KR102188077B1 - 빔 결합/분배 변조기. 이를 이용한 디스플레이 장치, 및 공간 광 변조 방법 - Google Patents

빔 결합/분배 변조기. 이를 이용한 디스플레이 장치, 및 공간 광 변조 방법 Download PDF

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Abstract

빔 결합/분배 변조기. 이를 이용한 디스플레이 장치, 및 공간 광 변조 방법이 개시된다. 개시된 빔 결합/분배 변조기는 광을 변조하는 제1 변조영역과 제2 변조영역을 갖는 광 변조기와, 광 변조기의 출사면측에 배치되며 제1 변조영역에서 입사되는 광을 제1 편광을 갖도록 편광변환하는 제1 투과영역과 제2 변조영역에서 입사되는 광을 제2 편광을 갖도록 편광변환하는 제2 투과영역을 갖는 편광변환기와, 편광변환기의 출사면 측에 배치되며 복굴절이 발생된 제1 상태와 복굴절이 발생되지 않은 제2 상태에서 전환가능한 복굴절 변조기와, 복굴절 변조기의 출사면 측에 배치되는 편광자를 포함한다.

Description

빔 결합/분배 변조기. 이를 이용한 디스플레이 장치, 및 공간 광 변조 방법{Beam combine/split modulator, display apparatus using the same, and method for modulating spatial light}
본 개시는 빔 결합/분배 변조기. 이를 이용한 디스플레이 장치, 및 공간 광 변조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 3D 영화가 많이 나오고 있고, 이에 따라 3D 영상 표시 장치에 관련된 기술이 많이 연구 되고 있다. 3D 영상 표시 장치는 양안시차를 기반으로 3D영상을 표시하고 있기 때문에 현재 상용화되고 있는 3차원 영상 표시 장치는 두 눈의 양안시차(binocular parallax)를 이용하는 것으로, 시점이 서로 다른 좌안용 영상과 우안용 영상을 시청자의 좌안과 우안에 각각 제공함으로써 시청자가 입체감을 느낄 수 있도록 한다. 이러한 3차원 영상 표시 장치에는 특수 안경을 필요로 하는 안경식 3차원 영상 표시 장치와 안경을 필요로 하지 않는 무안경식 3차원 영상 표시 장치가 있다.
그러나, 양안 시차 방식으로 표시된 3차원 영상을 감상하는 경우에는 눈의 피로감이 크고, 좌안용 영상과 우안용 영상의 2시점만을 제공하는 3차원 영상 표시 장치는 시청자의 이동에 따른 시점의 변화를 반영하지 못하기 때문에, 자연스러운 입체감을 제공하는데 한계가 있다.
　보다 자연스런 입체 영상을 표시하기 위해 홀로그래픽 디스플레이 장치가 연구되고 있다. 광은 진폭 정보와 위상 정보를 가지는 파동으로 생각할 수 있는데, 홀로그래피 기술은 광의 위상과 광의 진폭 제어를 통해 영상을 표시한다. 따라서, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 광의 진폭(세기) 또는 위상을 제어할 수 있는 소자가 필요하다.
본 발명의 실시예들은 광빔을 선택적으로 결합 또는 분배시킬 수 있는 빔 결합/분배 변조기를 제공한다.
본 발명의 실시예들은 빔 결합/분배 변조기를 이용하여 진폭과 위상을 함께 제어할 수 있고, 광 효율이 높은 복소 공간 광변조기를 제공한다.
본 발명의 실시예들은 빔 결합/분배 변조기를 이용하여 영상을 표시하는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예들은 빔 결합/분배 변조기를 이용하여 광의 위상과 세기를 변조하는 공간 광변조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 빔 결합/분배 변조기는 광을 변조하는 제1 변조영역과 제2 변조영역을 갖는 광 변조기; 상기 광 변조기의 출사면측에 배치되어, 상기 제1 변조영역에서 입사되는 광을 제1 편광을 갖도록 편광변환하는 제1 투과영역과 상기 제2 변조영역에서 입사되는 광을 제2 편광을 갖도록 편광변환하는 제2 투과영역을 갖는 편광변환기; 상기 편광변환기의 출사면 측에 배치되며, 복굴절이 발생된 제1 상태와 복굴절이 발생되지 않은 제2 상태에서 전환가능한 복굴절 변조기; 및 상기 복굴절 변조기의 출사면 측에 배치되는 편광자;를 포함할 수 있다.
상기 복굴절 변조기가 상기 제1 상태에 있으면 상기 제1 변조영역에서 입사된 광과 상기 제2 변조영역에서 입사된 광 중 적어도 하나의 광의 광경로는 상기 복굴절 변조기 내에서 변경되어 하나의 광으로 결합되어 상기 복굴절 변조기로부터 출사되며, 상기 복굴절 변조기가 상기 제2 상태에 있으면 상기 제1 변조영역에서 입사된 광과 상기 제2 변조영역에서 입사된 광은 광경로 변경없이 상기 복굴절 변조기로부터 출사될 수 있다.
상기 복굴절 변조기는 전압인가에 따라 복굴절을 일으키는 액정층을 포함할 수 있다.
상기 광 변조기의 제1 변조영역과 제2 변조영역은 입사되는 광의 위상을 독립적으로 변조시키는 투과형 위상 공간 광 변조기일 수 있다.
상기 광 변조기를 통과한 광은 제1 편광을 가지며, 상기 편광변환기의 제1 투과영역은 위상 지연이 없으며, 상기 편광변환기의 제2 투과영역은 반파장의 위상을 지연시키는 반파장판 영역일 수 있다.
상기 편광자의 편광축은 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광에 대해 경사질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 빔 결합/분배 변조기는 광이 입사되는 편광자; 및 상기 편광자의 배면에 배치되며, 복굴절이 발생된 제1 상태와 복굴절이 발생되지 않은 제2 상태에서 전환가능한 복굴절 변조기; 및 상기 복굴절 변조기의 배면에 배치되어 상기 복굴절 변조기로부터 오는 광을 변조하여 상기 복굴절 변조기로 반사시키는 제1 변조영역과 제2 변조영역을 갖는 광 변조기;를 포함할 수 있다.
상기 복굴절 변조기가 상기 제1 상태에 있으면 상기 편광자에서 편광된 광은 상기 복굴절 변조기 내에서 제1 편광의 제1 광과 제2 편광의 제2 광으로 분배되어 상기 광 변조기의 제1 변조영역과 제2 변조영역 각각에 입사되며, 상기 광 변조기의 제1 변조영역과 제2 변조영역 각각에서 변조된 후 상기 복굴절 변조기에 재입사되어 재결합된 후에 상기 편광자를 통과해 출사되며, 상기 복굴절 변조기가 상기 제2 상태에 있으면 상기 편광자에서 편광된 광은 상기 복굴절 변조기에서 분배됨 없이 상기 광 변조기에 입사되며, 상기 광 변조기에서 변조된 후 상기 복굴절 변조기를 경유하여 상기 편광자를 통해 출사될 수 있다.
상기 복굴절 변조기는 전압인가에 따라 복굴절을 일으키는 액정층을 포함할 수 있다.
상기 광 변조기는 입사되는 광의 위상을 변조시키는 반사형 위상 공간 광 변조기일 수 있다.
상기 편광자의 편광축은 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광에 대해 경사지어, 상기 편광자를 통과한 광은 상기 제1 변조영역을 통과한 광의 성분과 상기 제2 변조영역을 통과한 광의 성분을 모두 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르는 디스플레이 패널은 2차원 배열된 복수의 화소를 갖는 화소 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 화소 어레이의 화소들은 각각 상기 빔 결합/분배 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역을 포함하며, 상기 광 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역 각각에서 변조되는 광의 조합에 의해 위상 및 세기가 변조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르는 상기 디스플레이 패널;을 포함하며, 상기 디스플레이 패널의 2차원 배열된 복수개의 빔 결합/분배 변조기에서 전면으로 방출되는 광의 위상과 세기를 조절하여 화상을 표시할 수 있다.
상기 디스플레이 패널에서 출사되는 광의 위상과 세기를 변조하여 홀로그램 영상을 표시하는 홀로그래픽 디스플레이 장치일 수 있다.
상기 디스플레이 패널은 출사되는 광의 위상에 관계없이 하나의 시점 영상인 2D 영상을 표시할 수 있다.
상기 디스플레이 패널에서 출사되는 광의 위상과 세기를 선택적으로 조절하여 2D 영상과 3D 영상을 전환할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르는 공간 광변조 방법은 광 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역에 입사된 광을 각각 변조하는 단계; 상기 제1 변조영역을 통과한 광을 편광변환기에서 제1 편광을 갖도록 편광변환하고, 상기 제2 변조영역을 통과한 광을 제2 편광을 갖도록 편광변환하는 단계; 편광변환된 광을 복굴절 변조기에 입사시키는 단계; 복굴절이 있는 제1 상태와 복굴절이 없는 제2 상태 중 어느 한 상태에 있도록 상기 복굴절 변조기를 제어하는 단계; 및 상기 복굴절 변조기를 통과한 광을 편광자에 통과시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르는 공간 광변조 방법은 입사되는 광을 편광자에 통과시키는 단계; 상기 편광자를 통과한 광을 복굴절 변조기에 입사시키는 단계; 복굴절이 있는 제1 상태와 복굴절이 없는 제2 상태 중 어느 한 상태에 있도록 상기 복굴절 변조기를 제어하는 단계; 상기 복굴절 변조기를 통과한 광을 광 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역에 입사시키는 단계; 상기 광 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역에 입사된 광을 각각 변조하고 반사시키는 단계; 상기 복굴절 변조기에 재입사시키는 단계; 및 상기 복굴절 변조기를 통과한 광을 상기 편광자에 재통과시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 빔 결합/분배 변조기 및 공간 광 변조 방법은 입사되는 광의 위상 및 세기를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 빔 결합/분배 변조기 및 공간 광 변조 방법은 입사되는 2개의 광을 선택적으로 합치던가 분리된 상태로 출사시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 빔 결합/분배 변조기는 홀로그래픽 영상을 표시하는 복소 공간 광 변조기(디스플레이 패널)로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 디스플레이 장치는 홀로그래픽 영상을 표시하는 홀로그래픽 디스플레이 장치일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 결합/분배 변조기를 개략적으로 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 빔 결합/분배 변조기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 결합/분배 변조기를 개략적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 빔 결합/분배 변조기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 패널을 개략적으로 도시한다.
도 6은 도 5의 디스플레이 패널의 화소배열의 일 예를 도시한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 결합/분배 변조기(100)를 개략적으로 도시한다.
본 실시예의 빔 결합/분배 변조기(100)는 광 변조기(110)와, 편광변환기(120)와, 복굴절 변조기(130)와, 편광자(140)를 포함한다.
광 변조기(110)는 독립적으로 광을 변조시키는 제1 변조영역(111)과 제2 변조영역(112)을 갖는다. 제1 변조영역(111)과 제2 변조영역(112)은 광의 위상을 독립적으로 변조할 수 있다. 광 변조기(110)를 통과한 광은 소정 편광으로 편광된 상태일 수 있다. 일 예로, 광 변조기(110)에서 출사된 광은 직선편광된 광일 수 있다. 광 변조기(110)에서 출사된 광의 편광방향은, 예를 들어 후술하는 복굴절 변조기(130)와의 관계에서, s편파로 이해될 수 있다. 이러한 광 변조기(110)는 공지의 투과형 위상 공간 광 변조기일 수 있다. 일 예로, 광 변조기(110)는 PAL(parallel-aligned nematic-liquid-crystal) 패널의 광 변조기일 수 있다. PAL 패널은 상판과 하판의 러빙방향(즉, 액정의 배열방향)이 서로 평행(180°)하도록 되어 있으며, 그 방향이 서로 엇갈리게 마주보는 방향(즉, Anti-parallel)으로 러빙(rubbing)하여 액정을 배열한 경우, 양의 액정을 사용하기에 전압 인가시, 액정이 뒤틀리지 않고 그대로 직각방향(tilt angle)으로 서게 되므로 진폭 변화 없이 위상 변조 및 복굴절 상태 제어가 가능하다. 또 다른 일 예로, 광 변조기(110)은 VA(Vertically Aligned) LC 패널의 광 변조기일 수 있다. VA 패널은 초기 액정의 배열이 상판 및 하판에 수직으로 되어 있으나, 음의 액정을 사용하기에 전압 인가시, 전기장과 수직 방향으로 액정이 재배열되므로, 이 역시 액정이 뒤틀리지 않고 위상 변조 및 복굴절 상태 제어가 가능하다.
편광변환기(120)는 광 변조기(110)의 출사면측에 배치된다. 편광변환기(120)는 제1 투과영역(121)과 제2 투과영역(122)을 포함한다. 제1 투과영역(121)은 광 변조기(110)의 제1 변조영역(111)에 상응하는 영역으로, 광 변조기(110)의 제1 변조영역(111)에서 입사되는 광(이하, 제1 광)(L1)을 제1 편광(예를 들어, s편광)을 갖도록 편광변환한다. 제2 투과영역(122)은 광 변조기(110)의 제2 변조영역(112)에 상응하는 영역으로, 제2 변조영역(112)에서 입사되는 광(이하, 제2 광)(L2)을 제2 편광(예를 들어, p편광)을 갖도록 편광변환한다. 여기서, 편광변환한다는 의미는 입사된 광의 편광을 그대로 유지시키는 것까지 포괄하는 넓은 의미로 사용된다. 일 예로, 편광변환기(120)의 제1 투과영역(121)은 위상 지연이 없으며, 편광변환기(120)의 제2 투과영역(122)은 반파장의 위상을 지연시키는 반파장판 영역일 수 있다.
복굴절 변조기(130)는 편광변환기(120)의 출사면 측에 배치된다. 복굴절 변조기(130)는 복굴절이 발생된 제1 상태와 복굴절이 발생되지 않은 제2 상태에서 전환가능한 능동형 변조기이다. 이러한 복굴절 변조기(130)는 구동제어부(135)의 전압인가에 따라 복굴절을 일으키는 액정층(131)과 양단에 전압을 인가하는 전극층(132, 133)을 포함할 수 있다. 복굴절 변조기(130)의 액정층(131)은 후술하는 바와 같이, 복굴절 상태에 있을 때에 광경로를 분기 혹은 결합시키는 역할을 수행하는바, 액정층(131)의 두께(도 2a의 T1)는 액정층(131)의 복굴절에 의해 변환된 광경로가 후술하는 바와같이 충분히 분리되거나 혹은 합칠 수 있는 정도로 설계된다.
편광자(140)는 복굴절 변조기(130)의 출사면 측에 배치된다. 편광자(140)의 편광축은 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광에 대해 경사질 수 있다. 즉, 편광자(140)는 통과되는 광이 제1 편광의 상기 편광축에 대한 사영성분과 제2 편광의 상기 편광축에 대한 사영성분이 모두 포함되도록 설치된다. 일예로, 제1 편광이 s편광이고 제2 편광이 p편광인 경우, 편광자(140)의 평광축은 s편광 방향 및 p편광 방향 모두에 대해 경사지도록 설치된다.
다음으로, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 빔 결합/분배 변조기(100)를 이용한 공간 광 변조 방법에 대해 설명한다. 도 2a는 복굴절 변조기(130)가 복굴절이 발생된 제1 상태에 있는 경우를 도시하며, 도 2b는 복굴절 변조기(130)가 복굴절이 발생되지 않은 제2 상태에 있는 경우를 도시한다.
먼저 도 2a를 참조하면, 광 변조기(110)의 제1 변조영역(111)에 입사된 제1 광(L1)은 변조된 상태로 편광변환기(120)의 제1 투과영역(121)에 입사된다. 마찬가지로, 광 변조기(110)의 제2 변조영역(112)에 입사된 제2 광(L2)은 편광변환기(120)의 제2 투과영역(122)에 입사된다. 광 변조기(110)는 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)의 위상을 독립적으로 변조시킬 수 있다. 광 변조기(110)에서 출사된 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)은 제1 편광(예를 들어, s편광)을 갖는 광일 수 있다.
편광변환기(120)의 제1 투과영역(121)에 입사된 제1 광(L1)은 제1 편광(예를 들어, s편광)을 그대로 유지한 상태로 출사된다. 편광변환기(120)의 제2 투과영역(122)에 입사된 제2 광(L2)은 위상 지연되어 제2 편광(예를 들어, p편광)을 갖는 광일 수 있다.
복굴절 변조기(130)가 전압 인가에 따라 제1 상태(즉, 복굴절이 발생된 상태)에 있을 수 있다.
일반적으로 복굴절체를 통과하는 빛은 편광방향에 따라 속도가 다른 값을 지닌다. 복굴절체는 단축성 내지 쌍축성 등이 있으며, 본 발명의 복굴절 변조기(130)의 액정층(131)은 특정 복굴절 상태에 한정되지 않는다. 본 실시예는 액정층(131)이 복굴절 상태가 단축성인 경우를 예로 들어 설명한다.
복굴절 변조기(130)가 제1 상태(복굴절 상태)에 있는 경우, 액정층(131)의 회전대칭축인 광축에 수직한 편광방향을 갖는 정상광(ordinary ray)과 액정층(131)의 광축에 수직하지 않는 편광방향을 갖는 이상광(extraordinary ray)은 서로 다른 속도를 가진다. 따라서, 복굴절 변조기(130)가 제1 상태(복굴절 상태)에 있을 때, 제1 광(L1)의 제1 편광이 복굴절 변조기(130)의 복굴절 광축에 수직하도록 제1 광(L1)이 입사되고, 제2 광(L2)의 제2 편광이 복굴절 변조기(130)의 복굴절 광축에 경사진 상태로 제2 광(L2)이 입사하게 되며, 제1 광(L1)과 제2 광(L2)은 복굴절 변조기(130)의 액정층(131) 내에서 서로 다른 속도를 가져, 서로 다른 광경로를 가질 수 있다. 가령, 제1 광(L1)이 제1 편광(s편광)된 상태로 복굴절 변조기(130)에 수직하게 입사되고, 제2 광(L2)이 제2 편광(p편광)된 상태로 복굴절 변조기(130)에 수직하게 입사되면, 제1 광(L1)은 정상 굴절이 이루어져 액정층(131) 내에서 굴절됨 없이 직진한 후 출사되나, 제2 광(L2)은 복굴절 변조기(130)의 복굴절에 의해 액정층(131) 내에서 이상 굴절에 의해 굴절된 후 출사된다. 따라서, 광 변조기(110)의 제1 변조영역(111)(및 편광변환기(120)의 제1 투과영역(121))와 광 변조기(110)의 제2 변조영역(112)(및 편광변환기(120)의 제2 투과영역(122))의 피치 간격(P1)과 복굴절 변조기(130)의 액정층(131)의 두께(T1)가 적절히 설계되면, 제2 광(L2)은 굴절되어 제1 광(L1)의 광경로와 합쳐진 상태로 복굴절 변조기(130)에서 출사될 수 있다.
따라서, 도면에 도시되듯이, 복굴절 변조기(130)가 제1 상태(복굴절 상태)에 있을 때, 복굴절 변조기(130)를 통과한 제1 및 제2 광(L1, L2)은 하나의 광경로로 합쳐진 상태로 출사되어 편광자(140)에 입사된다.
편광자(140)의 편광축은 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광에 대해 경사지게 설치되므로, 편광자(140)를 통과한 광은 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)의 편광자(140)의 편광 방향의 성분으로 주어진다. 즉, 편광자(140)를 통과한 광의 위상은 제1 광(L1)의 변조된 위상과 제2 광(L2)의 변조된 위상의 함수로 주어질 수 있다. 또한, 편광자(140)를 통과한 광의 크기는 제1 광(L1)의 제1 편광방향(예를 들어, s방향)의 사영성분과 제2 광(L2)의 제2 편광방향(예를 들어, p방향)의 사영성분의 합으로 주어지며, 이 크기 역시 제1 광(L1)의 변조된 위상과 제2 광(L2)의 변조된 위상의 함수로 주어질 수 있다. 따라서, 출사된 광의 위상과 세기는 광 변조기(110)의 제1 변조영역(111)과 제2 변조영역(112)의 위상 변조에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.
다음으로, 도 2b를 참조하면, 복굴절 변조기(130)가 제2 상태(즉, 복굴절이 발생되지 않은 상태)에 있으면 제1 광(L1)과 제2 광(L2)은 복굴절 변조기(130) 내에서 광경로 변경없이 복굴절 변조기(130)로부터 출사된다. 따라서, 제1 광(L1)과 제2 광(L2)은 서로 분리된 상태로 편광자(140)를 통해 출사될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 빔 결합/분배 변조기(100)는 복굴절 변조기(130)를 선택적으로 제1 상태(복굴절 상태)와 제2 상태(비복굴절 상태)로 제어할 수 있다. 이때, 복굴절 변조기(130)를 제1 상태로 제어하는 경우, 빔 결합/분배 변조기(100)에 입사된 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)은 하나로 합쳐져 출사되며, 출사된 광의 세기 및 위상은 독립적으로 변조될 수 있으며, 복굴절 변조기(130)를 제2 상태로 제어하는 경우, 빔 결합/분배 변조기(100)에 입사된 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)은 개별적으로 출사된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 결합/분배 변조기(200)를 개략적으로 도시한다.
본 실시예의 빔 결합/분배 변조기(200)는 편광자(210)와, 복굴절 변조기(220)와, 광 변조기(230)를 포함한다. 편광자(210)는 소정 방향으로 편광된 편광(예를 들어, 직선편광)의 광을 통과하는 부재일 수 있다. 복굴절 변조기(220)는 편광자(210)의 배면에 배치된다. 이때 외부나 광원으로부터 광이 입사되는 측을 편광자(210)의 전면이라고 한다. 후술하는 바와 같이 입사된 광은 복굴절 변조기(220) 및 광 변조기(230)를 거쳐 다시 편광자(210)의 전면으로 출사된다.
복굴절 변조기(220)는 복굴절이 발생된 제1 상태와 복굴절이 발생되지 않은 제2 상태에서 전환가능하다. 이러한 복굴절 변조기(220)는 구동제어부(225)의 전압인가에 따라 복굴절을 일으키는 액정층(221)과 양단에 전압을 인가하는 전극층(222, 223)을 포함할 수 있다. 복굴절 변조기(220)의 액정층(221)은 후술하는 바와 같이, 복굴절 상태에 있을 때에 광경로를 분기 혹은 결합시키는 역할을 수행한다. 복굴절 변조기(220)의 액정층(221)의 두께(도 4a의 T2)와 광 변조기(230)의 제1 변조영역(231)과 제2 변조영역(232)의 피치 간격(도 4a의 P2)은 액정층(221)의 복굴절에 의해 변환된 광경로가 후술하는 바와같이 충분히 분리되거나 혹은 합칠 수 있는 정도로 설계된다.
광 변조기(230)는 복굴절 변조기(220)으 배면에 배치된다. 광 변조기(230)는 독립적으로 광을 변조시키는 제1 변조영역(231)과 제2 변조영역(232)을 갖는다. 제1 변조영역(231)과 제2 변조영역(232)는 후술하는 바와 같이 복굴절 변조기(220)가 제1 상태에 있을 때 광경로가 분리된 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)이 각각 입사되는 영역이다. 제1 변조영역(231)과 제2 변조영역(232)은 광의 위상을 독립적으로 변조하면서 광을 반사할 수 있다. 이러한 광 변조기(230)는 공지의 반사형 위상 공간 광 변조기일 수 있다. 이러한 광 변조기(230)에 입사 및 반사된 광은 편광 상태를 그대로 유지할 수 있다.
다음으로, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 실시예의 빔 결합/분배 변조기(200)의 동작을 설명한다. 도 4a는 복굴절 변조기(220)가 복굴절이 발생된 제1 상태에 있는 경우를 도시하며, 도 4b는 복굴절 변조기(220)가 복굴절이 발생되지 않은 제2 상태에 있는 경우를 도시한다.
먼저 도 4a를 참조하면, 편광자(210)를 통과한 광은 소정 방향으로 편광된 광이다. 일 예로, 광은 s편광 성분과 p편광 성분을 갖는 직선 편광된 광일 수 있다. 이때, s편광 및 p편광은 복굴절 변조기(220)의 복굴절 광축을 기준으로 정해진다.
복굴절 변조기(220)가 전압 인가에 따라 제1 상태(즉, 복굴절이 발생된 상태)에 있을 수 있다. 복굴절 변조기(220)가 제1 상태(복굴절 상태)에 있는 경우, 액정층(221)의 회전대칭축인 광축에 수직한 편광방향(s편광)을 갖는 제1 광(L1)은 액정층(221) 내에서 그대로 직진하나, 액정층(131)의 광축에 수직하지 않는 편광방향(p편광)을 갖는 제2 광(L2)은 액정층(221) 내에서 굴절된다. 이 결과, 제1 광(L1)과 제2 광(L2)은 광경로가 분리된 상태로 복굴절 변조기(220)에서 출사된다. 복굴절 변조기(220)에서 출사된 제1 광(L1)과 제2 광(L2)은 광 변조기(230)의 제1 변조영역(231) 및 제2 변조영역(232)에 각각 입사된다. 광 변조기(230)의 제1 변조영역(231) 및 제2 변조영역(232)에 각각 입사된 제1 광(L1)과 제2 광(L2)은 서로 독립적으로 위상 변조되고, 반사되어 복굴절 변조기(220)에 재입사된다. 복굴절 변조기(220)의 배면에 재입사된 제1 광(L1)과 제2 광(L2)은 분리되었던 전단계의 광경로를 역으로 진행하여, 하나로 합쳐진 상태로 복굴절 변조기(220)의 전면에서 출사하게 된다. 복굴절 변조기(220)를 통과한 제1 및 제2 광(L1, L2)은 하나의 광경로로 합쳐진 상태로 출사되어 편광자(210)에 재입사된다. 편광자(210)의 편광축은 제1 광(L1)의 제1 편광 및 제2 광(L2)의 제2 편광에 대해 경사지게 설치되므로, 편광자(210)를 통과한 광은 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)의 편광자(210)의 편광 방향의 성분으로 주어진다. 즉, 편광자(210)를 통과한 광의 위상 및 크기는 제1 광(L1)의 변조된 위상과 제2 광(L2)의 변조된 위상의 함수로 주어질 수 있다.
다음으로, 도 4b를 참조하면, 복굴절 변조기(220)가 제2 상태(즉, 복굴절이 발생되지 않은 상태)에 있으면 편광자(210)의 전면에서 입사된 광은 복굴절 변조기(220) 내에서 광경로 변경없이 광 변조기(230)에 입사되며, 광 변조기(230)의 제1 변조영역(231) 및 제2 변조영역(232)에 각각 입사된 광은 복굴절 변조기(220) 내에서 광경로 변경없이 다시 편광자(210)를 거쳐 출사된다.
상기와 같이, 본 실시예의 빔 결합/분배 변조기(200)는 편광자(210)의 전면에서 입사된 광이 편광자(210)의 전면으로 다시 출사되면서 광의 세기 및 위상이 독립적으로 변조될 수 있음을 알 수 있다.
전술한 실시예들의 빔 결합/분배 변조기(100, 200)는 입사되는 두 개의 광을 하나로 합치던가 혹은 그대로 분리된 상태로 출사할 수 있으므로, 능동형 편광 빔 결합기 또는 분배기로 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 패널(300)을 개략적으로 도시하며, 도 6은 디스플레이 패널(300)의 화소배열의 일 예를 도시한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예의 디스플레이 장치(300)는 전술한 실시예들에 따른 빔 결합/분배 변조기를 응용한 것이다. 예를 들어, 디스플레이 패널(300)들은 2차원 배열된 복수의 화소를 갖는 화소 어레이를 포함하며, 화소 어레이의 각 화소는 전술한 실시예의 빔 결합/분배 변조기(도 1의 100)를 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예의 디스플레이 패널(300)은 컬러 필터(310)을 더 포함할 수 있다. 컬러 필터(310)가 더 마련된 경우, 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)의 서브 화소들 혹은 이들 중 일부가 하나의 하나의 화소를 형성할 수 있다. 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)의 서브 화소별로 전술한 광 변조기(110)에 제1 및 제2 변조영역(111, 112), 편광변환기(120)의 제1 및 제2 투과영역(121, 122), 복굴절 변조기(130), 및 편광자(140)를 포함할 수 있다. 복굴절 변조기(130)는 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)의 서브 화소별로 구동되거나, 혹은 일체로 구동될 수 있다.
전술한 바와 같이 빔 결합/분배 변조기(100)는 입사되는 두 개의 광을 결합하여 광의 위상과 세기를 독립적으로 제어할 수 있으므로, 각 화소별(혹은 서브 화소별)로 출사되는 광의 위상과 세기를 제어할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 디스플레이 패널(300)은 컴퓨터를 이용하여 계산된 홀로그램(computer generated hologram; CGH)을 표시하는 홀로그램 디스플레이 패널로 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예의 디스플레이 패널(300)은 광의 위상을 적절히 제어함으로써 다중 시점을 제공하는 다중 방향 3D 디스플레이 패널로 기능할 수도 있다. 또한, 본 실시예의 디스플레이 패널(300)은 전술한 바와 같이 빔 결합/분배 변조기(100)는 출사되는 광의 세기만을 제어함으로써 2D 영상을 표시할 수도 있다.
또한, 전술한 실시예의 디스플레이 패널(300)은 도 1, 도 2a 및 도2b를 참조하여 설명한 빔 결합/분배 변조기(100)를 예를 들어 설명하고 있으나, 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 빔 결합/분배 변조기(200)를 디스플레이 패널의 화소(혹은 서브 화소)에 적용할 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치(400)를 개략적으로 도시한다. 디스플레이 장치(400)는 디스플레이 패널(410)을 포함한다. 디스플레이 패널(410)는 전술한 디스플레이 패널(300)일 수 있다.
전술한 바와 같이 디스플레이 패널(410)에 적용된 빔 결합/분배 변조기(도 1의 100, 도 3의 200)는 출사되는 광의 위상과 세기를 제어할 수 있으므로, 컴퓨터를 이용하여 계산된 홀로그램(CGH)을 디스플레이할 수 있으며, 따라서 디스플레이 장치(400)는 홀로그래픽 영상 디스플레이 장치가 될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 디스플레이 패널(410)은 광의 위상을 적절히 제어함으로써 다중 시점을 제공하는 다중 방향 3D 디스플레이 패널로 기능할 수도 있으므로, 다중 시점을 제공하는 3D 디스플레이 장치일 수 있다. 또한, 빔 결합/분배 변조기(100, 200)는 선택적으로 출사되는 광(L)의 세기만을 조절할 수 있으므로, 디스플레이 장치(400)는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치가 될 수도 있다.
또한, 빔 결합/분배 변조기(100, 200)는 평판형으로 구현될 수 있으므로, 이를 이용한 디스플레이 패널(410) 역시 평판형 패널일 수 있으며, 나아가 디스플레이 장치(400) 역시 평판형 디스플레이 장치 일수 있다.
전술한 본 발명인 빔 결합/분배 변조기, 이를 이용한 디스플레이 장치, 및 공간 광 변조 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200 : 빔 결합/분배 변조기 110, 230 : 광 변조기
120 : 편광 변환기 130, 220 : 복굴절 변환기
140, 210 : 편광자 300, 410 : 디스플레이 패널
310 : 컬러필터 400 : 디스플레이 장치

Claims (20)

  1. 광을 변조하는 제1 변조영역과 제2 변조영역을 갖는 광 변조기;
    상기 광 변조기의 출사면측에 배치되어, 상기 제1 변조영역에서 입사되는 광을 제1 편광을 갖도록 편광변환하는 제1 투과영역과 상기 제2 변조영역에서 입사되는 광을 제2 편광을 갖도록 편광변환하는 제2 투과영역을 갖는 편광변환기;
    상기 편광변환기의 출사면 측에 배치되며, 복굴절이 발생된 제1 상태와 복굴절이 발생되지 않은 제2 상태에서 전환가능한 복굴절 변조기; 및
    상기 복굴절 변조기의 출사면 측에 배치되는 편광자;를 포함하며,
    상기 복굴절 변조기가 상기 제1 상태에 있으면 상기 제1 변조영역에서 입사된 광과 상기 제2 변조영역에서 입사된 광 중 적어도 하나의 광의 광경로는 상기 복굴절 변조기 내에서 변경되어 하나의 광으로 결합되어 상기 복굴절 변조기로부터 출사되며,
    상기 복굴절 변조기가 상기 제2 상태에 있으면 상기 제1 변조영역에서 입사된 광과 상기 제2 변조영역에서 입사된 광은 광경로 변경없이 상기 복굴절 변조기로부터 출사되는 빔 결합/분배 변조기.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복굴절 변조기는 전압인가에 따라 복굴절을 일으키는 액정층을 포함하는 빔 결합/분배 변조기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광 변조기의 제1 변조영역과 제2 변조영역은 입사되는 광의 위상을 독립적으로 변조시키는 투과형 위상 공간 광 변조기인 빔 결합/분배 변조기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광 변조기를 통과한 광은 제1 편광을 가지며,
    상기 편광변환기의 제1 투과영역은 위상 지연이 없으며, 상기 편광변환기의 제2 투과영역은 반파장의 위상을 지연시키는 반파장판 영역인 빔 결합/분배 변조기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 편광자의 편광축은 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광에 대해 경사지는 빔 결합/분배 변조기.
  7. 광이 입사되는 편광자; 및
    상기 편광자의 배면에 배치되며, 복굴절이 발생된 제1 상태와 복굴절이 발생되지 않은 제2 상태에서 전환가능한 복굴절 변조기; 및
    상기 복굴절 변조기의 배면에 배치되어 상기 복굴절 변조기로부터 오는 광을 변조하여 상기 복굴절 변조기로 반사시키는 제1 변조영역과 제2 변조영역을 갖는 광 변조기;를 포함하며,
    상기 복굴절 변조기가 상기 제1 상태에 있으면 상기 편광자에서 편광된 광은 상기 복굴절 변조기 내에서 제1 편광의 제1 광과 제2 편광의 제2 광으로 분배되어 상기 광 변조기의 제1 변조영역과 제2 변조영역 각각에 입사되며, 상기 광 변조기의 제1 변조영역과 제2 변조영역 각각에서 변조된 후 상기 복굴절 변조기에 재입사되어 재결합된 후에 상기 편광자를 통과해 출사되며,
    상기 복굴절 변조기가 상기 제2 상태에 있으면 상기 편광자에서 편광된 광은 상기 복굴절 변조기에서 분배됨 없이 상기 광 변조기에 입사되며, 상기 광 변조기에서 변조된 후 상기 복굴절 변조기를 경유하여 상기 편광자를 통해 출사되는 빔 결합/분배 변조기.
  8. 삭제
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 복굴절 변조기는 전압인가에 따라 복굴절을 일으키는 액정층을 포함하는 빔 결합/분배 변조기.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 광 변조기는 입사되는 광의 위상을 변조시키는 반사형 위상 공간 광 변조기인 빔 결합/분배 변조기.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 편광자의 편광축은 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광에 대해 경사지어, 상기 편광자를 통과한 광은 상기 제1 변조영역을 통과한 광의 성분과 상기 제2 변조영역을 통과한 광의 성분을 모두 포함하는 빔 결합/분배 변조기.
  12. 2차원 배열된 복수의 화소를 갖는 화소 어레이;를 포함하며,
    상기 복수의 화소 어레이의 화소들은 각각 청구항 제1 항, 제3 항 내지 제7 항, 및 제9 항 내지 제11 항 중 어느 한 항의 빔 결합/분배 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역을 포함하며, 상기 광 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역 각각에서 변조되는 광의 조합에 의해 위상 및 세기가 변조되는 디스플레이 패널.
  13. 제12 항의 디스플레이 패널;을 포함하며,
    상기 디스플레이 패널의 2차원 배열된 복수개의 빔 결합/분배 변조기에서 전면으로 방출되는 광의 위상과 세기를 조절하여 화상을 표시하는 디스플레이 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널에서 출사되는 광의 위상과 세기를 변조하여 홀로그램 영상을 표시하는 홀로그래픽 디스플레이 장치인 디스플레이 장치.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널은 출사되는 광의 위상에 관계없이 하나의 시점 영상인 2D 영상을 표시하는 디스플레이 장치.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널에서 출사되는 광의 위상과 세기를 선택적으로 조절하여 2D 영상과 3D 영상을 전환할 수 있는 디스플레이 장치.
  17. 광 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역에 입사된 광을 각각 변조하는 단계;
    상기 제1 변조영역을 통과한 광을 편광변환기에서 제1 편광을 갖도록 편광변환하고, 상기 제2 변조영역을 통과한 광을 제2 편광을 갖도록 편광변환하는 단계;
    편광변환된 광을 복굴절 변조기에 입사시키는 단계;
    복굴절이 있는 제1 상태와 복굴절이 없는 제2 상태 중 어느 한 상태에 있도록 상기 복굴절 변조기를 제어하는 단계; 및
    상기 복굴절 변조기를 통과한 광을 편광자에 통과시키는 단계;를 포함하며,
    상기 복굴절 변조기가 상기 제1 상태에 있으면 상기 제1 변조영역에서 입사된 광과 상기 제2 변조영역에서 입사된 광 중 적어도 하나의 광의 광경로는 상기 복굴절 변조기 내에서 변경되어 하나의 광으로 결합되어 상기 복굴절 변조기로부터 출사되며,
    상기 복굴절 변조기가 상기 제2 상태에 있으면 상기 제1 변조영역에서 입사된 광과 상기 제2 변조영역에서 입사된 광은 광경로 변경없이 상기 복굴절 변조기로부터 출사되는 공간 광변조 방법.
  18. 삭제
  19. 입사되는 광을 편광자에 통과시키는 단계;
    상기 편광자를 통과한 광을 복굴절 변조기에 입사시키는 단계;
    복굴절이 있는 제1 상태와 복굴절이 없는 제2 상태 중 어느 한 상태에 있도록 상기 복굴절 변조기를 제어하는 단계;
    상기 복굴절 변조기를 통과한 광을 광 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역에 입사시키는 단계;
    상기 광 변조기의 제1 변조영역 및 제2 변조영역에 입사된 광을 각각 변조하고 반사시키는 단계;
    상기 복굴절 변조기에 재입사시키는 단계; 및
    상기 복굴절 변조기를 통과한 광을 상기 편광자에 재통과시키는 단계;를 포함하며,
    상기 복굴절 변조기가 상기 제1 상태에 있으면 상기 편광자에서 편광된 광은 상기 복굴절 변조기 내에서 제1 편광의 제1 광과 제2 편광의 제2 광으로 분리되어 상기 광 변조기의 제1 변조영역과 제2 변조영역 각각에 입사되며, 상기 변조기의 제1 변조영역과 제2 변조영역 각각에서 변조된 후 상기 복굴절 변조기에 재입사되어 재결합된 후에 상기 편광자를 통과해 출사되며,
    상기 복굴절 변조기가 상기 제2 상태에 있으면 상기 편광자에서 편광된 광은 상기 복굴절 변조기에서 분리됨 없이 상기 광 변조기에 입사되며, 상기 광 변조기에서 변조된 후 상기 복굴절 변조기를 경유하여 상기 편광자를 통해 출사되는 공간 광변조 방법.
  20. 삭제
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