KR20160141588A - 개선된 화질을 제공하는 공간 광변조기 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

확장된 시역 윈도우를 제공하는 공간 광변조기 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치가 개시된다. 공간 광변조기는 상기 공간 광변조기의 각각의 화소들을 적어도 2개로 분할하도록 배치되는 주기적인 패턴을 갖는 마스크 부재를 포함할 수 있다. 마스크 부재의 주기적인 패턴에 의해 화소들이 2개 이상으로 분할되기 때문에, 공간 광변조기의 주기적인 구조에 의해 형성되는 격자점들 사이의 간격이 넓어질 수 있다.

Description

개선된 화질을 제공하는 공간 광변조기 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치{Spatial light modulator providing improved image quality and holographic display apparatus including the same}
개시된 실시예들은 공간 광변조기 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개선된 화질을 제공하는 공간 광변조기 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것이다.
3차원 영상을 구현하는 방식으로서 안경 방식과 무안경 방식이 널리 상용화되어 사용되고 있다. 안경 방식에는 편광 안경 방식과 셔터 안경 방식이 있으며, 무안경 방식에는 렌티큘러 방식과 패럴랙스 배리어 방식이 있다. 이러한 방식들은 두 눈의 양안시차(binocular parallax)를 이용하는 것으로, 시점 수의 증가에 한계가 있을 뿐만 아니라, 뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하지 않아서 시청자로 하여금 피로감을 느끼게 한다.
뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하고 완전 시차(full parallax)를 제공할 수 있는 3차원 영상 디스플레이 방식으로서, 최근 홀로그래픽 디스플레이 방식이 점차 실용화되고 있다. 홀로그래픽 디스플레이 방식은, 원본 물체로부터 반사된 물체광과 참조광을 간섭시켜 얻은 간섭무늬를 기록한 홀로그램 패턴에 참조광을 조사하여 회절시키면, 원본 물체의 영상이 재생되는 원리를 이용하는 것이다. 현재 실용화되고 있는 홀로그래픽 디스플레이 방식은 원본 물체를 직접 노광하여 홀로그램 패턴을 얻기 보다는 컴퓨터로 계산된 홀로그램(computer generated hologram; CGH)을 전기적 신호로서 공간 광변조기에 제공한다. 입력된 CGH 신호에 따라 공간 광변조기가 홀로그램 패턴을 형성하여 참조광을 회절시킴으로써 3차원 영상이 생성될 수 있다.
개선된 화질을 제공할 수 있는 공간 광변조기를 제공한다.
상기 공간 광변조기를 사용하여 홀로그램 영상의 화질을 향상시킬 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 공간 광변조기는, 2차원 배열된 다수의 화소들의 어레이; 및 주기적인 패턴을 갖는 마스크 부재;를 포함하며, 상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 상기 각각의 화소들을 적어도 2개로 분할하도록 배치될 수 있다.
상기 마스크 부재의 패턴의 주기는 상기 화소들의 피치와 동일할 수 있다.
상기 마스크 부재의 패턴의 주기는 상기 화소들의 피치의 정수 분의 일과 같을 수 있다.
상기 마스크 부재의 패턴은 제 1 방향을 따른 제 1 주기와 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따른 제 2 주기를 가질 수 있다.
상기 마스크 부재의 패턴의 제 1 주기와 상기 화소들의 제 1 방향의 피치의 비는 상기 패턴의 제 2 주기와 상기 화소들의 제 2 방향의 피치의 비와 같을 수 있다.
상기 마스크 부재의 패턴의 제 1 주기와 상기 화소들의 제 1 방향의 피치의 비는 상기 패턴의 제 2 주기와 상기 화소들의 제 2 방향의 피치의 비와 상이할 수 있다.
상기 마스크 부재의 패턴의 제 1 주기는 상기 화소들의 제 1 방향의 피치의 정수 분의 일과 같으며, 상기 패턴의 제 2 주기는 상기 화소들의 제 2 방향의 피치의 정수 분의 일과 같을 수 있다.
상기 공간 광변조기는 상기 다수의 화소들 사이에 각각 배치된 블랙 매트릭스를 더 포함하며, 상기 마스크 부재의 패턴의 폭은 상기 블랙 매트릭스의 패턴 폭과 동일할 수 있다.
상기 공간 광변조기는 상기 다수의 화소들 사이에 각각 배치된 블랙 매트릭스를 더 포함하며, 상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 상기 블랙 매트릭스의 패턴 폭과 동일한 폭을 갖는 제 1 패턴 및 상기 블랙 매트릭스의 패턴 폭과 상이한 제 2 패턴을 가질 수 있다.
상기 공간 광변조기는 상기 다수의 화소들 사이에 각각 배치된 블랙 매트릭스를 더 포함하며, 상기 마스크 부재의 패턴은 상기 블랙 매트릭스의 패턴들 사이에 배치되어 있으며 상기 블랙 매트릭스의 패턴들과 평행한 방향으로 연장될 수 있다.
상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 빛을 투과시키지 않는 불투명한 블랙 마스크를 포함할 수 있다.
상기 마스크 부재는 각각의 화소의 내부에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 마스크 부재는 각각의 화소 내부에서 상기 블랙 매트릭스와 동일한 층에 배치될 수 있다.
상기 마스크 부재는 상기 공간 광변조기의 외부 표면에 배치될 수 있다.
상기 마스크 부재는 주기적인 패턴이 인쇄된 투명한 필름의 형태를 가질 수 있다.
상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 투과광의 위상을 지연시키는 위상 지연 패턴인 위상 마스크를 포함할 수 있다.
상기 마스크 부재는 제 1 두께를 갖는 제 1 영역 및 상기 제 1 두께와 상이한 제 2 두께를 가지며 상기 주기적인 패턴을 형성하는 제 2 영역을 포함할 수 있다.
상기 마스크 부재는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 영역 및 상기 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 가지며 상기 주기적인 패턴을 형성하는 제 2 영역을 포함할 수 있다.
상기 마스크 부재는, 빛을 투과시키지 않는 주기적인 불투명한 패턴을 갖는 제 1 마스크 부재 및 투과광의 위상을 지연시키는 주기적인 위상 지연 패턴을 갖는 제 2 마스크 부재를 포함할 수 있다.
상기 제 1 마스크 부재의 주기적인 불투명한 패턴과 상기 제 2 마스크 부재의 주기적인 위상 지연 패턴이 상이한 형태를 가질 수 있다.
상기 제 1 마스크 부재의 주기적인 불투명한 패턴과 상기 제 2 마스크 부재의 주기적인 위상 지연 패턴이 동일한 형태를 가지며 상기 각각의 화소들에 대해 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 광을 제공하는 광원; 광을 회절시켜 홀로그램 영상을 재생하는 것으로, 다수의 화소들의 어레이를 포함하는 공간 광변조기; 및 주기적인 패턴을 갖는 마스크 부재;를 포함하며, 상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 상기 공간 광변조기의 각각의 화소들을 적어도 2개로 분할하도록 배치될 수 있다.
상기 공간 광변조기와 상기 마스크 부재는, 상기 공간 광변조기와 상기 마스크 부재의 주기적인 구조에 의해 형성되는 다수의 격자점들 사이의 간격인 시역 윈도우의 크기가 상기 홀로그래픽 디스플레이 장치에 의해 재생되는 홀로그램 영상의 영상 윈도우의 크기보다 적어도 2배 크도록 구성될 수 있다.
개시된 공간 광변조기는 각각의 화소들, 특히 화소들의 액정 영역을 적어도 2개로 분할하는 주기적인 패턴을 갖는 마스크 부재를 포함할 수 있다. 이러한 마스크 부재의 주기적인 패턴에 의해 화소들이 2개 이상으로 분할되기 때문에, 공간 광변조기의 주기적인 구조에 의해 형성되는 격자점들 사이의 간격이 넓어질 수 있다. 따라서, 공간 광변조기의 해상도를 증가시키지 않으면서도 시역 윈도우의 크기가 증가할 수 있다.
또한, 상기 공간 광변조기를 채용한 홀로그래픽 디스플레이 장치는 확장된 시역 윈도우 내에 홀로그램 영상을 재생할 수 있기 때문에 격자점들에 의한 홀로그램 영상의 화질 저하를 억제할 수 있다.
또한, 수렴광을 사용하지 않는 홀로그래픽 디스플레이 장치의 경우, 상기 공간 광변조기를 사용함으로써 0차 홀로그램 영상과 ±1차 홀로그램 영상 사이의 크로스토크가 발생하지 않을 수 있다.
따라서, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 향상된 화질을 갖는 홀로그램 영상을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 공간 광변조기의 한 화소의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공간 광변조기의 블랙 매트릭스와 마스크 부재의 상대적인 위치 관계를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 마스크 부재에 의해 형성되는 시역 윈도우와 영상 윈도우의 관계를 예시적으로 보인다.
도 5는 다른 실시예에 따른 공간 광변조기의 블랙 매트릭스와 마스크 부재의 상대적인 위치 관계를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 마스크 부재에 의해 형성되는 시역 윈도우와 영상 윈도우의 관계를 예시적으로 보인다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기의 블랙 매트릭스와 마스크 부재의 상대적인 위치 관계를 개략적으로보이는 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 마스크 부재에 의해 형성되는 시역 윈도우와 영상 윈도우의 관계를 예시적으로 보인다.
도 9는 수렴광을 사용하지 않는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 마스크 부재를 갖지 않는 공간 광변조기로 홀로그램 영상을 재생할 때 홀로그램 영상들 사이에 발생하는 크로스토크를 예시적으로 보인다.
도 10은 수렴광을 사용하지 않는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 마스크 부재를 갖는 공간 광변조기를 이용하여 크로스토크를 방지하는 것을 예시적으로 보인다.
도 11은 다른 실시예에 따른 공간 광변조기의 한 화소의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기의 마스크 부재의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기의 마스크 부재의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기의 한 화소의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 15는 마스크 부재가 없는 비교예에 따른 공간 광변조기에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다.
도 16 및 도 17은 도 2에 도시된 공간 광변조기에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다.
도 18 및 도 19는 도 11에 도시된 공간 광변조기에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다.
도 20은 또 다른 실시예에 따른 블랙 매트릭스와 마스크 부재의 상대적인 위치 관계를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 21은 도 20에 도시된 블랙 매트릭스와 마스크 부재에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다.
도 22는 또 다른 실시예에 따른 블랙 매트릭스와 마스크 부재의 상대적인 위치 관계를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 23은 도 22에 도시된 블랙 매트릭스와 마스크 부재에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 확장된 시역 윈도우를 제공하는 공간 광변조기 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 구성을 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는, 광을 제공하는 광원(110), 및 입사광을 변조하는 홀로그램 패턴을 형성하는 공간 광변조기(120)를 포함할 수 있다. 또한, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 공간 광변조기(120)에 의해 변조된 광을 소정의 공간 상에 포커싱 하는 푸리에 렌즈(115)를 더 포함할 수 있다. 변조된 광이 푸리에 렌즈(115)에 의해 소정의 공간 상에 포커싱됨으로써 공간 상에 홀로그램 영상이 재생될 수 있다. 또한, 푸리에 렌즈(115)에 의해 광을 수렴시킴으로써 재생되는 홀로그램 영상의 화각이 증가할 수 있다. 그러나, 광원(110)이 집속된 수렴광을 제공하다면 푸리에 렌즈(115)는 생략될 수도 있다.
광원(110)은 높은 가간섭성을 갖는 광을 공간 광변조기(120)에 제공하기 위하여 레이저를 포함할 수도 있다. 그러나, 광원(110)에 의해 제공되는 광이 일정 수준 이상의 공간 간섭성(spatial coherence)을 가지면 공간 광변조기(120)에 의해 충분히 회절 및 변조될 수 있기 때문에, 광원(110)으로서 발광 다이오드(LED)를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 광원(110)은 다수의 레이저 또는 발광 다이오드들의 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 광원(110)은 레이저나 발광 다이오드 외에도 공간 간섭성을 갖는 광을 방출한다면 다른 어떤 광원도 사용이 가능하다.
한편, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)가 관찰자의 양안에 해당하는 시점, 즉 우안 시점과 좌안 시점만을 각각 갖는 우안 홀로그램 영상과 좌안 홀로그램 영상을 제공하는 양안 홀로그램(binocular hologram) 방식을 채용한다면, 광원(110)은 우안용 광원(110a)과 좌안용 광원(110b)을 각각 포함할 수 있다. 예를 들어, 우안용 광원(110a)은 관찰자의 우안 시역에 광을 제공하고 좌안용 광원(110b)은 관찰자의 좌안 시역에 광을 제공할 수 있다. 따라서, 우안용 광원(110a)에서 방출된 광이 공간 광변조기(120)에 의해 변조되면, 관찰자의 우안 시역에 우안 홀로그램 영상이 형성될 수 있다. 그리고, 좌안용 광원(110b)에서 방출된 광이 공간 광변조기(120)에 의해 변조되면, 관찰자의 좌안 시역에 좌안 홀로그램 영상이 형성될 수 있다. 각각의 광원(110a, 110b)은 다수의 레이저 또는 발광 다이오드들의 어레이를 포함할 수 있다. 도 1에는 편의상 우안용 광원(110a)과 좌안용 광원(110b)을 구분하여 도시하고 있지만, 발광 다이오드 어레이를 포함하는 하나의 백라이트 패널을 이용하여 우안 시역과 좌안 시역에 각각 광을 제공할 수도 있다.
공간 광변조기(120)는 도시되지 않은 제어부로부터 제공되는 홀로그램 데이터 신호에 따라 입사광을 회절시켜 변조하기 위한 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 공간 광변조기(120)는 위상 변조만 수행할 수 있는 위상 변조기 또는 진폭 변조만 수행할 수 있는 진폭 변조기를 사용할 수 있다. 비록 도 1에는 공간 광변조기(120)가 투과형 공간 광변조기인 것으로 도시되어 있지만 반사형 공간 광변조기를 사용하는 것도 가능하다. 투과형인 경우, 공간 광변조기(120)는 예를 들어 LCD(liquid crystal device)를 이용한 광변조기 또는 GaAs와 같은 화합물 반도체를 기반으로 한 반도체 광변조기를 사용할 수 있다. 또한, 반사형인 경우, 공간 광변조기(120)는, 예컨대 DMD(digital micromirror device), LCoS(liquid crystal on silicon), 또는 반도체 광변조기를 사용할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 공간 광변조기(120)는 해상도를 증가시키지 않으면서도 화소 피치를 실질적으로 줄이는 효과를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 일 실시예에 따른 공간 광변조기(120)의 한 화소의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 이하에서는 예시적으로 공간 광변조기(120)가 LCD를 이용하는 경우에 대해 공간 광변조기(120)의 화소 구조를 설명하지만, 다른 광변조 소자를 이용하는 경우에도 동일한 원리가 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 공간 광변조기(120)는, 예를 들어, 서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판(121)과 제 2 투명 기판(122), 상기 제 1 투명 기판(121)과 제 2 투명 기판(122) 사이에 배치된 액정셀(126), 제 1 투명 기판(121) 상에 배치되어 액정셀(126)을 구동시키는 구동 회로(125), 제 2 투명 기판(122) 상에 배치되어 구동 회로(125)가 보이지 않도록 빛을 차단하는 불투명한 블랙 매트릭스(127), 및 제 2 투명 기판(122) 상에 배치되어 액정셀(126)을 분할하는 마스크 부재(128)를 포함할 수 있다. 또한, 공간 광변조기(120)는 제 1 투명 기판(121)의 외부 표면에 배치된 제 1 편광판(123) 및 제 2 투명 기판(122)의 외부 표면에 배치된 제 2 편광판(124)을 더 포함할 수 있다.
도 2에는 편의상 공간 광변조기(120)의 하나의 화소만이 도시되어 있지만, 공간 광변조기(120)는 2차원 배열된 다수의 화소들의 어레이를 포함할 수 있다. 블랙 매트릭스(127)는 공간 광변조기(120)의 다수의 화소들 사이에 각각 배치될 수 있다. 마스크 부재(128)는 제 2 투명 기판(122) 상에서 블랙 매트릭스(127)와 동일한 층에 배치될 수 있다. 또한, 액정셀(126)에 의해 변조된 빛이 투과할 수 있도록 제 2 투명 기판(122) 상에서 액정셀(126)과 대향하는 영역에는 광투과층(129)이 배치될 수 있다. 필요에 따라, 광투과층(129)은 특정 파장의 빛만을 투과시키는 컬러 필터로 대체될 수도 있다. 마스크 부재(128)는 액정셀(126)과 대향하는 영역 내에 배치되어 상기 광투과층(129)을 분할할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 마스크 부재(128)가 블랙 매트릭스(127)와 동일한 층에 배치되기 때문에, 공간 광변조기(120)의 제조시에 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127)는 동일 공정에서 동시에 형성될 수 있다. 그러나, 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127)가 반드시 동일한 층에 배치되어야만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 마스크 부재(128)는 액정셀(126) 내에 배치될 수도 있으며, 또는 제 1 투명 기판(121) 상에서 구동 회로(125)와 동일한 층에 배치될 수도 있다. 즉, 마스크 부재(128)는 공간 광변조기(120)의 내부의 어떠한 층에도 배치될 수 있다.
후술하겠지만, 블랙 매트릭스(127)는 입사광을 회절시켜 불필요한 격자점들을 형성하는 화소 격자의 역할을 하게 된다. 블랙 매트릭스(127)에 의해 형성된 격자점들은 노이즈로서 작용하여 홀로그램 영상의 품질을 저하시킬 수 있다. 재생되는 홀로그램 영상이 격자점들로부터 받는 영향을 줄이기 위해서는 격자점들 사이의 간격이 넓을수록 유리하다. 공간 광변조기(120)의 해상도가 높아질수록, 화소의 피치가 작아지고 블랙 매트릭스(127)들 사이의 간격이 좁아져서 격자점들 사이의 간격이 늘어날 수 있다. 그러나, 공간 광변조기(120)의 해상도를 증가시키는데는 기술적인 한계가 있다. 마스크 부재(128)는 화소의 피치를 줄이지 않으면서도(즉, 공간 광변조기(120)의 해상도를 증가시키지 않으면서도) 블랙 매트릭스(127)와 함께 화소 격자로서 작용하여 격자점들 사이의 간격을 증가시키는 역할을 할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 공간 광변조기(100)의 블랙 매트릭스(127)와 마스크 부재(128)의 상대적인 위치 관계를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 3를 참조하면, 블랙 매트릭스(127)는 주기적인 격자형 패턴을 가질 수 있다. 또한, 마스크 부재(128)도 역시 블랙 매트릭스(127)와 마찬가지로 주기적인 격자형 패턴을 가지며 각각의 화소를 분할하도록 블랙 매트릭스(127)에 대해 시프트되어 배치될 수 있다. 따라서, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들은 블랙 매트릭스(127)의 패턴들 사이에 배치되며 블랙 매트릭스(127)의 패턴들과 평행한 방향으로 연장될 수 있다.
또한, 도 3에는 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들이 블랙 매트릭스(127)와 동일한 패턴을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 반드시에 이에 한정되는 것은 아니다. 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들의 피치는 블랙 매트릭스(127)의 피치와 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다. 예를 들어, 도 3에서는 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴에 의해 각각의 화소가 4분할되는 것으로 도시되어 있지만, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴은 각각의 화소를 2분할하도록 설계될 수도 있으며 또는 6분할 이상으로 분할하도록 설계될 수도 있다. 여기서, 분할의 의미는 화소를 물리적으로 잘라서 나눈다는 의미가 아니라 화소의 영상 표시 영역이 마스크 부재(128)에 의해 여러 구역으로 나누어 보인다는 의미로 이해하여야 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127)의 각각의 피치는 P2이지만, 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127)가 함께 작용하여 화소 격자의 피치가 P1로 줄어들 수 있으므로, 격자점들 사이의 간격이 증가할 수 있다.
상술한 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 동작은 다음과 같다. 먼저, 제어부(미도시)는 홀로그램 데이터 신호를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공한다. 홀로그램 데이터 신호는 목표한 홀로그램 영상이 공간 상에 재생되도록 계산된 CGH 신호일 수 있다. 제어부는 재생될 홀로그램 영상에 따라 홀로그램 데이터 신호를 생성할 수 있다. 공간 광변조기(120)는 제어부로부터 제공된 홀로그램 데이터 신호에 따라 공간 광변조기(120)의 표면 상에 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 공간 광변조기(120)가 홀로그램 패턴을 형성하는 원리는, 예를 들어, 디스플레이 패널이 영상을 표시하는 원리와 같을 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 패턴은 재생될 홀로그램 영상의 정보를 갖고 있는 간섭무늬의 형태로 공간 광변조기(120)에서 표시될 수 있다.
이와 동시에, 광원(110)은 공간 광변조기(120)에 광을 제공한다. 그러면 공간 광변조기(120)에서 형성된 홀로그램 패턴에 의해 입사광이 회절 및 간섭되면서, 공간 광변조기(120) 앞의 소정의 공간 상에 입체감이 있는 홀로그램 영상이 재생될 수 있다. 재생되는 홀로그램 영상이 위치하는 공간과 공간 광변조기(120) 사이의 거리를 깊이라고 부를 수 있다. 일반적으로, 홀로그램 영상의 형태와 깊이는 공간 광변조기(120)에서 형성되는 홀로그램 패턴에 따라 결정될 수 있다. 홀로그램 영상이 재생될 때, 관찰자는 공간 광변조기(120)로부터 d만큼 떨어져 있는 시청 위치에서 홀로그램 영상을 감상할 수 있다. 여기서, 홀로그램 영상을 감상할 수 있는 시청 위치에서 관찰자의 동공을 포함하는 가상의 평면을 동공 평면(pupil plane)이라고 부를 수 있다.
그런데, 위상 변조와 진폭 변조 중에서 어느 하나만을 수행하는 일반적인 공간 광변조기(120)는 다수의 화소들의 어레이로 구성되어 있기 때문에, 다수의 화소들의 어레이(특히, 화소 사이의 블랙 매트릭스)가 격자로서 작용하게 된다. 따라서, 입사광은 공간 광변조기(120)에서 형성된 홀로그램 패턴뿐만 아니라, 공간 광변조기(120)의 화소들의 어레이로 구성된 화소 격자에 의해서도 회절 및 간섭하게 된다. 또한, 입사광 중에서 일부는 홀로그램 패턴에 의해 회절되지 않고 공간 광변조기(120)를 그대로 투과하게 된다. 그 결과, 홀로그램 영상이 점으로 모아지는 시청 위치에서 동공 평면 상에는 다수의 격자점(lattice spot)들이 나타나게 된다. 이러한 다수의 격자점들은 홀로그램 영상의 화질을 저하시키고 홀로그램 영상의 감상을 불편하게 만드는 영상 노이즈로서 작용한다.
다수의 격자점들은 공간 광변조기(120)의 내부 구조에 의해 발생하는 것이고 홀로그램 패턴과는 무관하기 때문에, 다수의 격자점들의 위치는 언제나 고정되어 있다. 반면, 홀로그램 영상의 동공 평면 상에서 위치는 홀로그램 패턴에 의해 결정되므로, 다수의 격자점들이 없는 위치에 홀로그램 영상이 재생되도록 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 원리에 따라, 시청 위치에서 다수의 격자점들이 관찰자의 눈에 보이지 않도록 하기 위하여, 동공 평면 상에서 홀로그램 영상이 맺히는 영역(이하, 이러한 영역을 영상 윈도우(image window)라고 부른다)이 다수의 격자점들로부터 벗어나도록 홀로그램 영상을 재생할 수 있다. 이러한 재생 방식을 통상 축비킴(off-axis) 방식이라고 부른다.
그러나, 축비킴 방식으로 홀로그램 영상을 재생하는 경우에도, 일반적인 공간 광변조기를 사용하면, 공간 광변조기의 해상도 한계로 인해, 다수의 격자점들에 의해 둘러싸인 격자점들이 없는 영역(이하, 이러한 영역을 시역 윈도우(viewing window)라고 부른다)이 좁기 때문에 격자점들에 의한 영향을 완전히 피하기는 어렵다. 예를 들어, 시역 윈도우의 폭(w)은 공간 광변조기와 시청 위치 사이의 거리(d) 및 빛의 파장(λ)에 비례하고 공간 광변조기의 화소 피치(p)에 반비례할 수 있다. 즉, w=λㆍd/p의 관계가 성립한다. 따라서, 공간 광변조기의 화소 피치(p)를 충분히 작게 하여 시역 윈도우의 크기를 증가시키는 것이 유리하지만, 공간 광변조기의 화소 피치를 줄이는 데는 기술적인 한계가 있다. 더욱이, 푸리에 렌즈(115)의 수차로 인해 격자점들이 주변으로 확산되는 경우에는, 영상 윈도우가 격자점들을 피하여 위치하더라도 격자점들로부터 확산되는 빛에 의해 홀로그램 영상에 노이즈가 발생할 수 있다.
본 실시예에 따른 공간 광변조기(120)는, 상술한 바와 같이, 해상도를 증가시키지 않으면서도, 마스크 부재(128)를 이용하여 화소 피치(p)를 실질적으로 줄이는 효과를 갖기 때문에 충분히 확장된 크기의 시역 윈도우를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 도 3에 도시된 마스크 부재(128)에 의해 형성되는 시역 윈도우와 영상 윈도우의 관계를 예시적으로 보이고 있다. 도 4를 참조하면, 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127)에 의해 입사광이 회절 및 간섭하면서 발생하는 다수의 격자점(LS)들이 일정한 간격으로 배열되어 있다. 도 4에서 점선 박스로 표시된 바와 같이, 다수의 격자점(LS)들에 의해 둘러싸이는 영역이 시역 윈도우(VW)가 된다. 또한, 시역 윈도우(VW) 내에는 동공 평면 상에서 홀로그램 영상이 맺히는 영역인 영상 윈도우(IW)가 위치할 수 있다. 관찰자의 동공 위치가 영상 윈도우(IW)의 위치와 일치할 때 관찰자가 완전한 홀로그램 영상을 감상할 수 있다.
마스크 부재(128)를 사용함으로써 화소 격자의 피치가 작아진 효과를 갖기 때문에 시역 윈도우(VW)의 폭(w)이 영상 윈도우(IW)의 폭보다 크다. 반면, 공간 광변조기(120)의 화소 자체가 작아진 것은 아니기 때문에 영상 윈도우(IW)의 크기는 변하지 않는다. 예를 들어, 마스크 부재(128)가 각각의 화소를 4분할하는 경우에 시역 윈도우(VW)의 넓이는 영상 윈도우(IW)의 넓이보다 대략 4배 더 클 수 있다. 도 4에는 영상 윈도우(IW)가 시역 윈도우(VW)의 한쪽 구석에 위치하는 것으로 도시되어 있으나, 영상 윈도우(IW)의 위치는 공간 광변조기(120)에 형성되는 홀로그램 패턴에 따라 조절이 가능하다. 이와 같은 방식으로, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 확장된 시역 윈도우(VW) 내에 홀로그램 영상을 재생할 수 있기 때문에, 격자점(LS)들에 의한 홀로그램 영상의 화질 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 향상된 화질을 갖는 홀로그램 영상을 제공할 수 있다.
도 4에 도시된 시역 윈도우(VW)는 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들이 블랙 매트릭스(127)와 동일한 형태를 갖는 경우에 대해 도시된 것이다. 그러나 이미 설명한 바와 같이, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들의 형태는 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 원하는 시역 윈도우(VW)의 크기에 따라 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들의 형태가 선택될 수 있다.
예를 들어, 도 5는 다른 실시예에 따른 공간 광변조기(120)의 블랙 매트릭스(127)와 마스크 부재(128)의 상대적인 위치 관계를 개략적으로 보이고 있다. 도 5를 참조하면, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들은 화소를 수직 방향으로 2분할하도록 형성될 수 있다. 즉, 마스크 부재(128)는 가로 방향으로 연장된 다수의 주기적인 패턴들만을 가질 수 있다. 도 6은 도 5에 도시된 마스크 부재(128)에 의해 형성되는 시역 윈도우(VW)와 영상 윈도우(IW)의 관계를 예시적으로 도시하고 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 블랙 매트릭스(127)와 마스크 부재(128)에 의해 공동으로 형성된 화소 격자의 피치는 세로 방향으로만 1/2로 줄어들기 때문에, 시역 윈도우(VW)의 크기는 세로 방향으로만 2배 증가할 수 있다.
또한, 도 7은 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기(120)의 블랙 매트릭스(127)와 마스크 부재(128)의 상대적인 위치 관계를 개략적으로 도시하고 있다. 도 7을 참조하면, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들은 화소를 가로 방향으로 2분할하도록 형성될 수 있다. 즉, 마스크 부재(128)는 세로 방향으로 연장된 다수의 주기적인 패턴들만을 가질 수 있다. 도 8은 도 7에 도시된 마스크 부재(128)에 의해 형성되는 시역 윈도우(VW)와 영상 윈도우(IW)의 관계를 예시적으로 도시하고 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 블랙 매트릭스(127)와 마스크 부재(128)에 의해 공동으로 형성된 화소 격자의 피치는 가로 방향으로만 1/2로 줄어들기 때문에, 시역 윈도우(VW)의 크기는 가로 방향으로만 2배 증가할 수 있다.
상술한 바와 같이, 필요에 따라 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들의 주기는 공간 광변조기(120)의 화소들의 피치와 같게 선택되거나 다르게 선택될 수 있다. 또한, 마스크 부재(128)가 각각의 화소를 2개 이상으로 균등 분할하기 위하여, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들의 주기는 공간 광변조기(120)의 화소들의 피치의 정수 분의 일과 같을 수 있다. 더욱 구체적으로, 마스크 부재(128)의 패턴들은 가로 방향의 제 1 주기와 세로 방향의 제 2 주기를 가질 수 있으며, 제 1 주기와 화소들의 가로 방향의 피치의 비는 제 2 주기와 화소들의 세로 방향의 피치의 비와 상이할 수도 있고 같을 수도 있다. 예를 들어, 제 1 주기는 화소들의 가로 방향의 피치의 정수 분의 일과 같으며, 제 2 주기는 화소들의 세로 방향의 피치의 정수 분의 일과 같을 수 있다. 또한, 마스크 부재(128)의 패턴들이 화소들의 피치와 관계 없는 임의의 주기를 갖는 것도 가능하다.
지금까지는 수렴광에 의해 홀로그램 영상이 형성되는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 공간 광변조기(120)가 그 자체로 충분한 화각을 제공한다면 반드시 수렴광을 사용할 필요가 없다. 즉, 푸리에 렌즈(115)를 생략할 수 있으며 광원(110)이 집속된 수렴광을 제공할 필요도 없다. 예를 들어, 단순한 평행광 또는 발산광으로도 홀로그램 영상을 재생할 수 있다. 수렴광이 아닌 평행광 또는 발산광을 사용하는 경우, 상술한 격자점들에 의한 화질 저하 문제는 줄어들 수도 있다. 그러나, 마스크 부재(128)를 갖지 않는 공간 광변조기로 홀로그램 영상을 재생하면, 다수의 홀로그램 영상들 사이에 크로스토크가 발생할 수 있다.
예를 들어, 도 9는 수렴광을 사용하지 않는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 마스크 부재(128)를 갖지 않는 공간 광변조기(120')로 홀로그램 영상을 재생할 때 홀로그램 영상들 사이에 발생하는 크로스토크를 예시적으로 보인다. 도 9에 도시된 바와 같이, 평행광이 공간 광변조기(120')에 입사하는 경우, 동공 평면 상에서 공간 광변조기(120')의 광축(OX) 위에 0차 홀로그램 영상(I1)이 형성된다. 그리고, 동공 평면 상에서 광축(OX)에 수직한 방향으로 따라 ±1차 홀로그램 영상(I2, I3)이 추가적으로 더 형성될 수 있다. 도 9에는 위쪽과 아래쪽에만 ±1차 홀로그램 영상(I2, I3)이 형성된 것으로 도시되어 있지만 측면 방향으로도 ±1차 홀로그램 영상이 더 형성될 수 있다. 그런데, 공간 광변조기(120')에 의한 회절 각도가 충분히 크지 않으면, 0차 홀로그램 영상(I1)과 ±1차 홀로그램 영상(I2, I3)들이 동공 평면 상에서 서로 중첩되어 보이는 크로스토크가 발생할 수 있으며, 이로 인해 재생되는 홀로그램 영상의 화질이 저하될 수 있다.
도 10은 수렴광을 사용하지 않는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 마스크 부재(128)를 갖는 본 실시예에 따른 공간 광변조기(120)를 이용하여 크로스토크를 방지하는 것을 예시적으로 보이고 있다. 도 10을 참조하면, 마스크 부재(128)를 갖는 공간 광변조기(120)에 의한 회절 각도가 커지기 때문에, ±1차 홀로그램 영상(I2, I3)을 광축(OX)에 수직한 방향으로 충분한 거리만큼 이동시킬 수 있다. 따라서, 0차 홀로그램 영상(I1)과 ±1차 홀로그램 영상(I2, I3)들 사이의 크로스토크를 방지할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 공간 광변조기(120)의 경우, 마스크 부재(128)가 공간 광변조기(120)의 내부에 배치되어 있으나, 마스크 부재(128)의 위치는 반드시 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 11은 다른 실시예에 따른 공간 광변조기(120)의 한 화소의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 공간 광변조기(120)의 내부에는 마스크 부재(128)가 배치되어 있지 않다. 그 대신에 공간 광변조기(120)의 외부 표면에 마스크 부재(128)가 배치될 수 있다. 도 11의 경우, 마스크 부재(128)가 제 2 투명 기판(122) 측에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 제 1 투명 기판(121) 측에 마스크 부재(128)가 배치되는 것도 가능하다.
마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들은 공간 광변조기(120)의 외부 표면에 직접 인쇄될 수도 있다. 대신에, 공간 광변조기(120)와는 별도로 마스크 부재(128)가 제조되어 공간 광변조기(120)의 외부 표면에 부착될 수도 있다. 예를 들어, 마스크 부재(128)는 주기적인 패턴이 인쇄된 투명 필름(131)의 형태를 가질 수 있다. 마스크 부재(128)가 투명 필름(131)의 형태로 제조되는 경우, 이미 제조된 기존의 공간 광변조기에 마스크 부재(128)를 부착하는 것이 가능하다.
지금까지는 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들이 빛을 투과시키지 않는 불투명한 블랙 마스크인 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 빛을 완전히 차단하는 블랙 마스크 대신에 투과광의 위상의 지연시키는 위상 마스크를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 12는 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기(120)의 마스크 부재(132)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 마스크 부재(132)는 투명 필름(131)의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 주기적인 패턴들을 가질 수 있다. 예를 들어, 투명 필름(131)의 영역은 제 1 굴절률을 가지며 마스크 부재(132)의 주기적인 패턴을 형성하는 영역은 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 가질 수 있다.
굴절률 대신에 두께의 조절을 통해 투과광의 위상을 지연시킬 수도 있다. 예를 들어, 도 13은 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기(120)의 마스크 부재(133)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 13을 참조하면, 마스크 부재(133)는 투명 필름(131)의 두께와 상이한 두께를 갖는 주기적인 패턴들을 가질 수 있다. 예를 들어, 투명 필름(131)의 영역은 제 1 두께를 가지며 마스크 부재(133)의 주기적인 패턴을 형성하는 영역은 제 1 두께과 상이한 제 2 두께를 가질 수 있다. 도 13에는 마스크 부재(133)의 제 2 두께가 투명 필름(131)의 제 1 두께보다 두꺼운 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시적인 것이며 제 1 두께가 제 2 두께보다 더 두꺼울 수도 있다.
도 12 및 도 13에는 위상 마스크를 포함하는 마스크 부재(132, 133)가 투명 필름(131)의 형태로 제조된 경우에 대해 설명하였으나, 마스크 부재(132, 133)는 블랙 마스크를 포함하는 마스크 부재(128)와 마찬가지로 공간 광변조기(120)의 내부에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 마스크 부재(132, 133)는 공간 광변조기(120) 내에서 블랙 매트릭스(127)와 동일한 층에 배치될 수 있다. 이 경우에, 마스크 부재(132)의 주기적인 패턴들은 광투과층(129)의 굴절률과 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 마스크 부재(133)의 주기적인 패턴들은 광투과층(129)의 두께와 상이한 두께를 가질 수 있다.
블랙 마스크를 포함하는 마스크 부재(128)와 위상 마스크를 포함하는 마스크 부재(132, 133)들을 조합하여 함께 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 14는 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기(120)의 한 화소의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 블랙 매트릭스(127)와 동일한 층에는 블랙 마스크를 포함하는 마스크 부재(128)가 배치될 수 있으며, 공간 광변조기(120)의 외부 표면에는 위상 마스크를 포함하는 마스크 부재(132)가 배치될 수 있다. 그러나, 이는 단지 마스크 부재(128, 132, 133)들의 다양한 조합들의 한 예일 뿐이다. 예를 들어, 블랙 매트릭스(127)와 동일한 층에는 위상 마스크를 포함하는 마스크 부재(132)가 배치될 수 있으며, 공간 광변조기(120)의 외부 표면에는 블랙 마스크를 포함하는 마스크 부재(128)가 배치될 수 있다. 또는, 이종 굴절률 구조의 마스크 부재(132) 대신에 이종 두께 구조의 마스크 부재(133)가 배치될 수도 있으며, 또는 블랙 마스크를 포함하는 마스크 부재(128) 대신에 이종 두께 구조의 마스크 부재(133)가 배치될 수도 있다.
또한, 도 14에는 2개의 마스크 부재(128, 132)가 동일한 격자 구조를 갖는 것으로 도시되어 있다. 즉, 마스크 부재(128)의 블랙 마스크의 주기적인 불투명한 패턴과 마스크 부재(132)의 위상 마스크의 주기적인 위상 지연 패턴이 동일한 형태를 가질 수 있다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 마스크 부재(128)의 블랙 마스크의 주기적인 불투명한 패턴과 마스크 부재(132)의 위상 마스크의 주기적인 위상 지연 패턴은 상이한 주기 또는 상이한 형태를 가질 수도 있다. 또는, 마스크 부재(128)의 블랙 마스크의 주기적인 불투명한 패턴과 마스크 부재(132)의 위상 마스크의 주기적인 위상 지연 패턴이 동일한 형태를 가지면서 서로에 대해 시프트될 수도 있다. 이 경우, 마스크 부재(128)의 블랙 마스크의 주기적인 불투명한 패턴과 마스크 부재(132)의 위상 마스크의 주기적인 위상 지연 패턴은 공간 광변조기(120)의 각각의 화소들에 대해 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.
상술한 마스크 부재(128, 132, 133)들에 의한 시역 윈도우의 확장 효과를 확인하기 위하여 다양한 시뮬레이션을 수행하였다.
먼저, 도 15는 마스크 부재가 없는 비교예에 따른 공간 광변조기에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다. 여기서, 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭은 10um이고 블랙 매트릭스(127) 사이의 화소 폭은 70um이라고 가정하였다. 또한, 도 15의 그래프에서 0차 회절에 의한 격자점의 광 세기를 1.0으로 규준화하였다. 도 15를 참조하면, 중심부인 0도에서 0차 회절에 의한 격자점이 나타나며, 약 0.4도 간격으로 ±1차 이상의 고차 회절에 의한 격자점들이 나타난다.
도 16 및 도 17은 도 2에 도시된 공간 광변조기(120)에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다. 즉, 블랙 매트릭스(127)와 동일한 층에 블랙 마스크를 포함하는 마스크 부재(128)가 배치되어 있다고 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다. 도 16의 경우, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들의 폭이 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭과 동일하게 10um이고, 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127) 사이의 간격이 30um라고 가정하였다. 반면, 도 17의 경우, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들의 폭이 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭과 다른 20um이고, 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127) 사이의 간격이 25um라고 가정하였다.
도 16의 그래프를 참조하면, 0차 회절에 의한 격자점의 광 세기는 약 0.8로 줄어들며 ±1차 이상의 고차 회절에 의한 격자점들은 약 0.6도 간격으로 나타난다. 따라서, 시역 윈도우의 폭이 2배로 확장된다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 17의 그래프를 참조하면, 0차 회절에 의한 격자점의 광 세기는 약 0.55로 더 줄어들며, ±1차 이상의 고차 회절에 의한 격자점들이 약 0.8도 간격으로 나타나므로 시역 윈도우의 폭이 2배로 확장된다는 것을 알 수 있다. 다만, 도 17의 경우에는, 시역 윈도우 내에 광 세기가 매우 약한 2개의 회절 패턴이 남아 있을 수 있다.
도 18 및 도 19는 도 11에 도시된 공간 광변조기(120)에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다. 즉, 블랙 마스크를 포함하는 마스크 부재(128)가 공간 광변조기(120)의 외부 표면에 배치되어 있다고 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다. 도 18의 경우, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들의 폭이 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭과 동일하게 10um이고, 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127) 사이의 수평 방향 간격이 30um라고 가정하였다. 또한, 공간 광변조기(120)의 두께 방향인 수직 방향으로 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127) 사이의 간격은 기판의 두께를 고려하여 0.7mm라고 가정하였다. 반면, 도 19의 경우, 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴들의 폭이 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭과 다른 20um이고, 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127) 사이의 수평 방향 간격이 25um라고 가정하였다. 그리고, 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127) 사이의 수직 방향 간격은 0.7mm라고 가정하였다.
도 18의 그래프를 참조하면, 도 16의 경우와 마찬가지로, 0차 회절에 의한 격자점의 광 세기는 약 0.8로 줄어들며 ±1차 회절에 의한 격자점들은 약 ±0.8도의 위치에 나타났다. 따라서, 시역 윈도우의 폭이 2배로 확장된다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 19의 그래프를 참조하면, 0차 회절에 의한 격자점의 광 세기는 약 0.54로 더 줄어들며, ±1차 회절에 의한 격자점들이 약 ±0.8도의 위치에 나타나므로 시역 윈도우의 폭이 2배로 확장된다는 것을 알 수 있다. 다만, 도 19의 경우에는, 시역 윈도우 내에 광 세기가 매우 약한 한 개의 회절 패턴이 남아 있을 수 있다.
도 20은 또 다른 실시예에 따른 블랙 매트릭스(127)와 블랙 마스크를 포함하는 마스크 부재(128)의 상대적인 위치 관계를 개략적으로 보이는 단면도이다. 마스크 부재(128)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 공간 광변조기(120)의 외부 표면에 배치될 수 있다. 또한, 도 20에 도시된 마스크 부재(128)는 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭과 동일한 패턴 폭을 갖는 제 1 패턴(128a)들 및 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭과 상이한 패턴 폭을 갖는 제 2 패턴(128b)들을 포함할 수 있다. 수직 방향에서 볼 때, 제 1 패턴(128a)들은 블랙 매트릭스(127)의 위치와 일치하는 위치에 배치되며, 제 2 패턴(128b)들은 제 1 패턴(128a)들 사이에 위치할 수 있다.
도 21은 도 20에 도시된 블랙 매트릭스(127)와 마스크 부재(128)에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다. 도 21의 경우, 블랙 매트릭스(127)와 제 1 패턴(128a)의 패턴 폭은 10um이고, 제 2 패턴(128b)의 패턴 폭은 20um라고 가정하였다. 또한, 마스크 부재(128)와 블랙 매트릭스(127) 사이의 수직 방향 간격은 0.7mm라고 가정하였다. 도 21의 그래프를 참조하면, 0차 회절에 의한 격자점의 광 세기는 약 0.42로 더욱 줄어들며 ±1차 회절에 의한 격자점들은 약 ±0.8도의 위치에 나타났다. 따라서, 이 경우에도 시역 윈도우의 폭이 2배로 확장된다는 것을 알 수 있다. 또한, 시역 윈도우 내에는 어떠한 회절 패턴도 존재하지 않는다.
도 22는 또 다른 실시예에 따른 블랙 매트릭스(127), 블랙 마스크를 갖는 마스크 부재(128), 및 위상 마스크를 갖는 마스크 부재(132)의 상대적인 위치 관계를 개략적으로 보이는 단면도이다. 블랙 마스크를 갖는 마스크 부재(128)는 공간 광변조기 내에서 블랙 매트릭스(127)와 동일한 층에 배치되어 있으며, 위상 마스크를 갖는 마스크 부재(132)는 공간 광변조기(120)의 외부 표면에 배치되어 있다. 마스크 부재(128)의 패턴 폭은 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭과 동일하다. 또한, 마스크 부재(132)는 위상 지연이 0인 제 1 굴절률 영역(132a)과 위상 지연이 π인 제 2 굴절률 영역(132b)을 포함할 수 있다. 제 1 굴절률 영역(132a)의 폭은 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭과 동일할 수 있다. 또한, 수직 방향에서 볼 때, 제 1 굴절률 영역(132a)은 블랙 매트릭스(127) 및 마스크 부재(128)의 주기적인 패턴과 일치하는 위치에 배치될 수 있다.
도 23은 도 22에 도시된 블랙 매트릭스(127)와 마스크 부재(128, 132)에 의해 형성되는 격자점들에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 그래프이다. 도 23에서 블랙 매트릭스(127)의 패턴 폭, 마스크 부재(128)의 패턴 폭, 및 마스크 부재(132)의 제 1 굴절률 영역(132a)의 폭은 모두 10um라고 가정하며, 블랙 매트릭스(127)와 마스크 부재(132) 사이의 수직 방향 간격은 0.7mm라고 가정하였다. 도 23의 그래프를 참조하면, 0차 회절광이 존재하지 않으며 ±1차 회절에 의한 격자점들은 약 ±0.4도의 위치에 나타났다. 따라서, 이 경우에도 시역 윈도우의 폭이 2배로 확장된다는 것을 알 수 있다. 또한, 시역 윈도우 내에는 어떠한 회절 패턴도 존재하지 않는다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 확장된 시역 윈도우를 제공하는 공간 광변조기 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100.....홀로그래픽 디스플레이 장치 110.....광원
115.....푸리에 렌즈 120.....공간 광변조기
121, 122.....기판 123, 124.....편광판
125.....구동 회로 126.....액정셀
127.....블랙 매트릭스 128, 132, 133.....마스크 부재
129.....광투과층 131.....투명 필름

Claims (30)

  1. 2차원 배열된 다수의 화소들의 어레이; 및
    주기적인 패턴을 갖는 마스크 부재;를 포함하며,
    상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 상기 각각의 화소들을 적어도 2개로 분할하도록 배치되어 있는 공간 광변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크 부재의 패턴의 주기는 상기 화소들의 피치와 동일한 공간 광변조기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크 부재의 패턴의 주기는 상기 화소들의 피치의 정수 분의 일과 같은 공간 광변조기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크 부재의 패턴은 제 1 방향을 따른 제 1 주기와 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따른 제 2 주기를 갖는 공간 광변조기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스크 부재의 패턴의 제 1 주기와 상기 화소들의 제 1 방향의 피치의 비는 상기 패턴의 제 2 주기와 상기 화소들의 제 2 방향의 피치의 비와 같은 공간 광변조기
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스크 부재의 패턴의 제 1 주기와 상기 화소들의 제 1 방향의 피치의 비는 상기 패턴의 제 2 주기와 상기 화소들의 제 2 방향의 피치의 비와 상이한 공간 광변조기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스크 부재의 패턴의 제 1 주기는 상기 화소들의 제 1 방향의 피치의 정수 분의 일과 같으며, 상기 패턴의 제 2 주기는 상기 화소들의 제 2 방향의 피치의 정수 분의 일과 같은 공간 광변조기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 화소들 사이에 각각 배치된 블랙 매트릭스를 더 포함하며,
    상기 마스크 부재의 패턴의 폭은 상기 블랙 매트릭스의 패턴 폭과 동일한 공간 광변조기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 화소들 사이에 각각 배치된 블랙 매트릭스를 더 포함하며,
    상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 상기 블랙 매트릭스의 패턴 폭과 동일한 폭을 갖는 제 1 패턴 및 상기 블랙 매트릭스의 패턴 폭과 상이한 제 2 패턴을 갖는 공간 광변조기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 화소들 사이에 각각 배치된 블랙 매트릭스를 더 포함하며,
    상기 마스크 부재의 패턴은 상기 블랙 매트릭스의 패턴들 사이에 배치되어 있으며 상기 블랙 매트릭스의 패턴들과 평행한 방향으로 연장되어 있는 공간 광변조기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 빛을 투과시키지 않는 불투명한 블랙 마스크를 포함하는 공간 광변조기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 마스크 부재는 각각의 화소의 내부에 배치되어 있는 공간 광변조기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 다수의 화소들 사이에 각각 배치된 블랙 매트릭스를 더 포함하며,
    상기 마스크 부재는 각각의 화소 내부에서 상기 블랙 매트릭스와 동일한 층에 배치되어 있는 공간 광변조기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 마스크 부재는 상기 공간 광변조기의 외부 표면에 배치되어 있는 공간 광변조기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 마스크 부재는 주기적인 패턴이 인쇄된 투명한 필름의 형태를 갖는 공간 광변조기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 투과광의 위상을 지연시키는 위상 지연 패턴인 위상 마스크를 포함하는 공간 광변조기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 마스크 부재는 제 1 두께를 갖는 제 1 영역 및 상기 제 1 두께와 상이한 제 2 두께를 가지며 상기 주기적인 패턴을 형성하는 제 2 영역을 포함하는 공간 광변조기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 마스크 부재는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 영역 및 상기 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 가지며 상기 주기적인 패턴을 형성하는 제 2 영역을 포함하는 공간 광변조기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크 부재는, 빛을 투과시키지 않는 주기적인 불투명한 패턴을 갖는 제 1 마스크 부재 및 투과광의 위상을 지연시키는 주기적인 위상 지연 패턴을 갖는 제 2 마스크 부재를 포함하는 공간 광변조기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 마스크 부재의 주기적인 불투명한 패턴과 상기 제 2 마스크 부재의 주기적인 위상 지연 패턴이 상이한 형태를 갖는 공간 광변조기.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 마스크 부재의 주기적인 불투명한 패턴과 상기 제 2 마스크 부재의 주기적인 위상 지연 패턴이 동일한 형태를 가지며 상기 각각의 화소들에 대해 서로 다른 위치에 배치되어 있는 공간 광변조기.
  22. 광을 제공하는 광원;
    광을 회절시켜 홀로그램 영상을 재생하는 것으로, 다수의 화소들의 어레이를 포함하는 공간 광변조기; 및
    주기적인 패턴을 갖는 마스크 부재;를 포함하며,
    상기 마스크 부재의 주기적인 패턴은 상기 공간 광변조기의 각각의 화소들을 적어도 2개로 분할하도록 배치되어 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 패턴의 주기는 상기 화소들의 피치와 같거나 또는 상기 화소들의 피치의 정수 분의 일과 같은 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기는 상기 다수의 화소들 사이에 각각 배치된 블랙 매트릭스를 더 포함하며,
    상기 마스크 부재의 패턴은 상기 블랙 매트릭스의 패턴들 사이에 배치되어 있으며 상기 블랙 매트릭스의 패턴들과 평행한 방향으로 연장되어 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 마스크 부재는 상기 주기적인 패턴이 빛을 투과시키지 않는 불투명한 패턴인 블랙 마스크를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 블랙 마스크는 상기 공간 광변조기의 각각의 화소의 내부에 배치되어 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기는 상기 다수의 화소들 사이에 각각 배치된 블랙 매트릭스를 더 포함하며,
    상기 블랙 마스크는 상기 공간 광변조기의 각각의 화소 내부에서 상기 블랙 매트릭스와 동일한 층에 배치되어 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 블랙 마스크는 상기 공간 광변조기의 외부 표면에 배치되어 있으며, 상기 블랙 마스크는 상기 패턴이 인쇄된 투명한 필름의 형태를 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 마스크 부재는 상기 주기적인 패턴이 투과광의 위상을 지연시키는 위상 지연 패턴인 위상 마스크를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  30. 제 22 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기와 상기 마스크 부재는, 상기 공간 광변조기와 상기 마스크 부재의 주기적인 구조에 의해 형성되는 다수의 격자점들 사이의 간격인 시역 윈도우의 크기가 상기 홀로그래픽 디스플레이 장치에 의해 재생되는 홀로그램 영상의 영상 윈도우의 크기보다 적어도 2배 크도록 구성된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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