KR20170097779A - 육안 3ｄ 레이저 디스플레이 장치 - Google Patents

육안 3ｄ 레이저 디스플레이 장치 Download PDF

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웬 치아오
웬빈 후앙
이민 류
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쑤저우 에스브이쥐 옵트로닉스 테크놀러지 컴퍼니 리미티드
쑤저우 유니버시티
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Abstract

육안 3D 디스플레이 장치가 제공된다. 육안 3D 디스플레이 장치는 지향성 프로젝션 스크린, 레이저 광원, 레드 단색 레이저 광원, 그린 단색 레이저 광원 및 블루 단색 레이저 광원을 포함한다. 세 개의 단색 레이저 광원에 의해 방출되는 광은 특정 각도 및 특정 위치에서 지향성 프로젝션 스크린 상의 나노-그레이팅 픽셀로 입사 광을 방출하고, 동일 출사 광 필드가 형성된다. 레이저 광원은 멀티-퍼스펙티브 이미지 픽셀을 제공한다. 멀티-퍼스펙티브 이미지 픽셀은 나노-그레이팅 픽셀 어레이와 지향성 프로젝션 스크린 상에 매칭된다. 레이저 프로젝션 광을 위한 직접 공간 변조에 의해, 컬러풀한 3D 디스플레이가 달성된다. 다양한 시점들 사이에 크로스토크(crosstalk)가 없다. 육안 3D 디스플레이 장치는 시각적 피로가 없고, 비용이 적다.

Description

육안 3Ｄ 레이저 디스플레이 장치{NAKED EYE 3D LASER DISPLAY DEVICE}
본 발명은 레이저 디스플레이에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 육안 3D 디스플레이를 구현할 수 있는 레이저 디스플레이 장치에 관한 것이다.
본원은 중화 인민 공화국의 국가 지적 재산권 국에 2015 년 12 월 22 일 출원된 중국 특허 출원 제 201510969723.7 호, "육안 3D 레이저 디스플레이 장치(NAKED EYE 3D LASER DISPLAY DEVICE)"의 우선권을 주장하며, 이것의 전체 내용은 본원에 참고 문헌으로 인용된다.
시차 원리(Parallax principle)는 100년 이상 발전되어왔다. 육안 3D 디스플레이 프로토타입이 국내외 기업에서 시연되었지만, 시차에 기반한 육안 3D 디스플레이 장치는 낮은 이미지 해상도와 쉽게 발생하는 시각 피로 때문에 실제로 가전제품 분야에 진입하지 못했다. 시차 원리는 시차 장벽 방식(parallax barrier method), 마이크로 칼럼 렌즈 방식(microcolumn lens method) 및 지향성 백라이트 방식(directional backlight method)을 포함한다. 시차 장벽 스크린 또는 마이크로 칼럼 렌즈 플레이트는 공간의 다른 퍼스펙티브(perspective)를 갖는 이미지에 대한 각도 분리를 달성하기 위해 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD)의 표면을 커버한다. 광학 이론에 기초하여, 이미지는 광원 확산으로 인해 다른 공간 퍼스펙티브에서 유일하지 않다. 그러므로 인간의 눈이 3D 이미지를 관찰할 때 시각적 피로를 유발하기 쉽다.
중국 특허 출원 제20101058659.4호 에서, 유연한 슬릿 그레이팅을 통한 2D/3D 전환이 제공되지만, 디스플레이 효과는 관찰 위치에 의해 크게 영향을 받는다. 중국 특허 출원 제201320143064.8호 에서, 3D 지향성 백라이트 이미징 시스템이 제시되고, 이것은 두 개의 프로젝션 렌즈와 지향성 3D 광학 구조를 사용하여 육안 3D 디스플레이를 구현한다. 미국 특허 출원 제20050264717A1호 에서, 액정 디스플레이 및 지향성 백라이트 모듈을 갖는 3D 디스플레이 장치가 개시되고, 이것은 왼쪽 및 오른쪽 백라이트 소스를 즉시 켜고 끄고, 도광판(light guide plate)을 통해 전달된 광을 특정 퍼스펙티브 범위에 초점을 맞추고, 교대 프로젝션을 통해 3D 이미지를 형성한다. 이러한 지향성 백라이트 기법을 사용하면, 이미지 해상도는 높지만 한 사람만 관찰할 수 있다. 중국 특허 출원 제201410187534. X호 에서, 육안 3D 백라이트 모듈이 제공되고, 이것은 볼록 렌즈, 다각형 프리즘(polygon prism) 및 시차 장벽과 같은 타이밍 시퀀스에서 하나 이상의 LED 광원 세트를 사용하고, 멀티-퍼스펙티브 3D 디스플레이를 달성한다. 하지만, 백라이트 구조 설계 및 정밀한 가공 정밀도는 기술적으로 달성하기 어렵고, 광 크로스토크(light crosstalk)가 쉽게 발생한다. 그러므로, 제안된 지향성 백라이트 방식에 기반한 육안 3D 디스플레이 장치의 실제 샘플 또는 제품은 없다.
도트 매트릭스 홀로그래피(Dot matrix holography)는 큰 퍼스펙티브를 제공하고, 정보량을 감소시킬 수 있지만, 도트 매트릭스 그레이팅 픽셀의 생산은 상기 기법에 의해 제한되어 왔다. 중국 특허 출원 제201310166341.1호 에서, 3-차원 이미지에 대한 프린팅 방법 및 시스템이 개시되었고, 여기에서 연속적으로 변화 가능한 공간 주파수 메커니즘은 나노-그레이팅 픽셀에 기반하여 정적인 컬러풀한 입체 영상을 직접 인쇄한다. 3D 디스플레이를 달성하기 위한 지향성 백라이트 디스플레이 기법과 지향성 조명 기법의 조합은 최근에 떠오르는 새로운 기술이다. 하지만, 지향성 백라이트를 설계 및 제조하는 것은 어렵고, 제조 비용이 비싸다.
홀로그램은 진폭 및 위상을 갖는 이미지이고, 이것은 시각적 피로를 일으키지 않고 3-차원 정보를 실제로 재현할 수 있다. 3-차원 효과는 관찰자로부터의 거리와 무관하다. 홀로그램 디스플레이의 원리는 다음과 같이 요약될 수 있다: 3-차원가상 이미지 또는 3-차원 실제 이미지는 홀로그램에 의해 공간에서 재현될 수 있고, 홀로그램 상에서 각 포인트는 공간의 모든 방향으로 정보를 전송하고, 전체 이미지는 공간의 각 관찰 포인트에서 보여질 수 있다. 다시 말해, 이미지 정보는 광 필드(light field)를 통해 전파되고, 관찰 포인트로 수렴된다. 그러므로, 공간 내의 다른 관찰 포인트에서, 전체 이미지는 서로 간섭하지 않고 다른 퍼스펙티브에서 보여질 수 있다. 하지만, 기록 재료, 정보의 양 및 홀로그램의 기술적 공정의 한계로 인해, 홀로그램 디스플레이의 산업적 응용은 수십년 동안 달성되지 못했다.
동적인 컬러풀한 3D 디스플레이는 홀로그램 도파관(waveguide) 백라이트 구조에 의해 구현될 수 있고, 이것은 큰 퍼스펙티브를 가질 수 있고, 모바일 디스플레이에 적합하다. 중국 특허 출원 제CN201410852242.3호 에서, 동적 3-차원 디스플레이를 구현하기 위한 해법은 나노 픽셀 그레이팅으로 구성된 멀티-레이어 지향성 도광(light guide) 구조를 사용한다. 미국 특허 출원 제20140300960A1호 에서, 지향성 백라이트 구조가 제공되고, 이것은 픽셀화된 그레이팅을 사용하여 출사 광 필드(emergent light field)의 분포를 변조하고, 육각형 또는 삼각형 도파관 구조를 통해 R, G, B의 광을 결합하여, 컬러 광의 지향성 변조를 구현한다. 미국 특허 출원 제20140293759A1호 에서, 멀티-퍼스펙티브 3D 손목 시계 구조가 제공되고, 이것은 픽셀화된 그레이팅 구조를 사용하여 광 필드를 변조하고, LCD 이미지를 리프레시하여, 3D 디스플레이가 달성된다. 유사하게, 육각형 또는 삼각형 도파관 구조는 컬러풀한 디스플레이를 달성하기 위해 R, G, B의 광을 결합한다. 하지만, 육각형 또는 삼각형 도파관 구조가 적용된 위 특허 응용에서, 이것은 현재 주류 디스플레이 모드에 적용되기 어렵고, 특히 스마트 폰의 직사각형 디스플레이에 적용하기 어렵고, 그러므로 대규모 산업 생산에 불리하다.
휴렛패커드 컴패니(Hewlett-Packard Company)의 특허 출원 WO2014 / 051624 A1에서, 멀티-퍼스펙티브 디스플레이를 달성하기 위해 하이브리드 레이저 도파관 어레이와 통합된 지향성 백라이트가 개시된다. 도파관 어레이는 레드, 그린 및 블루의 광을 결합하기 위해 적용되고, 광은 픽셀화된 그레이팅을 통한 방향으로 내보내진다. 컬러풀한 3D 디스플레이가 이러한 방법으로 달성될 수 있지만, 이미지 해상도는 멀티-도파관 어레이로 인해 크게 감소되고, 지향성 백라이트 구조의 제조 공정에 대한 정확도 요건은 높다.
레이저 디스플레이는 이미지를 형성하기 위해 레드, 그린, 블루의 광-스팟(light-spots)을 사용하여 스크린 상에서 스캐닝을 수행한다. 넓은 색역(wide color gamut), 고 휘도(high brightness) 및 큰 광폭(large breadth)을 갖는 레이저 디스플레이는 미래에 대형 디스플레이를 달성하기 위해 중요한 방법이다. 하지만, 현재 레이저 기반 육안 3D 디스플레이의 해결 방안은 없다. 그러므로, 시각적 피로가 없고, 넓은 색역, 고 휘도 및 큰 광폭을 갖는 육안 3D 디스플레이 장치가 업계에서 시급히 필요하다.
위 관점에서, 홀로그램 원리에 기반한 육안 3D 레이저 디스플레이 장치가 제공된다. 육안 3D 레이저 디스플레이 장치는 나노-그레이팅 구조를 포함하는 지향성 프로젝션 스크린을 포함하고, 육안 3D 레이저 디스플레이 장치는 시각적 피로가 없고, 특정 광원의 조명과 레이저 디스플레이 기술의 조합으로 인해 고 휘도, 넓은 색역 및 큰 광폭을 갖는다. 육안 3D 디스플레이 장치는 나노-그레이팅 픽셀 어레이를 포함하는 지향성 프로젝션 스크린을 포함한다. 스크린 상의 멀티-퍼스펙티브 이미지는 레이저 광원의 스캐닝(프로젝팅(projecting))에 의해 제공된다. 픽셀 내부의 나노-그레이팅의 주기 및 지향각 간의 관계는 홀로그램 원리를 만족한다. 나노-그레이팅 픽셀 어레이는 입사 퍼스펙티브 이미지 상에서 파면 변환을 수행한다. 평행 광(Parallel light) 또는 발산 광(divergent light)은 스크린 앞의 공간에 수렴 시점을 형성하도록 수렴된다. 멀티-퍼스펙티브 이미지는 레이저 스캐닝(프로젝션 엔진)을 통해 제공되고, 그러므로 변조(스캐닝 또는 프로젝션)는 프로젝션 레이저 빔 상에서 직접 수행될 수 있고, 멀티-퍼스펙티브 이미지의 픽셀은 지향성 프로젝션 스크린 상의 나노-그레이팅 픽셀에 대응할 수 있다. 핵심은 홀로그램 파면 변환을 통한 이미징이고, 여기에서 퍼스펙티브 정보는 위상 시점으로 변환되고, 수평 윈도우를 형성하고, 서로 다른 퍼스펙티브의 이미지들 간의 크로스토크를 방지하기 위해, 서로 다른 퍼스펙티브에서의 이미지가 수렴 광 필드의 그룹(멀티-시점)을 형성한다. 그러므로, 윈도우 근처, 앞 또는 뒤에서 관찰하는 동안 시각적 피로가 생기지 않고, 사실적인 입체 영상이 보일 수 있다.
본 발명의 목적에 따라 제공되는 육안 3D 레이저 디스플레이 장치는 지향성 프로젝션 스크린, 레이저 광원 및 세 개의 레드/그린/블루 단색 레이저 광원을 포함한다. 복수의 나노-그레이팅 구조는 지향성 프로젝션 스크린의 발광 표면 상에 배치되고, 복수의 나노-그레이팅 구조는 복수의 나노-그레이팅 픽셀 어레이를 구성하고, 복수의 나노-그레이팅 구조는 서로 다른 주기 및 지향각을 갖는다. 레이저 광원은 멀티-퍼스펙티브 이미지 픽셀을 제공하고, 멀티-퍼스펙티브 이미지 픽셀은 지향성 프로젝션 스크린 상의 복수의 나노-그레이팅 픽셀 어레이와 매치된다. 세 개의 레드/그린/블루 단색 레이저 광원은 서로 다른 각도에서 해당 타겟 나노-그레이팅 상에 입사 광을 방출하고, 타겟 나노-그레이팅으로부터 레드, 그린 및 블루 광은 지향성 프로젝션 스크린에 의해 하나의 방출 방향 및 하나의 공간 시점으로 수렴되고, 수렴된 시점은 퍼스펙티브 이미지의 이미징에 의해 형성된다. 서로 다른 그룹 내의 복수의 나노-그레이팅 픽셀 어레이는 서로 다른 수평 수렴 시점 위치를 갖고, 지향성 프로젝션 스크린, 레이저 광원, 세 개의 레드/그린/블루 단색 레이저 광원은 입체 영상 디스플레이를 구현하기 위해 직접 공간 변조를 통해 조합하여 동작한다.
바람직하게는, 하나의 해당 나노-그레이팅 상에 입사되는 단색 레이저 광원의 입사 각도는 서로 다르다. 레드 단색 레이저 광원의 입사 각도는 그린 단색 레이저 광원의 입사 각도보다 크고, 그린 단색 레이저 광원의 입사 각도는 블루 단색 레이저 광원의 입사 각도보다 크다. 세 개의 레드/그린/블루 단색 레이저 광원의 입사 각도 및 위치는 그레이팅 방정식 및 홀로그램 이미징 공식에 따라 계산된다.
바람직하게는, 복수의 나노-그레이팅 픽셀 어레이의 시점은 연속적이고 수평적으로 분포된다.
바람직하게는, 서로 다른 방향을 갖는 나노-그레이팅 구조가 포토 에칭에 의해 지향성 프로젝션 스크린의 표면 상에 에칭되거나, 또는 나노-그레이팅 구조가 임프린팅을 위한 템플릿을 사용하여 나노-임프린팅에 의해 일괄적으로 임프린팅되어, 복수의 나노-그레이팅 픽셀 어레이를 형성한다.
바람직하게는, 레이저 광원은 평면의 중심을 X-축 방향의 제로 위치로 채택한다. YZ 평면에서, 세 개의 광원은 Y-축 방향의 동일 위치에 있고, Z-축 방향의 서로 다른 위치에 있다. 복수의 나노-그레이팅 구조는 각각 복수의 시점에 대응하고, 복수의 시점 각각은 하나의 이미지에 대응하고, 복수의 시점 각각에 대응하는 각 이미지는 RBG의 세가지 컬러에 기반하거나 또는 다른 세가지 컬러에 기반하여 세 개의 단색 이미지로 분할된다. 레이저 광원은 지향성 프로젝션 스크린 상의 단색 이미지를 두 번 이상 스캔하고, 이것의 컬러는 퍼스펙티브에 대응한다. 서로 다른 파장을 갖는 세 개의 단색 레이저 광원은 동시에 스캔하고, 단색 레이저 광원 각각은 두 번 이상 스캔한다. 지향성 프로젝션 스크린은 세 개의 단색 레이저 광을 수렴시키고, 컬러풀한 입체 영상 디스플레이를 구현한다.
바람직하게는, 나노-그레이팅 구조의 주기 및 지향각은 하기 식을 만족하는 그레이팅 방정식에 따라 계산된다:
(1)
Figure pct00001
(2)
Figure pct00002
.
Figure pct00003
및
Figure pct00004
는 각각 회절 광의 회절 각도 및 방위각을 나타내고,
Figure pct00005
및
Figure pct00006
은 각각 단색 레이저 광원의 입사 각도 및 파장을 나타내고,
Figure pct00007
및
Figure pct00008
은 각각 복수의 나노-그레이팅 구조의 주기 및 지향각이고, n은 매질 내 광파의 굴절률을 나타낸다.
바람직하게는, 지향성 프로젝션 스크린은 입사 모드에 기반하여 투과 유형 또는 반사 유형으로 선택된다.
바람직하게는, 반사 유형의 지향성 프로젝션 스크린은 투과 유형의 지향성 프로젝션 스크린의 표면 상에 금속 도금함으로써 형성된다.
바람직하게는, 지향성 프로젝션 스크린이 투과 유형으로 선택된다. 레드, 그린 및 블루 광은 지향성 프로젝션 스크린의 배면 상의 동일 위치로부터 입사되고, 지향성 프로젝션 스크린의 전면 상에 배치된 나노-그레이팅을 통과하여, 동일 회절 각도를 갖는 출사 광(emergent light)을 형성한다.
바람직하게는, 지향성 프로젝션 스크린이 반사 유형으로 선택된다. 레드, 그린 및 블루 광은 지향성 프로젝션 스크린의 전면 상의 동일 위치로부터 입사되고, 지향성 프로젝션 스크린의 전면 상에 배치된 나노-그레이팅 픽셀을 통과하여, 동일 회절 각도를 갖는 출사 광을 형성한다.
바람직하게는, 지향성 프로젝션 스크린이 투과 유형으로 선택되는 경우, 레이저 광원은 XZ 평면에서 X-축 방향 방향의 제로 위치에 있고, 세 개의 광원은 YZ 평면에서 Y-축 방향으로 동일 위치에 있고 Z-축의 음의 방향으로 서로 다른 위치에 있고; 지향성 프로젝션 스크린이 반사 유형으로 선택되는 경우, 레이저 광원은 XZ 평면에서 X-축 방향으로 제로 위치에 있고, 세 개의 광원은 YZ 평면에서 Y-축 방향으로 동일 위치에 있고 Z-축의 양의 방향으로 서로 다른 위치에 있다.
종래 기술과 비교하여, 본 발명은 다음과 같은 이점을 갖는다.
(1) 지향성 프로젝션 스크린은 나노-그레이팅 픽셀 어레이를 포함하고, 파면 변환을 통해 이미징을 수행한다. 레이저에 의해 스크린 상에 투영된 멀티-퍼스펙티브 이미지는 수렴 기능을 갖는 파면으로 변환된다. 지향성 프로젝션 스크린은 이미지에 대한 파면 변환을 수행하고, 수렴형 멀티-시점(convergent multi-viewpoint)을 형성한다. 파면(시점)은 공간 파면에 의해 전달되는 위상(퍼스펙티브) 및 진폭(이미지) 정보의 독립적인 전파로 인해 서로 간섭하지 않는다. 인간의 눈이 관찰할 때, 시각적 피로가 생기지 않고, 입체 효과는 시력을 보호하는 관찰자의 위치와 무관하다. 공간 정보(위상) 변조는 지향성 프로젝션 스크린에 의해 제공되고, 퍼스펙티브 이미지 정보(진폭) 변조는 레이저 광원 스캐닝(프로젝션)에 의해 제공된다. 이러한 두 변조의 조합은 홀로그램 디스플레이를 위함 모든 정보를 제공한다. 또한, 3D 이미지에 대한 관찰 가능한 퍼스펙티브는 나노 구조로 인해 150도 이상일 수 있다.
(2) 서로 다른 퍼스펙티브의 레드, 그린 및 블루 레이저의 광-스팟(light-spots)은 동일 픽셀 어레이에 투영된다. 나노-그레이 픽셀 어레이의 공간 멀티플렉싱을 통해 레드, 그린 및 블루 퍼스펙티브 이미지가 출사 표면(emergent surface) 상에서 조합된다. 이러한 방법으로, 컬러에 대한 픽셀 분해 없이, 퍼스펙티브 이미지에 대한 서브-픽셀 어레이 분해만이 요구된다. 3D 디스플레이 해상도가 유지되고, 3D 이미지의 컬러 조합이 달성된다.
(3) 지향성 프로젝션 스크린 상의 나노-격자 픽셀 어레이 간의 관계는 홀로그램 원리를 만족하고, 지향성 프로젝션 스크린 상의 광의 파면 변환 및 이미징은 종래 레이저 디스플레이의 확산 스크린 상의 확산 보다는 회절을 통해 달성된다. 그러므로, 본 발명의 나노-그레이팅 스크린은 레이저 디스플레이의 스페클 효과(speckle effect)를 감소시키고, 고 휘도, 큰 광폭 및 넓은 색역의 이점을 유지한다.
(4) 지향성 프로젝션 스크린은 픽셀화되고, 하나의 싱글 픽셀의 크기는 스크린 해상도에 따라 조정될 수 있고, 2D/3D 전환이 구현될 수 있다. 멀티-퍼스펙티브 이미지는 각각 지향성 픽셀에 대응하고, 3D 이미지 디스플레이가 달성된다. 멀티-퍼스펙티브 이미지보다는 싱글-퍼스펙티브 이미지로, 2D 디스플레이가 달성될 수 있다. 픽셀의 크기는 매우 작을 수 있고, 이것은 디스플레이 스크린의 2D 이미지 해상도에 영향을 미치지 않는다.
(5) 지향성 나노-그레이팅은 나노-리소그래피를 사용하여 필름 표면 상에 에칭함으로써 제조될 수 있다. 선택적으로, 지향성 나노-그레이팅은 나노-리소그래피를 통해 만들어지는 임프린팅을 위한 템플릿을 사용하여 나노-임프린팅에 의해 일괄적으로(in batches) 제조될 수 있고, 그러므로 스크린 비용을 감소시킨다.
(6) 지향성 프로젝션 스크린은 투과 유형 또는 반사 유형일 수 있다. 반사 유형의 스크린은 투과 유형의 스크린의 표면 상의 금속 도금을 통해 달성될 수 있다.
(7) 지향성 프로젝션 스크린은 각 퍼스펙티브의 이미지에 대한 수렴 이미징의 기능을 갖고, 이에 의해 형성된 수렴 시점은 광 필드 또는 수평으로 배치된 윈도우를 형성한다.
(8) 지향성 프로젝션 스크린에서 나노-그레이팅의 주기, 지향각 및 방위각은 홀로그램 원리 및 그레이팅 방정식에 따라 계산될 수 있다. 레드, 그린 및 블루 광의 입사 각도는 그레이팅 방정식에 따라 계산될 수 있고, 레드, 그린 및 블루 광의 위치는 홀로그램 이미징 공식에 따라 계산될 수 있다. 이러한 계산은 편리하고 정확하다.
실시예의 설명에 사용된 도면은 다음과 같이 간략하게 간략하게 기술될 것이고, 본 발명의 실시예에 따른 기술적 해결방안을 보다 명확해 질 것이다. 이하 설명에서의 도면은 본 발명의 몇몇 실시예만을 도시하는 것이 명백하다. 당업자라면, 이러한 도면에 따라 어떠한 창의적 작업 없이 다른 도면을 획득할 수 있다.
도 1은 XY 평면에서 지향성 프로젝션 스크린 상의 픽셀 내부의 나노-그레이팅의 구조도이다;
도 2는 XZ 평면에서 도 1의 지향성 프로젝션 스크린 상의 픽셀 내부의 나노-그레이팅의 구조도이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 YZ 평면에서 투과 유형의 지향성 프로젝션 스크린 모듈의 구조도이다;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 YZ 평면에서 반사 유형의 지향성 프로젝션 스크린 모듈의 구조도이다;
도 5는 본 발명에 따른 XZ 평면에서 레이저 스캐닝 투과 유형의 지향성 프로젝션 스크린 모듈에 의해 형성된 3D 디스플레이 장치의 구조도이다;
도 6은 본 발명에 따른 XZ 평면에서 레이저 스캐닝 반사 유형의 지향성 프로젝션 스크린 모듈에 의해 형성된 3D 디스플레이 장치의 구조도이다;
도 7은 본 발명에 따른 레이저 스캐닝 투과 유형의 지향성 프로젝션 스크린 장치에서의 레이저 광원의 위치를 나타내는 도면이다;
도 8은 본 발명에 따른 레이저 스캐닝 반사 유형의 지향성 프로젝션 스크린 장치에서의 레이저 광원의 위치를 나타내는 도면이다;
도 9는 멀티-퍼스펙티브 지향성 프로젝션 스크린 상의 나노-그레이팅을 나타내는 구조도이다;
도 10은 N*N의 2-차원 평면에 분포된 픽셀 어레이의 시점을 나타내는 도면이다;
도 11은 싱글-퍼스펙티브 수렴을 달성하는 지향성 프로젝션 스크린의 나노 구조의 분포를 나타내는 도면이다;
도 12는 지향성 프로젝션 스크린의 직사각형 픽셀에 대응하는 액정 스크린의 R, G 및 B 서브-픽셀의 크기를 도시한다;
도 13은 육안 3D 디스플레이 장치의 레이저 스캐닝 엔진을 나타내는 도면이다.
배경 기술에서 설명된 것과 같이, 종래 기술의 레이저에 기반한 육안 3D 디스플레이 장치는 존재하지 않는다. 종래 3D 디스플레이 장치에 대한 기술적 이슈는 예를 들어, 저해상도, 광의 크로스토크, 높은 제조 비용 및 대규모 생산에 대한 어려움이 있다.
본 발명의 구체적인 기술적 해결 방안은 다음과 같이 상세하게 설명된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, XY 평면 및 XZ 평면에서 나노미터 단위의 회절 그레이팅이 각각 도시되었다. 그레이팅 방정식에 따르면, 회절 그레이팅 픽셀(101)의 주기 및 방위각은 다음 관계를 만족한다.
(1)
Figure pct00009
(2)
Figure pct00010
광은 XY 평면 상에 일정 각도로 입사된다.
Figure pct00011
및
Figure pct00012
는 각각 회절 광의 회절 각도 및 방위각을 나타내고,
Figure pct00013
및
Figure pct00014
은 각각 단색 레이저 광원의 입사 각도 및 파장을 나타내고,
Figure pct00015
및
Figure pct00016
은 각각 복수의 나노-그레이팅 구조의 주기 및 지향각이고, n은 매질 내 광파의 굴절률을 나타낸다. 다시 말해, 입사 광의 파장 및 입사 각도와 회절 광의 회절 각도 및 방위각이 결정되면, 나노-그레이팅의 주기 및 지향각은 상기 두 식에 따라 계산된다. 예를 들어, 파장이 650nm인 레드 광이 60도로 입사하는 경우, 회절 각도는 10도 이고, 회절 광의 방위각은 45도이고, 나노-그레이팅의 해당 주기는 550nm이고, 나노-그레이팅의 지향각은 계산에 따라 -5.96도 이다. 그러므로, 나노-그레이팅의 주기, 지향각 및 방위각은 홀로그램 원리 및 그레이팅 방정식에 따라 계산된다.
상기 원리에 따라, 각 나노-그레이팅은 픽셀로 간주된다. 필요에 따라 서로 다른 지향각 및 주기를 갖는 복수의 나노-그레이팅이 스크린 표면 상에 제조된다. 이론적으로, 충분한 시점이 획득될 수 있고, 컬러 및 그레이 제어와 함께, 멀티-퍼스펙티브의 육안 3D 디스플레이가 획득될 수 있다. 복수의 픽셀 어레이의 퍼스펙티브 범위는 +90도 에서 -90도 사이이다.
하지만, 상기 나노-그레이팅을 갖는 스크린을 레이저 디스플레이 모듈에 적용한 후에는, 다음과 같은 이슈가 있다: 서로 다른 파장을 갖는 광원은 나노-그레이팅의 서로 다른 주기에 대응한다. 동일 지향성 프로젝션 스크린 모듈에 대해, 세 개의 서로 다른 파장을 갖는 R, G 및 B 광원이 동일 각도로 입사되는 경우, R, G 및 B 광의 회절 각도는 서로 달라야 하고, R, G 및 B 광은 동일 초점 상에 있지 않다. 하지만, 컬러풀한 이미징은 RGB의 세가지 컬러(또는 다른 세가지 컬러)의 조합에 의존한다. 즉, 3 컬러의 광원이 하나의 지향성 프로젝션 스크린 모듈에 사용되는 경우, 3 컬러의 광원은 서로 다른 각도로 해당 나노 회절 그레이팅 픽셀 상에 입사되어야 한다.
상기 기술적 이슈를 다루기 위해, RGB의 세가지 컬러(또는 다른 세가지 컬러)의 광이 하나의 지향성 프로젝션 스크린 모듈을 통과한 후에 동일 회절 각도 및 동일 공간 시점이 형성된다. 본 명세서에서, RGB의 세가지 컬러(또는 다른 세가지 컬러)의 광은 서로 다른 파장의 광 필드가 동일 위치를 갖는 시점(수렴 포인트)을 형성하기 위해 지향성 프로젝션 스크린 상에 특정 각도 및 위치로 입사된다. 서로 다른 파장을 갖는 RGB 광은 스크린의 동일 위치 상에 투영되고, 3D 이미지에 대한 컬러풀한 조합이 나노-그레이팅의 공간 멀티플렉싱을 통해 달성된다. 입사 각도는 입사 광과 지향성 프로젝션 스크린이 위치한 평면의 법선 사이의 각도이고, 입사 각도의 범위는 0도에서 90도 이다.
도 3을 참조하면, 이것은 본 발명의 실시예에 따른 YZ 평면에서 투과 유형의 지향성 프로젝션 스크린 모듈의 구조도이다. 지향성 프로젝션 스크린 모듈은 나노 회절 그레이팅 픽셀을 갖는 지향성 프로젝션 스크린(306), 레드 광원(301), 그린 광원(302) 및 블루 광원(303)을 포함한다. 세 개의 광원은 YZ 평면에서 Z축 방향으로 서로 다른 위치에 있다. 레드 광원(301), 그린 광원(302) 및 블루 광원(303)의 광은 지향성 프로젝션 스크린(306) 상의 나노 회절 그레이팅 픽셀(305)에 서로 다른 입사 각도로 입사되고, 나노-그레이팅 픽셀(305)에 의해 투과 및 회절되고, 동일 회절 각도를 갖는 회절 광 경로(304)를 형성한다.
도 4를 참조하면, 이것은 본 발명의 실시예에 따른 YZ 평면에서 반사 유형의 지향성 프로젝션 스크린 모듈의 구조도이다. 지향성 프로젝션 스크린 모듈은 나노 회절 그레이팅 픽셀을 갖는 지향성 프로젝션 스크린(306), 레드 광원(401), 그린 광원(402) 및 블루 광원(403)을 포함한다. 세 개의 광원은 YZ 평면에서 Z축 방향으로 서로 다른 위치에 있다. 레드 광원(401), 그린 광원(402) 및 블루 광원(403)의 광은 지향성 프로젝션 스크린(306) 상의 나노 회절 그레이팅 픽셀(305)에 서로 다른 입사 각도로 입사되고, 나노-그레이팅 픽셀(305)에 의해 반사 및 회절되고, 동일 회절 각도를 갖는 회절 광 경로(404)를 형성한다.
도 5를 참조하면, 이것은 본 발명에 따른 XZ 평면에서 레이저 스캐닝 투과 유형의 지향성 프로젝션 스크린 모듈에 의해 형성된 3D 디스플레이 장치의 구조도이다. 3D 디스플레이 장치는 상술된 것과 같이 나노-그레이팅 픽셀을 갖는 지향성 프로젝션 스크린(306) 및 RGB(또는 다른 컬러)의 세 개의 광원(도면에 미도시)을 포함한다. 레이저 광원은 X-출 방향으로 제로 위치에 있다(평명의 중심을 제로 위치로 취함). YZ 평면에서, 세 개의 광원은 Y-축 방향으로 동일 위치에 있고, Z-축의 음의 방향으로 서로 다른 위치에 있다(양의 방향은 출사 표면에 수직이고, 관찰 방향을 향함). 도면에 도시된 바와 같이, 지향성 프로젝션 스크린(306) 상의 픽셀(501a-501c, 502a-502c, 503a-503c 및 504a-504c)은 각각 시점 1(viewpoint 1), 시점 2(viewpoint 2), 시점 3(viewpoint 3) 및 시점 4(viewpoint 4)에 대응한다. 이것은 네 개의 퍼스펙티브의 이미지의 시점을 서로 분리할 수 있고, 각 시점은 하나의 이미지에 대응한다. 각 시점에 대응하는 이미지는 RGB의 세가지 컬러(또는 다른 세가지 컬러)에 기반하여 세 개의 단색 이미지로 분할된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 단색 레이저 광원(510)은 지향성 프로젝션 스크린(306) 상의 각 퍼스펙티브의 해당 컬러의 단색 이미지를 네 번 스캔한다. 예를 들어, 픽셀(501a-501c, 502a-502c, 503a-503c 및 504a-504c)은 스캔되고, 해당 시점 1(viewpoint 1), 시점 2(viewpoint 2), 시점 3(viewpoint 3) 및 시점 4(viewpoint 4)의 회절 광은 전송에 의해 생성되고, 네 개의 퍼스펙티브의 입체 단색 이미지가 형성된다. 서로 다른 파장을 갖는 세 개의 레이저 광원(도면에 미도시)은 동시에 스캔하고, 하나의 컬러에 대응하는 각 레이저 광원은 네 번 스캔하고, 컬러풀한 입체 이미지는 지향성 프로젝션 스크린의 수렴 후 공간에 디스플레이된다. 일반적으로, 인간의 눈에 대해 요구되는 해상도가 만족되는, 디스플레이 스크린의 크기는 55인치, 시청 거리는 3m, 싱글 이미지에 대한 픽셀 사이즈는 800um로 가정하는 것이 현실적이다. 현재, 종래 기술에서는 20um 픽셀이 제조될 수 있다. 그러므로, 이론적으로 1600 시점에 대한 프로젝션이 달성될 수 있고, 현실적인 입체 이미지가 형성될 수 있다. 또한, 나노-그레이팅의 주기는 430nm 일 수 있고, 이미지의 확산 범위는 150도 또는 그 이상일 수 있다. 그레이팅 방정식에 따르면, 나노-그레이팅의 주기에 대한 범위는 430nm 에서 650nm이다. 도면에서 시점의 수는 4개로 한정되지 않고, 8개, 16개 또는 그 이상일 수 있다. 더 많은 시점이 입체 이미지의 연속적인 변화를 달성하고 관찰의 더 큰 퍼스펙티브를 달성하기 위해 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 이것은 본 발명에 따른 XZ 평면에서 레이저 스캐닝 반사 유형의 지향성 프로젝션 스크린 모듈에 의해 형성된 3D 디스플레이 장치의 구조도이다. 3D 디스플레이 장치는 상술된 것과 같이 나노-그레이팅 픽셀을 갖는 지향성 프로젝션 스크린(306), RGB(또는 다른 세가지 컬러)의 세 개의 광원(도면에 미도시)을 포함한다. 레이저 광원은 X-축 방향으로 제로 위치에 있다(평면의 중심을 제로 위치로 취함). YZ 평면에서, 세 개의 광원은 Y-축 방향으로 동일 위치에 있고, Z-축의 양의 방향으로 서로 다른 위치에 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 지향성 프로젝션 스크린(306) 상의 픽셀(601a-601c, 602a-602c, 603a-603c 및 604a-604c)은 각각 시점 1(viewpoint 1), 시점 2(viewpoint 2), 시점 3(viewpoint 3) 및 시점 4(viewpoint 4)에 대응한다. 이것은 네 개의 퍼스펙티브의 이미지를 서로 분리할 수 있고, 각 시점은 하나의 이미지에 대응한다. 각 시점에 대응하는 이미지는 RGB의 세가지 컬러(또는 다른 세가지 컬러)에 기반하여 세 개의 단색 이미지로 분할된다. 도 6을 참조하면, 단색 레이저 광원(610)은 지향성 프로젝션 스크린(306) 상의 각 퍼스펙티브의 해당 컬러의 단색 이미지를 네 번 스캔한다. 예를 들어, 픽셀(601a-601c, 602a-602c, 603a-603c 및 604a-604c)은 스캔되고, 해당 시점 1(viewpoint 1), 시점 2(viewpoint 2), 시점 3(viewpoint 3) 및 시점 4(viewpoint 4)의 회절 광은 반사에 의해 생성되고, 네 개의 퍼스펙티브의 입체 단색 이미지가 형성된다. 서로 다른 파장을 갖는 세 개의 레이저 광원(도면에 미도시)은 동시에 스캔하고, 각 컬러에 대응하는 레이저 광원은 네 번 스캔하고, 컬러풀한 입체 이미지는 지향성 프로젝션 스크린의 수렴 후 공간에 디스플레이된다. 도면에서 시점의 수는 4개로 한정되지 않고, 8개, 16개 또는 그 이상일 수 있다. 보다 많은 시점이 입체 이미지의 연속적인 변화를 달성하고 관찰의 더 큰 퍼스펙티브를 달성하기 위해 적용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 이것은 본 발명에 따른 레이저 스캐닝 투과 유형의 지향성 프로젝션 스크린 장치에서 레이저 광원의 위치를 나타내는 도면이다. 그레이팅 방정식에 따르면, 그레이팅을 통과하는 서로 다른 파장을 갖는 광의 회절 각도는 서로 다르다. 동일 주기에서, 레드 광의 회절 각도가 가장 크고, 그린 광의 회절 각도는 레드 광의 회절 각도보다 작고, 블루 광의 회절 각도가 가장 작다. 그러므로, 지향성 프로젝션 스크린(306)을 통과하는 세 개의 컬러의 광을 동일 방향으로 수렴시키기 위해, 레드, 그린 및 블루 레이저 광원의 입사 각도 및 위치는 그레이팅 방정식 및 홀로그램 이미징 공식에 기반하여 계산되어야 한다. 입사 각도는 그레이팅 방정식에 기반하여 계산될 수 있고, 위치는 홀로그램 이미징 공식에 기반하여 계산될 수 있다. 세 개의 광, 다시 말해 지향성 프로젝션 스크린의 레드 광(701)(큰 입사 각도를 가짐), 그린 광(702)(중간의 입사 각도를 가짐), 블루 광(703)(작은 입사 각도를 가짐)은 동일 위치로부터 지향성 프로젝션 스크린의 배면(704) 상에 입사되고, 지향성 프로젝션 스크린의 전면(705) 상에 분포된 나노-그레이팅 픽셀을 통과한 후 동일 회절 각도를 갖는 출사 광(706)을 형성한다. 예를 들어, 650nm의 파장을 갖는 레드 광(701), 532nm의 파장을 갖는 그린 광(702), 450nm의 파장을 갖는 블루 광(703)이 서로 다른 각도에서 스크린의 중심 위치 A(0, 0, 0)로 입사된다. 예를 들어, 출사 광의 출사 각도를 동일하게 하여 출사 광을 위치 B(0, 0, 3m)로 전달하도록 하기 위해, 레드 광(701)의 입사 각도(입사 광과 입사 평면의 법선 사이의 각도)는 60도로 가정하고, 이후 그린 광(702) 및 블루 광(703)의 입사 각도는 공식에 따라 각각 45.1도 및 36.8도로 계산되고, 픽셀 그레이팅의 주기 및 지향각(그레이팅 라인의 방향과 x축 사이의 각도)은 각각 500nm 및 0도이다. 또한, 서로 다른 파장을 갖는 광이 지향성 프로젝션 스크린(306)을 통과한 후 동일 위치에 수렴하는 경우의 관점에서, 레드, 그린 및 블루 레이저 광원의 위치는 홀로그램 이미징 방정식을 만족해야 한다. 스크린 상의 나노-그레이팅에 의해 형성된 복수의 오프-축 프레넬 홀로그램 렌즈(off-axis Fresnel holographic lens)의 그룹을 통해, 장 파장 광에 대한 이미징 위치는 멀고, 단 파장 광에 대한 이미징 위치는 가깝다. 레드 광(701)의 레이저 광원으로부터 스크린까지의 거리는 작고, 그린 광(702)의 레이저 광원으로부터 스크린까지의 거리는 중간이고, 블루 광(703)의 레이저 광원으로부터 스크린까지의 거리는 크고, 그러므로 세가지 컬러의 파장에 대한 이미징의 컬러풀한 조합과 조합된 3D 이미지의 충실한 컬러 재현이 달성된다. 예를 들어, 650nm 의 파장을 갖는 레드 광(701)은 60도의 각도로 입사되고, 해당 광원의 위치 좌표는 (0, 60cm, 34.6cm)으로 가정한다. 세가지 컬러의 광을 하나의 지향성 프로젝션 스크린(306) 상의 동일 초점으로 수렴시키기 위해, 532nm의 파장을 갖는 그린 광(702)에 대한 그린 광원의 위치 좌표는 (0, 60cm, 59.8cm)이고, 450nm의 파장을 갖는 블루 광(703)에 대한 블루 광원의 위치 좌표는 계산에 따라 (0, 60cm, 80.2cm)이다.
도 8을 참조하면, 이것은 본 발명에 따른 레이저 스캐닝 반사 유형의 지향성 프로젝션 스크린 장치에서 레이저 광원의 위치를 나타내는 도면이다. 그레이팅 방정식에 따르면 그레이팅을 통과하는 서로 다른 파장을 갖는 광의 회절 각도는 서로 다르다. 동일 주기에서, 레드 광의 회절 각도가 가장 크고, 그린 광의 회절 각도는 레드 광의 회절 각도보다 작고, 블루 광의 회절 각도는 가장 작다. 그러므로, 지향성 프로젝션 스크린(306)을 통과하는 세가지 컬러의 광을 동일 방향으로 수렴시키기 위해, 레드, 그린 및 블루 레이저 광원의 입사 각도 및 위치는 그레이팅 방정식 및 홀로그램 이미징 공식에 기반하여 계산되어야 한다. 입사 각도는 그레이팅 방정식에 기반하여 계산될 수 있고, 위치는 홀로그램 이미징 공식에 기반하여 계산될 수 있다. 레드 광(801)(가장 큰 입사 각도를 가짐), 그린 광(802)(중간 입사 각도를 가짐), 블루 광(803)(가장 작은 입사 각도를 가짐)은 동일 위치로부터 지향성 프로젝션 스크린의 전면(804) 상의 동이 위치로부터 입사되고, 지향성 프로젝션 스크린의 전면(804) 상에 분포된 나노-그레이팅 픽셀을 통과하고, 동일 회절 각도를 갖는 출사 광(805)을 형성한다. 예를 들어, 650nm의 파장을 갖는 레드 광(801), 532nm의 파장을 갖는 그린 광(802), 450nm의 파장을 갖는 블루 광(803)이 서로 다른 각도에서 스크린의 중심 위치 A(0, 0, 0)로 입사된다. 예를 들어, 출사 광의 출사 각도를 동일하게 하여 출사 광을 위치 B(0, 0, 3m)로 전달하도록 하기 위해, 레드 광(801)의 입사 각도(입사 광과 입사 평면의 법선 사이의 각도)는 60도로 가정하고, 이후 그린 광(802) 및 블루 광(803)의 입사 각도는 공식에 따라 각각 45.1도 및 36.8도로 계산되고, 픽셀 그레이팅의 주기 및 지향각(그레이팅 라인의 방향과 x축 사이의 각도)은 각각 500nm 및 0도이다. 또한, 서로 다른 파장을 갖는 광이 지향성 프로젝션 스크린(306)을 통과한 후 동일 위치에 수렴하는 경우의 관점에서, 레드, 그린 및 블루 레이저 광원의 위치는 홀로그램 이미징 방정식을 만족해야 한다. 스크린 상의 나노-그레이팅에 의해 형성된 복수의 오프-축 프레넬 홀로그램 렌즈(off-axis Fresnel holographic lens)의 그룹을 통해, 장 파장 광에 대한 이미징 위치는 멀고, 단 파장 광에 대한 이미징 위치는 가깝다. 레드 광(701)의 레이저 광원으로부터 스크린까지의 거리는 작고, 그린 광(702)의 레이저 광원으로부터 스크린까지의 거리는 중간이고, 블루 광(703)의 레이저 광원으로부터 스크린까지의 거리는 크고, 그러므로 세가지 컬러의 파장에 대한 이미징의 컬러풀한 조합과 조합된 3D 이미지의 충실한 컬러 재현이 달성된다.
도 9를 참조하면, 이것은 멀티-퍼스펙티브 지향성 프로젝션 스크린 상의 나노-그레이팅의 구조도이다. 레이저 광원은 지향성 프로젝션 스크린(306)에 의해 전달되거나, 반사되거나 또는 회절되고, 시점은 공간에서 분리된다. 지향성 프로젝션 스크린(306)의 나노 구조(901)의 서로 다른 퍼스펙티브의 이미지는 지향성 프로젝션 스크린의 전면에 수렴하고, 서로 다른 퍼스펙티브에 대한 관측 윈도우가 형성된다. 도면에 보여진 바와 같이, 시점 1(viewpoint 1), 시점 2(viewpoint 2), 시점 3(viewpoint 3) 및 시점 4(viewpoint 4)에 대한 관측 윈도우가 형성된다. 나노 구조(901)는 복수의 오프-축 프레넬 홀로그램 구조에 대응하는 서로 다른 주기 및 지향각을 갖는다. 복수의 픽셀 어레이의 시점은 연속적이고 수평적으로 분포된다. 시점의 분포는 수평 분포에 한정되지 않고, 대안적으로 N*N의 2-차원 평면 분포일 수 있다. 도 10을 참조하면, 이것은 지향성 프로젝션 스크린(306)에 의해 형성된 시점의 2*2의 2-차원 평면 분포를 도시한다. 시점 1(viewpoint 1), 시점 2(viewpoint 2), 시점 3(viewpoint 3) 및 시점 4(viewpoint 4)의 초점은 공통 공간 평면 A 상의 2*2의 2-차원 분포에 있다.
도 11을 참조하면, 이것은 싱글-퍼스펙티브 수렴을 달성하는 지향성 프로젝션 스크린의 나노 구조의 분포를 나타내는 도면이다. 나노 구조(1001)는 하나의 오프-축 홀로그램 구조에 대응하고, 이미지를 시점 1에 수렴시킨다. 도면의 픽셀은 직사각형 픽셀에 한정되지 않고, 원형 또는 육각형 픽셀과 같은 다른 픽셀 구조일 수 있다. 도 12를 참조하면, 액정 스크린에서 R, G 및 B 서브-픽셀 크기에 대응하는 직사각형 픽셀이 지향성 프로젝션 스크린에 적용된다.
도 13은 육안 3D 디스플레이 장치의 레이저 스캐닝 엔진을 나타내는 도면이다. 엔진은 서로 다른 파장을 갖는 세 개의 레이저 광원 R, G, B, 세 세트의 스캐닝 미러(1101,1102 및 1103,) 및 디스플레이 스크린(1104)을 포함한다. 서로 다른 파장을 갖는 세 개의 레이저 광원 R, G, B로부터의 광은 해당 칼럼 스캐닝 미러 및 해당 라인 스캐닝 미러를 통과하고, 디스플레이 스크린의 배면에 조명한다. 칼럼 스캐닝 미러를 위 아래로 회전시킴으로써, 레이저 광원이 스크린 상에서 위 아래로 움직인다. 라인 스캐닝 미러를 좌 우로 회전시킴으로써, 레이저 광원이 스크린 상에서 좌 우로 움직인다.
본 발명에 따른 지향성 프로젝션 스크린의 나노-그레이팅 픽셀은 자외선 연속 가변 공간 주파수 리소그래피 및 나노-임프린트에 의해 제조될 수 있다. 자외선 연속 가변 공간 주파수 리소그래피 기술은 중국 특허 출원 제CN201310166341.1호에서 리소그래피 장치 및 방법을 언급한다. 나노-그레이팅은 엠보싱된 구조일 수 있다. 본 발명에서, 나노-그레이팅은 리소그래피 방법으로 지향성 프로젝션 스크린의 표면을 에칭함으로써 제조될 수 있고, 또는 나노-그레이팅 픽셀 어레이를 형성함으로써 스크린의 비용을 감소시키기 위해 임프린팅을 위한 템플릿을 사용하여 일괄적으로 나노-임프린팅함으로써 제조될 수 있다. 반사 유형의 지향성 프로젝션 스크린은 투과 유형의 지향성 프로젝션 스크린의 표면 상에 금속 도금함으로써 달성될 수 있다. 레드, 그린 및 블루 레이저(LD 또는 DPSSL)의 가격 및 비용은 응용 요건을 충족시킨다.
본 발명에서, 지향성 프로젝션 스크린의 하나의 싱글 픽셀의 크기는 스크린 해상도에 따라 조정될 수 있고, 2D/3D 전환이 실현될 수 있다. 서로 다른 퍼스펙티브의 복수의 이미지(n)는 각각 지향성 픽셀(n)에 대응하고, 3D 이미지 디스플레이를 형성한다. 멀티-퍼스펙티브 이미지보다는 싱글-퍼스펙티브 이미지로, 2D 디스플레이가 달성될 수 있고, 2D 이미지의 픽셀의 크기는 "n * 지향성 픽셀의 크기"와 동일하다. 20마이크론과 같이 픽셀의 크기가 매우 작게 제조될 수 있기 때문에, 디스플레이 스크린의 2D 이미지 해상도에 영향을 미치지 않는 9 시점이 있는 경우 2D 이미지의 픽셀 크기는 60 마이크론이다.
본 발명에서, 입체 이미지 디스플레이는 지향성 프로젝션 스크린의 직접 공간 변조, 빔 확장 유형의 3-컬러 레이저 광원 및 멀티-퍼스펙티브 이미지를 제공하는 레이저 광원에 의해 실현된다. 레이저 광원은 이미지의 진폭 정보를 제공하고, 지향성 프로젝션 스크린은 위상(퍼스펙티브) 정보를 제공하고, 특히 배치된 3-컬러 레이저 광원의 빔 확장 광 필드는 백라이팅을 제공하고, 본 발명의 육안 3D 레이저 디스플레이 장치가 달성된다. 디스플레이된 입체 이미지는 홀로그램과 동일한 특성을 갖는다. 다시 말해, 본 발명의 육안 3D 레이저 디스플레이 장치로 관찰된 3-차원 이미지는 실제 3-차원 이미지와 동일하다. 오랜 관찰로 인한 시각적 피로가 없어, 시각 보호에 유리하다. 파면 변환이 지향성 프로젝션 스크린에 의해 본 발명의 이미지 상에 수행되기 때문에, 수렴형 멀티-시점이 형성된다. 이론적으로, 시점의 수는 1000개 이상일 수 있다. 멀티-퍼스펙티브 이미지는 공간에 크로스토크가 없고, 시점의 확산 관계는 광 전파에 의한 영향을 받지 않는다. 그러므로, 3D 이미지는 서로 다른 관측 거리로 정확하게 디스플레이되고, 거리에 의해 제한되지 않는다. 한편, 3D 이미지에 대해 관찰 가능한 퍼스펙티브는 나노 구조로 인해 150도 이상에 도달할 수 있다. 지향성 프로젝션 스크린은 입사 모드에 따라 투과 유형 또는 반사 유형일 수 있다.
상기 관점에서, 본 발명은 픽셀화된 지향성 프로젝션 스크린 및 지향성 프로젝션 스크린을 포함하는 육안 3D 디스플레이 장치를 개시한다. 본 발명에서, RGB(또는 다른 세가지 컬러)의 3-컬러 광원으로부터의 광은 나노-그레이팅 픽셀을 갖는 지향성 프로젝션 스크린 상에 특정 각도 및 위치로 입사되고, 동일 출사 광 필드를 형성하고, 컬러풀한 3D 디스플레이는 레이저 프로젝션 광에 대한 직접 공간 변조에 의해 달성된다. 시점 간의 크로스토크는 없다. 멀티-시점 지향성 스크린으로 3D 디스플레이 장치를 관찰할 때 시각적 피로는 없다.
본 기술 분야의 당업자는 본 발명이 상기 실시예들의 상세한 설명에 한정되지 않고, 본 발명의 사상 또는 실질적인 특징을 벗어나지 않고 다른 특정 방식으로 구현될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 실시예들은 제한이 아닌 예로서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 청구 범위에 의해 정의된다. 따라서, 청구 범위 및 그 균등물의 범위 내의 모든 변경은 본 개시의 범위 내에 있다. 청구 범위는 도면의 참조 부호에 의해 제한되어서는 안 된다.
또한, 이해될 수 있는 바와 같이, 본 명세서가 실시예들로 설명되었지만, 모든 실시예가 단지 하나의 독립적인 기술적 해결 방안을 포함하는 것은 아니며, 설명은 단지 더 나은 이해를 위한 것일 뿐이다.

Claims (11)

  1. 복수의 나노-그레이팅 픽셀 어레이(nano-grating pixel arrays)를 구성하는 복수의 나노-그레이팅 구조(nano-grating structures)가 발광 표면 상에 제공되는 지향성 프로젝션 스크린(directional projection screen) ­상기 복수의 나노-그레이팅 구조의 각각은 서로 다른 주기 및 지향각을 가짐-;
    상기 지향성 프로젝션 스크린 상에 상기 복수의 나노-그레이팅 픽셀 어레이와 매치되는 멀티-퍼스펙티브 이미지 픽셀(multi-perspective image pixels)을 제공하는 레이저 광원(laser light source); 및
    서로 다른 각도에서 해당 타겟 나노-그레이팅 상에 입사 광을 방출하는 세 개의 레드/그린/블루 단색 레이저 광원 ­상기 타겟 나노-그레이팅으로부터 상기 레드, 그린 및 블루 광은 상기 지향성 프로젝션 스크린에 의해 하나의 방출 방향 및 하나의 공간 시점(spatial viewpoint)으로 수렴되고, 수렴 시점(convergent viewpoint)은 퍼스펙티브 이미지들의 이미징(imaging of perspective images)에 의해 형성됨-
    을 포함하고,
    서로 다른 그룹의 나노-그레이팅 픽셀 어레이는 서로 다른 수평 수렴 시점 위치(horizontal convergent viewpoint positions)를 갖고, 상기 지향성 프로젝션 스크린, 상기 레이저 광원, 상기 세 개의 레드/그린/블루 단색 레이저 광원은 입체 영상 디스플레이를 실현하도록 직접 공간 변조(direct spatial modulation)를 통해 조합하여 동작하는
    육안 3D 레이저(naked eye 3D laser) 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 해당 나노-그레이팅 상에 입사하는 단색 레이저 광원의 입사 각도는 서로 다르고, 상기 레드 단색 레이저 광원의 입사 각도는 상기 그린 단색 레이저 광원의 입사 각도보다 더 크고, 상기 그린 단색 레이저 광원의 입사 각도는 상기 블루 단색 레이저 광원의 입사 각도보다 더 크고, 상기 세 개의 레드/그린/블루 단색 레이저 광원의 입사 각도 및 위치는 그레이팅 방정식(grating equation) 및 홀로그램 이미징 공식(holographic imaging formula)에 따라 계산되는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노-그레이팅 픽셀 어레이의 시점은 연속적이고 수평적으로 분포되거나 또는 N * N의 2-차원 평면 상에 분포되는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    다른 방향의 상기 나노-그레이팅 구조는 포토 에칭에 의해 상기 지향성 프로젝션 스크린의 표면 상에 에칭되거나(etched), 또는 상기 나노-그레이팅 구조는 임프린팅을 위한 템플릿을 사용하여 나노-임프린팅에 의해 일괄적으로(in batches)에 임프린팅되어(imprinted), 복수의 나노-그레이팅 픽셀 어레이를 형성하는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 평면의 중심을 X-축 방향의 제로 위치로 채택하고;
    YZ 평면에서, 세 개의 광원은 Y-축 방향의 동일 위치에 있고, Z-축 방향의 서로 다른 위치에 있고;
    상기 복수의 나노-그레이팅 구조는 각각 복수의 시점에 대응하고, 상기 복수의 시점 각각은 하나의 이미지에 대응하고, 상기 복수의 시점 각각에 대응하는 각 이미지는 RBG의 세가지 컬러에 기반하거나 또는 다른 세가지 컬러에 기반하여 세 개의 단색 이미지로 분할되고;
    상기 레이저 광원은 상기 지향성 프로젝션 스크린 상의 단색 이미지를 두 번 이상 스캔하고, 단색 이미지의 컬러는 퍼스펙티브에 대응하고;
    서로 다른 파장을 갖는 세 개의 단색 레이저 광원이 동시에 스캔하고, 상기 단색 레이저 광원 각각이 두 번 이상 스캔하고;
    상기 지향성 프로젝션 스크린은 세 개의 단색 레이저 광을 수렴시키고 컬러풀한 입체 영상 디스플레이를 실현하는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노-그레이팅 구조의 주기 및 지향각은 하기 식을 만족하는 그레이팅 방정식에 따라 계산되고:
    (1)
    Figure pct00017

    (2)
    Figure pct00018

    Figure pct00019
    및
    Figure pct00020
    는 각각 회절 광의 회절 각도 및 방위각을 나타내고,
    Figure pct00021
    및
    Figure pct00022
    은 각각 단색 레이저 광원의 입사 각도 및 파장을 나타내고,
    Figure pct00023
    및
    Figure pct00024
    은 각각 복수의 나노-그레이팅 구조의 주기 및 지향각이고, n은 매질 내 광파의 굴절률을 나타내는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지향성 프로젝션 스크린은 입사 모드에 기반하여 투과 유형 또는 반사 유형으로 선택되는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    반사 유형의 지향성 프로젝션 스크린은 투과 유형의 지향성 프로젝션 스크린의 표면 상에 금속 도금함으로써 형성되는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 지향성 프로젝션 스크린은 상기 투과 유형으로 선택되고, 상기 레드, 그린 및 블루 광은 상기 지향성 프로젝션 스크린의 후면 상의 동일 위치로부터 입사되고, 상기 지향성 프로젝션 스크린의 전면 상에 배치된 나노-그레이팅들을 통과하여, 동일 회절 각도를 갖는 출사 광(emergent light)을 형성하는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 지향성 프로젝션 스크린은 상기 반사 유형으로 선택되고, 상기 레드, 그린 및 블루 광은 상기 지향성 프로젝션 스크린의 전면 상의 동일 위치로부터 입사되고, 상기 지향성 프로젝션 스크린의 전면 상에 배치된 나노-그레이팅 픽셀들을 통과하여, 동일 회절 각도를 갖는 출사 광을 형성하는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 지향성 프로젝션 스크린이 상기 투과 유형으로 선택되는 경우, 상기 레이저 광원은 XZ 평면에서 X-축 방향 방향의 제로 위치에 있고, 세 개의 광원은 YZ 평면에서 Y-축 방향으로 동일 위치에 있고 Z-축의 음의 방향으로 서로 다른 위치에 있고; 상기 지향성 프로젝션 스크린이 반사 유형으로 선택되는 경우, 상기 레이저 광원은 XZ 평면에서 X-축 방향으로 제로 위치에 있고, 상기 세 개의 광원은 YZ 평면에서 Y-축 방향으로 동일 위치에 있고 Z-축의 양의 방향으로 서로 다른 위치에 있는
    육안 3D 레이저 디스플레이 장치.
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