KR20200018180A - 초점 변조 광학계 및 이를 포함한 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents

초점 변조 광학계 및 이를 포함한 홀로그래픽 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

초점 변조 광학계 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치가 개시된다.
개시된 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 복수의 칼라 광을 조사하는 광원과, 전기적 제어에 의해 상기 복수의 칼라 광의 초점 위치를 변화시키는 적어도 하나의 가변 초점 렌즈를 포함하는 초점 변조 광학계를 포함하여 색수차를 감소시키고, 고품질의 3차원 영상을 제공할 수 있다.

Description

초점 변조 광학계 및 이를 포함한 홀로그래픽 디스플레이 장치{Focus modulation optical system and holographic display apparatus}
예시적인 실시예는 초점 변조 광학계 및 이를 포함한 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것이다.
홀로그래픽 디스플레이 장치(Holographic display device)는 일반 영상 신호를 홀로그래픽용 영상신호로 변환한 뒤, 광학계를 이용하여 변환된 영상을 좌안과 우안으로 보내 입체감 있는 이미지 영상을 보여준다. 홀로그래픽 디스플레이 장치는 선명한 깊이 표현을 통해 3차원 영상을 표시하면서도, 눈의 피로감이 없어 이상적인 3차원 디스플레이로 여겨지고 있다. 하지만 이를 구현하기 위해서 파장 크기의 픽셀(Pixel)을 가진 고해상도의 공간 광변조기(spatial light modulator; SLM), 가간섭성을 가진 면광원, 그리고 방대한 양의 컴퓨터 생성 홀로그램(Computer Generated Hologram; CGH)의 계산이 필요하다.
최근에는 데이터 처리량 및 해상도의 조건을 완화하기 위하여, 관찰자의 양안에 해당하는 시역에만 각각 홀로그램 영상을 제공하는 양안 홀로그램(binocular hologram) 방식이 제안되고 있다. 예를 들어, 관찰자의 좌안 시역에 해당하는 시점을 갖는 홀로그램 영상과 관찰자의 우안 시역에 해당하는 시점을 갖는 홀로그램 영상만을 생성하여 관찰자의 좌안과 우안에 각각 제공하는 것이다. 이 경우, 나머지 시점들에 대한 홀로그램 영상들을 생성하지 않아도 되기 때문에 데이터 처리량을 크게 줄일 수 있으며, 현재 상용화된 디스플레이 장치로도 공간 광변조기의 해상도 조건을 만족할 수 있다.
한편, 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 칼라 광을 사용함에 따라 색수차가 발생되는데, 이러한 색수차는 화질을 저하시키는 요인이 될 수 있다.
다양한 실시예는 색수차를 감소시키는 초점 변조 광학계를 제공한다.
다양한 실시예는 색수차를 감소시키는 초점 변조 광학계를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 초점 변조 광학계는, 전기적 제어에 의해 입사 광의 초점 위치를 칼라에 따라 변화시키는 적어도 하나의 가변 초점 렌즈;를 포함하고,
상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈가 각 칼라 광이 같은 위치에 초점을 맺도록 가변될 수 있다.
상기 가변 초점 렌즈는 제1기판, 상기 제1기판에 구비된 제1전극층, 상기 제1기판에 대향되게 배치된 제2기판, 상기 제2기판에 구비된 제2전극층, 상기 제1기판과 제2기판 사이에 구비되고, 상기 제1전극층과 제2전극층 사이에 인가된 전압에 따라 가변되는 능동 렌즈들을 포함하는 액정층을 포함할 수 있다.
상기 제1전극층과 상기 제2전극층 중 적어도 하나가 서로 이격되어 배열된 스트라이프 형 전극들로 구성될 수 있다.
상기 스트라이프형 전극들에 인가되는 전압에 따라 능동 렌즈의 피치 간격,형태, 곡률 중 적어도 하나가 조절될 수 있다.
상기 가변 초점 렌즈에 입사되는 광을 포커싱하는 고정 초점 렌즈가 더 포함될 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈가 제1 칼라 광을 제1 위치에 포커싱하도록 구성된 제1 가변 초점 렌즈, 제2 칼라 광을 제1 위치에 포커싱하도록 구성된 제2 가변 초점 렌즈, 및 제3 칼라 광을 제1 위치에 포커싱하도록 구성된 제3 가변 초점 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제1 가변 초점 렌즈 앞에 제1 파장 선택 리타더, 제1 가변 초점 렌즈와 제2 가변 초점 렌즈 사이에 제2 파장 선택 리타더, 제2 가변 초점 렌즈와 제3 가변 초점 렌즈 사이에 제3 선택 리타더가 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈 앞에 입사 광의 칼라에 따라 선택적으로 위상을 지연시키는 파장 선택 리타더가 구비될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 복수의 칼라 광을 조사하는 광원; 전기적 제어에 의해 상기 복수의 칼라 광의 초점 위치를 변화시키는 적어도하나의 가변 초점 렌즈를 포함하는 초점 변조 광학계; 및 상기 초점 변조 광학계로부터의 광을 회절시켜 홀로그래픽 영상을 형성하는 공간 광변조기;를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈 앞에 입사 광의 칼라에 따라 선택적으로 위상을 지연시키는 파장 선택 리타더가 더 구비될 수 있다.
상기 파장 선택 리타더 앞에 입사 광을 포커싱하는 고정 초점 렌즈가 더 포함될 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈 앞에 입사 광을 포커싱하는 고정 초점 렌즈가 더 포함될 수 있다.
상기 복수의 칼라 광을 편향시키는 빔 편향기가 더 구비될 수 있다.
상기 홀로그램 영상을 시청하는 시청자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서가 더 구비될 수 있다.
상기 홀로그래피기 디스플레이 장치가, 상기 광원이 복수 개의 칼라 광을 시간 순차적으로 조사하고, 상기 가변 초점 렌즈가 시간 순차적으로 상기 복수 개의 칼라 광에 대응되게 초점 위치를 조절하도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 초점 변조 광학계는 광원으로부 조사된 광의 파장에 따라 초점 거리를 조절하여 색수차를 줄일 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 색수차를 감소시켜 홀로그래픽 영상의 화질을 향상할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 다파장의 광이 고정 초점 회절 렌즈에 입사할 때 색수차가 발생하는 것을 보인 것이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 초점 변조 광학계를 도시한 것이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 초점 변조 광학계의 가변 초점 렌즈의 일 예를 도시한 것이다.
도 5는 가변 초점 렌즈의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 초점 변조 광학계의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 초점 변조 광학계에서 색수차가 제거되는 과정을 보인 것이다.
도 8은 도 3에 도시된 초점 변조 광학계에서 적색 광, 녹색 광, 청색 광의 동시 동작 메커니즘을 도시한 것이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 초점 변조 광학계에 고정 초점 렌즈를 더 구비한 예를 도시한 것이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 초점 변조 광학계를 도시한 것이다.
도 11은 도 10에 도시된 초점 변조 광학계에서 적색 광, 녹색 광, 청색 광의 시간 순차적 동작 메커니즘을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 초점 변조 광학계, 이를 포함한 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 빔을 제공하는 광원(110), 광원(110)으로부터의 빔을 편향시키는 빔 편향기(120), 입사 빔의 파장에 따라 초점을 조절하는 초점 변조 광학계(150) 및 입사 빔을 회절시켜 홀로그램 영상을 형성하는 공간 광변조기(160)를 포함할 수 있다. 또한, 빔 편향기(120)에 의해 편향된 빔을 가이드하여 공간 광변조기(160)로 향하도록 하는 도광판(130)과, 초점 변조 광학계(150)에서 입사 빔의 파장에 따라 초점 거리가 변하도록 제어하는 제어부(170)가 더 구비될 수 있다. 또한, 제어부(170)는 빔 편향기(120)의 편향 방향을 제어할 수 있다. 또한, 시청자의 위치를 추적하는 위치 검출 센서(180)가 더 구비될 수 있다.
광원(110)은 복수의 파장 대역을 포함하는 가간섭성 광을 방출하는 가간섭성 광원일 수 있다. 높은 가간섭성을 갖는 광을 제공하기 위하여, 광원(110)으로서, 예컨대, 레이저 다이오드(laser diode; LD)가 사용될 수 있다. 그러나, 광이 어느 정도의 공간 간섭성(spatial coherence)을 가지고 있다면 공간 광변조기(160)에 의해 광이 회절 및 변조될 수 있기 때문에, 광원(110)으로서, 예를 들어, 발광 다이오드(light emitting diode; LED)를 사용하는 것도 가능하다. 발광 다이오드 외에도 공간 간섭성을 갖는 광을 방출한다면 다른 어떤 광원도 사용이 가능하다. 또한, 도 1에는 편의상 광원(110)이 단지 하나의 블록으로만 표시되어 있지만, 광원(110)은 다수의 점광원 어레이를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광원(110)은 다수의 적색 발광 레이저, 다수의 녹색 발광 레이저, 및 다수의 청색 발광 레이저를 포함할 수 있다.
빔 편향기(120)는 광원(110)에서의 빔을 편향시킬 수 있다. 예를 들어, L1, L2는 각각 좌안, 우안을 향하는 빔이 될 수 있다. 입사 빔이 제어부(170)에 의해 각각 두 방향으로 시간 순차적으로 편향되거나, 또는 입사 빔이 두 방향으로 동시에 편향되는 것도 가능하다. 빔 편향기(120)는 전기적 신호로 광의 진행방향을 변경시킬 수 있는 빔 편향 패널을 구비할 수 있다. 빔 편향기의 예로는 MEMS Scanner, Galvano Mirror, Linear SLM (spatial light modulator), 액정 빔 편향기(liquid crystal beam deflector) 등이 있다.
도광판(130)은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도광판(130)의 재료로서 PMMA(PolyMethyl MethAcrylate)를 사용할 수 있다. 도광판(130)은 예를 들어, 빔을 전달하는 광도파로의 역할을 할 수 있도록 직육면체의 형상을 가질 수 있다. 도광판(130)의 한 쪽 단부로 입사한 빔은 내부 전반사를 통해 반대쪽 단부까지 전달될 수 있다.
초점 변조 광학계(150)는 입사 빔의 파장에 따라 초점 거리를 변조하여 색수차 보정을 할 수 있다. 초점 변조 광학계(150)는 예를 들어, 초점 가변 렌즈를 포함할 수 있다.
도 2는 고정 초점 렌즈(10)에 파장이 다른 빔들이 입사될 때 색 수차가 발생하는 것을 보인 개념도이다. 초점 거리는 광의 파장(λ)에 반비례한다. 예를 들어, 적색 광(LR), 녹색 광(LG), 청색 광(LB)이 고정 초점 렌즈(10)에 입사되면, 적색 광(LR)이 가장 짧은 거리에 포커싱되고, 녹색 광(LG)이 두 번째 짧은 거리에 포커싱되며, 청색 광(LB)은 가장 긴 거리에 포커싱되어 색 수차가 발생된다.
예시적인 실시예에서는 초점 변조 광학계(150)가 입사 빔의 파장에 따라 초점 거리를 변조하여 색 수차를 감소시키거나 제거할 수 있다. 초점 변조 광학계(150)에 대해서는 뒤에서 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
공간 광변조기(160)는 영상 신호 처리부(190)로부터 제공되는 홀로그램 신호에 따라 입사 빔을 회절시켜 변조하기 위한 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 공간 광변조기(160)로는 위상 변조만 수행할 수 있는 위상 변조기, 진폭 변조만 수행할 수 있는 진폭 변조기, 및 위상 변조와 진폭 변조를 모두 수행할 수 있는 복합 변조기 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 도 1에는 공간 광변조기(160)가 투과형 공간 광변조기인 것으로 도시되어 있지만 반사형 공간 광변조기를 사용하는 것도 가능하다. 투과형인 경우, 공간 광변조기(160)는 예를 들어 GaAs와 같은 화합물 반도체 기반의 반도체 변조기, 또는 LCD(liquid crystal device)를 사용할 수 있다. 반사형인 경우에, 공간 광변조기(160)는 예를 들어 DMD(digital micromirror device) 또는 LCoS(liquid crystal on silicon)를 사용할 수 있다.
광원(110)으로부터의 빔은 빔 편향기(120)에 의해 편향된 후, 도광판(130)에 의해 가이드되며 초점 변조 광학계(150)를 통해 공간 광변조기(160)에 대응하는 크기로 확대되어 공간 광변조기(160)로 입사될 수 있다. 도광판(130)에는 빔 편향기(120)에서 편향된 빔이 도광판(130)으로 입사되게 하는 입력 커플러(131), 도광판(130)에 의해 가이드되어 진행되는 빔의 출사를 위한 출력 커플러(132)가 더 마련될 수 있다. 입력 커플러(131)는 예를 들어, 콜리메이팅 렌즈일 수 있다. 콜리메이팅 렌즈는 입사되는 빔을 평행하게 만들어 도광판(130)으로 입사되도록 할 수 있다. 그럼으로써 도광판(130)에 대한 광 결합 효율을 높일 수 있다. 출력 커플러(132)는 그레이팅을 포함할 수 있다. 그레이팅은 출사되는 광의 회절 효율을 이용하여 광 출력 효율을 높일 수 있다.
도광판(130)을 통해 출사되는 지향성 빔은 초점 변조 광학계(150)를 통해 공간 광변조기(160)에 입사할 수 있다. 공간 광변조기(160)는 입사 빔을 변조하기 위한 간섭 무늬를 갖는 홀로그램 패턴을 형성하는 역할을 할 수 있다. 공간 광변조기(160)에서 형성되는 홀로그램 패턴에 의해 입사 빔이 회절 및 변조됨으로써 소정의 공간 상의 위치에 홀로그램 영상이 재생될 수 있다. 좌안 위치에는 좌안 홀로그램 영상이, 우안 위치에는 우안 홀로그램 영상이 재생될 수 있다.
위치 검출 센서(180)는 시청자의 위치를 추적하고, 시청자의 위치를 제어부(170)에 전송할 수 있다. 제어부(170)가 시청자의 위치에 따라 빔 편향기(120)를 제어하여 빔이 시청자의 눈으로 향하도록 할 수 있다. 빔 편향기(120)는 빔의 진행 방향을 조절할 수 있도록 전기적 제어에 의해 빔을 편향시킬 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 초점 변조 광학계(200)를 도시한 것이다. 초점 변조 광학계(200)는 복수 개의 파장 선택 리타더와, 각각의 파장 선택 리타더에 대응하는 가변 초점 렌즈를 포함할 수 있다. 파장 선택 리타더는 입사 광의 칼라에 따라 선택적으로 위상을 지연시킬 수 있다. 예를 들어, 초점 변조 광학계(200)는 제1 파장 선택 리타더(205)와, 제1 가변 초점 렌즈(210)와, 제2 파장 선택 리타더(215)와 제2 가변 초점 렌즈(220)와, 제3 파장 선택 리타더(225)와 제3 가변 초점 렌즈(230)를 포함할 수 있다.
도 4는 가변 초점 렌즈의 일 예를 도시한 것이다. 가변 초점 렌즈(300)는 전기적으로 액정 배열을 변화시켜 초점 거리를 제어하는 액정 렌즈일 수 있다. 가변 초점 렌즈(300)는 제1기판(310), 제1기판(310)에 서로 이격되게 배열된 제1전극들(321)을 포함하는 제1전극층(320), 제1기판(310)에 대향되게 배치된 제2기판(350), 제2기판(350)에 구비된 제2전극(341)을 가지는 제2전극층(340), 및 제1기판(310)과 제2기판(350) 사이에 구비된 액정층(330)을 포함할 수 있다.
제1기판(310) 및 제2기판(350)은 절연 기판일 수 있고, 유리 또는 투명 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
제1전극들(321)은 각각 독립적으로 구동될 수 있다. 도 5를 참조하면, 액정층(330)은 제1전극층(320)과 제2전극층(340) 사이에 형성된 전계(electric field)에 따라 액정 분자들의 배열이 변하여 형성되는 복수 개의 능동 렌즈(active 렌즈)(331)를 포함할 수 있다. 제1전극(321)과 제2전극(341)에 인가되는 전압에 따라 가변되는 능동 렌즈(331)의 배열 피치(P), 형태, 곡률 중 적어도 하나가 변할 수 있다. 능동 렌즈(331)의 배열 피치(P), 형태, 곡률 등에 따라 입사 빔의 초점 거리가 제어될 수 있다.
제1전극들(321)은 예를 들어 스트라이프 형상을 가질 수 있고, 이러한 제1전극들이 평행하게 배열될 수 있다. 제2전극(341)은 공통 전극으로 하나의 판 형태일 수 있다. 하지만, 여기에 한정되지는 않고, 제2전극(341)도 이격되게 배열된 스트라이프 형상의 전극들로 구성되는 것도 가능하다. 제1 전극(321), 제2 전극(341)은 투명 전도성 물질, 예를 들어, ITO(indium-tin-oxide), IZO(indium-zinc-oxide), ITZO(indium-tin-zinc-oxide)로 이루어질 수 있다.
액정층(330)은 액정 분자(LC)들을 포함한다. 액정 분자(LC)들은 장축 방향이 일방향, 예를 들어, x 방향과 나란하도록 초기 배열될 수 있다. 제1기판(310), 제2기판(350) 중 적어도 하나에는 액정 배향을 위한 배향층(alignment layer)(미도시)이 더 마련될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 전극(321)과 제2 전극(341) 사이에 인가되는 전압에 의해 액정 분자(LC)들의 배열이 변함에 따라 능동 렌즈(331)가 형성될 수 있다. 능동 렌즈(331)의 형태는 제1 전극(321)과 제2 전극(341)에 인가되는 전압에 따라 가변될 수 있다. 능동 렌즈(331)가 형성되는 것은 액정 분자(LC)의 장축 방향의 굴절률과, 이에 수직인 단축 방향의 굴절률이 서로 다르기 때문이다. 다시 말하면, 액정 분자(LC)에 입사하는 광 중, 장축 방향과 나란한 편광의 광과 이에 수직인 방향에 나란한 편광의 광에 대해 액정 분자(LC)는 서로 다른 굴절률을 나타내기 때문이다. 그리고, 액정층(330)은 어느 일 방향의 편광에 대해서만 굴절 작용을 하고, 나머지 방향의 편광에 대해서는 굴절 작용 없이 투과시킨다.
도 4와 같이, 제1 전극(321), 제2 전극(341) 사이에 전압이 인가되지 않은 초기 배열 상태에서, 액정 분자(LC)들은 모두 나란한 방향으로 정렬되어 있으며, 일정한 편광의 광에 대해 굴절률은 어느 위치에서나 동일하게 나타난다. 한편, 도 5와 같이, 제1 전극(321)와 제2 전극(341) 사이에 인가된 전압에 따라 액정층(330)에 소정의 전기장 분포가 형성된 경우, 액정 분자(LC)들이 전기장 방향에 의존하여 정렬하게 된다. 예를 들어, 액정 분자(LC)들은 유전율 이방성이 양인 경우 장축 방향이 전기장 방향으로 배열되며, 유전율 이방성이 음인 경우에는 장축 방향이 전기장 방향에 수직하게 배열될 수 있다. 제1 전극(321)들에 서로 다른 전압이 인가될 수 있고, 이에 따라, 각 위치에서 액정 분자(LC)들이 정렬된 형태는 서로 다르게 된다. 액정 분자(LC)들은 장축과 단축 방향의 굴절률이 서로 다르기 때문에, 액정 분자(LC)들의 장축 방향 분포에 따라 굴절률 구배(index gradient)를 가질 수 있다. 능동 렌즈는 액정층(330) 내에서 굴절률 구배에 의해 형성될 수 있다. 능동 렌즈의 배열 피치, 형태, 곡률 등은 액정층(330)내의 전기장 분포에 따라 액정 분자(LC)들의 장축 방향 분포를 조절하여 조절할 수 있다.
한편, 능동 렌즈(331)는 액정 분자(LC)의 장축 방향 배열에 의해 형성되는 것으로, 액정 분자(LC)의 장축 방향이 액정층(330)의 각 위치에서 다르기 때문에 나타난다. 따라서, 능동 렌즈(331)은 액정 분자(LC)의 초기 배열 상태의 장축 방향과 나란한 방향의 편광, 예를 들어, 도면의 x 방향과 나란한 편광의 광에 대해서만 작용할 수 있다. 이하, x 방향과 나란한 편광은 제1편광이라 하며, ↔으로 표시하기로 한다.
도 5와 같이 액정 분자(LC)들이 배열될 때, 각 위치에서 액정 분자(LC)의 장축 방향은 다르지만, 단축 방향은 y방향으로 동일하다. 따라서, 액정층(330)에 입사하는 광의 편광이 y 방향으로 편광된 광인 경우, 굴절이 일어나지 않는다. 이하, y 방향과 나란한 편광은 제2편광이라 하며, ⊙으로 표시하기로 한다.
다시 말하면, 액정층(330)에 입사하는 광이 x 방향과 나란하게 편광된 제1편광(↔)인 경우, 능동 렌즈(331)에 의해 초점 거리가 변하고, y 방향과 나란한 방향으로 편광된 제2편광(⊙)의 광이 입사하는 경우, 액정층(330)을 그대로 통과한다.
예를 들어, n(n은 자연수)개의 제1전극(321)에 순차적으로 증가하는 전압을 인가하는 경우와, n보다 큰 개수의 제1전극(321)에 순차적으로 증가하는 전압을 인가하는 경우, 능동 렌즈가 변하고, 그럼에 따라 광의 초점 거리가 변할 수 있다. 제어부(370)가 제1전극(321)에 인가하는 전압을 제어할 수 있다. 또는, 이웃하는 2개의 제1전극(321)에 제1 전압을 인가하고, 그 다음에 위치하는 2개의 제1전극(321)에 전압을 인가하지 않거나 제2전극(341)과 같은 전압을 인가하는 방식으로 능동 렌즈의 형태를 만드는 것도 가능하다.
도 6은 파장 선택 리타더와, 이에 대응하는 가변 초점 렌즈의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
예를 들어, 초점 변조 광학계에, 제2 편광(⊙)의 제1 파장 광(LR), 제2 편광(⊙)의 제2 파장 광(LG), 제2 편광(⊙)의 제3 파장 광(LB)이 입사되면, 파장 선택 리타더(304)는 제1 파장 광(LR)을 제1편광(↔)으로 변환시키고, 제2 파장 광(LG)과 제3 파장 광(LB)을 제2편광(⊙) 상태를 유지한 채 출광시키고, 출광된 광들은 가변 초점 렌즈(300)에 입사한다.
가변 초점 렌즈(300)는 예를 들어, 제1편광(↔)의 광에 대해서만 굴절 작용을 할 수 있다. 따라서, 제1편광(↔)의 제1 파장 광(LR)은 제1 초점 거리를 가지고 출사되고, 제2편광(⊙)의 제2 파장 광(LG)과, 제3 파장 광(LB)은 초점 거리가 변하지 않고 출사된다.
도 7은 도 3에 도시된 실시예에 따른 초점 변조 광학계를 구체적으로 구현한 예를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 초점 변조 광학계(400)는 제1 파장 선택 리타더(305), 제1 가변 초점 렌즈(301), 제2 파장 선택 리타더(306), 제2 가변 초점 렌즈(302), 제3 파장 선택 리타더(307), 제3 가변 초점 렌즈(303)가 적층된 구조를 가질 수 있다. 제1 가변 초점 렌즈(301), 제2 가변 초점 렌즈(302), 제3 가변 초점 렌즈(303)는 각각 도 6을 참조하여 설명한 가변 초점 렌즈와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.
제1 파장 선택 리타더(305)는 제1 파장 광의 편광을 제1편광(↔)으로 변환시키고, 제1 가변 초점 렌즈(301)는 제1 파장 선택 리타더(305)로부터 입사된 광의 초점 거리를 변경할 수 있다. 제2 파장 선택 리타더(306)는 제1 가변 초점 렌즈(301)를 통과한 광의 광경로 상에 배치되어 제2 파장 광의 편광을 제1편광(↔)으로 변환시키고, 제2 가변 초점 렌즈(302)는 제2 파장 선택 리타더(306)로부터 입사된 제2 파장 광의 초점 거리를 변화시킬 수 있다. 데3 파장 선택 리타더(307)는 제2 가변 초점 렌즈(302)를 통과한 광의 광경로 상에 배치되어 제3 파장 광의 편광을 제1편광(↔)으로 변환시키고, 제3 가변 초점 렌즈(303)는 제3 파장 선택 리타더(307)로부터 입사된 광의 초점 거리를 변화시킬 수 있다. 제어부(370)는 제1 내지 제3 가변 초점 렌즈(301)(302)(303)를 제어할 수 있다.
제어부(370)는 입사 광의 파장에 관계 없이 각 칼라 광의 초점이 같은 위치에 맺히도록 제1 내지 제3 가변 초점 렌즈(301)(302)(303)에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
초점 변조 광학계(400)가 초점 거리를 제어하는 동작에 대해 설명한다.
초점 변조 광학계(400)에 백색광 또는 여러 파장 대역의 광이 입사될 수 있다. 제1 파장 선택 리타더(305)에 의해, 입사 광이 제1편광(↔)의 제1 칼라 광(LR), 제2편광(⊙)의 제 2칼라 광(LG), 제2편광(⊙)의 제3 칼라 광(LB)으로 분리될 수 있다.
제1편광(↔)의 제1 칼라 광(LR), 제2편광(⊙)의 제2 칼라 광(LG), 제2편광(⊙)의 제3 칼라 광(LB)이 제1 가변 초점 렌즈(301)에 입사한다. 제1 가변 초점 렌즈(301)는 전기적 제어에 의해 제1 능동 렌즈(331R)를 포함하고, 제1편광(↔)의 제1 칼라 광(LR)의 포커싱 위치가 제1 위치가 되도록 할 수 있다. 제1 가변 초점 렌즈(301)는 제1편광(↔)의 광에 대해서만 굴절 작용을 하므로, 제1편광(↔)의 제1 칼라 광(LR)만이 초점이 조절되고, 제2편광(⊙)의 제2 칼라 광(LG), 제2편광(⊙)의 제3 칼라 광(LB)은 제1 가변 초점 렌즈(301)에 의해 변하지 않고 그대로 출사될 수 있다.
다음, 제1편광(↔)의 제1 칼라 광(LR)과, 제2편광(⊙)의 제2 칼라 광(LG), 제2편광(⊙)의 제3 칼라 광(LB)이 제2 파장 선택 리타더(306)에 입사한다. 제2 파장 선택 리타더(306)는 제2 칼라 광(LG)의 편광을 제1편광(↔)으로 바꾸는 역할을 한다. 또한, 제2 파장 선택 리타더(306)는 제1편광(↔)의 제1 칼라 광(LR)을 제2편광(⊙)으로 바꾸며, 제2편광(⊙)의 제3 칼라 광(LB)에는 영향을 주지 않는다. 제2 파장 선택 리타더(306)에 의해 제2편광(⊙)의 제1 칼라 광(LR), 제1편광(↔)의 제2 칼라 광, 제2편광(⊙)의 제3 칼라 광(LB)이 제2 가변 초점 렌즈(302)에 입사한다.
제2 가변 초점 렌즈(302)는 전기적 제어에 의해 제2 능동 렌즈(331G)를 포함하고, 제2 칼라 광(LG)의 초점이 제1 위치에 맺히도록 할 수 있다. 제2 가변 초점 렌즈(302)는 제1편광(↔)의 광에 대해서만 작용하므로, 입사된 제2편광(⊙)의 제1 칼라 광(LR)과, 제2편광(⊙)의 제3 칼라 광에 대해서는 영향을 주지 않는다.
다음, 제2편광(⊙)의 제1 칼라 광(LR)과, 제1편광(↔)의 제2 칼라 광(LG), 제2편광(⊙)의 제3 칼라 광(LB)이 제3 파장 선택 리타더(307)에 입사한다. 제3 파장 선택 리타더(307)는 제3 칼라 광(LB)의 제2편광(⊙)을 제1편광(↔)으로 바꾸는 역할을 한다. 또한, 제3 파장 선택 리타더(307)는 제1편광(↔)의 제2 칼라 광(LG)을 제2편광(⊙)으로 바꾸며, 제2편광(⊙)의 제1 칼라 광(LG)의 편광에는 영향을 주지 않는다. 제3 파장 선택 리타더(307)의 재질로서 제2 칼라 광과 제3 칼라 광에 대해 파장 선택성을 가지는 광학적 이방성(optically anisotropic) 물질이 사용될 수 있고, 제3 파장 선택 리타더(307)는 제2 칼라 광과 제3칼라 광의 편광 방향을 바꿀 수 있다. 제3 파장 선택 리타더(307)에 의해 제2편광(⊙)의 제1 칼라 광(LR), 제2편광(⊙)의 제2 칼라 광, 제1편광(↔)의 제3 칼라광(LB)이 제3 가변 초점 렌즈(303)에 입사한다.
제3 가변 초점 렌즈(303)는 전기적 제어에 의해 제3 능동 렌즈(331B)를 포함하고, 제3 칼라 광(LB)의 초점이 제1 위치에 맺히도록 할 수 있다. 또한, 제3 가변 초점 렌즈(303)는 제1편광(↔)의 광에 대해서만 작용하므로, 제2편광(⊙)의 제1칼라 광(LR), 제2편광(⊙)의 제2 칼라 광, 제1편광의 제3 칼라 광(LB) 중, 제1편광(↔)의 제3 칼라 광(LB)만이 제3 가변 초점 렌즈(303)에 의해 제1 위치에 초점을 맺히도록 할 수 있다. 이상의 과정을 거쳐 제1 칼라 광(LR)과, 제2 칼라 광(LG), 제3 칼라 광(LB)은 동일한 제1 위치에 초점을 맺을 수 있다.
도 8은 도 3에 도시된 초점 변조 광학계에서 적색 광, 녹색 광, 청색 광의 동시 동작 메커니즘을 도시한 것이다.
본 실시예의 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 복수 프레임의 영상을 표시할 때, 각 프레임에서 적색 광(LR), 녹색 광(LG), 청색 광(LB)이 동시에 초점 변조 광학계로 입사될 수 있다. 예를 들어, 제1 프레임(1st frame)에서 광원으로부터 적색 광(LR), 녹색 광(LG), 청색 광(LB)이 동시에 가변 초점 렌즈에 입사되고, 가변 초점 렌즈에서는 적색 광(LR)의 초점을 조절하는 전압(V(R)), 녹색 광(LG)의 초점을 조절하는 전압(V(G)), 청색 광(LB)의 초점을 조절하는 전압(V(B))이 인가될 수 있다. 제2 프레임(2nd frame)에서도 동일한 방식으로 초점이 조절될 수 있다. 이러한 동시 동작 메커니즘에서는 초점 변조 광학계가 복수 칼라 광에 대해 동시에 동작하므로 프레임 률(frame rate)이 빠를 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 초점 변조 광학계를 도시한 것이다. 초점 변조 광학계(200A)는 도 3에 도시된 초점 변조 광학계에 고정 초점 렌즈(240)를 더 구비한다. 고정 초점 렌즈(240)는 제1 파장 선택 리타더(205)의 앞에 배치될 수 있다. 고정 초점 렌즈(240)는 어느 하나의 파장 광에 대해 초점이 맞춰진 렌즈일 수 있다. 예를 들어, 고정 초점 렌즈(240)는 녹색 광에 대해 초점이 맞춰진 렌즈일 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고 녹색 광 이외에도 적당한 칼라 광에 대해 초점이 맞춰질 수 있다. 또는, 고정 초점 렌즈(240)가 각 칼라 광에 대해 색 수차를 1차적으로 감소시키도록 설계될 수 있다. 고정 초점 렌즈(240)는 모든 칼라 광에 대해 색수차를 보정할 수 있도록 하기 위해서는 제작이 어렵고, 제작 비용도 많이 든다. 하지만, 고정 초점 렌즈(240)를 색수차를 예비적으로 감소시키는 정도로 제작하는 것은 적은 비용으로 가능하다.
이어서, 제1, 제2 및 제3 파장 선택 리타더(205)(215)(225)와 제1, 제2 및 제3 가변 초점 렌즈(210)(220)(230)에 의해 각 칼라 광에 대해 초점을 조절하여 색 수차를 더욱 정밀하게 보정할 수 있다.
다시 말하면, 고정 초점 렌즈(240)에 의해 예비적으로 색 수차를 보정한 다음, 파장 선택 리타더와 가변 초점 렌즈에 의해 좀 더 정밀하게 색 수차를 보정할 수 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 초점 변조 광학계를 도시한 것이다.
초점 변조 광학계(400)는 고정 초점 렌즈(410)와, 가변 초점 렌즈(420)를 포함할 수 있다.
가변 초점 렌즈(420)는 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 구조를 가질 수 있다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 가변 초점 렌즈(420)는 입사되는 광의 파장에 따라 제1 전극(321)과 제2 전극(341)에 인가되는 전압을 조절하여 능동 렌즈(331)를 제어할 수 있다. 그럼으로써, 각 칼라 광의 초점 거리를 조절하여 색 수차를 감소시키거나 제거할 수 있다.
도 10에 도시된 초점 변조 광학계(400)에서는 각 칼라 광이 시간 순차적으로 입사될 수 있다. 도 11은 적색 광(LR), 녹색 광(LG), 청색 광(LB)의 시간 순차적 동작 메커니즘을 도시한 것이다.
본 실시예의 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 복수 프레임의 영상을 표시할 때, 각 프레임에서 적색 광(LR), 녹색 광(LG), 청색 광(LB)을 시간 순차적으로 초점 변조 광학계로 입사시킨다. 예를 들어, 제1 프레임(1st frame)에서 광원으로부터 적색 광(LR)이 초점 변조 광학계(400)에 입사되고, 가변 초점 렌즈(420)에서는 적색 광(LR)의 초점을 조절하는 전압(V(R))이 인가될 수 있다. 예를 들어, 적색 광(LR)이 제1위치에 초점을 맺을 수 있다. 이어서, 녹색 광(LG)이 가변 초점 렌즈(420)에 입사되고, 가변 초점 렌즈(420)에서는 녹색 광(LG)의 초점을 조절하는 전압(V(G))이 인가될 수 있다. 녹색 광(LG)이 제1위치에 초점을 맺을 수 있다. 이어서, 청색 광(LB)이 가변 초점 렌즈(420)에 입사되고, 가변 초점 렌즈에서는 청색 광(LB)의 초점을 조절하는 전압(V(B))이 인가될 수 있다. 청색 광(LB)이 제1 위치에 초점을 맺을 수 있다. 제2 프레임(2nd frame)에서도 동일한 방식으로 초점이 조절될 수 있다. 이러한 시간 순차적 동작 메커니즘에서는 초점 변조 광학계가 복수 칼라 광에 대해 시간 순차적으로 동작하므로 프레임 률(frame rate)이 동시 동작 메커니즘보다는 상대적으로 늦을 수 있다. 대신에, 초점 변조 광학계가 동시 동작 초점 변조 광학계에 비해 슬림해질 수 있다. 가변 초점 렌즈의 동작 속도가 충분히 빠른 경우 필요한 프레임 률을 확보하고 초점 변조 광학계도 소형화할 수 있다. 또한, 도 10에서 고정 초점 렌즈(410)가 구비되어 있으나, 고정 초점 렌즈(410) 없이 가변 초점 렌즈(420)로만 초점을 조절하여 색 수차를 감소시키는 것도 가능하다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
110:광원, 120:빔 편향기
130:도광판, 150,200,400:초점 변조 광학계
160:공간 광 변조기, 170:제어부
180:위치 검출 센서, 190:영상 신호 처리부
205,215,225,304,305,306,307:파장 선택 리타더
210,220,230,300,301,302,303:가변 초점 렌즈
240,410:고정 초점 렌즈

Claims (21)

  1. 전기적 제어에 의해 입사 광의 초점 위치를 칼라에 따라 변화시키는 적어도 하나의 가변 초점 렌즈;를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈가 각 칼라 광이 같은 위치에 초점을 맺도록 가변되는 초점 변조 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 초점 렌즈는 제1기판, 상기 제1기판에 구비된 제1전극층, 상기 제1기판에 대향되게 배치된 제2기판, 상기 제2기판에 구비된 제2전극층, 상기 제1기판과 제2기판 사이에 구비되고, 상기 제1전극층과 제2전극층 사이에 인가된 전압에 따라 가변되는 능동 렌즈들을 포함하는 액정층을 포함하는 초점 변조 광학계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극층과 상기 제2전극층 중 적어도 하나가 서로 이격되어 배열된 스트라이프 형 전극들로 구성된 초점 변조 광학계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스트라이프형 전극들에 인가되는 전압에 따라 능동 렌즈의 피치 간격,형태, 곡률 중 적어도 하나가 조절되는 초점 변조 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변 초점 렌즈에 입사되는 광을 포커싱하는 고정 초점 렌즈가 더 포함된 초점 변조 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈가 제1 칼라 광을 제1 위치에 포커싱하도록 구성된 제1 가변 초점 렌즈, 제2 칼라 광을 제1 위치에 포커싱하도록 구성된 제2 가변 초점 렌즈, 및 제3 칼라 광을 제1 위치에 포커싱하도록 구성된 제3 가변 초점 렌즈를 포함하는 초점 변조 광학계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 가변 초점 렌즈 앞에 제1 파장 선택 리타더, 제1 가변 초점 렌즈와 제2 가변 초점 렌즈 사이에 제2 파장 선택 리타더, 제2 가변 초점 렌즈와 제3 가변 초점 렌즈 사이에 제3 선택 리타더가 배치된 초점 변조 광학계.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈 앞에 입사 광의 칼라에 따라 선택적으로 위상을 지연시키는 파장 선택 리타더가 구비된 초점 변조 광학계.
  9. 복수의 칼라 광을 조사하는 광원;
    전기적 제어에 의해 상기 복수의 칼라 광의 초점 위치를 변화시키는 적어도하나의 가변 초점 렌즈를 포함하는 초점 변조 광학계; 및
    상기 초점 변조 광학계로부터의 광을 회절시켜 홀로그래픽 영상을 형성하는 공간 광변조기;를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  10. 제9에 있어서,
    상기 가변 초점 렌즈는 제1기판, 상기 제1기판에 구비된 제1전극층, 상기 제1기판에 대향되게 배치된 제2기판, 상기 제2기판에 구비된 제2전극층, 상기 제1기판과 제2기판 사이에 구비되고, 상기 제1전극층과 제2전극층 사이에 인가된 전압에 따라 가변되는 능동 렌즈들을 포함하는 액정층을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1전극층과 상기 제2전극층 중 적어도 하나가 서로 이격되어 배열된 스트라이프 형 전극들로 구성된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스트라이프 형 전극들에 인가되는 전압에 따라 능동 렌즈의 피치 간격,형태, 곡률 중 적어도 하나가 조절되는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈 앞에 입사 광의 칼라에 따라 선택적으로 위상을 지연시키는 파장 선택 리타더가 더 구비된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 파장 선택 리타더 앞에 입사 광을 포커싱하는 고정 초점 렌즈가 더 포함된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈 앞에 입사 광을 포커싱하는 고정 초점 렌즈가 더 포함된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 초점 렌즈가 제1 칼라 광을 제1 위치에 포커싱하도록 구성된 제1 가변 초점 렌즈, 제2 칼라 광을 제1 위치에 포커싱하도록 구성된 제2 가변 초점 렌즈, 및 제3 칼라 광을 제1 위치에 포커싱하도록 구성된 제3 가변 초점 렌즈를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 가변 초점 렌즈 앞에 제1 파장 선택 리타더, 제1 가변 초점 렌즈와 제2 가변 초점 렌즈 사이에 제2 파장 선택 리타더, 제2 가변 초점 렌즈와 제3 가변 초점 렌즈 사이에 제3 파장 선택 리타더가 배치된 홀로그래픽 디스플레이.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 광원이 제1, 제2 및 제3 칼라 광을 동시에 조사하고, 상기 제1, 제2 및 제3 가변 초점 렌즈가 각각 상기 제1, 제2 및 제3 칼라 광에 선택적으로 대응되게 초점 위치를 조절하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 칼라 광을 편향시키는 빔 편향기가 더 구비된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  20. 제9항에 있어서,
    상기 홀로그램 영상을 시청하는 시청자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서가 더 구비된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  21. 제9항에 있어서,
    상기 광원이 복수 개의 칼라 광을 시간 순차적으로 조사하고, 상기 가변 초점 렌즈가 시간 순차적으로 상기 복수 개의 칼라 광에 대응되게 초점 위치를 조절하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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