KR20220098674A - 시야창 제어 모듈, 홀로그램 디스플레이 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

시야창 제어 모듈, 홀로그램 디스플레이 장치 및 방법이 개시된다.
상기 시야창 제어 모듈은, 입사광을 수신하여 사용자의 시청 영역에 시야창을 형성시키는 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부; 및 상기 시야창 형성부 상에 일 방향을 따라 배열되며, 상기 시야창의 시야각(viewing angle)을 확장시키는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부를 포함한다.

Description

시야창 제어 모듈, 홀로그램 디스플레이 장치 및 방법{MODULE COTROLLING VIEWING WINDOW, APPARATUS FOR HOLOGRAM DISPLAY, METHOD FOR DISPLAYING HOLOGRAM}

본 개시는 시야창 제어 모듈, 홀로그램 디스플레이 장치 및 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로 광학계의 위치 정확성, 장치 구성의 단순화 및 파장 비의존성을 실현하는 시야창 제어 모듈, 홀로그램 디스플레이 장치 및 방법에 대한 것이다.

디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술은 3차원 영상 인지 조건을 전부 만족시키는 3차원 디스플레이이다. 홀로그램 영상을 제공하는 공간 광 변조기(SLM: spatial Light Modulator)의 사이즈, 픽셀 크기 등의 규격에 의해, 디지털 홀로그래픽 디스플레이의 재생 홀로그램 영상 사이즈, 시야각 등의 시청 조건이 결정될 수 있다. 종래 공간 광 변조기의 규격에는 제한이 있어, 시청 조건을 만족스러운 수준으로 구현하는데 곤란함이 따른다. 이를 극복하기 위해, 시간/공간 다중화 기술 적용, 시야창 방식의 프로젝션 타입 등 다양한 형태의 디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술들이 제안되었다.

이들 중 시야창 방식의 프로젝션 타입 디지털 홀로그래픽 디스플레이는 공간 광 변조기에서 회절되는 모든 영상 정보를 소정 렌즈를 통해 제한된 영역의 시야창으로 전달함으로써, 사용자가 공간변조기 상의 홀로그램 영상 정보 손실 없이 3차원 영상을 시청할 수 있도록 한다.

구체적으로, 시야창 방식의 홀로그램 디스플레이는 광의 회절에 의한 가간섭 특성을 활용한다. 시야창 방식의 디스플레이는, 공간 광 변조기의 픽셀 크기에 따라 회절력이 결정되며, 상기 회절력에 의해 시청자가 시청할 수 있는 시야창이 결정될 수 있다. 즉, 공간 광 변조기의 픽셀 크기가 작을수록 회절력이 크며, 회절력이 좋을수록 시야창은 크다. 그러나, 픽셀 크기는 해상도와 관련되어, 공정 상에서 한계가 있으므로, 공간 광 변조기의 픽셀 크기를 제한없이 축소시킬 수 없다. 또한, 픽셀 크기가 증가하면 해상도가 증가되어, 데이터 전송량이 늘어나는데, 늘어난 해상도만큼 데이터 구동시의 문제점도 있다.

본 개시의 기술적 과제는 광학계의 위치 정확성, 장치 구성의 단순화 및 파장 비의존성을 실현하는 시야창 제어 모듈, 홀로그램 디스플레이 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

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, 시야창 제어 모듈이 제공된다. 상기 시야창 제어 모듈은, 입사광을 수신하여 사용자의 시청 영역에 시야창을 형성시키는 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부; 및 상기 시야창 형성부 상에 일 방향을 따라 배열되며, 상기 시야창의 시야각(viewing angle)을 확장시키는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부를 포함한다.

본 개시의 다른 실시예에 따르면, 상기 시야각 확대부는 상기 시야창 형성부 상에 가공되어 형성될 수 있다.

본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제 1 반사 광학계는 오목(concave) 거울 형태로 구성될 수 있다.

본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 시야창의 거리는 상기 제 1 반사 광학계의 곡률 반경에 의해 결정될 수 있다.

본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 시야각 확대부는 상기 시야창 형성부의 수광면 상에 상기 일 방향을 따라 소정 피치(pitch)로 연속적으로 배열되는 복수의 제 2 반사 광학계를 가질 수 있다.

본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제 2 반사 광학계는 상기 입사광이 출력되는 공간 광 변조기의 픽셀 피치에 기초하여 배열 피치를 가질 수 있다.

본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제 2 반사 광학계는 미세 오목 거울로 구성될 수 있다.

본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 시야각은 상기 미세 오목 거울의 직경 및 상기 미세 오목 거울의 곡률 반경에 의해 결정될 수 있다.

본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제 2 반사 광학계는 미세 볼록(convex) 거울로 구성될 수 있다.

본 개시의 다른 양상에 따르면, 홀로그램 디스플레이 장치가 제공된다. 상기 홀로그램 디스플레이 장치는, 복수의 픽셀을 포함하며, 입력광을 회절광으로 변조하는 공간 광 변조기; 상기 회절광을 출사하는 렌즈부; 및 상기 출사된 회절광을 사용자의 시청 영역으로 제공하는 시야창 제어 모듈을 포함한다. 상기 시야창 제어 모듈은, 상기 출사된 회절광을 수신하여 상기 시청 영역에 시야창을 형성시키는 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부, 상기 시야창 형성부 상에 일 방향을 따라 배열되며, 상기 시야창의 시야각을 확장시키는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부를 포함한다.

본 개시의 다른 실시예에 따르면, 상기 출사된 회절광은 빔 스플리터를 이용하여, 상기 시야창 제어 모듈에 정축(On-Axis)으로 입사되거나, 상기 시야창 제어 모듈에 비축(Off-Axis)로 입사되도록 구성될 수 있다.

본 개시의 또 다른 양상에 따르면, 홀로그램 디스플레이 방법이 제공된다. 상기 홀로그램 디스플레이 방법은, 복수의 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기에 의해, 입력광을 회절광으로 변조하는 단계; 렌즈부에 의해, 상기 회절광을 출사하는 단계; 시야창 제어 모듈에 의해, 상기 출사된 회절광을 사용자의 시청 영역으로 제공하는 단계를 포함한다. 상기 시청 영역으로 제공하는 단계는, 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부에 의해, 상기 출사된 회절광을 수신하여 상기 시청 영역에 시야창을 형성시킴과 아울러서, 상기 시야창 형성부 상에 일 방향을 따라 배열되는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부에 의해, 상기 시야창의 시야각을 확장시킨다.

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

본 개시에 따르면, 광학계의 위치 정확성, 장치 구성의 단순화 및 파장 비의존성을 실현하는 시야창 제어 모듈, 홀로그램 디스플레이 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

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

도 1은 종래의 홀로그램 디스플레이 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 시야창 형성부에 의한 시야창 형성을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 시야각 확대부에 의한 시야각 확대를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래의 시야창 제어 모듈의 개략 구성도이다.
도 6은 시야각 확대의 개념을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 개시의 변형 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 구성도이다.
도 8은 본 개시의 다른 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 구성도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 시야창 형성부에 의한 시야창 형성을 나타내는 도면이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 시야각 확대부에 의한 시야각 확대를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 방법에 관한 순서도이다.

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 연결 관계 뿐만 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, 제 1, 제 2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 특별히 언급되지 않는 한 구성요소들 간의 순서 또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 따라서, 본 개시의 범위 내에서 일 실시 예에서의 제 1 구성요소는 다른 실시 예에서 제 2 구성요소라고 칭할 수도 있고, 마찬가지로 일 실시 예에서의 제 2 구성요소를 다른 실시 예에서 제 1 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 실시예에서 설명하는 구성요소들에 추가적으로 다른 구성요소를 포함하는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다.

본 개시에 있어서, 본 명세서에 사용되는 위치 관계의 표현, 예컨대 상부, 하부, 좌측, 우측 등은 설명의 편의를 위해 기재된 것이고, 본 명세서에 도시된 도면을 역으로 보는 경우에는, 명세서에 기재된 위치 관계는 반대로 해석될 수도 있다.

먼저, 본 개시에 따른 홀로그램 디스플레이 장치와의 명확한 대비를 위해, 종래의 시야창 제어 모듈을 구비하는 홀로그램 디스플레이 장치에 대해 설명한다.

도 1은 종래의 홀로그램 디스플레이 장치의 개략 구성도이다. 종래의 홀로그램 디스플레이 장치는 시야창 방식의 프로젝션 타입의 디스플레이다.

종래 홀로그램 디스플레이 장치(10)는 광원으로부터 입력된 광을 회절하여 변조하는 공간 광 변조기(12), 회절광을 집속하여 출사시키는 필드 렌즈(14), 출사된 광을 사용자의 시청 영역으로 전달하여 영상 정보를 제공하는 후방 렌즈(16)를 포함할 수 있다. 종래 디스플레이 장치는 시야창 방식을 구현하기 위해, 도 5의 참조부호 24에서와 같이, 시야각 제어를 위한 부재가 후방 렌즈(16)의 출사면에 배치될 수 있다. 상기 부재는 렌티큘러 렌즈 어레이(lenticular lens array; 도 5의 24 참조), 선형 격자(linear grating), 홀로그래픽 확산기(holographic diffuser) 등으로 구성된 비대칭 산란판일 수 있다. 후방 렌즈(16)는 후방의 필드 렌즈로 기능할 수 있으며, 후방 렌즈(16)와 상기 부재는 종래의 시야각 제어 모듈을 구성할 수 있다.

종래 시야각 제어 모듈을 통해 형성되는 시야창(118)의 크기(w)는 공간 광 변조기(104)의 픽셀 크기와 필드 렌즈(14)의 초점 거리에 의해 결정되는 시야창 거리(d)에 의해, 수학식 1로 산출될 수 있다.

[수학식 1]

w

2θd = dλ/p

시야창(118)을 형성하는 시야각(θ)은 공간 광 변조기(104)의 픽셀 크기(p)와 광학계, 즉 후방 필드 렌즈(16)의 배율에 의해 결정되며, 결상면(image plane 또는 reimaged SLM plane; 18)에서의 확대된 공간 광 변조기(104)의 픽셀 크기를 p 라고 했을 때, 수학식 2로 정의될 수 있다.

[수학식 2]

θ = sin^-1(λ/2p)

경우에 따라 상이하나, 일반적으로 시야창(118)의 크기에 해당하는 시청 영역이 매우 협소하며 시청자가 고정된 위치에서만 홀로그램을 시청할 수밖에 없다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 상기 열거된 부재의 비대칭 산란판을 사용하는 방법들이 제안되었다. 비대칭 산란판은 입사된 광을 한 방향으로만 확산시키고, 확산 방향에 수직인 방향으로 변조없이 광을 투과시키는 광학 요소일 수 있다. 비대칭 산란판을 공간 광 변조기(104) 상에 재생된 홀로그램의 결상면(18; reimaged SLM plane)에 위치시키면, 시야창(20)의 크기(w)는 비대칭 산란판의 확산 방향으로 확대될 수 있다. 도 1에 도시되어 있지 않으나, 공간 광 변조기(12)와 후방 필드 렌즈(16) 사이에 추가 광학계가 있을 수 있다. 추가 광학계는 광학적 노이즈를 필터링하기 위한 4f 광학계 등과 같은 전달 광학계일 수 있으며, 전달 광학계는 공간 광 변조기(12)와 후방 필드 렌즈(16) 사이에 배치될 수 있다. 추가 광학계와 관련하여, 필드 렌즈(14)의 초점면 상에 공간 필터(SF, spatial filter)를 배치하여 단측파대 변조(single-sideband)를 이용한 필터링 방법이 이용될 수 있다. 상기 필터링 방법을 이용하기 위해서는, 4f 광학계가 배치될 수 있다. 4f 광학계에 의한 경우, 필드 렌즈(12)의 초점면(back focal plane), 즉, 퓨리에 평면(Fourier plane)에 공간 필터(spatial filter SF)가 위치되며, 홀로그램을 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 광신호 중에서 물체파에 대한 공액 성분과 DC 성분을 필터링하여, 노이즈 성분이 제거된 유효 성분 신호(단측파대 신호)만을 획득할 수 있다. 이에 의해, 후방 필드 렌즈(16)는 퓨리에 변환된 유효 성분을 공간 상에 디스플레이할 수 있다. 이와 같이, 4f 광학계과 같은 추가 광학계가 있는 경우, 상기 결상면은 공간 광 변조기(12)와 후방 필드 렌즈(16) 사이에 형성된 추가 결상면일 수 있다.

상술한 비대칭 산란판을 이용한 시야창 방식의 프로젝션 타입 디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술은 이하의 단점들을 갖는다.

비대칭 산란판(도 5의 24 참조)은 이상적으로 시야창 방식의 디스플레이를 구성하는 공간 광 변조기(12)의 결상면(18)에 위치해야 한다. 그러나, 동일 위치에 시야창(118)의 형성을 위한 후방 필드 렌즈(16) 역시 함께 위치해야 하는 문제가 발생된다. 이에 따라, 비대칭 산란판(도 5의 24 참조)을 후방 필드 렌즈(16)에 접하여 위치시킬 경우, 의도하지 않은 회절 광전파에 의한 재현 홀로그램 영상의 화질 저하가 유발된다. 다른 방식으로, 4-f 광학계 등과 같은 전달 광학계가 공간 광 변조기(12)와 후방 필드 렌즈(16) 사이에 제공되어, 공간 광 변조기(12)의 추가적인 결상면을 형성하고 결상면의 위치에 비대칭 산란판을 위치시킬 수도 있다. 이에 의하더라도, 전달 광학계가 추가로 필요하며, 공간 비용 및 설계 복잡성이 증대된다.

또한, 홀로그래픽 디스플레이는 일반적으로 3원색인 RGB 레이저를 광원으로 가질 수 있다. 비대칭 산란판으로 주로 사용되는 렌티큘러 렌즈 어레이(lenticular lens array), 선형 격자(linear grating), 홀로그래픽 확산기(holographic diffuser)는 전부 파장의존성이 있는 광학소자이다. RGB 레이저를 사용하는 컬러 홀로그래픽 디스플레이에 앞서 열거한 비대칭 산란판을 적용할 경우, 비대칭 산란판의 파장의존성에 의해 재현되는 홀로그램 영상에서 색분산 등의 문제가 유발될 수 있다. 비대칭 산란판은 일반적으로 주기적인 구조를 가지는 마이크로 광학요소 구조로 구성되므로, 색의존성을 보상하는 무채색(achromatic) 특성을 갖도록 제작하는 것이 매우 곤란하거나 불가능하다.

상술한 비대칭 산란판의 위치 부정확성, 추가 광학계의 배치, 파장의존성 문제를 해결하고자, 본 개시에 따른 실시예가 도출될 수 있다.

이하, 첨부한 도 2 내지 도 11을 참조하여 본 개시의 실시예들에 대해서 설명한다.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 구성도이다. 본 개시들에 따른 홀로그램 디스플레이 장치는 시야창 방식의 프로젝션 타입의 디지털 홀로그래픽 디스플레일 수 있다.

홀로그램 디스플레이 장치(110)는 광원(102), 광원(102)으로부터 입력된 광을 회절하여 변조하는 공간 광 변조기(104), 회절광을 집속하여 출사시키는 렌즈부(106), 출사광의 일부를 분할하여 출력시키는 빔 스플리터(beam splitter; 108), 출력된 광을 사용자의 시청 영역으로 전달하여 영상 정보를 제공하는 시야창 제어 모듈(110)을 포함할 수 있다.

광원(102)은 출사면 측으로 직진광을 출력할 수 있는 RGB 레이저 광원으로 구성될 수 있다. 광원(102)은 공간 광 변조기(104)에 인접 관계에 있으며, 공간 광 변조기(104)의 픽셀에서 표시되는 각 영상이 픽셀에 위치에 대응된 렌즈부(106)까지 직진성을 갖고 전달될 수 있다.

공간 광 변조기(104)는 홀로그램 패턴을 표시하고, 광원(102)으로부터 입력된 광을 회절하여 변조할 수 있다. 공간 광 변조기(104)는 SLM 제어부(미도시)의 제어에 따라 각 픽셀에 표시되는 홀로그램 패턴을 가변할 수 있으며, 홀로그램 패턴이 SLM 제어부의 제어 신호에 따라 가변할 수 있다는 점에서, 본 개시에 따른 홀로그램 디스플레이 장치는 디지털 홀로그램 디스플레이라 할 수 있다.

렌즈부(106)는 예컨대 필드 렌즈이며, 표면이 물리적 곡률을 갖는 렌즈 형태일 수도 있고, 혹은 평탄한 필름의 형상이나 굴절률의 변조를 갖는 광학적 기능을 갖는 액정 패널일 수도 있다.

본 개시에 따른 홀로그램 디스플레이 장치(110)가 입사광 및 출사광이 동축(도 3의 c 참조)으로 진행되어, 렌즈부(106)로부터 출사된 회절광이 시야창 제어 모듈(110)에 정축(On-Axis)으로 입사되도록, 빔 스플리터(108)는 상기 출사된 회절광의 일부를 분할하여 시야창 제어 모듈(110)로 조사시킬 수 있다.

시야창 제어 모듈(110)은 도 2 내지 도 4에 예시된 바와 같이, 상기 출사된 회절광을 수신하여 시청 영역에 시야창(118)을 형성시키는 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부(112)를 포함할 수 있다. 또한, 시야창 제어 모듈(110)은 시야창 형성부(112) 상에 일 방향(도 2의 y축 방향)을 따라 배열되며, 시야창(118)의 시야각(θ1)을 확장시키는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부(114)를 포함할 수 있다. 도 3은 일 실시예에 따른 시야창 형성부에 의한 시야창 형성을 나타내는 도면이고, 도 4는 일 실시예에 따른 시야각 확대부에 의한 시야각 확대를 나타내는 도면이다.

시야창 형성부(112)의 제 1 반사 광학계는 오목 거울 형태의 수광면을 갖도록 형성될 수 있다. 시야각 확대부(114)는 시야창 형성부(112)의 수광면 상에 일 방향(y축 방향)을 따라 소정 피치로 연속적으로 배열되는 복수의 제 2 반사 광학계를 가질 수 있다. 제 2 반사 광학계는 미세 오목 거울로 구성될 수 있다 시야각 확대부(114)는 입력된 광을 한 방향, 예컨대 도 4의 경우 y축 방향으로만 확산시키고, 확산 방향에 수직인 방향, 예컨대 도 3의 경우 z축 방향으로 변조없이 광을 출력하는 반사 광학계일 수 있다. 도 2 내지 도 4에서, 시야각 확대부(114)가 y축 방향을 따라 배열되는 것을 예시하였으나, 다른 예에서는 임의의 각도 방향을 따라 배열될 수도 있다.

시야창 형성부(112) 및 시야각 확대부(114)의 광학계들의 위치 정확성 및 장치 구성의 단순화를 위해, 시야각 확대부(114)는 시야창 형성부(112)상에 직접 가공되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 시야각 확대부(114) 및 시야창 형성부(112)는 상호 일치되는 광학적 관계를 가질 수 있다. 도 3에 예시된 바와 같이, 시야각 확대부(114)는 시야창 형성부(112) 상에 직접 가공되어, 시야각 확대부(114)가 시야창 형성부(112)에 일체로 형성되므로, 시야각 확대부(114)는 시야창 형성부(112)의 오목 형태의 일부에 존재하고 있다.

또한, 시야각 확대부(114)의 제 2 반사 광학계는 공간 광 변조기(104)의 픽셀 피치에 기초하여 배열 피치를 가질 수 있다. 예컨대. 제 2 반사 광학계는 좌안 및 우안 홀로그램 패턴 영상을 전달하도록, 제 2 반사 광학계는 공간 광 변조기(104)의 좌안 및 우안 패턴의 각각을 생성하는 픽셀 피치의 2배에 대응되는 피치로 배열될 수 있다. 본 개시에 따른 제 2 반사 광학계의 배열 피치는 이에 제한되지 않고 다양한 형태로 변형가능하다.

도 4 및 도 5를 통해, 본 개시 및 종래에 따른 시야창 제어 모듈(22)을 비교하기로 한다. 도 5는 종래의 시야창 제어 모듈의 개략 구성도이다.

본 개시에 따른 시야창 제어 모듈(110)은 종래 시야창 제어 모듈(110)을 구성하는 굴절 및/또는 회절 광학계들, 즉 후방 필드 렌즈(16)와 비대칭 산란판(24)을 오목 거울 및 상기 오목 거울 상에 배열된 미세 오목 거울들로 대체한다. 여기서, 비대칭 산란판(24)은 렌티큘러 렌즈 어레이로 구성될 수 있다. 구체적으로, 종래의 시야창 형성 광학 요소인 후방 필드 렌즈(16) 및 시야각 확대 광학 요소인 비대칭 산란판(24)으로 사용되는 렌티큘러 렌즈 어레이는 각각 동치 반사 광학계인 오목 거울과 미세 오목 거울의 배열로 대체할 수 있다. 비대칭 산란판(24)이 선형 격자(linear grating) 또는 홀로그래픽 확산기(holographic diffuser) 등인 경우에도, 본 개시에 따른 미세 오목 거울의 배열은 상술한 부재의 동치 반사 광학계이다. 또한, 본 개시에 따른 시야창 형성부(112) 및 시야각 확대부(114) 전부 종래의 굴절 및/또는 회절 광학계가 아닌, 반사 광학계를 사용하므로, 굴절, 회절 광학계에 따른 종래 시야창 제어 모듈(110)에서 유발되는 색의존성 문제를 극복할 수 있다.

한편, 본 개시에 따른 시야창 제어 모듈(110)로 제공되는 시야창(118)의 거리는 제 1 반사 광학계(112)의 곡률 반경에 의해 결정될 수 있다. 도 3에 나타난 바와 같이, 오목 거울 형태의 제 1 반사 광학계가 곡률 반경 R을 가지면, 시야창 형성부(112)는 초점 거리 f=R/2 를 갖는 종래의 후방 필드 렌즈(16)와 동일한 기능을 가질 수 있다. 일례로 구면광 입사의 경우, 시야창(118)이 형성되는 결상면(116; reimaged SLM plane)에서부터 시야창(118)까지의 거리 d는 수학식 3와 같이 결정될 수 있으며, 시야창(118) 크기 w1는 종래와 동일할 수 있다. 구면광 입사에서, 결상면(116)으로부터 a 만큼 이격된 점광원이 위치하는 것으로 가정한다.

[수학식 3]

d = aR/(2a-R)

다른 예로 평면광이 입사될 경우, 시야창(118)은 시야창 형성부(112)에 구비된 오목 거울의 초점 거리 (d = R/2)에 형성될 수 있다.

또한, 시야각(θ1)은 도 6에 예시된 바와 같이, 시야각 확대부(114)의 미세 오목 거울의 직경(h) 및 미세 오목 거울의 곡률 반경(R')에 의해 결정될 수 있다. 구체적으로, 도 6에 도시된 설계 변수들인 시야각 확대부(114)의 미세 오목 거울의 직경(h)과 곡률 반경(R')에 의해 확대된 시야각(θ1)은 수학식 4로 결정될 수 있다. 수학식 4에서 b는 도 6에 나타난 바와 같이, 입사된 광들이 교차되는 지점까지의 거리이며, 결상면(116)으로부터 a 만큼 이격된 점광원이 사용되는 경우로 가정한다.

[수학식 4]

θ1 = tan^-1(1-R'/(2a))*(h/R')

상술한 본 개시에 따른 홀로그램 디스플레이 장치(110)의 시야창 제어 모듈(110)에 의해, 비대칭 산란판으로 인한 위치 부정확성이 발생되지 않고, 추가 광학계가 설치될 필요가 없다. 또한, 파장의존성 문제가 해결될 수 있다.

도 7은 본 개시의 변형 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 구성도이다.

도 7의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치(110)는 시야각 확대부(114)의 상세 구성을 제외하고, 도 2의 실시예에 따른 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 도 7에 따른 디스플레이 장치(110)는 도 2와 마찬가지로, 광원(102), 공간 광 변조기(104), 렌즈부(106), 빔 스플리터(108), 시야창 제어 모듈(110)을 포함할 수 있다. 시야창 제어 모듈(110) 외에 다른 구성요소의 상세 설명은 도 2의 실시예와 동일하여 생략하기로 한다.

시야창 제어 모듈(110)은 도 2의 실시예와 동일하게 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부(112), 및 시야창 형성부(112) 상에 일 방향(도 7의 y축 방향)을 따라 배열되며, 시야창(118)의 시야각을 확장시키는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부(120)를 포함할 수 있다.

시야창 형성부(112)의 제 1 반사 광학계는 오목 거울 형태의 수광면을 갖도록 형성될 수 있다. 시야각 확대부(120)는 시야창 형성부(112)의 수광면 상에 일 방향(y축 방향)을 따라 소정 피치로 연속적으로 배열되는 복수의 제 2 반사 광학계를 가질 수 있다. 제 2 반사 광학계는 미세 볼록 거울로 구성될 수 있다. 시야각 확대부(120)는 도 2의 실시예와 마찬가지로, 입력된 광을 한 방향, 예컨대 도 7의 경우 y축 방향으로만 확산시키고, 확산 방향에 수직인 방향, 예컨대 도 7의 경우 z축 방향으로 변조없이 광을 출력하는 반사 광학계일 수 있다. 도 7에서, 시야각 확대부(120)가 y축 방향을 따라 배열되는 것을 예시하였으나, 다른 예에서는 임의의 각도를 따라 배열될 수도 있다.

시야창 형성부(112) 및 시야각 확대부(120)의 광학계들의 위치 정확성 및 장치 구성의 단순화를 위해, 시야각 확대부(120)의 미세 볼록 거울들은 시야창 형성부(112)상에 직접 가공되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 시야각 확대부(120) 및 시야창 형성부(112)는 상호 일치되는 광학적 관계를 가질 수 있다.

또한, 시야각 확대부(120)의 미세 볼록 거울은 공간 광 변조기(104)의 픽셀 피치에 기초하여 배열 피치를 가질 수 있다. 예컨대. 미세 볼록 거울은 좌안 및 우안 홀로그램 패턴 영상을 전달하도록, 미세 볼록 거울은 공간 광 변조기(104)의 좌안 및 우안 패턴의 각각을 생성하는 픽셀 피치의 2배에 대응되는 피치로 배열될 수 있다. 본 개시에 따른 미세 볼록 거울의 배열 피치는 이에 제한되지 않고 다양한 형태로 변형가능하다.

한편, 시야각 확대부(120)의 미세 볼록 거울은 도 2의 미세 오목 거울의 광반사 경로와 상이하게, 입사된 광을 발산하여, 시야창에서의 시야각을 확대시킬 수 있다.

도 8은 본 개시의 다른 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치의 구성도이다.

도 8의 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치(110)는 입사광 및 출사광의 진행 과정에서 도 2의 실시예와 상이하다. 도 8에 따른 디스플레이 장치(110)는 도 2와 마찬가지로, 광원(102), 공간 광 변조기(104), 렌즈부(106), 시야창 제어 모듈(110a)을 포함할 수 있다. 이들 구성요소에 대한 상세 기능의 설명은 도 2와 실질적으로 동일하여 생략하기로 한다.

본 개시에 따른 홀로그램 디스플레이 장치(110)는 입사광 및 출사광이 동일한 축이 아닌 다른 축으로 진행되어, 렌즈부(106)로부터 출사된 회절광이 시야창 제어 모듈(110a)에 대해 비축(Off-Axis)으로 조사될 수 있다. 이에 의해, 도 2에 따른 실시예와 달리, 빔 스플리터는 생략될 수 있다. 이를 구현하기 위해, 회절광이 소정 각도로 시야창 제어 모듈(110a)로 조사되도록, 광원(102), 공간 광 변조기(104) 및 렌즈부(106)가 시야창 제어 모듈(110a)의 축(도 9의 c1)과 소정 각도로 이격되어 배열될 수 있다.

도 9는 다른 실시예에 따른 시야창 형성부에 의한 시야창 형성을 나타내는 도면이고, 도 10은 다른 실시예에 따른 시야각 확대부에 의한 시야각 확대를 나타내는 도면이다.

시야창 제어 모듈(110a)은 도 8 내지 도 10에 예시된 바와 같이, 상기 출사된 회절광을 수신하여 시청 영역에 시야창(118a)을 형성시키는 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부(112a)를 포함할 수 있다. 또한, 시야창 제어 모듈(110a)은 시야창 형성부(112a) 상에 일 방향(y축 방향)을 따라 배열되며, 시야창(118a)의 시야각을 확장시키는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부(114a)를 포함할 수 있다.

시야창 형성부(112a)의 제 1 반사 광학계는 오목 거울 형태의 수광면을 갖도록 형성될 수 있다. 시야각 확대부(114a)는 시야창 형성부(112a)의 수광면 상에 일 방향(y축 방향)을 따라 소정 피치로 연속적으로 배열되는 복수의 제 2 반사 광학계를 가질 수 있다. 제 2 반사 광학계는 미세 오목 거울 또는 미세 볼록 거울로 구성될 수 있다. 도 8 내지 도 10에서는, 제 1 및 제 2 반사 광학계가 도 2 내지 도 4와 유사한 대칭 곡면 및 동일한 사이즈의 반원 형태로 도시되어 있다. 그러나, 제 1 및 제 2 반사 광학계는 실제 구현에 따라 도 2와 동일하게 혹은 상이하게 구성될 수 있다. 제 1 및 제 2 반사 광학계에서 입사각 및 출사각이 올바르게 설정되도록, 제 1 반사 광학계는 비대칭 곡면으로 구성될 수 있다. 제 2 반사 광학계의 미세 거울들은 각각 상이한 곡면 형상으로 형성될 수 있고, 각 미세 거울은 비대칭 곡면으로 제작될 수 있다.

시야창 형성부(112a) 및 시야각 확대부(114a)의 광학계들의 위치 정확성 및 장치 구성의 단순화를 위해, 시야각 확대부(114a)는 시야창 형성부(112a)상에 직접 가공되어 형성될 수 있다. 또한, 시야각 확대부(114a)의 제 2 반사 광학계는 공간 광 변조기(104)의 픽셀 피치에 기초하여 배열 피치를 가질 수 있다.

이하에서는 도 2~도 4 및 도 11를 참조하여, 일 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 장치에 의해, 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 방법을 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해, 도 2의 실시예에 따른 장치(100)를 예시하여 서술하나, 다른 실시예들에 따른 장치도 상기 방법을 실질적으로 동일하게 구현할 수 있다.

도 11은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 홀로그램 디스플레이 방법에 관한 순서도이다.

먼저, 광원(102)은 입력광을 출력할 수 있다(S105).

이어서, 공간 광 변조기(104)는 상기 입력광을 회절하여 변조할 수 있다(S110).

공간 광 변조기(104)는 SLM 제어부(미도시)의 제어에 따라 각 픽셀에 표시되는 홀로그램 패턴을 가변할 수 있다.

계속해서, 렌즈부(106)는 상기 회절광을 집속하여 출사할 수 있다(S115).

다음으로, 시야창 제어 모듈(110)은 출사된 광을 반사하여 z축 방향으로 시야창(118)을 형성하고, y축 방향으로 시야각(θ1)을 확산시킬 수 있다(S120).

구체적으로, 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부(112)가 출사된 회절광을 수신하여 시청 영역에 시야창(118)을 형성할 수 있다. 시야창 형성부(112) 상에 일 방향을 따라 배열되는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부(114)는 시야창(118)의 시야각(θ1)을 확장시킬 수 있다.

본 개시에 따른 방법에 의하면, 시야각 확대부(114)가 시야창 형성부(112) 상에 직접 가공되어 있으므로, 확대된 시야각을 확보함과 아울러서, 시야창 형성부(112) 및 시야각 확대부(114)에서의 광학계들의 위치 정확성 및 장치 구성의 단순화가 실현될 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 방법에 의하면, 시야창 형성부(112) 및 시야각 확대부(114) 전부 종래의 굴절 및/또는 회절 광학계가 아닌, 반사 광학계를 사용하므로, 굴절, 회절 광학계에 따른 종래 시야창 제어 모듈(110)에서 유발되는 색의존성 문제를 극복할 수 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.

100, 100a 홀로그램 디스플레이 장치
102 광원 104 공간 광 변조기
106 렌즈부 108 빔 스플리터
110, 110a 시야창 제어 모듈
112, 112a 시야창 형성부
114, 114a 시야각 확대부

Claims (20)

1. 홀로그램 디스플레이 장치에 적용되는 시야창(viewing window) 제어 모듈에 있어서,
   입사광을 수신하여 사용자의 시청 영역에 시야창을 형성시키는 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부; 및
   상기 시야창 형성부 상에 일 방향을 따라 배열되며, 상기 시야창의 시야각(viewing angle)을 확장시키는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부를 포함하는 시야창 제어 모듈.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 시야각 확대부는 상기 시야창 형성부 상에 가공되어 형성되는, 시야창 제어 모듈.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 반사 광학계는 오목(concave) 거울 형태로 구성되는, 시야창 제어 모듈.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 시야창의 거리는 상기 제 1 반사 광학계의 곡률 반경에 의해 결정되는, 시야창 제어 모듈.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 시야각 확대부는 상기 시야창 형성부의 수광면 상에 상기 일 방향을 따라 소정 피치(pitch)로 연속적으로 배열되는 복수의 제 2 반사 광학계를 갖는, 시야창 제어 모듈.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 반사 광학계는 상기 입사광이 출력되는 공간 광 변조기의 픽셀 피치에 기초하여 배열 피치를 갖는, 시야창 제어 모듈.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 반사 광학계는 미세 오목 거울로 구성되는, 시야창 제어 모듈.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 시야각은 상기 미세 오목 거울의 직경 및 상기 미세 오목 거울의 곡률 반경에 의해 결정되는, 시야창 제어 모듈.
   
9. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 반사 광학계는 미세 볼록(convex) 거울로 구성되는, 시야창 제어 모듈.
   
10. 복수의 픽셀을 포함하며, 입력광을 회절광으로 변조하는 공간 광 변조기;
    상기 회절광을 출사하는 렌즈부; 및
    상기 출사된 회절광을 사용자의 시청 영역으로 제공하는 시야창 제어 모듈을 포함하되,
    상기 시야창 제어 모듈은, 상기 출사된 회절광을 수신하여 상기 시청 영역에 시야창을 형성시키는 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부, 상기 시야창 형성부 상에 일 방향을 따라 배열되며, 상기 시야창의 시야각을 확장시키는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부를 포함하는 홀로그램 디스플레이 장치.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 시야각 확대부는 상기 시야창 형성부 상에 가공되어 형성되는, 홀로그램 디스플레이 장치.
    
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 반사 광학계는 오목 거울 형태로 구성되는, 홀로그램 디스플레이 장치.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 시야창의 거리는 상기 제 1 반사 광학계의 곡률 반경에 의해 결정되는, 홀로그램 디스플레이 장치.
    
14. 제 10 항에 있어서,
    상기 시야각 확대부는 상기 시야창 형성부의 수광면 상에 상기 일 방향을 따라 소정 피치로 연속적으로 배열되는 복수의 제 2 반사 광학계를 갖는, 홀로그램 디스플레이 장치.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 반사 광학계는 상기 공간 광 변조기의 픽셀 피치에 기초하여 배열 피치를 갖는, 홀로그램 디스플레이 장치.
    
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 반사 광학계는 미세 오목 거울로 구성되는, 홀로그램 디스플레이 장치.
    
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 시야각은 상기 미세 오목 거울의 직경 및 상기 미세 오목 거울의 곡률 반경에 의해 결정되는, 홀로그램 디스플레이 장치.
    
18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 반사 광학계는 미세 볼록 거울로 구성되는, 홀로그램 디스플레이 장치.
    
19. 제 10 항에 있어서,
    상기 출사된 회절광은 빔 스플리터를 이용하여, 상기 시야창 제어 모듈에 정축(On-Axis)으로 입사되거나, 상기 시야창 제어 모듈에 비축(Off-Axis)로 입사되도록 구성되는, 홀로그램 디스플레이 장치.
    
20. 복수의 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기에 의해, 입력광을 회절광으로 변조하는 단계;
    렌즈부에 의해, 상기 회절광을 출사하는 단계; 및
    시야창 제어 모듈에 의해, 상기 출사된 회절광을 사용자의 시청 영역으로 제공하는 단계를 포함하되,
    상기 시청 영역으로 제공하는 단계는, 제 1 반사 광학계를 구비하는 시야창 형성부에 의해, 상기 출사된 회절광을 수신하여 상기 시청 영역에 시야창을 형성시킴과 아울러서, 상기 시야창 형성부 상에 일 방향을 따라 배열되는 제 2 반사 광학계를 갖는 시야각 확대부에 의해, 상기 시야창의 시야각을 확장시키는 것인, 홀로그램 디스플레이 방법.

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