈 내부에 삽입되어, 입사하는 간섭무늬를 회절시켜 사용자의 동공으로 입사시키는 파면제어 광학소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 파면제어 광학소자는 상기 복수의 광원에 의해 상기 기 설정된 간섭무늬를 회절시킬 간섭패턴이 기록되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템은 상기 복수의 광원 각각의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 외부환경에 의한 영향을 최소화하며, 사용자에게 홀로그램 영상을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 콘텍트 렌즈의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 파면제어 광학소자에 간섭패턴이 기록되는 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 파면제어 광학소자로 입사되는 입사광의 위치에 따른 회절 효율을 도시한 도면이다.
도 6은 파면제어 광학소자로 입사되는 입사광의 방향에 따른 출력화면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치가 일정 수준의 회절효율을 확보하기 위해 동작하는 모습을 도시한 도면이다.
도 9는 파면제어 광학소자에 입사하는 광의 입사각과 파장에 따른 회절효율을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치가 일정 수준의 회절효율을 확보하기 위해 동작하는 모습을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템(100, 이하에서 '디스플레이 시스템'으로 약칭함)은 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치(110, 이하에서, '디스플레이 장치'로 약칭함) 및 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)를 포함한다.
디스플레이 시스템(100)은 일정 공간 상에서 사용자에게 필요한 정보 등을 홀로그램 영상(증강현실 영상)으로 출력하는 시스템이다. 사용자는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)를 장착하며, 디스플레이 장치(110)로부터 출력되는 간섭무늬를 수신함으로써, 홀로그램 영상을 확인할 수 있다. 디스플레이 장치(110)는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)로 영상을 조사할 수 있는 위치면 어디에 장착되어도 무방하기에, 전술한 조건을 만족한다면 외부 환경에 의한 영향을 최소화하는 위치에 배치될 수 있다.
여기서, 일정 공간은 사용자가 위치하여 홀로그램 영상을 수신받을 필요가 있는 공간은 모두 해당할 수 있으며, 대표적인 예로서 도 1에 도시된 바와 같이 차량 안일 수 있다. 디스플레이 시스템(100)은 차량 내에 장착되어 사용자에게 운전에 관한 정보를 제공할 수 있다. 이처럼 동작할 경우, 디스플레이 시스템(100)은 기존에 차량 내 장착되어 운전자에게 필요한 정보를 제공하는 헤드업 디스플레이를 대체할 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 디스플레이 시스템(100)이 사용자에게 증강현실 영상으로 정보를 전달할 수 있는 장소라면 어떠한 장소에 배치되어 동작하여도 무방하다.
디스플레이 장치(110)에 대한 보다 구체적인 설명은 도 2를 참조하여 후술한다.
홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)는 사용자의 안구에 장착되어 디스플레이 장치(110)로부터 출력되는 간섭무늬를 수신하여, 사용자가 홀로그램 영상을 인지할 수 있도록 한다. 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)는 파면제어 광학소자(Wavefront Modulation Optical Component, 도 3을 참조하여 후술)가 콘택트 렌즈의 광이 입사하는 최초의 표면에 부착되거나, 렌즈 내부에 삽입되거나, 혹은 임프린팅 기술에 의해 파면제어 광학소자의 광학적 특징이 컨택트 렌즈 표면에 스탬핑됨으로서 구현된다. 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)는 수신되는 간섭무늬를 회절시킨다. 파면제어 광학소자에 의해 간섭무늬에 회절이 발생하며 사용자의 안구로 입사하게 되고, 사용자의 안구로 입사한 간섭무늬는 회절에 의해 홀로그램 영상으로 인지된다. 파면제어 광학소자는 자신으로 입사하는 광 또는 간섭무늬 등을 회절시키거나 굴절시키는 소자로서, 파면제어 광학소자(HOE: Holographic Optical Element), 회절 광학소자(DOE: Diffractive Optical Element) 또는 메타소자 등일 수 있다.
다만, 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)의 특성상 사각형 형태를 가질 수는 없으며, 반드시 곡률을 갖게 된다. 이로 인해, 콘텍트 렌즈의 표면에 부착되거나 콘텍트 렌즈 내에 삽입된 파면제어 광학소자 역시 곡률을 갖게 된다. 이로 인해, 파면제어 광학소자로 입사하는 광은 입사 위치마다 입사각이 상이해진다. 파면제어 광학소자의 각 위치로 입사하는 입사광의 입사각이 상이해지며, 파면제어 광학소자의 각 위치에서의 회절효율이 상이해지는 문제가 발생한다. 파면제어 광학소자에서 간섭패턴이 기록될 때의 참조광의 입사각과 동일하게 입사광이 입사할 경우, 파면제어 광학소자는 최적의 회절효율을 확보할 수 있다. 그러나 전술한 대로, 파면제어 광학소자가 곡률을 갖게 되며, 파면제어 광학소자로의 입사각이 (기록될 때의) 참조광의 입사각과 달라지며 회절효율이 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 회절효율의 저하는 사용자로 하여금 온전히 홀로그램 영상의 시청을 방해하기 때문에 지양되어야 한다. 디스플레이 장치(110) 또는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)는 이처럼 회절효율의 저하를 최소화하여 사용자가 온전히 홀로그램 영상을 시청할 수 있도록 한다. 디스플레이 장치(110) 또는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)가 회절효율의 저하를 최소화하는 구조에 대해서는 도 3 내지 도 10을 참조하여 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치(110)는 광원(210), 광학계(270) 및 제어부(미도시)를 포함하고, 광학계(270)는 빔 스플리터(220), 공간 광 변조기(SLM: Spatial Light Modulator, 230), 제1 렌즈(240), 공간 필터(Spatial Filter, 250) 및 제2 렌즈(260)를 포함한다.
광원(210)은 제어부(미도시)의 제어에 따라 광학계(270)가 간섭무늬를 만들 수 있도록 하는 광을 출력한다. 광원(210)은 광을 출력하며, 광학계(270)를 거치며 파면제어 광학소자에서 회절되어 사용자에게 홀로그램 영상으로 인지될 수 있도록 하는 간섭무늬로 변환된다.
광학계(270)는 광원(210)으로부터 광을 입사받아 간섭무늬로 변조한다.
빔 스플리터(220)는 광원(210)으로부터 공간 광 변조기(230)로 입사하는 광은 통과시키며, 공간 광 변조기(230)에서 변조된 간섭무늬는 반사시킨다.
공간 광 변조기(230)는 입사하는 광을 기 설정된 간섭무늬로 변조시킨다. 공간 광 변조기(230)는 제어부(미도시)의 제어에 따라, 입사하는 광을 기 설정된 간섭무늬로 변조시킬 수 있도록 계산된 변조패턴(CGH: Computer Generated Hologram)을 저장한다. 공간 광 변조기(230)는 이처럼 계산된 변조패턴에 따라 입사하는 광을 기 설정된 간섭무늬로 변조시킨다. 여기서, 기 설정된 간섭무늬는 기 설정된 거리를 지나 회절할 경우, 인간에게 홀로그램 영상으로 인지될 수 있도록 설정된 간섭무늬에 해당한다. 프레넬 회절(Fresnel Diffrection)에 의해 z 거리만큼 떨어진 위치에서 이미지(영상이) 만들어져야 할 상황에서, 만들어져야 하는 변조패턴이 결정될 수 있다. 이처럼 계산된 변조패턴(CGH)이 공간 광 변조기(230)에 저장되며, 공간 광 변조기(230)는 변조패턴을 이용해 입사광을 기 설정된 간섭무늬로 변조시킨다.
공간 광 변조기(230)는 계산된 변조패턴을 조정하여, 출력될 홀로그램 영상의 깊이를 조정하거나 간섭무늬 내 각 위치에서의 위상 정보를 변조할 수 있다. 공간 광 변조기(230)는 픽셀 구동이 가능하여, 반사될 광의 진폭이나 위상 정보를 변조시킬 수 있다. 이에 따라, 제어부(미도시)에 의해 계산된 변조 패턴이 조정되며, 공간 광 변조기(230)를 거치며 반사된 간섭무늬는 위상 정보 또는 진폭 정보가 변조될 수 있다. 공간 광 변조기(230)는 (간섭무늬의) 위상 정보를 변조시킴으로써, 반사되는 간섭무늬가 사용자의 안구로 입사하며 사용자가 인지할 홀로그램 영상의 깊이를 조정할 수 있다. 또는, 공간 광 변조기(230)는 (간섭무늬의) 위상 정보를 변조시켜, 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)의 각 위치로 입사하는 간섭무늬의 입사각을 조정할 수 있다. 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)로 입사하는 입사각이 가변함에 따라, 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)를 통과한 출사광의 회절효율이 가변할 수 있다.
공간 광 변조기(230)에서 변조된 간섭무늬는 빔 스플리터(220)에서 반사되어 제1 렌즈(240), 공간 필터(250) 및 제2 렌즈(260)를 거치게 된다. 이때, 공간 광 변조기(230)로부터 제1 렌즈(240)까지, 제1 렌즈(240)로부터 공간 필터(250)까지, 공간 필터(250)로부터 제2 렌즈(260)까지, 제2 렌즈(260)로부터 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)까지 모두 동일한 초점거리(f)를 갖도록 배치된다. 또한, 공간 광 변조기(230)의 픽셀크기를 크거나 작게 하기 위해, 각 렌즈의 초점거리와 위치가 달라질 수 있다.
공간 광 변조기(230), 제1 렌즈(240) 및 제2 렌즈(260)가 이처럼 배치될 경우, 공간 광 변조기(230)에서 생성된 간섭무늬가 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120), 보다 구체적으로 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)에 부착되거나 삽입된 파면제어 광학소자의 위치에 동일하게 형성될 수 있다.
제1 렌즈(240)와 제2 렌즈(260)의 사이에 공간 필터(250)가 배치된다. 공간 필터(250)는 공간 광 변조기(230)에서 변조된 간섭패턴을 제외한 나머지 노이즈 광은 모두 필터링한다. 공간 필터(250)는 공간 필터(250)로 입사하는 광 중 공간 광 변조기(230)에서 변조된 간섭패턴을 제외한 나머지 광은 모두 필터링하며, 간섭패턴 중에서도 +1차 회절광을 제외한 나머지 광(예를 들어, DC 노이즈 광 또는 -1차 회절광 등)도 필터링할 수 있다. 이에 따라, 공간 필터(250)는 사용자가 홀로그램 영상만을 뚜렷하게 시청할 수 있도록 한다.
제2 렌즈(260)를 통과한 간섭무늬는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)에서 회절되며, 사용자의 안구로 입사하여 홀로그램 영상으로 인지된다.
제어부(미도시)는 광원(210) 및 공간 광 변조기(230)를 제어한다.
제어부(미도시)는 광원(210)의 동작을 제어한다. 제어부(미도시)는 광원(210)이 광을 조사하거나, 광의 조사를 중단하도록 제어한다.
제어부(미도시)는 공간 광 변조기(230)가 변조시킬 간섭무늬에 따른 변조패턴을 계산하여 공간 광 변조기(230)로 저장한다. 제어부(미도시)는 공간 광 변조기(230)가 기 설정된 간섭무늬를 변조시킬 수 있도록, 변조패턴을 계산한다. 계산된 변조패턴은 공간 광 변조기(230)에 저장되며, 저장된 변조패턴을 이용하여 공간 광 변조기(230)는 입사되는 광을 간섭무늬로 변조하여 반사시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 콘텍트 렌즈의 구성을 도시한 도면이다.
도 3a 내지 3d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)는 콘텍트 렌즈(310) 및 파면제어 광학소자(320)를 포함한다.
콘텍트 렌즈(310)는 광이 입사되는 방향으로 사용자의 안구 전방에 배치되어, 사용자가 외부로부터 광을 수광할 수 있도록 외부광을 굴절시키는 동시에 파면제어 광학소자(320)가 배치될 수 있도록 한다. 광이 입사되는 방향으로 콘텍트 렌즈(310)가 사용자의 안구 전방에 배치되며, 콘텍트 렌즈(310)의 전방으로 파면제어 광학소자(320)가 배치됨으로써, 파면제어 광학소자(320)에서 회절된 간섭무늬가 사용자의 안구, 보다 구체적으로 동공으로 입사한다.
콘텍트 렌즈(310)는 사용자의 시력에 따라 도수를 갖도록 구현될 수 있고, 도수를 갖지 않도록 구현될 수도 있다.
콘텍트 렌즈(310)는 구조상 필연적으로 굴곡을 가지며, 도수에 따라 콘텍트 렌즈(310)의 바깥쪽 커브(Periheral Curve)의 반지름(Radius)이 가변할 수 있다.
파면제어 광학소자(320)는 콘텍트 렌즈(310)의 바깥쪽 커브에 부착되거나 렌즈 내부에 삽입되어, 입사하는 간섭무늬를 회절시킨다.
파면제어 광학소자(320)는 콘텍트 렌즈(310)의 바깥쪽 커브에 부착되거나 렌즈 내부에 삽입되어, 입사하는 간섭무늬를 회절시킨다. 파면제어 광학소자(320)는 간섭무늬를 회절시켜 회절광을 사용자의 동공으로 입사시키며, 사용자가 회절된 간섭무늬로부터 홀로그램 영상을 인지할 수 있도록 한다.
파면제어 광학소자(320)는 인체의 동공의 폭과 동일하거나 유사(기 설정된 오차 범위 내)한 폭(w)을 갖는다. 이에, 파면제어 광학소자(320)는 동공의 전방에서 간섭무늬를 회절시킴으로써, 회절광이 온전히 사용자의 동공으로 입사할 수 있도록 한다.
다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 도 3에는 도시되어 있지 않으나, 임프린트 기술에 의해 파면제어 광학소자(320)의 특징이 콘텍트 렌즈(310)의 표면에 스탬핑되어 구현될 수도 있다.
파면제어 광학소자(320)는 도 4와 같이 간섭무늬를 회절시킨다.
도 4는 파면제어 광학소자에 간섭패턴이 기록되는 모습을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 파면제어 광학소자(320)의 기록과정에서 참조광(410)이 일정 각도(α°)를 가지며 입사하며, 물체광(420)이 (β°)를 갖도록 입사하며, 이처럼 입사할 경우, β°를 갖는 출사광이 출사한다. 파면제어 광학소자(320)로 이처럼 참조광과 물체광이 입사하며 출사광이 출사하도록 기록될 경우, α°를 갖는 입사광이 β°로 회절되며 출사되도록 파면제어 광학소자(320)에 간섭패턴이 형성된다. 이에 따라, 파면제어 광학소자(320)에 α°의 입사광이 입사하면, 가장 높은 회절효율로 β°의 출사광이 출사된다.
문제는 파면제어 광학소자(320)의 모든 위치로 동일한 각도의 입사광이 입사되도록 파면제어 광학소자(320)에 기록되었는데, 파면제어 광학소자(320)가 콘텍트 렌즈(310)에 부착되거나 삽입된다는 점에 있다. 도 4와 같은 기록과정을 거친 파면제어 광학소자(320)가 아무런 조치없이 그대로 콘텍트 렌즈(310)에 부착되거나 삽입될 경우, 도 5 및 6과 같은 문제가 발생한다.
도 5는 파면제어 광학소자로 입사되는 입사광의 위치에 따른 회절 효율을 도시한 도면이고, 도 6은 파면제어 광학소자로 입사되는 입사광의 방향에 따른 출력회면을 도시한 도면이다.
도 5(a)를 참조하면, 콘택트 렌즈(310)는 굴곡을 갖기 때문에, 콘텍트 렌즈(310)의 바깥쪽 커브에 부착되거나 콘텍트 렌즈(310) 내에 삽입되는 파면제어 광학소자(320) 역시, 굴곡을 필연적으로 갖게 된다. 이러한 경우, 파면제어 광학소자(320)의 중심으로 입사되는 광은 기록 당시에 입사되는 입사할 때의 각도(예를 들어 α°)로 입사될 수 있으나, 중심으로부터 멀어질수록 참조광이 입사할 때의 각도와 많은 차이를 가질 수 있다.
이에 따라, 파면제어 광학소자(320)는 도 5(b)에 도시된 바와 같은 회절효율을 가질 수 있다. 도 5(b)를 참조하면, 회절효율은 적색에 가까울수록 높아지며, 청색에 가까울수록 낮아진다. 도 5(b)에 도시된 그래프를 참조하면, 중앙에서 중간 정도의 회절효율을 갖는 반면, 일 끝단으로 갈수록 회절효율이 감소하는 형태가 나타날 수 있고, 다른 일 끝단에서는 중앙과 비슷한 회절효율을 갖거나 회절효율이 증가하는 형태가 나타날 수 있다.
이러한 문제로 인해, 통상의 파면제어 광학소자로 입사광이 그대로 유입될 경우, 도 6과 같은 문제가 발생할 수 있다.
통상의 파면제어 광학소자의 중심을 기준으로 하단에서 상단을 향해 입사광이 입사될 경우라면, 중심을 기준으로 하단부만이 높은(기 설정된 기준치 이상) 회절효율을 가질 수 있어 사용자에게는 도 6(a)와 같은 홀로그램 영상이 출력되게 된다. 반대로, 통상의 파면제어 광학소자의 중심을 기준으로 상단에서 하단을 향해 입사광이 입사될 경우라면, 사용자에게는 도 6(b)와 같은 홀로그램 영상이 출력되게 된다.
이러한 문제를 해소하기 위해, 디스플레이 장치(110) 또는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈(120)는 다음과 같이 구현될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 디스플레이 장치(110)는 도 2를 참조하여 설명한 디스플레이 장치와 동일한 구성을 갖되, 복수의 광원(210a 내지 210n)을 포함한다. 복수의 광원(210a 내지 210n)은 광원(210)과 마찬가지로 공간 광 변조기(230)로 광을 조사하되, 서로 다른 각도로 광을 조사한다. 각 광원에서 광이 서로 다른 각도로 조사됨에 따라, 파면제어 광학소자(320)의 각 부위로 입사될 입사광의 입사각은 모두 달라질 수 있다. 이에 따라, 파면제어 광학소자(320)의 전 부위에서 최적의(기 설정된 기준치 이상) 회절효율을 갖는 각도로 광을 조사하는 광원이 존재하게 된다. 제어부(미도시)는 복수의 광원 중 해당 광원이 광을 조사하도록 제어하여, 곡률을 갖는 콘텍트 렌즈(310)에 홀로그램 광학장치(320)가 부착되거나 삽입되어 있더라도 최적의 회절효율을 가질 수 있도록 한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치가 일정 수준의 회절효율을 확보하기 위해 동작하는 모습을 도시한 도면이다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 디스플레이 장치(110) 역시, 도 2를 참조하여 설명한 디스플레이 장치와 동일한 구성을 갖되, 복수의 광원(210a 내지 210f)을 포함한다.
도 6을 참조하여 전술한 대로, 특정 각도로 광을 조사하는 하나의 광원만이 포함될 경우, 일정 방향의 일정 면적만큼만 기 설정된 기준치 이상의 회절효율을 확보할 수 있다.
디스플레이 장치(110)는 복수의 광원(210a 내지 210f)을 포함하여, 복수의 광원을 이용해 파면제어 광학소자(320)를 기록하며 동작시킨다. 전술한 대로, 특정 각도로 광을 조사하는 광원은 일정 면적만큼만의 회절효율을 확보할 수 있기 때문에, 서로 다른 각도로 광을 조사하는 복수의 광원을 이용해 파면제어 광학소자(320)를 기록한다.
도 8(b)를 참조하면, 각 광원(210a 내지 210f)에 의해 기록될 경우, 기 설정된 기준치 이상의 회절효율을 확보할 수 있는 면적(810a 내지 810f)가 도시되어 있다. 어느 하나 또는 두개(210b 및 210e)로는 기 설정된 기준치 이상의 회절효율을 확보하지 못하는 면적이 필연적으로 발생하기 때문에, 적어도 4개 이상의 광원이 파면제어 광학소자(320)의 기록에 이용된다. 이처럼 파면제어 광학소자(320)가 기록될 경우, 파면제어 광학소자(320)의 전 부분에서 어떠한 입사각으로 입사광이 입사되더라도 기 설정된 기준치 이상의 회절효율을 가지며 회절이 발생하도록 할 수 있다.
이처럼 기록된 파면제어 광학소자(320)는 추후, 홀로그램 영상의 출력을 위해 광학계(270)를 거쳐 각 광원(210a 내지 210f)으로부터 조사되는 광을 수광할 경우, 사용자는 모든 부분에서 기 설정된 기준치 이상의 회절효율을 갖는 홀로그램 영상을 시청할 수 있다.
이때, 아무런 제어없이 모든 광원이 광을 조사할 경우, 광들이 오버랩(Overlap)되는 부분이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해, 파면제어 광학소자(320)가 기록될 때, 각 구역별로 마스크가 배치되어 오버랩되지 않으면서 기록될 수 있도록 한다. 공간 광 변조기(230)는 각 구역별로 오버랩되지 않도록 하는 변조패턴을 저장하여, 각 구역별로 오버랩되지 않은 간섭무늬를 반사시킨다.
디스플레이 장치(110)가 복수의 광원을 이용하여 파면제어 광학소자(320)를 기록하고 동작시킴으로써, 파면제어 광학소자(320)가 어떠한 굴곡을 갖더라도(어떠한 도수(디옵터)를 갖는 콘텍트 렌즈에 부착되거나 삽입되더라도) 일정 수준 이상의 회절효율을 가질 수 있도록 한다.
도 9는 파면제어 광학소자의 입사각과 입사광의 파장에 따른 회절효율을 도시한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치가 일정 수준의 회절효율을 확보하기 위해 동작하는 모습을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 파면제어 광학소자는 입사광의 입사각 및 입사광의 파장에 따라 상이한 회절효율을 갖는다. 동일한 입사광의 파장이 입사되더라도 입사각이 달라지면, 회절효율이 달라지게 된다. 예를 들어, 파장 편차가 0인 지점에서 입사각 편차가 0일 경우, 보통의 회절효율을 가질 수 있다. 그러나 입사각 편차가 ±2.5°가량만 발생하더라도 회절효율이 낮아지며, 그 이상이 될 경우 점점 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
이러한 문제점을 인지하여, 제어부(미도시)의 제어에 따라 공간 광 변조기(230)는 파면제어 광학소자(320)로 입사하는 광에 있어, 파면제어 광학소자(320)의 중심부로 입사하는 광과 외곽(중심부로부터 멀어진 부위)으로 입사하는 광의 위상을 다르도록 조정한다. 광의 위상이 조정될 경우, 파면제어 광학소자(320)로 광이 입사함에 있어 입사각이 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 10을 참조하면, 상단 최외곽 광(1010)이 별도의 조정없이 파면제어 광학소자(320)로 입사함에 있어, 편차가 +2.5°가 발생하는 것으로 가정할 수 있다. 이러할 경우, 파면제어 광학소자(320)는 상단 최외곽 광(1010)의 위상을 조정하여, 파면제어 광학소자(320)로 입사함에 있어 의도적으로 중심부보다 -2.5°편차가 발생하도록 조정할 수 있다. 파면제어 광학소자(320)가 해당 광(1010)에 대해 의도적으로 중심부보다 -2.5°편차가 발생하도록 위상을 조정함으로써, 해당 광(1010)은 파면제어 광학소자(320)를 거치며 실질적으로 중심부로 입사하는 광과 같이 입사각 편차 없이 온전한 회절효율을 확보할 수 있다.
파면제어 광학소자(320)는 각 부분으로 입사하는 광에 대해서도 전술한 과정과 같이 의도적으로 편차를 유도하여, 파면제어 광학소자(320)를 거치며 실질적으로 중심부로 입사하는 광과 같이 입사각 편차 없이 온전한 회절효율을 확보할 수 있도록 한다.
제어부(미도시)는 파면제어 광학소자(320)가 전술한 바와 같이 동작할 수 있도록 간섭패턴을 계산하여 파면제어 광학소자(320)로 저장시킨다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템
110: 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 장치
120: 홀로그래픽 콘텍트 렌즈
210: 광원
220: 빔 스플리터
230: 공간 광 변조기
240: 제1 렌즈
250: 공간 필터
260: 제2 렌즈
270: 광학계
310: 콘텍트 렌즈
320: 파면제어 광학소자
410: 참조광
420: 물체광
430: 출사광

Claims (15)

  1. 삭제
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  6. 삭제
  7. 외부로부터 간섭무늬를 수신하여 사용자가 홀로그램 영상으로 인지할 수 있도록 하는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈에 있어서,
    수신되는 간섭무늬를 회절시키거나 굴절시키는 파면제어 광학소자; 및
    상기 사용자에게 장착되어, 상기 파면제어 광학소자로부터 회절된 간섭무늬를 사용자의 안구로 입사시키는 콘텍트 렌즈를 포함하며,
    상기 파면제어 광학소자는 상기 콘텍트 렌즈의 바깥쪽 커브에 부착되거나 상기 콘텍트 렌즈 내에 삽입되고,
    기 설정된 기준치 이상의 회절효율을 확보하지 못하는 면적의 발생을 방지하기 위해, 서로 다른 각도로 광을 조사하는 복수의 광원에 의해 상기 파면제어 광학소자에 간섭패턴이 기록되되, 광들이 오버랩되는 부분의 발생을 방지하기 위해 각 구역별로 마스크가 배치되어 오버랩되지 않으면서 상기 파면제어 광학소자에 간섭패턴이 기록됨에 따라, 상기 파면제어 광학소자는 전 부분에서 어떠한 입사각으로 입사광이 입사되더라도 기 설정된 기준치 이상의 회절 효율을 가지며,
    상기 파면제어 광학소자는 전부위에서 기 설정된 기준치 이상의 회절효율을 갖는 각도로 광을 조사하는 광원으로부터 광을 수광하거나, 복수의 광원으로부터 조사되는 광을 수광하되,
    상기 파면제어 광학소자로 입사하는 광에 있어, 상기 파면제어 광학소자의 중심부로 입사하는 광과 중심부로부터 멀어진 부위로 입사하는 광의 위상이 상이하도록 입사함에 따라, 상기 파면제어 광학소자를 거치며 실질적으로 중심부로 입사하는 광과 그로부터 멀어진 부위로 입사하는 광의 입사각 편차없이 온전한 회절효율을 확보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파면제어 광학소자는,
    홀로그래픽 광학소자(HOE), 회절 광학소자(DOE) 또는 메타 소자인 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 콘텍트 렌즈.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 기 설정된 공간 상에서 사용자에게 필요한 정보를 홀로그램 영상으로 출력하는 시스템에 있어서,
    간섭무늬로 변조될 광을 각각 서로 다른 각도로 출력하는 복수의 광원;
    각 광원에서 출력된 광을 수신하여, 기 설정된 간섭무늬로 변조시키는 광학계;
    광이 입사되는 방향으로 사용자의 안구 전방에 배치되는 콘텍트 렌즈; 및
    상기 콘텍트 렌즈의 바깥쪽 커브에 부착되거나 렌즈 내부에 삽입되어, 입사하는 간섭무늬를 회절시켜 사용자의 동공으로 입사시키는 파면제어 광학소자를 포함하며,
    기 설정된 기준치 이상의 회절효율을 확보하지 못하는 면적의 발생을 방지하기 위해, 서로 다른 각도로 광을 조사하는 복수의 광원에 의해 상기 파면제어 광학소자에 간섭패턴이 기록되되, 광들이 오버랩되는 부분의 발생을 방지하기 위해 각 구역별로 마스크가 배치되어 오버랩되지 않으면서 상기 파면제어 광학소자에 간섭패턴이 기록됨에 따라, 상기 파면제어 광학소자는 전 부분에서 어떠한 입사각으로 입사광이 입사되더라도 기 설정된 기준치 이상의 회절 효율을 가지며,
    상기 파면제어 광학소자는 전부위에서 기 설정된 기준치 이상의 회절효율을 갖는 각도로 광을 조사하는 광원으로부터 광을 수광하거나, 복수의 광원으로부터 조사되는 광을 수광하되,
    상기 파면제어 광학소자로 입사하는 광에 있어, 상기 파면제어 광학소자의 중심부로 입사하는 광과 중심부로부터 멀어진 부위로 입사하는 광의 위상이 상이하도록 입사함에 따라, 상기 파면제어 광학소자를 거치며 실질적으로 중심부로 입사하는 광과 그로부터 멀어진 부위로 입사하는 광의 입사각 편차없이 온전한 회절효율을 확보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 광원 각각의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 홀로그래픽 디스플레이 시스템.
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