KR20210100904A - 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치가 개시된다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 가간섭성의 광을 출력하는 광원; 복수개의 픽셀을 통해 상기 출력된 단위 광을 회절시켜 단위 홀로그램을 재현하는 디스플레이부; 및 상기 단위 홀로그램에 대응하는 복소 홀로그램 데이터를 획득하고, 상기 복소 홀로그램 데이터 및 상기 복수개의 픽셀의 소자 정보에 기반하여 상기 출력된 단위 광을 복소 변조하도록 상기 디스플레이부를 제어하는 프로세서를 포함하고, 상기 디스플레이부는, 상기 출력된 단위 광의 진폭 및 위상을 변조하는 복수개의 제1 변조 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기, 상기 진폭 변조된 단위 광의 위상을 변조하는 복수개의 제2 변조 픽셀을 포함하는 위상 마스크, 및 상기 위상 마스크를 통해 출력되는 광의 회절각을 확대하는 서브 픽셀 마스크를 포함할 수 있다.

Description

복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치{APPARATUS FOR DISPLAYING COMPLEX MODULATED HOLOGRAPHIC}

본 발명은 디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술에서 복소 변조 홀로그램을 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근에는 3차원 디스플레이 기술이 발전함에 따라 완벽한 시차와 깊이로 물체를 표현함으로써, 눈의 피로감과 어지러움 증상이 없게 되었다. 더 나아가, 홀로그래픽 디스플레이 기술은 시점의 이동에 따라 서로 다른 영상을 관찰할 수 있으며, 시청을 위한 부수적인 장치(예, 안경)가 필요 없는 다수의 시청이 가능한 궁극의 3차원 디스플레이 기술로까지 발전했다.

디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술은 주어진 물체로 발생되는 파면(wave-front)을 그대로 재생함에 따라 사람의 눈에 실제로 그 물체가 존재하는 것과 동일한 효과를 주는 기술이다. 또한, 디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술은 빛이 가지는 진폭 정보와 위상 정보를 모두 표현할 수 있는 디지털 홀로그램 및 이를 공간 상에 재현하는 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)을 이용하여 3차원 이미지를 공간상에 재현하는 기술이다.

한편, 공간 광 변조기는 진폭 또는 위상 중 하나만을 변조할 수 있어, 진폭 정보와 위상 정보를 포함하는 복소 홀로그램을 정확하게 표현할 수 없다는 단점이 있다. 진폭 변조 공간 광 변조기와 위상 변조 공간 광 변조기를 적층하여, 진폭 변조와 위상 변조를 동시에 수행하는 방법이 있으나, 비용이 많이 든다는 단점이 있다.

또한, 공간 광 변조기는 미리 설정된 진폭 또는 위상을 정확하게 변조할 수 있어야 한다. 다만, 공간 광 변조기의 패널의 픽셀 특성으로 인해, 진폭 제어에 따라 위상이 변하는 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복소 홀로그램의 진폭과 위상을 모두 표현하기 위한 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 공간 광 변조기의 진폭 제어에 따라 위상이 변하는 문제를 해결하기 위한 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 위상 변조 방식에 의해 줄어드는 시야각을 보상할 수 있는 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 개시의 일 양상에 따르면 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 홀로그래픽 디스플레이 장치가 개시된다. 상기 장치는 가간섭성의 광을 출력하는 광원; 복수개의 픽셀을 통해 상기 출력된 단위 광을 회절시켜 단위 홀로그램을 재현하는 디스플레이부; 및 상기 단위 홀로그램에 대응하는 복소 홀로그램 데이터를 획득하고, 상기 복소 홀로그램 데이터 및 상기 복수개의 픽셀의 소자 정보에 기반하여 상기 출력된 단위 광을 복소 변조하도록 상기 디스플레이부를 제어하는 프로세서를 포함하고, 상기 디스플레이부는, 상기 출력된 단위 광의 진폭 및 위상을 변조하는 복수개의 제1 변조 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기, 상기 진폭 변조된 단위 광의 위상을 변조하는 복수개의 제2 변조 픽셀을 포함하는 위상 마스크, 및 상기 위상 마스크를 통해 출력되는 광의 회절각을 확대하는 서브 픽셀 마스크를 포함할 수 있다.

본 개시의 일 양상에 따르면 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 홀로그래픽 디스플레이 장치가 개시된다. 상기 장치는 가간섭성의 광을 출력하는 광원; 복수개의 픽셀을 통해 상기 출력된 단위 광을 회절시켜 단위 홀로그램을 재현하는 디스플레이부; 및 상기 단위 홀로그램에 대응하는 복소 홀로그램 데이터를 획득하고, 상기 복소 홀로그램 데이터 및 상기 복수개의 픽셀의 소자 정보에 기반하여 상기 출력된 단위 광을 복소 변조하도록 상기 디스플레이부를 제어하는 프로세서를 포함하고, 상기 디스플레이부는, 상기 출력된 단위 광의 진폭 및 위상을 변조하는 복수개의 제1 변조 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기, 상기 진폭 변조된 단위 광의 위상을 변조하는 복수개의 제2 변조 픽셀을 포함하는 위상 변조부와, 상기 위상 변조부와 교차 배열되어 상기 제1 변조 픽셀에서 출력되는 광의 일부를 차단하는 블록킹부를 포함하는 위상 마스크를 포함할 수 있다.

본 개시에 대하여 위에서 간략하게 요약된 특징들은 후술하는 본 개시의 상세한 설명의 예시적인 양상일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에 따르면, 광원의 진폭 정보와 위상 정보를 모두 필요한 값만큼 변조할 수 있어, 복소 홀로그램을 재현할 수 있으며, 이에 따라 홀로그램의 노이즈 성분을 쉽게 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 진폭 변조를 위한 공간 광 변조기에 위상 변조만을 위한 위상 마스크를 병렬 배치함으로써, 공간 광 변조기에 광을 사입사할 필요 없이 정확한 위상 표현이 가능하다.

또한, 진폭 변조 시 위상이 일정하게 유지되거나, 혹은 위상이 변하는 경우에 대해서도 적용이 가능하도록 단위 광파를 새롭게 정의함으로써 진폭 변조 패널에서 진폭 제어에 따라 불규칙하게 변하는 위상을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 위상 변조 방식에 의해 줄어드는 시야각을 보상할 수 있다.

본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치를 도시한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 4개의 광 벡터가 나타난 복소 평면을 도시한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 복수개의 광 벡터가 나타난 복소 평면을 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 복수의 변조 광파를 도시한다.
도 5는 복수개의 변조 픽셀을 이용하여 복소 변조 홀로그램을 획득하는 과정을 도시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 위상 마스크를 도시한다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 광, 위상 변조 광파 및 진폭 변조 광파를 도시한다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 광파를 표현하는 단위 광 벡터를 나타낸다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 광 벡터에 의해 표현할 수 있는 복소 공간을 도시한다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구조를 예시하는 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치에 구비되는 위상 마스크 및 서브 픽셀 마스크의 구조를 예시하는 도면이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치에 구비되는 위상 마스크의 다른 예시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 개시의 실시 예를 설명함에 있어서 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면에서 본 개시에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 개시에 있어서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합" 또는 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결관계뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 존재하는 간접적인 연결관계도 포함할 수 있다. 또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소를 "포함한다" 또는 "가진다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 개시에 있어서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 특별히 언급되지 않는 한 구성요소들간의 순서 또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 따라서, 본 개시의 범위 내에서 일 실시 예에서의 제1 구성요소는 다른 실시 예에서 제2 구성요소라고 칭할 수도 있고, 마찬가지로 일 실시 예에서의 제2 구성요소를 다른 실시 예에서 제1 구성요소라고 칭할 수도 있다.

본 개시에 있어서, 서로 구별되는 구성요소들은 각각의 특징을 명확하게 설명하기 위함이며, 구성요소들이 반드시 분리되는 것을 의미하지는 않는다. 즉, 복수의 구성요소가 통합되어 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있고, 하나의 구성요소가 분산되어 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있다. 따라서, 별도로 언급하지 않더라도 이와 같이 통합된 또는 분산된 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다.

본 개시에 있어서, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들이 반드시 필수적인 구성요소들은 의미하는 것은 아니며, 일부는 선택적인 구성요소일 수 있다. 따라서, 일 실시 예에서 설명하는 구성요소들의 부분집합으로 구성되는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다. 또한, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들에 추가적으로 다른 구성요소를 포함하는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예들에 대해서 설명한다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치를 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 광원(110) 및 공간 광 변조기(130)를 포함할 수 있다.

홀로그램은 물체나 공간상으로부터 광파의 간섭 패턴 또는 간섭 패턴으로부터 복원된 영상을 의미한다. 홀로그래피 기술은 광파의 회절과 간섭 현상을 이용하여 홀로그램을 재현하는 기술이다.

홀로그램을 공간 상에 재현하기 위해서, 광원(110)은 간섭성(coherence)이 미리 설정된 수치보다 높은 가간섭성의 광(예를 들면, 레이저(laser))를 방출한다. 광원(110)은 가간섭성의 광을 방출하여 공간 광 변조기(130)로 전달할 수 있다.

공간 광 변조기(130)는 복수의 픽셀로 구성된다. 공간 광 변조기(130)는 홀로그램(또는 디지털 홀로그램)을 재현하기 위해 LC(liquid crystal), LCoS(liquid crystal on silicon) 또는 DMD(digital micro-mirror device)가 될 수 있다.

공간 광 변조기(130)에 구비되는 각 픽셀은 전달된 광의 위상 또는 진폭을 변경시킬 수 있다. 각 픽셀에 의해 위상 또는 진폭이 변경된 광은 각 픽셀에 마련되는 개구의 크기에 따라, 입사된 광의 각도와 비례하여 회절하여 퍼져 나가게 된다. 이러한 광학적 특성을 고려하여, 공간 광 변조기(130)는 복수의 픽셀을 이용하여 광(120)을 변조하고, 변조된 광(140)을 회절하여 전파함에 따라, 변조 및 회절된 광(140)이 서로 간섭하여 홀로그램(101)이 공간 상에 재현될 수 있다.

공간 광 변조기(130)의 각 복수의 픽셀은 전달된 광을 회절시킬 수 있다. 복수의 픽셀은 전달된 광을 미리 설정된 각도로 회절시킬 수 있으며, 회절 각도는 복수의 픽셀 사이의 픽셀 피치에 따라 결정된다.

공간 광 변조기(130)는 복수의 픽셀을 이용하여 광(120)을 회절시키고, 광(120)을 변조하여 변조된 광(140)을 획득하며, 변조된 광(140)이 서로 간섭하여 홀로그램(101)이 공간 상에 재현될 수 있다.

공간 광 변조기(130)는 광(120)의 진폭을 변조하거나, 광(120)의 위상을 변조할 수 있다. 예를 들면, 공간 광 변조기(130)는 광(120)의 진폭을 a배(a는 양의 실수)만큼 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 공간 광 변조기(130)는 광(120)의 위상을 X(X는 -2π와 2π 사이의 실수)만큼 지연(혹은 이동)시킬 수 있다.

다만, 본 명세서에서, 공간 광 변조기(130)는 광(120)의 진폭 및 위상 중 진폭만을 변조할 수 있는 것으로 가정하여 설명한다.

홀로그램을 재현하기 위한 홀로그램 데이터는 복소값으로 구성된다. 즉, 홀로그램 데이터는 진폭값과 위상값을 가지는 복소 홀로그램(x + jy)으로 정의할 수 있다. 공간 광 변조기(130)는 복소 홀로그램에 기반하여 광의 진폭값 만을 변조할 수 있다. 이하, 광(120)의 진폭값만을 변조하면서 복소값인 홀로그램 데이터를 표현하기 위한 방법을 설명한다.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 4개의 광 벡터가 나타난 복소 평면을 도시한다.

본 명세서에서 사용되는 모든 광은 모두 하나의 기준광으로부터 발생하므로, 파장이 동일하여 페이져로 표현할 수 있으며, 복소값은 a×e^(jX)로 표현할 수 있다. 즉, 정확한 복소 홀로그램을 표현하기 위해서는 표현하고자 하는 복소값(벡터)의 크기(a)와 위상(x)를 정확하게 표현할 수 있어야 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 광(120)을 이용하여 복소 홀로그램을 표현하기 위한 4개의 변조 광파를 획득할 수 있고, 4개의 변조 광파를 이용하여 복소 홀로그램을 표현하고, 복소 홀로그램을 이용하여 홀로그램을 재현할 수 있다. 복소 홀로그램은 벡터 형식으로 표현될 수 있으며, x + jy로 표현될 수 있다.

복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 4개의 변조 광파에 각각 대응하는 4개의 광 벡터를 이용하여 복소 홀로그램 x + jy를 표현할 수 있다. 예를 들면, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 a×e^(0)의 제1 광 벡터, b×e^(jπ/2)의 제2 광 벡터, c×e^(-jπ)의 제3 광 벡터 및 d×e^(-jπ/2)의 제4 광 벡터의 a, b, c, d 값을 결정하고, 제1 내지 제4 광 벡터의 조합을 이용하여 x + jy값을 표현할 수 있다.

즉, x+jy는 a×e^(0) + b×e^(jπ/2) + c×e^(-jπ) + d×e^(-jπ/2)로 표현할 수 있다. 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 미리 설정된 조건 및 x값, y값에 기반하여 제1 내지 제4 광 벡터의 a, b, c, d값을 결정할 수 있다.

복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 공간 광 변조기(130)의 복수의 픽셀들 중 4개의 인접한 픽셀들을 이용하여 광(120)을 이용하여 a, b, c, d만큼 진폭 변조된 제1 내지 제4 변조 광파를 획득하고, 제1 내지 제4 변조 광파를 이용하여 복소값 x + jy으로 표현되는 복소 홀로그램을 표현할 수 있다.

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 복수개의 광 벡터가 나타난 복소 평면을 도시한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 광(120)을 이용하여 복소 홀로그램을 표현하기 위한 복수개의 변조 광파를 획득할 수 있다. 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 복수개의 변조 광파를 이용하여 복소 홀로그램을 표현하고, 복소 홀로그램을 이용하여 홀로그램을 재현할 수 있다.

복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 복수개의 변조 광파에 각각 대응하는 복수개의 광 벡터를 이용하여 복소 홀로그램 x + jy를 표현할 수 있다. 예를 들면, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 a×e^(0)의 제1 광 벡터, b×e^(j2π/3)의 제2 광 벡터, c×e^(-j2π/3)의 제3 광 벡터의 a, b, c 값을 결정하고, 제1 내지 제3 광 벡터의 조합을 이용하여 x + jy값을 표현할 수 있다.

즉, x+jy는 a×e^(0) + b×e^(j2π/3) + c×e^(-j2π/3)로 표현할 수 있다. 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 미리 설정된 조건 및 x값, y값에 기반하여 제1 내지 제3 광 벡터의 a, b, c값을 결정할 수 있다.

복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 공간 광 변조기(130)의 복수의 픽셀들 중 복수개의 인접한 픽셀들을 이용하여 광(120)을 이용하여 a, b, c만큼 진폭 변조된 제1 내지 제3 변조 광파를 획득하고, 제1 내지 제3 변조 광파를 이용하여 x + jy으로 복소 홀로그램을 표현하며, 복소 홀로그램 x + jy를 이용하여 홀로그램을 재현할 수 있다.

도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 복수의 변조 광파를 도시한다.

상기의 도 2과 같은 위상이 90도씩 차이가 나는 4개의 광 벡터로 표현되는 4개의 변조 광파 또는 도 3과 같은 위상이 120도씩 차이가 나는 복수개의 광 벡터로 표현되는 복수개의 변조 광파를 획득하기 위해서, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 도 4와 같이 광(120)을 공간 광 변조기로 θ각도 만큼 사입사하여 4개 또는 복수개의 변조 광파를 획득한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(400)는 복소값(x + jy)으로 표현되는 복소 홀로그램(401)을 표현하기 위해, 광원(120)으로부터 출력된 광(420)을 공간 광 변조기의 복수의 픽셀(431, 432, 433) 방향으로 θ각도 만큼 사입사할 수 있다. 이 경우, 제1 복소 변조 픽셀(431)로 입사되는 단위 광파와 제2 복소 변조 픽셀(432)로 입사되는 단위 광파의 위상 차이, 제2 복소 변조 픽셀(431)로 입사되는 단위 광파와 제3 복소 변조 픽셀(433)로 입사되는 단위 광파의 위상 차이는 k×Δx(k는 공간주파수, Δx는 픽셀 피치)가 될 수 있다.

도 2와 같이 4개의 변조 픽셀을 이용하는 경우, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(400)는 k×Δx을 90도(또는 π/2)로 정할 수 있다. 도 3과 같이 복수개의 변조 픽셀을 이용하는 경우, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(400)는 k×Δx을 120도(또는 2π/3)로 정할 수 있다.

위와 같이 k×Δx씩 위상 차이가 나는 단위 광파를 획득하면, 제1 변조 픽셀(431), 제2 변조 픽셀(432) 및 제3 변조 픽셀(433)은 각각 단위 광파에 a, b, 또는 c만큼 진폭값을 곱하는 방식으로 진폭 변조하여 제1 변조 광파(a)(441), 제2 변조 광파(b×e^(k×Δx)) 및 제3 변조 광파(c×e^(k×Δx))를 획득할 수 있다. 이를 통해, 제1 변조 픽셀 내지 제3 변조 픽셀(431-433)은 a + b×e^(k×Δx) + c×e^(k×Δx)의 복소값을 생성할 수 있고, a + b×e^(k×Δx) + c×e^(k×Δx)의 복소값을 이용하여 x + jy 값으로 표현되는 복소 홀로그램(401)을 표현할 수 있고, 복소 홀로그램(401)을 이용하여 홀로그램(101)을 재현할 수 있다.

도 5는 복수개의 변조 픽셀을 이용하여 복소 변조 홀로그램을 획득하는 과정을 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)는 광원으로부터의 광(520)을 공간 광 변조기의 제1 변조 픽셀(531) 및 제2 변조 픽셀(532)로 입사시킬 수 있다. 이때 제1 변조 픽셀(531)로 입사되는 제1 단위 광파와 제2 변조 픽셀(532)로 입사되는 제2 단위 광파 사이의 진행거리의 차이가 λ/3이 되도록 입사각 θ를 결정할 수 있다. 이는 3개 변조 픽셀로 입사되는 단위 광파 사이의 위상 차이가 120도씩 되도록 하고, 이를 통해 복수개의 단위 광파가 복소 공간을 동일하게 3등분할 수 있기 때문이다.

이때, 3개 변조 픽셀로 입사되는 복수개의 단위 광파 사이의 위상 차이가 120도씩 되도록 하기 위한 입사각 θ는 θ = sin-1(λ/(3Δ))가 될 수 있다.

만일, 4개 변조 픽셀을 이용하여 복소 홀로그램을 표현할 경우, θ는 θ = sin-1(λ/(4Δ))가 될 수 있다.

다만, 도 4 및 도 5와 같이 광을 원하는 입사각으로 정확하게 입사시키는 것은 시스템 구성상 어렵다.

이하에서, 설명의 편의를 위해, 복수개의 변조 픽셀 및 복수개의 변조 픽셀을 이용하여 복수개의 변조 광파를 생성하며, 복수개의 변조 광파를 이용하여 복소 홀로그램을 표현하는 실시예를 예로 들어 설명하지만, 반드시 이에 한정될 필요는 없다.

도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 위상 마스크를 도시한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(600)는 공간 광 변조기(630)의 제1 면(공간 광 변조기에서 광원을 바라보는 면) 또는 제2 면(제1 면의 타면)과 마주보는 위치의 위상 마스크(phase mask)(650)을 포함할 수 있다.

위상 마스크는 DOE(diffractive optical element) 또는 HOE(holographic optical element)로 구성될 수 있다.

공간 광 변조기(630)는 진폭 변조를 위한 복수의 진폭 변조 픽셀을 포함할 수 있고, 위상 마스크(650)는 위상 변조를 위한 복수의 위상 변조 픽셀을 포함할 수 있다. 공간 광 변조기(630)의 연속된 복수개의 진폭 변조 픽셀은 위상 마스크(650)의 연속된 복수개의 위상 변조 픽셀과 마주보는 위치에 배치될 수 있다. 위상 마스크(650)의 연속된 복수개의 위상 변조 픽셀과, 공간 광 변조기(630)의 복수개의 진폭 변조 픽셀은 하나의 매크로 픽셀(660)이 될 수 있다.

위상 마스크(650)는 연속하는 픽셀들에 대하여 일정한 위상 지연을 발생시킬 수 있다. 위상 마스크(650)가 공간 광 변조기(630)의 제2 면과 마주보도록 위치하는 경우, 위상 마스크(650)의 연속된 복수개의 위상 변조 픽셀은 공간 광 변조기(630)의 복수개의 진폭 변조 픽셀에 의해 진폭 변조되어 출력되는 복수개의 진폭 변조 광파에 대하여 각각 0도, 120도 및 240도씩 위상 차이가 나도록 위상 변조하여 복수개의 위상 변조 광파를 출력할 수 있다. 위상 마스크(650)가 공간 광 변조기(630)의 제1 면과 마주보도록 위치하는 경우, 위상 마스크(650)의 연속된 복수개의 위상 변조 픽셀은 광원으로부터 출력되는 광에 대하여 0도, 120도, 240도씩 위상 차이가 나도록 위상 변조하여 복수개의 위상 변조 광파(또는 복수개의 단위 광파)를 공간 광 변조기(630)로 출력할 수 있다.

매크로 픽셀(660) 내의 복수개의 연속된 위상 변조 픽셀, 진폭 변조 픽셀은 가로 방향, 세로 방향, ㄱ자 모양, ㄴ자 모양, /모양 등으로 구성될 수 있으며, 모양에는 제한을 두지 않는다.

예를 들면, 위상 마스크(650)의 위상 변조 픽셀과 공간 광 변조기(630)의 진폭 변조 픽셀은 동일한 픽셀 피치를 가질 수 있다. 다른 예를 들면, 위상 마스크(650)의 위상 변조 픽셀과 공간 광 변조기(630)의 진폭 변조 픽셀은 서로 다른 픽셀 피치를 가지며, 이 경우 광원으로부터 출력된 광에 대한 공간 광 변조기(630)의 회절각을 위상 마스크(650)가 확대되며, 시야각이 확대될 수 있다.

도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 광, 위상 변조 광파 및 진폭 변조 광파를 도시한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치(700)의 광원(예: 도 1의 광원(110))으로부터 출력된 광(F1, F2, F3)은 위상 마스크(도 6의 위상 마스크(650))의 제1 위상 변조 픽셀(751), 제2 위상 변조 픽셀(752) 및 제3 위상 변조 픽셀(753)에 의해 수신될 수 있다.

제1 위상 변조 픽셀(751)은 제1 광(F1)을 제1 각도만큼 위상 변조하여 제1 위상 변조 광파(F1')를 출력할 수 있다. 예를 들면, 제1 각도는 0이 될 수 있다.

제2 위상 변조 픽셀(752)은 제2 광(F2)을 제2 각도만큼 위상 변조하여 제2 위상 변조 광파(F2')를 출력할 수 있다. 예를 들면, 제2 각도는 2π/3이 될 수 있다.

제3 위상 변조 픽셀(753)은 제3 광(F3)을 제3 각도만큼 위상 변조하여 제3 위상 변조 광파(F3')를 출력할 수 있다. 예를 들면, 제3 각도는 4π/3 또는 -2π/3 이 될 수 있다.

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 광파를 표현하는 단위 광 벡터를 나타낸다.

도 8에 도시된 바와 같이, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 제1 단위 광파를 1×e^(0)의 제1 단위 광 벡터(841)로 정의하고, 제2 단위 광파는 1×e^(2π/3)의 제2 단위 광 벡터(842)로 정의할 수 있으며, 제3 단위 광파는 1×e^(4π/3) 또는 1×e^(-2π/3)의 제3 단위 광 벡터(843)로 정의할 수 있다.

도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 광 벡터에 의해 표현할 수 있는 복소 공간을 도시한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 제1 단위 광 벡터(941)와 제2 단위 광 벡터(942)의 조합으로 제1 복소 영역(941A)을 표현할 수 있다. 예를 들면, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 제1 단위 광 벡터(941)에 제1 진폭만큼 곱하여 진폭 변조하고, 제2 단위 광 벡터(942)에 제2 진폭만큼 곱하여 진폭 변조한 값을 더하여 제1 영역(941A)에 존재하는 모든 복소값들을 표현할 수 있다.

또한, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 제2 단위 광 벡터(942)와 제3 단위 광 벡터(943)의 조합으로 제2 복소 영역(942A)을 표현할 수 있다. 예를 들면, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 제2 단위 광 벡터(942)에 제2 진폭만큼 곱하여 진폭 변조하고, 제3 단위 광 벡터(943)에 제3 진폭만큼 곱하여 진폭 변조한 값을 더하여 제2 영역(942A)에 존재하는 모든 복소값들을 표현할 수 있다.

또한, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 제3 단위 광 벡터(943)와 제1 단위 광 벡터(941)의 조합으로 제3 복소 영역(943A)을 표현할 수 있다. 예를 들면, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 제3 단위 광 벡터(943)에 제3 진폭만큼 곱하여 진폭 변조하고, 제1 단위 광 벡터(941)에 제1 진폭만큼 곱하여 진폭 변조한 값을 더하여 제3 영역(943A)에 존재하는 모든 복소값들을 표현할 수 있다.

즉, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 하기의 수학식 1을 이용하여 복소 홀로그램(x + jy)을 표현할 수 있다.

즉, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 제1 단위 광 벡터(e^(j0))에 제1 진폭(a)을 곱한 값, 제2 단위 광 벡터(e^(j2π/3))에 제2 진폭(b)을 곱한 값, 그리고 제3 단위 광 벡터(e^(j4π/3))에 제3 진폭(c)을 곱한 값을 이용하여 복소 홀로그램(x + jy)을 표현할 수 있다. 다시 말해, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 수학식 1을 이용하여 제1 진폭(a), 제2 진폭(b), 제3 진폭(c) 값을 결정할 수 있다.

여기서, 복소 변조에 이용되는 각 광 단위 벡터(기저 벡터, basis vector)는 각각의 위상차(120° 또는 2π/3)가 유지되도록 정의되는 것이 바람직하며, 각 광 단위 벡터(기저 벡터, basis vector) 중 기준이 되는 벡터(예: 제1 단위 광 벡터)의 시작하는 위상값이 0°일 필요는 없다.

즉, 하나의 예로, 제1 내지 제3 단위 광 벡터의 위상이 차례로 0°, 120°, 240°가 될 수 있다. 다른 하나의 예로, 제1 내지 제3 단위 광 벡터의 위상이 차례로 20°, 140°, 260°가 될 수 있다.

나아가, 광 단위의 벡터의 위상차가 완전히 120°가 아닐 경우에도 벡터의 합이 복소 영역을 모두 표현할 수 있도록 최소 위상차가 90° 이상의 각도를 보장하는 것이 바람직하다.

인접한 픽셀들을 그룹핑하여 복소 변조를 하는 방식에서 가장 큰 문제는 인접한 픽셀을 묶음에 따라 이에 따른 픽셀 피치가 감소하고 그에 따라 시야창의 크기 및 시야각이 줄어드는 문제점이 있다. 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 시야각의 확장할 수 있도록 구성된다.

도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구조를 예시하는 도면이다.

도 10을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 전술한 바와 같이 광원부(1000), 공간 광 변조기(1100), 및 위상 마스크(1200)를 포함할 수 있으며, 추가적으로 상기 위상 마스크(1200)의 전단에 구비되는 서브 픽셀 마스크(1300)를 더 포함할 수 있다.

서브 픽셀 마스크(1300)는 위상 마스크(1200)를 통해 출력되는 광의 회절각을 키워서 시야각을 확대하도록 구성될 수 있다. 즉, 위상 마스크(1200)에서 마스크에 두께만큼 위상 지연이 되어 퍼져나가고, 위상 지연에 의해 Complex modulation이 나타나게 된다. Complex modulation된 정보는 서브 픽셀 마스크(1300)에 의해 더 넓은 범위로 확대되어 전파될 수 있다.

서브 픽셀 마스크(1300)에 의해 확장되는 시야각의 확장의 범위는 서브 픽셀 마스크(1300)의 개구(1300a, 도 11참조 )의 크기(d)를 사용하여 하기의 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.

여기서, d는 SLM의 픽셀보다 작다고 가정할 때, 이에 따라서 각 픽셀에서의 회절각이 확장되고, 이로 인해 시야각이 확장될 수 있다.

나아가, 개구(1300a)에서 감쇠되는 정보의 양에 따라서 홀로그램 화질이 저하될 수 있는데, 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 홀로그램 생성시 개구(1300a)에 의해 전달되는 정보만을 계산하여 홀로그램 생성할 필요가 있다. 이때, 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치는 IFTA와 같은 방법을 이용하여 개구(1300a)에 의해 전달되는 정보를 산출할 수 있다.

서브 픽셀 마스크(1300)의 각 서브 픽셀에서의 개구(1300a)의 크기는 모든 픽셀에서 동일하게 설정하거나 또는 각각 다르게 설정할 수 있다. 또한 하나의 픽셀 내에서의 서브 픽셀 개구(1300a)의 위치도 각 픽셀에 걸쳐서 다르게 표시할 수 있다. 시야각 확장을 위해서는 서브 픽셀 마스크의 픽셀 개구(1300a)의 크기는 공간 광 변조기의 픽셀의 개구의 크기보다는 개구(1300a)를 작게 설정하는 것이 바람직하다.

도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치에 구비되는 위상 마스크의 다른 예시도이다.

도 12를 참조하면, 본 개시의 다른 실시예에 따른 위상 마스크(1200)는 공간 광 변조기(1210)의 전단에 구비될 수 있으며, 위상 변조부(1220)와 블록킹부(1230)를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다. 위상 변조부(1220)와 블록킹부(1230)는 교차되는 형태로 구비될 수 있는데, 기본적으로 위상 변조를 위해 구성되는 위상 변조부(1220)가 배치되고, 위상 변조부(1220)가 배치되지 않은 나머지 영역에 블록킹부(1230)가 마련될 수 있다.

나아가, 본 개시의 다른 실시예에 따른 위상 마스크(1200)는 공간 광 변조기에 결합된 In-Cell 구조로 구성될 수 있다.

본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리 및/또는 스토리지)에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되며, 그 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.

본 개시의 예시적인 방법들은 설명의 명확성을 위해서 동작의 시리즈로 표현되어 있지만, 이는 단계가 수행되는 순서를 제한하기 위한 것은 아니며, 필요한 경우에는 각각의 단계가 동시에 또는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 본 개시에 따른 방법을 구현하기 위해서, 예시하는 단계에 추가적으로 다른 단계를 포함하거나, 일부의 단계를 제외하고 나머지 단계를 포함하거나, 또는 일부의 단계를 제외하고 추가적인 다른 단계를 포함할 수도 있다.

본 개시의 다양한 실시 예는 모든 가능한 조합을 나열한 것이 아니고 본 개시의 대표적인 양상을 설명하기 위한 것이며, 다양한 실시 예에서 설명하는 사항들은 독립적으로 적용되거나 또는 둘 이상의 조합으로 적용될 수도 있다.

또한, 본 개시의 다양한 실시 예는 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 그들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 범용 프로세서(general processor), 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

본 개시의 범위는 다양한 실시 예의 방법에 따른 동작이 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행되도록 하는 소프트웨어 또는 머신-실행가능한 명령들(예를 들어, 운영체제, 애플리케이션, 펌웨어(firmware), 프로그램 등), 및 이러한 소프트웨어 또는 명령 등이 저장되어 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행 가능한 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체(non-transitory computer-readable medium)를 포함한다.

Claims (10)

1. 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서,
   가간섭성의 광을 출력하는 광원;
   복수개의 픽셀을 통해 상기 출력된 단위 광을 회절시켜 단위 홀로그램을 재현하는 디스플레이부; 및
   상기 단위 홀로그램에 대응하는 복소 홀로그램 데이터를 획득하고, 상기 복소 홀로그램 데이터 및 상기 복수개의 픽셀의 소자 정보에 기반하여 상기 출력된 단위 광을 복소 변조하도록 상기 디스플레이부를 제어하는 프로세서를 포함하고,
   상기 디스플레이부는,
   상기 출력된 단위 광의 진폭 및 위상을 변조하는 복수개의 제1 변조 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기,
   상기 진폭 변조된 단위 광의 위상을 변조하는 복수개의 제2 변조 픽셀을 포함하는 위상 마스크, 및
   상기 위상 마스크를 통해 출력되는 광의 회절각을 확대하는 서브 픽셀 마스크를 포함하는
   복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 서브 픽셀 마스크는 하기의 수학식에 의해 정의되는 범위로 시야각을 확장하는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.
   [수학식]
   

   

   
   d는 서브 픽셀 마스크의 개구의 크기를 나타내고, sinθ는 서브 픽셀 마스크의 시야각을 나타냄.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수개의 픽셀의 소자 정보는 상기 복수개의 제1 변조 픽셀의 진폭 변화량에 따른 위상 변화량 정보를 포함하는
   복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 프로세서는 상기 복수개의 제2 변조 픽셀을 이용하여 상기 출력된 단위 광으로부터 복수개의 변조 광파를 획득하고, 상기 복수개의 변조 광파를 조합하여 상기 홀로그램을 재현하는
   복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 프로세서는 상기 복수개의 변조 광파들이 복소 공간을 3등분하도록 상기 출력된 단위 광을 위상 변조하는
   복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 복수의 제1 변조 픽셀 및 상기 복수의 제2 변조 픽셀은 서로 인접하여 배치되는
   복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 인접 배치된 복수의 제1 변조 픽셀 사이의 픽셀 피치는 상기 인접 배치된 복수의 제2 변조 픽셀 사이의 픽셀 피치보다 크며,
   상기 인접 배치된 복수의 제2 변조 픽셀은 상기 복수의 제1 변조 픽셀을 통해 제1 각도로 회절된 광을 상기 제1 각도보다 큰 제2 각도로 회절시키는
   복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 위상 마스크는 상기 공간 광 변조기의 전단에 구비되고,
   상기 서브 픽셀 마스크는 상기 위상 마스크의 전당에 구비되는
   복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.
   
9. 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서,
   가간섭성의 광을 출력하는 광원;
   복수개의 픽셀을 통해 상기 출력된 단위 광을 회절시켜 단위 홀로그램을 재현하는 디스플레이부; 및
   상기 단위 홀로그램에 대응하는 복소 홀로그램 데이터를 획득하고, 상기 복소 홀로그램 데이터 및 상기 복수개의 픽셀의 소자 정보에 기반하여 상기 출력된 단위 광을 복소 변조하도록 상기 디스플레이부를 제어하는 프로세서를 포함하고,
   상기 디스플레이부는,
   상기 출력된 단위 광의 진폭 및 위상을 변조하는 복수개의 제1 변조 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기,
   상기 진폭 변조된 단위 광의 위상을 변조하는 복수개의 제2 변조 픽셀을 포함하는 위상 변조부와, 상기 위상 변조부와 교차 배열되어 상기 제1 변조 픽셀에서 출력되는 광의 일부를 차단하는 블록킹부를 포함하는 위상 마스크를 포함하는
   복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 위상 마스크는,
    공간 광 변조기에 결합된 In-Cell 구조로 구성되는
    복소 변조 홀로그래픽 디스플레이 장치.

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