KR20190064492A - 홀로그래픽 디스플레이 및 홀로그래픽 이미지 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

홀로그래픽 디스플레이 및 홀로그래픽 디스플레이에 의한 홀로그래픽 이미지 형성 방법이 개시된다.
홀로그래픽 디스플레이는, 전자적 주소 지정 가능한 공간 광 변조기 (EASLM); 회절 광학 소자 (DOE) 마스크 어레이; 홀로그래픽 디스플레이를 작동시켜 홀로그래픽 이미지를 형성하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 대응하는 EASLM 픽셀을 턴온함으로써, 홀로그래픽 이미지 복셀의 세트를 형성해야 하는 DOE 마스크 어레이를 백라이팅하기 위해 EASLM을 작동 시키도록 구성된다.

Description

홀로그래픽 디스플레이 및 홀로그래픽 이미지 형성 방법{Holographic display device and method of forming holographic image}
본 발명은 홀로그래픽 이미지의 형성에 관한 것으로서, 특히 홀로그래픽 디스플레이 및 홀로그래픽 디스플레이에 의한 홀로그래픽 이미지 형성 방법에 관한 것이다.
홀로그램 3D 이미지 (홀로그램)의 형성은 통신, 의학, 엔터테인먼트, 군사 장비 등과 같은 많은 응용 분야에서 큰 잠재성을 지니고 있다. 그러나 이 기술의 대 면적 구현에는 많은 문제가 있다.
현재 이용 가능한 홀로그래픽 디스플레이는 전자 주소 지정 가능 공간 광 변조기(EASLM)에 표시된 디지털 홀로그램의 재생에 요구되는 고품질의 광학계로 인해 큰 치수를 갖는다. 이 것은 홀로그래픽 이미지의 크기를 증가시키고 웨어러블 스마트 장치 (시계, 전화기, 태블릿 등)에 그 것을 통합하는 것을 거의 불가능하게 만든다.
현재의 홀로그래픽 디스플레이는 유효한 간섭성 및 비간섭성 공간 광 변조기 (SLM) (예 : 레이저 백라이트 및 LCD (액정 디스플레이), DMD (디지털 마이크로 미러 장치), LCoS OLED 디스플레이 (유기 발광 다이오드, 유기 LED), μ-LED (발광 다이오드, LED) 등)는 표시된 홀로그램의 충분히 넓은 시야를 확보하도록 소형 픽셀 (<1 μm)의 충분한 밀도를 제공하지 못한다.
또한 현재 널리 사용되는 비간섭성 SLM (스마트 폰, 스마트 시계, 모니터, TV 세트 등에 기초한)을 사용하여 3D 물체의 양호한 깊이를 가진 홀로그램을 재생하려면 OASLM (광학적 주소 지정 공간 광 변조기) 기술을 사용하여 비간섭성 광 분포를 위상 분포 (위상 홀로그램)로 변환한 다음 간섭성 광원으로 재구성 할 수 있다.
필요한 시야를 확보하는 데 필요한 고해상도로 인해, 디지털 홀로그램 연산은 프로세서 및 많은 리소스 (전력, 시간, 저장 용량, 메모리 속도 등)에 대해 매우 높은 연산 부하를 필요로 하며, 홀로그램 이미지, 해상도 및 시야가 클수록 연산 로드가 더 높아진다.
기존의 LCD (액정 디스플레이) 기술을 기반으로 한 현재 사용 가능한 대형 및 중형 디스플레이 (1 인치 이상)에서 픽셀 크기는 일반적으로 40 ~ 300㎛이다. 특수 간섭성 소스 (레이저)는 그러한 디스플레이에서 백라이팅(backlighting)을 위해 필요하다. 이러한 솔루션은 해상도가 낮고, 시야가 좁으며, 홀로그램 연산에 필요한 높은 연산 부하 (결과적으로 독립 작업 시간이 단축되고 독립 장치의 배터리 수명이 단축 됨)로 인해 디지털 홀로그래피에 거의 적용할 수 없으며, 대역폭 및 홀로그램 기록 및 재생을 위해 간섭성 백라이트를 사용해야 할 필요성이 있다.
현재 사용 가능한 마이크로 디스플레이 (1 인치 미만)에서 픽셀 크기는 일반적으로 3 ~ 40㎛이다. 이러한 디스플레이에 홀로그램을 재구성하려면 특수 간섭성 소스 (광섬유 출력이 있는 레이저 또는 LED)가 필요하다. 대형 및 중형 디스플레이와는 달리, 이러한 디스플레이는 확장성이 부족하다. 마이크로 디스플레이는 일반적으로 LCD, LCoS 또는 DMD 기술을 기반으로 하며 작은 화면 크기, 불충분한 해상도, 홀로그램 연산에 필요한 높은 연산 부하(결과적으로 단축된 자율 작업 시간, 독립적인 장치의 더 짧아진 베터리 수명), 요구된 더 큰 저장 용량 및 넓은 대역폭, 홀로그램 기록 및 재생을 위한 간섭성 백라이트 사용의 필요성으로 인해 디지털 홀로그래피에 적당히 적용된다.
현재 사용 가능한 디스플레이의 주요 문제점은 작은 시야각 (FoV)이다. 시야각은 2·arcsin(λ / 2 )에 비례하며, 여기서 λ는 빛의 파장, p는 SLM 픽셀 사이즈이다. 픽셀 크기가 3 ~ 250 μm 인 현재 디스플레이의 경우 시야각은 약 5˚ ± 0.06˚이다. 30˚의 시야각을 제공하기 위해, 약 1 ㎛ 이하의 픽셀 크기가 요구되며, 이 것은 현재의 기술 수준에서 소비자에게 이용가능하지 않다. 넓은 시야각의 홀로그래픽 디스플레이를 구현하기 위해서는 픽셀 크기를 여러 번 줄여야 하고, 처리, 저장 및 전송할 데이터의 양이 몇 배로 증가해야 한다.
또한, 홀로그래픽 디스플레이는 일반적으로 3D 모드에서만 작동할 수 있으며 2D 모드로 전환 할 수 없다.
US 8,400,695 B2 호에 개시된 소형 홀로그래픽 디스플레이 디바이스는 디지털 홀로그램을 OASLM 상에 기록하는 OLED 어레이 (OLED 마이크로 디스플레이)를 포함하며, 여기서 OLED 마이크로 디스플레이 및 OASLM은 인접한 층들을 형성한다. 위상 홀로그램은 OLED 마이크로 디스플레이상의 광 세기 변조에 따라 OASLM 상에 인코딩 되고, 그 다음 OASLM이 백라이트로 조명될 때 홀로그램이 재구성된다. 따라서, OASLM은 OLED 어레이에 의해 제어된다. 디스플레이의 단점은 홀로그램을 표시하는데 필요한 엄청난 양의 컴퓨터 생성 홀로그램 (CGH) 데이터와 복잡한 설계이다. 또한, 종래 기술의 장치는 2D와 3D 모드를 전환할 수 없다.
다른 종래의 장치는 US 8,982,438 B2에 개시되어있다. 이 장치는 기록 빔을 방출하는 기록 광원과, 복수의 부분으로 공간적으로 분할된 3D 이미지에 대응하는 홀로그램 정보에 따라 기록 광원으로부터 방출된 기록 빔을 시간 순차적으로 변조하도록 구성된 EASLM과, 상기 변조된 기록 빔을 이용하여 상기 3차원 영상의 다수의 분할된 부분들과 해당 부분에 대응되는 영상을 각각 스위칭하여 홀로그램을 형성하도록 구성된 OASLM, 상기 EASLM에 의해 순차적으로 변조된 상기 기록 빔에 의해 형성된 홀로그램을 축소하여 재생하고, 상기 부분에 대응하는 상기 OASLM의 영역에 상기 홀로그램을 투과시키도록 구성된 주사 광학 유닛과, 상기 OASLM 표면을 조명하도록 구성된 재생 광원을 포함한다. 이 장치의 단점은 장치 크기(두께)를 증가시키는 스캐닝 / 프로젝션 시스템이 필요하다는 것이다. 또한, 이 장치는 2D / 3D 모드 전환이 불가능하고 홀로그램을 표시하기 위해 많은 양의 CGH 데이터가 필요하다.
예시적인 실시예는 콤팩트한 홀로그래픽 디스플레이를 제공한다.
예시적인 실시예는 홀로그래픽 디스플레이에 의해 홀로그래픽 이미지를 형성하는 방법을 제공한다.
일 실시에에 따르면, 홀로그래픽 디스플레이에 있어서,
전자 주소 지정 가능한 공간 광 변조기 (EASLM);
상기 EASLM 상에 배치된 회절 광학 요소 (DOE) 마스크 어레이;
상기 홀로그래픽 디스플레이를 동작시켜 홀로그램 이미지를 형성하는 제어기;를 포함하고,
상기 제어기는 대응하는 EASLM 픽셀을 턴온함으로써 홀로그램 이미지 복셀의 세트를 형성해야 하는 상기 DOE 마스크 어레이를 백라이팅하기 위해 상기 EASLM을 어드레싱하도록 구성될 수 있다.
상기 EASLM은 비 간섭성 EASLM일 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이는 광학 주소 지정 가능 공간 광 변조기 (OASLM) 및 백라이트 유닛을 더 포함하며, 상기 EASLM, DOE 마스크 어레이 및 OASLM은 단일 유닛으로 통합될 수 있다.
상기 OASLM은 감광층과 액정 층을 포함하고, 상기 제어기는 상기 DOE 마스크 어레이 이후에 형성된 광 강도 분포가 상기 OASLM의 감광층에 전하 분포를 형성하고, 상기 OASLM 액정 층에 위상 변조를 유도하여 위상 홀로그램을 형성하도록 상기 OASLM 및 상기 백라이트 유닛을 작동시킬 수 있다.
상기 백라이트 유닛은 OASLM 액정 층에 형성된 상기 위상 홀로그램을 백라이팅 함으로써 홀로그래픽 이미지를 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 EASLM은 간섭성 EASLM일 수 있다.
상기 DOE 마스크 어레이가 복수 개의 층들로 적층 된 DOE 마스크들의 다중 어레이들을 포함할 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이가 응용 멀티 렌즈 어레이를 더 포함하고, 상기 제어기가 상기 응용 멀티 렌즈 어레이를 동작 시키도록 구성될 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이가 3D 및 2D 모드 간에 전환하도록 구성될 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이가 컬러 홀로그램을 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이가 상기 홀로그램 이미지 복셀의 스펙트럼 광 필터링, 공간적 및 / 또는 각도 광 필터링이 가능한 필드 광학계 및 / 또는 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 DOE 마스크 어레이는 영구적인 구조를 가지며 소정의 특성들을 제공하도록 미리 계산되어 제조될 수 있다.
상기 DOE 마스크 어레이는 어드레싱 가능하고, 상기 제어기는 상기 DOE 마스크 어레이를 어드레싱하도록 추가로 구성될 수 있다.
상기 DEO 마스크 어레이는 부 렌즈, 정 렌즈, 또는 투과 렌즈를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 홀로그래픽 디스플레이에 의한 홀로그래픽 이미지를 형성하는 방법으로서,
제어기에 의해 입력 홀로그래픽 이미지 데이터를 수신하는 단계;
대응하는 EASLM 픽셀을 턴 온 / 오프함으로써, 입력 데이터에 기초하여 홀로그래픽 이미지 복셀 세트를 형성해야 하는 DOE 마스크를 백라이트로 조명하도록 제어 신호를 생성하는 단계;
제어기의 제어 신호에 따라 상기 EASLM 및 상기 DOE 마스크 어레이에 의해 홀로그래픽 이미지를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예는 콤팩트한 홀로그래픽 디스플레이를 제공한다. 예를 들어, 예시적인 실시예는 1 ㎛ 이하 및 판독 광의 1/2 파장까지의 픽셀 사이즈를 갖는 스케일 조절 가능한 홀로그래픽 디스플레이를 제공할 수 있다. 간섭성 및 비간섭성 광원이 백라이팅에 사용될 수 있다. 예시적인 실시예들은 OLED, μ-LED, LCoS, LCD, DMD 등 많은 디스플레이에 기초 할 수 있다. 예시적인 홀로그래픽 디스플레이는 고해상도 및 넓은 시야를 가지며 재생된 홀로그램을 계산 및 처리하는데 필요한 계산 부하를 감소시킬 수 있다. 디지털 홀로그램 데이터 전송에 필요한 저장 용량 및 대역폭을 감소 시키며, 또한 종래의 홀로그래픽 디스플레이 기술과 비교하여 독립 홀로그래픽 이미지의 자율 작업 시간 및 배터리 수명을 증가시킬 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 단일 3D 복셀을 형성하는 원리를 도시한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따라 각각 상이한 특성을 갖는 DOE 마스크 어레이에 의해 상이한 거리에서 3D 복셀 세트를 형성하는 원리를 도시한다.
도 3은 8 개의 깊이 레벨을 갖는 단색 3D 홀로그램의 형성 예를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 3D 모드에서의 예시적인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 동작을 도시한다.
도 4c는 2D 모드에서의 예시적인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 동작을 도시한다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 컬러 홀로그램 화상을 형성하기 위한 DOE 마스크의 배치 예를 도시한다.
도 6은 다수의 층으로 적층된 복수의 제어기-작동 DOE 마스크 어레이를 갖는 실시 예를 도시한다.
도 7은 일 실시 예에 따른 집적 홀로그래픽 디스플레이 구조의 예를 도시한다.
도 8은 도 7의 일 실시 예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 동작 알고리즘을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 다른 실시 예를 도시한다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 또 다른 실시 예를 도시한다.
예시적인 실시 예는 본 명세서에 기재된 것에 한정되지 않고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당해 기술 분야의 숙련 및 기술 분야에서 제공된 정보에 기초하여 당업자에게 명백해질 것이다. 단수로 언급된 요소는 달리 명시되지 않는 한 복수 숫자를 배제하지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 단일 3D 복셀을 형성하는 원리를 도시한다.
각각의 저해상도 SLM 픽셀 (디스플레이 픽셀)은 단일 홀로그램 복셀을 생성하기 위해 SLM 픽셀 (도 1 참조) 위에 배치된 해당 고해상도 DOE 마스크(일반적으로 DOE가 있는 영역)와 함께 작동한다. SLM 픽셀이 온일 때, SLM 픽셀로부터의 광은 대응하는 DOE 마스크를 조명하여 주어진 거리에서 홀로그램 복셀을 형성한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따라 각각 상이한 특성을 갖는 DOE 마스크 어레이에 의해 상이한 거리에서 3D 복셀 세트를 형성하는 원리를 도시한다.
SLM 위에 배치된 고해상도 DOE 마스크 어레이를 사용하면, FOV(Field of View)가 증가되고 상당한 계산 자원을 사용하지 않고 공간에서 3D 복셀 (전체 홀로그램) 세트를 재구성 할 수 있다 (도 2 참조). 서로 다른 거리에서 형성된 홀로그램 복셀은 표시된 3D 홀로그램을 생성한다.
DOE는 얇은 격자, 볼륨 격자, LC 기반, 전환 가능한, 광학적 및 / 또는 전자적 주소 지정(addressable) 가능한, (위상) 구역 판 등 다양한 유형 및 기술로 구성 될 수 있다.
홀로그램 형성 방법은 DOE 마스크 해상도가 SLM 해상도보다 높기 때문에 인코딩 된 홀로그램의 시야 및 해상도를 증가시킬 수 있다. DOE 마스크를 형성하기 위해, 미리 계산되고 제조된 디지털 또는 아날로그 홀로그램이 DOE 마스크를 조명하는 EASLM 픽셀의 크기보다 수배 작은 픽셀 크기로 사용된다. 예를 들어 현재 사용 가능한 EASLM (마이크로 디스플레이, 디스플레이)의 일반적인 픽셀 크기는 3 ~ 250 μm이며, 홀로그램 해상도가 예를 들어 0.3 μm ((1/2λ, λ가 예를 들어 0.6 μm)일 수 있고, 따라서 홀로그램 (DOE 마스크)의 해상도는 (3 / 0.3) 2 = 100 배 높을 수 있다.
바람직한 실시 예에 따르면, DOE 마스크는 이미 계산되고 제조되므로, DOE 마스크를 매번 다시 계산할 필요가 없으므로 디지털 홀로그램 처리 속도가 증가될 수 있다.
DOE 마스크는 미리 계산되고, 기준 (판독, 재구성) 광의 파장 및 파면에 의해 결정되는 사전 지정된 특성을 제공하고, 또한 재구성될 물체 (홀로그램)의 특성, 예를 들어, 물체 유형 (점, 기하학적 원형 등), 물체까지의 거리, 물체의 깊이 등에 의해 제공되도록 제조될 수 있다.
실시 예에 따라, DOE 마스크는 진폭 또는 위상 유형일 수 있다.
다른 실시 예에서, 사전 계산되고 제조 된 DOE 마스크 대신, 어드레싱 가능한 LC- 기반 DOE가 사용될 수 있다. 이 경우, DOE 마스크를 갖는 활성층에 대한 적절한 제어 신호에 응답하여, 그들은 DOE 특성을 나타내거나 나타내지 않을 수 있고, 투명하고 약하게 산란 될 수 있다.
예시적인 실시예는 감소된 두께, 증가된 홀로그램 해상도 및 시야를 갖는 홀로그래픽 디스플레이를 제공할 수 있다.
예시적인 실시예는 홀로그램 형성 / 프로세싱 / 저장 / 전송을 위한 데이터 량을 감소시킬 수 있다.
예시적인 실시예는 서로 다른 거리에서 홀로그램의 3 차원 복셀 (3D 픽셀)을 인코딩하고 재구성하는 그룹으로 조직된 파장 크기의 요소를 갖는 기본 3D 물체의 기본 홀로그램인 회절 광학 요소 (DOE)의 마스크의 고해상도 배열을 사용하는 홀로그래픽 디스플레이를 제공할 수 있다. 기본 3D 물체의 기본 홀로그램에 의해 기본 3D 물체 (복셀, 기하학적 원형 (원형, 사각형 등) 또는 아이콘 또는 다른 유사한 3D 물체 (화면에서 지정된 거리에 있는 2D 물체 포함))가 대응하는 홀로그램에 의해 인코딩될 수 있다는 것을 의미하며, 즉, 홀로그램은 표시된 3D 이미지뿐만 아니라 해당 인코딩 및 제조의 결과 - DOE 마스크를 의미하는 것으로 이해해야 한다.
도 3은 8 개의 깊이 레벨을 갖는 단색 3D 홀로그램의 형성 예를 도시한다.
도 3을 참조하면, 홀로그램 형성 디바이스 (홀로그래픽 디스플레이)는 저해상도 SLM, DOE 마스크 어레이 및 보조 소자 (필드 렌즈, 필터 등)를 포함할 수 있다. DOE 마스크 어레이는 상이한 특성을 갖는 8 개의 DOE 마스크를 포함하는 DOE 마스크 세트를 포함하고, 각 마스크는 미리 계산되어 8 개의 깊이 레벨 중 하나에 대응하는 소정 거리에서 복셀의 형성이 가능하도록 제조될 수 있다.
도 3 및 후속하는 실시 예에 도시 된 실시 예에서, 저해상도 SLM은 EASLM (제어기-어드레스 가능)이다. 그러나 정적인 주소 지정이 불가능한 SLM (예 : 박물관의 "홀로그래픽 그림")을 가진 "정적" 홀로그래픽 디스플레이가 대안적으로 형성 될 수 있다; 또한, 간섭성 백라이트에 의해 조명되는 저해상도 정적 진폭 광 변조기 등이 SLM으로서 사용될 수 있다.
홀로그램을 형성하기 위해, 2D 영상 밝기 지도와 2D 깊이 지도가 입력 데이터로 사용될 수 있다. 2D 밝기 지도는 x 및 y 좌표로 특징 지어지는 각 이미지 픽셀의 밝기를 나타낸다.
이 예에서, 입력 3D 이미지의 각각의 픽셀은 8 개의 깊이 레벨에 대응하는 8 개의 EASLM 픽셀 세트 및 디스플레이의 2D 모드 동작을 위한 픽셀 (DOE 마스크 내의 영역에 대응하는 픽셀로서, 복셀, 예를 들어 광 확산기)에 대응한다. 따라서 흑백 디스플레이의 경우 입력 3D 이미지 픽셀에 해당하는 EASLM 픽셀의 수는 n + 1이어야 한다. 여기서, n은 홀로그래픽 디스플레이의 깊이 레벨의 수이다. 컬러 RGB 홀로그래픽 디스플레이의 경우, DOE 마스크 어레이가 정적이며 컬러 순차 모드 (홀로그래픽 이미지 컬러가 시퀀스로 표시되는)에서 작동 할 수 없는 경우 입력 3D 이미지 픽셀에 해당하는 EASLM 픽셀 수는 3 *(n + 1)이 된다.
상술된 입력 밝기 및 깊이 지도는 홀로그래픽 디스플레이 제어기의 입력에 공급될 수 있다. 깊이 지도 데이터에 기초하여, 제어기는 각각의 DOE 마스크 세트에 포함 된 8 개의 DOE 마스크 중 어느 것이 저해상도 SLM 픽셀 (도 3의 EASLM)에 의해 조명되어야 하는지를 결정하여 주어진 거리에서 원하는 복셀을 형성하고, 밝기 지도에 기초하여 제어기는 원하는 복셀을 형성하기 위해 지정된 DOE 마스크에 대응하는 저해상도 SLM 픽셀의 밝기를 지정한다. 따라서, 특정 밝기를 갖는 저해상도 SLM 픽셀을 켜고 상이한 특성을 가지고 대응하는 DOE 마스크로 광을 변조함으로써, 홀로그래픽 이미지를 구성하는 복셀 세트가 형성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 3D 모드에서 예시적인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 동작을 도시한다. 도 4c는 2D 모드에서 예시적인 실시예에 따른 디스플레이의 동작을 도시한다.
3D 모드에서, 홀로그래픽 이미지의 복셀은 시청자에 대해 홀로그래픽 디스플레이 스크린의 뒤 (도 4a) 또는 정면 (도 4b)에 형성 될 수 있다. 예를 들어, 부 (발산) 렌즈 (도 4a 참조)를 갖는 DOE 마스크를 사용하여, 시청자에 대해 스크린 뒤에 "가상" 홀로그램 복셀이 형성되고, 정 (수렴) 렌즈 (도 4b 참조)에서, "실제" 홀로그램 복셀은 시청자에 대해 스크린 (Z> 0)의 전방에 형성될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예는 결상된 피사체가 스크린의 뒤 또는 정면에 있다는 인상을 주는 홀로그램을 형성 할 수 있다.
동시에, 예시적인 실시예는 평면 모드에서 평면 2D 이미지를 형성하기 위해 2D 모드로 작업 할 수 있다. 이 목적을 위해 DOE 마스크의 투명 (또는 발산) 영역, 예를 들어 투명 렌즈가 사용되며 (DOE 또는 인코딩된 광 확산기 없음), 투명 (또는 발산) DOE 마스크 영역 세트를 통과하는 EASLM 픽셀의 빛은 시청자를 위한 평면 2D 이미지를 형성할 수 있다.
이 경우, 예시적인 실시예에 따라, 홀로그래픽 디스플레이 제어기는 각각의 EASLM 픽셀 및 대응하는 DOE 마스크를 턴 온 / 오프함으로써 저해상도 SLM을 동작시켜 2D 및 3D 모드 사이를 전환 할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 홀로그래픽 디스플레이는 컬러 3D 홀로그래픽 이미지를 형성 할 수 있다 (도 5 참조).
도 5는 3 개의 상이한 컬러 및 3 개의 깊이 레벨의 복셀을 형성하기 위한 DOE 마스크 세트를 포함하는 DOE 마스크 배열의 예를 도시한다. 이 실시 예에서, 하나의 DOE 마스크 세트의 GD1, GD2, GD3 요소는 다른 깊이에서 녹색 복셀을 생성하도록 설계될 수 있다. 하나의 DOE 마스크 세트의 BD1, BD2, BD3 요소들은 상이한 깊이에서 청색 복셀을 생성하도록 설계될 수 있다. 하나의 DOE 마스크 세트의 RD1, RD2, RD3은 다른 깊이에서 적색 복셀을 생성하도록 설계될 수 있다. DOE 마스크 요소의 지정에서의 숫자 "1, 2, 3"은 깊이 레벨을 나타낸다. 이 경우, 결과적인 컬러 홀로그래픽 이미지의 해상도는 단색 이미지의 해상도보다 Nc 배 낮다. 여기서 Nc는 형성된 복셀의 컬러 수이다.
앞서 언급한 여러 요소의 조인트 효과를 사용하여, 저해상도 EASLM을 어드레싱하는 제어기에 의해 RGB 컬러 모델에 따라 다른 컬러의 복셀이 생성되어 입력 3D 이미지의 강도 지도에서 R, G 및 B 강도에 비례하는 강도를 가지는 대응 DOE 마스크로 EASLM 픽셀을 턴온 할 수 있다. 또한 제어기가 다른 컬러 모델 (YUW, CMYK 등)과 함께 작동하도록 프로그래밍되어 RGB 컬러 모델로 변환을 수행할 수 있다.
유사한 방법으로, DOE가 마스크, EASLM 광 파장과 제어기가 RGB와는 다른 기본 컬러 모델, 예를 들어 YUW 또는 다른 것들로 작동하도록 구성할 수 있다.
도 6은 다수의 층으로 적층된 복수의 DOE 마스크 어레이를 갖는 실시 예를 도시하며, 여기서 각 층은 어드레싱 가능하거나 (LC 기술을 사용하는 활성층) 또는 정적인, 즉 DOE 마스크는 영구적인 구조를 가질 수 있다.
홀로그래픽 이미지 해상도를 높이기 위해, DOE 마스크 어레이가 층들(도 6 참조)로 적층될 수 있다. 디스플레이 해상도는 EASLM 광 특성 (편광, 파장 등)을 수정하거나, 또는 제어기 출력 신호에 의해 대응 DOE 마스크 층을 활성화시킴으로써 형성된 복셀의 개수를 증가시키기 때문에 증가될 수 있다.
동시에, 층들로 적층 된 각각의 DOE 마스크 어레이는 하나의 특정 컬러의 복셀을 형성하는데 사용될 수 있으며, 즉, DOE 마스크 어레이의 수 개의 층은 재생 된 이미지의 해상도를 유지하면서 컬러 홀로그래픽 이미지를 형성하는데 사용될 수 있다.
이 경우, 각각의 다음 층은 표시된 홀로그램 해상도를 증가시키도록 하나의 DOE 마스크의 크기에 비례하고 DOE 층의 개수에 반비례하는 피치만큼 인접한 층에 대해 수평 또는 수직 방향으로 시프트 할 수 있다. 또한, 각 층은 광학적 및 / 또는 전자적으로 어드레싱할 수 있다.
도 7은 예시적인 실시 예에 따른 집적 홀로그래픽 디스플레이 구조의 예를 도시한다.
도 7에 도시 된 실시 예에 따르면, 본 발명은 비 간섭성 SLM, DOE 마스크 어레이 및 OASLM을 포함하는 소형 홀로그래픽 디스플레이에의 응용을 발견할 수 있다. 도 7에 도시된 홀로그래픽 디스플레이는 저 해상도 비 간섭성 EASLM, DOE 진폭 마스크 어레이, OASLM 및 백라이트 유닛을 포함한다. 이 예에서 OASLM은 DOE 마스크 어레이로부터 백라이트 유닛을 향하여 ITO, 감광 층, 다이크로익 미러 층, LC (액정) 층, ITO, 기판 순서로 배열 된 몇 개의 층을 포함할 수 있다.
ITO (인듐 주석 산화물)는 다양한 비율의 인듐, 주석 및 산소의 3 원 조성물이다. 이 예에서, ITO는 전극으로서 증착 된 투명하고 얇은 (나노 미터 차수의) 코팅일 수 있다.
표시된 3D 이미지의 데이터에 따라 제어기 신호에 반응하여, 저해상도 EASLM은, 표시된 홀로그램 (3D 이미지)의 복셀 세트를 표시된 3D 이미지의 3D 포인트의 강도 레벨에 비례한 강도로 재구성해야 하는 DOE 어레이 마스크 세트를 강조 표시할 수 있다. 이 경우, DOE 마스크 어레이 이후에 감광 층 상에 광 강도 분포가 형성되어 감광 층에서 전하 분포를 일으키고 OASLM의 액정 층에서 위상 변조를 유도할 수 있다. 그 다음, 액정 층에 형성된 위상 홀로그램 (제어기 신호는 기록 / 판독 모드에서 OASLM을 작동하도록 요구된다)은 백라이트 유닛의 간섭 성 광에 의해 재구성되고, 유해한 회절 차수를 필터링하기 위해 각도 필터 (능동 또는 수동)를 통과하고, EASLM 광을 필터링하기 위해 스펙트럼 필터(능동 또는 수동)를 통과하고, 재구성 된 홀로그램 (3D 이미지)의 눈 관측 영역을 형성하기 위해 필드 렌즈 (선택적)를 통과한다. 액정 층은 전하 분포 제어형 위상 SLM이며, 이는 감광층 상의 전하 분포로 인해 상기 영역 내의 전하에 비례하여 액정 분자의 배향을 변화시킬 수 있다; 액정 분자의 배향은 LC 영역을 통과하는 광의 지연(위상 변화)을 결정한다. 이러한 방식으로, 회절이 위상 홀로그램에 발생하고, 대상 웨이브의 파면(이 경우에, 표시된 복셀의 세트에 대응하는)이 재구성될 때, 홀로그램을 재구성하는 동안, 액정 층에서의 위상 변조 (위상 홀로그램의 형성) 및 광 위상 변조가 이루어진다.
상기 설명에 비추어 볼 때, 일반적인 비 간섭성 디스플레이로의 동작은 감광 층에 전하 분포를 유도하기 위해 DOE 마스크 후에 광 강도 분포가 제공되어야 하는 감광 층 상에 OASLM을 요구하고, 간섭성 백라이트에 의해 재구성 될 위상 홀로그램을 나타내는 OASLM LC 층에서의 위상 변조를 요구한다. 따라서 비간섭성 SLM과 OASLM을 사용하는 경우 DOE 마스크는 진폭 유형이어야 한다.
도 8은 도 7에 도시 된 실시 예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 동작 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
단계 S1에서, 2D / 3D 카메라 또는 다른 이미지 소스로부터의 2D 또는 3D 이미지 데이터 또는 미리 계산 된 2D 또는 3D 이미지 데이터가 홀로그래픽 디스플레이 제어기에 공급된다. 디스플레이의 동작 모드에 따라 데이터는 다음과 같은 형태 일 수 있다. 데이터가 2D 밝기 지도 (2D 모드 용) 또는 2D 밝기 지도 및 2D 깊이 지도 (3D 모드 용)의 형태일 수 있다.
단계 S2에서, 제어기는 복셀의 밝기 / 강도를 지정하는 대응하는 EASLM 픽셀을 사용하여 모든 복셀이 형성되도록 3D (또는 2D) 이미지 데이터를 나타내는 2D 밝기 지도 및 2D 깊이 지도 데이터에 기초하여 저해상도 EASLM 및 지정된 고해상도 DOE 마스크 어레이 (고해상도 DOE 마스크 어레이의 어드레싱 가능한 세트가 도 6에 도시된 바와 같이 재생된 홀로그램 해상도를 더 증가 시키는데 사용되는 경우)에 대한 제어 신호를 생성한다. 3D 모드에서, 표시된 홀로그램의 적어도 하나의 복셀을 형성하는 적어도 하나의 고해상도 DOE 마스크는 제어기에 의해 턴온 되는 단일 EASLM 픽셀에 대응할 수 있다.
DOE 마스크 어레이가 OASLM과 통합 된 후의 강도 분포가 OASLM 감광 층으로 전달되어 전하 분포를 일으킬 수 있다. 이 순간에 (단계 S3), 제어기는 OASLM 액정 층상의 위상 분포에 감광 층에 형성된 강도 분포를 기입하기 위한 제어 신호를 OASLM에 전송하고, 감광 층에서의 전하 분포는 저해상도 EASLM에 의해 조명되는 활성 DOE 마스크 요소의 고해상도 홀로그램 패턴에 따른 OASLM 액정 층에서의 굴절률 변조를 유발할 수 있다.
단계 S4에서, 백라이트 유닛은 반사 형 OASLM을 위한 백라이트 (조명)를 생성하고, 단계 S5에서, (OASLM으로 쓰여진) 현재(current) 표시 홀로그램의 회절 광이 홀로그램을 재구성한다.
필드 광학계 (렌즈 또는 렌즈 세트)는 디스플레이에서 지정된 거리에 홀로그램 시청 영역을 형성하는 데 필요하다. 필터는 표시된 3D 홀로그램 품질을 개선하기 위해 공간 / 각도 / 스펙트럼 필터링을 수행 할 수 있으며 수동 또는 능동 (주소 지정 가능)적 일 수 있다.
필드 광학계, 필터 (능동 소자가 사용되는 경우) 및 백라이트 유닛은 또한 제어기로부터의 제어 신호에 응답하여 작동한다.
비 간섭 성 EASLM, DOE 마스크 어레이 및 반사 형 OASLM의 통합 구조는 홀로 그래픽 디스플레이 크기 (두께)를 줄일 수 있다. 감소 된 크기로 인해, 디스플레이는 스마트 폰, 태블릿, 웨어러블 전자 장치 등과 같은 모바일 전자 장치에 적용 할 수 있다. 본 발명에서의 비 간섭성 디스플레이 및 마이크로 디스플레이의 적용 가능성은 현재 활용 가능한 디스플레이: OLED, μ-LED, LCD 등이 사용될 수 있다.
실시 예에 따라, 도 7에 도시 된 홀로그랙픽 디스플레이에 사용되는 EASLM은 자체 발광 (비 간섭성 LED /μ-LED, OLED 등) 또는 비-자체- 발광 일 수 있다. 비-자체-발광 EASLM (예 : LCD)을 사용하면, 추가 비 간섭성 백라이트 (LED, 램프 등)가 사용 되야 한다.
다른 실시 예 (도 9 참조)에서, 비 간섭성 SLM 대신에 간섭성 SLM(이 예에서는 EASLM)이 사용된다. 따라서, 반사형 OASLM을 사용할 필요가 없어, OASLM이 생략 (도 9 참조)될 수 있고 또는 투과 모드 (미도시)로 전환 할 수 있다. 간섭 성 EASLM은 자체 발광 형 (예를 들어, 레이저 다이오드 어레이) 또는 비 자체 발광 형일 수 있다. 비-자체 발광 EASLM (예를 들어, LCD)의 경우, 추가적인 간섭성 백라이트 (예를 들어, 레이저 백라이트)가 사용되어야 한다.
간섭성 SLM이 OASLM 없이 사용되면, DOE 마스크는 진폭 또는 위상 타입이 될 수 있으며, 위상 타입이 DOE 효율을 향상시키는 데 더 바람직하다.
도 10에 도시 된 홀로그래픽 디스플레이의 또 다른 실시 예에서, EASLM 및 DOE 마스크 어레이와 함께 응용(adaptive) 멀티 - 렌즈 어레이 (MLA)가 사용될 수 있다.
상기 실시 예에서, 복셀은 (x, y) 좌표로 각 복셀에 대해 DOE 마스크에 의해 지정된 이산 거리 zi에서 형성될 수 있다. 복셀 형성을 위한 가능한 이산 거리의 수는 DOE 마스크의 수에 의해 결정될 수 있다.
도 10에 도시 된 실시 예에 따른 응용 (능동) MLA는 EASLM 및 DOE 마스크 어레이에 대한 그 것의 공간적 위치를 변경할 수 있다. 따라서, (x, y) 복셀의 (zi) 위치는 각 MLA 렌즈의 초점 거리를 변화시킴으로써 보다 부드럽게 바뀔 수 있다. 그럼으로써, 형성된 홀로그램 이미지의 해상도 및 깊이 범위를 증가시키는 것이 가능하다. 이 실시 예는 표시된 홀로그램의 품질 및 깊이를 향상시킬 수 있다.
따라서, DOE 마스크 어레이를 사용함으로써, 본 발명은 표시된 홀로그램의 해상도, 홀로그램의 시야각 및 디지털 홀로그램의 처리 속도를 증가시킬 수 있다. DOE 마스크 어레이는 파장 크기의 핵심 기능을 갖춘 사전 개발 및 제조 된 격자 세트로, 표시된 홀로그램의 회절 각도 및 시야각을 증가시키고 수치 계산 (프로세서 부하, 저장 용량, 데이터 전송률)을 줄이고 배터리 수명을 연장 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 홀로그래픽 디스플레이는 비 간섭 성 SLM, DOE 마스크 어레이 및 OASLM을 포함하는 집적 구조로 인해 컴팩트 한 디자인을 가지며 비 간섭 성 디스플레이 및 마이크로 디스플레이 (LED, OLED, LCD + LED 등)를 사용할 수 있다. 추가 적용 렌즈 래스터(raster)는 표시된 홀로그램의 깊이 해상도를 높이는 데 사용될 수 있다.
컴팩트 한 디자인으로 인해, 본 발명에 따른 홀로그래픽 디스플레이는 모바일 및 착용 가능한 전자 장치에서 정보를 디스플레이하고 홀로그래픽 사용자 인터페이스를 생성하기 위한 애플리케이션을 발견할 수 있다.
홀로그램 형성 동안 감소 된 계산 부하로 인해, 본 발명은 홀로그래픽 디스플레이를 포함하는 이동 전자 장치의 배터리 수명을 연장시키고 프로세서, 제어기 등에 대한 냉각 요건을 감소시킬 수 있다.
3D 홀로그램 형성을 위한 입력 데이터로서의 2D 맵 만을 위한 필요성은 필요한 데이터 전송 대역폭을 감소시킬 수 있다.
비록 예시적인 실시 예들이 상세히 설명되고 첨부 도면들에 도시되었지만, 그러한 실시 예들은 단지 예시적인 것이며 더 넓은 발명을 제한하려는 것이 아니며, 당업자에게는 다양한 다른 변형이 명백 할 수 있기 때문에 본 발명은 도시 된 특정 구성들과 여기에 설명된 것에 제한되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다.
특별히 언급하지는 않았지만, 데이터, 프로그램 등을 저장하는 것에 대한 언급은 기계 판독 가능 저장 매체가 이용 가능하다는 것을 의미하는 것이 명백하다; 컴퓨터 판독 가능 저장 매체의 예로는 판독 전용 메모리, 랜덤 억세스 메모리, 리지스터, 캐시(cache) 메모리, 반도체 스토리지, 내부 하드 드라이브 및 이동식 디스크 드라이브와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 디지털 다용도 디스크 (DVD)와 같은 광학 매체 및 임의의 다른 통상적인 저장 매체를 포함한다.
설명의 다양한 부분들에 개시된 다양한 종속 항들 및 구현 예들에 기술 된 특징들은 이러한 조합의 능력이 명시적으로 개시되지 않은 경우에도 유익한 효과들을 달성하기 위해 결합 될 수 있다.

Claims (15)

  1. 홀로그래픽 디스플레이에 있어서,
    전자 주소 지정 가능한 공간 광 변조기 (EASLM);
    상기 EASLM 상에 배치된 회절 광학 요소 (DOE) 마스크 어레이;
    상기 홀로그래픽 디스플레이를 동작시켜 홀로그램 이미지를 형성하는 제어기;를 포함하고,
    상기 제어기는 대응하는 EASLM 픽셀을 턴온함으로써 홀로그램 이미지 복셀의 세트를 형성해야 하는 상기 DOE 마스크 어레이를 백라이팅하기 위해 상기 EASLM을 어드레싱하도록 구성되는 홀로그래픽 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 EASLM은 비 간섭성 EASLM 인 홀로그래픽 디스플레이.
  3. 제 2 항에 있어서,
    광학 주소 지정 가능 공간 광 변조기 (OASLM) 및 백라이트 유닛을 더 포함하며, 상기 EASLM, DOE 마스크 어레이 및 OASLM은 단일 유닛으로 통합된 홀로그래픽 디스플레이.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 OASLM은 감광층과 액정 층을 포함하고,
    상기 제어기는 상기 DOE 마스크 어레이 이후에 형성된 광 강도 분포가 상기 OASLM의 감광층에 전하 분포를 형성하고, 상기 OASLM 액정 층에 위상 변조를 유도하여 위상 홀로그램을 형성하도록 상기 OASLM 및 상기 백라이트 유닛을 작동시키는 홀로그래픽 디스플레이.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 백라이트 유닛은 OASLM 액정 층에 형성된 상기 위상 홀로그램을 백라이팅 함으로써 홀로그래픽 이미지를 형성하도록 구성된 홀로그래픽 디스플레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 EASLM은 간섭성 EASLM 인 디스플레이.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DOE 마스크 어레이가 복수 개의 층들로 적층 된 DOE 마스크들의 다중 어레이들을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    응용 멀티 렌즈 어레이를 더 포함하고, 상기 제어기가 상기 응용 멀티 렌즈 어레이를 동작 시키도록 구성된 홀로그래픽 디스플레이.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    3D 및 2D 모드 간에 전환하도록 구성된 홀로그래픽 디스플레이.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    컬러 홀로그램을 형성하도록 구성된 홀로그래픽 디스플레이.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홀로그램 이미지 복셀의 스펙트럼 광 필터링, 공간적 및 / 또는 각도 광 필터링이 가능한 필드 광학계 및 / 또는 필터를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DOE 마스크 어레이는 영구적인 구조를 가지며 소정의 특성들을 제공하도록 미리 계산되어 제조된 홀로그래픽 디스플레이.
  13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DOE 마스크 어레이는 어드레싱 가능하고, 상기 제어기는 상기 DOE 마스크 어레이를 어드레싱하도록 추가로 구성된 홀로그래픽 디스플레이.
  14. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DEO 마스크 어레이는 부 렌즈, 정 렌즈, 또는 투과 렌즈를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이.
  15. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 홀로그래픽 디스플레이에 의한 홀로그래픽 이미지를 형성하는 방법으로서,
    제어기에 의해 입력 홀로그래픽 이미지 데이터를 수신하는 단계;
    대응하는 EASLM 픽셀을 턴 온 / 오프함으로써, 입력 데이터에 기초하여 홀로그래픽 이미지 복셀 세트를 형성해야 하는 DOE 마스크를 백라이트로 조명하도록 제어 신호를 생성하는 단계;
    상기 제어기의 제어 신호에 따라 상기 EASLM 및 상기 DOE 마스크 어레이에 의해 홀로그래픽 이미지를 형성하는 단계;를 포함하는 방법.
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