KR20160126902A - 홀로그램 디스플레이 - Google Patents

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KR20160126902A
KR20160126902A KR1020160049228A KR20160049228A KR20160126902A KR 20160126902 A KR20160126902 A KR 20160126902A KR 1020160049228 A KR1020160049228 A KR 1020160049228A KR 20160049228 A KR20160049228 A KR 20160049228A KR 20160126902 A KR20160126902 A KR 20160126902A
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Abstract

본 발명은 구조를 변경하여 시야 창(view window)을 확대시킨 홀로그램 디스플레이에 관한 것으로, 직진광을 출사면으로 출사하는 광원 유닛과, 상기 광원 유닛 상에, 매트릭스상으로 배열된 서브픽셀들을 포함한 공간 광 변조기와, 상기 공간 광 변조기 상에, 상기 공간 광 변조기를 통해 회절된 광경로를 모아주는 필드 렌즈 및 시청자의 시청면에 가까이 배치된 시야창 제어부를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

홀로그램 디스플레이 {Holographic Display}
본 발명은 입체 표시 장치에 관한 것으로, 특히 구조를 변경하여 시야 창(view window)을 조정한 홀로그램 디스플레이에 관한 것이다.
입체 표시 장치는 안경의 유무에 따라 안경 방식과 무안경 방식으로 나뉠 수 있다.
안경 방식은 공간적으로 좌우 영상을 분리해서 표시하거나, 시분할 방식으로 좌우 영상을 분할해서 표시하는 방식이 대표적이다. 이 안경 방식에서는 3D(3-dimension) 영상을 시청시, 시청자가 안경을 착용해야만 하는 불편함이 있어, 무안경 방식의 입체영상 표시 장치가 대안으로 여겨진다.
무안경 방식은 일반적으로 좌안 영상과 우안 영상의 광축을 분리하기 위한 패럴랙스 배리어 등의 광학 소자를 표시 화면의 앞 또는 뒤에 설치하여 3D 영상을 구현한다.
한편, 무안경 방식의 일환으로 최근 홀로그램 디스플레이가 제안되고 있다. 홀로그램 디스플레이는 광의 회절에 의한 가간섭 특성을 활용한 것으로, 공간 광 변조기(SLM: spatial Light Modulator)의 픽셀 크기에 따라 회절력이 결정되며, 상기 회절력에 의해 시청자가 시청할 수 있는 시야 창이 결정된다. 즉, 공간 광 변조기의 픽셀 크기가 작을수록 회절력이 크며, 회절력이 좋을수록 시야창은 크다. 그런데, 픽셀 크기는 해상도와 관련되는 것으로, 공정 상에서 한계가 있기 때문에, 공간 광 변조기의 픽셀 크기를 무한정으로 줄일 수 없고, 또한, 픽셀 크기가 늘어나면 해상도가 증가되며, 이에 따라 데이터 전송량이 늘어나는데, 늘어난 해상도만큼 데이터 구동시의 문제점도 있다.
본 발명의 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 구조를 변경하여 시야 창(view window)을 확대시킬 수 있는 홀로그램 디스플레이를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 홀로그램 디스플레이는, 직진광을 출사면으로 출사하는 광원 유닛과, 상기 광원 유닛 상에, 매트릭스상으로 배열된 서브픽셀들을 포함한 공간 광 변조기와, 상기 공간 광 변조기 상에, 상기 공간 광 변조기를 통해 회절된 광경로를 모아주는 필드 렌즈 및 시청자의 시청면에 가까이 배치되어, 시야창을 확장하는 시야창 제어부를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 광원 유닛은 레이저 광원 유닛일 수 있으며, 상기 서브픽셀들은 각각 가로 방향으로 제 1 피치를 갖고, 상기 시야창 제어부는, 상기 제 1 피치의 2배에 대응된 제 2 피치의 단위 렌즈를 수평 방향으로 연속하여 가질 수 있다.
또한, 상기 렌즈큘러 렌즈 어레이의 제 2 피치와 대응되는 2개의 서브 픽셀에 각각 좌안용 홀로그램 패턴과 우안용 홀로그램 패턴의 영상이 표시될 수 있다. 이 경우, 상기 공간 광 변조기를 통해 출사된 광은 상기 렌티큘러 렌즈의 각 단위 렌즈의 출사면에서 양안 분리되어 시청자의 양안에 좌안용 홀로그램 패턴과 우안용 홀로그램 패턴의 영상을 전달할 수 있다.
그리고, 상기 제 2 피치에 대응하여, 상기 공간 광 변조기에 좌안용 홀로그램 패턴과 우안용 홀로그램 패턴이 수직 방향으로 공급될 수 있다.
예를 들어, 상기 공간 광 변조기는 액정 패널일 수 있다.
또한, 상기 필드 렌즈는 필름일 수도 있다.
상기 필드렌즈와 상기 시야창 제어부는 서로 접할 수 있다.
한편, 상기 시야창 제어부는 글래스 표면에 상기 제 2 피치의 주기로 굴곡면을 가질 수도 있고, 필름 상면에 상기 제 2 피치의 주기로 패터닝될 수도 있다.
혹은 상기 시야창 제어부는, 서로 대향된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상에 각 단위 렌즈마다 구비되며 서로 이격된 복수개의 제 1 전극과, 상기 제 2 기판 상에 구비된 제 2 전극과, 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 채워진 액정층 및 상기 각 단위 렌즈의 굴절률 변화를 제어하는 전압 인가부를 포함하여 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 전압 인가부는 최저 굴절률과 최대 굴절률 사이의 범위를 조절하여 시야창의 크기를 변화시킬 수 있으며, 상기 최저 굴절률과 최대 굴절률 사이의 범위가 증가할 때, 상기 시야창 크기가 커질 수 있다.
본 발명의 홀로그램 디스플레이는 다음과 같은 효과가 있다.
시청면에 가까운 공간 광 변조기 상측에 시야창 제어부를 배치하여, 공간 광 변조기의 해상도에만 한정하여 회절력이 결정되지 않고, 렌티큘러 렌즈 표면의 광 경로를 확산시켜 홀로그램 디스플레이의 시야각 한계를 극복할 수 있다. 특히, 수 ㎛ 내지 수십 ㎛(2~99㎛)로 픽셀의 피치가 일정 수준 이상으로 결정되는 액정 패널을 공간 광 변조기로 이용시에도 시야창 제어부의 곡률에 따라 시야 창을 늘릴 수 있다. 이 경우, 동일 시청자의 시야창을 늘릴 수도 있고, 혹은 복수명의 시청자에 상당하도록 늘릴 수도 있다.
또한, 공간 광 변조기의 픽셀 크기를 줄이지 않아도 되므로, 데이터 전송량이 늘어날 필요가 없어, 구동시의 제한도 받지 않을 수 있다.
그리고, 좌안에 상당한 홀로그램 패턴이 들어오는 픽셀과, 우안에 상당한 홀로그램 패턴이 들어오는 픽셀을 한 세트로 하여, 렌티큘러 렌즈의 단위 렌즈간 매칭을 통해 좌우안에 상당한 이미지가 각각 양안에 들어오도록 하여, 양안 입체 홀로그램 인지가 가능하다.
또한, 시야창 제어부는 렌티큘러 렌즈 어레이의 형태 혹은 액정 패널의 형태로 형성할 수 있는데, 액정 패널의 형태를 가질 경우, 단위 렌즈별 굴절률의 변화를 통해 시야창의 크기 조절이 가능하여, 시청자가 고정적이며 고휘도가 요구될 때는 시야창의 크기를 줄이고, 다수의 시청자 혹은 움직이는 시청자를 대상으로 하여서는 시야창의 크기를 크게 조절하여, 홀로그램 디스플레이의 다양한 요구에 부응할 수 있다.
한편, 본 발명의 홀로그램 디스플레이는 시분할 방식이 아닌 공간 분할 방식으로 홀로그램 영상을 전달하여, 기존 시분할 방식 대비 프레임 레이트 (frame rate)를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 홀로그램 디스플레이를 나타낸 개략 배치도.
도 2는 본 발명의 홀로그램 디스플레이의 공간 광 변조기 및 시야창 제어부의 대응 관계를 나타낸 도면.
도 3은 공간 광 변조기의 픽셀과 일정 시청 거리에 있는 시청면에서 회절 각도의 관계를 나타낸 도면.
도 4a 및 도 4b는 시야창 제어부의 렌즈 기능 에 따라 서브픽셀 피치에 따른 시야창 관계를 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 시야창 제어부의 렌즈 기능에 따라 홀로그램 패턴에 대응된 영상 포인트 및 시청 영역을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이의 양안에 대응된 광 경로를 나타낸 도면.
도 7은 도 6의 공간 광 변조기 및 시야창 제어부의 대응 관계를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이에 있어서, 시야 영역 확장을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시청자의 양안에 대응된 광경로를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 홀로그램 디스플레이에 단일 시야창 제어부에 대응된 공간 광 변조기에 홀로그램 패턴의 정보를 추가하여, 복수명의 시청자에 대한 광 경로를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이의 시야창 제어부를 나타낸 단면도.
도 12a 및 도 12b는 도 11의 시야창 제어부의 제 1 기판 및 제 2 기판을 나타낸 평면도.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이의 시야 창 조절을 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 홀로그램 디스플레이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 홀로그램 디스플레이를 나타낸 개략 배치도이다.
도 1과 같이, 본 발명의 홀로그램 디스플레이는, 직진광을 출사면으로 출사하는 광원 유닛(110)과, 상기 광원 유닛 상에, 매트릭스상으로 배열된 서브픽셀들을 포함한 공간 광 변조기(120)와, 상기 공간 광 변조기 상에, 상기 공간 광 변조기를 통해 회절된 광경로를 모아주는 필드 렌즈(field lens)(130) 및 시청자의 시청면에 가까이 배치된 시야창 제어부(1400)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 광원 유닛(110)은 출사면측으로 직진광을 출력할 수 있는 레이저 광원으로, 상기 공간 광 변조기(120)에 인접 관계에 있으며, 공간 광 변조기(120)의 픽셀에서 표시되는 각 영상이 픽셀에 위치에 대응된 필드 렌즈(130) 및 시야창 제어부(1400)까지 직진성을 갖고 전달된다. 직진성을 향상시키기 위해, 상기 공간 광 변조기(120)와 상기 필드 렌즈(130) 및 상기 시야창 제어부(1400)는 공간적 이격을 줄이는 것이 좋다.
한편, 상기 공간 광 변조기(120)에 홀로그램 패턴을 표시하는 것으로, SLM 제어부(미도시)의 제어에 따라 각 서브 픽셀에 표시되는 홀로그램 패턴을 가변할 수 있으며, 홀로그램 패턴이 SLM 제어부의 제어 신호에 따라 가변할 수 있다는 점에서, 본 발명의 홀로그램 디스플레이는 디지털 홀로그램 디스플레이라 할 수 있다.
상기 필드 렌즈(130) 및 시야창 제어부(1400)는 도시된 바와 같이, 상기 공간 광 변조기(120)에 인접한 측이 필드 렌즈(130)일 수도 있고, 혹은 시야창 제어부(1400)일 수도 있다.
그리고, 필드 렌즈(130) 및 시야창 제어부(1400)는 각각이 그 표면이 물리적 곡률을 갖는 렌즈 형태일 수도 있고, 혹은 평탄한 필름의 형상이나 굴절률의 변조를 갖는 광학적 기능을 갖는 액정 패널일 수도 있다.
도 2는 본 발명의 홀로그램 디스플레이의 공간 광 변조기 및 시야창 제어부의 대응 관계를 나타낸 도면이다.
도 2와 같이, 본 발명의 공간 광 변조기(SLM)(110)의 상기 서브픽셀들은 각각 가로 방향으로 제 1 피치(P1)를 갖고, 상기 시야창 제어부(1400)는, 상기 제 1 피치(P1)의 2배에 대응된 제 2 피치(P2=2P1)의 단위 렌즈(L)를 수평 방향으로 연속하여 가질 수 있다. 여기서, 단위 렌즈란 물리적 형상의 렌즈일 수도 있고, 액정 전계 렌즈로 일종의 광학적 효과로서 렌즈 효과를 갖는 것일 수도 있다. 액정 전계 렌즈는 일종의 액정 패널이며, 단위 렌즈(L)의 주기로 굴절률의 변화를 갖는 것이다.
도 2와 같은 배치에서는, 상기 시야창 제어부(1400)의 제 2 피치와 대응되는 2개의 서브 픽셀에 각각 좌안용 홀로그램 패턴(LH)과 우안용 홀로그램 패턴(RH)의 영상이 표시될 수 있다. 이 경우, 상기 공간 광 변조기(120)를 통해 출사된 광은 상기 시야창 제어부(1400)의 단위 렌즈에서 양안 분리되어 시청자의 양안에 좌안용 홀로그램 패턴과 우안용 홀로그램 패턴의 영상을 전달할 수 있으며, 이를 통해 공간적으로 분리된 2개의 홀로그램 영상 시청이 가능하다. 이 경우, 상기 시야창 제어부(1400)는 좌안과 우안의 영상 분리와 함께, 단위 렌즈(L)의 렌즈 효과에 따라 시야창을 확대할 수 있다.
본 발명의 홀로그램 디스플레이에 있어서, 시야창 제어부(1400)를 갖는 이유는, 다음과 같다.
도 3은 공간 광 변조기의 픽셀과 일정 시청 거리에 있는 시청면에서 회절 각도의 관계를 나타낸 도면이다.
일정 시청 거리가 고정일 때, 브라그의 회절 법칙(Bragg's law of diffraction)에 따라 각 피치(p)의 중심과 최대 회절시의 각도 Θ의 관계는 sin Θ ∝λ/2p (여기서, λ 는 광의 파장)의 관계에 있다.
즉, 피치 크기가 커지면 커질수록, 회절 각도 Θ가 줄어드는 관계에 있다. 여기서, 회절 각도 Θ는 시야창(view window)의 크기에 비례하며, 이에 따라 회절 각도는 회절력(diffraction power)에 대응된다. 위의 식에서 살펴보면, 공간 광 변조기의 단위 피치 크기가 커질수록 회절력(sin Θ)이 줄어드는 관계를 도출할 수 있다.
예를 들어, 시야창 제어부가 없는 홀로그램 디스플레이에서, 1m 거리의 시청 거리를 갖는다고 할 때, 픽셀이 약 1㎛ 의 단위 피치를 갖는 공간 광 변조기의 경우, 대략 24cm의 시야창(view window)을 얻을 수 있다. 또한, 동일 시청 거리에서, 픽셀이 약 2㎛의 단위 피치를 갖는 공간 광 변조기의 경우, 피치 크기에 회절력이 반비례하므로, 대략 12cm의 시야창(view window)을 얻을 수 있다.
그런데, 홀로그램 패턴이 재생되는 공간 광 변조기는 액정 패널(liquid crystal panel)과 같이, 전압 인가 조건에 의해 위상 및 진폭이 조절될 수 있는 광학 매체로 이루어지는데, 액정 패널의 단위 피치를 1㎛ 의 수준으로 정확히 조절하기도 힘들고, 또한, 단위 피치 1㎛ 라면 단위 피치 10㎛ 로 하는 패널보다 100배의 해상도를 갖게 되는데, 늘어난 해상도만큼 데이터 전송량이 늘어나 구동의 문제점도 나타난다. 따라서, 회절력만을 고려하여, 공간 광 변조기의 피치를 무한정으로 줄일 수는 없다.
그리고, 공간 광 변조기(120)를 이루는 액정 패널은, 그 기본 형태로, 서로 대향된 제 1 SLM 기판, 제 2 SLM 기판과, 상기 제 1 SLM 기판 상에 픽셀 혹은 서브 픽셀별로 구분되어 패터닝된 복수개의 픽셀 전극과, 상기 제 2 SLM 기판 상에 위치한 대향 전극 및 상기 제 1, 제 2 SLM 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진다. 여기서, 픽셀은 2개 이상의 서브 픽셀을 갖는 것으로, 만일 액정 패널의 단위 피치를 1㎛ 이하로 할 경우, 노광 및 패터닝 장비의 한계로 이러한 각 단위 서브 픽셀의 픽셀 전극의 가로, 세로의 길이가 1㎛ 이하가 되는데, 이러한 미세 패턴은 공정상 형성이 어려울 수 있어, 공간 광 변조기의 패턴 미세화가 물리적으로 불가능할 수 있다. 따라서, 본 발명의 공간 광 변조기 외에 별도로 시야창을 조정할 수 있는 시야창 제어부를 더 구비한 홀로그램 디스플레이를 제안한 것이다.
여기서, 공간 광 변조기(120)를 이루는 액정 패널 내부에는 추가적으로 컬러 영상을 표시하기 위해, 컬러 필터를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 컬러 필터를 제외하고, 광원 유닛(110)에 적색, 녹색, 청색의 레이저 광원을 구비하고, 공간 광 변조기(120)의 구동과 광원 유닛(110)의 구동을 시분할로 하여, 홀로그램의 컬러 영상을 표현할 수도 있다.
즉, 본 발명의 홀로그램 디스플레이는, 공간 광 변조기의 피치를 줄이지 않더라도 필드 렌즈에 접한 시야창 제어부(1400)의 광학 구성에 의해, 시야 창을 확대하는 것을 제안하는 것이다.
본 발명의 시야창 제어부(1400)는, 상기 광학 유닛(110)에서 공간 광 변조기(120) 및 필드 렌즈(130)를 거쳐 나오는 홀로그램 영상을 직진성을 유지하여 입사될 수 있도록 필드렌즈(130)와 접한 형태로 배치시킬 수 있다.
본 발명의 홀로그램 디스플레이는, 공간 광 변조기(120)의 하측에 레이저 광원과 같은 직진성이 강한 광원을 두고, 시청면에 가까운 공간 광 변조기(120) 상측에 시야창 제어부(1400)을 구비하여, 시야창 제어부(1400)의 표면의 집광 및 확산 특성을 활용하여, 회절의 효과처럼 넓은 각으로 광이 분산되는 효과를 구현하는 것이다.
홀로그램 영상의 구현 원리는 공간 광 변조기에서 출광하는 여러 광의 회절과 간섭을 이용해서 영상을 만들어내 회절시켜 시야 창(view window)에 홀로그램 영상을 표현하는 것이다. 여기서 영상이 회절된 범위가 시야 창(view window)을 의미하므로, 공간 광 변조기(120)의 각 픽셀에서 어느 정도 회절이 이루어지지만, 직진성이 강한 광들이 분산되어 진행되는 특성으로 단순 회절력만 활용한 것보다 본 발명의 시야창 제어부(1400) 구비시 넓은 영역에서 홀로그램 이미지 시청이 가능하다.
한편, 상기 시야창 제어부(1400)는 시청자가 바라보는 시청면에서 수직한 방향으로 반원통형의 형상으로 길게 배치되며, 수평한 방향에서는 반원 렌즈가 제 2 피치(P2)로 반복된 형상이다.
그리고, 시청면에서 수직한 방향으로 배치된 시야창 제어부(1400)의 각 단위 렌즈에 대해, 공간 광 변조기(120)의 2개의 픽셀 열이 배치되며, 2개 픽셀 열에는 각각 좌안과 우안에 대응된 홀로그램 패턴이 표시된다.
도 4a 및 도 4b는 시야창 제어부의 렌즈 기능 유무에 따라 서브픽셀 피치에 따른 시야창 관계를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 단위 픽셀에 대응된 시야창(VW1, VW2)을 나타낸 것으로, 시야창 제어부(1400)가 없는 경우와 있는 경우를 나눈 것이다.
동일 피치의 단위 픽셀을 갖는 경우라도, 도 4a와 같이, 픽셀(20a) 자체의 회절만으로는 시야창 (VW1) 크기가 제한될 수 밖에 없고, 도 4b와 같이, 픽셀(120a)에서 나온 직진광이 시야창 제어부(1400)의 출사면 표면에서, 굴절되어 최종 시야창 제어부(1400)에서 출사되는 광경로가 확산되기에 시야창(VW2)을 확장할 수 있게 된다. 이러한 시야창 확산 효과는 도 4a의 시야 창인 단안(single eye)에 대한 시야 창 크기를 가졌다면, 시야창 제어부(1400) 구비시는 다안(multiple eye)에 대한 시야창을 갖게 되어, 동일 시청 거리에서 복수명의 시청자가 배치되거나 혹은 일정 범위에서 움직이는 시청자라 하여도 왜곡없이 3D 입체 표시가 가능함을 의미한다.
한편, 도 4b에 있어서, 시야창 제어부(1400)를 렌즈 형상으로 표현한 것은 기능상 렌즈 굴절 효과를 갖는 점을 나타내기 위해 도시한 것으로 이러한 물리적 형상으로 한정되지 않으며, 광학적으로 렌즈 기능을 갖는 필름 상면에 상기 제 2 피치의 주기로 패턴화된 필름이나 혹은 액정 전계 렌즈의 형태로도 변경될 수 있다.
즉, 본 발명의 홀로그램 디스플레이는, 광의 회절에 의한 가간섭 특성을 활용한 것으로, 이를 위해 공간 광 변조기(120)에 구비된 서브픽셀들에는 홀로그램 패턴이 재생되며, 상기 홀로그램 패턴이 공간 광 변조기(120)를 통해 회절되어 출사될 때, 필드 렌즈(130)에서 광경로를 모아 특정 위치에 맺히게 하고, 이를 다시 확산하여 시청자의 양안에 맺히게 한다.
도 5a 및 도 5b는 시야창 제어부의 렌즈 기능의 유무에 따라 홀로그램 패턴에 대응된 영상 포인트 및 시청 영역을 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 공간 상의 특정 위치에 '점'의 영상을 표시하기 위해 공간 광 변조기(120)의 수직한 픽셀 열에 홀로그램 패턴이 적용된 점을 나타낸 것이다. 도 5a와 같이, 시야창 제어부가 없거나 혹은 시야창 제어부가 시야창 확장 기능을 하지 않는 경우, 단일 점이 공간 상의 특정 위치에만 위치하지만, 도 5b와 같이, 시야창 제어부(1400)가 적용된 후에는, 동일 홀로그램 패턴에 대응하여 필드 렌즈(130)를 통과한 광이 시야창 제어부(1400)의 렌즈 표면에서 굴절 및 회절로 여러 위치에서 동일한 상의 '점' 영상을 생성하며, 이에 따라, 복수의 시청 위치에서, '점'의 영상을 시청할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 홀로그램 디스플레이에 있어서, 공간 광 변조기(SLM)(120)에 공급되는 홀로그램 영상이 수직 방향(VPO: Vertical Parallax Only)으로 되어 있고, 렌즈 효과를 갖는 상기 시야창 제어부(1400)의 각 렌즈 길이 방향도 홀로그램 영상이 공급되는 방향인 수직 방향을 따른다. 여기에 도시된 홀로그램 영상은 단일 서브 픽셀의 칼럼(열)에 따른 것이지만, 실질적으로 시야창 제어부(1400)의 단위 렌즈(도 2의 L 참조)의 피치와 공간 광 변조기(120)의 서브 픽셀 피치가 2:1의 관계가 있으므로, 한 단위 렌즈에 대응되어 광 변조기(120)에는 두 개의 서브 픽셀 열에 각각 좌안 홀로그램 영상과, 우안 홀로그램 영상이 공급된다. 그리고, 상기 각각 좌안 홀로그램 영상과 우안 홀로그램 영상이 공급시 해당 서브 픽셀의 칼럼에서, 가간섭을 위한 공급 영상의 개별 슬릿/패턴의 모양은 수평 방향이며, 실질적 좌우안 홀로그램 영상은 상기 시야창 제어부(1400)의 렌즈 길이 방향을 따라 배치된다. 이는 위상 정보에 따른 왜곡을 방지하기 위한 것이다.
이하, 시야창 제어부의 형태에 따라 구분된 실시예별로 동작을 설명한다.
*제 1 실시예*
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이의 양안에 대응된 광 경로를 나타낸 도면이며, 도 7은 도 6의 공간 광 변조기 및 초점 거리 제어부의 대응 관계를 나타낸 도면이다. 도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이에 있어서, 시야 영역 확장을 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시청자의 양안에 대응된 광경로를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 9와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이는, 시야창 제어부(1400)를 렌티큘러 렌즈 어레이(140)의 형태로 구비한 것이다.
여기서, 도 6 내지 도 9에서의 상기 렌티큘러 렌즈 어레이(140)는, 글래스 표면에 상기 공간 광 변조기의 서브 픽셀의 제 1 피치의 2배인 제 2 피치의 주기로 굴곡면을 가진 형태인 점을 도시하였다. 경우에 따라, 광학적으로 렌즈 효과를 갖도록 단위 렌즈별로 동일하게 패터닝된 필름이거나 내부 매질 조절에 의해 광학 효과를 갖는 필름일 수도 있다. 필름의 경우, 단위 렌즈는 상기 공간 광 변조기(120)의 서브 픽셀의 제 1 피치의 2배의 주기를 가질 것이다.
도 8은 공간 상의 특정 위치에 '점'의 영상을 표시하기 위해 공간 광 변조기의 수직한 픽셀 열에 홀로그램 패턴이 적용된 점을 나타낸 것이며, 렌티큘러 렌즈 어레이(140) 형태의 시야창 제어부가 적용된 후에는, 동일 홀로그램 패턴에 대응하여 렌티큘러 렌즈 어레이의 각 단위 렌즈 표면에서 굴절 및 회절로 여러 위치에서 동일한 상의 '점' 영상을 생성하며, 이에 따라, 복수의 시청 위치에서, '점'의 영상을 시청할 수 있는 것이다.
도 9는 시청자의 양안에 좌우 양안에 좌안 홀로그램 패턴의 영상과 우안 홀로그램 패턴의 영상이 공급되는 점을 나타낸 것이며, 광원 유닛 상의 공간 광 변조기(120), 필드 렌즈(130) 및 렌티큘러 렌즈 어레이(140)의 배치는 도 1과 같다.
도 9에는, 공간 광 변조기(120)의 인접한 2 픽셀에 각각 좌안 홀로그램 패턴(붉은색)과 우안 홀로그램 패턴(초록색)이 공급됨을 나타내고 있으며, 이러한 좌안 및 우안 홀로그램 패턴은 동일 프레임에서 동시에 공급되는 것으로, 공간 광 변조기(120)는 제어부(미도시)에서 별도의 제어를 받는다.
그리고, 시청자는 렌티큘러 렌즈 어레이(140)의 다른 영역에서 들어오는 광경로를 모두 합산하여 공통적으로 겹치는 부분에서 시야창이 발생하는 것으로, 공통적으로 광경로가 겹쳐진 시야창에 양안이 위치할 때, 해당 홀로그램 영상을 시청할 수 있다. 본 발명의 렌티큘러 렌즈 어레이(140)는 그 시야창의 폭을 늘리는 것으로, 공간 분할된 영상이 넓은 시야창으로 양안에 공급되게 하여, 시청 영역에 자유도가 높은 입체 홀로그램 영상 시청이 가능한 것이다. 특히, 공간 광 변조기(SLM)의 픽셀 피치 크기에 회절력이 좌우되는 방식 대비, 공간 광 변조기 내의 픽셀 피치에 크게 좌우되지 않고, 렌티큘러 렌즈 어레이(140)의 곡률을 늘려 시야창의 좌우 크기를 확대시켜 회절력 조절이 가능하게 된다. 이에 따라, SLM의 회절력에 크게 의존하지 않으며 2 ㎛ 이상의 픽셀 피치를 갖는 SLM(공간 광 변조기)을 갖는 경우에도 시야창(viewing window)을 확대할 수 있다. 이 때, 일인의 시청자의 시청 영역이 크게 되어, 시청자가 고정 위치에서뿐만 아니라 좌우로 약간의 이동(운동시)하여도 입체 홀로그램 영상 시청이 가능하다.
또한, 좌우안 홀로그램 패턴이 동일 프레임에서 함께 공급되므로, 기존 입체 표시 장치의 시분할 방식 대비 프레임 레이트를 2배 향상할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 홀로그램 디스플레이에 단일 시야창 제어부에 대응된 공간 광 변조기에 홀로그램 패턴의 정보를 추가하여, 복수명의 시청자에 대한 광 경로를 나타낸 도면이다.
도 10은, 늘어난 시야창에 의해, 시야창 내에 복수명의 시청자가 대응될 수 있어, 복수명의 시청자의 시청이 가능한 점을 나타낸 것이다. 시차를 갖는 홀로그램의 시야창이 동일한 시청거리에 복수 부분에서 발생되므로, 실질적으로 시청자는 중첩하지 않은 위치에서 입체 홀로그램 시청이 가능하다.
*제 2 실시예*
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이의 시야창 제어부를 나타낸 단면도이고, 도 12a 및 도 12b는 도 11의 시야창 제어부의 제 1 기판 및 제 2 기판을 나타낸 평면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 시야창 제어부는, 액정 전계 렌즈(240)의 형태로 구현한 것이다.
이러한 액정 전계 렌즈는 도 11 내지 도 12b와 같이, 서로 대향된 제 1, 제 2 기판(241, 242)과, 상기 제 1 기판 상에 각 단위 렌즈마다 구비되며 서로 이격된 복수개의 제 1 전극(243)과, 상기 제 2 기판 상에 구비된 제 2 전극(244)과, 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 채워진 액정층(245) 및 상기 각 단위 렌즈의 굴절률 변화를 제어하는 전압 인가부(250)를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제 1 전극(243)은 단위 렌즈 영역별로 길이 방향으로 길게 형성되어 있으며, 서로 인접한 단위 렌즈 영역간에는 서로 이격되어 있어, 서로 독립적으로도 구동될 수 있다.
그리고, 상기 제 2 전극(244)은 가장 자리의 패드 영역을 제외하며, 렌즈 기능을 하는 영역은 모두 커버하도록 형성된다.
한편, 도시된 액정 전계 렌즈의 예는 일예에 한한 것이며, 경우에 따라 상기 제 1 기판(241) 상의 단위 렌즈 영역마다 복수개의 제 1 전극을 구비할 수 있으며, 각 단위 렌즈 영역에 구비된 제 1 전극들에 대하여 중심에서 가장자리로 갈수록 점점 커지거나 점점 작아지는 전압을 인가하여, 보다 미세한 곡률을 갖는 형태의 렌즈 구현이 가능할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이는, 액정 전계 렌즈(240)로부터 출사되는 광의 초점을 변경할 수 있어, 시야 창의 조절이 가능하다. 즉, 앞서 설명한 제 1 실시예의 경우, 렌티큘러 렌즈 어레이(140)는 하나의 굴곡 형태를 가지기 때문에, 홀로그램 디스플레이의 장치 내에 구비된 후 확장된 시야창의 조정이 불가하나, 전계를 조절할 수 있는 액정 전계 렌즈(240)의 경우에는, 시야창의 폭을 가변시킬 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이의 시야 창 조절을 나타낸 도면이다.
도 13a 및 도 13b와 같이, 상기 제 1 전극(243)과 상기 제 2 전극(244)에 인가된 전압 차의 값을 조정하여, 각 단위 렌즈의 최대 굴절률(Rmax)과 최소 굴절률(Rmin1, Rmin2)의 차를 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 13a와 같이, 제 1 전극(243)과 제 2 전극(244)에 인가된 전압 차를 크게 하여, 각 최대 굴절률(Rmax)과 최소 굴절률(Rmin1)을 크게 한 경우, 액정 전계 렌즈(240)가 갖는 초점(f1)은 액정 전계 렌즈(240)와 시청면 사이에 있어서, 보다 액정 전계 렌즈(240) 측에 가깝게 맺히며, 이는 광학적으로 구현되는 각 단위 렌즈의 곡률이 큰 것을 의미하며, 결과적으로 입사된 광이 초점에서 시야창으로 회절된 폭을 늘려 시야창이 확장되는 효과를 얻게 한다.
그리고, 도 13b와 같이, 제 2 전극(243)과 제 2 전극(244)에 인가된 전압 차를 작게 하거나 거의 0에 가깝게 하여, 최대 굴절률(Rmax)과 최소 굴절률(Rmin2)의 차를 거의 없게 한 경우는, 액정 전계 렌즈(240)는 거의 렌즈 효과를 갖지 못하여, 시야창 제어부를 구비하지 않은 구조에 유사하게, 액정 전계 렌즈(240)가 갖는 초점(f2)은 액정 전계 렌즈(240)와 시청면 사이에 있어서, 보다 시청면 측에 가깝게 맺히게 된다. 결과적으로, 이 때의 단위 렌즈의 곡률은 작게 되며, 결과적으로 입사된 광이 초점에서 회절된 폭이 작아 시야창이 협소되지는 효과를 얻게 된다.
즉, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이에 있어서는, 상기 전압 인가부(250)이 각각 제 1, 제 2 전극(243, 244)에 인가하는 전압으로, 각 단위 렌즈별 최저 굴절률과 최대 굴절률 사이의 범위를 조절하여 시야창의 크기를 변화시킬 수 있으며, 도 13a와 같이, 상기 최저 굴절률과 최대 굴절률 사이의 범위가 증가할 때, 상기 시야창 크기가 커지며, 도 13b와 같이, 최저 굴절률과 최대 굴절률 사이의 값이 0에 가까운 경우에는 시야창 크기가 작게 된다.
이러한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이는, 제 1, 제 2 전극(243, 244)에 인가된 전압 차를 조정하여, 굴절률 변위(Rv: Rmax-Rmin)를 조절할 수 있으며, 이에 따라 시야창의 크기 제어가 가능하다.
도 13a와 같이, 시야창 크기를 확장시킬 경우는 시청자의 위치의 자유도를 높이고, 시청 영역을 확장하는 이점이 있다. 또한, 도 13b와 같이, 초점 거리가 시청면에 가깝게 이동하여 시야창 크기가 줄어들지만, 광량이 좁은 영역의 시야창에 집중되어 휘도가 상승하는 이점이 있다.
이러한 액정 전계 렌즈(240)는 시청자의 필요에 따라 굴절률 변위를 선택적으로 조정하여 필요 휘도에 맞추어 보상된 시야창을 확보할 수 있다. 그리고, 제 1, 제 2 전극이 인가하는 전압 값의 변화에 따라 다양한 굴절률 변화를 취할 수 있어, 시야창의 가능 범위가 시청자의 선택 혹은 환경에 맞춰 가변적일 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 각 렌즈의 굴절률 변화와 시야창 관계를 도시하기 위해 단위 렌즈 영역만을 도시한 것이며, 단위 렌즈 영역 내에 액정 전계 렌즈(240)의 대향하는 제 1, 제 2 기판에는 각각 제 1 전극과 제 2 전극이 영역을 나누지 않고, 형성됨을 나타낸다. 도 11 내지 도 12b와 같이, 인접한 단위 렌즈 영역들간의 제 1 전극(243)들은 서로 이격되어 있으며, 제 2 전극(244)은 광이 통과하는 렌즈 영역에 대해 일체형으로 한 패턴(244)으로 형성된다.
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.
110: 광원 유닛 120: 공간 광 변조기
130: 필드 렌즈 140: 렌티큘러 렌즈 어레이
240: 액정 전계 렌즈 1400: 시야창 제어부

Claims (14)

  1. 직진광을 출사면으로 출사하는 광원 유닛;
    상기 광원 유닛 상에, 매트릭스상으로 배열된 서브픽셀들을 포함한 공간 광 변조기;
    상기 공간 광 변조기 상에, 상기 공간 광 변조기를 통해 회절된 광경로를 모아주는 필드 렌즈; 및
    시청자의 시청면에 가까이 배치되어, 시야창을 확장하는 시야창 제어부를 포함하여 이루어진 홀로그램 디스플레이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원 유닛은 레이저 광원 유닛인 홀로그램 디스플레이.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 서브픽셀들은 각각 가로 방향으로 제 1 피치를 갖고,
    상기 시야창 제어부는, 상기 제 1 피치의 2배에 대응된 제 2 피치의 단위 렌즈를 수평 방향으로 연속하여 갖는 홀로그램 디스플레이.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 시야창 제어부의 제 2 피치와 대응되는 2개의 서브 픽셀에 각각 좌안용 홀로그램 패턴과 우안용 홀로그램 패턴의 영상이 표시된 홀로그램 디스플레이.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기를 통해 출사된 광은 상기 시야창 제어부의 각 단위 렌즈의 출사면에서 양안 분리되어 시청자의 양안에 좌안용 홀로그램 패턴과 우안용 홀로그램 패턴의 영상을 전달하는 홀로그램 디스플레이.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 피치에 대응하여, 상기 공간 광 변조기에 좌안용 홀로그램 패턴과 우안용 홀로그램 패턴이 수직 방향으로 공급되는 홀로그램 디스플레이.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 액정 패널인 홀로그램 디스플레이.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 필드 렌즈는 필름인 홀로그램 디스플레이.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 필드렌즈와 상기 시야창 제어부는 접한 홀로그램 디스플레이.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 시야창 제어부는 글래스 표면에 상기 제 2 피치의 주기로 굴곡면을 갖는 홀로그램 디스플레이.
  11. 제 3항에 있어서,
    상기 시야창 제어부는 필름 상면에 상기 제 2 피치의 주기로 패터닝된 홀로그램 디스플레이.
  12. 제 3항에 있어서,
    상기 시야창 제어부는,
    서로 대향된 제 1, 제 2 기판;
    상기 제 1 기판 상에 각 단위 렌즈마다 구비되며 서로 이격된 복수개의 제 1 전극;
    상기 제 2 기판 상에 구비된 제 2 전극;
    상기 제 1, 제 2 기판 사이에 채워진 액정층; 및
    상기 각 단위 렌즈의 굴절률 변화를 제어하는 전압 인가부를 포함하는 홀로그램 디스플레이.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전압 인가부는 최저 굴절률과 최대 굴절률 사이의 범위를 조절하여 시야창의 크기를 변화시키는 홀로그램 디스플레이.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 최저 굴절률과 최대 굴절률 사이의 범위가 증가할 때, 상기 시야창 크기가 커지는 홀로그램 디스플레이.
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