KR20190080808A - 홀로그램 디스플레이 장치 및 그 방법 - Google Patents

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KR20190080808A
KR20190080808A KR1020180172289A KR20180172289A KR20190080808A KR 20190080808 A KR20190080808 A KR 20190080808A KR 1020180172289 A KR1020180172289 A KR 1020180172289A KR 20180172289 A KR20180172289 A KR 20180172289A KR 20190080808 A KR20190080808 A KR 20190080808A
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Abstract

본 발명에서는 입력광을 출력하는 광원과, 입력광을 회절광으로 변조하는 공간 광 변조기와, 공간 광 변조기에서 변조된 회절광에서 광학적 노이즈 성분을 제거하고, 홀로그램을 디스플레이 하는 복수의 노이즈 필터링 소자를 포함하는 홀로그램 디스플레이 장치를 제공함으로써, 대면적의 홀로그램 디스플레이 장치에서, 공간 필터링을 효과적으로 수행하면서도, 홀로그램을 디스플레이 하기 위한 광원의 전파 경로를 획기적으로 줄일 수 있다.

Description

홀로그램 디스플레이 장치 및 그 방법{HOLOGRAM DISPLAYING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 대면적의 공간 광 변조기를 포함하는 홀로그램 디스플레이 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 3차원 디스플레이 기술의 발달에 힘입어 다양한 산업 분야에서 3차원 영상을 활용하고 있다. 특히, 오브젝트를 실물처럼 재현하는 홀로그램에 대한 기술 연구가 활발히 진행됨과 동시에 방송, 전시, 공연 등의 다양한 분야에서 홀로그램을 활용한 컨텐츠를 제작하고 있다.
홀로그래피 기술은 빛의 간섭현상을 이용하여 가간섭성 광원인 레이저를 이용하여 빛의 진폭 정보와 위상 정보를 동시에 기록하거나 재현할 수 있는 기술이다.
디지털 홀로그래피는 이러한 기술적인 특징을 기반으로 하여 동적으로 3차원 영상을 재생하는 홀로그래픽 디스플레이 기술, 홀로그래픽 프린팅 기술, 데이터 저장을 위한 홀로그래픽 메모리 기술, 3차원 정보를 획득하기 위한 홀로그래픽 현미경 관련 등의 홀로그래피 계측 기술 등 다양한 분야를 가진다.
이 특허는 2017년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 '범부처 Giga KOREA 사업'(GK17D0100, 디지털 홀로그래픽 테이블탑형 단말 기술 개발)의 지원을 받아 수행된 연구 결과를 바탕으로 한 발명이다.
본 발명의 기술적 과제는 대면적 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광경로를 줄일 수 있는 광학적 노이즈 필터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치는 입력광을 출력하는 광원; 상기 입력광을 회절광으로 변조하는 공간 광 변조기; 및 상기 공간 광 변조기에서 변조된 회절광에서 광학적 노이즈 성분을 제거하고, 홀로그램을 디스플레이 하는 복수의 노이즈 필터링 소자를 포함할 수 있다.
상기 각 노이즈 필터링 소자는, 상기 공간 광 변조기의 복수의 픽셀 중 일부 픽셀을 포함하는 픽셀 블록과 접하고, 상기 픽셀 블록에 의해 회절된 회절광을 집속시키는 제1 렌즈; 상기 집속되는 회절광 중 광학적 노이즈 성분을 제외한 나머지 회절광을 통과시키는 제2 렌즈; 상기 제2 렌즈와 병렬로 배치되고, 상기 공간 광 변조기에 대응하여 병렬 배치되고, 상기 광학적 노이즈 성분을 제거하는 공간 필터; 및 상기 공간 필터에 대응하여 병렬 배치되고, 상기 회절광에서 노이즈 성분이 제거된 회절광을 이용하여 홀로그램을 디스플레이하는 복수의 제3 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 회절 광학 소자 또는 굴절 광학 소자로 구성될 수 있다.
상기 제1 렌즈는 제1 홀로그램 광학 소자(hologram optical element)로 구성되며, 상기 픽셀 블록에 의해 회절되는 회절광 중 특정 방향으로 회절되는 일부광을 차단할 수 있다.
상기 제2 렌즈는 제2 홀로그램 광학 소자(hologram optical element)로 구성되며, 상기 집속되는 회절광 중 특정 방향으로 집속되는 일부광을 차단할 수 있다.
상기 제1 홀로그램 광학 소자는 상기 픽셀 블록에 의해 회절되는 회절광 중 제1 방향으로 회절되는 2차 회절 성분 이상의 고차 회절 성분을 차단하도록 설정되며, 상기 제2 홀로그램 광학 소자는 상기 집속되는 회절광 중 제2 방향으로 집속되는 2차 회절 성분 이상의 고차 회절 성분을 차단하도록 설정할 수 있다.
상기 제1 홀로그램 광학 소자 및 상기 제2 홀로그램 광학 소자는 체적형 회절 광학 소자(Volume diffractive optical element)로 구성할 수 있다.
상기 제1 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 제1 길이를 가지고, 상기 제2 렌즈의 크기 및 상기 공간 필터의 크기의 합은 상기 제1 길이와 동일할 수 있다.
상기 각 픽셀 블록으로부터 회절되는 회절광의 폭은 상기 제2 길이의 두배일 수 있다.
상기 각 픽셀 블록으로부터 회절되는 회절광 중 상기 제2 렌즈의 상부 영역으로 회절되는 회절광을 차단하는 상단 격벽, 그리고 상기 각 픽셀 블록으로부터 회절되는 회절광 중 상기 공간 필터의 하부 영역으로 회절되는 회절광을 차단하는 하단 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 공간 필터는 상기 집속되는 회절광 중 DC(direct current) 성분, 그리고 상기 집속되는 회절광에서 상기 DC 성분이 제거된 회절광의 공액 성분을 차단하는 단일 대역 필터(single sideband filter)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 공간 광 변조기, 제1 렌즈 모듈, 제2 렌즈 모듈 및 제3 렌즈 모듈을 포함하는 홀로그램 디스플레이 장치는 상기 제1 렌즈 모듈 내지 제3 렌즈 모듈은 볼록 렌즈 모듈이며, 상기 제1 렌즈 모듈은 상기 공간 광 변조기의 입력 이미지면에 접하도록 위치하며, 상기 공간 광 변조기에서 변조된 광파에 초점력(focusing power)을 부여하여 상기 변조된 광파가 발산하는 것을 방지하고, 상기 제2 렌즈 모듈은 상기 제1 렌즈 모듈의 후면 초점면에 위치하며, 상기 광파를 상기 제3 렌즈 모듈이 위치한 영역으로 프로젝션(projection)하며, 상기 제3 렌즈 모듈은 상기 제2 렌즈 모듈을 통과하여 발산하는 광파를 수렴시켜, 상기 제3 렌즈 모듈에 인접한 공간에 상기 입력 이미지면을 재현하고, 상기 제2 렌즈 모듈의 초점력은 상기 제1 렌즈 모듈의 초점력과 상기 제3 렌즈 모듈의 초점력을 합한 값을 가질 수 있다.
상기 제1 렌즈 모듈은 상기 공간 광 변조기에 접하도록 위치하여, 상기 제2 렌즈 모듈과 병렬 배치되고, 상기 변조된 광파의 DC 성분, 공액 성분 또는 고차항 성분을 포함하는 광학적 노이즈를 공간적으로 차단하는 공간 필터를 더 포함하고, 상기 제2 렌즈 모듈의 크기와 상기 공간 필터의 크기를 합한 값은 상기 제1 렌즈 모듈과 동일하며, 상기 제3 렌즈 모듈은 상기 변조된 광파 중 상기 광학적 노이즈가 제거된 필터링된 신호를 수렴시킬 수 있다.
상기 공간 광 변조기의 전체 영역은 복수의 픽셀을 포함하는 복수의 픽셀 블록을 포함하고, 상기 제1 렌즈 모듈은 상기 각 픽셀 블록에 대응하여 병렬 배치되며, 상기 각 픽셀 블록에서 변조된 광파에 초점력을 부여하는 복수의 제1 렌즈를 포함하고, 상기 제2 렌즈 모듈은 상기 각 픽셀 블록에 대응하여 병렬 배치되며, 상기 각 픽셀 블록에서 변조된 광파를 상기 제3 렌즈 모듈이 위치한 영역으로 프로젝션하는 복수의 제2 렌즈를 포함하며, 상기 제3 렌즈 모듈은 상기 각 픽셀 블록에 대응하여 병렬 배치되며, 상기 각 제2 렌즈에 의해 전달된 광파를 수렴시키는 복수의 제3 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 각 제1 렌즈, 상기 각 제2 렌즈 및 상기 각 제3 렌즈의 크기는 상기 각 픽셀 블록의 크기와 동일하며, 상기 각 제1 렌즈의 초점 거리는 상기 각 제3 렌즈의 초점 거리와 동일할 수 있다.
상기 각 제1 렌즈는 HOE(Holographic optical element)를 포함하는 DOE(Diffractive optical element)로 구성되며, 상기 각 제1 렌즈는 상기 체적형 회절 광학 소자 구조의 HOE 또는 DOE로 구성되어 상기 변조된 광파 중 인접한 다른 픽셀 블록과 상기 다른 픽셀 블록에 대응되는 다른 제1 렌즈가 위치한 영역으로 전파되는 고차항의 광파의 세기를 저감할 수 있다.
상기 각 제2 렌즈는 HOE(Holographic optical element)를 포함하는 DOE(Diffractive optical element)로 구성되며, 상기 변조된 광파 중 DC(Direct current) 성분, 미리 설정된 홀로그램 신호의 위상-공액 성분 및 고차항 성분을 상기 HOE의 각도 선택적 특성을 이용하여 차단할 수 있다.
상기 공간 광 변조기의 하나의 픽셀 블록에서 변조된 광파가 다른 인접한 픽셀 블록과 상기 인접한 픽셀 블록에 대응하는 제1 렌즈 내지 제3 렌즈가 위치한 영역으로 전파되는 것을 차단하는 복수의 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 공간 필터는 단일 대역 필터(single sideband filter)로 구성되고, 상기 단일 대역 필터는 상기 공간 광 변조기에서 변조된 광파는 위상 천이(phase-shift) 되어 광학적 노이즈를 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치는 입력광을 출력하는 광원; 상기 입력광을 회절시키는 복수의 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기; 상기 공간 광 변조기의 복수의 픽셀 중 일부 픽셀을 포함하는 픽셀 블록과 접하고, 상기 픽셀 블록에 의해 회절된 회절광을 집속시키는 제1 렌즈; 상기 집속되는 회절광 중 노이즈 성분을 제외한 나머지 회절광을 통과시키는 제2 렌즈; 상기 제2 렌즈와 병렬로 배치되고, 상기 집속되는 회절광 중 상기 노이즈 성분을 차단하는 공간 필터; 및 상기 노이즈 성분이 제거된 회절광을 집속시켜 홀로그램을 디스플레이하는 제3 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 대면적의 홀로그램 디스플레이 장치에서, 공간 필터링을 효과적으로 수행하면서도, 홀로그램을 디스플레이 하기 위한 광원의 전파 경로를 획기적으로 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 공간 분할을 통한 병렬적인 노이즈 필터링이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 종래 기술의 필터링 방법과 비교할 때, 광학적 요구 성능이 낮아지며, 홀로그램 디스플레이 장치 내의 광 신호의 광 경로가 획기적으로 줄어들고, 디스플레이 폼 팩터가 향상되며, 홀로그램 디스플레이 장치의 제작 비용이 줄어들며, 전체 무게 및 광학 수차가 저감된다.
도 1은 종래 기술에 따른 대면적 홀로그램 디스플레이 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 병렬적 노이즈 필터링 장치에서의 각 픽셀 블록과 이에 대응하는 단위 노이즈 필터링 소자를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고차 회절광을 제거하는 단위 노이즈 필터링 소자를 도시한다.
도 5는 종래 기술에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 노이즈 필터링 장치의 광경로를 도시하고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 병렬적 노이즈 필터링 장치의 광경로를 도시한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 종래 기술에 따른 대면적 홀로그램 디스플레이 장치를 도시한다.
종래 기술에 따르면, 투과형의 SLM(spatial light modulator, 공간 광 변조기)에 홀로그램 영상 재현을 위한 참조광을 SLM의 전면에 위치한 BLU(Backlight Unit)을 이용하여 조광하면, SLM의 후면 방향으로 광신호가 출력된다.
SLM으로부터 출력되는 광신호(RI)는 하기의 수학식 1을 이용하여 표현할 수 있다.
Figure pat00001
상기에서, R은 참조광, I는 홀로그램 패턴(Hologram pattern), O는 물체광(Object wave)이 될 수 있다.
상기한 수학식 1에서, 첫째항과 둘째항은 DC(direct current) 성분의 0차 회절광으로, 노이즈로 정의된다.
셋째항은 허상(virtual image)으로 형성되므로, 홀로그램 디스플레이 장치에 있어서 노이즈로 정의될 수 있다.
넷째항은 셋째항(물체광)의 공액파이다. 넷째항은 허상인 셋째항에 대해 시차가 역전된 반영경상(pseudoscopic image) 형태의 실상(Real image)으로 형성된다. 실상인 넷째항은 허상인 셋째항의 트윈(twin) 형태로 형성된다. 넷째항은 디스플레이 하고자 하는 신호이다
따라서, 광신호(RI)의 첫째항, 둘째항 및 셋째항을 공간 상에서 차단하여야 한다.
종래 기술에 따르면, 홀로그램 디스플레이 장치에서 상기한 첫째항, 둘째항 및 셋째항 등 상기한 노이즈를 제거하기 위해서, 도 1과 같이 Lens1의 초점면 상에 공간 필터(SF, spatial filter)를 배치하여 단측파대 변조(single-sideband)를 이용한 필터링 방법이 이용될 수 있다.
상기한 필터링 방법을 이용하기 위해서는, 도 1과 같은 4f 광학계를 배치하고, 첫 번째 렌즈(Lens1)의 초점면(back focal plane), 즉, 퓨리에 평면(Fourier plane)에 공간 필터(spatial filter SF)를 두며, 홀로그램을 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 광신호(RI) 중에서 물체파에 대한 공액 성분(셋째항)과 DC 성분(첫째항, 둘째항)을 필터링하여, 노이즈 성분이 제거된 유효 성분 신호(단측파대 신호)만을 획득할 수 있다. 4f 광학계를 구성하는 두번째 렌즈(Lens2)는 퓨리에 변환된 유효 성분을 공간 상에 디스플레이 한다.
한편, 디스플레이 되는 홀로그램의 크기와 시야각은 홀로그램 디스플레이 장치의 SLM의 면적과 픽셀 간격에 따라 결정된다. 따라서, 홀로그램 디스플레이 장치의 SLM의 디스플레이 면적을 넓히고, 픽셀 간격을 좁혀서, 홀로그램의 크기와 시야각을 넓히는 것이 중요하다.
다만, 높은 회절각의 대면적 SLM을 포함하는 4f 광학계를 이용한 노이즈 필터링 시스템을 구성하는 데에 여러 문제점이 있다. 문제점 중 하나는, SLM의 면적과 회절광의 각도가 커질수록, SLM에서 변조된 회절광을 수렴시키는 렌즈의 구경이 더 커져야 하며, 개구수(Numerical aperture, NA)가 더 높아져야 한다. 렌즈의 직경이 크고 개구수가 더 높은 렌즈는 제작 비용이 상당히 높고, 무게가 상당히 크다.
또한, 렌즈의 구경이 커지고 곡률이 작아질수록 광학 수차가 커진다. 광학 수차가 커질 경우, SLM에서 변조된 회절광이 제작자가 의도하는 공간으로 정확히 전달되지 못하게 된다. 이러한 경우, 디스플레이 되는 홀로그램 영상이 왜곡되며, 홀로그램 영상의 화질이 저하된다. 이와 같은 성능 저하를 피하기 위해 더 긴 초점 거리를 갖는 렌즈를 제작하는 방법이 있지만, 4f 광학계에서 회절광이 전파되는 광 경로(optical path)가 매우 길어지고, 기존보다 더 큰 구경의 렌즈가 필요하다. 이에 따라, 홀로그램 디스플레이 장치의 전체 부피가 상당히 커진다.
상기한 문제점을 극복하기 위해서는, SLM에 적합한 새로운 홀로그래픽 디스플레이 광학계 구성이 필요하다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 상기한 문제점들을 해결할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치에 대해 설명한다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명하는 모든 렌즈(또는 DOE)는 볼록 렌즈인 것을 가정하여 설명하며, 반드시 이에 한정될 필요는 없다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치를 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 홀로그램 디스플레이 장치(200)는 광원(201), 전면 렌즈 모듈(210), 렌즈를 포함하는 복수의 필터 모듈(220), 후면 렌즈 모듈(230)을 포함한다. 홀로그램 디스플레이 장치(200)는 공간 상에 홀로그램을 디스플레이 한다.
광원(201)은 가간섭성(coherence)의 입력광을 출력한다. 광원(201)은 시준(collimated)된 가간섭성의 광을 전면 렌즈 모듈(210)이 위치한 방향으로 출력한다. 광원은 백라이트 유닛(BLU, backlight unit)을 포함한다. 예를 들면, 입력광은 도 1을 참조하여 설명한 참조광이 될 수 있다.
반 파장 판 평면 필름(HWP, Halfwave plate film)(202)은 광원(201)으로부터 출력된 입력광의 편광 방향을 회전시킨다.
제1 편광 필름(203) 및 제2 편광 필름(204)는 전면 렌즈 모듈(210)의 전후에 위치한다. 제1 편광 필름(203) 및 제2 편광 필름(204)는 특정 방향의 편광(선편광 또는 원편광)을 투과시킨다.
전면 렌즈 모듈(210)은 공간 광 변조기(211) 및 공간 광 변조기에 접하도록 배치되는 복수의 전면 렌즈(212)를 포함한다.
공간 광 변조기(211)는 입력 광원을 변조하고, 발산시킨다. 공간 광 변조기(211)는 투과형 공간 광 변조기가 될 수 있다. 공간 광 변조기(211)가 반사형 공간 광 변조기일 경우, 전면 렌즈 모듈(210)은 공간 광 변조기(211)에 의해 변조되는 복수의 광을 분배하는 빔 스플리터(beam splitter, BS)를 포함한다.
공간 광 변조기(211)의 복수의 픽셀은 다수 개의 픽셀 주기로 분할하여 픽셀 블록 군으로 구성할 수 있다.
복수의 전면 렌즈(212)의 각 전면 렌즈는 각 픽셀 블록에 대응된다. 복수의 전면 렌즈(212)는 각각 픽셀 블록에 대응되도록 병렬 배치된다. 복수의 전면 렌즈(212)는 공간 광 변조기(211)의 이미지 면에 접하도록 배치된다. 각 전면 렌즈는 각 픽셀 블록과 동일한 크기의 렌즈이다. 각 전면 렌즈는 회절 격자 소자(DOE, diffractive optical element) 또는 굴절 광학 소자 형태이며, 렌즈로 기능한다. 이하에서, 본 발명의 실시예에서 각 전면 렌즈가 DOE인 것으로 가정하여 설명하며, 이때 전면 렌즈는 제1 DOE로 명명한다. 복수의 제1 DOE(212)는 모두 동일한 초점거리 및 동일한 구경을 가진다. 각 제1 DOE는 각 픽셀 블록의 개별 픽셀에서 변조된 회절광을 각 제1 DOE의 후면 초점면에 집속시킨다. 즉, 각 제1 DOE는 각 픽셀 블록의 개별 픽셀에서 발산되는 회절광에 초점력(focusing power)을 부여하며, 이를 통해 회절광이 발산하지 않도록 집속시킬 수 있다. 각 제1 DOE는 각 픽셀 블록에서 변조된 회절광을 퓨리에 변환하여 제1 DOE의 후면 초점면에 전달한다.
복수의 필터 모듈(220)의 각 필터 모듈은 각 픽셀 블록에 대응된다. 복수의 필터 모듈(220)은 각 필터 모듈이 각 픽셀 블록에 대응하여 병렬 배치되며, 제1 DOE의 후면 초점면에 배치된다. 각 필터 모듈은 각 필터 모듈의 크기와 동일한 크기를 가진다. 각 필터 모듈은 공간 광 변조기(211)에 의해 변조된 회절광 중 DC 성분과 공액 성분을 차단하기 위한 공간 필터(spatial filter, SF) 및 제1 DOE의 초점 거리인 제1 초점 거리의 1/2인 제2 초점 거리를 가지며 회절광 중 DC 성분과 공액 성분을 제외한 유효광(노이즈 성분이 제거된 회절광)을 통과시키는 렌즈(제2 DOE)를 포함한다. 각 제2 DOE는 렌즈 기능을 수행하며, DOE 또는 굴절 광학 소자 중 선택적으로 구성될 수 있다. 각 공간 필터의 크기는 각 제2 DOE의 크기보다 클 수 있다. 각 공간 필터의 크기와 제2 DOE의 크기의 합은 각 픽셀 블록의 크기와 동일하다.
공간 광 변조기(211)의 각 픽셀 블록으로부터 변조된 각 회절광은 제1 DOE의 후면 초점면에 집속되며, 제1 DOE의 후면 초점면에 배치된 각 제2 DOE는 제1 DOE의 후면 초점면에 집속된 각 회절광 중 단측파대 신호인 유효광(노이즈 성분이 제거된 회절광)을 제1 DOE의 후면 초점면으로부터 제1 초점 거리만큼 후면에 배치된 제2 DOE의 후면 초점면 상에 배치된 후면 렌즈 모듈(230)로 전달한다.
후면 렌즈 모듈(230)은 전면 렌즈 모듈(210)의 각 제1 DOE와 동일한 크기의 복수의 제3 DOE를 포함한다. 각 제3 DOE는 렌즈 기능을 수행하며, DOE 또는 굴절 광학 소자 중 선택적으로 구성될 수 있다. 각 제3 DOE는 제1 DOE와 동일한 크기 및 동일한 초점 거리를 가진다. 복수의 제3 DOE 각각은 각 픽셀 블록에 대응하여 제2 DOE로부터 제3 DOE의 초점 거리 만큼 떨어진 위치에 병렬적으로 배치된다. 제2 DOE의 후면 초점면에 배치된 각 제3 DOE는 필터 모듈(220)로부터 전달된 유효광(노이즈 성분이 제거된 회절광)을 이용하여 후면 렌즈 모듈(230)의 후면에 홀로그램을 전달 한다. 후면 렌즈 모듈(230)의 복수의 제3 DOE는 홀로그램 전체 영역 중 각 제3 DOE에 대응하는 일부 영역을 전달한다.
이에 따라, 종래 기술에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 각 렌즈(도 1의 Lens1, Lens2)의 초점 거리가 f인 경우 공간 광 변조기로부터 홀로그램 영상까지의 광경로가 4*f임에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 광경로는 f+f=2f가 된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 광경로는 종래 기술에 비해 1/2이 된다. 이와 같은 광경로는 병렬처리를 배제한 제안한 2f 기반의 전달 광학계만 한정적으로 적용 했을 때의 거리이며, 본 발명의 실시예에 따른 병렬적 노이즈 필터링 소자를 이용하여 병렬적 광학 필터링 방법을 적용하였을 때의 광 경로는 단위 노이즈 필터링 소자의 개수에 반비례하게 광 경로가 짧아지게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 각 픽셀 블록과 이에 대응하는 단위 노이즈 필터링 소자를 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 홀로그램 디스플레이 장치의 단위 노이즈 필터링 소자(300)는 픽셀 블록(311)을 포함한다.
픽셀 블록(311)은 광원(도 2의 광원(201))으로부터 전달된 입력광을 변조한다.
제1 DOE(312)는 픽셀 블록(311)과 접하도록 배치된다. 제1 DOE(312)는 픽셀 블록(311)에 의해 변조된 회절광을 제1 DOE(312)로부터 제1 초점 거리(제1 DOE의 초점 거리)만큼 이격된 제1 DOE의 후면 초점면으로 집속시킨다.
각 필터 모듈(321, 322)의 크기는 각 픽셀 블록(311) 및 각 제1 DOE(312)의 크기와 동일하다. 공간 필터(322)는 제1 DOE(312)에 의해 집속된 집속광 중 DC 성분과 공액 성분을 차단한다. 제2 DOE(321)는 제1 DOE(312)에 의해 집속된 집속광 중 유효 성분(노이즈 성분이 제거된 회절광)을 통과시키며, 유효 성분을 제2 DOE(321)으로부터 제1 초점 거리만큼 이격된 제3 DOE(330)로 전달한다. 이 때, 제 2 DOE(321)의 초점거리는 제 1 DOE(312)의 초점거리의 1/2이다.
제3 DOE(330)의 크기는 각 픽셀 블록(311) 및 각 제1 DOE(312)의 크기와 동일하다. 제3 DOE(330)의 렌즈로서의 광학적 성능(예: 초점 거리)은 제1 DOE(312)의 렌즈로서의 광학적 성능과 동일하다. 제3 DOE(330)는 제2 DOE(321)을 통해 전달된 유효 성분을 제3 DOE에 접한 위치로 전달한다.
한편, 각 픽셀 블록(311)에서 변조된 광 중 고차 회절광은 각 필터 모듈(321, 322)이 위치한 공간의 외부 공간으로 전파될 수 있다. 이하 도 4를 참조하여, 고차 회절광이 인접한 필터 모듈(미도시)로 전파되는 것을 제거하는 방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고차 회절광을 제거하는 단위 노이즈 필터링 소자를 도시한다.
고차 회절광이 인접한 다른 단위 노이즈 필터링 소자(미도시)로 전파되는 것을 방지하기 위한 하나의 방법으로, 제1 DOE(412) 또는 제2 DOE(421)를 특정 방향의 빔에서만 반응하는 체적형 회절 광학 소자(Volume diffractive optical element) 구조를 가지도록 제작할 수 있다.
특정 방향의 빔에서만 반응하는 체적형 회절 광학 소자( diffractive optical element) 구조를 가지는 DOE의 하나의 예로, 제1 DOE(412)를 홀로그래픽 광학 소자(Holographic optical element, HOE)로 구성할 수 있다. 즉, HOE(412)에서는 픽셀 블록(411)에서 변조된 고차 회절광의 에너지가 매우 낮으므로(임계치 이하의 에너지 값을 가진다) 시인되지 않는다.
특정 방향의 빔에서만 반응하는 체적형 회절 광학 소자 구조를 가지는 DOE의 다른 하나의 예로, 제2 DOE(421)를 제2 DOE(421)에 대응하는 픽셀 블록(411)에서 변조된 회절광 중 고차항이 회절되어 집속되는 제2 방향을 제외한 제3 방향에서 변조된 회절광들만 통과시키도록 구성할 수 있다. 즉, 제2 HOE(421)은 상기에서 언급된 제3 방향에서 회절되는 일부광만을 각도 선택성에 기반하여 선택하여 통과시킬 수 있다.
상기한 두 가지 예에서, 제1 HOE(412) 또는 제2 HOE(421)는 투과형 HOE가 될 수 있다. 제1 HOE(412) 또는 제2 HOE(421)가 투과형 HOE일 경우, 각 HOE가 선택하는 각도 범위(Δθ)는 하기의 수학식 2를 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 2에서, n은 홀로그램의 평균 굴절률, λ는 홀로그램 기록 파장, T는 홀로그램의 두께, θr은 홀로그램을 공간 광 변조기(211)에 기록할 때 물체파와 참조파 사이의 각도를 의미한다.
고차 회절광이 인접한 다른 픽셀 블록에 대응하는 단위 노이즈 필터링 소자(미도시)로 전파되는 것을 방지하기 위한 다른 하나의 방법으로, 각 단위 노이즈 필터링 소자 사이에 격벽(partition)(441, 442)을 배치하여, 회절광을 격벽을 이용하여 흡수하는 방법이 있다.
즉, 도 4에 도시된 제1 단위 노이즈 필터링 소자(400)의 상단에 상단 단위 노이즈 필터링 소자(미도시)가 배치되고, 제1 단위 노이즈 필터링 소자(400)의 하단에 하단 단위 노이즈 필터링 소자(미도시)가 배치될 경우, 제1 단위 노이즈 필터링 소자(400)의 픽셀 블록(411)으로부터 회절되는 회절광이 상단 단위 노이즈 필터링 소자 또는 하단 단위 노이즈 필터링 소자로 전파되는 것을 제1 격벽(441) 및 제2 격벽(442)이 차단한다.
예를 들면, 도 4에 도시된 제1 단위 노이즈 필터링 소자(400)의 픽셀 블록(411)에서 회절되는 회절광 중 상단 방향으로 회절되는 회절광은 제1 단위 노이즈 필터링 소자(400)의 상단에 위치한 상단 단위 노이즈 필터링 소자(미도시)로 전달되지 못하고 상단에 배치된 상단 격벽(441)에 의해 차단된다.
또한, 예를 들면, 도 4에 도시된 제1 단위 노이즈 필터링 소자(400)의 픽셀 블록(411)에서 회절되는 회절광 중 하단 방향으로 회절되는 회절광은 제1 단위 노이즈 필터링 소자(400)의 하단에 위치한 하단 단위 노이즈 필터링 소자(미도시)로 전달되지 못하고 하단에 배치된 하단 격벽(442)에 의해 차단된다.
상기한 두가지 방법을 통해, 각 단위 노이즈 필터링 소자의 각 픽셀 블록에서 변조된 회절광 중 유효광(노이즈 성분이 제거된 회절광)은 오직 각 단위 노이즈 필터링 소자의 각 제3 DOE로 전달되고, 각 픽셀 블록에서 변조된 회절광 중 고차항은 다른 단위 노이즈 필터링 소자로 전파되지 못하고, 각 단위 노이즈 필터링 소자 내에서 차단된다.
한편, 상기에서는 제1 단위 노이즈 필터링 장치의 상단 및 하단에 위치하는 격벽들에 대해 설명하였으나, 이와 달리, 다른 단위 노이즈 필터링 장치로 전파되는 회절광을 차단하는 좌측 격벽 또는 우측 격벽이 제1 단위 노이즈 필터링 장치의 좌측 또는 우측에도 구비될 수 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 광경로를 도시하고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 광경로를 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 4f 광학계의 홀로그램 디스플레이 장치는 초점 거리가 f1인 Lens1과 초점 거리가 f2인 Lens2를 포함한다. 이때 광경로는 2*f1+2*f2=2*(f1+f2)가 된다.
이와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치(600)는 초점 거리가 f1인 전면 렌즈 모듈(610)과 초점 거리가 f1인 후면 렌즈 모듈(630) 및 초점 거리가 f1/2=f2인 필터 모듈(621, 622)을 포함한다. 이때, 광경로는 2*f1이 된다.
한편, 제1 DOE에 의해 집속되는 회절광의 회절폭(Df1)은 제1 DOE의 초점 거리(f1), 공간 광 변조기(211)의 픽셀 피치(pixel pitch, pp) 및 입력광의 파장(λ)에 기반하여 결정된다. 즉, 회절광의 회절폭(Df1)은 하기의 수학식 3에 의해 결정된다.
Figure pat00003
즉, 상기한 수학식 3과 같이, 회절폭(Df1)은 제1 DOE의 초점 거리(f1)과 입력광의 파장(λ)의 곱을 공간 광 변조기(211)의 픽셀 피치(pp)로 나눈 값이 된다. 즉, 회절폭(Df1)은 제1 DOE의 초점 거리(f1)과 입력광의 파장(λ)에 비례하며, 공간 광 변조기(211)의 픽셀 피치(pp)에 반비례한다.
각 픽셀 블록에서 변조된 회절광이 인접한 단위 노이즈 필터링 소자로 전달되지 않기 위해서는, 상기한 수학식 3에 정의된 바에 따른 회절광의 폭(Df1)과 필터 모듈(공간 필터 및 제2 DOE)의 크기가 동일해야 한다.
또한, 제2 DOE로 집속된 회절광이 동일한 각도로 제3 DOE로 전달되므로, 상기한 수학식 3에 정의된 바에 따른 회절광의 폭(Df1)과 필터 모듈(공간 필터 및 제2 DOE)의 크기 그리고 제3 DOE의 크기가 모두 동일해야 한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 입력광을 출력하는 광원;
    상기 입력광을 회절광으로 변조하는 공간 광 변조기; 및
    상기 공간 광 변조기에서 변조된 회절광에서 광학적 노이즈 성분을 제거하고, 홀로그램을 디스플레이 하는 복수의 노이즈 필터링 소자를 포함하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 노이즈 필터링 소자는,
    상기 공간 광 변조기의 복수의 픽셀 중 일부 픽셀을 포함하는 픽셀 블록과 접하고, 상기 픽셀 블록에 의해 회절된 회절광을 집속시키는 제1 렌즈;
    상기 집속되는 회절광 중 광학적 노이즈 성분을 제외한 나머지 회절광을 통과시키는 제2 렌즈;
    상기 공간 광 변조기에 대응하여 상기 제2 렌즈와 병렬로 배치되고, 상기 광학적 노이즈 성분을 제거하는 공간 필터; 및
    상기 공간 필터에 대응하여 병렬 배치되고, 상기 회절광에서 노이즈 성분이 제거된 회절광을 이용하여 홀로그램을 디스플레이하는 복수의 제3 렌즈를 포함하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈 및 상기 복수의 제3 렌즈 각각은 회절 광학 소자 또는 굴절 광학 소자로 구성되는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 제1 홀로그램 광학 소자(hologram optical element)로 구성되며, 상기 픽셀 블록에 의해 회절되는 회절광 중 특정 방향으로 회절되는 일부광을 차단하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 제2 홀로그램 광학 소자(hologram optical element)로 구성되며, 상기 집속되는 회절광 중 특정 방향으로 집속되는 일부광을 차단하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 홀로그램 광학 소자는 상기 픽셀 블록에 의해 회절되는 회절광 중 제1 방향으로 회절되는 2차 회절 성분 이상의 고차 회절 성분을 차단하도록 설정되며,
    상기 제2 홀로그램 광학 소자는 상기 집속되는 회절광 중 제2 방향으로 집속되는 2차 회절 성분 이상의 고차 회절 성분을 차단하도록 설정되는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 홀로그램 광학 소자 및 상기 제2 홀로그램 광학 소자는 체적형 회절 광학 소자(Volume diffractive optical element)로 구성되는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 제1 길이를 가지고,
    상기 제2 렌즈의 크기 및 상기 공간 필터의 크기의 합은 상기 제1 길이와 동일한
    홀로그램 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 각 픽셀 블록으로부터 회절되는 회절광의 폭은 상기 제2 길이의 두배인
    홀로그램 디스플레이 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 각 픽셀 블록으로부터 회절되는 회절광 중 상기 제2 렌즈의 상부 영역으로 회절되는 회절광을 차단하는 상단 격벽, 그리고
    상기 각 픽셀 블록으로부터 회절되는 회절광 중 상기 공간 필터의 하부 영역으로 회절되는 회절광을 차단하는 하단 격벽을 더 포함하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 공간 필터는 상기 집속되는 회절광 중 DC(direct current) 성분, 그리고 상기 집속되는 회절광에서 상기 DC 성분이 제거된 회절광의 공액 성분을 차단하는 단일 대역 필터(single sideband filter)인
    홀로그램 디스플레이 장치.
  12. 공간 광 변조기, 제1 렌즈 모듈, 제2 렌즈 모듈 및 제3 렌즈 모듈을 포함하는 홀로그램 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 제1 렌즈 모듈 내지 제3 렌즈 모듈은 볼록 렌즈 모듈이며,
    상기 제1 렌즈 모듈은 상기 공간 광 변조기의 입력 이미지면에 접하도록 위치하며, 상기 공간 광 변조기에서 변조된 광파에 초점력(focusing power)을 부여하여 상기 변조된 광파가 발산하는 것을 방지하고,
    상기 제2 렌즈 모듈은 상기 제1 렌즈 모듈의 후면 초점면에 위치하며, 상기 광파를 상기 제3 렌즈 모듈이 위치한 영역으로 프로젝션(projection)하며,
    상기 제3 렌즈 모듈은 상기 제2 렌즈 모듈을 통과하여 발산하는 광파를 수렴시켜, 상기 제3 렌즈 모듈에 인접한 공간에 상기 입력 이미지면을 재현하고,
    상기 제2 렌즈 모듈의 초점력은 상기 제1 렌즈 모듈의 초점력과 상기 제3 렌즈 모듈의 초점력을 합한 값을 가지는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 모듈은 상기 공간 광 변조기에 접하도록 위치하여,
    상기 제2 렌즈 모듈과 병렬 배치되고, 상기 변조된 광파의 DC 성분, 공액 성분 또는 고차항 성분을 포함하는 광학적 노이즈를 공간적으로 차단하는 공간 필터를 더 포함하고,
    상기 제2 렌즈 모듈의 크기와 상기 공간 필터의 크기를 합한 값은 상기 제1 렌즈 모듈과 동일하며,
    상기 제3 렌즈 모듈은 상기 변조된 광파 중 상기 광학적 노이즈가 제거된 필터링된 신호를 수렴시키는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기의 전체 영역은 복수의 픽셀을 포함하는 복수의 픽셀 블록을 포함하고,
    상기 제1 렌즈 모듈은 상기 각 픽셀 블록에 대응하여 병렬 배치되며, 상기 각 픽셀 블록에서 변조된 광파에 초점력을 부여하는 복수의 제1 렌즈를 포함하고,
    상기 제2 렌즈 모듈은 상기 각 픽셀 블록에 대응하여 병렬 배치되며, 상기 각 픽셀 블록에서 변조된 광파를 상기 제3 렌즈 모듈이 위치한 영역으로 프로젝션하는 복수의 제2 렌즈를 포함하며,
    상기 제3 렌즈 모듈은 상기 각 픽셀 블록에 대응하여 병렬 배치되며, 상기 각 제2 렌즈에 의해 전달된 광파를 수렴시키는 복수의 제3 렌즈를 포함하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 각 제1 렌즈, 상기 각 제2 렌즈 및 상기 각 제3 렌즈의 크기는 상기 각 픽셀 블록의 크기와 동일하며,
    상기 각 제1 렌즈의 초점 거리는 상기 각 제3 렌즈의 초점 거리와 동일한
    홀로그램 디스플레이 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 각 제1 렌즈는 HOE(Holographic optical element)를 포함하는 DOE(Diffractive optical element)로 구성되며,
    상기 각 제1 렌즈는 상기 체적형 회절 광학 소자 구조의 HOE 또는 DOE로 구성되어 상기 변조된 광파 중 인접한 다른 픽셀 블록과 상기 다른 픽셀 블록에 대응되는 다른 제1 렌즈가 위치한 영역으로 전파되는 고차항의 광파의 세기를 저감하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 각 제2 렌즈는 HOE(Holographic optical element)를 포함하는 DOE(Diffractive optical element)로 구성되며, 상기 변조된 광파 중 DC(Direct current) 성분, 미리 설정된 홀로그램 신호의 위상-공액 성분 및 고차항 성분을 상기 HOE의 각도 선택적 특성을 이용하여 차단하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기의 하나의 픽셀 블록에서 변조된 광파가 다른 인접한 픽셀 블록과 상기 인접한 픽셀 블록에 대응하는 제1 렌즈 내지 제3 렌즈가 위치한 영역으로 전파되는 것을 차단하는 복수의 격벽을 더 포함하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 공간 필터는 단일 대역 필터(single sideband filter)로 구성되고,
    상기 단일 대역 필터는 상기 공간 광 변조기에서 변조된 광파는 위상 천이(phase-shift) 되어 광학적 노이즈를 제거하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
  20. 입력광을 출력하는 광원;
    상기 입력광을 회절시키는 복수의 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기;
    상기 공간 광 변조기의 복수의 픽셀 중 일부 픽셀을 포함하는 픽셀 블록과 접하고, 상기 픽셀 블록에 의해 회절된 회절광을 집속시키는 제1 렌즈;
    상기 집속되는 회절광 중 노이즈 성분을 제외한 나머지 회절광을 통과시키는 제2 렌즈;
    상기 제2 렌즈와 병렬로 배치되고, 상기 집속되는 회절광 중 상기 노이즈 성분을 차단하는 공간 필터; 및
    상기 노이즈 성분이 제거된 회절광을 집속시켜 홀로그램을 디스플레이하는 제3 렌즈를 포함하는
    홀로그램 디스플레이 장치.
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