KR20200125959A - 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 광학 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 광학 장치, 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 광학 장치(100)는: 단위 셀(104)의 어레이(102) - 단위 셀(104)의 광학 특성을 제1 및 제2 조건 사이에서 전환하기 위해 개별적으로 어드레싱 가능한 단위 셀(104) 임 -; 단위 셀(104)은 선택적으로 활성 또는 비활성으로 구성되고, 어레이(102)는 적어도 제1 및 제2 분리 서브 세트(110; 112; 114; 116)를 포함하고, 및 서브 세트(110; 112; 114; 116)의 단위 셀(104)은 공동으로 비활성에서 활성으로 전환되도록 구성되고, 활성 단위 셀(104)은 상기 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 입사 광빔(106)과 상호 작용하도록 구성되고; 광학 장치(100)는 단위 셀(104)의 광학 특성을 전환하기 위해 비활성 단위 셀(104)을 어드레싱 하도록 구성된다.

Description

3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 광학 장치, 시스템 및 방법
본 발명은 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 광학 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 홀로그램 이미지를 디스플레이 하기 위해 3 차원 광 필드를 형성할 수 있는 광학 장치에 관한 것이다.
홀로그램 이미지는 광 필드의 3 차원 제어에 의해 형성된다. 특히, 변화하는 홀로그램 이미지를 표시하고자 하는 경우, 예를 들어, 홀로그램 비디오의 표시에서와 같이, 3 차원 광 필드를 형성하기 위한 광학 장치는 특성을 변화시키도록 제어될 필요가 있을 수 있다.
3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 광학 장치는 단위 셀의 어레이를 포함할 수 있다. 단위 셀의 어레이는 원하는 3 차원 광 필드를 함께 형성하기 위해 입사 광빔과 상호 작용할 수 있다. 따라서, 원하는 3 차원 광 필드가 형성되도록 각각의 단위 셀의 광과의 상호 작용을 제어하기 위해 단위 셀이 제어될 필요가 있을 수 있다. 그러므로, 새로운 홀로그램 이미지가 제시될 때, 제시되는 홀로그램 이미지를 변경하기 위해 다수의 단위 셀이 원하는 상태로 재구성될 필요가 있다.
따라서, 홀로그램 비디오 프로젝터(holographic video projector)는 단위 셀 어레이에 대량의 데이터를 기록할 것을 요구한다. 일반적인 홀로그램 비디오 프로젝터의 경우, 홀로그램 비디오를 시청자가 방해받지 않는 경험을 주기 위해, 수십 Gb의 데이터는 10ms 단위로 시간 프레임 100nm의 피치(인접한 단위 셀 사이의 거리)로 기록될 필요가 있다.
이러한 양의 데이터를 작성하는 것은 매우 어려운 작업이다.
본 발명의 목적은 개선된 광학 장치(optical device)를 제공하는 것으로, 이는 3 차원 광 필드(three-dimensional light field)의 분포의 개선된 제어를 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 구체적인 목적은 홀로그램 비디오의 디스플레이를 위해 단위 셀의 어레이에 매우 많은 양의 데이터를 기록하는 문제를 적어도 완화시키는 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적은 독립항에 정의된 바와 같이 본 발명에 의해 적어도 부분적으로 충족된다. 바람직한 실시예는 종속항에 제시되어 있다.
제1 측면에 따르면, 3 차원 광 필드(three-dimensional light field)의 분포를 형성하기 위한 광학 장치(optical device)가 제공되며, 광학 장치는: 단위 셀의 어레이(array of unit cell) - 단위 셀의 어레이의 단위 셀(unit cell)은 단위 셀의 광학 특성(optical property)을 제어하기 위해 개별적으로 어드레싱 될 수 있고, 단위 셀의 어드레싱은 단위 셀의 광학 특성을 광학 특성의 제1 조건(first condition)과 광학 특성의 제2 조건(second condition) 사이에서 전환하도록 구성됨 -;를 포함하고, 단위 셀의 어레이에서 단위 셀은 선택적으로 활성(active) 또는 비활성(inactive)으로 구성되고 및 단위 셀의 어레이는 단위 셀의 적어도 제1 서브 세트(first subset) 및 단위 셀의 제2 서브 세트(second subset)를 포함하고; 제1 서브 세트와 제2 서브 세트는 분리되어 있고, 및 단위 셀의 서브 세트의 단위 셀은 공동으로 비활성에서 활성으로 전환되도록 구성되고, 활성 단위 셀은 입사 광빔(light beam)과 상호 작용하고 3 차원 광 필드의 분포를 형성하는데 협력하도록 구성되고; 및 광학 장치는 단위 셀이 비활성 일 때 단위 셀의 광학 특성을 전환하기 위해 비활성 단위 셀을 어드레싱 하도록 구성된다.
제1 측면에 따른 광학 장치로 인해, 단위 셀의 어레이는 제1 및 제2 서브 세트를 포함한다. 따라서, 단위 셀은 선택적으로 비활성 또는 활성일 수 있으며, 활성 단위 셀만이 주어진 시점에서 3 차원 광 필드의 분포 형성에 기여한다. 이는 비활성 단위 셀에 표시될 다음 홀로그램 이미지(holographic image)를 나타내는 정보를 기록하기 위해 비활성 단위 셀이 비활성화 되는 동안 어드레싱 될 수 있음을 의미한다. 정보의 기록은 각 단위 셀의 광학 특성의 조건을 제어함으로써 수행된다. 따라서, 이전 홀로그램 이미지에 대한 정보를 비활성 단위 셀에 제공하기 위한 기록 시간에 대한 비교적 관대한 요구가 있는데, 이는 이전 이미지가 디스플레이 되는 동안 정보가 기록될 수 있기 때문이다.
적어도 단위 셀의 제1 서브 세트 및 제2 서브 세트의 사용은 모든 단위 셀이 3 차원 광 필드의 분포를 형성하는데 동시에 사용되지는 않음을 의미한다. 따라서, 홀로그램 비디오를 디스플레이 하기 위해 대량의 정보를 단위 셀 어레이에 기록할 수 있도록 홀로그램 이미지의 해상도, 밝기 및 품질의 절충이 이루어질 수 있다.
단위 셀은 3 차원 광 필드의 원하는 분포를 형성하기 위해 단위 셀의 광학적 특성의 조건을 전환하기 위해 개별적으로 어드레싱 될 필요가 있을 수 있다. 각각의 단위 셀은 원하는 분포가 형성되도록 광학 특성의 개별적으로 설정된 조건을 가질 수 있다. 이것은 각 단위 셀의 광학적 특성의 상태를 제어하기 위해 단위 셀이 개별적으로 어드레싱 될 필요가 있음을 의미하며, 이는 시간 소모적인 작업이거나 단위 셀을 어드레싱 하기 위해 매우 많은 수의 병렬 제어 라인을 필요로 한다. 그러나, 활성 단위 셀에 기초하여 홀로그램 이미지가 디스플레이 되는 동안 비활성 단위 셀에 대한 단위 셀의 개별적 어드레싱을 수행함으로써, 단위 셀의 어드레싱을 위한 가용 시간이 실질적으로 증가한다(초당 25 프레임의 일반적인 프레임 속도는 약 40ms의 기간 동안 표시되는 단일 이미지에 해당한다).
단위 셀의 서브 세트가 비활성에서 활성으로(또는 그 반대로) 전환되는 것은 매우 빠른 방식으로 수행될 수 있다. 서브 세트의 단위 셀의 광학 특성의 조건이 단위 셀의 개별적인 어드레싱에서 설정되었으므로, 서브 세트 내의 단위 셀이 비활성 상태에서 활성 상태로 전환되는 것을 보장하기 위해 서브 세트 내의 모든 단위 셀에 대해 공통 동작이 수행될 수 있다. 따라서, 서브 세트 내의 모든 단위 셀에 적용되는 단일 제어 신호를 사용하여 서브 세트 내의 단위 셀이 공동으로 비활성 상태에서 활성 상태로 전환될 수 있다.
단위 셀의 비활성에서 활성으로의 공동 전환(joint switching)은 단일 제어 신호(control signal)를 사용하여 수행될 수 있어서, 서브 세트 내의 모든 단위 셀이 동시에 전환될 수 있다. 그러나, 서브 세트는 복수의 제어 라인과 연관될 수 있고, 각 제어 라인은 서브 세트 내의 복수의 단위 셀을 제어할 수 있다는 것을 알아야 한다. 따라서, 공동 전환은 복수의(그러나 적은 수의) 제어 라인상의 일련의 제어 신호를 사용하여 수행되어 단위 셀이 비활성에서 활성으로 전환될 수 있다. 공동 전환은 홀로그램 비디오를 보고 있는 시청자의 경험에 영향을 미치지 않도록 짧은 시간 내에 여전히 수행될 수 있다.
따라서, 단위 셀의 공동 전환은 단위 셀이 동시에 전환되는 것으로 해석되거나, 전환이 정확히 동시에 수행되지 않으면, 시청자 경험을 방해하지 않도록 충분히 빨리 수행해야 한다. 이것은 공통 동작에 의해 실현될 수 있고 미리 정의된 방식으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 공통 동작은 복수의 제어 라인에 공급된 일련의 제어 신호를 형성하는 제어 신호의 패킷에 의해 트리거 될 수 있다.
이하의 다양한 실시예에서 예시되는 바와 같이, 단위 셀의 비활성에서 활성으로의 전환은 예를 들어 단위 셀과 관련된 광 셔터 구조(light shutter structure)의 사용에 의해 수행될 수 있다. 단위 셀의 어레이는 2 개 이상의 서로 분리된 단위 셀의 서브 세트를 포함할 수 있음을 알아야 한다. 이것은 단위 셀에 정보를 기록하기 위해 서브 세트에서 단위 셀을 개별적으로 어드레싱 하기 위한 훨씬 더 많은 시간을 제공할 수 있다. 서브 세트의 단위 셀은 3 개의 서브 세트를 사용하는 시간의 1/3, 4 개의 서브 세트를 사용하는 시간의 1/4 등 만 활성화된다. 그러나 일부 구현에서는, 홀로그램 이미지의 해상도는 단위 셀의 추가 서브 세트가 사용되는 경우 훨씬 더 영향을 받을 수 있다. 3 차원 광 필드의 분포의 형성은 예를 들어 조명 제어를위한 모든 유형의 응용 분야에서 전술한 홀로 그래픽 비디오의 디스플레이와 같은 몇몇 다른 응용에서 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
활성 서브 세트에 기초한 3 차원 광 필드의 분포는 시청자에 의해 인식되는 홀로그램 이미지의 일부에만 기여할 수 있다는 것이 또한 인식되어야 한다. 비전의 지속성에 기초하여, 빠른 시퀀스로 형성된 홀로그램 이미지는 완전한 홀로그램 이미지를 함께 디스플레이 하는 것으로 인식될 수 있다. 따라서, 제1 활성 서브 세트에 기초하여 형성된 3 차원 광 필드의 분포는 제1 활성 서브 세트의 분포가 형성된 직후에 제2 활성 서브 세트에 기초하여 형성된 3 차원 광 필드의 분포와 함께, 시청자에게 완전한 홀로그램 이미지로 인식된다. 일 실시예에 따르면, 제1 서브 세트의 단위 셀은 단위 셀의 어레이에서 제2 서브 세트의 단위 셀과 인터리빙 되어 배열된다.
이는 제1 서브 세트의 단위 셀이 단위 셀의 전체 어레이에 걸쳐 확산될 수 있음을 의미한다. 마찬가지로, 제1 서브 세트의 단위 셀은 전체 단위 셀 어레이에 걸쳐 분산될 수 있다.
일 실시예에서, 다른 모든 단위 셀은 제1 서브 세트의 일부이고 다른 모든 단위 셀은 제2 서브 세트의 일부이다. 이는 제1 서브 세트의 각 단위 셀이 제2 서브 세트의 2 개의 단위 셀 사이에 배열되고 제2 서브 세트의 각 단위 셀이 제1 서브 세트의 2 개의 단위 셀 사이에 배열됨을 의미한다. 이러한 실시예에서, 서브 세트의 단위 셀은 전체 단위 셀의 어레이에 걸쳐 균등하게 분산된다. 이는 일련의 순차적으로 투영된 홀로그램 이미지에 걸쳐 고품질의 홀로그램 이미지의 형성을 용이하게 할 수 있다.
다른 실시예에서, 각 서브 세트의 단위 셀은 n x m 단위 셀의 클러스터로 확산될 수 있다. 제1 서브 세트의 단위 셀의 각 클러스터는 제2 서브 세트의 단위 셀의 두 클러스터 사이에 배열될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
인터리빙 된 서브 세트의 다른 구성이 가능하다는 것을 알아야 한다. 특히, 단위 셀의 어레이는 둘 이상의 서브 세트를 포함할 수 있고, 여기서 모든 서브 세트의 단위 셀은 인터리빙 될 수 있다. 서브 세트의 단위 셀은 서브 세트에 속하는 단일 단위 셀 또는 단위 셀의 클러스터가 단위 셀의 어레이에 균일하게 분포될 수 있도록 단위 셀의 어레이에서 예를 들어 규칙적인 패턴을 형성한다.
일 실시예에 따르면, 단위 셀의 제1 서브 세트는 단위 셀의 제1 서브 어레이를 형성하고, 단위 셀의 제2 서브 세트는 단위 셀의 제2 서브 어레이를 형성하고, 제1 서브 어레이 및 제2 서브 어레이는 일반적인 기판 상에 서로 인접하여 배열된다.
이는 단위 셀의 각 서브 세트가 단위 셀의 어레이에서 별도의 영역과 연관될 수 있음을 의미한다. 따라서, 동일한 서브 세트의 일부인 2 개의 인접한 단위 셀 사이의 거리는 단위 셀의 어레이에서 2 개의 인접한 단위 셀 사이의 거리와 동일하다. 따라서 이러한 서브 세트의 배열을 사용하면, 홀로그램 이미지의 해상도는 둘 이상의 서브 세트로 분할되는 단위 셀의 어레이에 의해 영향을 받을 필요가 없다.
그러나, 복수의 서브 세트는 여전히 주어진 시점에서 홀로그램 이미지를 디스플레이 할 때 모든 단위 셀이 동시에 사용되지는 않음을 의미한다. 따라서, 단위 셀의 전체 어레이는 여전히 복수의 서브 세트로 분할되지 않는 단위 셀의 어레이보다 더 클 필요가 있을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단위 셀의 각각의 서브 세트는 제1 파장의 광과 상호 작용하도록 구성된 제1 단위 셀 및 제1 파장의 광과 상이한 제2 파장의 광과 상호 작용하도록 구성된 제2 단위 셀을 포함한다.
이는 광학 장치가 다색 홀로그램 이미지가 형성될 수 있도록 다중 파장에 대한 3 차원 광 필드의 분포를 형성하도록 구성될 수 있음을 의미한다. 따라서, 각각의 서브 세트는 제1 파장과의 상호 작용 전용의 제1 단위 셀 및 제2 파장과의 상호 작용 전용의 제2 단위 셀을 포함할 수 있으며, 그리하여 단일 서브 세트의 단위 셀만이 활성화될 수 있는 임의의 주어진 시간에 다색 홀로그램 이미지의 디스플레이를 가능하게 한다.
액티브 서브 세트는 상이한 파장의 입사 광빔의 시퀀스를 수신할 수 있다. 잔상(persistence of vision)으로 인해, 홀로그램 이미지를 보고 있는 시청자는 하나의 다색 홀로그램 이미지로서 상이한 컬러의 입사 광빔에 의해 액티브 서브 세트를 조명함으로써 형성된 빠른 홀로그램 이미지 시퀀스를 인식할 수 있다.
광학 장치는 2 개 이상의 파장을 사용하여 다색 이미지를 형성하도록 구성될 수 있으므로, 단위 셀의 각각의 서브 세트는 또한 제3 파장과 상호 작용하도록 구성된 제3 단위 셀 등을 포함할 수 있음을 알아야 한다. 일 실시예에서, 단위 셀은 단위 셀과 상호 작용할 광의 파장을 제어하기 위한 컬러 필터와 관련될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광학 장치는 단위 셀의 어레이와 관련하여 배열된 광 셔터 구조(light shutter structure)를 더 포함하고, 광 셔터 구조는 광 셔터 구조상의 입사 광이 단위 셀이 비활성인지 또는 활성인지를 선택하기 위해 광 셔터 구조와 연관된 단위 셀에 도달하는지 여부를 선택하도록 제어 가능하다.
광 셔터 구조는 단위 셀의 어레이가 형성된 기판과 통합될 수 있다. 그러나, 광 셔터 구조는 대안적으로 기판과 별도로 배열될 수 있으며, 예를 들어 광원(light source)과 관련되거나 광원과 단위 셀 어레이 사이에 배열될 수 있다.
광 셔터 구조는 광 셔터 구조가 제어될 때 서브 세트의 단위 셀이 광 셔터 구조와 연관되도록 배열될 수 있고, 서브 세트의 단위 셀은 공동으로 비활성 상태에서 활성 상태로(또는 그 반대로) 전환될 것이다.
일 실시예에 따르면, 광 셔터 구조는 제1 서브 세트의 단위 셀에 의해 공유되는 제1 광 셔터(first light shutter) 및 제2 서브 세트의 단위 셀에 의해 공유되는 제2 광 셔터(second light shutter)를 포함한다.
그러므로, 제1 광 셔터는 제1 서브 세트의 모든 단위 셀과 연관될 수 있고 제2 광 셔터는 제2 서브 세트의 모든 단위 셀과 연관될 수 있다. 이는 제1 광 셔터의 제어가 제1 서브 세트의 단위 셀을 비활성에서 활성으로 또는 그 반대로 공동 전환할 수 있음을 의미한다. 비슷하게, 제2 광 셔터의 제어는 제2 서브 세트의 단위 셀이 비활성에서 활성으로 또는 그 반대로 공동으로 전환할 수 있다.
그리하여, 제1 광 셔터는 단일 제어 신호에 의해 제어될 수 있는 단일 구조로서 형성될 수 있고, 제2 광 셔터는 상이한 단일 구조로서 형성될 수 있고, 이는 또한 단일 제어 신호(제1 광 셔터를 제어하는 제어 신호와는 상이함)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 제1 광 셔터 및/또는 제2 광 셔터는 광 셔터와 연관된 서브 세트의 단위 셀 위에 배열된 복수의 라인을 포함할 수 있다. 복수의 라인은 예를 들어 단부에서 상호 연결될 수 있으서, 단일 제어 신호가 서브 세트의 단위 셀을 비활성화 상태에서 활성화 상태로 또는 그 반대로 전환할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 셔터 구조는 광 셔터 유닛(light shutter unit)의 어레이를 포함하고, 각각의 광 셔터 유닛은 단일 단위 셀과 연관되고, 제1 서브 세트와 연관된 광 셔터 유닛은 제1 서브 세트 내의 단위 셀이 비활성 상태에서 활성 상태로 전환되도록 공동으로 제어되도록 구성된다.
그러므로, 광 셔터 구조는 광 셔터 유닛과 어레이의 단위 셀 사이에 일대일 관계를 형성하는 개별 광 셔터 유닛을 포함할 수 있다. 서브 세트의 단위 셀이 활성 상태에서 비활성 상태로 전환될 때 서브 세트와 연관된 광 셔터 유닛에 대해 공통 동작이 수행되기 때문에, 광 셔터 유닛은 광 셔터 유닛의 상태를 전환하기 위한 제어 신호를 제공하기 위해 개별적으로 어드레싱 될 필요가 없다. 차라리, 제1 서브 세트와 연관된 광 셔터 유닛은 예를 들어 공동 제어되도록 구성될 수 있다. 제어 신호가 제1 서브 세트와 관련된 광 셔터 유닛에 동시에 또는 공동으로 제공되도록 한다.
일 실시예에 따르면, 광학 장치는 광 셔터 구조에 제어 신호를 제공하는 제어 유닛(control unit)을 포함하고, 제어 신호는 광 셔터 구조 상의 입사 광이, 상 변화 물질(phase-change material)의 상태 변화, 편광 필터를 통과하는 제어 광에 대한 액정의 상태의 변화, 자기 광학 효과 유도(magneto-optical effect), 편광 필터에 의해 투과된 광의 편광의 변화, 마이크로 전자 기계 또는 나노 전자 기계 시스템에서 엑추에이터(actuator)의 움직임의 활성화, 또는 매크로 기계 셔터(macroscopic mechanical shutter)의 활성화에 기초하여, 광 셔터 구조가 연관되는 단위 셀에 도달하는지를 제어하도록 구성된다.
그러므로, 서브 세트에서 단위 셀에 의해 입사광이 수신되는지를 제어하는 기능은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 광 셔터 구조 상의 입사 광이 단위 셀로 통과될 수 있는지를 제어하는 방법은 예를 들어 광이 단위 셀에 도달하는 것을 방지하는 효과, 제어 구조의 크기, 광 셔터 유닛의 피치 및/또는 제어 구조의 복잡성에서 선택될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 셔터 구조는 광 셔터 구조 상의 입사 광이 광 셔터 구조와 연관된 단위 셀에 도달하는지를 선택하기 위한 제어 신호를 전송하기 위한 제어 라인을 포함한다. 제어 신호는 단위 셀의 광학 특성의 조건을 전환하기 위해 단위 셀에서 로컬 기능을 트리거 하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 광학 장치는 광 셔터 구조에 제어 신호를 제공하는 제어 유닛을 포함하고, 광 셔터 구조는 단위 셀의 어레이에 의해 투과되는 광을 수신하도록 배열되고, 제어 신호는 광 셔터 구조 상의 입사 광이 3 차원 광 필드의 분포 형성에 기여할 수 있는지 여부를 제어하도록 구성된다.
광 셔터 구조의 제어는 상 변화 물질의 상태 변화, 편광 필터를 통과하는 제어 광에 대한 액정의 상태의 변화, 자기 광학 효과 유도, 편광 필터에 의해 투과된 광의 편광의 변화, 마이크로 전자 기계 또는 나노 전자 기계 시스템에서 엑추에이터의 움직임의 활성화, 또는 매크로 기계 셔터의 활성화에 기초할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광학 장치는 단위 셀의 어레이와 관련하여 배열된 패시브 편광 필터(passive polarization filter) 세트를 포함하고, 단위 셀의 제1 서브 세트는 제1 편광의 광을 투과시키도록 구성된 제1 편광 필터와 연관되고, 단위 셀의 제2 서브 세트는 제1 편광과 상이한 제2 편광의 광을 투과시키도록 구성된 제2 편광 필터와 연관된다.
패시브 편광 필터 세트는 단위 셀의 어레이가 형성된 기판과 통합될 수 있다. 그러나, 패시브 편광 필터 세트는 대안적으로 기판과 별도로 배열될 수 있으며, 예를 들어 광원과 연관되거나 광원과 단위 셀 어레이 사이에 배열될 수 있다.
따라서, 각각의 서브 세트는 광의 특정 편광과 연관될 수 있다. 따라서, 입사 광빔의 광의 편광을 전환함으로써, 서브 세트의 단위 셀은 비활성에서 활성으로 전환될 수 있다.
제1 편광 필터 및 제2 편광 필터는 각각 입사광 또는 왼손 원형 편광 상태 및 오른손 원형 편광 상태의 직교 선형 편광 상태를 투과시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단위 셀은 상 변화 물질(phase-change material)을 포함하고, 이는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 전환될 수 있고, 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상 변화 물질의 전환은 광학 특성의 제1 조건과 광학 특성의 제2 조건 사이에서 단위 셀의 광학 특성을 전환하도록 구성된다.
단위 셀의 광학 특성의 상태를 제어하기 위해 상 변화 물질이 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 단위 셀의 반사율 또는 투과율은 상 변화 물질의 상태에 크게 의존할 수 있다. 따라서, 단위 셀의 상 변화 물질의 상태를 전환함으로써, 3 차원 광 필드의 분포 형성에 대한 단위 셀의 기여는 제어될 수 있다. 따라서, 서브 세트에서 각각의 단위 셀의 상태를 설정함으로써, 3 차원 광 필드의 원하는 분포가 정의될 수 있다.
상 변화 물질은 다른 물질, 예를 들어 물질 층의 스택에서, 상 변화 물질의 상태는 물질 층들의 스택의 광학 특성의 상태를 제어할 수 있다. 따라서, 단위 셀은 상 변화 물질을 포함하는 다양한 구성으로 형성될 수 있음을 알아야 한다.
상 변화 물질의 상태의 전환은 예를 들어 열적 활성화 또는 상 변화 물질에 전기 또는 자기장을 가함으로써 많은 다른 방식으로 유도될 수 있다. 상 변화 물질의 상태의 제어는 예를 들어 단위 셀에서 국부적으로 상 변화 물질의 상태의 전환을 유도하기 위해 제어 신호를 단위 셀과 관련된 전극에 전송함으로써, 단위 셀을 개별적으로 어드레싱 함으로써 제공될 수 있음을 알아야 한다.
일 실시예에 따르면, 활성 단위 셀은 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 입사 광빔을 반사하는데 협력하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 활성 단위 셀은 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 입사 광빔을 투과시키는데 협력하도록 구성된다.
따라서, 광학 장치는 3 차원 광 필드 분포의 반사 또는 투과 형성을 위해 구성될 수 있음을 알아야 한다. 광학 장치가 반사 또는 투과로 구성되어야 하는 지에 대한 선택은 원하는 응용에 따라 이루어질 수 있다.
또한, 광 셔터 구조를 구현하기 위한 일부 기술은 예를 들어 투과형 광학 장치를 사용하기 위해, 비활성 단위 셀에 대해 입사 광빔을 반사하도록 구성된 광 셔터 구조를 사용하는 경우와 같이 더 적합 할 수 있다.
제2 측면에 따르면, 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 시스템이 제공되며, 시스템은: 제1 측면에 따른 광학 장치; 및 단위 셀의 어레이에 입사하기 위해 광빔을 방출하도록 구성된 광원을 포함한다.
이 제2 측면의 효과 및 특징은 제1 측면과 관련하여 전술한 것과 유사하다. 제1 측면과 관련하여 언급된 실시예는 제2 측면과 대체로 호환 가능하다.
따라서, 시스템은 3 차원 광 필드의 분포를 제어하기 위한 광학 장치 및 광학 장치와 상호 작용할 때 3 차원 광 필드를 형성하기 위한 광빔을 제공하기 위한 광원 둘 모두를 포함할 수 있다.
시스템은 광학 장치 및 광원이 장착되는 하우징을 포함할 수 있고, 광원과 광학 장치 사이에 잘 제어되고 미리 정의된 관계가 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 시스템은 광원에 의해 방출된 광의 편광을 제어하기 위한 제어기(controller)를 더 포함한다.
광의 편광은 예를 들어 패시브 편광 필터 세트 사용시, 어떤 단위 셀이 활성인지를 전환하는데 사용될 수 있다. 따라서, 제어기는 광원에 의해 방출된 광의 편광이 3 차원 광 필드의 원하는 분포를 형성하기 위해 적절한 시점에서 전환되도록 제어할 수 있다.
제어기는 또한 다음 홀로그램 이미지가 디스플레이 되도록 비활성 단위 셀에 정보를 기록하기 위해 단위 셀의 개별 어드레싱을 제어하도록 구성될 수 있다. 그러나, 시스템은 대안적으로 단위 셀의 광학 특성의 상태의 전환을 제어하기 위한 별도의 제어기를 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 제어기는 광원에 의해 방출된 광의 편광의 변화가 적절한 시점에 수행되도록 하기 위해 동기화 될 수 있다.
제3 측면에 따르면, 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 방법으로 제공하고, 방법은: 단위 셀의 어레이 상에 입사하는 광빔을 수신하는 단계; 활성화될 단위 셀의 제1 서브 세트 및 비활성화될 단위 셀의 제2 서브 세트를 선택하는 단계 - 단위 셀의 제1 서브 세트는 단위 셀의 제2 서브 세트로부터 분리됨 -; 광학 특성의 제1 조건 및 광학 특성의 제2 조건 중 적어도 하나에 단위 셀의 광학 특성을 제어하기 위하여, 제2 서브 세트의 단위 셀이 비활성일 때, 단위 셀의 제2 서브 세트의 단위 셀을 개별적으로 어드레싱 하는 단계(306) - 단위 셀의 제2 서브 세트는 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 단위 셀의 개별 어드레싱에 의해 프로그래밍 됨 -; 비활성화 될 단위 셀의 제1 서브 세트를 공동으로 전환하는 단계(308); 및 3 차원 광 필드의 분포를 단위 셀의 제2 서브 세트에 프로그래밍 된 분포로 변화시키기 위해 활성화되도록 단위 셀의 제2 서브 세트를 공동으로 전환하는 단계(310)를 포함한다.
이 제3 측면의 효과 및 특징은 제1 및 제2 측면과 관련하여 전술한 것과 유사하다. 제1 및 제2 측면과 관련하여 언급된 실시예는 제3 측면과 대체로 양립 가능하다.
이 방법을 사용하면 정보를 비활성 단위 셀에 쓸 수 있으며, 3 차원 광 필드의 분포의 형성에 기초하여 홀로 그래픽 비디오가 제공되더라도, 기록 시간에 대한 상대적으로 관대한 요구가 제공된다. 더욱이, 서브 세트의 단위 셀은 예를 들어 홀로그램 비디오에서 현재 프레임에서 다음 프레임으로 전환시, 3 차원 광 필드의 전류 분포와 3 차원 광 필드의 다음 분포 사이의 매우 빠른 전환을 위해 비활성에서 활성으로 또는 그 반대로 공동으로 전환될 수 있다.
본 발명의 개념의 추가적인 목적, 특징 및 장점뿐만 아니라 상기의 내용은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 예시적이고 비 제한적인 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다. 도면에서, 달리 언급되지 않는 한 유사한 요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 광학 장치의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 반사 및 투과 구조의 광학 장치를 도시한 개략도이다.
도 3a-b 및 도 4a-d는 광학 장치의 단위 셀의 어레이에서 단위 셀의 서브 세트를 정의하는 실시예를 도시한 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 광학 장치에 사용되는 컬러 필터를 도시한 개략도이다.
도 6은 패러데이 회전기의 원리를 나타내는 개략도이다.
도 7 및 도 8은 광학 장치의 광 셔터 구조를 도시한 개략도이며, 여기서 광 셔터 구조는 MEMS 기반 마이크로 미러 시스템을 사용하여 구현된다.
도 9는 일 실시예에 따른 시스템의 개략도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 광학 장치(optical device)(100)가 일반적으로 설명될 것이다. 광학 장치(100)는 단위 셀(unit cell)(104)의 어레이(array)(102)를 포함할 수 있다. 단위 셀(104)의 어레이(102) 내의 단위 셀은 개별적으로 단위 셀(104)의 광학 특성을 제어하고 따라서 단위 셀(104)의 어레이(102)의 광학 응답을 제어하기 위해 어드레싱 될 수 있다.
각각의 단위 셀(104)은 개별적으로 어드레싱 가능할 수 있다. 그러나, 각각의 단위 셀(104) 각각이 반드시 개별적으로 어드레싱 될 수 있는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 단위 셀(104)의 광학 특성을 제어함으로써, 어레이(102)에 입사 광빔(incident light beam)(106)에 대한 영향이 제어될 수 있다. 따라서, 단위 셀(104)은 조합하여 입사 광빔(106)에 제어 가능한 효과를 형성할 수 있다. 따라서, 어레이(102)는 입사 광빔(106)에 기초하여 3 차원 광 필드의 분포를 형성 및 제어하기 위해 사용될 수 있다.
3 차원 광 필드(three-dimensional light field)는 예를 들어 홀로그램 이미지를 디스플레이 하기 위해 사용될 수 있다. 단위 셀(104)이 제어 가능하기 때문에, 형성된 홀로그램 이미지의 변화가 제공될 수 있다. 이는 광학 장치(100)가 홀로그램 이미지의 비디오를 디스플레이 하는데 사용될 수 있음을 의미한다.
그러나, 3 차원 광 필드의 제어는 다른 응용에서도 유용할 수 있음을 알아야 한다. 3 차원 광 필드를 형성하기 위한 광학 장치(100)는 입사 광빔의 3 차원으로 제어된 분포를 투영할 수 있고, 이는 제어된 조명을 위한 임의의 유형의 응용에 사용될 수 있고 반드시 3 차원 광 필드에 기초하여 디스플레이 된 이미지의 형성과 결합될 필요는 없다.
광학 장치(100)는 입사 광빔(106)을 반사시키거나 입사 광빔(106)의 투과(transmission)를 위해 설정될 수 있다. 광빔(106)은 레이저 빔인 광빔(106)과 같은 코히어런트 광원(coherent light source)에 의해 형성될 수 있고, 이는 단위 셀(104)의 어레이(102) 상의 입사 광 필드의 잘 정의된 관계를 제공하고 및 따라서 단위 셀(104)의 어레이(102)를 사용하여 3 차원 광 필드의 원하는 분포를 형성하기 위한 기초로서 사용하기에 적합하다.
각각의 단위 셀(104)은 제1 상태와 제2 상태 사이에서 전환될 수 있는 상 변화 물질(PCM)를 포함할 수 있고, 여기서 제1 상태와 제2 상태 사이에서 PCM의 전환은 광학 특성의 제1 조건과 광학 특성의 제2 조건 사이에서 단위 셀(104)의 광학 특성을 전환하도록 구성된다.
PCM은 결정질 상태와 비정질 상태 사이에서 전환하도록 구성될 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 상태는 PCM 상태의 다른 구성 일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, PCM은 2 개의 상이한 결정질 상태 사이를 전환하도록 구성될 수 있다.
단위 셀(104)은 다른 물질과 결합될 수 있는 PCM 층을 포함할 수 있다. 물질의 조합은 단위 셀의 광학적 특성을 정의할 수 있도록 물질의 층의 스택에 존재한다. 예를 들어, PCM 상태의 전환은 단위 셀(104)의 층들의 스택의 광학 특성에 영향을 미쳐서, 단위 셀(104)의 광학 특성의 상태가 PCM의 상태에 의해 제어될 수 있다.
예를 들어, PCM의 상태 전환은 예를 들어 PCM의 굴절률 및/또는 유전율에 영향을 줄 수 있으며, PCM 층 또는 PCM 층을 포함하는 스택은 주어진 파장의 입사광에 대해 고 반사에서 저 반사 상태로 전환될 수 있다.
따라서, 단위 셀(104)은 단위 셀(104)의 광학 특성의 상태를 제어하기 위한 PCM 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주어진 파장에 대한 단위 셀의 반사율 또는 투과율은 PCM의 상태에 크게 의존하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, PCM은 게르마늄, 안티몬 및 텔루륨의 화합물이다. 예를 들어, PCM은 Ge2Sb2Te5(GST)에 의해 형성될 수 있다. 이것은 비정질 상태와 결정질 상태 사이에서 변화할 수 있고 단위 셀(104)의 어레이(102)의 원하는 광학 특성을 제공하기 위해 적합하게 사용될 수 있는 물질이다.
그러나, PCM은 두 상태 사이의 전환에 기초하여 광학 특성의 변화를 제공하는 임의의 물질 일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. PCM은 예를 들어 온도(열변색성 물질)에 노출되거나 광(광변색성 물질)에 노출되거나 이와 같은 물질의 조합과 관련하여 상 변화를 겪을 수 있는 임의의 물질 일 수 있다. 예를 들어, VO2 및 V2O3와 같은 다수의 상이한 형태의 바나듐 산화물이 사용될 수 있다. PCM은 상기 언급된 바와 같은 바나듐 산화물과 같은 금속-산화물 물질, 아조벤젠-함유 폴리디아세틸렌(azobenzene-containing polydiacetyelenes)과 같은 중합체, 또는 디블록(diblock)(폴리[스티렌-비-이소프렌](poly[styrene-b-isoprene])) 공중합체와 같은 나노 구조화 된 중합체로부터 형성된 열변색성 물질을 포함할 수 있다. PCM은 대안적으로 복굴절 물질과 같은 인가된 전기장에 기초하여 광학 특성의 상태를 변경하는 전기 광학 물질, 또는 가닛 및 강자성 금속과 같은 응용 자기 분야에 기초하여 광학 특성의 조건을 변경하는 자기 광학 물질 일 수 있다.
GST를 PCM으로 사용하는 특정 경우, 물질을 전환하면 구조가 플라즈 모닉(결정 상태)에서 유전체(비정질 상태) 안테나로 변경되고, 이는 매우 유사한 공진을 나타내지만 상이한 파장에서 단위 셀(104)의 구조를 주어진 파장에 대해 높은 반사성에서 낮은 반사성 상태로 변화시킬 수 있게 한다.
GST 상태를 전환하면, 광학 특성이 크게 변경되어 굴절률 및 유전율의 실수 부와 허수 부 모두에서 큰 변화가 발생한다. GST는 결정 상태에서 유전율의 음의 실제 부분을 가지고 있다. 이는 금속성 거동을 나타내므로 플라즈몬 공진을 지원한다. 비정질 상태에서, GST는 유전율의 양의 실제 부분을 가지고 있으며, 큰 허수 부분과 함께 매우 손실이 큰 유전체로 작용한다.
단위 셀(104) 내의 PCM은 열적으로 전환될 수 있지만(GST에 대해서는), 이에 제한되지는 않는다. 상이한 실시예에서, 전기 광학 물질은 광 자기 물질이 대안적인 구현으로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 단위 셀에서 국부적으로 상 변화 물질의 상태의 전환을 유도하기 위해 제어 신호를 단위 셀(104)과 관련된 전극에 전송함으로써; PCM을 국부적으로 가열하거나, PCM을 국부 전기장 또는 자기장에 가함으로써, PCM의 상태의 제어는 예를 들어 단위 셀(104)을 개별적으로 어드레싱 함으로써 제공될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
광학 장치(100)는 가시 광빔 파장에 적합하게 사용될 수 있는데, 이는 사람들이 3 차원 광 필드를 볼 수 있음을 의미하기 때문이다. 홀로그램 이미지 생성과 같은 많은 응용 프로그램에서, 가시 파장의 사용이 바람직하다. 그러나, 광학 장치(100)는 대안적으로 근적외선, 적외선 또는 자외선 파장과 같은 다른 파장과 함께 사용될 수 있다. 따라서, 단위 셀(104)은 단위 셀(104)의 광학 특성의 조건의 전환이 원하는 동작 파장에 대한 단위 셀(104)의 강한 효과를 제공하도록 구성될 수 있다.
단위 셀(104)의 어레이(102)는 단위 셀(104)의 복수의 서브 세트(110, 112)를 포함할 수 있고, 서브 세트(110, 112)는 단위 셀(104)의 상이한 해칭(hatching)에 의해 도 1에 도시되어 있다. 서브 세트(110, 112)는 분리될 수 있어서, 어레이(102) 내의 각각의 단위 셀(104)은 단일 서브 세트의 일부이다.
서브 세트(110, 112)의 단위 셀(104)은 활성 또는 비활성 사이에서 공동으로 제어될 수 있다. 단위 셀(104)이 활성화되면, 단위 셀(104)은 3 차원 광 필드의 분포를 함께 정의하는 단위 셀 세트(104)의 일부이다. 단위 셀(104)이 비활성화되면, 단위 셀(104)은 광학 장치(100)에 의해 현재 형성되고 있는 3 차원 광 필드의 분포를 정의하기 위한 단위 셀 세트(104)의 일부가 아니다.
따라서, 서브 세트(110, 112)는 활성 또는 비활성 사이에서 전환될 수 있다. 활성 서브 세트(110, 112), 서브 세트(110, 112)의 모든 단위 셀(104)은 활성화되어 광학 장치(100)에 의해 형성된 3 차원 광 필드의 분포를 정의하는데 기여한다. 비활성 서브 세트(110, 112), 서브 세트(110, 112)의 모든 단위 셀(104)은 비활성이고 광학 장치(100)에 의해 형성된 3 차원 광 필드의 분포를 정의하는 데 기여하지 않는다.
3 차원 광 필드의 분포를 형성할 때, 광학 장치(100)는 적어도 하나의 활성 서브 세트(110, 112)를 가질 수 있다. 따라서, 하나 이상의 서브 세트(110, 112)는 한 번에 활성화될 수 있다. 각각의 단위 셀(104)이 설정되어야 하는 광학 특성의 조건을 간단하게 결정하기 위해, 단일 서브 세트(110, 112)만이 한 번 활성화될 수 있다.
단위 셀(104)이 비활성화되면, 단위 셀(104)은 3 차원 광 필드의 분포 형성에 기여하지 않는다. 따라서, 단위 셀(104)은 비활성화되는 동안, 단위 셀(104)이 광학 특성의 제1 조건 또는 광학 특성의 제2 조건으로 설정될 수 있는지를 제어하기 위해 전환될 수 있다. 이는 비활성 서브 세트(110, 112)가 각 단위 셀(104)이 광학 특성의 원하는 조건으로 설정되어 비활성 상태로 준비될 수 있음을 의미하고, 서브 세트(110, 112)가 비활성에서 활성으로 전환될 때, 서브 세트(110, 112) 내의 활성 단위 셀(104)은 3 차원 광 필드의 원하는 분포가 광학 장치(100)에 의해 형성되는 것을 즉시 보장할 수 있다.
이러한 방식으로, 비활성 서브 세트(110, 112)의 사용은 다음 프레임(3 차원 광 필드의 분포)의 정보의 기록이 비활성 서브 세트(110, 112)의 단위 셀(104)에 기록될 수 있게 한다. 기록 동작을 수행하기 위한 것, 예를 들어, 홀로그램 비디오를 보는 시청자의 경험에 영향을 준다.
이후, 광학 장치(100)가 3 차원 광 필드의 전류 분포를 형성하는 것으로부터 3 차원 광 필드의 다음 분포를 형성하는 것으로 업데이트 될 때, 활성 서브 세트(110)를 전환함으로써 매우 빠른 동작이 수행될 수 있고, 112는 비활성이고 비활성 서브 세트(110, 112)는 활성으로 전환된다.
3 차원 광 필드의 형성된 분포의 정확한 제어가 달성되도록 하기 위해 활성 단위 셀(104)의주기는 작동 파장보다 낮을 수 있다. 주기는 바람직하게는 더욱 정확한 제어를 위해 작동 파장의 절반 미만일 수도 있다. 일 실시예에서, 따라서, 활성 단위 셀(104)의 주기성은 100 nm 정도일 수 있다.
광학 장치(optical device)(100)는 광 셔터 구조(light shutter structure)(120)를 포함할 수 있고, 이는 서브 세트(subset)(110, 112)가 활성인지 비활성인지를 공동으로 제어하기 위해 각각의 서브 세트(110, 112)와 연관된 개별 셔터(sgutter)(122)를 가질 수 있다.
광 셔터 구조(120)는 복수의 셔터(122)를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 셔터(122)는 단일 서브 세트(110, 112) 내의 복수의 단위 셀(104)과 연관될 수 있다. 일부 실시예, 단일 셔터(122)는 서브 세트(110, 112)의 모든 단위 셀(104)과 연관될 수 있다.
광 셔터 구조(120)는 이하에 상세히 설명되는 바와 같이 많은 다른 방식으로 구현될 수 있다. 액티브 이거나 패시브 일 수 있다. 특히 패시브 광 셔터 구조(120)의 경우, 입사 광빔(106)의 특성은 광빔(106)과 광 셔터 구조(120) 사이의 상호 작용을 제어하여 서브 세트(110, 112)가 활성인지 비활성인지를 정의하기 위해 제어될 수도 있다. 예를 들어, 광빔(106)의 편광이 제어될 수 있다.
광학 장치(100)의 투영 형상 구조에 따라, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 단위 셀(104)의 어레이(102) 및 셔터 패턴(120)에 대한 상이한 배열이 필요할 수 있다. 도 2a는 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 입사 광빔(106)을 반사시키도록 구성된 광학 장치(100)를 도시한다. 도 2b는 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 입사 광빔(106)을 투과시키도록 구성된 광학 장치(100)를 도시한다.
도 2a-b의 도시된 실시예에서, 개별 단위 셀(104)의 50 nm의 픽셀 피치가 나타난다. 이러한 픽셀 피치로, 2x2 단위 셀(104)은 100 nm면을 갖는 정사각형 내에 맞을 것이다. 이는 단위 셀(104)의 4 개의 서브 세트(110, 112, 114, 116)가 단위 셀(104)의 어레이(102)에 정의될 수 있고, 각각의 서브 세트(110, 112, 114, 116)는 100 nm의 유효 피치를 갖는다. 각각의 서브 세트(110, 112, 114, 116)에 속하는 단위 셀(104)은 단위 셀(104)의 상이한 해칭에 의해 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다.
하나의 서브 세트(110)는 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 활성화될 수 있다. 이것은 활성 서브 세트(110)와 관련된 백색 영역을 포함하는 광 셔터 구조(120)에 의해 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 즉, 광 셔터 구조(120)는 입사 광빔(106)이 활성 서브 세트(110)에서 단위 셀(104)에 도달하게 한다. 또한, 광 셔터 구조(120)는 비활성 서브 세트(112, 114, 116)와 관련된 흑색 영역을 포함하는데, 즉 광 셔터 구조(120)는 입사 광빔(106)이 비활성 서브 세트(112, 114, 116)에서 단위 셀(104)에 도달하는 것을 방지한다.
도 2a-b의 실시예에서, 4 개의 픽셀 중 1 개가 동시에 활성화되고, 광학 장치(100)는 서브 세트(110)가 활성화될 때 주어진 시점에 도시되어 있다. 비활성 서브 세트(112, 114, 116)의 단위 셀(104)은 그 때 다음 프레임(들)의 3 차원 광 필드의 분포를 인코딩하기 위해 기록되고 있다.
도 2a-b는 4 개의 서브 세트(110, 112, 114, 116)를 포함하는 광학 장치(100)를 도시하지만, 다른 개수의 서브 세트, 예컨대 2 개 또는 3 개의 서브 세트가 어레이(102)에 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
3 차원 광 필드의 분포 형성을 위한 반사 형상(도 2a에 도시된 바와 같은) 및 투과 형상(도 2b에 도시된 바와 같은)의 경우, 셔터 구조(120)의 기능은 상이한 성질을 가져야 한다. 두 형상 모두, 개방 셔터 구조(120)는 입사 광빔(106)을 투과(일부)해야 하고, 폐쇄 셔터 구조(120)는 광의 투과를 적어도 부분적으로 방지해야 한다.
도 2a의 반사 형상에서, 폐쇄 셔터는 입사광을 반사하지 않는 것이 바람직하다. 이는 흡수 셔터 구조(120)가 가장 잘 작동함을 의미한다. 도 2b의 투과 형상에서, 셔터 구조(120)는 폐쇄 상태에서 반사 및/또는 흡수 일 수 있고, 반사 및 흡수 모두에 대해, 광 셔터 구조(120)는 광학 장치(100)에 의해 형성될 3 차원 광 필드의 분포와 간섭을 일으키지 않기 때문이다.
또한 도 2b의 투과 형상에서, 단위 셀들(104)의 어레이(102) 및 광 셔터 구조(120)의 위치는 또한 장치의 임의의 기능을 변경하지 않고 전환될 수 있다. 즉, 광빔(106)은 단위 셀(104)의 어레이(102)에 입사될 수 있다. 이어서, 단위 셀(104)의 어레이(102)로부터 투과된 광은 광 셔터 구조(120)에 입사될 수 있고, 이에 의해, 광 셔터 구조(120)는 단위 셀(104)이 3 차원 광 필드의 분포 형성에 기여할 수 있는 지의 여부를 선택하기 위해 광이 추가로 투과될지 여부를 선택할 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, 광 셔터 구조(120)는 단위 셀(104)의 어레이(102)와 관련하여 배열되며, 및 광 셔터 구조(120)가 광 셔터 구조(120) 상의 입사 광이 단위 셀(104)이 비활성인지 또는 활성인지를 선택하기 위해 광 셔터 구조(120)와 연관된 단위 셀(104)에 도달하는지를 선택하도록 제어 가능하다.
다른 실시예에서, 광 셔터 구조(120)는 단위 셀(104)의 어레이(102)와 관련하여 배열되며, 및 광 셔터 구조(120)는 광 셔터 구조(120) 상의 입사광이 단위 셀(104)가 활성 또는 비활성인지 여부를 선택하기 위해 3 차원 광 필드의 분포의 형성에 기여하도록 단위 셀(104)에 의해 투과될 광을 허용하는지 여부를 선택하도록 제어 가능하다.
본 개시의 나머지 부분에서, 반사 형상에 대해 다른 구현이 설명되어 있다. 그러나 투과 형상을 적절히 조정하면, 이러한 구현들은 또한 투과 형상에서 사용될 수 있다.
광의 차단은 다른 형상에서 달성될 수 있으며, 이는 다양한 실시예들과 관련하여 아래에서 논의될 것이다. 2 개의 실시예가 도 3a-b에 도시되어 있다.
가장 간단한 구현(도 3a에 설명)에서, 단위 셀(104)의 어레이(102)와 광 셔터 구조(120)의 패턴은 동일한 밀도 및 어드레싱을 갖는다. 이러한 구현은 일부 실시예에서 동일한 구성 요소를 사용하여 단위 셀(104)에서 광학 특성의 전환 가능한 조건을 제공하고 단위 셀(104)이 활성인지 비활성인지를 제어하기 위해 광 셔터 구조(120)의 전환을 제공할 수 있다.
이러한 구현에서, 서브 세트(110, 112, 114, 116)와 관련된 모든 광 셔터에 대해 동일한 동작이 수행되어야 하기 때문에, 광 셔터 구조(120)의 어드레싱은 더 간단할 것이다.
도 3a의 광 셔터 구조(120)의 구현에 대한 변형이 도 3b에 도시되어 있고, 여기서 2 개의 서브 세트(110, 112)는 2 개의 단위 셀(104) 중 1 개가 동시에 활성화되도록 정의된다. 서브 세트(110, 112)는 바둑판 패턴으로 배열되며, 여기서 서브 세트(110, 112)의 유효 피치는 어레이(102)에서 단위 셀(104)의 피치와 관련하여
Figure pct00001
의 지수만큼만 증가된다. 이 형상에서, 광 셔터(122)는 간단한 라인 전극에 의해 어드레싱 될 수 있고, 교차점 어드레싱이 필요한 경우의 도 3a의 실시예와 비교하여 이는 광 셔터 구조(120)의 어드레싱을 단순화한다.
광 셔터 구조(120)의 다른 구현이 도 4a-d에 도시되어 있으며, 여기서 서브 세트(110, 112, 114, 116)의 유효 피치는 구현에 따라 적어도 1 차원(행/열)으로 증가된다.
도 4a에 도시된 실시예에서, 어레이(102) 내의 단위 셀(104)의 각각의 열은 세 장형 셔터(122)를 공유한다. 이러한 패턴은 간단한 라인 전극에 의해 셔터(122)를 제어할 수 있게 한다. 셔터(122)가 다수의 열을 덮는 변형은 접촉 전극에 대한 덜 엄격한 제한으로 동일한 간단한 어드레싱으로부터 이익을 얻을 수 있다.
도 4b 및 4c에 도시된 실시예에서, 2x2 단위 셀(104)의 클러스터를 커버하는 셔터(122)가 제공된다. 도 4b의 실시예는 어레이(102)의 2 개의 서브 세트(110, 112)를 정의하고, 여기서 단위 셀(104)의 2 개의 클러스터 중 1 개가 동시에 활성화된다. 도 4c의 실시예는 4 개의 서브 세트(110, 112, 114, 116)를 정의하고, 여기서 단위 셀(104)의 4 개의 클러스터 중 1 개가 동시에 활성화된다.
도 4b의 실시예는 다시 라인 전극에 의해 광 셔터 구조(120)의 매우 간단한 접촉을 허용한다. 도 4c의 실시예에서, 주요 이점은 광 셔터 구조(120)를 제어하는데 필요한 전극의 밀도가 감소한다는 것이다(도 3a의 실시예와 비교).
도 4a-c에 도시된 실시예들에 대한 변형들이, 셔터(122)가 NxM 행 및 열을 커버하는 경우, 3 차원 광 필드의 분포를 형성하는 액티브 서브 세트(110)에서 단위 셀(104)의 작은 피치를 여전히 유지하면서도, 광 셔터 구조(120)에 대한 제어 전극의 복잡성을 감소시킬 수 있다.
액티브 서브 세트(110)에서의 단위 셀(104)의 분할 또는 배열은 3 차원 광 필드의 원하는 분포를 형성하기 위해 각각의 단위 셀(104)에 대해 설정될 광학 특성의 조건의 계산에 영향을 줄 것이다. 또한, 액티브 서브 세트(110)에서의 단위 셀(104)의 분할 또는 배열은 달성될 수 있는 이미지 품질에 영향을 줄 수 있다.
따라서, 광 셔터 구조(120) 및 3 차원 광 필드의 원하는 분포의 가장 효율적인 계산을 제어하기 위한 전극의 가장 실제적인 구현을 찾기 위해 서브 세트(110, 112, 114, 116)에서 단위 셀(104)의 이미지 품질과 분할 정도 사이에 절충이 있을 수 있다.
도 4d에서, 서브 세트(110, 112, 114, 116)의 분할이 나란히 수행되는 실시예가 도시되어 있다. 각각의 서브 세트(110, 112, 114, 116)는 별도의 칩으로 형성될 수 있으며, 칩들은 서로 밀접하게 배열될 수 있다. 따라서, 각각의 서브 세트(110, 112, 114, 116)는 단위 셀(104)의 서브 어레이를 형성할 수 있다. 도 4d의 실시예에서, 2x2 서브 어레이의 어레이는 3 차원 광 필드의 상이한 분포의 순차적 형성을 위해 사용된다.
상기 실시예는 일반적으로 단일 작동 파장에 적용될 수 있는 광 셔터 구조(120)를 설명하고, 즉, 단일 파장의 단일 광빔(106)이 광학 장치(100)에 입사된다. 그러나 홀로그램 비디오의 실제 디스플레이와 같은 많은 응용 분야에서, 여러 컬러를 사용해야 할 수도 있다.
이와 같이, 상기 예시된 분할 방식(segmentation scheme)은 다중 컬러 동작을 위해 확장될 수 있다. 다중 컬러 동작은 광학 장치(100)에 컬러 필터를 추가하는 것을 요구할 수 있다. 컬러 필터(130)는 예를 들어 단위 셀(104)의 어레이(102)가 형성된 기판 상에 통합될 수 있다. 컬러 필터(130)는 단일 단위 셀(104)과 관련되도록 배열될 수 있고, 각각의 단위 셀(104)은 단위 셀(104)에 의해 수신될 동작 파장을 제어하기 위한 각각의 컬러 필터와 연관될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 조명은 특정 컬러로 단위 셀(104)의 어레이(102)의 특정 영역을 선택적으로 조명하기 위해 마스킹 될 수 있다.
다시, 컬러 필터(130)와 조합된 서브 세트(110, 112, 114, 116)의 분할을 위해 이루어진 선택은 상이한 컬러에 대한 3 차원 광 필드의 원하는 분포를 형성하기 위하여 각각의 단위 셀(104)에 대해 설정될 광학 특성의 상태를 계산하기 위한 알고리즘에 추가적인 영향을 미칠 수 있다. 이 정도로, 개별 셔터(122)에 의해 커버되는 더 큰 분할 영역은 계산에 덜 영향을 줄 것이고, 알고리즘 복잡성 및 요구된 이미지 품질에 모두에 관하여 가장 실용적인 분할 관점에서 최적이 추구될 수 있다.
단위 셀(104)의 어레이(102)와 관련된 컬러 필터(130)의 가능한 레이아웃의 두 가지 실시예가 도 5a-b에 도시되어 있다. 컬러 필터(130)는 청색 광이 투과될 수 있게 하는 컬러 필터(130)를 도시하기 위해 라인 해치 패턴(lined hatch pattern), 녹색 광이 투과될 수 있게 하는 컬러 필터(130)를 도시하는 점선 해치 패턴, 및 적색 광이 투과될 수 있게 하는 컬러 필터(130)를 예시하기 위한 크로스 라인 해치 패턴을 사용하여 도 5a 및 도 5b에 도시된다.
도 5a의 실시예는 적색, 녹색 및 청색의 3 개의 목표 컬러에 대해 동일한 개수의 단위 셀(104)을 정의했으며, 도 5b의 실시예는 YUV 컬러 인코딩 시스템의 사용을 도시한 반면, 디스플레이 및 카메라 응용 프로그램에서 일반적으로 사용된다. 도 5b의 실시예에서, 적색 및 청색에 비해 녹색 광에 대해 2 배 많은 단위 셀(104)이 있으며, 컬러 필터(130)의 배열은 여전히 주기적 어레이로 나타난다. 적색 및 청색 단위 셀(104)의 주기성은 어레이(102)에서 단위 셀(104)의 개별 피치의 2 배이며, 녹색 단위 셀(104)의 주기성은 어레이(102)에서 단위 셀(104)의 개별 피치의 √2 배이다. 홀로그램 이미지를 표시하는 애플리케이션의 경우, 이러한 타일링은 상이한 컬러를 목표로 하는 전환 가능한 단위 셀(104)의 상이한 회절 효율을 보상하기 위해 사용될 수 있다.
다른 타일링 구성표의 경우, 3 차원 광 필드의 원하는 분포를 얻기 위해 상이한 광 셔터 구조(120)가 요구될 것이고, 계산 알고리즘은 3 차원 광 필드의 원하는 분포를 형성하기 위해 각각의 단위 셀(104)에 대해 설정될 광학 특성의 상태를 계산할 때 분할을 설명할 필요가 있을 것이다.
도 5a 및 도 5b의 구현에서, (다수의) 2x2 및 3x3 어레이를 덮는 셔터(122)(도 5a-b에 점선으로 표시된 예)는 각각의 셔터(122) 아래의 각각의 컬러와 연관된 단위 셀(104)의 동일한 형상 구조를 초래한다는 것을 쉽게 알 수 있다.
실제 구현에서, 도 5b에 도시된 바둑판 배열은 도 5a에 도시된 바둑판 배열과 비교하여 각각의 단위 셀(104)에 대해 설정될 광학 특성의 조건을 계산하기 위한 단순화된 계산을 야기할 수 있으며, 도 5b의 경우와 같이, 특정 컬러와 관련된 단위 셀(104)의 주기성은 고정되고 개별 단위 셀(104)은 정사각형 격자 상에 있다.
도 5b에 도시된 실시예에서, 적색 및 청색 단위 셀(104)은 개별 단위 셀(104)의 주기의 2 배인 정사각형 그리드 상에 배열되며, 녹색 단위 셀은 개별 단위 셀(104)의 주기의 √2 배인 45도 회전된 정사각형 그리드 상에 있다.
다른 실시예에서, 동일한 컬러를 목표로 하고 도 5a-b에 도시된 것과 유사한 패턴으로 배열된 NxM 단위 셀(104)의 클러스터를 그룹화하는 것이 유용할 수 있지만, 각각의 "픽셀"은 특정 파장을 목표로 하는 "마이크로 픽셀"(개별 단위 셀(104))의 어레이로 구성된 "매크로 픽셀"이다. 이러한 매크로 픽셀은 단일 컬러 필터(130)를 구비할 수 있고, 광 셔터(122)는 다른 컬러로 동작하는 다수의 매크로 픽셀과 다시 연관될 수 있다.
컬러 필터(130)는 단위 셀(104)의 어레이(102)가 형성된 기판에 통합될 수 있는 단순 유전체 다층 대역 통과 필터 일 수 있다. 또는, 원하는 패턴을 갖는 컬러 필터(130)는 광원의 앞에 또는 광원과 광학 장치(100) 사이의 광로의 임의의 곳에 배치될 수 있다. 이 경우, 컬러 필터(130)가 의도된 단위 셀(104)과 연관되도록 보장하기 위해 양호한 정렬 제어를 갖는 것이 중요할 것이다.
사용된 특정 아키텍처에 따라, 많은 상이한 유형의 광 셔터 구조(120)이 사용될 수 있다. 간단한 경우, 사용된 광 셔터 구조(120)는 단위 셀 레벨에서 구현되고, 작동 메커니즘에 상관없이, 동일한 유형의 전환 가능한 구성 요소가 단위 셀 층과 광 셔터 층 모두에 사용된다. 이러한 구현에서, 광 셔터(122)로부터의 반사/투과 강도 측면에서 양호한 온/오프 비가 필요할 수 있다.
광 셔터 구조(120) 및 단위 셀(104)에 대해 동일한 유형의 전환 가능한 구성 요소의 사용은 투과 형상(도 2b)에서 잘 작동할 것이며, 개방 셔터(122)가 "온" 상태의 단위 셀(104)과 동일한 상태에 있을 때(즉, 높은 광 투과율을 제공하도록 광학 특성의 조건을 설정), 반면에 폐쇄 셔터(122)는 "오프" 상태(즉, 광의 투과를 실질적으로 방지하기 위해 광학 특성의 조건을 설정)에서 단위 셀(104)과 동일한 상태에 있을 것이다. 이러한 구현을 위해, 광이 단위 셀(104) 및 광 셔터(122)를 통과한 후에, 광학 장치(100)로부터 충분한 광 강도를 갖기 위해, 온/오픈 상태에서의 투과 강도는 매우 클 필요가 있을 수 있다.
반사 형상(도 2a)에서, 광원으로부터 셔터(122)에 입사하여 단위 셀(104)로 전달될 때, 단위 셀(104)에 의해 반사되고 셔터(122) 위의 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 셔터(122)를 통과할 때, 광은 셔터(122)를 두 번 통과시킨다. 따라서, 셔터(122)는 다시 개방 상태에서 매우 투과성이면서, 폐쇄 상태에서는 매우 흡수성이어야 한다.
개방 상태에서, 광 강도의 메인 변조는 광 셔터(122)가 연관된 단위 셀(104)로부터 온 것이어야 한다. 폐쇄 상태에서, 인접한 액티브 단위 셀(104)에 의해 형성되는 3 차원 광 필드를 방해하는 반사를 발생시키지 않도록 광은 흡수되어야 한다. 한편, 단위 셀(104)의 경우, "온"상 태에서는 큰 반사가 요구되는 반면, "오프" 상태에서는 광이 단위 셀(104)이 형성된 기판을 향해 흡수되거나 투과될 수 있다.
서브 세트(110, 112, 114, 116)에서 단위 셀(104)의 주기성은 유리하게는 작동 파장보다 훨씬 낮을 수 있고, 셔터(122)는 개별 셔터(122)가 매우 작은 크기가 되는 필요를 피하기 위해 복수의 단위 셀(104)과 연관되도록 배열될 수 있다. 광 셔터(122)의 이러한 배열은 가시 또는 NIR 스펙트럼 영역에서의 작동 파장에 적어도 사용될 수 있다(더 긴 파장의 경우, 단위 셀(104)의 크기는 더 클 수 있고, 광 셔터(122)는 각각의 단위 셀(104)에 대해 개별적으로 보다 용이하게 형성될 수 있다). 따라서, 셔터(122)는 단위 셀(104) 보다 클 수 있고 복수의 단위 셀(104)과 연관될 수 있다.
셔터(122)에 대한 적절한 치수를 결정하는 단계는 3 차원 광 필드의 원하는 분포를 생성하기 위한 계산 알고리즘에 대한 광 셔터(122)의 영향을 고려하는 단계, 및 선택된 셔터 타입에 기초하여 셔터(122)를 구현하기 위한 실제적인 고려를 고려하는 단계를 포함한다. 광 셔터 구조를 구현하는 복수의 상이한 방식들 아래에서 설명될 것이다.
위에서 설명한 것처럼, PCM은 단위 셀(104)의 광학 특성의 상태를 제어하는데 유용할 수 있다. 투과형 형상의 경우, 적어도 투과 강도가 충분히 높은 경우, 유사한 설계가 광 셔터(122)로서 사용될 수 있다.
따라서, 광 셔터(122)는 PCM 층을 포함할 수 있고, 이는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 전환될 수 있고, 제1 상태와 제2 상태 사이에서 PCM의 전환은 광 셔터(122)를 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환하도록 구성된다.
PCM은 결정질 상태와 비정질 상태 사이에서 전환하도록 구성될 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 상태는 PCM 상태의 다른 구성일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, PCM은 2 개의 상이한 결정질 상태 사이를 전환하도록 구성될 수 있다.
광 셔터(122)는 예를 들어 물질 층의 스택에서 다른 물질과 결합될 수 있는 PCM 층을 포함할 수 있다. 물질의 조합은 광 셔터(122)의 개방 또는 폐쇄 상태를 정의할 수 있다. PCM의 상태의 전환은 예를 들어, 광 셔터(122)의 층들의 스택의 광학 특성에 영향을 미쳐서, 광 셔터(122)의 상태가 PCM의 상태에 의해 제어될 수 있게 된다.
위에서 설명한 것처럼, 반사 기반 형상의 경우, 광 셔터(122) 및 단위 셀(104)의 기능은 상이 할 것이다. 그러므로, 광 셔터(122)가 반사 기반 기하학적 구조에서 PCM을 사용하여 구현된다면, PCM을 사용하는 광 셔터(122)의 설계(예를 들어, PCM 층을 포함하는 층의 스택)는 PCM을 사용하는 단위 셀(104)의 설계와 상이해야 한다.
다른 실시예에 따르면, 광 셔터 구조(120)은 액정을 사용할 수 있다.
액정의 작동은 액정을 통과하는 광의 선형 편광을 회전시키는 데 달려 있다. 이것은 서로에 대해 90° 회전된 2 개의 선형 편광기 사이에 위치된다. 액정을 이용한 광 셔터(122)의 개방 상태에서, 액정에서 광의 편광이 90° 회전되어 광이 광 셔터(122)의 선형 편광기를 통해 투과되도록 한다. 광 셔터(122)의 폐쇄 상태에서, 광은 액정에서 전파될 때 초기 편광을 유지하고 따라서 광 셔터(122)의 선형 편광기를 통해 투과될 수 없다.
액정을 사용하는 기술은 매우 성숙하지만 현재 액정으로 실현할 수 있는 가장 작은 픽셀 크기는 수 미크론 크기로 제한된다. 편광의 회전은 나선형 배열을 형성하고 물리적으로 회전되어야 하고 광과 충분히 상호 작용하여 잘 수행되어야 하는 연장된 분자에 의해 달성된다. 이는 서브 파장 픽셀 피치를 갖는 단위 셀(104)의 어레이(102)에 대해, 액정을 사용하는 광 셔터(122)는 더 큰 픽셀 블록 또는 "매크로" 픽셀에만 적용될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 광 셔터 구조(120)는 전기 광학 효과를 사용할 수 있다.
전기 광학 효과(electro-optic effect)는 광의 주파수에 비해 느리게 변하는 전기장에 응답하는 물질의 광학적 특성의 변화이다. 가장 일반적인 변화는 외부 전기장의 함수로서 물질의 흡수 또는 물질의 굴절률 또는 유전율의 변화이다. 두 가지 메커니즘 모두 다양한 기본 효과에 의존하는 광 셔터(122)를 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 광 셔터(122)는 포켈스 효과(Pockels effect)(선형 전기 광학 계수) 또는 커 효과(Kerr effect)(2 차 전기 광학 계수)를 사용하여 굴절률을 변화시키는데 강한 전기 광학 효과를 나타내는 물질을 사용하여 구현될 수 있다. 포켈스 효과는 반전 대칭이 없고 일반적으로 커 효과보다 훨씬 강한 특정 결정질 물질에서 관찰될 수 있다. 포켈스 효과는 전자기파의 위상과 진폭을 모두 변경하는 데 사용할 수 있는 전기 광학 변조기에 대해 널리 연구되었다.
광 셔터(122)는 광 셔터(122)에 국부 전계를 인가하는 것에 기초하여 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 광 셔터 구조(120)는 광 자기 효과(magneto-optic effect)를 이용할 수 있다.
광 자기 효과는 자화에 응답하여 물질의 광학적 특성의 변화이다. 물질이 자화될 때, 시간 역전 대칭이 깨져서, 물질의 유전율 텐서(permittivity tensor)에서 대각선이 아닌 항(term)이 생긴다. 광이 그러한 물질과 상호 작용할 때, 물질로부터 투과 또는 반사될 때, 광의 편광 상태가 변경되어 광의 세기 및 위상이 변조된다. 전송 형태에서 이 효과를 패러데이 효과(Faraday effect)라고 하며, 반사에서 이를 자기 광학 커 효과(Magneto-Optical Kerr effect)(MOKE)라고 한다. 이러한 효과의 가장 일반적인 사용은 광 아이솔레이터(optical isolator)에서이고, 소위 패러데이 회전기(Faraday rotator)가 두 개의 선형 편광기와 함께 사용된다. 패러데이 회전기를 통해 선형 편광으로 전파되면, 광의 편광은 도 6에 도시된 바와 같이 물질의 자화에 의존하는 각도로 회전된다.
일반적인 광 아이솔레이터에서, 길이(d)는 회전 각(β)이 45°에 도달하도록 선택되어, 입력측에서 제1 편광자가 통과하는 수직 편광을 갖는 광이 출력 측에서 제2 편광자를 통과하게 하고, 제2 편광판은 제1 편광판에 대해 45 ° 회전된다.
출력 측에서 입력 측으로 광이 반대 방향으로 전파되면, 패러데이 회전기는 입력 측에서 광에 수평 편광을 제공한다. 그러므로 어떠한 광도 제1 편광기를 통해 투과되지 않을 것이다. 패러데이 회전기의 자화를 전환하면 회전 방향이 반대로 되어 이러한 장치가 광학 셔터로 작동할 수 있다.
그러나, 최신 가닛 기반 패러데이 회전기의 일반적인 회전 값은 0.1°/μm 정도이며 전파 길이가 상당히 길어야 한다. 따라서, 패러데이 회전기에 기초한 광 셔터(122)는 비교적 클 수 있다. 그러나 패러데이 회전기에서 45°회전을 완전히 할 필요는 없다. 따라서, 다른 편광기 각도로 작업함으로써, 보다 소형인 광 셔터(122)를 실현하는 것이 여전히 가능할 수 있지만, 전송된 전력 강도의 단점이 있다.
광 자기 효과를 이용하는 광 셔터(122)는 광 셔터(122)에 국부 자기장을 인가하는 것에 기초하여 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 광 셔터 구조(120)은 MEMS(microelectromechanical system) 또는 NEMS(nano-microelectromechanical system) 기반 구성 요소를 사용할 수 있다.
MEMS 기반 구성 요소는 다양한 유형의 디스플레이 장치에 사용되었다. 대부분의 작업은 주로 반사 프로젝션 디스플레이에 사용되는(거의 독점적으로) 마이크로 미러 어레이를 기반으로 한다. LED 백라이트를 사용한 투과형 디스플레이는 10μm의 작은 셔터 크기로 실현되었다. MEMS 기반 구성 요소의 투과 형상의 경우, MEMS 셔터를 사용하는 것은 매우 복잡할 것이다. 그러나, 마이크로 미러는 도 7에 도시된 바와 같이 단위 셀(104)의 어레이(102)의 선택된 부분을 조명하기 위한 효과적인 방법으로 사용될 수 있다.
도 7에 도시된 구성은 광학 장치(100)의 반사 형상 및 투과 형상 모두에 대해 작용할 것이다. MEMS 기반 광 셔터 구조(120)는 마이크로 미러(122)의 어레이를 포함하고, 여기서 각각의 마이크로 미러는 어레이(102)에서 하나 이상의 단위 셀(104)과 관련될 수 있다.
이러한 MEMS 기반 미러 시스템은 수 ㎛ 이하의 치수로 제조될 수 있으며, 따라서 MEMS 기반 구조에 의해 제어되는 마이크로 미러는 어레이(102)에서 서브 세트(110, 112, 114, 116)를 정의할 수 있는 광 셔터링을 수행할 수 있다. MEMS 기반 미러 시스템은 광을 수신하기 위해 단일 단위 셀(104)을 선택할 수 없을 수 있다. 오히려, 도 7에 도시된 픽셀은 각각 개별 단위 셀(104)이 아닌 단위 셀(104)의 클러스터를 나타낸다. 예를 들어, 5㎛의 거울 크기 및 50nm의 개별 단위 셀(104)의 피치에 대해, MEMS 기반 미러 시스템을 사용하는 광 셔터 구조(120)는 100x100 개별 단위 셀(104)을 포함하는 매크로 픽셀로 광을 분할할 것이다.
MEMS 기반 미러 시스템은 또한 도 8에 도시된 바와 같이, 조명하는 매크로 픽셀의 목표 파장만을 전송하는 대역 통과 필터를 각각의 미러(122)에 구비함으로써 다중 컬러로 다중화 할 수 있다.
MEMS 기반 미러 시스템을 사용하는 광 셔터(122)는 단위 셀(104)의 어레이(102)를 향해 광을 반사시키고 또는 상기 어레이에 도달하지 못하도록 다른 방향으로 광을 지향하는 위치에 마이크로 미러를 설정하기 위해 마이크로 미러(122)와 연관된 마이크로 전자 기계 액티베이터(microelectromechanical activator)를 제어함으로써 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 광 셔터 구조(120)는 패시브 광 편광기를 사용할 수 있다.
단위 셀(104)의 2 개의 서브 세트(110, 112)를 정의하는 간단한 구현(단일 동작 파장에 대해)은 각각의 서브 세트(110, 112)에 패시브(와이어-그리드) 선형 편광기를 구비하는 것이며, 여기서 각각의 서브 세트(110, 112)의 편광기는 서로에 대해 직교하게 배향된다. 이어서, 입사 광빔(106)의 선형 편광 상태를 변경함으로써 서브 세트(110, 112)가 활성화될 것인지의 제어가 수행될 수 있다. 이는, 예를 들어 선형 편광기, 광 탄성 변조기(PEM), 액정 또는 패러데이 회전기를 회전시켜 여러 가지 방식으로 달성될 수 있으며, 이는 광원 또는 광학 장치(100)와 연관될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 광 셔터 구조(120)는 액티브 편광기를 사용할 수 있다.
전환 가능한 형상에서, PCM 기반(와이어 그리드) 편광기는 서브 세트(110, 112)가 활성인지 비활성인지를 선택하는데 사용될 수 있다. 이러한 구현에서, 와이어 그리드 편광기의 주기성 및 듀티 사이클은 PCM의 한 상태에서 많은 광을 투과시키고 PCM의 다른 상태에서 많은 광을 흡수 또는 반사시키도록 선택되어야 한다. 이러한 구성에서, 제1 컬러를 목표로 하는 단위 셀(104)의 서브 세트는 조명을 위한 단일 선형 편광 상태를 사용하여 이미 온 또는 오프 될 수 있다. 다른 파장을 목표로 하는 단위 셀(104)의 제2 서브 세트는 그 후 제1 서브 세트의 편광기에 대해 90° 회전되는 전환 가능한 편광기를 구비할 수 있다. 더욱이, 제2 컬러의 입사 광빔은 또한 제1 컬러에 대해 90°로 회전되는 선형 편광을 가질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 광 셔터 구조(120)는 개별 광 셔터(122)가 상당히 큰 단위 셀(104)의 클러스터와 관련되거나 단위 셀(104)의 서브 어레이와 관련되어 있는 경우에 거시적 기계적 셔터를 사용할 수 있고, 기계식 셔터는 원하는 프레임 속도를 유지하기에 충분히 빠르게 전환되도록 설계한다.
어레이(102)의 단위 셀(104)이 단위 셀(104)의 광학 특성을 제공하기 위해 분극 의존적으로 만들어 질 때(예를 들어, 직교 선형 편광 상태로 어레이(102)를 조명하는 2 개의 상이한 파장으로 기능하기 위해), 편광 기반인 상기 언급된 모든 광 셔터 구조(120)는 추가적인 기능성을 얻기 위해 사용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 시스템(200)이 논의될 것이다. 시스템(200)은 전술한 실시예들 중 어느 하나에 따른 광학 장치(100)를 포함할 수 있다. 시스템(system)(200)은 작동 파장(들)의 조명 광을 제공하기 위한 하나 이상의 광원(light source)(202)을 더 포함할 수 있다.
더욱이, 시스템(200)은 단위 셀(104)의 어레이(102)의 원하는 조명을 보장하기 위해 광원(202)과 광학 장치(100) 사이의 경로에 배열될 수 있는 광학 구성 요소(들)를 포함할 수 있다.
상기 다양한 실시예들에서 언급된 바와 같이, 광 셔터 구조(120)는 단위 셀(104)의 어레이(102)가 형성된 기판과 통합될 수 있다. 또는, 광 셔터 구조(120)는 예를 들어 개별적으로 배열될 수 있으며, 광원(202)과 광학 장치(100) 사이의 광 경로에서 또는 광원(202)과 관련하여 장착될 수 있다.
시스템(200)은 광원(202), 광 셔터 구조(120) 및 광학 장치(100)의 서로에 대해 잘 제어된 장착을 제공하기 위한 하우징(204)에서 구현될 수 있다.
시스템(200)은 시스템(200)의 하나 이상의 기능을 제어할 수 있는 제어기(controller)(210)를 더 포함할 수 있다. 제어기(210)는 단위 셀(104)의 어레이(102)가 형성된 기판 상에 통합될 수 있고, 단위 셀(104)의 광학 특성의 조건을 전환하기 위해 제어 신호가 단위 셀(104)에 제공될 때의 제어를 제공할 수 있다. 또한, 제어기(210)는 광 셔터(122)를 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환하기 위해 광 셔터 구조(120)를 제어할 수 있다.
제어기(210)는 표시하고자 하는 홀로그램 영상의 정보를 수신하고, 3 차원 광 필드의 원하는 분포를 형성하기 위해 각 단위 셀(104)에 대해 설정될 광학 특성의 상태를 계산하는 알고리즘을 실행할 수 있다. 대안적으로, 제어기(210)는 외부 유닛으로부터 단위 셀(104)에 대해 설정될 광학 특성의 조건에 대한 정보를 수신할 수 있고, 알고리즘을 실행할 수 있다.
제어기(210)는 또한 광원(202)의 편광을 설정하고 단위 셀(104)의 서브 세트(110, 112)가 활성화될 타이밍으로 광학 장치(100) 상의 입사 광빔(106)의 편광을 동기화하기 위해 광원(202)을 제어할 수 있다.
제어기(210)는 중앙 처리 장치(CPU)와 같은 하나 이상의 처리 장치로서 구현될 수 있고, 이는 시스템(200)의 기능을 구현하기 위해 하나 이상의 컴퓨터 프로그램의 명령을 실행할 수 있다.
제어기(210)는 대안적으로 예를 들어 임베디드 시스템 또는 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit) 또는 필드-프로그래머블 케이트 어레이(Field-Programmable Gate Array)(FPGA)와 같이 특별히 설계된 처리 장치로 펌웨어 배열로 구현될 수 있다.
도 10을 참조하면, 3 차원 광 필드의 분포를 형성하는 방법이 논의될 것이다.
방법은 단위 셀의 어레이 상에 입사하는 광빔을 수신하는 단계(302)를 포함할 수 있다. 방법은 활성화될 단위 셀의 제1 서브 세트 및 비활성화 될 단위 셀의 제2 서브 세트를 선택하는 단계(304)를 더 포함한다.
활성 서브 세트의 단위 셀은 따라서 입사 광 빔을 수신하는 단위 셀에 의해 형성된 3 차원 광 필드의 분포를 함께 정의할 수 있다.
이 방법은, 단위 셀의 광학 특성을 광학 특성의 적어도 제1 조건 및 광학 특성의 제2 조건 중 적어도 하나로 제어하기 위해, 제2 서브 세트의 단위 셀이 비활성화되어 있지만, 단위 셀의 제2 서브 세트에서 단위 셀을 개별적으로 어드레싱 하는 단계(306)를 더 포함한다. 제2 서브 세트에서 단위 셀의 어드레싱을 통해, 단위 셀의 제2 서브 세트는 3 차원 광 필드의 분포를 형성하도록 프로그램 되고, 이는 서브 세트가 활성으로 전환될 때 형성된다.
이 방법은 단위 셀의 제1 서브 세트를 비활성으로 공동으로 전환하는 단계(308)를 더 포함하고, 제1 서브 세트의 단위 셀이 더 이상 광학 장치에 의해 형성된 3 차원 광 필드의 분포에 기여하지 않도록 한다. 이 방법은 활성화될 단위 셀의 제2 서브 세트를 공동으로 전환하는 단계(310)를 더 포함한다. 따라서, 광학 장치는 제2 서브 세트를 활성으로 전환한 후, 서브 세트가 비활성인 동안 단위 셀의 제2 서브 세트에 프로그래밍 된 3 차원 광 필드의 분포를 형성할 것이다.
위에서 본 발명의 개념은 제한된 수의 예를 참조하여 주로 설명되었다. 그러나, 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 전술한 것 이외의 다른 예는 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 개념의 범위 내에서 동일하게 가능하다.

Claims (15)

  1. 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치는:
    단위 셀의 어레이 - 상기 단위 셀의 어레이의 단위 셀은 상기 단위 셀의 광학 특성을 제어하기 위해 개별적으로 어드레싱 될 수 있고, 상기 단위 셀(104)의 어드레싱은 상기 단위 셀(104)의 광학 특성을 상기 광학 특성의 제1 조건과 상기 광학 특성의 제2 조건 사이에서 전환하도록 구성됨 -;
    를 포함하고,
    단위 셀(104)의 상기 어레이(102)에서 상기 단위 셀(104)은 선택적으로 활성 또는 비활성으로 구성되고 및 상기 단위 셀(104)의 어레이(102)는 단위 셀(104)의 적어도 제1 서브 세트(110; 112; 114; 116) 및 단위 셀의 제2 서브 세트(110; 112; 114; 116)를 포함하고, 상기 제1 서브 세트(110; 112; 114; 116)와 상기 제2 서브 세트(110; 112; 114; 116)는 분리되어 있고, 및 단위 셀(104)의 서브 세트(110; 112; 114; 116)의 상기 단위 셀(104)은 공동으로 비활성에서 활성으로 전환되도록 구성되고,
    상기 활성 단위 셀(104)은 입사 광빔(106)과 상호 작용하고 상기 3 차원 광 필드의 분포를 형성하는데 협력하도록 구성되고; 및
    상기 광학 장치(100)는 상기 단위 셀(104)이 비활성 일 때 단위 셀(104)의 광학 특성을 전환하기 위해 비활성 단위 셀(104)을 어드레싱 하도록 구성되는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 서브 세트(110; 112; 114; 116)의 단위 셀(104)은 단위 셀(104)의 어레이에서 상기 제2 서브 세트(110; 112; 114; 116)의 단위 셀(104)과 인터리빙 되어 배열되는
    장치.
  3. 제1항에 있어서,
    단위 셀(104)의 상기 제1 서브 세트(110; 112; 114; 116)는 단위 셀(104)의 제1 서브 어레이를 형성하고 및 단위 셀(104)의 상기 제2 서브 세트(110; 112; 114; 116)는 단위 셀(104)의 제2 서브 어레이를 형성하고 및 상기 제1 서브 어레이 및 상기 제2 서브 어레이는 공통 기판 상에 서로 인접하여 배열되는
    장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    단위 셀(104)의 각각의 서브 세트(110; 112; 114; 116)는,
    광의 제1 파장과 상호 작용하도록 구성된 제1 단위 셀 및 광의 제1 파장과 상이한 광의 제2 파장과 상호 작용하도록 구성된 제2 단위 셀
    을 포함하는
    장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    단위 셀(104)의 상기 어레이(102)와 관련하여 배열된 광 셔터 구조(120)를 더 포함하고,
    상기 광 셔터 구조(120)는 상기 광 셔터 구조(120) 상의 입사 광이 상기 광 셔터 구조(120)가 상기 단위 셀(104)이 비활성화 또는 활성화인지를 선택하기 위하여 연관되는 단위 셀(104)에 도달하는지를 선택하기 위해 제어 가능한
    장치.　
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광 셔터 구조(120)는 단위 셀(104)의 상기 제1 서브 세트(110; 112; 114; 116)에 의해 공유되는 제1 광 셔터 및 단위 셀(104)의 상기 제2 서브 세트(110; 112; 114; 116)에 의해 공유되는 제2 광 셔터를 포함하는
    장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광 셔터 구조(120)는 광 셔터 유닛의 어레이를 포함하고, 각각의 광 셔터 유닛은 단일 단위 셀(104)과 연관되고, 및
    상기 제1 서브 세트(110; 112; 114; 116)와 연관된 상기 광 셔터 유닛은 상기 제1 서브 세트(110; 112; 114; 116)에서 상기 단위 셀(104)이 비활성에서 활성으로 전환되도록 공동으로 제어되도록 구성되는
    장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 장치(100)는 상기 광 셔터 구조(120)에 제어 신호를 제공하는 제어 유닛(210)을 포함하고, 제어 신호는 상기 광 셔터 구조(120) 상의 입사 광이, 상기 상 변화 물질의 상태 변화, 편광 필터를 통과하는 제어 광에 대한 액정의 상태의 변화, 자기 광학 효과 유도, 편광 필터에 의해 투과된 광의 편광의 변화, 마이크로 전자 기계 시스템에서 엑추에이터의 움직임의 활성화, 또는 매크로 기계 셔터의 활성화에 기초하여, 상기 광 셔터 구조가 연관되는 단위 셀에 도달하는지를 제어하도록 구성되는
    장치.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 장치(100)는 단위 셀(104)의 상기 어레이(102)와 관련하여 배열된 패시브 편광 필터 세트를 포함하고,
    단위 셀(104)의 상기 제1 서브 세트(110; 112; 114; 116)는 제1 편광의 광을 투과시키도록 구성된 제1 편광 필터와 연관되고, 및
    단위 셀(104)의 상기 제2 서브 세트(110; 112; 114; 116)는 상기 제1 편광과 상이한 상기 제2 편광의 광을 투과시키도록 구성된 제2 편광 필터와 연관되는
    장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 셀(104)은 제1 상태와 제2 상태 사이에서 전환될 수 있는 상 변화 물질을 포함하고,
    상기 제1 상태와 상기 제2 상태 사이에서 상 변화 물질의 전환은 상기 광학 특성의 제1 조건과 상기 광학 특성의 제2 조건 사이에서 상기 단위 셀(104)의 상기 광학 특성을 전환하도록 구성되는
    장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 셀(104)는,
    상기 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위하여 입사 광빔(106)을 반사하는데 협력하도록 구성되는
    장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 단위 셀(104)은 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 입사 광빔(106)을 반사하는데 협력하도록 구성되는
    장치.
  13. 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위한 시스템(200)에 있어서,
    상기 시스템(200)은:
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 광학 장치(100); 및
    단위 셀(104)의 상기 어레이(102)에 입사되도록 광빔(106)을 방출하도록 구성된 광원(202)
    을 포함하는
    장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광원(202)에 의해 방출된 광의 편광을 제어하기 위한 제어기(210)
    를 더 포함하는
    장치.
  15. 3 차원 광 필드의 분포를 형성하는 방법에 있어서,
    단위 셀의 어레이 상에 입사하는 광빔을 수신하는 단계(302);
    활성화될 단위 셀의 제1 서브 세트 및 비활성화될 단위 셀의 제2 서브 세트를 선택하는 단계(304) - 단위 셀의 상기 제1 서브 세트는 단위 셀의 상기 제2 서브 세트로부터 분리됨 -;
    상기 광학 특성의 제1 조건 및 상기 광학 특성의 제2 조건 중 적어도 하나에 상기 단위 셀의 상기 광학 특성을 제어하기 위하여, 상기 제2 서브 세트의 상기 단위 셀이 비활성일 때, 단위 셀의 상기 제2 서브 세트의 상기 단위 셀을 개별적으로 어드레싱 하는 단계(306) - 단위 셀의 상기 제2 서브 세트는 상기 3 차원 광 필드의 분포를 형성하기 위해 상기 단위 셀의 개별 어드레싱에 의해 프로그래밍 됨 -;
    비활성화 될 단위 셀의 상기 제1 서브 세트를 공동으로 전환하는 단계(308); 및
    상기 3 차원 광 필드의 분포를 단위 셀의 상기 제2 서브 세트에 프로그래밍 된 분포로 변화시키기 위해 활성화되도록 단위 셀의 제2 서브 세트를 공동으로 전환하는 단계(310)
    를 포함하는
    방법.

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