KR102355452B1 - 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)을 위한 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 디스플레이 디바이스는, 결합된 위상 변조 픽셀(p) 및 진폭 변조 픽셀(a)을 구비하는 공간 광 변조기 디바이스(SLM), 공간 광 변조기 디바이스(SLM)의 조명이 가능한 조명 유닛 및 조명 유닛에 의해 방출되는 충분히 코히어런트한 광을 생성하도록 배열되는 반사면(RP)을 포함한다. 광은 공간 광 변조기 디바이스(SLM)에 진입하고, 공간 광 변조기 디바이스(SLM)의 위상 변조 픽셀(p) 및 진폭 변조 픽셀(a) 둘 다를 통과한다. 광은 픽셀 사이의 반사면(RP)에 의해 반사된다.

Description

홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스{DISPLAY DEVICE FOR HOLOGRAPHIC RECONSTRUCTION}
본 발명은 홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)을 위한 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 특히 공간 광 변조기 디바이스(spatial light modulator device)의 인접한 변조 픽셀들의 평면적 결합(planar combination)을 사용하는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 이러한 디스플레이 디바이스는 스마트폰 및 태블릿 컴퓨터와 같은 모바일 애플리케이션에서 대부분 필요하다. 그러나, 다른 애플리케이션도 또한 가능하다.
또한, 본 발명은 또한, 홀로그래픽 재구성을 생성하는 방법 및 장면의 또는 컨텐츠의 이차원 및/또는 삼차원 표현 중 적어도 하나를 생성하기 위한 그런 디스플레이 디바이스에서 적용되는 공간 광 변조기 디바이스에 관련된다.
본 발명의 디스플레이 디바이스는 이차원(2D) 및/또는 삼차원(3D) 이미지를 디스플레이하도록 적응된다. 이차원 이미지 또는 삼차원 이미지는 이차원 또는 삼차원 컨텐츠 또는 무비(movie)를 또한 포함한다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 적용의 분야는, 바람직하게는, 홀로그래픽 이미지(holographic image)의 삼차원 표현을 위한 직접 뷰 디스플레이 디바이스(direct-view display device)를 포함한다.
이차원 이미지 또는 무비/비디오의 표현을 위한 상업적으로 이용가능한 평면 TV 디스플레이에서는, 고해상도에서 전체 표면의 밝고 동질적인(homogeneous) 조명을 실현하는 것이 필요하다. 디스플레이 패널로서 기능하는 공간 광 변조기 디바이스는, 큰 각도 범위에서 광을 방출하는 데 필요하다. 표현될 정보는 디스플레이 디바이스의 공간 광 변조기 디바이스로 기록된다. 광원 유닛을 포함하는 조명 유닛에 의해 방출되는 광은 공간 광 변조기 디바이스로 기록되는 정보로 변조되는데, 이 경우 공간 광 변조기 디바이스는 종종 스크린 또는 디스플레이 패널로서 동시에 기능한다. 따라서, 공간 광 변조기 디바이스 상으로의 광 빔의 평행한 입사를 엄격히 보장하는 것 및 공간 광 변조기 디바이스의 높은 리프레시율을 달성하는 것이 필요하다. 공간 광 변조기 디바이스로 기록되는 정보의 고품질의 삼차원 표현을 달성하기 위해서는, 공간 광 변조기 디바이스의 전체 표면의 동질적인 조명 외에, 조명 유닛을 나와 커플링되는 파면(wave front)의 정의된 시준(collimation)이 필요하다. 이것은, 생성될 재구성의 형태의 홀로그래픽 표현에 대해 아주 중요하다. 예를 들면, 삼차원 장면의 물점(object point)으로 구성되는 오브젝트일 수 있는 홀로그래픽 정보는, 공간 광 변조기 디바이스의 픽셀에서 진폭 및 위상 값의 형태로 인코딩된다. 인코딩된 물점은, 공간 광 변조기 디바이스에 의해 방출되는 웨이브 필드(wave field)에 의해 생성된다.
파면의 위상 및 진폭 둘 다를 변조하도록 기능하는 복소 값(complex value)은 종래의 공간 광 변조기 디바이스의 단일의 픽셀에서 만족스럽게 직접 디스플레이될 수 없다. 그러나, 픽셀당 단지 하나의 값만의 변조, 즉, 위상만의 변조(phase-only modulation) 또는 진폭만의 변조(amplitude-only modulation)는, 바람직하게는 움직이는 삼차원 장면의 불충분한 홀로그래픽 재구성을 초래시킨다. 복소 값(complex value)의 (일반화된 파라미터의 의미에서의) 직접적이고 이에 따라, 최적의 표현은, 바람직하게는, 공간 광 변조기 디바이스에서의 동일 평면에서 그리고 동일한 시간에 복소 값 변조에 의해서만 달성될 수 있다.
공간 광 변조기 디바이스의 실제 타입에 따라, 다양한 방법이, 디스플레이될 복소 값의 양쪽 부분들의 동시적 변조를 달성하는 것이 알려져 있다.
예를 들면, 코히어런트 광(coherent light)의 진폭 및 위상 둘 다를 동시에 변조하기 위해, 두 개의 별개로 제어가능한 공간 광 변조기들은 서로 밀접하게 결합 및 배열될 수 있다. 하나의 공간 광 변조기는 진폭을 변조하고; 나머지 하나의 광 변조기는 입사광의 위상을 변조한다. 이러한 배열로, 변조 특성의 추가적인 결합도 또한 가능하다.
광은 먼저 제1 공간 광 변조기의 하나의 픽셀을 통과하고, 그 후 제2 공간 광 변조기의 대응하는 픽셀을 통과해야 한다. 이것은, 예를 들면, 제1 공간 광 변조기가 큰 면적의 광학 엘리먼트, 예를 들면, 렌즈에 의해 제2 공간 광 변조기 상으로 이미지화되거나, 또는 제1 공간 광 변조기가 작은 사이즈의 렌즈의 어레이에 의해 제2 공간 광 변조기 상으로 이미지화되거나, 또는 두 개의 공간 광 변조기가 서로 샌드위치식으로 끼워지는 식으로 달성될 수 있다.
복소 값 변조를 달성하도록 기능하는 두 개의 공간 광 변조기의 이들 결합은, 두 개의 공간 광 변조기 사이의 거리가 그들의 픽셀 피치, 즉 두 픽셀 사이의 거리보다 훨씬 더 크다는 단점을 갖는다.
홀로그래픽 애플리케이션을 위한 공간 광 변조기의 통상적인 픽셀 피치는 예를 들면 10 ㎛ 와 50 ㎛ 사이에 있다. 대조적으로, 샌드위치 배열에서의 두 개의 공간 광 변조기 패널 사이의 거리는 수 백 ㎛이고, 하나의 공간 광 변조기 패널이 다른 공간 광 변조기 패널 상으로 이미지화되는 배열에서는, 그들의 거리는 심지어 더 크다.
많은 타입의 공간 광 변조기, 예컨대 액정(liquid crystal; LC) 공간 광 변조기는, 통상적으로, 투명 유리 기판들 사이에 임베딩되는 액정의 주소지정가능한 층(addressable layer)을 갖는다. 대안적으로, 반사 디스플레이 디바이스(reflective display device)에서, 주소지정가능한 층은 투명 유리 기판과 반사 유리 기판 사이에 배치된다. 유리 기판은 예를 들면 500 ㎛와 700 ㎛ 사이의 두께를 통상적으로 갖는다.
복소 값 변조를 위한 샌드위치 구조는, 단일의 위상 변조 공간 광 변조기(phase-modulating spatial light modulator)와 단일의 진폭 변조 공간 광 변조기(amplitude-modulating spatial light modulator) 각자의 유리 기판을 앞뒤로 배열시켜 생성될 수 있다. 위상 변조 공간 광 변조기의 픽셀의 주소지정가능한 층으로부터 유래하는 광선속(pencil of ray)이, 유리 기판을 통과한 이후 진폭 변조 공간 광 변조기의 픽셀의 주소지정가능한 층 상으로 떨어질 때, 그 광선속은 회절 효과에 의해 이 픽셀의 어퍼쳐에서 이미 확장될 것이고, 그 결과 인접한 픽셀의 광선속의 누화(cross-talking)가 발생할 것이다.
이미징 엘리먼트(imaging element)를 사용하는 경우, 공간 광 변조기의 전체 표면에 걸쳐 제1 공간 광 변조기의 정확하게 하나의 픽셀이 제2 공간 광 변조기의 하나의 픽셀 상으로 이미지화되어야만 한다는 도전과제가 존재한다. 이것은 극단적으로 왜곡(distortion)이 거의 없는 광학 시스템을 필요로 한다. 이러한 요건은 실제로는 거의 만족될 수 없다. 이것은 이미징 기술이 활용되는 경우에도 인접한 픽셀들 사이에서 왜 누화가 또한 발생하는지의 이유이다.
두 개의 공간 광 변조기 패널들, 광학 이미징 시스템 또는 광원들이 서로와 관련하여 완벽하게 정렬되지 않으면, 누화는 더 악화될 수 있다.
또한, 공간 광 변조기 패널이 서로 밀접하게 결합 배치되면, 예를 들면, 샌드위치 타입 복소 공간 광 변조기의 제1 평면을 형성하는 위상 공간 광 변조기인 회절 어퍼쳐의 제1 평면에서 입사 웨이브 필드의 회절이 발생할 때 이러한 배열은 에러에 취약하게 된다. 제1 공간 광 변조기 패널에 위치되는 픽셀로부터의 회절 광은, 제2 공간 광 변조기 패널의 인접한 대응하지 않는 픽셀로 전파될 수 있다. 다시 말하면, 제1 패널의 위상 변조 픽셀 뒤에서 전파하는 광의, 예를 들어 80%는 제2 패널의 관련된 진폭 변조 픽셀을 조명할 수 있다. 다른 10%는 진폭 패널의 투명 부분에 부딪칠 수 없는데, 이것은 이 10%가 어퍼쳐의 흡수 부분에 의해 차단될 수 있다는 것을 의미한다. 그리고 나머지 10%는 인접한 진폭 픽셀을 조명할 수 있는데, 이것은 샌드위치 내에서 누화를 생성한다는 것을 의미한다. 이 누화는, 예를 들면, 홀로그래픽 디스플레이 디바이스의 재구성 품질을 저하시키는데, 그 이유는 공간 광 변조기들에 의해 복소 값들이 표현될 때 진폭 및 위상 값의 잘못된 결합과 이 누화가 대응하기 때문이다.
결과적으로, 위상 변조 평면과 진폭 변조 평면 사이의 거리는, 바람직하게는, 코히어런트 방향(coherent direction)을 따라 존재하는 최소 픽셀 피치의 10배 미만이어야 한다. 예를 들면, 홀로그래픽 TV에 대한 경우일 수 있는 일차원의 인코딩된 서브 홀로그램을 사용하는 경우, 공간 광 변조기를 조명하는 광은, 예를 들면 수직 방향일 수 있는 한 방향만을 따라 코히어런트하다.
홀로그래픽 재구성을 위해 사용되는 디스플레이 디바이스에서, 이하 SLM으로 칭해지는 공간 광 변조기 디바이스(spatial light modulator device)의 픽셀의 진폭 및 위상을 서로 독립적으로 제어하기 위해서는, 조명 유닛에 의해 방출되는 충분히 코히어런트한 광의 복소 변조가 달성되어야만 한다. 따라서, 각각의 공간 광 변조기 디바이스의 사용이 필요하다.
SLM에 의해 복소 변조를 획득할 가능성은, 인접한 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 횡방향으로(laterally) 결합할 것이다.
인접한 진폭 변조 픽셀 및 위상 변조 픽셀의 이러한 횡방향 배열은 WO 2009/080576 A1에서 개시된다. 이 문헌은, 서로 옆에 배열되는 적어도 두 개의 픽셀의 다수의 매크로 픽셀을 포함하는 제어가능한 광 변조기를 설명하는데, 여기서는 재귀 반사(retro-reflective) 엘리먼트가 제공된다. 재귀 반사 엘리먼트는, 수직 방향에서 서로 평행한 두 개의 반사 표면을 갖는다. 반사 표면은, 90도의 주어진 각도 하에서 갭 없이 배열되고, 그 결과 이들은, 재귀 반사 엘리먼트가 배열되는 기판 층을 갖는 프리즘을 형성하게 되고 또한 이들은 웨이브 필드의 입사 부분을 반사하게 된다.
일반적으로, SLM에서의 픽셀 결합 배열은 경사진 표면을 사용할 수 있는데, 경사진 표면은, 예를 들면, 일차원(1D) 또는 이차원(2D) 프리즘 구조체에 의해 실현될 수 있고, 일차원(1D) 또는 이차원(2D) 프리즘 구조체는 예를 들면, 몰딩 또는 임프린트(imprint) 기술을 사용하는 것에 의해 실현될 수 있다.
실현될 수 있는 프리즘 각도의 정밀도는 1/10도보다 상당히 더 작다. 그리고 심지어 0.5도의 각도 공차(tolerance)는, 디스플레이 사이즈 영역에서 그리고 100 ㎛ 미만의 프리즘 간격을 가지고 실현되면, 상당한 기술적 노력을 필요로 한다.
기능적으로 순차적인 위상 및 진폭 SLM 샌드위치를 형성하기 위해 인접한 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀이 결합되는지 또는 표준 타입 디스플레이 샌드위치가 사용되는지에 무관하게, 조명 광의 광학 경로를 따라 순차적으로 배치되는 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 결합 상으로 초점을 맞추는 것은 충분하지 않다. 이것은 단지 하나의 경계 조건이다. 요건을 이해하기 위해서는 전체 기능이 이해되어야 하는데, 전체 기능은 절두체(frustum)의 공간 내에서의 실제 또는 가상의 물점의 생성이고, 절두체는 유저의 눈이 배치되는 뷰잉 윈도우(viewing window; VW) 및 SLM에 의해 걸쳐지고(spanned) 심지어 SLM 뒤로 이어질 수도 있고, 절두체는 피라미드형 구조체를 갖는다. 물점의 생성은 시준된 조명(collimated illumination)을 필요로 한다. 고선명 컨텐츠를 표시한다는 것은, 조명의 평면파의 각도 스펙트럼(angular spectrum of plane wave; ASPW)을 1/60도로 제한한다는 것을 의미한다.
더구나, 평면파의 각도 스펙트럼과 각도 분포 사이에는 차이가 존재하는데, 이 차이는 예를 들면, WO 2009/080576 A1에서 사용되는 마이크로 프리즘 어레이에 의해 추가된다. 평면파의 각도 스펙트럼은 1/60도 이하이어야 하지만, 프리즘에 의해 추가되는 각도 변동은 평면파의 각도 스펙트럼의 이 값만큼 작아져야 하지 않고 예를 들면 0.5도보다 클 수 있다. 각도 변동이 1/60도만큼 작으면, SLM의 국소적 픽셀(local pixel)의 개개의 캘리브레이션은 불필요하다. 그러나 프리즘에 의해 도입되는 각도 변동이 1/60도를 상당히 초과하면, 사람 눈의 진입면(entrance plane) 내에서, 복소 값의 웨이브 필드(complex-valued wave field)의 설계 값을 의미하는 정확한 위상 값을 제공하기 위해서는, 국소적 캘리브레이션이 필요로 한다. 다시 말하면 모든 픽셀의 또는 적어도 아주 많은 수의 샘플링 포인트의 캘리브레이션이 실행되어야 한다. 측정의 평면은 디스플레이 평면일 수 있거나 또는 디스플레이 디바이스에 가까울 수 있다. 국소적으로 측정된 위상 및 진폭 분포를 의미하는 국소적으로 측정된 웨이브 필드는, 예를 들면, 프레스넬 변환(Fresnel transformation)을 사용하는 것에 의해 뷰잉 윈도우로 전파될 수 있다. 다시 말하면, 이것은 위상 및 진폭 분포의 계산을 사용하는 것에 의해 행해질 수 있다. 그러나, 개개의 픽셀에 의해 방출되는 복소 값의 웨이브 필드, 더 정확히 말하면 SLM의 복소 값의 픽셀(complex-valued pixels)은, 계산된 전파를 사용하지 않고 뷰잉 윈도우 자체 내에서 또한 측정될 수 있다. 뷰잉 윈도우는 유저 평면에서 가시적인 영역이다. 유저 평면에서의 뷰잉 윈도우의 위치가 유저의 눈과 일치하고 유저가 뷰잉 윈도우를 통해 보면, 유저는 재구성된 장면을 볼 수 있다.
따라서, 종래 기술의 디스플레이 디바이스의 단점을 방지하는 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 더구나, 디스플레이 디바이스는 충분히 편평하게 설계될 것인데, 이 경우, 공간 광 변조기 디바이스에서 위상 및 진폭을 서로 독립적으로 제어하기 위해서는, 충분히 코히어런트한 광의 복소 변조가 달성되어야 한다.
간이하고 비용 효율적일 구성을 갖는 디스플레이 디바이스를 설계하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
더구나, 광의 복소 값 변조가 간단한 방식으로 달성될 수 있게 하는 방법을 개발하는 것이 본 발명의 목적이다.
이 이유 때문에, 본 발명에 따르면, 그 목적은 청구항 1에서 청구되는 디스플레이 디바이스를 통해 달성된다.
본 발명에 따른 디스플레이 디바이스는, 장면의 홀로그래픽 재구성을 위해, 바람직하게는, 이차원 및/또는 삼차원 이미지를 디스플레이하기 위해 제공된다. 디스플레이 디바이스는, 결합된 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 갖는 공간 광 변조기 디바이스를 포함한다. 공간 광 변조기 디바이스의 조명이 가능한 조명 유닛이 더 제공된다. 디스플레이 디바이스는 반사 평면(reflection plane)을 더 포함한다. 모든 이들 컴포넌트는, 홀로그래픽 재구성에 필요로 하는 그리고 조명 유닛에 의해 방출되는 충분히 코히어런트한 광을 생성하도록 배열된다. 이 광은 공간 광 변조기 디바이스에 진입하고 그 다음 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀 둘 다를 통과하는데, 이 경우 광은 픽셀들 사이에 있는 반사면에 의해 반사된다.
이 방식에서, 복소 값 디스플레이 디바이스를 실현하기 위해, 디스플레이 패널의 결합된 위상 변조 및 진폭 변조 픽셀이 제공된다. 다시 말하면, 복소 값 디스플레이 디바이스는 서로 근접하는 위상 변조(시프트용) 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 결합하기 위해 제공된다. 공간 광 변조기 디바이스는 픽셀을 형성하기 위한 주소지정가능한 투과층(addressable transmissive layer)을 포함한다. 이 주소지정가능한 투과층은 액정층일 수 있다. 그러나, 또한, 공간 광 변조기의 다른 별개의 실현예, 예를 들면, 일렉트로웨팅 기반의(electrowetting-based) 공간 광 변조기 또는 자기 광자 결정 기반의(magneto-photonic crystal-based) 공간 광 변조기도 가능하다. 일반적으로, 위상 변조 픽셀의 2π 위상 변조에 필요로 하는 이러한 주소지정가능한 투과층의 액정 두께는, 진폭 변조 픽셀의 ON에서 OFF로의 변조에 필요로 하는 액정 두께의 두 배만큼 높다. 그러나, 본 발명에 있어서, 진폭 변조 픽셀의 액정 두께는 위상 변조(시프트용) 픽셀의 액정 두께와 등가일 수 있다. 이것은, 바람직하게는, 위상 변조 픽셀에 대해 이중 경로 장치를 구현하는 것에 의해 실현될 수 있다. 제1 픽셀 위상 변조 픽셀 또는 진폭 변조 픽셀을 통과하는 광의 방향 전환(redirection)은, 공간 광 변조기 디바이스의 일측(one side)에 배치되는 반사면을 사용하는 것에 의해 도입된다.
따라서, 그 구성이 편평하고 광의 복소 변조를 달성하는, 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스가 개발된다.
이들 기본 컴포넌트를 갖는 디스플레이 디바이스는, 추가적인 광학 컴포넌트로 보충될 수 있거나, 또는 현존하는 컴포넌트는, 예를 들면, 투과형 공간 광 변조기 디바이스(transmissive spatial light modulator device) 또는 반사형 공간 광 변조기 디바이스(reflective spatial light modulator device) 중 어느 하나가 생성되도록 하는 상이한 방식으로 배열될 수 있다. 본원에서, 공간 광 변조기 디바이스는 이하 SLM으로서 칭해진다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태 및 개선예는 종속 청구항에 정의된다.
본 발명의 제1 바람직한 실시형태에서, 디스플레이 디바이스는, 공간 광 변조기 디바이스의 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀이 동일 평면 내에서 횡방향으로 결합되도록, 설계될 수 있다. 공간 광 변조기 디바이스의 동일 평면에서 횡방향으로 결합되어 배열된 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 배치하는 것은, 일정한 두께의 주소지정가능한 투과층을 사용할 수 있게 되고, 사용된 레이아웃에 따라, 위상 변조 픽셀 또는 진폭 변조 픽셀을 두 번 통과하는 이점을 갖는다.
유익하게는, 공간 광 변조기 디바이스의 비스듬한 조명이 제공될 수 있다. 다시 말하면, SLM 평면의 경사진 조명을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 5도 내지 25도의 SLM의 조명이 사용될 수 있다. 이 각도 범위는 복수의 액정 모드에 대해 실용적일 수 있다. 몇몇 액정 모드는 예를 들면 45에서 조명될 수 있다. 여러 타입의 조명 유닛에 의해 경사진 조명이 제공될 수 있다. 그러나, 부피 격자 기반의(volume grating-based) 조명 유닛이 바람직할 수 있다. 이것은, 브래그(Bragg) 회절 기반의 부피 격자의 각도 및 스펙트럼 선택성에 기인한다.
조명 유닛은 전면 광 조명 유닛(front light illumination unit) 또는 백라이트 조명 유닛(backlight illumination unit)으로서 설계될 수 있다.
홀로그래픽 디스플레이 디바이스 내에서 사용될 조명은, 필요로 하는 종방향의(longitudinal) 상호 코히어런스를 제공해야 한다. 유저에 의해 보이는 물점의 디스플레이를 위해 서브 홀로그램을 사용하는 방식은 감소된 상호 코히어런스를 필요로 한다. 필요로 하는 최소 코히어런스를 사용하는 것은 작은 영역의 공간적 코히어런스를 사용하는 것을 의미하는데, 한편 작은 영역의 공간적 코히어런스는 조명 유닛에서 제공되는 큰 사이즈의 광원을 의미하며, 큰 사이즈의 광원은 광원의 평면파의 더 넓은 각도 스펙트럼과 등가이다.
여전히 1/60도 범위 내에서, 인식가능한 스페클 패턴(speckle pattern)을 감소시키기 위해 스페클 중첩을 사용하는 것은 추가 옵션이다. 고속 위상 변경은 스페클 패턴의 변경으로 나타날 것인데, 스페클 패턴의 변경은, 유저의 눈이 수백 개의 스페클 패턴의 평균값을 볼 것이다는 것을 의미하고, 이것은 평활화를 제공한다.
조명 유닛에서 회절 엘리먼트를 사용하는 경우, 평면파의 각도 스펙트럼의 변경이 고려되어야 한다. 격자를 조명하는 광의 평면파의 각도 스펙트럼은 - 격자 회절 방정식(equation)으로 인해 - 회절 각도에 의존하여 변경되고, 작은 각도에 대해서만은 변경되지 않는 것으로 간주될 수 있다. 예를 들면, 예컨대 n=1.5의 굴절률을 갖는 매체 내에서, 예를 들면, -84.26도 내지 0도의 지오메트리(geometry)의 재구성을 실현하는 경우의 84.26도의 회절 각도를 의미하는 -84.26도 내지 0도의 지오메트리 재구성을 실현하면, 10의 빔 신장률(beam stretching factor)을 획득하는데, 이것은 적당히 얇은 시준된 백라이트 조명 유닛을 가능하게 한다. 대안적으로, 맞춤된 반사 방지층을 포함하는 PMMA(polymethylmethacrylate; 폴리메틸메타크릴레이트) 플레이트를, 광 진입측에서 84.26도에서 조명할 수 있다. PMMA 플레이트 내에서, 광은 41.55도를 따라 전파한다. 광 출사측에, -41.55도 내지 0도의 재구성의 지오메트리를 갖는 부피 격자가 제공될 수 있다. 백라이트 조명 유닛의 출사면(exit plane)은 공간 광 변조기 디바이스(SLM)의 진입면 상에 부착될 수 있다. 공기 상에서 84.26도에서 작동하는 장치도 또한 10의 빔 신장률을 제공한다. 84.26도 대신 87.13도에서 작동하면, 20의 빔 신장률이 획득될 수 있다. 빔 신장률은 평면파의 각도 스펙트럼의 압착률(squeezing factor)에 반비례한다. 따라서, 10배의 왜상 빔 신장(anamorphic beam stretching)은, 평면파의 각도 스펙트럼을 1/10배화하는 것으로 나타난다. 한편, 25도의 작은 회절 각도는 평면파의 각도 스펙트럼을 단지 10%만큼만 변경시킬 것이다. 다시 말하면, 작은 회절 각도는 평면파의 각도 스펙트럼을 크게 변경시키지 않는다.
점광원(point source)은 불필요하다. 평면파의 각도 스펙트럼이 필요로 하는 범위 내에 있는 한, M>1은 수용가능할 수 있는데, 여기서 M은 배율이다. 이것은, 확장 광원(extended light source)이 선호된다는 것을 의미한다. 그리고, 이것은, 예를 들면, 압전 세라믹(piezo ceramic; PZT) 또는 보이스 코일 엘리먼트 상에서 동적 산란 또는 빔 성형 엘리먼트가 왜 일반적으로 마운팅될 수 있는지의 이유이다. 예를 들면, 회전하는 전기 모터 상에 마운팅되는 회전 산란판을 사용하는 것은, 조명 유닛의 개념에서 항상 구현되어 왔다. 조명받아야 하는 공간 광 변조기의 평면파의 각도 스펙트럼은 1/60도 이하이다.
10배 빔 신장에 기초하여 쐐기 타입 기반의(wedge-type-based) 백라이트 조명 유닛 내에서 사용될 수 있는 평면파의 각도 스펙트럼은, SLM의 조명에 대해 요구되는 평면파의 각도 스펙트럼의 10배이다. 1/6도의 이 값은 현실적인 값인데, 쐐기 타입 백라이트 조명 유닛 내에서 10배의 배율을 사용하면 평면파의 각도 스펙트럼이 10배만큼 감소될 것이다는 사실 때문이다. 예를 들면, 회절면(diffraction plane)을 따라 1/6도이며 10배의 왜상 빔 신장 기반의 쐐기 백라이트 조명 유닛 앞에(front) 존재하는 평면파의 각도 스펙트럼은 이 백라이트 조명 유닛 뒤에서 1/60도로 감소될 것이다.
평면파의 각도 스펙트럼, 회절성 쐐기 타입 기반의 백라이트 조명 유닛의 양태를 설명하기 위해 사용될 수 있는 격자 방정식으로 인해, 평면파의 각도 스펙트럼의 약간 비대칭적인 축소가 획득된다. 예를 들면, -(84.2608 +- 0.7)도의 쐐기 타입 백라이트 조명 유닛의 격자면(grating plane) 상으로의 광의 진입 각도는, SLM을 조명하기 위해 0도의 방향 근처에서 회절되는 광의 (0 + 0.0743 - 0.0657)도의 출사 각도로 나타나게 되고, 이것은, 10배의 빔 신장에 기인하는 평면파의 각도 스펙트럼의 압착이 약간 비대칭이지만 대략 1/10이다는 것을 의미한다. 84.2608도보다 약간 더 큰 각도의 경우, 빔 신장률은 10보다 약간 더 크고, 84.2608도보다 약간 더 작은 각도의 경우, 빔 신장률은 10보다 약간 더 작고, 이것은, 대략 1/10인 평면파의 각도 스펙트럼의 약간 비대칭의 압착 또는 축소율로 나타나게 된다.
또한, 조명 유닛의 상호 코히어런스를 맞추기 위해, 예를 들면, MEMS(micro electro mechanical systems; 마이크로 전자 기계 시스템) 및 미러 어레이 기반인 전자적으로 주소지정가능한 어레이 타입 엘리먼트를 변경시키는 가변 위상 및 산란 엘리먼트의 사용이 또한 규정될 수 있다.
예를 들면, 확장 광원의 영역 내에 존재하는 위상 값의 빠른 통계적 랜덤화 변경을 제공하는 엘리먼트는, 필요로 하는 프레임 레이트(초당 프레임(frames per second, fps)에 대해 적응되어야만 한다. 예를 들면, 60 Hz fps에서 네 명의 유저 RGB(레드, 그린, 블루 또는 레드, 옐로우, 블루) 좌안 및 우안은 24 × 60 Hz = 1440 Hz를 제공하는데, 1440 Hz는, 예를 들면, 평면내 회전 액정 기반의 능동 제어 격자(in-plane rotating liquid crystal- based actively controlled grating)인 추적 유닛(tracking unit)에 의해 제공되어야 한다. RGB 시간 순차 SLM은 1440 Hz/4 = 360 Hz에서 동작해야 한다. "광원 ON" 동안 사용될 수 있는 시간 윈도우는 1/1440 초보다 약간 더 짧은데, 이것은 예를 들면 1/1600초만을 의미한다. 일반적으로, 광원으로서의 레이저 다이오드는 그렇게 빨리 변조될 수 있다. 그러나, 그렇게 빨리 변조될 수 없는 레이저가 광원으로서 사용되면, 빠른 셔터가 사용될 수 있다. 이들 엘리먼트는, 예를 들면, 액정(liquid crystal; LC), LC 분산형 부피 격자(LC-dispersed volume gratings), 음향 광학 변조기(acoustic optical modulators; AOM), 포화 종속 흡수 필터(saturation-dependent absorptive filter), PZT 또는 심지어 MEMS 기술에 의존할 수 있다. 예를 들면, 표준 고음 스피커(tweeter)에서 발견될 수 있는 PZT 엘리먼트는, 보이스 코일 액추에이터를 사용하는 것에 의해 또한 획득될 수 있는 24 kHz의 주파수를 실현한다. 광원 위상 분포의 충분한 랜덤화를 제공하기 위해서는, 100 ㎛ 미만의 움직임만이 필요로 할 수 있다. 별개의 값은 별개의 실시형태에 의존한다.
다중 모드 광섬유(multi-mode fibre)의 단부(end)는, 광의 전파에서 봤을 때, 동적 산란면(scatter plane)의 앞에 바로 위치될 수 있다. 세 개의 광학적 다중 모드 광섬유의 세 개의 단부를 동적 산란면 상으로 이미지화하는 것은, 컬러 표현을 제공하는 데 또한 실용적이다. 이것은 레드, 그린 및 블루 광원 사이의 약간의 시프트를 구현할 기회를 제공하는데, 그 시프트의 구현은, 광의 전파에서 봤을 때 시준(collimating)(아크로매틱(achromatic)) 유닛 뒤에 존재하며, RGB 독립적 정렬을 위해 사용될 수 있는 약간 상이한 출사 각도로 나타나게 된다. 따라서, 예를 들면, 백라이트 조명 유닛의 전체적인 회절 효율성은 최적화될 수 있다. 예를 들면, 세 개의 CMOS 칩 캠코더 또는 이색성 필터(dichroitic filter)의 세트에 대해 사용되는 것과 같은 기지의 컬러 결합 프리즘 장치는, 예를 들면, 소위 플랫 탑 강도 분포(flat top intensity distribution)를 제공하는 것에 의해 전체적인 광 효율성을 증가시키는 빔 성형 엘리먼트와 결합되는 아크로매틱 렌즈일 수 있는 (광의 전파에서 봤을 때) 시준 유닛의 앞에서 사용될 수 있다. 소위 X 큐브 컬러 결합 프리즘 엘리먼트(X-cube colour-combining prism element)는, 예를 들면, 시준 유닛(아크로매틱 렌즈)을 조명하는 적당히 일정한 강도의 영역 내에서 일정한 위상 값을 제공하지 않는다. 그러나, 소위 필립스 프리즘 타입 컬러 결합 프리즘(Philips-prism type colour-combining prism)은 이것을 행한다. 따라서, 시준 유닛(아크로매틱 또는 심지어 아포크로매틱(apochromatic) 렌즈)의 출사면에서, 비이상적인 위상 분포가 존재할 수 있는데, 비이상적인 위상 분포는 사용되는 광학 컴포넌트에 의존한다. 원치 않는 위상 분포를 보상하기 위해, 인코딩, 캘리브레이팅 또는 룩업 테이블을 이용한 캘리브레이팅과 같은 여러 옵션이 사용될 수 있는데, 원치 않는 위상 분포는 홀로그래픽 삼차원 오브젝트의 이미지 품질을 감소시킬 것이다.
여기서 중요한 것은, 점광원 또는 예를 들면 모노 모드 광섬유를 사용하는 대신, 횡방향의 확장 광원을 의미하는 증가된 빔 광원이 사용될 수 있다는 것이다. 디스플레이 디바이스의 SLM을 조명하기 위해, 1/60도 = ±1/120도의 각도 범위가 사용될 수 있다. 유저의 사람 눈의 최대 각도 해상도는 1/60도이다. 이것은, 유저 앞의 거리(ddu)에 위치되는 이차원 인코딩 및 홀로그래픽 삼차원 디스플레이 디바이스를 사용하는 경우, 삼차원 물점이 (최적의 인코딩 및 디스플레이 성능을 가정하여) ddu/2보다 유저에게 더 가깝게 위치되지 않는 한, 유저는 삼차원 물점의 번짐현상(smearing)을 인식하지 못할 것이다는 것을 의미한다. 절두체가, 무한대로부터 디스플레이 디바이스의 에지를 통해 유저의 입사 동공(entrance pupil)으로 이어지는 피라미드형 구조체이다는 사실로 인해, 눈까지의 ddu/2 내에서 점유되는 삼차원 부피는 게다가 아주 작고 삼차원 컨텐츠에 대해 그렇게 흥미롭지도 않다. 그것은, 삼차원 부피를 무한대로부터 ddu/2까지 제한하는 것이 문제가 되지 않을 수 있는 이유이다. 유저에게 더 가까이 물점을 재구성하기 위해, 유저는 감소된 ASPW를 필요로 한다.
완전하지 않은 디스플레이 컴포넌트에 의해 유도될 수 있는 유의한(significant) 산란 효과의 경우, 조명의 각도 범위는 감소될 수 있다. 이것은 작게 교란하는 산란 각도에 대해서만 적용된다. 이것은, 예를 들면, 1/100도의 평면파의 각도 스펙트럼이 또한 실용적일 수 있다는 것을 의미한다.
복소 값 반사 타입 SLM(complex-valued reflective type SLM)을 조명하기 위해, 여러 전면 광 조명 유닛이 사용될 수 있다.
중간 사이즈(20인치 이상)의 디스플레이 및 대형 사이즈(60인치 이상)의 디스플레이에 대해, 쐐기 타입 기반의 전면 광 조명 유닛이 사용될 수 있다. 그레이징 입사 기반의(grazing incidence-based) 전면 광 조명 유닛, 지그재그 기반의 전면 광 조명 유닛 및 도파관 기반의(wave guiding-based) 전면 광 조명 유닛은 더 작은 디스플레이 사이즈에 대해 사용될 수 있다. 조명 유닛에서의 사용된 부피 격자의 각도 선택도는 조명 및 이미징 빔 경로의 분리를 제공한다. 예를 들면, 10도에서의 부피 격자의 조명은, 유저 공간까지 이어지는 -10도의 광의 전파 각도로 나타나게 된다. 이것은, 20도의 각도 분리가 존재한다는 것을 의미한다. SLM에 입사하고 SLM에서의 변조 이후 부피 격자를 포함하는 조명 유닛으로 되돌아가는 빔 경로를 분리하기 위해서는 이것이 충분하다.
또한, 디스플레이 디바이스에서 패턴화된 편광 필터 또는 위상지연면(retardation plane)을 제거하기 위해서 및/또는 광출력(optical power)을 절약하기 위해서, 구조화된 조명이 사용될 수 있다. 이것은 추가적인 기술적 노력 및 정확한 정렬을 필요로 한다. 여기서, 구조화된 조명은, 예를 들면, 스트립 형상의 조명을 의미할 것이다.
동질적인 조명을 의미하는 글로벌 조명, 및 광의 전파에서 봤을 때 전면 광 조명 유닛 뒤에서 도입되며, 예를 들면, 간단한 진폭 마스크를 사용하여 구현되는 패턴화된 블로킹을 사용하는 것이 또한 가능할 수 있다. 그러나, 이것은, 200 ㎛ 두께의 전면 광 조명 유닛 및 50 ㎛를 넘는 픽셀 피치를 의미하는, 아주 얇은 전면 광 조명 유닛 및 적당히 큰 픽셀을 필요로 한다.
백라이트 조명 유닛은, 바람직하게는, 복소 값 투과 타입 SLM에 대해 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 고정된 조명이 바람직하다. 이 기본 조명은, 두 개 또는 심지어 그 이상의 별개의 조명 웨이브 필드를 요구에 따라 제공하는 스위칭가능한 조명 유닛을 사용하는 것에 의해 확장될 수 있다. 그러나, 다중 방향 주사 조명 유닛 또는 연속적인 각도의 주사 조명 유닛은 복잡도 및 기술적 리스크를 추가한다. 다중 방향 또는 연속적인 각도 주사 조명 유닛은, SLM 장치 내에서 수용될 수 있는 감소된 공차를 야기하지만, 다중 방향 또는 연속적인 각도 주사 조명 유닛은 추가적인 비용을 추가한다.
이것은, 예를 들면, 능동적으로 제어되는 전극을 갖는, 예를 들면 편광 타입 액정 격자를 사용하는 것에 의해 수정되는 쐐기 기반의, 지그재그 기반의, 도파관 기반의, 감쇠 전반사(frustrated total internal reflection; FTIR) 기반의 또는 그레이징 입사 기반의 조명 유닛이, 본 발명에서 설명되는 복소 값 SLM에 대해서도 바람직하지 않고 적층식의 샌드위치 타입 복소 값 위상 + 진폭 SLM에 대해서도 바람직하지 않다는 것을 의미한다.
본 발명의 더 유익한 실시형태에서, SLM의 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀 둘 다를 통과하는 광은, 사이에 있는 반사면에 배열된 미러 시스템에 의해 반사된다는 것이 규정될 수 있다. 미러 시스템은 미러 세그먼트를 포함할 수 있다.
또한, 공간 광 변조기 디바이스는 적어도 하나의 투명 기판을 포함할 수 있고, 투명 기판은, 일측 상에서, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 구비하는 주소지정가능한 투과층을, 다른 대향측 상에서, 반사면인 평면을 구비하며, 미러 시스템은 반사면에 배열된다. 이 방식에서는, SLM이 만들어지는데, SLM의 진입면 상에 입사하는 광 빔은, 바람직하게는, 이 SLM에 의해 위상 변조 엘리먼트로 지향되고, 이 위상 변조 엘리먼트에 의해 위상이 변조된다. 그 다음, 광 빔은 반사면의 미러 시스템의 각각의 미러 세그먼트로 또한 지향되는데, 이 경우, 광 빔은 미러 세그먼트 상에서 반사되어 다시 진폭 변조 픽셀로 지향된다. 진폭 변조 픽셀은 입사광을 그 강도에서 변조하는데, 이 경우, 그 다음, 광은 재구성된 장면의 유저의 공간을 향해 SLM을 빠져 나온다.
따라서, SLM은 여기에서 유익하게는 SLM 샌드위치로서 설계된다. 따라서 진폭 변조 픽셀 및 위상 변조 픽셀은 SLM의 동일 평면에서 제공될 수 있고, 그 결과 어떤 단일의 진폭 SLM도 어떤 단일의 위상 SLM도 위상-진폭 SLM을 구축하도록 제공되지 않아야 한다. 따라서, SLM은 자신의 설계에서 아주 편평할 수 있고 그 결과 디스플레이도 편평한 방식으로 또한 설계될 수 있다. 다시 말하면, 스몰 폼팩터(small form factor)가 실현될 수 있다.
이를 위해, 미러 시스템의 미러 세그먼트는, 각각의 미러 세그먼트가 위상 변조 픽셀의 일부 및 진폭 변조 픽셀의 일부 둘 다를 커버하는 방식으로, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀에 대향하여 배열될 수 있다. 이 방식에서, 광은 바람직하게는 지그재그의 형태로 SLM의 위상 변조 픽셀/진폭 변조 픽셀로부터 미러 시스템을 통해 진폭 변조 픽셀/위상 변조 픽셀로 지향될 수 있고, 그 결과 진폭 변조 픽셀 및 위상 변조 픽셀은 SLM의 동일 평면에서 배열될 수 있다.
본 발명의 더 유익한 실시형태에서, 디스플레이 디바이스는 편광 선택 엘리먼트, 바람직하게는 편광 분석기 또는 와이어 그리드 편광기를 포함할 수 있는데, 이 경우, 편광 선택 엘리먼트는, 광의 전파에서 봤을 때, 공간 광 변조기 디바이스의 광 출사면에서 제공된다. 편광 관리/적용은 이웃된 변조기 픽셀 사이의 교란하는 누화를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 변조기 픽셀에 대해 필요로 하는 최적의 편광 상태가 제공되어야만 한다. 또한, 흡수 패턴 또는 공간적으로 구조화된 구조체를, 예를 들면, 공간적으로 구조화된 위상지연, 편광 선택 반사 또는 편광 선택 투과로서 사용하는 것에 의해, SLM의 단일의 출사 어퍼쳐의 복소 값의 또는 예를 들면 심지어 단지 진폭 아포다이제이션 프로파일(amplitude apodization profile)이 규정될 수 있다.
이것은, 예를 들면, 위상 변조 픽셀에 먼저 충돌하는 진입 편광 상태에 수직인 정의된 진입 편광 상태에 대해 진폭 변조 픽셀이 설계될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 누화를 도입하는 진입면에서의 회절은 차단된다. 위상 및 진폭 결합 디스플레이 디바이스 내에서 존재하는 작은 전파 거리의 경우, 이 추가적인 추정은 필요하지 않다.
또한, 위상 변조 픽셀은 반사 수단, 바람직하게는 미러 엘리먼트를 포함할 수 있는데, 이 경우 반사 수단은, 광의 전파에서 봤을 때, 위상 변조 픽셀의 백엔드(back end)에서 제공된다. 이 실시형태는, 백라이트 조명 유닛을 사용하는 경우에 바람직하고, 그 결과 바람직하게는 위상 변조 픽셀 상에 먼저 입사하는 광은 반사면을 향해 반사되고, 반사면으로부터 진폭 변조 픽셀로 반사된다. 따라서, 지그재그 광 빔이 제공된다.
다른 실시형태에서, 편광 필터는 진폭 변조 픽셀 및 위상 변조 픽셀의 평면에서 제공될 수 있는데, 이 경우, 편광 필터는 편광 필터 세그먼트를 포함한다. 편광 필터 세그먼트는 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀에 할당될 수 있는데, 이 경우, 인접하는 편광 필터 세그먼트의 편광 배향(polarization orientation)은 수직이다. 편광 필터 세그먼트는, 진폭 변조 픽셀의 광 출사 어퍼쳐에서 제공되는 흡수 타입 편광 필터 세그먼트일 수 있거나, 또는 편광 필터 세그먼트는, 광의 전파에서 봤을 때, 위상 변조 픽셀의 반사성 백엔드(reflecting back end)에서 제공되는 반사 타입 편광 필터 세그먼트, 바람직하게는 와이어 그리드 편광기일 수 있다.
유익하게는, 아포다이제이션 필터, 바람직하게는 패턴화된 아포다이제이션 프로파일 층 및/또는 위상지연 엘리먼트, 바람직하게는 아크로매틱(achromatic) 또는 아포크로매틱(apochromatic) 리타더(retarder) 층이 제공될 수 있다. 아포다이제이션 필터는 반사면의 미러 시스템 상으로 적용되는 마이크로 렌즈형 구조체일 수 있거나 또는 아포다이제이션 필터는 또한 흡수성 합금 조성물 층(absorptive alloy composition layer)일 수 있다. 예를 들면, 마이크로 렌즈형 표면 기복 프로파일(relief profile)이, 예를 들면 흡수성 UV 경화 접착제인 얇은 층을 상부에 구비하는 유리판(glass plate) 상으로 위에서 아래로 가압될 수 있다. 따라서, 유리판에 직접 접촉하는 표면 기복 구조체의 일부는 완벽하게 투명한 것으로 보인다. 이들 접촉점에서, 이제, 예를 들면, 마이크로 렌즈형 표면 기복 구조체와 유리판 사이에 흡수성 재료가 존재한다. 사용되는 흡수성 접착제는 UV(ultraviolet; 자외선) 광을 스위치 온하는 것에 의해 경화된다.
따라서, 사용된 SLM 픽셀의 진폭 아포다이제이션 필터가 SLM의 더 높은 회절 차수의 감소된 강도를 제공할 수 있다. 이것은, SLM 평면 내에 존재하는 공간적 주파수의 감소에 기인한다. 실현되는 형상은, 예를 들면, 소위 카이저-베셀(Kaiser-Bessel) 윈도우, 가우스(Gauss) 타입 윈도우 또는 단지 코사인 함수일 수 있다. 따라서, 이웃한 눈은, 유저의 다른 눈에 대해 제공되었던 교란하는 광과 마주치지 않는다.
예를 들면, TV 애플리케이션에 대한 대략적으로 100 ㎛의 큰 픽셀의 경우, 오히려 주기적인 그리드를 나타내지 않아야 하는 연속하는 프로파일인 인쇄된 진폭 구조체가 사용될 수 있다. 정의된 픽셀 피치를 갖는 그리고 아래를 향하는 마이크로 렌즈형 구조체를, 미러 기판 상으로 배치될 수 있는 흡수성 페인트 안으로 침지하는 것이 바람직하다. 마이크로 렌즈형 구조체 내의 접촉점은 명확하고 거의 100%의 반사율을 갖는다. 이 구조체의 렌즈 사이의 영역은 어둡다. 이것은 적당히 큰 픽셀 피치에 대해 아주 잘 들어 맞는다.
아포다이제이션 필터에 대한 다른 옵션은, 예를 들면, 소위 불스 아이(bulls eye) 또는 안티 가우스 필터(anti-Gauss filter)에 대해 이미 사용되고 있는 크롬 산화물과 같은 흡수성 합금 조성물을 사용하는 것이다. 이러한 조성물의 국소적 두께는 흡수를 정의한다. 예를 들면, 대략 200 nm의 적당히 두꺼운 층은, 그레이 톤 리소그래피 방식(grey-tone lithographic approach)(그레이 톤(gray-tone), 그레이 스케일(grey-scale), 그레이 스케일(gray-scale) 또는 하프 톤 리소그래피(half-tone lithography)로도 칭해짐)을 사용하는 것에 의해 국소적으로 박형화될 수 있다. 예를 들면, 포토레지스터(photoresist; PR)에서 구조화되는 그레이 톤 리소그래피의 네거티브 렌즈 타입 어레이(grey-tone lithographic negative lens type array)는 화학적으로 건식 또는 습식 에칭될 수 있다. 포토레지스트(PR)는, 표면 프로파일을 흡수층의 프로파일로 전사하기 위해 사용되는 보호 재료로서 작용한다. 나노 임프린트 리소그래피(nano-imprint lithography; NIL) 또는 전통적인 몰딩 프로세스를 사용하는 것에 의해 이 보호성 구조체를 생성하는 것이 또한 가능하다. 보호층의 중심은, 예를 들면 합금 화합물, 또는, 예를 들면, 백금 흑(platinum black; Pt) 또는 적당히 강한 흡수 재료(absorbing material)와 같은 다른 흡수성 재료일 수 있는 흡수 재료의 보다 투명한 중심이 생성될 수 있도록, 외주 영역보다 더 박형화되어야 한다.
추가 옵션은, 미러면(mirror plane)을 사용하는 대신 흡수체(absorber)의 앞에 배치될 수 있는 와이어 그리드형 구조체(와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer; WGP))를 사용하는 것일 수 있다. 대안적으로, 흡수성 구조체 필터는 미러 세그먼트의 앞에, 예를 들면, 반사면에 또는 픽셀의 평면에 배치될 수 있다. 양자의 기능적으로 반대의 경우에, 반사된 광은, 분석기로서 작용하는 편광 필터를 사용하는 것에 의해 강도 프로파일로 전사될 수 있는 편광 상태의 정의된 분포를 갖는다.
요약하면, 홀로그래픽 디스플레이 디바이스 내에서 필요로 할 수 있는 아포다이제이션 프로파일을 제공하기 위해서, 여러 기술이 사용될 수 있다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 적어도 하나의 렌즈 어레이가 제공될 수 있는데, 이 경우, 렌즈 어레이는, 광의 전파에서 봤을 때, 공간 광 변조기 디바이스의 앞에 제공될 수 있고, 이 경우, 조명 유닛에 의해 방출되는 광은 번들화되어 공간 광 변조기 디바이스의 진입 어퍼쳐로 진입하거나 또는, 공간 광 변조기 디바이스의 진입 어퍼쳐에, 광을 집광시키기 위해 렌즈 구조체가 제공된다.
렌즈 어레이는 이차원(2D) 렌즈 어레이일 수 있거나 또는 렌티큘러(lenticular)로 또한 칭해지는 원통형 렌즈 어레이일 수 있다. 광을 SLM의 투명한 진입 구역 상으로 집광시키기 위해, 이 렌즈 어레이는 (광의 전파에서 봤을 때) SLM의 앞에, 즉, 예를 들면, 조명 유닛과 SLM 사이에 배치될 수 있다. 이것은 광의 발산을 증가시키지만, 렌즈 어레이의 레이아웃은 존재하는 조명에 적응될 수 있다. 파면 세그먼트(wave front segment)의 발산을 감소시키기 위해, (광의 전파에서 봤을 때) SLM의 출사면 뒤에 배치될 수 있는 제2 렌즈 어레이가 제공될 수 있다. 따라서, 두 개의 횡방향으로 시프트된 렌즈 어레이를 사용하는 망원경 어레이 타입 장치가 존재한다.
조명 유닛의 출사면에서, 예를 들면, 스트립형 광 디커플링 형태의 구조화된 광 디커플링을 사용하는 것에 의해, SLM의 구조화된 조명을 제공하는 것이 또한 가능하다. 이 경우, 조명 유닛과 SLM 구조체의 정확한 정렬이 보장되어야 한다.
또한, 위상 및 진폭 공간 광 변조기 디바이스의 어퍼쳐를 통해 전달되는 광의 양을 증가시키기 위해, 또는 인접한 픽셀 사이의 누화를 감소시키기 위해, 예를 들면, 위상 변조 픽셀의 또는 미러 시스템의 미러 세그먼트에서 제공될 수 있는 추가적인 곡률이 또한 사용될 수 있다. 그러나, 이 수정은 추가적인 기술적 노력 및 정렬된 컴포넌트 사이에서 수용될 수 있는 불일치의 감소된 공차 값을 더할 것이다. 그러나, 평면 기판에 있는 렌즈 구조체는 무시할 수 있는 각도 변동만을 도입한다. 따라서, 투과를 증가시키거나, 유효 충전율(fill factor; FF)을 증가시키거나 또는 내부 SLM 누화를 감소시키는 렌즈 어레이 또는 렌즈 구조체가 바람직하다.
유익하게는, 디스플레이 디바이스의 공간 광 변조기 디바이스는, 빔 배치 엘리먼트(beam displacing element), 바람직하게는 복굴절 엘리먼트, 더 바람직하게는, 사바르판(Savart plate)을 포함할 수 있는데, 이 경우, 투명 기판은, 광이 광의 전파에서 어떤 픽셀, 위상 변조 픽셀 또는 진폭 변조 픽셀을 먼저 통과하는지에 따라, 위상 변조 픽셀 또는 진폭 변조 픽셀을 통과한 입사광을 시프트하기 위한 빔 배치 엘리먼트로서 설계된다. 빔 배치 엘리먼트로서의 사바르판은 또한, 인접한 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 직렬 결합을 실현하기 위해 사용될 수 있다. 위상 변조 픽셀을 통과하는 광은 빔 배치 엘리먼트에 의해 시프트된다. 빔 배치 엘리먼트에 의해 시프트되는 광은 편광이 변경되어 다시 픽셀 평면으로 반사된다. 따라서, 위상 변조된 광은 진폭 변조 픽셀과 마주치게 되고, 그 다음, 그 진폭이 변조된다.
디스플레이 디바이스의 공간 광 변조기 디바이스는, 유익하게는, 픽셀을 제어하기 위한 트랜지스터와 함께, 추가적인 트랜지스터 및 매립된 전극을 구비하는 클러스터를 포함하는 백플레인(backplane)을 포함할 수 있는데, 이 경우, 전극 및 추가적인 트랜지스터는, 광의 전파에서 봤을 때, 공간 광 변조기 디바이스의 위상 변조 픽셀의 반사 수단 뒤에 배열된다.
디스플레이 디바이스의 전자적 설계 및 레이아웃에 관하여, 여러 수정예가 제공될 수 있다.
널리 알려진 디스플레이 디바이스의 투과 타입 SLM의 유효 충전율(FF)은 예를 들면 0.5에 가깝다. 이것은, SLM 상에 투명할 필요가 없는 그리고 복수의 수정을 위해 사용될 수 있는 영역이 존재한다는 것을 의미한다. 이 영역은 SLM의 디스플레이 패널의 대략적으로 50%를 차지한다.
디스플레이 패널의 전자 회로인 백플레인의 설계는, 투과 타입 SLM에 대해 존재하는 결과적으로 나타나는 충전율로부터 이득을 볼 수 있다.
충전율은, 광의 투과의 효율성에 관한 문제이다. 제1 뷰에서, 이것은 일반적인 조항(general clause)일 수도 있을 것이지만 그러나 이것은 모바일 태블릿 타입 디스플레이와 같은, 유저에게 밀접하게 사용되는 디스플레이에 대해 특히 적용된다. 리소그래피 프로세스의 임계 치수(critical dimension; CD)는 사용되어야 하는 프로세스 및 비용을 정의한다. 축소된 픽셀 사이즈에 대해서도 일정하고 높은 충전율을 제공하는 집적 회로 제조를 위해 사용되는 기술은 디스플레이 디바이스에 대해서는 실용적이지 않을 수도 있는데, 제곱미터당 비용 때문이다. 이것은, 디스플레이 제조에서 표준인 그리고 획득되는 임계 치수에 관해 제한되는 리소그래피 프로세스의 사용이, 픽셀의 치수가 감소되면 감소된 충전율로 나타날 것이다는 것을 의미한다. 더구나, 표준 능동 매트릭스 방식에 비해 추가적인 트랜지스터 및 전극 라인을 필요로 하는 진보된 구동 스킴(driving scheme)은 충전율을 더욱더 감소시킬 것이다. 그것은, 작은 픽셀(대략적으로 50 ㎛)을 갖는 디스플레이(이것은 예를 들면 모바일 홀로그래픽 디스플레이에 대한 경우이다)에 대해 특히 이 여분의 50%의 공간의 사용이 아주 유익한 이유이다.
SLM은 불투명 구조체에 대해 디스플레이 패널 영역의 대략 50%를 제공한다. 이것은, 불투명 영역이, 예를 들면, 디스플레이 패널 평면의 대략 50%를 차지할 수 있는 금속 전극 라인 및 트랜지스터 구조체에 대해 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 리소그래피 프로세스의 더 큰 임계 치수가 가능하다. 또는 더 복잡한 백플레인이 실현될 수 있다.
투명할 필요가 없는 증가된 영역은, 모바일 홀로그래픽 디스플레이에 대한 WO 2012/028678 A1 에서 개시된 바와 같은, 예를 들면 값 정렬 백플레인(value-sorted backplane)을 사용할 기회를 제공한다. 이 백플레인은 디스플레이 디바이스의 모든 픽셀에 대해 필요한 주 신호를, 픽셀의 주소지정을 위해 사용되는 고주파 저전류 신호 및 픽셀 용량을 대상으로 하며 주소정가능한 투과층의 액정 분자의 배향을 최종적으로 변경하는 저주파 고전류의 램프업 및 램프다운 신호로 분리한다. 클러스터 백플레인으로도 또한 칭해지는 값 정렬 백플레인은, 낮은 에너지 손실을 갖는 그리고 예를 들면, 8비트, 10비트 또는 그 이상의 비트 깊이를 갖는 높은 프레임 레이트에서 큰 픽셀 수의 제어를 제공한다. 복잡도는 표준 타입 능동 픽셀 매트릭스의 것보다 더 높다. 어드레스 디코더를 구현하기 위해 제공되는 추가적인 전극 및 추가적인 트랜지스터는, 표준 타입 능동 픽셀 매트릭스 방식과 비교하여 사용된다. 이것은 TV 디스플레이에 대한 문제가 아니며 데스크탑 디스플레이에 대해 또한 핸들링될 수 있지만, 그것은 예를 들면 12 ㎛의 픽셀 피치에 대해서는 실용적이지 않은데, 예를 들면, CD = 2 ㎛의 임계 치수를 사용하면 존재할 작은 충전율 때문이다. 이것은, 값 정렬 백플레인에 의해 제공되는 진보된 구동 스킴이, 예를 들면, 10 ㎛ 내지 15 ㎛의 범위를 갖는 아주 작은 픽셀에 대해 실용적이지 않다는 것을 의미한다.
매립된 전극 및 추가적인 트랜지스터는, 유익하게는, 광의 전파에서 봤을 때, 위상 변조 픽셀에 할당되는 반사 부분 뒤에 배치될 수 있다. 따라서, 불투명 구역을 사용하는 것에 의해, 예를 들면, 모바일의 이차원적으로 인코딩된 모바일 홀로그래픽 태블릿 타입 디스플레이에 대해 사용될 수 있는 예를 들면 12 ㎛의 작은 픽셀 피치에 대해서도, 완화된 설계 규칙이 획득될 수 있다. 요약하면, 불투명 구역의 사용은 모바일 홀로그래픽 디스플레이에 대해 아주 유익하다.
또한, 투명 전극 재료의 양을 감소시키기 위해, 유익하게는, 백플레인의 투명한 현존하는 전극(clear existing electrode)이 금속 림 타입 전극과 결합될 수 있다는 것이 규정될 수 있다. 따라서, 사용되는 유효 어퍼쳐(clear aperture)의 일부만이 유효 어퍼쳐를 가져야 한다. 따라서, 투명 전극 재료의 양은 최소로 감소된다. 다른 효과는, 금속 전극의 전극 이동성이 전기적 에너지의 감소된 손실 및 약간 증가된 스위칭 속도를 또한 제공할 수 있다는 것이다.
예를 들면, ITO(indium tin oxide; 인듐 주석 산화물) 층은, 픽셀의 유효 출사 어퍼쳐에만 상당하는 내부 영역을 차지할 수 있다. 직사각형 또는 정사각형 형상의 픽셀 전극의 외주(outer rim)는 금속 라인을 사용하여 형성될 수 있다. 이것은, 유의한 스위칭 속도를 추가하기 보다는, 예를 들면 사용되는 ITO 층의 양을 오히려 감소시킬 것이다. 이것은, ITO 층 내의 전극의 전파 길이가 상대적으로 짧다는 사실에 기인한다. 100 mm를 초과하는 범위에서 전극 라인을 사용하는 실시형태에서만, 유의미하게 감소된 스위칭 속도가 획득될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서는, 디스플레이 디바이스의 이차원 기능성을 생성하기 위해, 발광 디바이스, 바람직하게는 유기 발광 다이오드 어레이가 광의 전파에서 봤을 때 공간 광 변조기 디바이스의 뒤에 제공될 수 있고, 바람직하게는 위상 변조 픽셀의 불투명 영역의 상부 상에 제공될 수 있는데, 이 경우, 발광 디바이스, 바람직하게는 유기 발광 다이오드 어레이는 발광 구역을 갖는 클러스터로 구성될 수 있고, 클러스터는 공간 광 변조기 디바이스의 특정 수의 픽셀을 커버할 수 있다.
발광 디바이스 또는 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode; OLED) 어레이는, 바람직하게는, 위상 변조 픽셀의, 이면측 상의, 불투명 영역의 상부 상에 배치될 수 있다. 피치가, 예를 들면, 5×5의 복소 값 위상 및 진폭 공간 광 변조기 디바이스 클러스터 또는 블록에 의해 정의되는 것만큼 작지만, 이차원(2D) 이미지 픽셀을 생성하기 위해 발광 구역은 주소지정될 수 있다. OLED 발광은 폭넓은 스펙트럼 및 각도 범위를 갖는 광을 제공한다. 이 광의 메인 부분, 즉 예를 들면 90% 넘게는, 광의 전파에서 봤을 때, SLM의 뒤에 제공될 수 있는 그리고, 예를 들면, 방향 전환 없이 필드 렌즈의 기능을 실현할 수 있는 부피 격자를 통과할 것이다. OLED 발광 영역 내에 추가적인 산란 구조체가 제공될 수 있다.
따라서, 디스플레이 패널의 불투명 영역은, 홀로그래픽 삼차원 동작에 영향을 끼치지 않으면서, OLED 타입 발광 디바이스의 백플레인과 OLED 클러스터 픽셀 구조체(OLED-clustered pixel structure)를 통합할 기회를 제공한다.
광의 전파에서 봤을 때, SLM의 예를 들면 앞 또는 뒤를 의미하는 디스플레이 패널의 투명 영역 내에서 투명한 OLED를 사용하는 것은 유의한 산란을 도입할 수 있을 것이다. 그러나, 이것은 바람직하지 않다.
일반적으로, 이 수정은 OLED의 사용으로 제한되지 않는다. 부분적으로 코히어런트한 광의 위상 및 진폭 값을 변조시키는 복소값 제공 SLM에 추가되는 발광 픽셀의 평면에서, LED(light emitting diode; 발광 다이오드) 또는 예를 들면, 광의 퀀텀 닷(quantum dot; Q-닷) 기반의 변환이 또한 사용될 수 있다.
유익하게는, 디스플레이 디바이스의 공간 광 변조기 디바이스는 액정(LC) 기반의 공간 광 변조기 디바이스이거나 또는 마이크로 전자 미러 시스템(micro electro mirror system; MEMS) 기반의 공간 광 변조기 디바이스일 수 있다.
대안적으로, SLM 구성이 가능하다. 예를 들면, 디스플레이 디바이스의 공간 광 변조기 디바이스는 다중 퀀텀웰(multiple quantum well; MQW) 기반의 공간 광 변조기 디바이스일 수 있다. 반사식으로 또는 투과식으로 작용할 수 있는 이 타입의 변조기는, 진폭 및/또는 위상을 변조하기 위해, 설계될 수 있다. 일반적으로, 인접한 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 직렬 결합의 원리는, 비액정 기반의 위상 및 진폭 변조 SLM에 대해 또한 적용될 수 있다. 예를 들면, 일렉트로 Ÿ‡팅(electro-wetting; EW) 기반의 SLM 및 자기 광자 결정(MPC) 기반의 SLM이 사용될 수 있다. 일렉트로 Ÿ‡팅(EW) 기반의 진복 변조는 흡수성 유체를 사용하는 것에 의해 실현될 수 있고 위상 시프트/변조는, WO 2010/084200 A1에서 개시된 바와 같은 세 개의 유체로 충전되는 일렉트로 Ÿ‡팅 셀을 사용하는 것에 의해 구현될 수 있는 평면 병렬 세그먼트의 경사를 사용하는 것에 의해 도입될 수 있다.
또한, 추가적인 SLM 대안예가 설명된다. 마이크로 전자 미러 시스템(MEMS) 기반의 공간 광 변조기 디바이스 및 일렉트로 Ÿ‡팅 기반의 공간 광 변조기 디바이스는 진폭 변조 및/위상 변조를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 최신 기술인 복수의 상이한 MEMS 기반의 공간 광 변조기 디바이스 및 일렉트로 Ÿ‡팅 기반의 공간 광 변조기 디바이스가 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스 내에서 사용될 수 있다.
하기에서는, 바람직한 MEMS 기반의 SLM 실시형태가 설명된다. 투과식으로 작동하는 위상 변조 픽셀은, 10 kHz까지의 프레임 레이트에서 동작할 수 있는 피스톤 미러를 사용하는 것에 의해 실현될 수 있다. 레드, 그린 및 블루의 세 컬러에 관련하는 픽셀 패턴을 갖는 SLM을 실현하기 위해, 레드, 그린 및 블루 광에 대해 개별적으로 최적화될 수 있는 간섭 기반의 MEMS 장치를 사용하는 것에 의해 진폭 변조가 획득될 수 있다. 시간 순차적인 방식으로 모든 컬러에 대해 하나의 타입의 진폭 변조 MEMS 기반의 SLM을 사용하는 것도 또한 가능하다.
본 문서에서 설명되는 MEMS 기반의 SLM과 관련하여 실용적인 픽셀 사이즈인 픽셀 사이즈는 예를 들면, 8 ㎛ × 16 ㎛, 10 ㎛ × 10 ㎛ 또는 12　㎛ × 15 ㎛이다. 실현될 피스톤은 파장 길이 및 MEMS 미러 상에 입사하는 광의 진입 각도에 의해 정의된다. 레드 광에 대해 도입될 피스톤의 실용적인 값은 0.3 ㎛ 내지 0.33 ㎛의 범위 내에 있다. 블루 및 그린 광에 대한 피스톤의 값은 레드 광에 대한 값보다 더 작다.
반사 타입 피스톤 미러 어레이는 최신 기술이다. 이것은, 예를 들면, 통상적으로 10 mm × 10mm이며 몇몇 애플리케이션에 대해 100 mm × 100 mm까지인 미러 어레이 사이즈에서 현재 이용가능한 이 기술의, 예를 들면, 300 mm × 200 mm의 사이즈를 가질 수 있는 모바일 타입 디스플레이로의 이행이 불가능하다는 것을 의미한다. 이것은 전체 어레이의 사이즈이며 단일의 미러의 사이즈가 아니다. 한편, 상쇄 간섭 효과에 기초하는 반사 타입 진폭 변조 패널은 훨씬 더 큰 사이즈에서 이미 실현되어 있다.
상쇄 간섭 효과에 기초하는 진폭 변조 픽셀은 투과 타입 및 반사 타입 SLM에 대해 사용될 수 있다. 두 금속 층 사이에 적응된 간격을 도입하는 것에 의해 가변 진폭 레벨을 생성하기 위해, 예를 들면, 금속 간섭 필터(metal interference filter; MIF) 기반의 방식이 진폭 변조기로서 사용될 수 있다. 보다 진보된 실시형태에서, 유전체 다층 스택(dielectric multi-layer stack)이 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 이중 금속 층 간섭 필터에 진입하는 파(wave)는 제1 층을 통해 부분적으로 투과될 것이고 또한 제2 층을 통해 부분적으로 투과될 것이다. 앞뒤로(back and forward) 전파하는 광은, 파장 및 입사각이 매치하면, 즉 λ/2 modulo 2π 기준을 만족하면, 정상파(standing wave)를 형성할 것이다. λ/2 modulo 2π 기준이 만족되면, 반사면 사이에 존재하는 정상파의 노드는 금속면 상에 있고 유의한 에너지를 전달하지 않는데, 이것은, 이중 금속 층 간섭 필터를 통한 투과가 최대화되고 예를 들면, t=0.8이다는 것을 의미한다. 이중 금속 층 간섭 필터를 이조하는(detuning) 것은 금속 층 사이에 존재하는 광학적 간격을 이조하는 것을 의미한다. 이것은 출사 에너지를 변경시킨다는 것을 의미한다. 따라서, 진폭 변조가 획득된다.
금속 간섭 필터(MIF) 기반의 픽셀은 또한, 반사식으로 작동하는 SLM에 대해서도 설계될 수 있다.
더 높은 스펙트럼 선택도는 금속 층의 수를 2보다 크게 증가시키는 것에 의해 획득될 수 있다. 따라서, 공진기의 여러 광학적 설계를 의미하는 여러 공진기가 고려되어야 하고, 이것은 폭이 좁아진 응답 함수를 제공한다.
지금까지, 위상을 변조하기 위한 피스톤 타입 미러 및 진폭을 변조하기 위한 간섭 기반 공진기(간섭 기반의 MEMS 장치)가 설명되었다. 양자는, 높은 프레임 레이트의 역량이 있는 MEMS 기술을 사용하는 것에 의해 실현될 수 있다.
진폭을 변조하기 위한 간섭 기반의 공진기는, 금속 층 사이에 배치되는 액정 재료(LC)를 사용하는 것에 의해 또한 실현될 수 있다. 굴절률의 작은 이조는 픽셀을 떠나는 진폭의 충분한 변경을 제공한다. 또한, 간섭 기반의 진폭 변조 픽셀을 실현하기 위해, Δn(U), Δn(I) 또는 예를 들면 Δn(hν)을 나타내는 재료가 금속면 사이에 제공될 수 있는데, 이 경우, Δn은 굴절률 변동이고, U는 전압이고, I는 전류이고 hν는 광자의 에너지이다. 이들의 중합체, 결정 및 도핑된 변형체(variant)는 최신 기술이며 본 발명에 따른 실시형태에 적합될 수 있다.
적당히 얇은 복굴절 필름의 MEMS 기반의 회전이 가능하다. 이것은 널리 공지된 Hariharan 위상 변조에 상당할 것이며, 적어도 하나의 추가적인 편광기를 또한 필요로 하는 위상 시프트/변조 및 진폭 변조를 위해 사용될 수 있을 것이다. 팁 미러 어레이가(tip mirror array) 이미 알려져 있다는 사실로 인해, 이 변조의 반사형 픽셀로의 구현은, 이것을 이러한 종류의 변조를 사용하는 투과형 픽셀로 구현하는 것보다 더 빠른 방식일 수 있다. 예를 들면, 트위스트형 힌지(twisted hinge)는 여기서 필요로 하는 회전을 제공할 수 있다. 따라서, 트위스트형 힌지를 사용하는 피스톤 미러 실시형태는 이것을 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 반사형 셋업 내에 있는 것으로서 존재할 추가적인 위상 시프트가 제공될 수 있고 위상 변조 픽셀의 관련 위상 시프트는, 필요로 하는 복소 값을 최종적으로 실현하기 위해 독립적으로 다루어질 수 있다. 예를 들면, Hariharan 또는 다른 위상 변조 원칙을 구현하기 위해, 다른 MEMS 수정이 여기에서 사용될 수 있는데, 여기에서라는 말은 진폭 내에서 또는 위상 변조 실시형태 내에서 또는 심지어 하나의 픽셀 내에서 양자의 변조를 결합하는 실시형태 내에서를 의미한다.
본 발명에 따르면, 공간 광 변조기 디바이스를 향해 조명 유닛으로부터 나오는 광을 디커플링하기 위한 적어도 하나의 부피 격자를 조명 유닛이 포함한다는 것이 더 규정될 수 있다.
디커플링 부피 격자는, 필요로 하는 조명의 출사 각도를 실현할 수 있다.
유익하게는, 디스플레이 디바이스는 필드 렌즈를 포함할 수 있는데, 이 경우 필드 렌즈는, 특히, 적어도 하나의 부피 격자를 포함하는 결합 필드 렌즈(combined field lens)이다.
예를 들면, 본 발명에 따른 반사 타입 복소 값 SLM은 또한, 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스에서 사용되는 부피 격자 기반의 필드 렌즈에 적응될 수 있다. 이 목적을 위해, 결합된 부피 격자(volume grating; VG) 필드 렌즈는, 예를 들면 0도(축상(on axis)) 내지 30도의 경사진 평면파일 수 있는 평면 대 평면 재구성을 실현하는 제1 부피 격자(VG)를 갖는다. 제2 부피 격자(VG)는 축상 필드 렌즈에 대해 30도의 평면파의 재구성을 갖는다. 이들 두 부피 격자의 결합은, 결합 필드 렌즈로서 칭해질 수 있는 축상 부피 격자 필드 렌즈(on-axis volume grating field lens)를 제공한다.
바람직하게는, 결합 필드 렌즈의 제1 부피 격자를 제거하기 위해서, 복소 값 광의 축외(off-axis) 전파로 나타나게 되는 경사진 조명이 사용될 수 있다. 예를 들면, 결합될 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 포함하는 SLM 평면은, 변조된 웨이브 필드의 -30도의 축외 전파로 나타나는 30도에서 조명받을 수 있다. 따라서, 결합 필드 렌즈의 제1 엘리먼트로서 이전에 사용되었던 회절전(pre-diffraction) 부피 격자는 더 이상 필요로 되지 않는다. 이 방식에서, 사용되는 컴포넌트의 수는 감소될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 디스플레이 디바이스가 수직 추적 유닛 및/또는 수평 추적 유닛을 더 포함한다는 것이 규정될 수 있는데, 이 경우, 수직 추적 유닛 및/또는 수평 추적 유닛은 바람직하게는 (적어도 하나의) 액정 격자를 포함한다.
수직 추적 유닛 및/또는 수평 추적 유닛은, 바람직하게는, 광의 전파에서 봤을 때, 복소 값 SLM 뒤에서 각도 미세 추적을 제공한다.
각도 추적을 도입하기 위해 사용되는 평면 외에, 각도 추적 유닛(들)은, 사용되는 조명의 코히어런트 성질에 관련되는 조건을 만족해야 한다.
따라서, 사용되는 픽셀 피치보다 더 큰 추적 유닛(들)의 세그먼트화(segmentation)는 바람직하지 않다. 예를 들면, ±15도 각도 추적과 결합하여 또한 사용될 수 있는 렌즈 어레이도 또한 바람직하지 않다. 여기서의 단점은, 추가되는 추가적인 두께가 아니라, 예를 들면, 5 mm 내지 10 mm 피치를 갖는 세그먼트화이다. 그리고 이것은 또한, 추적 유닛에서 사용될 수 있으며, 광의 전파에서 봤을 때, SLM의 앞에 또는 뒤에 제공될 수 있는 일렉트로 Ÿ‡팅 기반의 프리즘 셀에 대해서도 또한 적용된다. 개별적으로 제어되는 전극 라인을 갖는 액정 편광 격자를 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 개별적으로 제어되고 일차원적으로 배열된 전극 라인에 의해 제어되는 액정 격자는 일차원 위상 프로파일을 생성할 수 있다. 이들 제어가능한 일차원 위상 프로파일은 유저의 눈으로 전송될 광의 미세 추적에 필요한 쐐기 함수를 제공할 수 있다. 더구나, 원통형 위상 함수가 생성될 수 있다. 따라서, 상이한 격자 주기 및 상이한 국소적 위상 경사를 생성하는 것에 의해 미세 추적을 제공하는 것 외에, 경사진 렌즈 함수의 모든 수차를 감소시키는 원통 렌즈 함수가 생성될 수 있다. 여러 격자가 직렬로 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 90도의 각도 오프셋을 갖는 두 개의 격자가 서로 위아래로 적층될 수 있다. 두 개의 교차된 디스플레이 대각선에 평행하게 배향되는 전극을 구비하는 두 개의 추가적인 격자와 조합하여 수평의 미세 추적을 제공하며 수직으로 배향된 전극을 구비하는 하나의 격자를 사용하는 것이 또한 가능하다.
제어가능한 위상 격자를 사용하는 것의 하나의 이점은, 유의한 두께 또는 무아레 패턴(
Figure 112016074546052-pct00001
pattern)을 추가하지 않고 미세 추적을 제공하는 것이다.
하나의 옵션은, 2π 내지 0 위상 단계에서 구상화 효과(rounding effect)의 문제가 있는 톱니파 위상 격자를 생성하기 위해 비평면 액정 회전(out of plane liquid crystal rotation)을 사용하는 것인데, 비평면 액정 회전은, 예를 들면 3 ㎛ 미만의 작은 위상 격자 간격에 대한 회절 효율을 0.5 미만의 비실용적인 값으로 감소시킨다.
예를 들면, 소위 HAN 모드로서의 평면내 회전 액정 모드는, 2π 내지 0 위상 단계에서 구상화 효과의 문제가 없는 제어가능한 위상 격자를 제공할 수 있다. 이것은, 예를 들면 π의 1.9배의 위상 값에 관련되는 액정 평면내 회전 각도의 절대 값, 및 π의 0.1배와 등가인 π의 2.1배의 위상 값에 관련되는 액정 평면내 회전 각도의 절대 값이 대략 10%만 차이가 난다는 사실에 기인한다. 결과적으로, 주기적으로 배열된 복굴절 재료의 평면내 회전에 기초한 위상 격자는, 2㎛의 격자 간격에 대해서도 0.9 이상의 높은 회절 효율성을 제공할 수 있다. 별개의 값은 복굴절의 절대 값에 종속하며 따라서, 예를 들면, 평면내 회전 액정 모드를 사용하는 것에 의해 실현되는 위상 격자의 간격 대 두께 비율에 종속한다.
본 발명의 목적은 또한 청구항 30에 따른 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 디스플레이 디바이스를 사용하는 것에 의해 홀로그래픽 재구성을 생성하는 본 발명에 따른 방법이 제공되는데,
- 충분히 코히어런트한 광을 갖는 조명 유닛에 의한 공간 광 변조기 디바이스의 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 조명,
- 공간 광 변조기 디바이스의 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀 양자의 광의 통과, 및
- 사이에 있는 반사면 - 반사면은 위상 변조 픽셀과 진폭 변조 픽셀 양자와의 사이에서의 광 전파에서 제공됨 -에 의한 광의 반사.
하기에서는, 실시형태에 기초하여 그리고 첨부하는 개략적인 도면과 연계하여 본 발명이 더욱 상세히 설명될 것이다. 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 예시적인 실시형태의 설명과 연계하여, 본 교시의 일반적으로 바람직한 구성 및 전개가 또한 설명된다. 도면에서, 그렇지 않다고 명시되지 않는 한, 도면은 측면도이며, 이 경우 도면은 각각의 경우에서 개략적인 예시인데:
도 1은 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스 평면 도파관 타입(planar wave guide type) 조명 유닛을 도시한다,
도 2는 평면 도파관 기반의(planar wave guide-based) 전면 광 조명 유닛을 도시한다,
도 3은 다른 평면 도파관 기반의 전면 광 조명 유닛을 도시한다,
도 4는 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스를 위한 쐐기 타입 기반의 전면 광 조명 유닛을 도시한다,
도 5는, 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 한 실시형태를 도시하는데, 여기서는 디스플레이 패널의 일부만이 도시되고, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 결합은 동일 평면 내에서 제공된다,
도 6은 본 발명에 따른 반사 타입 복소 값 공간 광 변조기(SLM) 디바이스의 한 실시형태를 도시한다,
도 7은, 복굴절판 형태의 빔 배치 엘리먼트를 사용하는 것에 의해 반사 타입 복소 값 공간 광 변조기 디바이스의 다른 실시형태를 도시한다,
도 8은 본 발명에 따른 투과 타입 복소 값 공간 광 변조기의 한 실시형태를 도시한다,
도 9는 도 8의 투과 타입 복소 값 공간 광 변조기 디바이스의 실시형태를 상세히 도시한다,
도 10은, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 평면과 공간 광 변조기 디바이스의 진입면 사이에서 사용되는 투명판의 두께에 의존하고 복소 값 픽셀의 피치에 의존하는 조명 각도를 도시한다,
도 11은, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 평면과 공간 광 변조기 디바이스의 진입면 사이에서 사용되는 투명판의 두께에 의존하고 복소 값 픽셀의 피치에 의존하는 조명 각도를 도시하는데, 이 경우, 실제 내부 SLM 전파 거리의 연장된 한계는, 복소 값 픽셀의 피치의 15배까지이다,
도 12a 및 도 12b는 MEMS에 기초하는 반사 타입 복소 값 공간 광 변조기 디바이스의 한 실시형태를 도시한다,
도 13은 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 한 실시형태를 도시하는데, 이 경우, 상이하고 제어가능한 방향을 따른 공간 광 변조기 디바이스의 조명이 제공된다,
도 14는, 격자의 설계 입사각인 설계된 브래그 각도에 대한 차이에 의존하여, d = 16 ㎛의 홀로그래픽 기록 필름(holographic recording film; HRF)의 두께에서, n0=1.5의 평균 굴절률 값을 갖는 매질 내에서 -41.55도/0도인, 84.26도 공기/0도 PMMA의 지오메트리의 회절을 실현하는 브래그 회절 기반의 부피 격자의 회절 효율성의 그래프를 도시한다,
도 15는 조명 유닛의 시준 유닛의 컴팩트 셋업의 일반적 셋업을 도시한다.
동일한 도면 부호는 개개의 도면 및 수반하는 설명에서 동일한 컴포넌트를 가리킨다. 하기에서, 표기 "의 앞에" 및 "뒤에", 예를 들면, 공간 광 변조기 디바이스의 앞에는, 광의 전파와 관련하여 보이는 광을 의미한다.
조명 유닛은 홀로그래픽 디스플레이 디바이스 내에서 바람직하게 사용될 여러 특정 수정예를 포함할 수 있다. 조명 유닛은, 감소된 공간적 및/또는 시간적 코히어런스만을 도시하는 광에 대해 그리고 코히어런트 광에 대해 사용될 수 있다. 진폭 아포다이제이션 및 위상 아포다이제이션은, 조명 디바이스의 진입면 뒤에서 전파하는 강도 프로파일을 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 컬러 필터는 상이한 컬러에 대해 강도 프로파일을 최적화할 기회를 개별적으로 제공한다. 명세(specification)는 별개의 실시형태에 의존한다.
이제, 조명 유닛의 광학적 셋업에 대해, 도 1은 디스플레이 디바이스, 바람직하게는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스에 대한 평면 조명 유닛의 제1 실시형태를 예시한다. 조명 유닛은, 전면 광 조명 유닛으로서 사용되기 위한, 조명 빔 경로와 이미징 빔 경로 사이에 충분한 분리를 나타내는 평면 도파관 타입 조명 유닛이다. 전면 광 조명 유닛은, 예를 들면 도 6에서 도시되는 복소 값 반사 타입 공간 광 변조기 디바이스(SLM)를 조명하기 위해 사용될 수 있다.
도 1은, 예를 들면 300 mm까지의 대각선을 갖는 상대적으로 작은 디스플레이 디바이스에 대해 사용될 수 있는 평면 도파관 타입 전면 광 조명 유닛의 일반적인 레이아웃을 도시한다. 이 실시형태는 또한 백라이트 조명 유닛으로서 사용될 수 있다. 조명 유닛은 광원 디바이스(light source device; LS)로서의 레이저 다이오드 및 렌즈(L) 형태의 광학적 엘리먼트를 포함하는데, 렌즈(L) 형태의 광학적 엘리먼트는 광원(LS)에 의해 방출되는 광의, 기판(S) 형태의 도광 엘리먼트(light guiding element)로의 시준을 위한 것이다. 기판(S)은 광 출사면 상에서 광 디커플링 엘리먼트(VG)를 포함하는데, 광 디커플링 엘리먼트는 부피 격자일 수 있거나 또는 예를 들면 플라즈마 공진에 기초할 수 있는 다른 타입의 격자 또는 주기적 구조체일 수 있다. 부피 격자(VG)는, 기판(S)내에서, 도파관 모드(wave guide mode; WGM), 예를 들면 모드 번호 m=0에 있는 베이직 가우스 모드(basic Gauss mode)에서 전파하는 광을 디커플링하기 위해 제공된다. 또한, 기판은 도파 층(wave guiding layer; WL) 및 클래딩 층(cladding layer; CL)을 포함하는데, 클래딩 층(CL)은 기판(S)과 부피 격자(VG) 사이에서 제공된다. 디커플링 부피 격자(VG)의 회절 지오메트리는, 조명 빔 경로와 이미징 빔 경로의 충분한 분리를 제공하는 편광 빔 스플리터 지오메트리와 유사하다. 즉, 예를 들면, 90도 조명 빔 경로/0도 이미징 빔 경로 지오메트리 대신, 80도 조명 빔 경로/0도 이미징 빔 경로를 제공한다. 이것은, 직교 편광된 광의 분리를 제공하는 여러 회절 지오메트리 중 하나이다. 더구나, 디커플링 부피 격자(VG)는 기판(S)으로부터의 조명의 필요로 하는 출사 각도를 실현할 수 있는데, 이 경우, 필요로 하는 전파 각도를 갖는 출사 광은 공간 광 변조기 디바이스를 나중에 조명할 것이다. 필요로 하는 출사 각도는 공간 광 변조기 디바이스(이하, SLM으로 칭함) 내의 기판의 두께에 종속하는데, 이 경우, 기판은 SLM 내의 반사면과 주소지정가능한 투과층 사이에 제공된다. 광의 E 필드는 바람직하게는 기판의 평면에 놓이고 그러므로 횡단 전기(transverse-electric; TE) 편광된다. 광 전파의 방향은 화살표에 의해 나타내어진다.
도 1에 따른 조명 유닛은 다음과 같이 작동한다: 광은, 도광 엘리먼트에 평행한 도광 엘리먼트로서의 기판(S), 클래딩의 계면 및 출력 커플링 격자를 통해 전파한다. 광의 일부는 도광 엘리먼트를 떠나서, 클래딩 층(CL)을 통과하여 여기서는 부피 격자(VG)의 형태인 광 디커플링 엘리먼트에 진입하는데, 광의 나머지 부분은 도광 엘리먼트를 통해 계속 전파한다. 클래딩 층(CL) 뒤에 존재하는 그리고 예를 들면 80도에 가까운 각도에서 부피 격자에 진입하는 광은, 그 광이 도시되지 않은 공간 광 변조기 디바이스(SLM) 상에 시준된 웨이브 필드(WF)로서 떨어지도록, 부피 격자(VG)에 의해 디커플링된다. 이것은 점선의 화살표에 의해 표시된다. 공간 광 변조기 디바이스(본원에서는 SLM으로서 칭해짐)의 반사형 픽셀에 의한 변조 이후, 광은, 1/4 파장판으로서 또한 알려져 있는, SLM의 λ/4 층 및 조명 유닛을 다시 통과한다. λ/4 층의 두 번째 통과 이후, 광의 초기 횡단 전기 편광(TE)은 90도만큼 회전된다. 이제 광은 횡단 자기(transverse-magnetic; TM) 편광을 가지며 정보의 표현을 위한 값을 갖는 픽셀에 의해 변조된다.
도 1에서 도시되는 레이아웃은 전면 광 조명 유닛으로서뿐만 아니라 백라이트 조명 유닛으로서 사용될 수 있다.
다른 평면 도파관 기반의 전면 광 조명 유닛이 도 2의 측면도에서 도시된다. 이 전면 광 조명 유닛은 편광 선택성 빔 경로 분리(polarization selective beam path separation)를 사용한다. 이 도면에서는, 도 1에서 도시되고 설명된 광학 엘리먼트 외에 다른 광학 엘리먼트 및 전자 엘리먼트가 제공된다. 여기서는, 반사 타입 공간 광 변조기(reflective-type spatial light modulator; RSLM)가 예시되는데, RSLM 뒤에는, 픽셀의 회로에 대한 백플레인(backplane; BP)이 배열되어 있다. RSLM의 앞에는, 광의 편광을 회전시키기 위한, λ/4판으로 또한 칭해지는 1/4 파장판(quarter wave plate; QWP)이 제공된다. 기판(S)을 통해 전파하는 광은 제1 도파관 모드(wave guided mode; WGMm=0)를 갖는데, 이것은 이 모드가 기본 모드 또는 가우스 모드이다는 것을 의미한다. 나중에 도광 엘리먼트로서의 기판(S)에서, 광은 더 고차 모드를 갖는 도파관 모드(WGMm>0)를 갖는다. 도 2의 조명 유닛의 원리는 본질적으로 도 1의 것과 동일하다. 본원에서 변환층(conversion layer; COL)으로 마킹된 층은, 기본적으로는, 웨이브 필드의 가이드식 모드(guided mode)의 누설 모드(leaky mode)로의 변환인 디커플링을 제공하는 층이다. 기능성은 부피 격자(VG)를 사용하는 것에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 표기 COL 및 VG는 여기에서는 등가로서 간주될 수 있다. 광의 연속적인 디커플링의 기능을 설명하기 위해, n 곱하기 d인 클래딩 층(CL)의 광학적 두께의 종방향 변경이 과장되어 있는데, 여기서 n은 굴절률이고 d는 두께이다.
광 디커플링 엘리먼트로서 부피 격자를 사용하는 경우, 빔 분리 수단으로서 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter; PBS)를 제공하기 위해, 별개의 회절 각도의 세트가 사용될 수 있다. 이것은, 여러 별개의 회절 각도가 이 편광 빔 스플리터 동작에 대해 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 모든 임의적인 각도가 이것을 위해 선택될 수 있는 것은 아니다. 부피 격자는 90도, 60도 또는 48.2도의 회절 각도에서 편광 빔 스플리터 동작을 실현할 수 있다. 사용될 수 있는 각도를 몇몇 별개의 각도에만 제한을 두는 것은, 광학 설계의 제한된 자유도에 상당한다.
도 3에서는, 상이한 평면 도파관 기반의 전면 광 조명 유닛이 설명되는데, 이 경우에서는, 빔 경로 분리를 제공하기 위해, 부피 격자의 각도 선택 회절이 사용된다. 전면 광 조명 유닛은 여기서는 FLU로 칭해진다. 광원(LS)은, 여기서는, 각각이 레드, 그린 및 블루에 대한 것인 세 개의 단일의 광원을 포함하는 컬러 광원으로서 설계된다. 광원(LS)의 뒤에, 시준 유닛(collimation unit; CU)이 제공된다. 시준 유닛(CU)은, 도 1 및 도 2에서 설명되는 바와 같은 렌즈 대신, 시준을 위해 사용되는 반사 엘리먼트, 바람직하게는 포물경(parabolic mirror; PM)을 포함한다. 조명 유닛(FLU)의 출사면(exit plane; EXP) 상에, 1/4 파장 리타더가 제공될 수 있다. 광의 전파에서는, 변조된 광(modulated light; ML)을 유저 공간으로 집광시키기 위한 필드 렌즈(field lens; FL)가 제공된다. 필드 렌즈는 부피 격자의 스택의 부피 격자일 수 있다. 이 필드 렌즈(FL) 뒤에는, 필요로 하는 방향에서 광을 추적하기 위한 수직 추적 유닛 및/또는 수평 추적 유닛이 배열된다. 여기에서 사용되는 각도 선택성의 사용은, 또한 사용될 수 있는 각도 지오메트리에 관하여 증가된 설계 자유도를 제공한다. 그러나, 각도 선택성의 사용은 바람직하다.
다른 대안적인 조명 유닛이 도 4에서 설명된다. 이 쐐기형 기반의 전면 광 조명 유닛은 각도 또는 편광 선택성 빔 경로 분리를 사용한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같은 도파관 또는 지그재그 도파관 조명 유닛과 비교하여 감소된 복잡도로 인해, 예를 들면, 24인치 내지 32인치의 대각선을 갖는 디스플레이인 중간 사이즈 및 예를 들면, TV 사이즈 디스플레이(예를 들면, 1m 대각선)와 같은 더 큰 사이즈에 대해, 쐐기 타입 조명 유닛이 바람직할 수 있다.
도 4에 따른 전면 광 조명 유닛은 레드, 그린 및 블루 광에 대한 광원 디바이스(LS)를 포함한다. 광원(LS)의 출사면에서는, 예를 들면, 경사형 인덱스 프로파일(graded-index profile)을 갖는 유리 막대인 굴절률 분포형 렌즈(gradient-index lens; GRINL)가 제공된다. 경사형 인덱스 프로파일은 - 초점 거리 f의 정의 수(positive number)에 대해 - 초점 축에서 높은 굴절률을 가지며 축을 벗어난 영역(outer region)에서 감소된 굴절률을 갖는다. 광섬유(optical fibre; OF)를 사용하는 것에 의해, 광원(LS)에 의해 방출되는 광은 시준 유닛(CU)으로 가이드된다. 시준 유닛(CU)은 주 시준 렌즈(primary collimation lens; pCL), 집광 마이크로 렌즈 어레이(focussing micro lens array; fML), 일차원 산란 포일(one-dimensional scatter foil; sPS 1D)의 일차원 움직임에 대한 PZT 엘리먼트(PZT 1D), 일차원 산란을 위한 구조화된 주기적 산란면(sPS 1D), 이차원 산란을 위한 구조화된 주기적 산란면(sPS 2D), 최종적으로는 산란면의 이차원 움직임을 부여하는 일차원 수평 움직임에 대한 제1 압전 병진 스테이지 엘리먼트(first piezo translation stage element; PZT 2D 1), 최종적으로는 산란면의 이차원 움직임을 부여하는 수직 움직임에 대한 제2 압전 병진 스테이지 엘리먼트(PZT 2D 2)를 포함하는데, 여기서 PZT 2D 1 및 PZT 2D 2 양자는 함께 이차원 움직임을 가능하게 한다. 시준 유닛(CL)은, 보조 광원(secondary light source)의 어레이로서 작용하는 구경 조리개(aperture stop)의 어레이, 시준 마이크로 렌즈 어레이(collimating micro lens array; cML) 및 평면파의 각도 스펙트럼(ASPW)의 조절하기 위한 결합 부피 격자 필터(compound volume grating filter; cVGF)를 더 포함하는데, 예를 들면, 예컨대 5도의 각도 수용성(angular acceptance)을 갖는 제1의 얇은(예를 들면, 5 ㎛ 두께) 부피 격자는 빔 경로로부터 나오는 교란하는 광을 회절시킬 수 있고, 예를 들면, 1/6도의 각도 수용성을 갖는 제2의 두꺼운(예를 들면, 150 ㎛ 두께의) 부피 격자는 사용될 광을 다시 빔 경로 안으로 회절시키고, 이렇게 하여 각도 필터링이 적용될 수 있다. 시준 유닛(CU) 뒤에는, 광원(LS)의 시간 순차적으로 방출된 레드, 그린 및 블루 광 t(x,y,RGB)의 시준된 웨이브 필드가 제공된다. 그 다음, 광은, 제1 일차원의 10배 확대를 위해 제1 부피 격자(VG1)을 사용하고 제2 직교하는 일차원의 10배 확대를 위해 제2 부피 격자(VG2)를 사용하는 쐐기 타입 기반의 기판(S)으로 진입하는데, 이 경우, 회절 각도는 10배 확대가 달성되는 방식으로 선택된다. 그 다음, 광은 1/4 파장판(QWP)을 통해 백플레인(BP)을 갖는 공간 광 변조기(SLM)으로 가이드된다. SLM에서의 변조 이후, 광은 2회째 제2 부피 격자(VG2)를 통해 결합 필드 렌즈(cFL)로 가이드되는데, 결합 필드 렌즈(cFL)는 두 개의 부피 격자에 기초한 축상 회절 렌즈, 예를 들면, 평균 유저 거리에서 초점을 갖는 제1 회절전 0도/45도, 제2 45도/축상 렌즈이다. 마지막으로, 결합 필드 렌즈(cFL)로부터 유래하는 광은, 수직 액정 격자(vertical liquid crystal grating; vLCG) 및 수평 액정 격자(horizontal liquid crystal grating; hLCG)로서 형성되는 수직 추적 유닛 및 수평 추적 유닛으로 가이드된다.
시준 유닛(CU)은, 평면파의 정의된 각도 스펙트럼 - 이 평면파의 정의된 각도 스펙트럼을 가지고 쐐기 타입 조명 유닛이 조명됨 - 을 갖는 웨이브 필드를 제공한다. 기본 원리는, 빨리 변하는 랜덤화된 위상 분포를 가지며 렌즈에 의해 시준되는 확장된 RGB(레드, 그린, 블루)를 분리한 단색의 광원(LS)을 사용하는 것이다. 이것은 또한, 제1 부피 격자(VG1)의 앞에서 시준 유닛(CU) 대신 또한 사용될 수 있는 도 14에서 설명되는 실시형태의 기본 원리이다.
도 4에서 설명되는 쐐기 타입 조명 유닛은 소망의 설계 각도에서 반사 타입의 SLM을 조명한다. 따라서, SLM의 직각의 조명, 예를 들면, 10도 또는 25도 조명이 구현된다.
따라서, 각도 선택성의 사용은 바람직하다.
도 5에서는, 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 한 실시형태가 평면도로 도시되는데, 이 경우에서는, 디스플레이 패널의 또는 공간 광 변조기(SLM)의 상세만이 도시된다. 평면내 복소 값 SLM을 실현하기 위해, SLM의 동일 평면 내에서 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 결합이 제공된다. 도 5에서는, 동일 평면 내에서 나란히 배열된 진폭 변조 픽셀(a) 및 위상 변조 픽셀(p)이 도시된다. 진폭 변조 픽셀(a)은 광 진입측에 배치되고 위상 변조/시프트 픽셀(p)은, 광의 전파에서 봤을 때, 진폭 변조 픽셀(a) 뒤에 배치된다. 이것은, 위상 변조 픽셀(p)을 2회 통과하는 것에 의해 행해질 수 있는 액정층 형태의 주소지정가능한 투과층의 일정한 두께를 사용할 수 있는 이점을 갖는다.
다시 말하면, 기본 실시형태는, 서로 가까운 위상 변조 픽셀(p) 및 진폭 변조 픽셀(a)을 결합하는 것이다. 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀은 SLM의 복소 값 픽셀을 형성한다. 일반적으로, 위상 변조 픽셀의 2π 위상 변조를 위해 필요한 액정층의 두께는, 진폭 변조 픽셀(a)의 ON에서 OFF 변조를 위해 필요한 액정 두께의 2배만큼 두껍다. 도 5에서 도시되는 바와 같이, 진폭 변조 픽셀(a)의 액정층 두께는 위상 변조 픽셀(p)의 액정층 두께와 동등할 수 있다. 이것은 위상 변조 픽셀(p)에 대한 이중 경로 장치를 구현하는 것에 의해 실현된다. 조명 유닛에 의해 방출되는 광의 진입 편광 상태는, 위상 변조 픽셀(p)의 앞에 배치되는 1/4 파장판(QWP)의 세그먼트를 사용하는 것에 의해 회전된다. 결합 복소 값 픽셀에 할당되는 더 높은 회절 차수의 강도를 감소시키기 위한 아포다이제이션 프로파일(APO)이 사용된다. 흡수기(A)와 결합한 아포다이제이션 프로파일(APO)은 위상 변조 픽셀(p)의 뒤에 배치된다. 진폭 변조 픽셀을 통과하는 광의 방향 전환은, 픽셀 장치의 일 측에 배치되는 프리즘 구조체를 사용하는 것에 의해 도입된다. 진폭 변조 픽셀(a)의 광 출사면은, 몰딩 프로세스를 사용하는 것에 의해 실현될 수 있는 프리즘 장치(prism arrangement; PS)를 사용하는 것에 의해 구조화된다. 프리즘 장치(PS)는 두 개의 반사 표면을 갖는다. 즉, 진폭 변조 픽셀 뒤에는, 이 경우에서는 45도로 기울어져 있는 경사 미러면(M)이 제공된다. 위상 변조 픽셀(p) 뒤에서는, 바람직하게는 45도로 기울어진 경사면 상에 코팅 형태의 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter; PBS)가 제공되는데, 이 경우에서는, 경사면(M 및 PBS) 양자가 대략 90도의 각도 미만으로 서로에 대해 기울어져 있다. 편광 빔 스플리터 코팅(PBS)은, 예를 들면, 위상 변조 픽셀(p)의 방향에서 빔 경로를 방향 전환하기 위해 사용되는 유전체 미러 스택 또는 와이어 그리드 편광기 구조체일 수 있다. 진폭 변조 픽셀의 광 출사면 상에는, 프리즘 장치(PS)에 의해 반사되는 광을 차단하고 따라서 직교 편광을 도입하는 것에 의해 인접 픽셀(a 및 p) 사이의 누화를 억제하는 편광 필터가 제공된다. 광의 위상의 변조 이후, 광은 위상 변조 픽셀(p)의 백엔드에서 아포다이제이션 프로파일(APO)로 가이드된다. 아포다이제이션 프로파일(APO)의 평면에서는, 입사광을 다시 위상 변조 픽셀(p)로 반사하기 위한 평면내 미러면(in-plane mirror plane; MP)이 제공된다. 위상 변조 픽셀(p) 뒤에 있는 1/4 파장판(QWP)은 광의 편광 상태 TE를 편광 상태 TM(횡단 자기)으로 변경시키고, 그 결과 TM 편광된 광은 프리즘 장치(PS)의 편광 빔 스플리터 코팅(PBS)을 통해 디스플레이 디바이스에서 도시되지 않은 후속하는 필드 렌즈를 향해 전파한다.
동일한 주소지정가능한 투과층 평면 내에 배치되는 횡방향으로 인접한 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 직렬 결합을 사용하는 반사 타입 복소 값 공간 광 변조기(SLM)의 일반적인 실시형태가 도 6에서 설명된다. 복소 값 픽셀을 형성하기 위한 주소지정가능한 투과층은 액정층인데, 이 경우에서는, 다른 타입의 층이 또한 사용될 수 있다. 위상 변조 픽셀(p) 및 진폭 변조 픽셀(a)은 나란히 배치된다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, SLM의 경사 조명이 제공된다. SLM에 대한 입사광의 조명 각도는 예를 들면 25도이다. 이 조명 각도는 여러 액정 모드에 대해 실용적이다. SLM에 대한 입사광은 정의된 편광 상태를 갖는다. 광은 먼저 위상 변조 픽셀(p)을 통과하지만, 패턴화된 편광 필터/분석기(patterned polarization filter/analyzer pPF; pPF)를 사용하는 것에 의해 진폭 변조 픽셀(a)의 앞에서 차단된다. 패턴화된 와이어 그리드 편광기 구조체는 패턴화된 편광 필터로서 제공될 수 있지만, 그러나 패턴화된 와이어 그리드 편광기 구조체는 진폭 변조 픽셀의 상부 상에서는 바람직하지 않다. 이것은, 배경 노이즈를 추가할 반사된 광 때문이다. 그러나, 패턴화된 와이어 그리드 편광기 구조체는, 입사광의 정의된 부분을 되반사하는 반사면(reflection plane; RP)에서 사용될 수 있다. 도 6에서, 패턴화된 와이어 그리드 편광기 구조체는, 반사면(RP)에서 제공되는 구조화되지 않은 흡수체 평면(absorber plane)의 앞에서 사용될 수 있다. 흡수체면은 미러면(M)에 대응한다. 패턴화된 위상 지연은 1/4 파장판(λ/4판)을 사용하는 것에 의해 이 반사면에 또한 추가될 수 있다. 그러나, 예를 들면, 전면이 아래로 향한 상태에서 흡수성 UV 경화 접착제에 침지되는 마이크로렌즈와 같은 널리 공지된 표준 기술에 더 가까운 실시형태를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
패턴화된 흡수체 형태의 아포다이제이션 프로파일(APO)이 반사면(RP)에 추가로 제공된다. 이 아포다이제이션 프로파일(APO)은 적당히 얇게, 즉, 3 ㎛ 내지 5 ㎛로 만들어질 수 있다.
아포다이제이션 프로파일의 얇은 실시형태를 획득하기 위한 하나의 옵션은, 리타더 및 분석기의 조합을 사용하는 것이다.
편광 필터인 분석기와 결합하여 패턴화된 리타더가 사용될 수 있다. 용어 패턴화된 은 이 특정한 상황에서는 내부 픽셀 구조체 또는 내부 픽셀 패턴으로서 사용된다. 이 결합은, 픽셀의 어퍼쳐 내에, 정의된 진폭 타입 아포다이제이션 프로파일을 제공할 수 있다. 패턴화되지 않은 리타더와 결합하여, 패턴화된 편광 필터인 패턴화된 분석기가 사용될 수 있다. 이 결합은 내부 픽셀 아포다이제이션 프로파일을 제공할 수 있다. 더구나, 추가적인 옵션은, 분석기 및 위상지연 구조체 양자에 대해 내부 픽셀 패턴화를 사용하는 것이다.
따라서, 예를 들면, 모바일 디바이스에 대해 사용될 수 있는 12.5㎛와 같은 작은 픽셀 피치를 갖는 SLM이라도, 예를 들면, 내부 픽셀 어퍼쳐 패턴화 흡수체의 얇은 구현예로서 작용하는 이들 패턴화된 분석기를 구비할 수 있다.
그러나, 예를 들면, 20㎛ 또는 그 이상과 같은 흡수체 구조체를 제공하는 두꺼운 패턴화된 아포다이제이션, 또는 높은 애스펙트비는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스에서의 사용에 실용적이지 않다. 이것은, 경사 조명에서 사용될 때의 음영 효과 때문이며 그리고 회절 효과 때문이다. 다시 말하면, 예를 들면, 패턴화된 분석기에 기초하는 적당히 얇은 흡수체 구조체는 사용되어야 한다.
다시 말하면, 반사면(RP)은, 1/4 파장판(QWP)이 상부에 배치되는 미러면(M)을 포함한다. 1/4 파장판(QWP) 상에는, 아포다이제이션 프로파일(APO)이 배치되는데, 이 경우에서는, 반사면의 모든 광학 엘리먼트가 서로 결합될 수 있다.
지금까지 디스플레이 디바이스의 원리에 대해서 도 6에서 도시하였다. 상이한 컬러를 갖는 레이저 다이오드의 형태의 광원(LS)에 의해 제공되는 광은 바람직한 단일 모드 광섬유(single mode fibre; SMF)를 따라 전파한다. 복수의 광섬유 단부는 평면 도파관 구조체(WG)의 둘레에 배치된다. 평면 도파관 구조체(WG) 내에서 시준을 제공하기 위해, 여기 도 6에서는 측지 렌즈(geodetic lens; GL)인 시준 엘리먼트의 일차원 어레이가 사용된다. 사용된 전면 광 조명 유닛(FLU)의 제1 부분은 광 시준 유닛(light collimation unit; LCU)으로서 칭해진다. 도파관 구조체(WG)를 따라 전파하는 광은 부피 격자(VG)를 사용하는 것에 의해 커플링되어 나간다. 이 실시형태에서, 사용된 출사 각도는 표면 법선의 축에 대해 25도인데, 다른 각도도 또한 사용될 수 있다. 동질적인 조명은, 세그먼트화된 디커플링, 즉, 정확한 조정을 필요로 하는 스트립 형상의 디커플링을 사용하는 것보다는 기술적 노력을 덜 필요로 한다. 커플링되어 나가는 광은 예를 들면 TE 편광된다. SLM 층의 상부 상에는, 편광 필터/분석기가 배치되는데, 이 경우, 위상 변조 픽셀(p)의 상부 상에는 구조화된 편광 필터(structured polarization filter; sPF)가 그리고 진폭 변조 픽셀(a)의 상부 상에는 패턴화된 편광 필터(patterned polarization filter; pPF)가 제공된다. 위상 변조 픽셀(p)은 투과를 허용하고 진폭 변조 픽셀(a)은 입사광을 차단하는 것을 허용한다. 광은 위상 변조 픽셀(p)을 통과하고 이들에 의해 변조된다. 그 다음, 위상 변조 픽셀(p)을 통과한 광은, 패턴화된 아포다이제이션 프로파일 제공 층(Apo), 패턴화되지 않은 1/4 파장판/리타더(QWP) 및 미러면(M)을 포함하는 반사면(RP)을 조명한다. 패턴화된 아포다이제이션 프로파일 제공 층(APO) 및 1/4 파장판/리타더의 순서는 변경될 수 있다. 반사면(RP)으로부터 반사된 광은, 예를 들면, 여기에서는 TM을 의미하는 최초 광에 수직인 편광을 갖는다. 이 광은 진폭 변조 픽셀(a)에 의해 변조될 것이고 이들에 의해 전달될 것이다. 회절로 인해 광의 광폭화(broadening)가 존재할 것이다. 그러나, 미러면(M)으로부터 되돌아 가는 길에서 위상 변조 픽셀과 충돌하는 광은 위상 변조 픽셀의 구조화된 편광 필터(sPF)에 의해 차단될 것이다. 전면 광 유닛(FLU)의 출사면에 배치되는 부피 격자(VG)의 각도 선택성으로 인해, 복소 값 웨이브 필드는 필드 렌즈(FL)로 돌아 가는 길에 전면 광 유닛(FLU)을 통과한다. 적당히 큰 경사 각도, 예를 들면, 대략 30도 미만에서 광이 SLM을 출사하면, 축외 부피 격자 기반의 필드 렌즈(FL)가 사용될 수 있다. 이것은, 필드 렌즈(FL)의 앞에 배치되는, 어떠한 추가적인 부피 격자도 필요되지 않는다는 것을 의미한다. 이것은 결합 필드 렌즈가 사용되는 경우에만 그렇다. 필드 렌즈(FL)는 본질적으로 유저의 눈(E)의 진입면에 뷰잉 윈도우(VW)를 제공한다. 광의 수직 추적 및/또는 수평 추적은, 수직 추적 유닛(vertical tracking unit; VT) 및/또는 수평 추적 유닛(horizontal tracking unit; HT)을 사용하는 것에 의해 제공될 수 있다. 추적 유닛(VT 및 HT)은, 바람직하게는, 개별적으로 제어되는 전극 라인 및 평면내 회전 액정(LC) 모드를 갖는 액정(LC) 격자를 포함한다.
아포다이제이션 프로파일은 또한, 미러면(M)에 가까운 아포다이제이션 프로파일의 배치 대신 또는 외에, SLM 평면 내에 배치될 수 있다. 또한, 예를 들면, 진폭 변조 픽셀인 출사 픽셀의 어퍼쳐 - 또는 충전율(FF)- 는, 예를 들면 위상 변조 픽셀인 진입 픽셀의 어퍼쳐보다 약간 작게, 예를 들면 20% 작게 만들어질 수 있다. 이것은, 복소 값 픽셀을 갖는 주소지정가능한 투과층과 반사면(RP) 사이에서 스페이서로 작용하는 투명 기판(transparent substrate; TRS)에 의해 만족되어야 하는 요건을 완화한다. 따라서, 투명 기판(TRS)의 더 높은 값의 전체 두께 변동이 허용될 수 있다. 지정된 시프트의 약간 횡방향의 오프셋은, 주소지정가능한 투과층을 포함하는 평면과 반사면(RP) 사이에 배치되는 투명 기판(TRS)의 두께 변동의 영향을 완화하는 이 방식을 사용하는 것에 의해, 보상될 수 있다. 다시 말하면, 출사 구경 조리개 또는 출사 어퍼쳐의 한 충전율, 예를 들면, 0.5가 사용되고, 이 출사 어퍼쳐를 조명하는 파장 세그먼트가 이 어퍼쳐와 동일한 횡방향 범위를 가지면, 반사면(RP)까지의 거리의 변경은 출사 구경 조리개를 조명하는 파장 세그먼트의 횡방향 시프트를 야기할 것이다. 따라서, 출사 어퍼쳐는 더 이상 완전히 조명되지 않는다. 그러나, 출사 어퍼쳐가 자신을 비추는 파장 세그먼트보다 약간 더 작으면, 조명 파장 세그먼트의 약간의 횡방향 시프트는 완전히 조명된 출사 어퍼쳐를 여전히 제공한다.
위상 변조 픽셀과 진폭 변조 픽셀의 직렬 결합을 제공하는 추가적인 반사 타입 복소 값 공간 광 변조기 디바이스(SLM)가 도 7에서 도시된다. 이 도면에서, SLM은 복굴절판, 바람직하게는, 사바트판 형태의 빔 배치 엘리먼트(beam displacing element; SP)를 사용한다. 사바르판은 또한, 인접한 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 직렬 결합을 실현하기 위해 사용될 수 있다. 전면 광 조명 유닛은, 표면 법선의 축에 대해 0도 또는 10도의 출사 각도를 갖는 조명 광을 제공할 수 있다. 0도의 출사 각도가 사용되면, 반사면으로부터 되반사된 광은, 60도 회절 각도를 갖는 부피 격자에 의해 실현될 수 있는 편광 빔 스플리터 지오메트리를 사용하는 것에 의해 분리되어야 한다. 그러나, 10도에서의 SLM의 조명은, 사바르판을 빔 시프터 또는 빔 배치 엘리먼트로서 사용할 기회를 제공한다. 사바르판은 10도에서 가장 바람직한데, 이 경우에서는, 추가로, 되반사된 광은, 조명 광(도 7의 부피 격자(VG) 참조)의 재구성의 지오메트리에 대해 20도 오프 브래그(off-Bragg)이고, 20도 오프 브래그는 조명 유닛으로부터 나오는 광을 디커플링하기 위한 부피 격자의 각도적 선택성의 관점에서 충분하다.
원치 않는 광을 억제하기 위해 그리고 인접된 픽셀 사이의 누화를 감소시키기 위해, 복소 값 픽셀로서 결합될 인접한 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 앞에 패턴화된 편광 필터를 사용하는 것이 바람직하다. 편광 필터의 인접한 편광 필터 세그먼트의 기능적 배향(functional orientation)은 수직이다.
도 7에서는, 도시된 디스플레이 디바이스의 원리가 설명된다. 반사 타입 복소 값 공간 광 변조기 디바이스(SLM)가, 서로 인접한 그리고 동일 평면 내에 배치되는 위상 변조 픽셀과 진폭 변조 픽셀의 직렬 결합을 제공한다. 도 6에서 도시된 실시형태와는 대조적으로, 복굴절판, 여기에서는 사바르판 형태의 빔 배치 엘리먼트(SP)가 사용된다. 전면 광 조명 유닛(FLU)으로부터 나오는 광을 디커플링한 부피 격자(VG)를 통해 다시 돌아가는 길에서 오프 브래그이기 위해서, 표면 법선의 축에 대해 예를 들면 10도에 있는 약간의 축외 조명이 사용된다. 위상 변조 픽셀(p)을 통과하는 광은, 예를 들면 표면 법선의 축에 대해 42도 내지 45도의 자신의 광축의 배향을 갖는 복굴절판(SP)에 의해 시프트된다. 복굴절판(SP)의 하부에 묘사된 이중 화살표는 복굴절판(SP)의 광축의 배향을 표시한다. 복굴절판(SP)의 이면에는, 미러면(M)이 후속하는 1/4 파장 위상지연판(QWP)이 배치된다. 1/4 파장판(QWP) 및 미러면(M)은 반사면(RP)을 형성한다. 미러면(M)은 또한, 아포다이제이션 프로파일(APO)을 전달할 수 있다. 1/4 파장 위상지연판(QWP)은, 광 배향(photo alignment)을 사용하는 것에 의해 배향될 수 있는 중합 액정(LC)층에 의해 실현될 수 있다. 광 배향은 패턴화된 리타더에 대해 유익하지만 그러나 구조화되지 않은 층에 대해서는 불필요하다. 다시 말하면, 사용되는 파장 및 설계 지오메트리에 적응되는 1/4 파장 위상지연판(QWP)을 미러면(M) 상으로 단지 적층하는 것이 또한 실용적일 수 있다. 1/4 파장 위상지연판(QWP)에서의 더 큰 입사각은 1/4 파장 위상지연판(QWP) 재료의 더 적은 두께를 요구한다. 광 배향은, 패턴화된 위상지연뿐만 아니라 패턴화된 편광 필터링을 제공하기 위해 사용될 수 있는 표준 기술이다.
구조화되지 않은 부피 격자를 사용하는 것에 의해 또한 또는 대안적으로 실현될 수 있는 빔 배치 엘리먼트(SP)에 의해 시프트되는 광은 편광이 변경되어 다시 SLM 평면으로 반사된다. 따라서, 위상 변조된 광은 진폭 변조 픽셀과 마주치게 되고, 그 다음, 그 진폭이 변조된다. 인접한 위상 변조 픽셀(p)로의 누화는, 직교 편광을 도입하는 것에 의해 억제된다.
복소 값 웨이브 필드는, 예를 들면, 부피 격자(VG) 기반의 전면 광 조명 유닛(FLU)의 조명 지오메트리에 대해, 적당히 축외인 20도 축외로 방출되고, 따라서 웨이브 필드는 필드 렌즈(FL)의 방향 안으로 전파한다. 도 7에서 도시되는 것만큼 작은 축외 각도의 경우, 단일의 축외 부피 격자(VG) 기반의 렌즈 대신, 결합 필드 렌즈(cFL)가 사용되어야 한다.
복굴절판(사바르판)에 기초하는 빔 시프팅과 결합한 SLM에 대한 축상 조명 - 수직 입사 또는 0도의 조명 각도에서의 전면 광 조명 유닛(FLU) - 의 사용은, 복굴절판의 두께와 관련하여 제한을 갖는다. 방해석(calcite)은 소위 6도 약간 위의 소위 워크오프 각도(walk-off angle)를 제공하고 높은 복굴절 중합 액정(LC)은 예를 들면 7도의 워크오프를 실현할 수 있다. 이것은, 횡방향 시프트와 등가이며 포인팅 벡터(Poynting vector)에 영향을 끼치지 않는다. 다시 말하면, 빔은 1/4 파장 위상지연판 및 미러면과 0도에서 충돌한다. 편광은 1/4 파장 위상지연판에 의해 직교 편광으로 변경되고 되반사된 광은 어떠한 횡방향 변위 없이 복굴절판을 통과한다. 이것은, 복굴절판의 최소 두께로 나타나게 되는 7도의 최대 워크오프 각도가 제공된다는 것을 의미하는데, 복굴절판의 최소 두께는 픽셀 피치보다 8배 더 크다. 그리고, 이것은, 전체 빔 경로의 절반인 일 방향(one-way) 전용이다. 미러면으로부터 되돌아 가는 길에는 시프트가 없다. 따라서, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀 사이에서 존재하는 유효 간격은 픽셀 피치보다 열여섯 배 더 크며, 이것은 실용적이지 않다. 회절에 의해 도입되는, 인접한 픽셀 사이의 누화로 인해, 간격의 제한은 거의 픽셀 피치의 열 배인데, 이것은 코히어런트 방향을 따라 존재한다. 다시 말하면, 조명 광의 0도 입사에서의 복굴절판의 사용은 회절 어퍼쳐 사이에 적당히 짧은 간격을 제공하지 않으며, 따라서 여기서는 적절히 작동하지 않는다. 이것은, 추가적인 약간의 축외 조명이 사용될 수 있는 이유이다.
도 8은, 투과식으로 작동하며 공간 광 변조기 디바이스(SLM)의 디스플레이 패널의 인접한 진폭 변조 픽셀 및 위상 변조 픽셀을 횡방향에서 결합하는 대안적인 실시형태를 설명한다.
백라이트 조명 유닛(backlight illumination unit; BLU)은 수직 입사에 대해 25도 빗겨나간 각도에서 SLM 장치를 조명한다. 비스듬한 입사의 별개의 값은 디스플레이 디바이스의 별개의 실시형태에 의존하며 예를 들면 10도 내지 45도일 수 있다. 비스듬한 입사의 바람직한 값도, SLM의 주소지정가능한 투과층의 사용된 액정(LC) 모드에 또한 의존하는데, 액정(LC) 모드는 예를 들면 평면내 또는 비평면(out-of-plane) LC 모드일 수 있다. 픽셀의 상이한 서브셋에 대해 상이한 LC 조성물을 사용하기 위해서는, 많은 기술적 노력이 필요로 될 것이다. 따라서, 서브 픽셀의 양 타입(진폭 변조 픽셀, 위상 변조 픽셀)에 대해 사용될 수 있는 LC 혼합물은 상이하기 보다는 오히려 동일할 수 있다. 패턴화된 광 배향은 문제가 아니며 따라서 배향 층의 상이한 배향은 픽셀의 상이한 서브셋에 대해 실용적이다. 다시 말하면, 바람직한 실시형태는 단일의 LC 조성물을 사용하는데, 단일의 LC 조성물은, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀에 대해서도 또한, 예를 들면, 20개의 상이한 화학적 조성물을 포함한다. 그러나, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 정렬은, 사용되는 픽셀의 두 개의 서브셋의 상이한 요건에 적합시키기 위해, 상이할 수 있고 따라서 최적화될 수 있다. 동일한 LC 조성물은 상이한 타입의 동작에 대해, 즉, 예를 들면, 평면내 또는 비평면 동작에 대해 사용될 수 있다. 따라서, 위상 변조 픽셀에 대해 그리고 진폭 변조 픽셀에 대해 사용되는 전극 장치는 상이할 수 있다.
세그먼트를 구비하는 패턴화된 편광 필터(pPF)의 평면이 필요로 되지 않는다. 인접한 픽셀 사이의 누화를 방지하기 위해, 편광 필터 세그먼트가 사용될 수 있다. (도시된 엘리먼트(pPF)와 관련하여) 가장 간단한 방식은 편광 필터 세그먼트(pPF)의 평면을 사용하지 않는 것인데, 이 경우, 세그먼트는 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 순서에 따라 내재화된다(nested).
(엘리먼트(pPF)와 관련하여) 다음의 기능 단계는, 진폭 변조 픽셀(a)의 출사 어퍼쳐에서 편광 필터 세그먼트(pPF)만을 그리고 위상 변조 픽셀(p)의 반사 백엔드에서 미러 세그먼트(mirror segment; MS)를 사용하는 것이다. 이것은 또한, 구조화되지 않은 편광 필터 평면이 SLM 장치의 출사면의 뒤에서 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들면, 1000:1과 같은 홀로그래픽 생성 이미지의 높은 콘트라스트를 제공하기 위해서는, 흡수 편광 필터가 바람직하다.
(엘리먼트(pPF)와 관련하여) 제3 기능 단계는, 직교 동작을 제공하는 내재화된 편광 필터 세그먼트의 패턴을 사용하는 것이다. 여기에서는, 사용되는 LC 모드에 기인하는 편광 회전이 또한 고려될 수 있다.
마지막으로, 바람직한 실시형태는, 위상 변조 픽셀(p)의 반사성 백엔드에서, 예를 들면, 와이어 그리드 편광기 세그먼트와 같은 반사 타입의 편광 필터 세그먼트를 사용하는 것이다. 와이어 그리드 편광기 세그먼트는, 억제될 편광에 대한 블랙 마스크로서 작용하는 패턴화된 흡수 필름으로 코팅될 수 있다. 바람직한 실시형태 내에서, 흡수 타입 편광 필터 세그먼트는 진폭 변조 픽셀의 출사 어퍼쳐에 배치된다.
위상 변조 픽셀은 미러에 의존하고, 진폭 변조 픽셀은 누화의 억제를 위해 구조화된 편광 필터를 포함한다.
도 8을 상세히 참조하면, 백라이트 조명 유닛(BLU)으로서 설계된 조명 유닛은, 코히어런트 방향을 따라 존재하는 1/60도 이하의 평면파의 각도 스펙트럼(ASPW)을 갖는 시준된 광(collimated light)을 제공한다. 시준된 광은, 예를 들면 25도인, 정의된 조명 각도에서 조명 유닛(BLU)에 의해 방출된다. 또한, 조명 유닛(BLU)의 출사 편광이 정의되고 고도의 편광이 존재한다. 따라서, 도 8에서 도시되는 SLM은 정의된 조건에서 조명된다.
그 다음, 광은 도시된 광학 엘리먼트를 정의된 순서로 통과한다. 광은 위상 변조 픽셀(p)과 먼저 충돌한다. 위상 시프트(
Figure 112016074546052-pct00002
)를 도입하는 위상 변조 픽셀(p)의 백엔드에서, 반사 엘리먼트가 제공된다. 미러 세그먼트(MS)를 포함하는 미러의 제공은 충분하다. 구조화된 와이어 그리드 편광기도 또한 사용될 수 있다. 위상 변조 픽셀의 백엔드를 커버하는 미러 세그먼트(MS)의 사용은, 감소된 제조 단가 대 획득되는 이미지 콘트라스트와 관련하여 충분할 수 있다. LM의 출사면에서, 미러 세그먼트(MS)는 편광 필터 세그먼트(pPF)에 인접하게 배치된다. 투과형 편광 필터 세그먼트로서 형성되는 편광 필터 세그먼트(pPF) 및 미러 세그먼트(MS)는 서로의 내부에서 내재하게 되는데, 편광 필터 세그먼트(pPF) 및 미러 세그먼트(MS)는, 예를 들면, 편광 필터 세그먼트(pPF) 및 미러 세그먼트(MS)의 교대적인 배열을 사용하는 것에 의해 제공된다. 다시 말하면, 미러 세그먼트의 배열체는 편광 필터 세그먼트의 배열체 내에 내재화된다. 위상 변조 픽셀(p)에 충돌하는 광은 미러 세그먼트로부터 되반사되는데, 따라서 위상 변조 픽셀(p) 내에서 이중 경로 배열이 실현된다. 따라서, 위상 변조 픽셀(p)에 의해 제공되어야 하는, 2π 위상 시프트에 대해 필요로 하는 주소지정가능한 투과층, 바람직하게는 LC 층의 두께는 감소된다. LC 층의 두께를 두 배로 하는 것은, SLM의 픽셀을 제어하기 위한 스위칭 속도를 네 배만큼 감소시키는 것을 의미한다. 이것은 대부분의 LC 모드 및 일정하게 유지되는 전압에 대해 적용된다. 하이브리드 정렬식 네마틱 액정(hybrid aligned nematic liquid crystal; HAN LC) 모드 및 대안적인 평면내 LC 모드는 상이하게 작용한다. LC 층의 감소된 두께는, 실용적인 전압에서 더 높은 프레임 레이트를 제공한다. 이것은, 전압을 크게 상승시킬 필요가 없다는 것을 의미한다. 증가된 전압은, SLM의 디스플레이 패널의 전기적 제어를 제공하는 전기 회로인 백플레인의 구현과 관련하여 상당한 기술적 노력을 야기한다. 따라서, 위상 변조 픽셀(p)에 대해 실현되는 SLM 내에서의 이중 경로 배열체는 아주 유익하다.
또한, 위상 변조 픽셀(p)를 두 번 통과한 광은, 미러 엘리먼트(M)의 형태의 구조화된 반사체의 패턴을 제공하는 반사면(RP)으로 전파한다. 반사면(RP)은 아포다이제이션을 제공하는 아포다이제이션 프로파일(APO)을 포함한다. 이 아포다이제이션 프로파일은 세그먼트화된 진폭 아포다이제이션 프로파일로서 형성되고, 예를 들면, 카이저 베셀 윈도우 또는 가우스 분포일 수 있다. 최종적으로 획득되는 복소 값 픽셀의 아포다이제이션의 효과는, 복소 값 위상 및 진폭 공간 광 변조기(SLM)의 출사면 내에 존재하는 공간 주파수를 감소시키는 것이고 따라서 SLM 그리드의 더 높은 회절 차수의 강도를 감소시키는 것인데, 상기 강도는 감소되지 않으면 뷰잉 윈도우(VW)를 통해 재구성된 장면을 관측하는 유저의 이웃한 눈을 교란할 수 있다. 아포다이제이션 프로파일은 또한, 더 높은 회절 차수의 강도를 감소시킬 수 있는 내부 픽셀 강도 분포를 제공하기 위해, 위상 변조 픽셀(p)의 앞에 또는 심지어 진폭 변조 픽셀(a)의 뒤에 제공될 수 있다.
아포다이제이션 프로파일(APO)을 통과한 광은, 단일의 통과에 대해 λ/4 위상지연을 도입하는 1/4 파장 위상지연 엘리먼트 세그먼트(QWPS)를 포함하는 1/4 파장판(QWP) 형태의 구조화된 위상지연 엘리먼트에 충돌한다. 1/4 파장 위상지연 엘리먼트(QWP)의 이들 세그먼트(QWPS)는, 세그먼트화된 미러면을 생성하는 미러 엘리먼트(M)의 상부 상에 배치된다. 그 다음, 광은 되반사되고 1/4 파장 위상지연 엘리먼트(QWP)는 다시 통과된다. 따라서, 진입 편광에 수직인 편광 상태가 생성된다. 이것은, 예를 들면, TE(횡단 전기) 편광되는 대신 TM(횡단 자기) 편광되거나 또는 RCP(right circularly polarized; 시계 방향 원 편광) 편광되는 대신 LCP(left circularly polarized; 반시계 방향 원 편광) 편광된다는 것을 의미한다. 편광의 이 변경은, 증가된 이미지 콘트라스트로 최종적으로 나타나는 인접 픽셀의 누화를 최종적으로 감소시키기 위해 사용된다. 편광의 이 변경은 또한, 광학 경로 내에서 뒤이어 후속할 진폭 변조 픽셀(a)에 대해 필요로 하는 진입 편광을 제공하기 위해 사용된다.
미러 엘리먼트(M)에 의해 순방향(forward direction)으로 되반사되는 광은 진폭 변조 픽셀(a)과 충돌한다. 진폭 변조 픽셀(a)의 출사면에는, 패턴화된 편광 필터(pPF)가 배치된다. 진폭 변조 픽셀에 관한 패턴화된 편광 필터(pPF)는, SLM을 통과하는 광의 전파에서 봤을 때, 제2 편광 필터 세그먼트인 패턴화된 편광 필터 세그먼트(pPF2)의 평면이다. 진폭 변조 픽셀(a)에서는, 내재된 패턴화된 편광 필터 세그먼트(pPF1)의 다른 그룹에 수직으로 배향되는 흡수 타입 편광 필터 세그먼트가 바람직한데, 내재된 패턴화된 편광 필터 세그먼트(pPF1)는 위상 변조 픽셀에 관련되고 위상 변조 픽셀(p)의 각각의 백엔드에서 사용된다. 이들 패턴화된 편광 필터 세그먼트(pPF1)는, SLM을 통과해 가는 길의 광의 전파에서 보게 되는 처음의 것이다. 예를 들면, 패턴화된 와이어 그리드 편광기가 사용될 수 있다. 대안적으로, 미러 세그먼트(MS)의 앞에 배치되는 흡수 타입 편광 필터 세그먼트는, 위상 변조 픽셀(p)의 백엔드에서 필요로 하는 편광 선택성 반사를 또한 제공할 수 있다. 그러나, 패턴화된 와이어 그리드 편광기와 비교하여, 증가된 흡수가 존재할 것이다.
이 패턴화된 편광 필터(pPF)는 인접 픽셀의 누화의 억제를 제공한다. 상기에서 논의된 바와 같이 진폭 변조 픽셀(a)에 관하여 흡수 타입의 패턴화된 편광 필터(pPF)가 바람직하다. 패턴화된 편광 필터(pPF)는 진폭 변조 픽셀(a)의 진입면에 또한 배치될 수 있다.
위상 및 진폭 공간 광 변조기(SLM)를 통과한 후, 광은, 예를 들면, 부피 격자 또는 부피 격자의 스택인 필드 렌즈(FL)로 전파한다. 필드 렌즈(FL)는, 재구성될 삼차원 물점의 모든 웨이브 필드 세그먼트를 포함하는 웨이브 필드를, 평균 유저 거리와 등가일 수 있는 초점면 상으로 집속한다. 필드 렌즈(FL)를 통과한 후, 예를 들면, 개별적으로 제어되는 전극 라인을 갖는 평면내 액정(LC) 격자를 포함하는 수직 추적 유닛(VT)를 사용하는 것에 의해, 수직 회절 또는 수직 추적이 도입된다. 평면내 격자를 포함하는 수평 추적 유닛(HT)은 수평 추적을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
도 8에서 도시되는 본 발명의 이 대안예의 별개의 실시형태는 변경할 대상일 수 있다. 예를 들면, SLM 상으로의 비스듬한 입사각은 수정될 수 있다. 수정된 비스듬한 진입 각은 투명 기판(TRS)의 수정된 두께로 나타나는데, 투명 기판(TRS)은 구조화된 미러면을 갖는 반사면(RP)과 위상 및 진폭 공간 광 변조기 평면 사이에서 사용되고, 구조화된 미러면을 갖는 반사면(RP)은 진폭 공간 광 변조기 평면과 백라이트 유닛(BLU) 사이에 배치된다. 투명 기판(TRS)으로서, 얇은 유리 포일이 사용될 수 있다. 예를 들면, 100 ㎛, 75 ㎛, 50 ㎛를 갖는 또는 심지어 25 ㎛를 갖는 롤(roll)에서 여러 유리 포일이 이미 존재한다. 회절을 더하는 반사면(RP)에서의 제1 패턴화된 구조체와 SLM의 출사면에서의 최종 패턴화된 구조체 사이에 존재하는 경로 길이를, 사용되는 픽셀 피치의 10배로 제한하는 것이 중요하다. 이것은, SLM에서 서브 홀로그램의 이차원(2D) 인코딩을 사용하는 경우에 두 방향에 대한 것인 광의 코히어런트 방향에 대해 적용된다. 보다 정확하게는, 위상 및 진폭 공간 광 변조기(SLM)의 앞에 있는 평면인 제1 어레이 타입 어퍼쳐의 평면으로부터, 위상 및 진폭 공간 광 변조기(SLM)의 평면인 출사면까지의 경로 길이는, 사용되는 픽셀 피치의 10배로 제한되는 것이 바람직하다. 이것은 12.5 ㎛ 픽셀 피치(예를 들면, 모바일 홀로그래픽 태블릿 디스플레이)에 대해 125 ㎛를, 25 ㎛ 픽셀 피치(예를 들면, 홀로그래픽 데스크탑 애플리케이션)에 대해 250 ㎛를, 80 ㎛ 픽셀 피치(예를 들면, 홀로그래픽 TV 애플리케이션)에 대해 0.8 mm를 의미한다. 아포다이제이션 구조체는 또한, 진입면에, 즉, 위상 변조 픽셀(p)의 앞에 배치될 수 있다. 예를 들면, 결합을 위해 사용되는 광학 경로의 픽셀 피치의 10배의 제한을 더 넓히기 위해 사용될 수 있는 여러 아포다이제이션 평면을 SLM 구조체 내에 사용하는 것은 옵션적이다.
도 9에서는, 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 바람직한 실시형태가 설명된다. 이 디스플레이 디바이스는 액정(LC)의 ECB(electrically controlled birefringence: 전자적 제어식 복굴절)와 함께 사용될 수 있다. 복소 값 픽셀을 갖는 주소지정가능한 투명 층(LCL)으로서, 액정(LC) 층이 사용된다. LC 층(LCL)의 굴절률의 필요로 하는 변조로 인해, 브래그 회절 기반의 부피 격자의 큰 회절 각도에 대해 TE 편광된 광을 사용하는 것이 바람직하다. 광의 편광 상태는, 예를 들면, 여기서는 백라이트 조명 유닛(BLU) 형태인 조명 유닛의 배향을 변경하는 것에 의해 또는 백라이트 조명 유닛(BLU)과 공간 광 변조기(SLM)의 진입면 사이에 배치될 수 있는 추가적인 아크로매틱 리타더 평면을 추가하는 것에 의해, 별개의 실시형태에 대해 필요로 하는 바에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, TE(횡단 전기) 편광된 광을 방출하는 조명 유닛은, TE 편광된 광 대신 TM(횡단 자기) 편광된 광으로 SLM을 조명하기 위해, 구현되는 광학 설계의 관점에서 90도만큼 회전될 수 있다. 따라서, 예를 들면, TE, TM CLP 또는 CRP 광은 별개의 실시형태에 대해 필요로 하는 바에 따라 제공될 수 있다. 아크로매틱 리타더는, 예를 들면, 중합 LC 화합물에 의해 비용효율적으로 생성될 수 있다. 도시되는 백라이트 조명 유닛(BLU)(측면도)은 더 나은 이해를 위해 SLM(평면도)과 관련하여 약 90도 회전된다.
도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 여기서는(여기서는 측면도 대신 평면도) TM 편광된 선형 편광된 광이, LC 층(LCL)과 반사면(RP)으로 구성되는 샌드위치인 SLM에 진입하는데, 반사면(RP)은 백라이트 조명 유닛(BLU) 뒤에 제공되고 SLM의 진입면을 형성한다. LC 층(LCL)과 반사면(RP) 사이에는, 투명 기판(TRS)이 스페이서로서 제공된다. LC 층(LCL)에서 ECB 모드를 사용하는 경우, 위상 변조 픽셀(p)은 편광 상태를 변경하지 않으면서 위상을 변경한다. 이것은 LC 층(LCL)의 액정의 배향에 기인한다. 위상 변조 픽셀(p)의 광학 축은 TE 편광된 광의 전기장의 평면 안에 있다.
위상 변조 픽셀(p)의 백엔드에서 미러 세그먼트(MS)에 의해 위상 변조 픽셀(p)로부터 되반사된 광은 백라이트 조명 유닛(BLU)을 향해 역지향되고, 반사 세그먼트(M), 아포다이제이션 프로파일 세그먼트(Apo) 및 2 × π/4 = π/2(2 × λ/8 = λ/4)인 위상 지연을 도입하는 1/4 파장 엘리먼트 세그먼트(QWPS)를 포함하는, 구조화된 평면으로서의 반사면(RP)에 충돌한다. 따라서, 예를 들면, LCP 광 또는 RCP 광일 수 있는 원형 편광된 광이 획득된다.
위상 변조 픽셀(p)의 백엔드에 있는 미러 세그먼트(MS) 및 SLM의 진입면의 또는 반사면(RP)의 미러 엘리먼트(M)는, 예를 들면, 금속 또는 유전체 미러 스택을 사용하는 것에 의해 또는 심지어 이들의 조합을 사용하는 것에 의해 만들어질 수 있다. 금속 전극으로는, 이미 널리 공지된 크롬(Cr) 또는 알루미늄(Al)이 사용될 수 있다.
SLM의 진입면인 반사면(RP)으로부터 되반사된 광은 또한, 요구에 따라 형성될 수 있고 따라서 LC 및 사용되는 LC 모드에 따라 TE, TM, LCP 또는 RCP 편광 상태를 가질 수 있다.
도 9에서 도시되는 바와 같이, 진폭 변조 픽셀(a)은, 예를 들면 RCP 광 또는 LCP 광인 원형 편광된 광으로 조명된다. 여기서는 ECB 모드에서 작동하는 진폭 변조 픽셀(a)은 제어가능한 위상지연을 도입하는 것에 의해 편광 상태를 변경한다. 따라서, 예를 들면, LCP 광은 TE 광으로 변경될 수 있다. 진폭 변조 픽셀(a)은 투명 ITO(tin-doped indium oxide; 주석 도핑된 인듐 산화물) 전극을 사용한다. 복수의 LC 모드는, 예를 들면, LC 층의 사이드에서 LC 평면내 회전을 실현하는 TN(twisted nematic; 트위스트 네마틱) 또는 평면내 회전 LC 모드로서, LC 층의 중간에서 LC 평면내 회전을 실현하는 HAN 모드 또는 LC 모드로서 사용될 수 있다.
복소 값 픽셀 뒤에 제공되며, 예를 들면, 흡수 타입 와이어 그리드 편광기인 편광 필터(polarization filter; PF)는 광의 비TE 편광된 부분(non-TE polarized part)을 차단하고 따라서 제2 제어 픽셀로서의 진폭 변조 픽셀의 위상지연을 실제 진폭 변조로 변환한다. SLM의 진입면의 편광은, 백라이트 조명 유닛(BLU)의 출사면에 부착될 수 있는 아크로매틱 또는 아포크로매틱 리타더 층을 사용하는 것에 의해 적응될 수 있다. 예를 들면, 수직 추적 유닛(VT) 및/또는 수평 추적 유닛(HT)을 통해 각도 미세 추적을 위해 사용되는 편광 타입 LC 격자에 대해 우편광 상태를 제공하기 위해, 빔 경로에서, 다른, 예를 들면, 아크로매틱 또는 아포크로매틱 리타더 층/1/4 파장판(QWP)이 뒤이어 제공된다.
픽셀 평면은, 예를 들면, 일차원적으로 인코딩된 수직 패럴랙스 TV 디스플레이 디바이스에 대해 사용될 수 있는 RGB용 컬러 필터(colour filter; CF)를 포함할 수 있다. 도 9에서, 진폭 변조 픽셀(a)은 컬러 필터(CF)와 함께 제공된다. 이차원적으로 인코딩된 디스플레이 디바이스의 경우, 패턴화된 컬러 필터(CF)를 사용하지 않으면서 시간 다중화가 사용될 수 있다.
체커보드 패턴 또는 스트립 형상의 패턴으로서 형성되는 패턴화된 편광 필터/분석기는, 인접 픽셀 사이의 누화를 방지하기 위한 하나의 채널에 대해 적어도 제공된다. 추가적으로, 진입 채널(CH)은 직교 편광된 광에 대해 투과를 제공하는 패턴화된 분석기를 또한 구비할 수 있는데, 이 경우, 채널(CH)은 복소 값 픽셀의 빔 경로에 대응하며 채널(CH)이 수직 채널이기 때문에 도 9에서 점선으로 도시되어 있다. 따라서, 신호 대 잡음비가 증가될 수 있다. 용어 채널은, 광이 분리된 채널을 따라 SLM을 통과한다는 것을 의미하는 광학적 기능과 관련하여 사용되는데, 분리된 채널은 위상 변조 픽셀(p) 및 진폭 변조 픽셀(a)의 결합을 제공하는 복소 값에 관련된다.
하기의 섹션은, 도 10 및 도 11을 참조로 SLM 내에서의 광의 전파 거리를 설명한다. SLM 내에 존재하는 광의 전파 거리는, 픽셀 누화의 양을 필요로 하는 것만큼 낮게 유지하기 위해 제한되어야만 하는데, 그 낮다는 것은, 예를 들면, 1:100을 넘는 또는 심지어 1:1000을 넘는 이미지 콘트라스트가 획득될 수 있다는 것을 의미한다.
도 10은 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 평면과 미러 세그먼트를 포함하는 SLM의 진입면 사이에서 사용되는 투명 기판의 두께(d)의 실용적인 범위를 도시하는데, 그 실용적인 범위는 추가적인 아포다이제이션 프로파일과 함께 제공될 수 있다. 두께(d)의 범위는 복소 값 픽셀의 피치(
Figure 112016074546052-pct00003
)에 의존한다. SLM의 이차원(2D) 인코딩의 경우, 최소 피치는 최대 두께(d)를 정의하기 위해 사용되어야 한다. SLM의 조명에 대해 사용되는 각도 범위는, 여러 LC 모드에 대해 그리고 예를 들면 ECB 모드에 대해 수용가능한 25도로 제한된다. 따라서, 도 10의 도면의 좌하(lower left) 부분은, 각도 범위가 25도보다 더 크기 때문에, 이 범위가 실용적이지 않다는 것을 표시하기 위해 잘려져 있다. 이 부분은 하얗게 도시된다. 도면의 우측 상의 다른 잘려진 부분은, 복소 값 픽셀의 피치(
Figure 112016074546052-pct00004
)의 10배를 초과하는 전파 거리에 의해 정의된다. 픽셀 피치 10배의 이 제한은, 광학적 근접장(optical near field)을 고려한 시뮬레이션의 결과이다.
SLM의 진입면에서 발생하는 회절은, 진입면 뒤에 배치되는 SLM의 픽셀 평면 내에서 픽셀간 누화를 야기할 것이다. 사용되는 파장 길이가 더 길고 픽셀 어퍼쳐가 더 작을수록, 픽셀 평면 내에 존재하는 누화는 더 커진다. 따라서, 상기 언급된 두 개의 구조화된 평면 사이에서 도입될 수 있는 전파 거리는 제한되어야 한다. 시뮬레이션은 픽셀 피치의 10의 제한으로 귀결되었다. 이것은, 이 값보다 더 큰 픽셀 피치의 값이 도 10에서 잘려진 이유이다.
상기 언급된 시뮬레이션의 경우, 편광 관리는 고려되지 않았다. 그러나, 편광 관리로 인해, 누화를 도입하는 SLM의 진입면에서의 회절은 디스플레이 디바이스에서 뒤이어 차단된다. 따라서, 인접 픽셀 사이에 존재할 수 있는 누화는 감소된다. 이것은, 편광 관리로 인해 더 큰 두께 범위가 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
이것은 도 10 및 도 11 사이의 차이를 정의한다. 도 11에서 도시되는 바와 같이, SLM의 조명을 위해 사용되는 각도 범위는, 여러 LC 모드에 대해 수용가능한 25도로 또한 제한된다. 따라서, 도 11의 도면의 좌하 부분도 역시 잘려져 있다. 이것은, 조명 유닛으로부터 유래하는 그리고 SLM 상에 입사하는 광의 진입 각도와 관련하여 비실용적인 범위를 정의한다. 도면의 우측 상의 다른 잘려진 부분은 복소 값 픽셀의 피치(
Figure 112016074546052-pct00005
)의 15배를 초과하는 전파 거리에 의해 정의된다.
따라서, 투명 기판 두께(d) 또는 커버 기판/유리 두께(d)가 편광 관리로 인해 증가될 수 있는 것은 유익하다.
광의 전파에서 봤을 때 주소지정가능한 투과층의 상부 상에 제공되는 그리고 SLM의 진입면의 미러 세그먼트를 포함하는 커버 유리의 두께 변동에 기인하는 단일의 파장 세그먼트의 횡방향 시프트는, 증가된 두께(d)가 사용될 수 있으면 덜 중대하다. 이것은, 두께(d) 대 두께 공차(Δd)의 관계(d/Δd)에 기인한다. 예를 들면, 100 ㎛ 기판 두께에 대해 총 ±2 ㎛의 두께 변동을 실현하는 것은, 50 ㎛ 기판 두께에 대해 총 ±1 ㎛의 두께 변동을 실현하는 것보다 제조 비용의 관점에서 비용이 덜 든다.
도 10 및 도 11에서 도시되는 바와 같이, 컴포넌트의 수가 감소되는 방식으로 사용될 수 있는 LC 모드가 바람직하다. 따라서, 하나의 옵션은, 예를 들면, 투과 타입 복소 값 평면내 SLM의 진입면 내에서 사용되는 구조화된 위상지연을 방지하는 것이다. 이것은 또한, 위상을 오히려 제어가능한 방식으로 변경하기 위해 사용되는 픽셀 또는 위상 시프팅에 의해 도입될 수 있는 편광의 상태의 변경이, 진폭을 최종적으로 변조하기 위해 사용되는 제2 진폭 변조 픽셀에 의해 보상될 수 있다는 것을 의미하는데, 진폭을 최종적으로 변조한다는 것은, 예를 들면, SLM 뒤의 빔 경로에서 뒤이어 사용되는 편광 필터와 함께 한다는 것을 의미한다.
이것은, 바람직하게는, 진폭(a)을 변경하지 않는 또는 편광 상태를 변경하지 않는 위상 시프트(
Figure 112016074546052-pct00006
)를 사용하는 것에 의해 행해지는 복소 값 변조가, 다르게는, 복소 값 변조를 편광의 상태의 변경 및 위상 시프트의 결합으로서 제공하는 픽셀을 사용하는 것에 의해 또한 실현될 수 있다는 것을 의미하는데, 복소 값 변조는 최종적으로는 진폭의 변조로 나타나게 된다.
복소 값(c)을 제공하는 유익한 방식은
Figure 112016074546052-pct00007
인데, 여기서 a는 진폭이고
Figure 112016074546052-pct00008
는 위상이다. 이것은, 진폭 값을 변경하지 않는 제1 위상 변조 픽셀 및 위상 값을 변경하지 않는 제2 진폭 변조 픽셀을 사용하는 것을 의미한다. 이 상황에서, 진폭 값은 진폭 변조 픽셀로 전달되어야 하고 위상 값은 위상 변조 픽셀로 전달되어야 한다.
대안적으로, 복소 값을 결합으로서만 실현하는 픽셀 실시형태 및 관련 LC 모드를 사용하는 것도 또한 가능하다. 이것은, 예를 들면, 복소 값 픽셀의 출사면의, 예들 들면, 진폭만을 또는 예를 들면, 위상만을 변경하기 위해, 양자의 픽셀의 상태가 변경되어야 한다는 것을 의미한다. 이 상황에서, 최종적으로 복소 값 픽셀을 형성하는 두 픽셀로 전달되어야 하는 전기적 제어 신호를 획득하기 위해서, 진폭 값 및 위상 값은 룩업 테이블(look-up table; LUT)로 전달될 수 있다.
도 12a 및 도 12b에서는, 디스플레이 패널 내에서 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 횡방향으로 결합하기 위해 대안적인 SLM 구성을 사용하는 한 실시형태가 설명된다. 그러나, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀은 동일 평면 내에서 제공되는 것이 아니라 횡방향으로 배열되며 복소 값 픽셀을 형성하여, 그렇게 형성된 복소 값 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템) 기반의 SLM을 형성한다. 이 MEMS 기반의 SLM은, 서로에 대해 약간 변위된 다수의 미러 엘리먼트를 구비하는 MEMS 어레이를 포함한다. 위상 변조 픽셀(p)은, 반사 표면(reflection surface; RS)을 포함하는 반사면(RP)을 구비하는 피스톤 미러 엘리먼트(PME) 및 도 12b에서 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같은 방향에서 피스톤 미러 엘리먼트(piston mirror element; PME)를 이동시키기 위한 액추에이터(A)를 사용하는 것에 의해 실현된다. 진폭 변조 픽셀(a)은, 고정되며 액추에이터(A)에 의해 제어될 수 있는 미러 엘리먼트(ME)를 사용하는 것에 의해 실현된다. 미러 엘리먼트(ME)는, 피스톤 미러 엘리먼트(PME)의 반사 표면(RS)와 마주보는 반사 표면(RS)을 갖는다. 또한, 미러 엘리먼트(ME) 및 그에 따라 반사 표면(RS)을 액추에이터(A)에 의해 제어하는 것에 의해, 반사 표면(RS)은, 입사광인 미리 결정된 방향으로 지향되도록, 그 형태가 변경될 수 있다. 따라서, 반사 표면은 도 12a에서 도시되는 바와 같은 OFF 상태에서의 충분히 평면인 표면으로부터, 도 12b에서 도시되는 바와 같은 ON 상태에서의 곡선의 면, 예를 들면, 볼록 또는 오목면으로 변경될 수 있다. 피스톤 미러 엘리먼트(PME) 및 미러 엘리먼트(ME)는 단지 단순화된 방식으로 도시된다.
도 12a는 OFF 상태에 있는 복소 값 픽셀을 도시하고, 한편, 도 12b에서는, 복소 값 픽셀이 ON 상태에 있다. OFF 상태에서, 광은 먼저 미러 엘리먼트(ME) 형태의 진폭 변조 픽셀(a)로 지향된다. OFF 상태에서는, 미러 엘리먼트(ME)가 액추에이터(A)에 의해 제어되지 않기 때문에, 입사광은 도 12a에서 이중 화살표(double arrow)에 의해 도시되는 바와 같이 자신의 입사 방향을 향해 되반사된다. ON 상태에서, 미러 엘리먼트(ME)는 액추에이터(A)에 전압을 인가하는 것에 의해 제어되는데, 이 경우, 반사 표면(RS)은, 미러 엘리먼트(ME)에 입사하는 광이 그 강도가 변조되도록 그리고 그 다음 광의 위상을 변조하기 위한 피스톤 미러 엘리먼트(PME)로 지향되도록, 변경된다. 그 다음, 동위상 및 동일 진폭의 변조된 광은, 예를 들면, 광을 유저 공간으로 집광시키기 위한 도 8 또는 도 9에서 도시되는 바와 같은 필드 렌즈(도 12b에서는 도시되지 않음)로 지향된다.
도 12a 및 도 12b는 일반적인 실시형태만을 도시한다. 피스톤 타입 미러(PME)는 위상 변조의 직접적이고 간단한 구현을 위해 사용된다. 경사를 제공하는 미러 엘리먼트(ME)는, 도 12b에서 도시되는 바와 같은 빔 경로에서 후속하여 이어지는 구경 조리개(aperture stop; AS)로부터 멀어지게 파장 세그먼트를 경사지게 하는 것에 의해 진폭의 간접적인 변조를 제공한다. 광이 유저 공간 안으로 더 전파하는 것을 방지할 수 있는 이 구경 조리개(AS)는, SLM의 출사 구경 조리개의 어레이에 의해 형성될 수 있다. SLM에 의해 제공되는 복소 값 픽셀의 출사 구경 조리개의 비대칭 강도 분포가 존재하는 경우, 홀로그램 인코딩의 프로세스 동안 교정(correction)이 고려될 수 있다.
도 13에서는, 본 발명의 디스플레이 디바이스의 다른 실시형태가 도시된다. 이 실시형태에서, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 결합하는 SLM은 상이한 개개의 제어가능한 방향을 따라 조명된다. 이것은, 예를 들면, 요구에 따라 ON 또는 OFF 스위칭될 수 있는 네 개의 상이한 진입 각도를 따라 SLM을 조명하는 것을 의미한다. 이것은 도 13에서 일반적인 방식으로 도시된다.
여기서는 단순화된 방식으로만 도시되는 SLM은, 여러 별개의 방향을 따라 조명되면 복소 값 변조를 제공하기 위해 배열된다. 도 13은, 두 방향인 D1 및 D2에서 조명되는 SLM을 도시한다. SLM은, 예를 들면, 도 6, 도 7, 도 8 및 도 9에서 설명되는 바와 같은 SLM일 수 있다. 여기서는 도시되지 않는 조명 유닛은, SLM을 조명하는 상이한 출사 각도의 광을 제공한다.
SLM 뒤에는, 상이한 필드 렌즈 기능을 포함하는 다중화된 부피 격자가 제공될 수 있다. 이것은, 예를 들면, 필드 렌즈 기능1 및 필드 렌즈 기능2일 수 있다. 필드 렌즈 기능1은 +10도의 초점의 횡방향 오프셋을 가질 수 있고 제2 필드 렌즈 기능2는 -10의 초점의 횡방향 오프셋을 가질 수 있다. 따라서, 추적 범위는 이 대략적인 추적에 의해 증가될 수 있다. 따라서, SLM의 광 출사 각도는 여러 별개의 필드 렌즈 지오메트리에 적응된다.
도 14는 평면파의 각도 스펙트럼에 관련되는데, 여기서는, 단지 하나의 예만이 설명된다. 도 14의 그래프는, 격자의 설계 입사 각도인 설계된 브래그 각도에 대한 차이에 의존하여, n0=1.5의 굴절률의 평균 값을 갖는 매체 내에서 -41.55도/0도인, 공기 중에서 84.26도/PMMA에서 0도의 회절의 지오매트리를 실현하는 브래그 회절 기반의 부피 격자의 회절 효율성을 도시한다. 사용되는 부피 격자의 두께는 dHOE = 16 ㎛이다.
1/60도까지인 평면파의 각도 스펙트럼은, 유저의 눈까지의 거리의 절반인 디스플레이 디바이스로부터의 거리까지 고선명 뷰잉(HD)을 제공하기 위해, (홀로그래픽 디스플레이 디바이스에서) 조명의 코히어런트 방향을 따라 사용될 수 있다.
뷰잉 윈도우 기반의 홀로그래픽 삼차원(3D) 디스플레이 디바이스를 추적하는 작동 원리가 이해되면, 이것은, 점광원 대신 확장 광원을 사용하는 것 및 모노 모드 광섬유를 필요로 하지 않는 것을 또한 의미한다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 1보다 상당히 더 큰 소위 빔 품질 인자 M2를 갖는 레이저 광원이 사용될 수 있다. 상호 코히어런스의 고도의 절대 값(
Figure 112016074546052-pct00009
)을 추가할 점광원을 사용하는 것은, 본원에서 설명되는 이 실시형태에서는 의미가 없다.
디스플레이 디바이스에서의 인코히어런트 방향(incoherent direction)은 스윗 스팟(sweet spot)에 걸치기 위해 예를 들면 0.5도 최대 1도까지를 사용할 수 있다. 빔을 열 배로 신장하는 것은, 예를 들면, 브래그 회절에 기초하는 부피 격자에 의해 제공될 수 있다. 또한, 표면 기복 격자 또는 편광 격자가 이것에 대해 사용될 수 있다. 평면파의 각도 스펙트럼은 평면파의 인코히어런트 중첩으로서 제공되어야 한다. 이것은, 평면파의 각도 스펙트럼이 물리적으로 무엇인가 하는 것이다. 그리고 이것은, 파면의 곡률 또는 파장 세그먼트가 여기서는 문제가 되지 않는다는 것을 의미한다.
여기서의 이점은, 평면파의 각도 스펙트럼이, 적어도 한 방향을 따른 동적 산란 및 적어도 한 방향을 따른 정적 확장 산란의 결합으로서 제공될 수 있다는 것이다. 그러나, 평면파의 각도 스펙트럼은 정적 산란 함수만으로 규정될 수 없다. 이것은 여기서는 아무 의미도 없을 것이다.
예를 들면, (백라이트) 조명 유닛 내에서 10배의 빔 신장을 제공하는 부피 격자는, 필요로 하는 것보다 더 작은 각도 수용성을 가질 수 있다. 이것은, 일차원 인코딩의 경우, 각도 수용성이 코히어런트 방향에 대해 1/60도 미만이어야 하고 인코히어런트 방향에 대해 0.5도 최대 1도 미만이어야 한다는 것을 의미한다. 이 경우, 주 조명은, 부피 격자에 의해 수용되는 평면파의 각도 스펙트럼을 제공할 수 있다. 예를 들면, 도 14를 참조하면, PMMA에서 41.554도/0도인, 공기 중에서 -84.26도로부터 PMMA에서 0도로의 지오메트리를 실현하는 dHOE = 16 ㎛의 두께를 갖는 부피 격자가,
Figure 112016074546052-pct00010
의 회절 효율성을 가지고 ±0.2도(PMMA에서) 회절한다. 공기 중에서, (41.554 ± 0.2)도(PMMA)의 이 범위는 (82.33 내지 87.31)도(공기)로 변환된다. 이 범위는, 유전체 반사방지 스택을 사용하는 것에 의해 낮은 손실을 가지고 굴절될 수 있는데, 이 각도 범위가 90% 이상까지 굴절될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, SLM 뒤에 존재하는 ±0.2도의 평면파의 각도 스펙트럼은 0.81을 초과하는 효율성(1이 100%에 상당함)을 가지고 전달될 수 있다. 3 m의 뷰잉 거리에서, ±0.2도의 평면파의 이 각도 스펙트럼은, 총 18.85 mm이며 필요로 하는 것보다 훨씬 더 큰 ±9.42 mm의 스윗 스팟을 제공한다.
사람 눈의 입사 동공은 2 mm 내지 3.5 mm의 직경을 갖는다. 이것은 TV 애플리케이션의 경우에 특히 고려되어야 한다. 시뮬레이팅된 디스플레이 디바이스의 추적 유닛의 x-y-z 해상도는 대략적으로 ±1 mm이다. 이것은, TV 애플리케이션의 경우, ±0.1도보다 더욱 적은 평면파의 각도 스펙트럼이 충분하다는 것을 의미한다.
그러나, 예를 들면, TV용의 대형 스크린 및 감소된 뷰잉 거리는, 스윗 스팟에 걸치는 평면파의 증가된 각도 스펙트럼을 필요로 할 수 있다. 이 경우, 예를 들면, ±0.2도 또는 ±0.1도인 평면파의 각도 스펙트럼의 동적 부분은, 예를 들면, 추가의 ±0.2도를 더하는 추가적인 정적 또는 동적 일차원(1D) 산란 기능을 추가하는 것에 의해 증가될 수 있다.
순수 일차원 정적 산란은 설명된 실시형태와 관련하여 의미가 없을 수 있다. 그러나, 기본적인 동적 부분과 결합하여, 그것은 몇몇 경우에서 의미를 가질 수 있다. 다시 말하면, 먼저, 제2 또는 보조 정적 회절 기반 부분을 사용하는 것에 의해 확장되는 ±0.2도의 기본적인 동적 부분을 사용하는 것에 의해, ±0.4도의 평면파의 각도 스펙트럼이 생성될 수 있다.
그러나, 정적 회절 엘리먼트 또는 심지어 동적 산란 엘리먼트의 사용 없이도, 예를 들면, ±0.4도의 평면파의 증가된 각도 스펙트럼을 제공하기 위해, 예를 들면, 도 4 내에서 도시되는 바와 같은 쐐기 조명 유닛이 약간 수정될 수 있다. 제1의 작은 스트립식(striped) 부피 격자(도 4의 VG1)는, 예를 들면 단지 7배인 감소된 빔 신장률에서 작동하기 위해 변경될 수 있다. 따라서, 예를 들면, TV 디스플레이 디바이스에서 사용되는 것을 의미하는, 일차원 서브 홀로그램 인코딩의 요건을 만족하는 평면파의 더 넓은 각도 스펙트럼이, 제1 브래그 회절 기반 부피 격자(VG1)를 통해 전달될 수 있다. 제2 부피 격자(VG2)(도 4의 VG2)는 10배 또는 20배 빔 신장률에서 여전히 작동할 수 있다. 이 예의 경우, 수직 디스플레이 방향을 따른 SLM의 일차원(1D) 서브 홀로그램 인코딩이 제공된다.
하기에서는, 평면내 복소 값 공간 광 변조기(SLM)에 대한 조명 유닛이 설명된다.
편광의 상태의 복굴절 기반의 변경에서 사용되는 최신 기술의 SLM은, 예를 들면, 10000:1의 높은 이미지 콘트라스트를 상실하지 않으면서 ±10도의 범위를 상당히 초과하는 평면파의 각도 스펙트럼과 작동할 수 있다. 다시 말하면, 평면파의 확장된 각도 스펙트럼이 존재하더라도, 정확한 진폭 값이 획득될 수 있다.
정확한 위상 값을 획득하기 위해, 평면파의 적당히 작은 각도 스펙트럼, 예를 들면, 1/60도가 사용되어야 한다. 유저 공간 내에서 전파하는 평면파의 각도 스펙트럼이 1/60도(±1/120도) 이하인 한, 웨이브 필드는 고선명 표준(HD)을 만족하는 삼차원(3D) 홀로그래픽 이미지를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
바람직한 조명 유닛, 특히 백라이트 조명 유닛이 도 15를 참조로 설명된다.
백라이트 조명 유닛의 빔 신장률은 M(광학 시스템의 배율에 대해 사용됨)이거나 또는 M_x 및 M_y이고, 빔 신장률의 역수 값(reciprocal value)인 평면파의 각도 스펙트럼의 변경을 정의한다. 따라서, ±1/120도 이하의 자신의 출사면에서 평면파의 각도 스펙트럼 및 M_x = M_y = 10의 빔 신장률을 제공해야 하는 백라이트 조명 유닛은 ±1/12도 이하의 평면파의 각도 스펙트럼을 가지고 조명될 수 있다.
이것은, 예를 들면, 수직 패럴랙스만을 위한 수직 방향일 수 있거나 또는 이차원 인코딩이 사용되면 수평 및 수직 방향일 수 있는 인코딩의 코히어런트 방향에 대해 적용된다. 인코히어런트 방향은, 예를 들면 ±0.35도 또는 TV 애플리케이션의 경우 ±(0.1-0.2)도의 더욱 작은 값인, 필요로 하는 스윗 스팟에 걸치는 평면파의 훨씬 더 넓은 각도 스펙트럼과 작동할 수 있다.
편광 유지 모노 모드 광섬유 및 빔 품질 인자로도 또한 칭해지는 1과 가까운 빔 성형 파라미터 M2의 사용을 방지하는 것이 유익하다. 빔 품질을 정의하기 위한 심볼은 M2이다. 1과 가까운 값은, 이론적 최적치인 M2=1을 정의하는 가우스 빔에 가까운 빔을 나타낸다. 광을 모노 모드 광섬유에 충분한 방식으로 커플링하기 위해서는, 1과 가까운 M2가 필요로 한다. 이것은, TE00-가우스 모드 내에서 전파하지 않는 광은 모노 모드 광섬유 내에서 가이드되지 않을 것이다는 사실에 기인한다. 증가된 빔 파라미터 제품(M2)은 감소된 커플링 효율성으로 나타난다.
확장 광원의 사용에 의해, M2>1.2의 빔 파라미터는 실용적이다. 단색성이며 광원의 영역 내에서 존재하는 동적 랜덤화된 위상 변조를 나타내는 확장 광원이 사용될 수 있다. 실용적인 실시형태는, 이동된 산란판이, 동적이며 랜덤화된 위상 변조를 제공하는 것, 및, 예를 들면, 시준 유닛 및 최종적으로는 전체 공간 광 변조기(SLM)를 조명하기 위해 사용되는 적응된 강도 분포의 형성하는 것이다.
도 15는 홀로그래픽 일차원(1D) 또는 이차원(2D) 인코딩된 삼차원(3D) 디스플레이 내에서 사용될 수 있는 시준 유닛의 컴팩트 셋업의 셋업을 도시한다.
주 컬러 RGB(레드, 그린, 블루)는, 예를 들면 수 cm2 내에서 1W의 광출력을 실현하는 컴팩트 레이저 모듈을 갖는 광원으로서의 광원(LS)에 의해 규정될 수 있다.
본 설명 내에서는, 광원을 사람 눈의 입사 동공의 면 안으로 이미지화하는 홀로그래픽 디스플레이가 제공된다. 이차원(2D) 인코딩의 경우, 예를 들면, 0.5 mm 내지 2 mm 내의 직경을 갖는 초기 빔의 둥근 형상이 바람직하다.
예를 들면, 조명 모듈/광원(LS)의 시준 렌즈(collimating lens; COL) 뒤에, 편광 필터/분석기가 제공될 수 있다. 편광 필터로서 흡수 타입 와이어 그리드 편광기가 바람직하다. 흡수 와이어 그리드 편광기는, 표준 와이어 그리드 편광기에 추가적인 산화 프로세스를 적용하는 것에 의해 실현된다. TE/TM>1000:1의 편광 비율을 실현하는 레이저 모듈은 이용가능한 표준 컴포넌트이다. 편광 필터는 필수 컴포넌트가 아니다.
미러와 같은 반사 엘리먼트(M)는, 관련 컬러에 대해 그리고 별개의 빔 직경에 대해 최적화되는 공학적으로 설계된 확산기(engineered diffuser)(ED-R, ED-G 및 ED-B)로서 형성되는 제어 위상 랜덤화 엘리먼트(controlled phase randomizing element) 상으로 주 빔(RGB)을 지향시키기 위해 사용된다. 공학적으로 설계된 확산기(ED-R, ED-G 및 ED-B)는, 최종적으로는 사람 눈의 입사 동공의 면 상으로 이미지화된다는 의미에서 광원 면(light source plane)으로서 작용하는 세 개의 면 상에 있다. 공학적으로 설계된 확산기(ED-R, ED-G 및 ED-B)의 위상 프로파일은, 시준 렌즈(COL)의 초점 거리에서 플랫 탑 강도 분포를 생성한다. 따라서, 시준 렌즈(COL)는, 동질적인 광 강도 분포로 조명된다. 세 개의 최적화된 공학적으로 설계된 확산기(ED-R, ED-G 및 ED-B)를 사용하는 것에 의해, 각각의 컬러 RGB에 대해 최적의 결과가 분리된 방식에서 획득될 수 있다.
공학적으로 설계된 확산기(ED-R, ED-G 및 ED-B)를 사용하는 것에 의해, 복수의 상이한 위상 값이 공간 랜덤화된 분포로 제공될 수 있다. 따라서, 적당히 빠른 동적 위상 랜덤화가 제공된다. 즉, 모든 프레임에 대해, 복수의 상이한 랜덤화 위상 분포가 사용된다. UV 경화성 접착제를 사용하는 것에 의해, 예를 들면, 16개의 상이한 위상 레벨을 갖는 마스터가 복제될 수 있다. 이것은 저비용의 표준 프로세스이다.
공간적 랜덤화 형상을 사용하여 동적 이동식 모드(dynamic moved mode)에서 플랫 탑 빔 성형을 제공하는 공학적으로 설계된 확산기(ED-R, ED-G 및 ED-B) 또는 위상 랜덤화 엘리먼트로서, 이진 위상판이 또한 대안적으로 사용될 수 있다. 이들 타입의 공학적으로 설계된 확산기는 이용가능한 표준 컴포넌트이다. 여러 회사가 커스텀화된 기능성을 제공하는데, 커스텀화된 기능성은, 별개의 요건에 대해 파라미터를 조정하고 그에 따라 광출력의 유의한 양의 손실 없이 최적화된 강도 분포를 얻게 되는 것을 의미한다.
브래그 회절 기반의 부피 격자 필름 또는 세 개의 지오메트리를 제공하는 단일의 다중화된 브래그 회절 기반의 부피 격자 필름을 사용하는 것에 의해, 더 진보된 위상 랜덤화 엘리먼트가 실현될 수 있다. 이 위상 랜덤화 엘리먼트는, 예를 들면, (30 또는 45)도의 입사각 및 수직 출사 각도에서 작동하는, 예를 들면, 반사 홀로그램으로서 또는 투과 홀로그램으로서 실현될 수 있다. 다중화된 격자는 개별적으로 분리된 방식에서 각각의 컬러에 대한 최적화를 가능하게 하고, 단일의 PZT(압전) 엘리먼트와 함께 작동할 수 있는 하나의 포일만의 셋업(단일 포일에서의 브래그 부피 격자)을 가능하게 한다.
스위칭 온되면 진동을 인가하는 것에 의해 CCD 또는 CMOS 이미징 칩의 앞에서의 먼지 제거를 제공하기 위해, 프레임을 포함하는 포일 이동 PZT 엘리먼트(foil moving PZT element)가 상업적 카메라에서 사용된다. 10 ㎛를 초과하는 구조체 사이즈가 사용될 수 있는데, 공학적으로 설계된 확산기/동적 위상 랜덤화 엘리먼트에 대해, 0.5 mm 범위 이하에서의 횡방향 동적 움직임이 충분할 수 있다는 것을 의미한다. 위상 오프셋을 갖는 두 개의 PZT 엘리먼트의 사용에 의해, 회전 및 리사주 도형(Lissajous figure)이 실현될 수 있다.
조정을 위해 사용되는 도 15의 미러 또는 반사 엘리먼트(M)는, 시준 유닛의 광학 축과 관련하여 작은 각도 오프셋을 제공한다. 이것은, 예를 들면, 백라이트 조명 유닛 내에서 사용되는 브래그 회절 기반 부피 격자 중에서 존재할 수 있는 작은 각도의 오프셋을 보상하기 위해 사용될 수 있다. 백라이트 장치는, 예를 들면, 10배 내지 15배의 제1 수평 빔 신장을 도입하는 제1 부피 격자 스트립 및 수직 방향을 따라 예를 들면 10배 내지 15배의 제2 빔 신장을 실현하는 제2 디스플레이 사이즈의 부피 격자를 사용하는 예를 들면 이중 접이식 쐐기 구성(two-fold wedge configuration)이다.
미러 조정에 의해 행해질 수 있는, 공학적으로 설계된 확산기(ED-R, ED-G 및 ED-B)에 배치되는 광 스팟의 시프트는, 각각의 주 컬러 RGB에 대한 평균 출력 각도를 변경시킨다. 압전 병진 엘리먼트(PZT-R, PZT-G 및 PZT-B)는, 예를 들면, 20 kHz 이상의 주파수에서 공학적으로 설계된 확산기(ED-R, ED-G 및 ED-B)의 횡방향 움직임을 제공한다. 따라서, 사람 눈에 영향을 주는 각각의 프레임 내에서 동적 위상 랜덤화가 보장된다. 디스플레이 디바이스에 의해 유저의 한 쪽 눈으로 디스플레이되는, 눈에 입사하는 단일 컬러의 단일 프레임인 단일 프레임의 광은 예를 들면, 1 ms 내지 5 ms의 시간 프레임만을 가질 수 있다. 따라서, 광원면의 동적 위상 랜덤화는 적당히 빨라야 한다.
시준 렌즈(COL)의 초점면 앞에 제공되는 백색 광원을 생성하기 위해, 두 개의 이색성 코팅을 갖는 컬러 빔 결합 프리즘의 형태의 컬러 빔 결합 엘리먼트(colour beam combining element; CBC)가 사용된다. 예를 들면, 소위 필립스 타입 컬러 결합 프리즘 장치와 같은, 유효 어퍼쳐 내에 세그먼트화를 갖지 않는 프리즘 타입이 바람직하다. 유효 어퍼쳐의 상이한 부분 사이에 존재하는 임의적인 위상 단차로 인해, 홀로그래픽 디스플레이 디바이스 내에서 X 큐브는 바람직하지 않다.
두 개의 방향을 따라 왜상의 10배 배율을 제공하는 백라이트 조명 유닛은, SLM을 조명할 조명 유닛의 진입면에 존재하는 1/6도의 평면파의 각도 스펙트럼을 1/60도로 변경시킨다.
초점 거리 f_c를 갖는 시준 렌즈를 사용하는 것은, d_LS = f_c * tan(1/6도)의 직경을 갖는 둥근 광원의 사용을 가능하게 한다. 따라서, f=400 mm는, SLM을 조명할 1/60도의 평면파의 각도 스펙트럼을 실현하면서, d_LS=1.16 mm를 사용하는 것을 허용한다. SLM에서의 서브 홀로그램의 두 개의 이차원(2D) 인코딩은 광원의 대칭적 형상을 필요로 한다.
SLM을 조명하는 데 필요한 공간적 코히어런스의 최대 횡방향 치수는, 재구성된 물점의 z 위치(SLM에 대한 물점)의 최대 정의(positive) 값에 의존한다. 따라서, 최대 z 값을 디스플레이 디바이스 면으로부터 유저까지의 거리의 절반으로 제한하는 것은, 서브 홀로그램의 최대 "유용한" 사이즈를, 유저 평면에서의 회절의 0차와 1차 사이에서 걸치게 되는 뷰잉 윈도우(VW) 이하의 사이즈로 제한하는 것을 의미한다.
서브 홀로그램의 최대 사이즈를 정의하는 동안 고려되어야 하는 사람 눈의 입사 동공의 최대 직경은 dEP=5mm이다. 사람 눈의 입사 동공은 휘도에 의존하고 서브 홀로그램의 사이즈 dEP=5mm는, 휘도가 예를 들면, 10 cd/m2와 같이 수 cd/m2의 범위에 있는 경우에만, 유일하게 획득된다.
SLM 평면 내에서, 공간적 코히어런스의 영역은 SLM에서 인코딩된 서브 홀로그램의 사이즈의 최대치에 의해 정의된다. 이 사이즈는 재구성된 물점의 최대 거리(zmax)에 의존한다. zmax의 최대 거리 = 유저까지의 거리의 1/2배인 경우, 서브 홀로그램의 최대 사이즈(dsub -hologram-max)는 유저 평면에서 제공되는 뷰잉 윈도우의 사이즈와 동일하고 따라서 예를 들면 10 mm이다.
사람 동공의 사이즈(
Figure 112016074546052-pct00011
)는 재구성된 장면의 휘도에 의존한다. 사람 동공의 통상적인 값은, 300 cd/m2의 휘도의 경우
Figure 112016074546052-pct00012
= 2.5 mm이고 30 cd/m2의 휘도의 경우
Figure 112016074546052-pct00013
= 3.5 mm이다. 따라서, dsub -hologram-max = 5 mm의 서브 홀로그램의 최대 사이즈는, 사람 눈의 해상 한계 아래에 있는 물점을 재구성하기에 꽤 충분하다. 따라서, 공간 코히어런스의 영역은 5 mm로 선택될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 5 mm의 서브 홀로그램 사이즈는 충분하다. 그러나, 홀로그래픽 디스플레이 디바이스의 사용되는 표준에 대해 가장 큰 최대 확률을 갖는 30 cd/m2보다 더 큰 휘도를 가지고 제시되는 삼차원(3D) 장면은
Figure 112016074546052-pct00014
= 3.5 mm의 동공을 야기하고 따라서
Figure 112016074546052-pct00015
= 3.5 mm의 공간 코히어런스의 영역과만 작동할 수 있다. 따라서, zmax=디스플레이 디바이스면으로부터 유저까지의 거리의 1/2배의 경우,
Figure 112016074546052-pct00016
= 5 mm의 공간적 코히어런스의 영역은 충분한 것 이상이다.
상세하게는, 중첩되어야 하는 서브 홀로그램의 사이즈를 증가시키는 것에 의해, 계산 비용은 증가된다. 이 함수적 관계는 선형적인 관계보다 더 강하다. 이것은, 10 mm × 10 mm = 100 mm2의 (이차원의) 서브 홀로그램 사이즈의 사용 대신, 5 mm × 5 mm = 25 mm2의 사이즈를 사용하는 것이 계산 비용의 감소로 나타날 것이다는 것을 의미하는데, 그 감소는 4배보다 상당히 더 크다. 둥근 형태의 서브 홀로그램을 사용하는 것은, SLM 평면 내에서 점유되는 사이즈를 또한 감소시키고 따라서 계산적 부하를 또한 감소시킨다.
이차원(2D) 인코딩된 디스플레이 디바이스는, 시준 렌즈(COL)의 앞에서 필요로 하는 광원 사이즈를 제공하는 빔 확장기를 간단히 사용한다.
실험적 시뮬레이션:
두 개의 아크로매틱 렌즈(f1 = 30 mm, f2 = 100 mm)의 1:3.3 이미징 마운트 쌍을 사용하는 것에 의해, dcore = 400 ㎛의 코어 직경 및 NA = 0.22의 개구수(numerical aperture)를 갖는 다중 모드 광섬유의 출사면이, fcoll = 400 mm 및
Figure 112016074546052-pct00017
= 50 mm를 갖는 시준 아크로매틱 렌즈의 전방 초점면 상으로 이미지화되었다. 따라서, 시준될 광원의 사이즈는 1.33 mm이었다. 테스트는 1.33 mm 대신 1.6 mm로 나타났다. 광원면의 개구수(NA)는 NALS = 0.066으로 감소되었는데, 이것은 NAcoll = 0.624인 시준 렌즈의 개구수(NA) 약간 위에 있다.
±1/12도인 1/6도의 평면파의 각도 스펙트럼은, =1.16 mm를 가지고 시준될 광원의 사이즈와 등가이다. 실제 실현되는 사이즈는 약간 너무 컸다. 따라서, 0.9 mm의 직경을 갖는 구경 조리개가 설치되었다. 시준된 웨이브 필드는, 브래그 회절 기반 부피 격자를 사용하는 것에 의해 두 번의 10배 왜상 빔 확대를 실현하는 14인치의 쐐기 타입 백라이트 조명 유닛을 조명하기 위해 사용되었다. 빔 직경의 확대는 평면파의 각도 스펙트럼의 축소(demagnification)를 야기한다. 따라서, ±1/12도인 백라이트 조명 유닛의 앞에서의 평면파의 각도 스펙트럼은, 14인치의 두 개의 패널 위상 +진폭 SLM을 조명하기 위해 사용되었던 ±1/120도의 평면파의 각도 스펙트럼으로 변환된다.
그러나, 재구성은, 0.9 mm(사용될 구경 조리개)의 광원 크기를 이용하여 그리고 펄스화된 레이저 조명의 최적화된 동기화를 사용하는 것에 의해 테스트되었다. 또한, 광원의 광섬유 쉐이킹 타입의 동적으로 랜덤화된 위상 변조(fibre shaking-type dynamically randomized phase modulation)를 실현하기 위해 사용되는 라우드 스피커는 보이스 코일 장치에 의해 대체되었다. 초기 테스트를 위해, 광섬유 쉐이킹에 대해 50 Hz의 주파수 및 구형 펄스 변조(square pulsed modulation)가 사용되었다.
하기의 설명은 공간 광 변조기 디바이스(SLM)에서의 서브 홀로그램의 일차원(1D) 인코딩에 관련된다.
SLM에서 서브 홀로그램의 일차원(1D) 인코딩을 사용하는 것은, 소위 스윗 스팟이 뒤이어 형성되는 방향을 따라 사용되는 조명 유닛의 설계 규칙을 변경하는 것을 의미한다. 유저의 눈의 평면에 존재하는 스윗 스팟은, 수직 방향을 따라 존재하는 코히어런트하게 형성된 뷰잉 윈도우의 사이즈를 초과할 수 없다.
예를 들면, 1 m의 뷰잉 거리에서, 예를 들면 빔의 ±5 mm의 횡방향 편차는, 빔의 예를 들면 ±0.3도의 각도 편차와 등가이고, 3 m의 뷰잉 거리에서의 ±5 mm는 ±0.1도와 등가이다. 이것은, 스윗 스팟에 의해 걸쳐져야 할 각도 범위이다. 따라서, 사용되는 광원의 비대칭적 사이즈는 1 m의 뷰잉 거리에 대해 18:1이고 3 m의 뷰잉 거리에 대해 6:1이다.
라인형 형상을 제공하는 동안 광원의 개구수를 유지하기 위한 하나의 가능성은, 광원으로서, 예를 들면, 진입면 내에서 둥근 또는 심지어 타원 형상으로 적응된 레이저 다이오드를 그리고 출사면에서 라인형 세그먼트를 갖는 광섬유 장치를 사용하는 것이다.
실험적으로 테스트된 예:
광원 장치로서, dcore　= 200 ㎛ 의 코어 직경 및 NA = 0.22의 개구수를 갖는 한 쪽은 둥글고 한 쪽은 선형인(round to linear) 7개의 코어 다중 모드 광섬유가 사용되었다. fcoll _ OAPM = 1 m의 초점 거리 및
Figure 112016074546052-pct00018
= 200 mm의 직경을 갖는 축외 포물경을 사용하는 것에 의해 조명되는 일차원(1D) 인코딩된 컬러 위상 + 진폭 SLM에 대해, 260 ㎛의 광섬유로 나타나는 30 ㎛ 두께의 클래딩 층으로 인해, 라인 세그먼트를 따른 여러 광섬유의 배열체인, 0.2 mm × 1.58 mm의 사이즈를 갖는 광원 라인 세그먼트가 제공된다. 축외 포물경은, 한 쪽은 둥글고 한 쪽은 선형인 광섬유 번들의 개구수가 너무 크다는 것을 의미하는 0.1의 개구수를 가지며, 따라서 에너지의 상당한 손실을 야기할 것이다. 따라서, 광섬유의 출사면의 배율이 필요로 한다. M=2의 배율은 광원의 개구수를 0.11까지 감소시킬 것이고 사이즈를 0.4 mm × 3.16 mm로 신장시킬 것이다. 추가적인 빔 신장을 사용하지 않는 fcoll _ OAPM = 1 m를 사용하는 이 구성 내에서, 1/60도의 평면파의 각도 스펙트럼은 0.29 mm의 광원 확장과 등가이다. 이것은, 공간적으로 코히어런트 방향을 따라 0.29 mm를 초과하지 않는 슬릿형 구경 조리개가 필요로 한다는 것을 의미한다. M=2의 배율을 사용하는 것은, 스윗 스팟 방향을 따라 3.16 mm이며 여전히 역시 약간 작은 광원 사이즈를 제공한다. 그러나, 커스텀 광섬유 번들 장치는 이미 이용가능하다. 따라서, 스윗 스팟 방향은, 예를 들면 8 mm의 사이즈까지 쉽게 신장될 수 있다. 이것은 또한, 사용되는 콜리메이션 유닛의 개구수보다 약간만 더 큰 0.11의 개구수에서 4.11 mm × 0.3 mm의 광원 사이즈를 생성하기 위해서, 예를 들면, 150 ㎛의 코어 직경 및 30 ㎛의 클래딩 층을 갖는 한 쪽은 둥글고 한 쪽은 선형인 번들을 포함하는 23개의 광섬유가 M=2의 배율을 가지고 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
한 쪽은 둥글고 한 쪽은 선형인 번들은, 두 방향을 따라 대략적으로 동일한 개구수를 제공하면서, 예를 들면, 6:1 내지 18:1 또는 심지어 25:1의 애스펙트비를 갖는 라인형 형상의 광원을 제공하도록 커스터마이징될 수도 있다. 원통형 표준 광학 장치 또는 왜상 프리즘 쌍을 바로 사용하는 것은, 라인형 빔 형상을 제공할 수 있지만, 코히어런트 방향을 따라 개구수를 증가시킬 것이고, 개구수 증가는 광출력의 불가피한 손실을 야기할 것이다.
다중 모드의 한 쪽은 둥글고 한 쪽은 선형인 광섬유 번들을 사용하는 것은 유익하다. 라인형 광섬유 어레이의 출사면을 시준 유닛의 전방 초점면 상으로 이미지화하기 위해 소위 4f 셋업이 사용되면, 배율(M)이 1이 아닌 경우 오히려 2f1 + 2f2 셋업인 2f 셋업의 두 렌즈 사이에 편광 재순환(polarization recycling)이 규정될 수 있다.
편광 재순환은, 프로젝터에서 이미 사용되는 소위 편광 빔 스플리터를 사용하는 것에 의해 실현될 수 있다. 편광 빔 스플리터는, 편광 빔 스플리터 스트립과 동일한 피치를 갖는 두 개의 평행 배향된 원통 렌즈 어레이의 망원경형 장치 사이에 배치될 수 있는 편광 빔 스플리터 일차원(1D) 세그먼트 어레이로서 형성된다. 셋업은 다음과 같이 순서가 정해진다: 라인형 광섬유 엔드│f1│아크로매틱 렌즈1│원통 렌즈 어레이1│스트립식 편광 빔 스플리터 어레이│원통 렌즈 어레이2│아크로매틱 렌즈2│f2│콜리메이션 유닛에 시준될 광원면.
편광 빔 스플리터 스트립식 편광 재순환기(polarizing beam splitter striped polarization recycler)에 대한 대안으로서, 두 개의 동일한 원통 렌즈 어레이에 의해 형성되는 망원경형 장치의 중앙에 복굴절판이 제공될 수 있다. 제1 원통 렌즈 어레이는 복굴절판의 진입면에 스트립식 조명 패턴을 생성한다. 복굴절판의 출사면은, π/2 위상지연을 제공하는 스트립식 아크로매틱 리타더를 포함한다. 스트립식의 소위 π/2 또는 λ/4 리타더의 피치는 실린더 렌즈 어레이의 것과 동일하다. 따라서, 복굴절판의 출사면에, 단일의 편광 상태 및 적당히 동질적인 강도 분포가 획득될 수 있다.
편광 재순환 장치는, 라인 광섬유 어레이의 출사면을 시준 유닛의 전방 초점면 상으로 이미지화하기 위해 사용되는 두 개의 아크로매틱 렌즈 중 하나로 시프트된다. 따라서, 세부사항 또는 비동질성 강도 분포는 뒤이어 SLM 평면 상으로 이미지화되지 않는다.
상기에서 설명된 것과 같은 감소된 복잡도의 장치는, 시준 렌즈의 전방 초점면에서 제공되는 공학적으로 설계된 일차원(1D) 산란 엘리먼트를 사용한다. 공학적으로 설계된 확산기로서 형성되는 이 공학적으로 설계된 산란 엘리먼트는, 시준 렌즈가 제공하는 위치에서 라인형 플랫탑 광 분포를 생성한다. 일차원(1D) 라인 생성용의 공학적으로 설계된 확산기의 산락각 및 시준 렌즈의 초점 거리는, 예를 들면 18:1 빔 형상을 제공하는 방식으로 선택된다. 시준 렌즈로 칭해지는 렌즈에 의해 시준될 광원의 평면에서는, 동적 위상 산란 엘리먼트가 사용된다. 시준 렌즈는, 동질적인 강도 분포를 제공하도록 조명받아야 한다. 따라서, 산란 엘리먼트는 적응된 또는 맞춤된 산란 분포를 제공해야 하는데, 적응된 또는 맞춤된 산란 분포는 정의된 방향을 따른 정의된 산란각을 의미한다.
예를 들면, 1 mm의 초기 빔 직경이 제공될 수 있다. fBS = 25 mm의 초점 거리를 갖는 시준 렌즈를 사용하면, 일차원(1D) 라인 생성용의 공학적으로 설계된 확산기는 ±19.8도의 산란각에서 작동해야 하고, 동질적인 광 강도 분포를 제공하는데, 동질적인 광 강도 분포는, 여기에서는, 25 mm의 거리에서 18 mm 폭의 라인이다. 이차원(2D) 인코딩의 경우, 시준될 확장 광원의 평면 내에서 사용되는 각도 산란 기능은 대칭적 산란 기능과 가까울 수 있지만, 일차원(1D) 인코딩의 경우, 그것은 그렇지 않다.
광의 전파에서 봤을 때, 사용된 시준 렌즈 뒤에는, 18 mm × 1 mm의 사이즈를 갖는 라인이 생성되는데, 이것은 시준된 광에 의해 형성된다. 결과적으로, 확장 광원의 동적인 통계적 랜덤화 위상 분포(dynamic statistical randomized phase distribution)를 제공하는 제2 공학적으로 설계된 확산기가 이 시준 렌즈 뒤에 배치된다. 시준 렌즈 뒤에 생성되며 시준될 광원의 동적 위상 랜덤화 평면을 조명하는 라인이 충분히 동질적이지 않으면, 제1 공학적으로 설계된 일차원(1D) 라인 생성용의 확산기는 또한, 적당히 빠른 방식으로 이동되어야 하는데, 이것은, 예를 들면, 20 kHz를 초과하는 범위에서 작동하는 압전 엘리먼트(PZT) 상으로 공학적으로 설계된 일차원(1D) 확산기를 마운팅하는 것에 의해 쉽게 행해질 수 있다. 이것은 각각의 주 컬러 RGB에 대한 조명을 개별적으로 최적화하기 위해 주 광원의 각각에 대해 행해질 수 있다.
실용적인 솔루션은, 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 시준을 실현하는 아크로매틱 렌즈의 앞에 제공되는 컬러 결합 프리즘의 세 개의 RGB 관련 진입면의 앞에 세 개의 라인 생성용 광원을 배열하는 것이다. 편광 재순환은 이 장치 내에서는 필요로 되지 않는다.
그러므로, SLM을 조명하기 위해 사용되는 평면파의 맞춤된 각도 스펙트럼을 제공하기 위해서, 동질적이며 비용 효율적인 장치가 사용될 수 있다.
이하, 공간 광 변조기 디바이스(SLM)의 높은 충전률이 달성될 수 있는 방법을 설명한다.
충전율은, 예를 들면, SLM의 상이한 평면에 대해 빔 성형 기능성을 추가하는 것에 의해 증가될 수 있다. 직접적인 방식은, SLM 패널의 앞에서, SLM 패널 내에서 또는 SLM 패널 뒤에서 3 mm 이하의 mm 범위를 또한 포함하는 SLM 패널의 출사면에서 구면 렌즈, 비구면 렌즈 또는 미러 구조화를 사용하는 것이다.
예시적인 실시형태는, SLM의 앞에서, 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀의 조합에 의해 형성되는 복소 값 픽셀의 피치를 갖는 원통형 렌즈의 어레이 또는 마이크로 렌즈 어레이를 사용하는 것이다. SLM의 진입면의 충전율(FF)은 예를 들면 FF = 0.5일 수 있다. 렌즈 어레이를 사용하지 않고 되반사되거나 흡수되는 광은 SLM의 진입면의 어퍼쳐로 투과될 것이다. 따라서, 이 지점에서, 에너지의 손실은 절반으로 되고 이에 의해 에너지 전달은 증가된다.
초점에 대해, 광은 자신의 발산, 즉 이 경우에서는 SLM의 진입면인 초점면의 뒤에 존재하는 발산을 증가시킨다. 증가된 발산은 복소 값 SLM 내에 존재하는 누화를 증가시킬 것이다. 따라서, 누화를 감소시킬 수 있는 편광 애플리케이션은 유익하다. 예를 들면, 일반적인 복소 값 또는 진폭 타입 아포다이제이션 프로파일을 포함하는 미러면 또는 반사면은 또한, 에너지 전달을 증가시키기 위해, 구면 렌즈 기능을 또는 비구면 위상 기능성을 구비할 수 있다. 그러나, 이것은 제조가능성, 수율 및 비용과 관련하여 너무 큰 복잡도를 추가할 것이다.
다른 방식은, 상기에서 설명된 마이크로 렌즈 어레이에 추가하여, 복소 값 SLM의 출사면 뒤에 제2 마이크로 렌즈 어레이를 사용하는 것이다. 따라서, 에너지 전달은 증가되고 충전률도 역시 증가된다. 더 높은 충전률은, 예를 들면, 0차, +1차_y 및 +1차_x 회절 순서 사이의 영역인 뷰잉 윈도우 외부에 존재하는 광 강도의 증가로 나타날 더 낮은 충전률보다, SLM 패턴의 더 고차의 파필드 회절(far field diffraction)에서 더 적은 에너지를 제공할 것이다. 에너지 전달의 증가 및 유효 충전률의 증가는 서로 관련된다.
하기의 설명은 파필드 캘리브레이션에 관련된다.
원장(far field) 캘리브레이션 프로세스는 홀로그래픽 삼차원(3D) 디스플레이 디바이스에 대해 유익하게 사용될 수 있다. 원장 캘리브레이션은, 주 광원으로부터 유저의 눈의 진입면까지의 광의 경로에서 광에 의해 통과되는 디스플레이 디바이스 내의 모든 컴포넌트의 별개의 기능성을 고려하는 애플리케이션이다. 이것은, 뷰잉 윈도우에 또는 유저의 눈이 있는 장소에 도달하는 광의 진폭 값 및 위상 값을 측정하고 캘리브레이팅하는 것을 의미한다.
결과적으로, SLM의 각각의 단일의 픽셀에 의해 제공되는 뷰잉 윈도우 내에서의 위상 분포 및 진폭 분포가 획득될 수 있다. 디스플레이 디바이스 내의 특성의 대부분이 약간만 변하는 분포를 나타낸다는 사실로 인해, 전체 픽셀 카운트의 예를 들면 1% 이하일 수 있는 대표적인 샘플링 포인트를 선택하는 것은 유익하다.
원장 기반의 캘리브레이션에 대안적으로, 근접장(near field) 캘리브레이션이 역시 사용될 수 있다. 캘리브레이션을 프로세싱하기 위해, 복소 값 SLM의 출사면을 검출기 평면 상으로 이미지화 하는 것도 또한 가능하다. 획득된 결과는, 뷰잉 윈도우의 평면 상으로 수치적으로 전파하는 캘리브레이션 데이터로서 사용될 수 있거나 또는 직접적으로 사용될 수 있다.
위상 분포뿐만 아니라 진폭 분포도 중요하다. 또한, Δx, Δy가 측정될 수 있는데, 이 경우, Δx는 x 방향을 따른 공칭 픽셀 그리드의 횡방향 변위이고 Δy는 y 방향을 따른 공칭 픽셀 그리드의 횡방향 변위이다. 공칭 픽셀 그리드와 관련한 횡방향 편차는 뷰잉 윈도우에 존재하는 부정확한 위상 값을 생성할 것이다.
이들 값은 룩업 테이블(LUT)에 기록될 수 있다. 룩업 테이블에 기록되는 값에 의존하여, 약간의 개개의 위상 오프셋(
Figure 112016074546052-pct00019
)이 도입될 것이다. 이것은, SLM의 공칭 픽셀 그리드의 개개의 횡방향 오프셋(Δx 및 Δy)이, 뷰잉 윈도우 평면에서 생성되어야 하는 위상 값에 대한 영향을 고려하여, 보상될 수 있다는 것을 의미한다.
이론적 삼차원(3D) 홀로그래픽 이미지와 실제 수차가 있는 이미지(aberrated image) 사이의 차이를 감소시키는 방식으로 SLM의 홀로그램 인코딩을 교정하기 위해 사용되는 룩업 테이블 내에 기록되는 교정 데이터를 제공하기 위해서, 원장 캘리브레이션은 이들 국소적 횡방향 오프셋을 고려할 수 있다. 따라서, 순수한 이론적 값 대신, 실제 값이 고려될 수 있다.
마지막으로, 상기에서 설명된 실시형태, 복소 값 공간 광 변조 디바이스의 실시형태, 조명 유닛의 실시형태 및 본 발명의 디스플레이 디바이스의 실시형태는, 청구범위의 교시를 예시하는 것으로 전적으로 이해되어야 하며, 청구범위의 교시는 이들 실시형태로 제한되지 않는다는 것을 주목해야 한다. 실시형태의 조합도 가능하다.

Claims (36)

  1. 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스에 있어서,
    적어도 하나의 층을 포함하는 공간 광 변조기 디바이스(spatial light modulator device)로서, 상기 층은 결합된 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 구비하는 것인, 상기 공간 광 변조기 디바이스,
    상기 공간 광 변조기 디바이스의 조명이 가능한 조명 유닛,
    반사 평면(reflection plane)
    을 포함하고,
    상기 공간 광 변조기 디바이스, 상기 조명 유닛, 및 상기 반사 평면은, 상기 조명 유닛에 의해 방출되어 상기 공간 광 변조기 디바이스로 진입하는 충분히 코히어런트한 광(coherent light)을 생성하도록 배열되며, 상기 광은 상기 공간 광 변조기 디바이스의 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀 둘 다를 통과하고, 상기 광은, 광의 전파 방향에서 봤을 때 상기 위상 변조 픽셀과 상기 진폭 변조 픽셀 사이에 제공되는 상기 반사 평면에 의해 비스듬한 각도(oblique angle)로 반사되고, 상기 반사 평면은 상기 위상 변조 픽셀과 상기 진폭 변조 픽셀을 구비하는 상기 층에 대해 평행한 배치로 있는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기 디바이스의 상기 위상 변조 픽셀 및 상기 진폭 변조 픽셀은 동일 평면 내에서 횡방향으로(laterally) 결합되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기 디바이스의 비스듬한 조명이 제공되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조명 유닛은 전면 광 조명 유닛(front light illumination unit) 또는 백라이트 조명 유닛(backlight illumination unit)으로서 설계되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상 변조 픽셀 및 상기 진폭 변조 픽셀 둘 다를 통과하는 상기 광은 상기 반사 평면에 배열된 미러 시스템에 의해 반사되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미러 시스템은 미러 세그먼트를 포함하는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기 디바이스는 적어도 하나의 투명 기판(transparent substrate)을 포함하고, 상기 투명 기판은, 일측에 상기 위상 변조 픽셀 및 상기 진폭 변조 픽셀을 구비하는 주소지정가능한 투과층(addressable transmissive layer)을 구비하고, 다른 대향측에 상기 반사 평면인 평면을 구비하며, 상기 반사 평면에는 상기 미러 시스템이 배열되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 미러 시스템의 상기 미러 세그먼트는, 각각의 미러 세그먼트가 상기 위상 변조 픽셀 중 일부 및 상기 진폭 변조 픽셀 중 일부 둘 다를 커버하는 방식으로 상기 위상 변조 픽셀 및 상기 진폭 변조 픽셀에 대향하여 배열되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    편광 선택 엘리먼트를 더 포함하고, 상기 편광 선택 엘리먼트는, 상기 광의 전파에서 봤을 때, 상기 공간 광 변조기 디바이스의 광 출사 평면(light exit plane)에서 제공되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 편광 선택 엘리먼트는 편광 분석기 또는 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer)로서 형성되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 위상 변조 픽셀은 반사 수단(reflection means)을 포함하고, 상기 반사 수단은, 상기 광의 전파에서 봤을 때, 상기 위상 변조 픽셀의 백엔드(back end)에서 제공되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 위상 변조 픽셀 및 상기 진폭 변조 픽셀의 평면에서 편광 필터(polarization filter)가 제공되고, 상기 편광 필터는 편광 필터 세그먼트를 포함하는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 편광 필터 세그먼트는 상기 위상 변조 픽셀 및 상기 진폭 변조 픽셀에 할당되고, 인접하는 편광 필터 세그먼트의 편광 배향은 수직한 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 편광 필터 세그먼트는 상기 진폭 변조 픽셀의 광 출사 어퍼쳐에서 제공되는 흡수 타입 편광 필터 세그먼트이거나, 또는 상기 편광 필터 세그먼트는 광의 전파에서 봤을 때 상기 위상 변조 픽셀의 반사성 백엔드에서 제공되는 반사 타입 편광 필터 세그먼트인 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  15. 제1항에 있어서,
    아포다이제이션 필터(apodization filter) 및 위상지연 엘리먼트(retardation element) 중 적어도 하나가 제공되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 반사 평면에 미러 시스템이 배치되고, 상기 아포다이제이션 필터는 상기 반사 평면 내의 상기 미러 시스템 상으로 적용되는 마이크로 렌즈형 구조체이거나 또는 상기 아포다이제이션 필터는 흡수성 합금 조성물 층(absorptive alloy composition layer)인 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  17. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 렌즈 어레이가 제공되고, 상기 렌즈 어레이는, 상기 광의 전파에서 봤을 때, 상기 공간 광 변조기 디바이스의 앞에 제공되고, 상기 조명 유닛에 의해 방출되는 상기 광은 번들화(bundle)되고 상기 공간 광 변조기 디바이스의 진입 어퍼쳐에 진입하는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기 디바이스의 진입 어퍼쳐에는, 상기 광을 집광시키기 위해 렌즈 구조체가 제공되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기 디바이스는 빔 배치 엘리먼트(beam displacing element)를 포함하고, 상기 공간 광 변조기 디바이스의 적어도 하나의 투명 기판은, 상기 위상 변조 픽셀 또는 상기 진폭 변조 픽셀을 통과한 입사광을 시프트하기 위한 상기 빔 배치 엘리먼트로서 설계되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기 디바이스는 상이하고 개별적인 제어가능 방향을 따라 조명되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기 디바이스는, 상기 픽셀을 제어하기 위한 트랜지스터와 함께, 매립된 전극 및 추가적인 트랜지스터를 구비한 클러스터를 포함하는 백플레인(backplane)을 포함하고, 상기 전극 및 상기 추가적인 트랜지스터는, 상기 광의 전파에서 봤을 때, 상기 공간 광 변조기 디바이스의 상기 위상 변조 픽셀의 반사 수단 뒤에 배열되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 디바이스의 이차원 기능성을 생성하기 위해, 발광 디바이스가, 상기 광의 전파에서 봤을 때, 상기 공간 광 변조기 디바이스의 픽셀의 뒤에 제공되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 발광 디바이스는 발광 구역을 구비하는 클러스터로 구성되고, 클러스터는 상기 공간 광 변조기 디바이스의 특정 수의 픽셀을 커버하는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기 디바이스는 액정(liquid crystal) 기반의 공간 광 변조기 디바이스, 마이크로 전자 기계 시스템(micro electro mechanical system) 기반의 공간 광 변조기 디바이스 또는 다수의 퀀텀웰(multiple quantum well) 기반의 공간 광 변조기 디바이스인 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 조명 유닛은, 상기 공간 광 변조기 디바이스를 향하는 상기 조명 유닛으로부터 나온 광을 디커플링하기 위한 적어도 하나의 부피 격자를 포함하는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 조명 유닛은, 후속하는 시준 엘리먼트 상에 입사하는 광의 동질적인 강도 분포를 생성하기 위해, 적어도 하나의 제어 위상 랜덤화 엘리먼트를 포함하는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  27. 제1항에 있어서,
    필드 렌즈(field lens)를 더 포함하고, 상기 필드 렌즈는 적어도 하나의 부피 격자를 포함하는 결합 필드 렌즈(combined field lens)인 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  28. 제1항에 있어서,
    수직 추적 유닛 및 수평 추적 유닛 중 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 수직 추적 유닛 및 상기 수평 추적 유닛 중 상기 적어도 하나는 적어도 하나의 액정 격자를 포함하는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  29. 장면 또는 컨텐츠의 이차원 표현 및 삼차원 표현 중 적어도 하나를 생성하기 위한 디스플레이 디바이스용 공간 광 변조기 디바이스에 있어서,
    위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 포함하고, 상기 공간 광 변조기 디바이스는 제1항에 따른 공간 광 변조기 디바이스에 따라 설계되는 것인, 디스플레이 디바이스용 공간 광 변조기 디바이스.
  30. 제29항에 있어서,
    적어도 하나의 투명 기판, 상기 위상 변조 픽셀 및 상기 진폭 변조 픽셀을 포함하는 주소지정가능한 투과층, 및 반사 평면을 포함하는 것인, 디스플레이 디바이스용 공간 광 변조기 디바이스.
  31. 제1항에 따른 디스플레이 디바이스를 사용하는 것에 의해 홀로그래픽 재구성을 생성하는 방법에 있어서,
    공간 광 변조기 디바이스의 위상 변조 픽셀 및 진폭 변조 픽셀을 충분히 코히어런트한 광을 갖는 조명 유닛으로 조명하는 단계,
    상기 공간 광 변조기 디바이스의 상기 위상 변조 픽셀 및 상기 진폭 변조 픽셀 둘 다를 상기 광이 통과하는 단계, 및
    반사 평면에 의해 상기 광을 반사시키는 단계 - 상기 반사 평면은 상기 위상 변조 픽셀과 상기 진폭 변조 픽셀 둘 사이에서의 광 전파에서 제공됨 -
    를 포함하는, 홀로그래픽 재구성을 생성하는 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    위상 변조 픽셀 상에 입사하는 광은, 상기 광의 전파에서 봤을 때 상기 위상 변조 픽셀의 백엔드(back end)에서 제공되는 반사 수단에 의해 반사되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 생성하는 방법.
  33. 제15항에 있어서,
    상기 아포다이제이션 필터는 패턴화된 아포다이제이션 프로파일 층으로서 설계되고, 상기 위상지연 엘리먼트는 아크로매틱(achromatic) 또는 아포크로매틱(apochromatic) 리타더(retarder) 층으로서 설계되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  34. 제19항에 있어서,
    상기 빔 배치 엘리먼트는 복굴절 엘리먼트로서 설계되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
  35. 제22항에 있어서,
    상기 디스플레이 디바이스의 이차원 기능성을 생성하기 위해, 상기 발광 디바이스가, 상기 광의 전파에서 봤을 때 상기 공간 광 변조기 디바이스의 픽셀의 뒤에, 상기 위상 변조 픽셀의 불투명 영역의 상부 상에 제공되는 것인, 홀로그래픽 재구성을 위한 디스플레이 디바이스.
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