KR101218928B1 - 제어가능 조명장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동 입체영상 디스플레이 또는 홀로그래픽 디스플레이를 위한 제어가능 조명장치에 관한 것으로서, 조명장치는 광원 당 적어도 하나의 발광소자를 구비하는 제1차 광원의 조명 매트릭스, 제어가능 광 변조기(SLM) 및 재생 매트릭스를 포함한다. 제1차 광원들(11, ..., 1n)에 의해 조명되는 컴퓨터 생성 홀로그램(computer-generated hologram; CGH)은 제어가능 광 변조기(SLM)상에서 코딩되고, SLM의 다운스트림에 위치한 적어도 하나의 평면에서, 재생 매트릭스(4)를 조명하고 광속을 영상화 매트릭스를 경유하여 관찰자의 각 안구상에 포커싱해주기 위한 제2차 광분포를 갖는 제2차 광원(2)의 매트릭스 - 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)으로부터 재구축됨 - 를 발생시킨다. CGH 는 관찰자의 명수와 위치 및 시스템 파라미터를 기초로 계산처리되어 재구축된다. 복수의 평면에서의 제2차 광원의 재구축으로 인하여, 디스플레이의 영상 정보가 횡방향 이동뿐만이 아니라 축방향 이동하는 관찰자에 대해 추적될 수 있다.

광원, 발광소자, 조명 매트릭스, 광 변조기, 관찰자, 조명장치, 컴퓨터 생성 홀로그램, CGH, 광분포.

Description

제어가능 조명장치{CONTROLLABLE ILLUMINATION DEVICE}

본 발명은 제1차 광원인 백라이트를 구비한 조명 매트릭스와 제어가능 광 변조기로 구성된 제어가능 조명장치에 관한 것으로서, 영상화 매트릭스는 빛 전체를 투과시키는 재생 매트릭스를 통해 상기 광 변조기의 빛을 적어도 하나의 관찰자에게 광속(bundles of rays)으로 투사한다.

재생 매트릭스는 모노영상(monoscopic) 또는 입체영상(stereoscopic) 정보를 포함하는 입체영상 또는 홀로그래픽 디스플레이일 수 있다. 제1차 광원들은 광원 당 적어도 하나의 발광소자를 구비하는 점형상 광원, 선형상 광원 또는 면형상 광원일 수 있다.

2D 표현을 위한 디스플레이는 일반적으로 재생 매트릭스를 조명하는 이른바 백라이트를 포함한다. 백라이트는 균일한 영상 밝기를 달성하기 위하여 적어도 재생 매트릭스의 표면적 크기만큼의 균일한 밝기 표면적을 가져야 한다. 이와 대비되어, 입체영상시계를 위한 자동 입체영상 3D 디스플레이(ASD)에서도, 재생 매트릭스는 균일하게 조명되어야 하지만, 시계 공간(viewing space)은 그렇지 않다. 여기서, 재구축되는 피사체의 서로 다른 투시시계가 시계공간의 이웃한 영역들내로 개별적으로 투사됨으로써 관찰자의 왼쪽 및 오른쪽 안구들이 피사체의 서로 다른 시계를 바라보도록 하고, 이로써 관찰자는 3차원 재구축을 인식하게 된다. 따라서, 이러한 조사(directed irradiation)를 획득하기 위하여, 주기적으로 배열된 실린더형 렌즈를 구비한 영상화 매트릭스는 종종 선광원을 통해 조명된다.

하나 또는 여러명의 관찰자들이 움직이면, 이들의 위치 변화는 탐지되고, 이 관측자/관측자들을 위한 입체표현이 존속되도록 대응 시계가 이에 따라 추적된다. 이러한 이유로 인하여, 광원의 거리 및/또는 위치는 가변적일 수 있다. 자동 입체영상 디스플레이 대신으로 홀로그래픽 디스플레이가 재생 매트릭스로서 사용된다면, 가시영역을 추적할 수 있도록 선형상 광원의 가변적인 구성이 또한 요구된다. 만약 DE 제103 53 439호의 출원인에 의해 개시된 바와 같은 추적된 시계창을 갖는 홀로그래픽 디스플레이가 사용되는 경우에 이것은 특히 적용된다.

조사형 조명장치에서 보통 사용되는 광역 백라이트는, OS 제103 39 076 A1호의 출원인에 의해서 서술된 바와 같이, 일반적으로 셔터로서 작동하는 세기제어를 위한 LCD 패널과 결합된다. 이 셔터는 제어가능한 투명 및 흡수영역의 일반적인 배열로 구성되는데, 이것은 광역 백라이트에 의해 출사된 빛이 희망하는 위치에서만 통과될 수 있도록 한다. 투명 영역은 상술한 바와 같이 투시시계를 추적할 수 있도록 하기 위하여 적절한 방법으로 배치된다. 이를 위하여, 이에 따라 서터상의 투명한 행과 열이 제어된다. 대부분의 빛은 셔터의 덜 투명하거나 투명하지 않은 영역에 의해 흡수된다. 이와 같이 빛의 많은 부분의 흡수에도 불구하고 충분한 영상 밝기를 획득하기 위하여 매우 강력한 백라이트가 요구된다. 상기와 같은 강력한 백라이트는 구매비용과 에너지 소비 모두의 측면에서 비용이 많이 든다. 게다가, 흡수 된 빛은 디스플레이를 상당히 가열시킨다. 또한, 서터의 확산광은 감소된 입체 콘트라스트를 초래한다.

빛을 공간상의 관찰자의 안구상에 포커싱해주는 다른 장치가 WO 제03/053072호에 개시된다. 이 장치는 3차원적으로 위치가능한 백라이트를 채용한다. 여러 구성들이 설명된다. 3D 백라이트에서 구동가능한 광원들이 영상화 시스템에 의해 관찰자의 안구에 투사되고 관찰자의 움직임에 따라 추적된다. 이로써, 관찰자에 대해 진행 중의 빛은 재생 매트릭스를 투과하고, 이 재생 매트릭스는 관찰자(들)의 왼쪽 및 오른쪽 안구에 영상을 교대로 제공한다. 상기 방법의 단점은 3차원 백라이트 및 매우 큰 직경을 갖는 영상화 렌즈에 의해 초래된 자동 입체영상 디스플레이의 매우 큰 심도(depth)에 있다. 이와 같은 커다란 렌즈의 수차를 광축밖으로 한정시키기 위하여, 충분히 큰 촛점 길이가 선택되어야만 하는데, 이것은 기구를 매우 두껍게만든다. 게다가, 장치는 매우 무겁고 3차원적으로 위치가능한 백라이트는 제조하는데에 어려움이 따른다.

또 하나, 조사되는 빛을 발생시키기 위하여 제어 가능한 셔터 마스크 대신에 홀로그램을 사용하는 모노영상 또는 입체영상 디스플레이 조명 시스템이 알려져 있다. WO 제02/12930 A1호에서는 시준(collimated)의 백라이트와 앞뒤로 배치된 두 개의 홀로그램으로 구성된 조명 시스템을 설명하고 있다. 이렇게 공간적으로 얽혀 배치된 이중의 홀로그램은 한 명의 관찰자에 대하여 왼쪽 및 오른쪽 가시영역을 발생시킨다. 얽혀 배치된 홀로그램들의 이격거리는 정보 디스플레이의 이격거리에 의해 정해지고, 기록 공정에서 고정된다. 하지만, 상기 조명 시스템은 이에 따라 예 를 들어 관찰자가 횡방향으로 이동하는 경우 가시영역의 추적을 위해 요구되는 제어가 불가능하다. 가시영역을 추적할 수 있는데에 필요한 홀로그램의 재인코딩은 발생되지 않는다.

WO 제00/43841호에서 서술된 조명 시스템은 광원 및 앞뒤로 배치된 복수개의 홀로그램들로 구성된다. 이러한 홀로그램들은 충돌되는 빛이 회절되는 능동상태와 어떠한 회절현상도 없는 수동상태간의 전환이 가능한 한 제어가 가능하다. 홀로그램의 재인코딩을 통한 가변적인 광원 패턴의 생성은 상기 발명의 주제가 아니다.

또한, GB 2 404 991 A 는 반사형 조명장치와 연계하여 제어가능 홀로그래픽 광소자(HOE)의 사용에 대하여 설명하고 있다. 정보 디스플레이의 광 경로는 두 개의 개별적인 가시영역들로 분할된다. 이 방법에 의해, 정보 디스플레이의 투과 조명을 위한 비-조사 백라이트를 이용하여, 2D 모드와 3D 모드간의 전환이 가능해진다.

또한, 홀로그램을 채용한 상술된 장치들 및 방법들은 제1차 조명시스템에 작용하는 것이 아니라, 백라이트에 의해 출사된 빛 전체를 항상 변경시킨다. 이에 따라서, 높은 전력소모와 가열현상의 단점은 제거되지 않는다.

본 발명의 목적은 표면 영역 전체로부터 빛을 출사시키지 않도록 하는 조직화된 조명수단을 3D 디스플레이내에 생성시키는 제어가능 조명 장치를 제공하는 것으로서, 이 조명장치는 높은 3D 표현 입체 콘트라스트를 갖고 재생 매트릭스를 균일하게 조명하는데에 사용된다. 이와 동시에, 제어가능 조명 장치는 또한 사용되는 영상화 매트릭스의 광 수차 보정과 함께 편리한 다중 사용자 조작을 제공하도록 계획되었다.

본 발명의 목적은, 제1차 광원 매트릭스와 제어가능 광 변조기를 포함하며, 재생 매트릭스를 통해 빛을 시계평면내의 관찰자의 왼쪽 및 오른쪽 안구들에 교대로 조사하는 조명 장치를 통한 발명적 방법에 의해 해결된다. 이러한 본 발명의 정황하에, "제어가능 광 변조기"의 용어는 2차원 매트릭스내의 좌표들에 따라 빛의 위상 및/또는 진폭을 변조시키는 광 변조기를 나타낸다.

본 발명의 제1 특징에 따르면, 제1차 광원 매트릭스는 제어가능 광 변조기상에 컴퓨터 생성 홀로그램(computer-generated hologram; CGH)을 인코딩함으로써 조직화된 조명 매트릭스를 생성하는데, 여기서 인코딩은 관찰자의 안구의 위치에 따라 구성가능한 조명의 실현을 위하여 가변 파라미터를 이용하여 수행된다. 제1차 광원 매트릭스는 상기 CGH 를 조명한다. 본 발명의 제2 특징에 따르면, CGH 는 재생 매트릭스를 조명하고 광속을 관찰자의 각각의 안구상에 포커싱해주는 제2차 광 분포를 갖는 제2차 광원 매트릭스를 적어도 하나의 후속평면내에 재구축한다.

이것은 관찰자(들)의 위치에 따라 제1차 광원들의 제1차 광 분포를 요구되는 제2차 광원들의 제2차 광분포로 변경시키도록 해준다. 제1차 광원들은 점형상 광원, 선형상 광원, 또는 면형상 광원일 수 있다. 재구축된 제2차 광원들은 제2차 광분포를 갖는 점발광소자, 선발광소자, 또는 면발광소자를 선택적으로 포함하는 매트릭스를 형성한다.

가시영역은 예를 들어, 이동하는 관찰자를 뒤따르기 위하여 또는 여러 관찰자들에게 빛을 제공하기 위하여, 여러 방법들에 의해 전환되거나, 전치되거나 또는 추적될 수 있다. 일부 홀로그램 인코딩을 지속하면서 제1차 광원 매트릭스 전체 또는 상기 매트릭스 중의 선택된 광원의 위치 또는 세기를 변경할 수 있거나, 또는 제1차 광원들을 변경하지 않으면서 인코딩된 CGH는 변경될 수 있다. 또한, 이 두 개의 방법들을 결합하는 것도 가능하다. 상기 방법들로 인하여, 제2차 광원들은 동시적으로 여러 평면들내에 재구축되며, 이에 따라 이 광원들은 이른바 3차원 백라이트를 형성한다. 이로써, 복수의 관찰자들은 광속을 제공받을 수 있게 되고, 이에 따라 동시적으로 3D 화면을 제공받게 된다. 대안책으로서, 하나의 관찰자는 3D 모드로 희망하는 정보를 제공받고, 다른 관찰자는 모노영상 시각을 제공받는다. 제2차 광분포는 제2차 광원 매트릭스의 배열, 갯수 및 세기에 의해 변경될 수 있다.

영상화 매트릭스의 영상화 소자의 만곡수차 등과 같은 광학 수차는 CGH 를 인코딩할 때에 상기의 수차를 보정함으로써 바람직하게 회피될 수 있다. 인코딩용으로서 사용되는 SLM 은 빛의 위상 및/또는 진폭을 변조시키는 것이 가능한 투과형 또는 반사형의 회절성 광학소자(DOE)이다. 또한 이것은 위상 중심 CGH 또는 진폭 중심 CGH 일 수 있다. 개별적인 실시예들에서, 광속을 형상화하고, 편향시키고 또는 약하게하는 광학 소자가 광 변조기의 앞 또는 뒤에 배치될 수 있다.

다른 실시예에서, 제어가능 광 변조기 뒤에는 확산된 빛과 높은 회절차수의 빛을 흡수하고, 제2차 광원들의 확장을 제한시키는 다른 투과형 제어가능 광 변조기가 뒤 따를 수 있다.

실제로 사용되는 디스플레이의 영상화 매트릭스는 평행배열된 렌티큘들을 갖는 렌티큘라, 렌즈 어레이 또는 홀로그래픽 광학소자(HOE)일 수 있다. 영상화 매트릭스 소자는 조정가능하다. 만약 홀로그래픽방식으로 인코딩된 재생 매트릭스가 홀로그래픽 디스플레이에서 정보를 렌더링하기 위하여 사용되는 경우, 홀로그램을 재구축할 수 있도록 제1차 광원들 및 제2차 광원들의 충분한 공간적 및 시간적 코히어런스를 확보해야 함에 주의를 다해야 한다. 기타 바람직한 실시예들은 종속청구항들에서 기재된다.

본 명세서에서 서술된 상기 수단들의 구성은 충분한 광 활용을 현실화하는 자동 입체영상 디스플레이 및 홀로그래픽 디스플레이에서의 조명 수단으로서 사용되는 제어가능 광원들의 구성 가능성을 제공해준다. 제2차 광원들의 생성을 통해 광역 흡수 소자를 회피함으로써 사용되는 광 에너지의 손실을 최소화해준다. 이것은 낮은 세기의 제1차 광원들을 백라이트로서 실용화할 수 있도록 해줌으로써 낮은 전력 소모 및 열 발생의 결과를 낳게한다. 종래의 장치와 비교하여, 광량이 낮아져서 보다 적은 빛이 확산되고 그래서 다른쪽의 안구에 대해 크로스토크가 최소화되기 때문에 입체 콘트라스트가 개선된다. 따라서, 본 발명에 따른 조명 장치는 종래의 백라이트에 의해 나타나는 단점들을 회피하고 영상화 매트릭스에 의해 야기되는 광학 수차를 보정하는 추가적인 옵션들을 통합한다.

제1차 광원들과 재생 매트릭스간의 거리를 변경하는 것 없이 여러 평면들에 제2차 광원들의 재구축을 통해 제2차 광원들의 3차원 위치를 연속적으로 변경하는 가능성은 종래 장치에서의 제1차 광원들의 3차원 구성과 비교하여 기술적 및 경제적인 측면에서의 상당한 진보이다. 상기 가능성은 다중 사용자 디스플레이와 관련하여 특히 효과적이다.

이제부터, 본 발명에 따른 조명 장치를 자세하게 설명한다. 모든 도면들은 윗면도이다.

도 1은 제1차 광원들 및 구동된 광원들에 의해 조명되고 평면내에 제2차 광원들을 재구축하는 홀로그램을 갖는 조명 장치를 도시한다.

도 2는 제1차 광원들과 이에 대응하는 제2차 광원들을 도시하며, 제1차 광원들을 전치(轉置)시킴으로써 어떻게 제2차 광원 매트릭스가 변경될 수 있는지를 설명한다.

도 3은 제2차 광원들에 의해 출사되며, 영상화 매트릭스를 형성하는 렌티큘라를 통해 투사되며, 자동 입체영상 디스플레이의 재생 매트릭스와 관찰자의 왼쪽 안구를 조명하는 광속을 도시한다.

도 4는 본 발명에 따른 조명 장치를 포함하는 입체 영상 다중 사용자 디스플레이의 총체적 설계를 개략적으로 도시한다. 본 도면은 또한 관찰자의 오른쪽 안구에 대한 디스플레이내의 광 경로를 도시한다.

도 5는 서로 다른 시계 평면내에 위치한 두 명의 관찰자들을 위한 CGH에 의해 재구축된 제2차 광원들을 도시한다.

이제부터, 본 발명에 따른 제어가능 조명 장치를 영상화 매트릭스로서 렌티큘라를 구비한 자동 입체영상 디스플레이를 이용하여 설명하며, 여기서 영상 정보 는 재생 매트릭스에 의해 순차적으로 제공된다.

자동 입체영상 디스플레이는 다중 사용자 디스플레이이고, 조명 매트릭스는, 예를 들어 재생 매트릭스를 조명해주고 관찰자의 안구에 광속을 조사해주는 선형상 광원을 포함하는 경우, 첫번째 관찰자의 왼쪽 및 오른쪽 안구를 위한 선형상 광원에 더하여 추가의 선형상 광원들이 추가의 관찰자 안구를 위해 필요할 것이다. 상기와 같은 조명 형태는 본 발명의 해결방안을 이용하여 실현된다.

도 1은 본 발명에 따른 제어가능 조명장치의 세부적인 모습을 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 본 도면은 제1차 광원 매트릭스(1)의 일부, 부분적인 홀로그램(CGH)이 인코딩되는 광 변조기(SLM)의 일부, 및 제2차 광원 매트릭스(2)의 일부를 도시한다. 광원(11, ..., 1n)을 포함하는 제1차 광원 매트릭스(1)에서, 광원(1h)이 구동되어 부분적인 홀로그램을 조명한다. 부분적인 홀로그램은 광원(21, ..., 2n)을 포함하는 제2차 광원 매트릭스(2)를 재구축하며, 광원(21, ..., 2n) 모두는 예시로 도시된 하나의 평면내에 등거리를 갖고 배열된다.

하나의 제1차 광원을 대신하여, 서로 다른 세기를 갖는 복수개의 제1차 광원들이 구동될 수 있다. 부분적인 홀로그램은 복수개의 제1차 광원들에 의해 동시적으로 조명될 수 있다.

선택된 제1차 광원(1h)과 부분적인 홀로그램을 이용하여, 도 2는 관찰자의 횡방향 이동을 추적하기 위하여 예컨데 제1차 광원(1h)을 전치시킴으로써 어떻게 제2차 광원(2h)이 전치될 수 있는지를 도시한다. 간단명료함으로 위하여, 본 도면에서는 하나의 제1차 광원(1h)과 하나의 제2차 광원(2h)뿐만이 아니라, 전치된 제1 차 광원(1i)과 그 결과로 재구축된 제2차 광원(2i)만을 도시한다.

도 3은 제2차 광원 매트릭스(2)에 의해 출사되고, 영상화 매트릭스를 표현화해주는 렌티큘라(3)를 통과하는 광속을 도시한다. 영상화 매트릭스는 광속을 자동 입체영상 디스플레이의 재생 매트릭스(4)를 통해 관찰자의 왼쪽 안구(EI)에 투사한다. 렌티큘라의 렌티큘과 관련하여 재구축된 제2차 광원들(21,...2n)(도 1 참조)의 위치 및 거리를 선택하여 이 렌티큘에 의해 출사된 광속들이 관찰자의 왼쪽 안구(EI)와 만나도록 한다. 다른 위치에서 제2차 광원들(21,...2n)을 발생시킴으로써, 다른쪽 안구가 순차적으로 조명될 수 있다. 추가의 광원들을 구동시킴으로써, 나머지 안구(EI)에 다른 영상 정보가 동시적으로 제공될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 제어가능 조명 장치를 포함하는 자동 입체 영상 다중 사용자 디스플레이의 세부모습을 개략적으로 도시한다. 본 도면은 또한 관찰자의 오른쪽 안구(Er)에 대하여 디스플레이내의 광 경로를 도시하는데, 재생 매트릭스(4)내의 영상 정보는 관찰자에게 제공된다. 광속 또는 확산된 빛의 형상화, 편향, 또는 부분 흡수를 수행하는 추가적인 광학 소자들이 CGH의 앞과 뒤에서 여러 평면들내에 배치될 수 있다. 이와 같은 추가적인 광학 소자들은 간단명료함을 위해 도시하지 않는다. 도 2에서 예시된 방법은 또한 예를 들어, 제2차 광원 매트릭스(2)를 전치시킴으로써 왼쪽 안구(El)을 교대로 조명하는데에 사용될 수 있으며, 그 결과 왼쪽 안구는 정보를 동시적으로 또는 순차적으로 수신할 수 있다.

도 5는 CGH 및 이것에 의해 재구축된 것으로서 광원들(2g 및 2'e)을 포함하는 제2차 광원 매트릭스(2 및 2')의 세부모습을 개략적으로 도시한다. 이 두 개의 매트릭스들 뒤에는 렌티큘라(3)와 서로 다른 시계 평면에 위치한 두 명의 관찰자들의 오른쪽 안구들(Er1 및 Er2)이 뒤따른다.

이제부터, 제어가능 조명 장치의 동작원리에 대해 자세하게 설명한다. 도면들은 개별적인 구성부품들의 일부, 즉 부분적인 홀로그램 등만을 항상 도시한다. 하지만, 아래의 설명에서는 전체적인 구성부, 즉 홀로그램 등을 항상 언급할 것이다.

도 1을 참조하면, 제1차 광원 매트릭스(1)는 SLM내에 포함된 CGH를 조명한다. 상기 매트릭스는 광원들(11, ..., 1n)로 구성되며, 각각의 광원들은 하나 또는 그 이상의 발광소자들에 의해 구현된다. 이들 발광소자들은 점형상의 광원, 선형상의 광원, 또는 면형상의 광원이 될 수 있다. 제1차 광원 매트릭스(1)는 CGH상에 충돌하는 광분포가 가변될 수 있도록 제어가능하다. 이로써, 모든 제1차 광원들(11, ..., 1n)이 구동될 필요가 없게 된다. 하지만, CGH는 제1차 광원 매트릭스(1) 전체에 의해 교대로 조명될 수 있다. 이러한 조명환경 하에서, 제1차 광원 매트릭스(1)에 의해 출사된 빛은 공간 및 시간적으로 충분하게 코히어런트되는 CGH를 재구축하는데에 사용되는 것으로 가정한다.

CGH를 인코딩하는데에 사용되는 SLM은 일반적으로 제어가능한 회절형 광학 소자(DOE)로서, 투과 또는 반사동작을 할 수 있다. 이것은 셀들에 충돌하는 빛의 위상 및/또는 진폭에 영향을 주는 셀들의 매트릭스를 구성한다. 이 셀들은 액정 셀 또는 미세 기계 거울일 수 있다. 대안책으로서, AOSLM(acousto-optically addressable spatial light modulator) 등과 같은 연속 가변 SLM이 홀로그램 인코딩을 위해 사용될 수 있다. DOE 가 CGH 의 복소진폭값을 나타내도록 하기 위하여 일반적으로 공지된 방법이 사용된다. 본 발명은 최소의 조명수단의 사용으로 최대 밝기를 획득하는 것을 목표로하고 있기 때문에, DOE는 빛의 위상만을 또는 대체로 위상만을 영향미치도록 사용된다. 따라서, 이른바 위상 홀로그램이 제공될 수 있는 것이 바람직하다. 또한 위상 변조 소자 및 진폭 변조 소자를 결합하는 것도 가능하다. 예를 들어, 진폭 변조 DOE는 인접 DOE 셀에 서로 다른 위상들을 할당하는 위상 마스크와 결합될 수 있다.

CGH는 제1차 광원 매트릭스(1)에 의해 출사된 빛을 사용하여 제2차 광원 매트릭스(2)를 재구축한다. 이 제2차 광원 매트릭스(2)는 자동입체영상 디스플레이 또는 홀로그래픽 디스플레이(도 3 참조)의 투과형 재생 매트릭스(4)를 조명하는데에 필요한 희망하는 제2차 광분포를 표시한다. 제2차 광원은 하나 또는 그 이상의 발광소자들을 포함하며, 이 발광소자들은 점형상의 광원, 선형상의 광원 또는 면형상의 광원으로 형성될 수 있다. 이들은 재생 매트릭스(4)와 어울리도록 선택된다. 예를 들어, 렌티큘라를 영상화 매트릭스로서 사용하는 자동 입체영상 디스플레이내에서는 선형상의 광원이 바람직하다. 관찰자에 대한 균일한 광 분포를 달성하기 위하여, CGH는 예를 들어 서로 평행하게 인접 위치된 복수개의 선형상 광원을 재구축한다. 상기의 영상화 매트릭스를 구비한 자동 입체영상 디스플레이는 오직 수평 시차(parallax)만을 표시한다. 이와 대비되어, 제2차 점형상 광원 매트릭스는 수평 및 수직 시차를 표현하는 자동 입체영상 디스플레이에서 요구된다.

만약 자동 입체영상 디스플레이가 다중 사용자 디스플레이로서 사용되는 경우, 동일평면내에 모든 제2차 광원들(21, ... 2n)이 재구축되는 것은 아니다. 도 5에서 도시된 바와 같이, 제2차 광원들(2g 및 2'e)(이 광원들은 여기서 예시로서 선택된 것임)이 두 개의 다른 평면에서 CGH에 의해 재구축되며, 이 광속들은 동시적으로 렌티큘라(3)의 렌티큘을 통해 서로 다른 시계 평면에 위치된 두 관찰자들의 안구들(E1r 및 Er2)에 조사된다. 제2차 광원들(2g 및 2'e)이 서로 다른 평면에서 재구축될 수 있다라는 사실은 광속의 횡방향 확장을 가변시키는 것이 가능하도록 해준다. 이로써 시계 평면에서의 광속의 횡방향 확장은 렌티큘라(3)의 촛점깊이와, 제2차 광원과 렌티큘라사이 및 렌티큘라와 안구 평면사이의 각 거리들 모두에 의해 정의된다. 그러므로, 예를 들어, 관찰자의 축 이동, 즉, 디스플레이쪽으로 향하는 이동이나 또는 디스플레이로부터 멀어지는 이동에 따라 광속을 추적하기 위하여 시계 평면내에서의 광속의 확장을 조정하는 것이 필요해질 수도 있다. 만약, 예시로서 논의된 바와 같이, 재생 매트릭스(4)(미도시)에 대하여 서로 다른 거리에서 위치된 복수의 관찰자들이 존재하는 경우, 제2차 광원의 3차원 매트릭스가 각 관찰자마다 제2차 광원의 동시적인 재구축을 통해 생성된다. 이 경우, 제어된 3차원 조명이 실현된다. 관찰자의 안구들은 필요한 만큼의 빛을 수신하고, 영상 정보의 크로스토크는 방지된다.

사용된 렌티큘라의 촛점깊이 및 시스템의 각각의 광학부품사이의 거리 등과 같은 시스템 파라미터와 관찰자의 명수 및 위치에 따라, CGH 가 계산되고 후속 평면내에 제2차 광원 매트릭스(2)를 발생시킨다. 만약 광속이 관찰자(들)에 대해 추적되면 변경된 CGH가 SLM에서 인코딩될 것이다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 다른 추적 옵션은 적어도 하나의 제1차 광원(1h)을 위치(1i)로 전치하는 것이며, 이로써 제2차 광원(2h)이 재구축된다. 다시 말하면, 제1차 광원(1i)이 구동되고 제1차 광원(1i)에 의해 출사된 빛은 CGH에 의해 변조되어 제2차 광원(2i)이 재구축된다. 또한 이들 두 개의 기술들을 결합하는 것도 가능하다.

제2차 광원(21, ..., 2n)의 거리 및 형상은 실제로 계산된 홀로그램 및 제1차 광원(11, ..., 1n)의 형상에 의해 정의된다. 홀로그램을 재계산함으로써, 제2차 광원(21, ..., 2n)은 매트릭스 전체 또는 개별적으로 전치될 수 있으며, 각각의 제2차 광원(21, ..., 2n)들사이의 거리는 조정될 수 있고, 이들의 갯수는 변경될 수 있다. CGH 를 변경하지 않고서 제2차 광원 매트릭스(2) 전체의 전치가 제1차 광원 매트릭스(1)를 전치시킴으로써 택일적으로 달성될 수 있다. 실용적으로, 광속은 이러한 전치를 통하여 하나의 안구로부터 다른 하나의 안구로 재배향된다.

CGH 를 계산할 때에는 관찰자의 왼쪽 또는 오른쪽 안구의 위치주변의 충분히 넓은 영역이 조명되고, 관찰자는 균일한 밝기로 재생 매트릭스를 바라본다는 사실에 주의를 다해야 한다. 이러한 요구조건에 따라, 수차 보정 등과 같은 보정 방법뿐만이 아니라, 제2차 광원들(21, ..., 2n)의 위치 및 세기분포를 홀로그램 계산시에 고려해야 한다.

축 방향으로 제2차 광원들을 전치시킴으로써, 렌티큘라(4)의 렌티큘의 만곡 수차를 보정하는 하는 것이 가능하다. 만약 광속이 렌티큘 또는 렌즈상에 광축에 대한 각도로 충돌한다면 만곡수차는 효과가 있다. 이 광학 수차를 보정하기 위하여, 대응하는 제2차 광원의 재구축이 이에 따라서 축방향으로 전치될 수 있다. 이 것은 광축에 대한 광속의 입사각도에 따라 홀로그램을 적절하게 변경함으로써 수행된다. 게다가, 제2차 광원들(21, ..., 2n)을 발생시키는 광속의 개구각도는 시계 위치에 따라 변할 수 있다.

조명 장치의 다른 실시예가 CGH 의 앞뒤의 평면에 배치되며, 제1차 광분포 및 제2차 광분포를 선처리 및 후처리하는 추가적인 광학 소자에 의해 정의된다. 이들 소자들은 회절을 갖는 굴절형이거나 또는 조리개(aperture)로서 작동할 수 있다. 예를 들어, 렌즈는 홀로그램을 보다 효율적으로 조명하기 위하여 제1차 광원과 CGH사이에 배치될 수 있다.

제1차 광원 매트릭스(1) 자체에서, 예를 들어, 선형 광원을 형성하기 위하여 광원이 미리 제작된 DOE 를 이용하여 이미 형상화될 수도 있다. 또한, 광속을 재조사하는 소자들은 홀로그램(2)과 제2차 광원 매트릭스(3)사이에 배치되어 상기 재조사하는 소자들은 분기된 광속들을 동방향 조사된 광속 또는 수렴된 광속으로 변형시킬 수 있다.

또한, 조리개가 CGH와 제2차 광원 매트릭스(2)사이에 배치되어, 잔여 비회절 광 또는 원하지 않는 높은 회절차수를 제거할 수 있다. 만약, 각각의 광원들간의 위치 및/또는 거리가 변경되면, 이 조리개는 제2차 광원 매트릭스에 대해 조정되어야 한다. 따라서, 구성가능한 조리개가 이를 위해 예를 들어, 각각의 셀이 가변적인 투과도를 나타내는 투과형 LCD 패널의 형태에서 사용되는 것이 바람직하다. 구성가능한 조리개는 또한 필요한 경우 제2차 광원(2)의 확장을 제한하는데에 사용될 수 있다.

구성가능한 조명장치의 다른 실시예에 따르면, SLM 은 제1차 광원(1)의 변경된 배열에 의해 조명되는 반사형 SLM 일 수 있다.

만약 제2차 광원 매트릭스(2)가 홀로그래픽 디스플레이에서 홀로그래픽방식으로 인코딩된 재생 매트릭스(4)를 조명하는데에 사용되는 경우, 필수적인 제2차 광원의 공간 및 시간적 코히어런스에 대해 주의를 다하여야 한다.

자동 입체영상 디스플레이 또는 홀로그래픽 디스플레이와 관련하여 제어가능한 조명장치를 실현하는 경우, 복수의 관찰자 안구의 위치(이에 대해, 대응하는 제2차 광분포가 재구축됨)를 고려하여, 각각의 CGH 를 미리 계산하여 검색 테이블(LUT)내에 저장해두는 것이 바람직하다.

Claims (11)

1. 광원 당 적어도 하나의 발광소자를 구비하는 제1차 광원들(11, ...,1n)의 조명 매트릭스와 제어가능 광 변조기(SLM)를 포함하며, 상기 광 변조기(SLM)의 빛은 재생 매트릭스(4)를 통과하고 영상화 매트릭스로부터 시계 평면(viewing plane)내의 관찰자의 각 안구에 광선의 집합으로(in bundles) 조사되는 것인 제어가능 조명장치로서,

   컴퓨터 생성 홀로그램(computer-generated hologram; CGH)이 상기 제어가능 광 변조기(SLM)에서 인코딩되고 제1차 광원들(11, ..., 1n)에 의해 조명되며, 상기 관찰자의 안구의 위치에 따라 구성가능한 조명의 실현을 위하여 상기 인코딩은 가변 파라미터들을 이용하여 수행되며, 상기 제어가능 광 변조기(SLM)의 뒤를 따르는 적어도 하나의 평면에서 제2차 광분포를 갖는 제2차 광원들(21, ..., 2n)의 매트릭스(2)는 상기 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)에 의해 재구축되는 것을 특징으로 하는 제어가능 조명장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 재생 매트릭스(4)는 자동입체영상(stereoscopic) 디스플레이 또는 홀로그래픽 디스플레이인 것인 제어가능 조명장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2차 광원들(21, ..., 2n)은 제2차 광분포를 갖는, 점형상 광소자, 선형상 광소자 또는 면형상 광소자를 선택적으로 포함하는 매트릭스를 형성하는 것인 제어가능 조명장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2차 광분포는 상기 제1차 광원들(11, ..., 1n)을 변경시킴으로써 조정되고 및/또는 상기 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)의 인코딩을 변경시킴으로써 조정되는 것인 제어가능 조명장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제2차 광분포는 상기 제2차 광원들(21, ..., 2n)의 갯수 및 각각의 제2차 광원들(21, ..., 2n)간의 거리와 관련하여 가변적인 것인 제어가능 조명장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제2차 광원들(21, ..., 2n)은 횡방향으로 이동가능하며, 또한 축 방향으로도 이동가능한 것인 제어가능 조명장치.
7. 제 1 항에 있어서, 홀로그램 인코딩을 위한 상기 제어가능 광 변조기(SLM)는 투과형 또는 반사형 소자인 것인 제어가능 조명장치.
8. 제 1 항에 있어서, 광선속(bundles of rays)을 형상화하고, 편향시키고, 또는 제거하는 추가적인 광학 소자는 상기 제어가능 광 변조기(SLM)의 앞 또는 뒤에 위치하는 것인 제어가능 조명장치.
9. 제 1 항에 있어서, 확산광과 다른 회절차수의 광을 제거하고 상기 제2차 광원들(21, ..., 2n)의 확장을 제한시키는 가변적인 개구들을 갖는 또다른 투과형 제어가능 광 변조기는 인코딩된 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)을 구비한 상기 제어가능 광 변조기(SLM)의 뒤에 배치되는 것인 제어가능 조명장치.
10. 제 1 항에 있어서, 복수의 관찰자 안구의 위치들에 대응하는 상기 제2차 광분포들과 각각의 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)은 미리 계산되어 검색 테이블(look-up table; LUT)내에 저장되는 것인 제어가능 조명장치.
11. 제 2 항에 있어서, 상기 제어가능 조명장치는 상기 재생 매트릭스(4)로서 홀로그래픽 디스플레이를 구비하며, 상기 재생 매트릭스(4)의 상기 홀로그램을 재구축하는데에 사용되는 상기 제1차 광원들(11, ..., 1n) 및 상기 제2차 광원들(21, ..., 2n)은 충분한 시간 및 공간 코히어런스를 나타내는 것인 제어가능 조명장치.

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