KR102606340B1 - 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents

투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는 릴레이 광학계를 포함하여 공간 광 변조기에서 재생된 홀로그램 영상을 확대 또는 축소하여 전달하며, 노이즈 제거 필터를 포함하여 릴레이 광학계를 통해 전달되는 홀로그램 영상의 회절광에서 노이즈를 제거하며, 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상의 회절광의 광경로와 외부광의 광경로 중 적어도 하나를 변경하는 광경로 변환기를 포함하여, 홀로그램 영상과 외부를 동시에 혹은 선택적으로 볼 수 있다.

Description

투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치{See-through Type holographic display apparatus}
본 개시는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 홀로그램 영상과 외부를 동시에 혹은 선택적으로 볼 수 있는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근 들어 3D 영화가 출시되고 이에 따라 3D 디스플레이에 관련된 기술이 많이 연구 되고 있다. 가령, 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator; SLM)를 이용하여 실시간으로 고화질 홀로그램(hologram)을 구현할 수 있는 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근 가상현실(Virtual Reality; VR)을 구현하기 위한 헤드 장착형 디스플레이(Head Mounted Display; HMD)에 관련 연구 및 관련 제품들이 많이 소개되고 있다. 또한 주요한 업체들에서 VR 기술을 가진 기존 벤처 업체 등을 인수하는 일도 빈번하게 일어나고 있다. 하지만 기존의 VR용 HMD는 스테레오스코프(stereoscopy) 기술에 기반한 기술로 초점과 수렴각의 불일치(Accommodation-Vergence Conflict)에 의한 시각피로 등이 발생한다. 또한 기존의 VR용 HMD는 공간 상호작용(spatial interaction)과 같은 기술과 접목할 경우 많은 문제점을 유발하게 된다.
본 개시는 투시형(See-through) 방식으로 홀로그램 입체영상 구현이 가능한 디스플레이 표시 장치를 제공하고자 한다.
본 개시는 개인용 투시형 방식의 3차원 입체 디스플레이 HMD를 제공하고자 한다.
일 측면에 따르는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 광을 제공하는 광원; 상기 광을 회절시켜 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광 변조기; 상기 공간 광 변조기에서 재생된 홀로그램 영상을 확대 또는 축소하여 전달하는 릴레이 광학계; 상기 릴레이 광학계를 통해 전달되는 홀로그램 영상의 회절광에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 필터; 및 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상의 회절광의 광경로와 외부광의 광경로 중 적어도 하나를 변경하여, 회절광과 외부광을 동일 영역에 전달하는 광경로 변환기;를 포함한다.
일 측면에 따르는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 상기 광원에서 제공된 광을 평행광속으로 변환시키는 콜리메이터를 더 포함할 수 있다.
상기 공간 광 변조기는 진폭변조 공간 광 변조기 또는 위상변조 공간 광 변조기일 수 있다.
상기 릴레이 광학계는 상기 공간 광 변조기에서 변조된 홀로그램 영상이 입사되는 제1 광학소자와, 상기 제1 광학소자의 출사면측 제1 초점 근방에 입사면측 제2 초점을 갖는 제2 광학소자를 포함할 수 있다. 상기 제1 광학소자는 제1 초점거리를 가지며, 상기 제2 광학소자는 상기 제1 초점거리와 다른 제2 초점거리를 가질 수 있다. 상기 노이즈 제거 필터는 상기 제1 광학소자의 출사면측 제1 초점 근방에 배치될 수 있다. 상기 노이즈 제거 필터는 조리개일 수 있다.
일 측면에 따르는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상을 집속하는 필드 광학소자를 더 포함할 수 있다.
상기 필드 광학소자는 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면의 근방에 위치할 수 있다.
또는 상기 필드 광학소자는 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면이 상기 필드 광학소자의 입사면측 초점 위치와 상기 필드 광학소자의 입사면 사이에 위치하도록 배치될 수 있다. 달리 말하면, 상기 필드 광학소자는 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면을 정립 허상으로 재결상하도록 배치될 수 있다.
상기 필드 광학소자는 상기 광경로 변환기에 인접하여 배치될 수 있다. 상기 릴레이 광학계와 상기 필드 광학소자 사이의 거리를 변경하여 상기 릴레이 광학계에서 전달되는 홀로그램 영상의 크기를 조절할 수 있다.
상기 광경로 변환기는 상기 릴레이 광학계에서 전달되는 홀로그램 영상의 회절광이 입사되는 제1 면과, 외부광이 입사되는 제2 면과, 상기 제2 면에 대향되는 제3 면과, 내부에 위치하며 상기 제1 면에서 입사되는 홀로그램 영상의 회절광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 반사시키고 상기 제2 면에서 입사되는 외부광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 투과시키는 빔분리막을 포함하는 빔스플리터이며, 상기 필드 광학소자는 상기 광경로 변환기의 상기 제1 면에 인접하여 배치되는 필드 렌즈일 수 있다.
상기 광경로 변환기는 상기 릴레이 광학계에서 전달되는 홀로그램 영상의 회절광이 입사되는 제1 면과, 외부광이 입사되는 제2 면과, 상기 제2 면에 대향되는 제3 면과, 상기 제1 면에 대향되는 제4 면과, 내부에 위치하며 상기 제1 면에서 입사되는 홀로그램 영상의 회절광의 적어도 일부를 상기 제4 면으로 투과시키고 상기 제2 면에서 재입사되는 홀로그램 영상의 회절광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 반사시키며 상기 제2 면에서 입사되는 외부광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 투과시키는 빔분리막을 포함하는 빔스플리터이며, 상기 필드 광학소자는 상기 광경로 변환기의 상기 제4 면에 인접하여 배치되는 오목 반사경일 수도 있다.
상기 광경로 변환기는 하프미러이며, 상기 필드 광학소자는 상기 릴레이 광학계와 상기 광경로 변환기 사이에 위치하며 상기 광경로 변환기에 인접하여 배치되는 필드 렌즈일 수 있다.
상기 광경로 변환기는 상기 릴레이 광학계에서 전달되는 홀로그램 영상의 회절광이 입사되는 제1 면과, 외부광이 입사되는 제2 면과, 상기 제2 면에 대향되는 제3 면과, 내부에 위치하며 상기 제1 면에서 입사되는 홀로그램 영상의 회절광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 반사시키고 상기 제2 면에서 입사되는 외부광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 투과시키는 빔분리막을 포함하는 빔스플리터이며, 상기 빔분리막은, 상기 제1 면에 대해 오목한 곡면 형상을 가져, 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상을 상기 제3 면으로 반사시키면서 집속할 수 있다. 여기서 빔분리막은 필드 광학소자의 기능을 수행한다고 볼 수 있다.
상기 빔분리막은 편광 선택형 반사막일 수 있다.
상기 광경로 변환기는 상기 빔분리막이 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면의 근방에 위치하도록 배치될 수 있다. 또는 상기 광경로 변환기는 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면이 상기 빔분리막의 초점 안쪽에 위치하도록 배치될 수 있다. 달리 말하면, 상기 광경로 변환기는 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면을 정립 허상으로 재결상하도록 배치될 수 있다.
회절광을 집속시키고, 외부광(적어도 일부 편광 성분)은 그대로 투과시키는 광빔 선택형 광학소자가 더 마련될 수 있다. 상기 광빔 선택형 광학소자는 등방성 렌즈와 비등방성 렌즈의 접합 렌즈이며, 회절광에 대해 상기 접합 렌즈의 굴절력은 정(+)의 값을 가지며, 외부광에 대해 상기 접합 렌즈의 전체 굴절력은 영을 가질 수 있다. 또는, 상기 광빔 선택형 광학소자는 대향되는 제1 및 제2 투명기판층과, 상기 제1 및 제2 투명기판층 사이에 개재되는 액정을 포함하며, 상기 제1 및 제2 투명기판층 중 적어도 일면에 마련된 전극들에 의해 상기 액정이 제어되어 선택적으로 굴절력을 갖는 액정 렌즈일 수 있다.
상기 광경로 변환기는 외부광의 투과되는 광량을 조절하는 능동형 반사기일 수 있다. 상기 능동형 반사기는 외부광의 투과되는 광량을 조절하는 액정필터, 전기변색소자 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광경로 변환기는 시청자의 동공 근방에 배치될 수 있다.
상기 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는 각각이 시청자의 머리의 좌안 및 우안 중 적어도 어느 한쪽에 착용하는 헤드 장착형 하우징에 설치될 수 있다.
다른 측면에 따르는 헤드 장착형 디스플레이 장치는 홀로그램 영상을 디스플레이하는 장치로서, 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치; 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치; 및 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치와 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치를 연결하는 프레임을 포함하며, 상기 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치 각각은 광을 제공하는 광원과, 상기 광을 회절시켜 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광 변조기와, 상기 공간 광 변조기에서 재생된 홀로그램 영상을 확대 또는 축소하여 전달하는 릴레이 광학계와, 상기 릴레이 광학계를 통해 전달되는 홀로그램 영상의 회절광에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 필터와, 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상의 회절광의 광경로와 외부광의 광경로 중 적어도 하나를 변경하여, 회절광과 외부광을 동일 영역에 전달하는 광경로 변환기를 포함할 수 있다.
상기 헤드 장착형 디스플레이 장치를 사용자의 머리에 착용할 때, 상기 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광경로 변환기는 사용자의 좌안에 인접하여 위치하며, 상기 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광경로 변환기는 사용자의 우안에 인접하여 위치할 수 있다.
상기 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광경로 변환기와 상기 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광경로 변환기의 사이의 거리가 조절될 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는 홀로그램 영상을 볼 수 있음과 동시에 외부를 볼 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는 화각의 크기를 조절할 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는 개인용 투시형 헤드 장착형 디스플레이 장치에 적용할 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는 진폭 변조 방식으로 홀로그램을 구현하는 광학계를 헤드 장착형 디스플레이 장치에 구현할 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치를 양안 장착형 디스플레이 장치에 적용하는 경우, 좌안용 광학계와 우안용 광학계가 완전히 분리되어 있으므로, 좌안용 광학계와 우안용 광학계 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 사용자(관찰자)의 좌안 동공 및 우안 동공 사이의 거리에 맞게 움직임으로서, 동공 사이의 거리를 조절할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치가 사용자에게 착용된 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 필드 렌즈의 배치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 필드 렌즈의 배치의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 필드 렌즈의 배치에 따른 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 도 13의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용되는 광빔 선택형 광학소자의 일 예를 도시한 도면이다.
도 15a 내지 도 15c는 도 13의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용되는 광빔 선택형 광학소자의 다른 예들을 도시한 도면이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 헤드 장착형 디스플레이 장치(투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치)가 사용자에게 착용된 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 17은 도 16의 헤드 장착형 디스플레이 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)가 사용자(관찰자)(10)에게 착용된 예를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 도 1의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 안경과 같이 사용자(10)의 머리에 착용되는 웨어러블 장치일 수 있다. 예를 들어, 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 사용자(10)의 두 눈(11) 중 어느 한쪽(예시적으로, 도면에 도시되는 것처럼 좌안(11L))을 통해 홀로그램 영상과 외부를 동시에 볼 수 있는 외눈 안경 형태를 지닐 수 있다. 다른 예로, 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 안경의 어느 한쪽(예시적으로, 도면에 도시되는 것처럼 좌안(11L))에 부착되는 형태를 가질 수도 있다.
투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 하우징(190)과 하우징(190) 내에 설치되는 광학계와, 이들 광학계를 제어하는 제어부(900)를 포함할 수 있다. 제어부(900)는 하우징(190)의 외부에 마련되거나 혹은 하우징(190)의 내부에 마련될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 광을 제공하는 광원부(110)와, 홀로그램 영상을 생성하는 공간 광 변조기(120)와, 공간 광 변조기(120)에서 재생된 홀로그램 영상을 확대 또는 축소하여 전달하는 릴레이 광학계(140)와, 릴레이 광학계(140)에서 전달된 홀로그램 영상의 회절광의 광경로와 외부광의 광경로 중 적어도 하나를 변경하여, 홀로그램 영상의 회절광과 외부광을 동일 영역에 전달하는 광경로 변환기(180)를 포함한다. 또한, 상기 릴레이 광학계(140)를 통해 전달되는 홀로그램 영상의 회절광에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 필터(150)가 더 마련될 수 있다. 또한, 릴레이 광학계(140)에서 전달된 홀로그램 영상을 집속하는 필드 렌즈(170)가 더 마련될 수 있다. 또한, 광원부(110)와, 공간 광 변조기(120)를 제어하여 홀로그램 영상을 생성토록 하는 제어부(900)가 더 마련될 수 있다.
광원부(110)는 광원(111)를 포함한다. 광원(111)은 높은 가간섭성을 갖는 광을 공간 광 변조기(120)에 제공하기 위하여 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)를 포함할 수도 있다. 그러나, 광원(111)에 의해 제공되는 광이 일정 수준 이상의 공간 간섭성(spatial coherence)을 가지면 공간 광 변조기(120)에 의해 충분히 회절 및 변조될 수 있기 때문에, 광원(111)으로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 광원(111)은 적색, 녹색, 및 청색의 광원 어레이로 구성되어, 후술하는 바와 같이 RGB 시분할 구동에 의해 컬러 홀로그램 영상을 구현할 수도 있다. 예를 들어, 광원(111)은 복수의 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드들의 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 광원(111)은 레이저 다이오드나 발광 다이오드 외에도 공간 간섭성을 갖는 광을 방출한다면 다른 어떤 광원도 사용이 가능하다.
광원부(110)는 콜리메이트된 평행광을 조명한다. 예를 들어, 광원부(110)에는 콜리메이터 렌즈(112)가 더 마련되어 광원(111)에서 출사된 광을 평행광으로 콜리메이팅시킬 수 있다.
공간 광 변조기(120)는 그 광변조면에 제어부(900)로부터 제공되는 홀로그램 데이터 신호에 따라 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 공간 광 변조기(120)에 입사된 광은 홀로그램 패턴에 의해 홀로그램 파면의 이미지로 변조된 회절광이 된다. 홀로그램 파면의 이미지를 갖는 회절광은 후술하는 바와 같이 릴레이 광학계(140)와 필드 렌즈(170)를 거쳐 시역 윈도우(viewing window; VW)에서 회절 간섭에 의해 홀로그램 영상을 볼 수 있게 한다.
이러한 공간 광 변조기(120)는 진폭 변조만 수행할 수 있는 진폭 공간 광 변조기를 사용함으로써 해상도 저하를 방지하고 2D 영상을 표현할 때 화질 열화를 억제할 수 있다. 예컨대, 공간 광 변조기(120)는 DMD(digital micromirror device), LCoS(liquid crystal on silicon), 또는 반도체 광 변조기를 사용할 수 있다. 물론, 공간 광 변조기(120)로서 위상과 진폭을 모두 변조시키는 복소 공간 광 변조기나 또는 위상을 변조시키는 위상 공간 광 변조기를 사용할 수 있음은 물론이다.
광원(111)과 공간 광 변조기(120) 사이에는 입사광과 출사광을 분기시키는 광분기기(130)가 배치될 수 있다. 여기서, 입사광과 출사광을 공간 광 변조기(120)를 기준으로, 각각 입사되는 광과 출사되는 광을 가르킨다. 광분기기(130)는 광원(111)로부터 입사된 광을 그대로 통과시켜 공간 광 변조기(120)로 향하게 하고, 공간 광 변조기(120)로부터 반사된 광을 릴레이 광학계(140)로 반사시키는 빔스플리터(beam splitter)일 수 있다. 다른 예로, 광분기기(130)는 하프 미러(half mirror)일 수도 있다.
광원부(110)에서 조명된 광은 편광을 가질 수도 있다. 광원(111) 자체가 편광된 광을 출사할 수도 있고, 혹은 광원부(110)에 편광 필터가 배치되어 광원(111)에서 출사된 광을 편광시킬 수도 있다. 이러한 경우, 광분기기(130)는 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)일 수 있다. 광분기기(130)와 공간 광 변조기(120) 사이에 1/4 파장판(미도시)과 같은 편광변환부재가 더 배치되어, 광분기기(130)에서 공간 광 변조기(120)로 향하는 광의 편광과 공간 광 변조기(120)에서 반사되어 광분기기(130)로 향하는 광의 편광을 서로 다르게 함으로써, 좀 더 효율적으로 입사광과 출사광을 분기시킬 수도 있다.
광원(111)과 광분기기(130) 사이에는 반사부재(113)가 마련될 수 있다. 반사부재(113)는 전반사 프리즘이나 혹은 단순 미러일 수 있다. 반사부재(113)는 하우징(190)의 제한된 공간 내에서 광원(111)등의 광학부재들의 적절한 배치를 위한 마련될 수 있다.
릴레이 광학계(140)는 공간 광 변조기(120)에서 생성된 홀로그램 파면을 확대 또는 축소시켜 전달하는 변형된 4f 광학계(modified 4f optical system)일 수 있다. 가령, 릴레이 광학계(140)는 제1 초점거리(f1)를 갖는 제1 릴레이 렌즈(141)와 제2 초점거리(f2)를 갖는 제2 릴레이 렌즈(143)을 포함할 수 있다. 제1 릴레이 렌즈(141)는 공간 광 변조기(120)의 광이 변조되는 광변조면이 제1 릴레이 렌즈(141)의 입사면측 제1 초점거리(f1)의 위치 내지 그 근방에 놓이도록 배치될 수 있다. 제2 릴레이 렌즈(143)는 제1 릴레이 렌즈(141)의 출사면측 제1 초점거리(f1)의 위치에 입사면측 제2 초점거리(f2)의 위치 내지 그 근방에 놓이도록 배치될 수 있다. 이와 같은 릴레이 광학계(140)의 광학적 배치에 의해, 공간 광 변조기(120)의 표면에서 생성된 홀로그램 파면의 이미지는 릴레이 광학계(140)를 거쳐 제2 릴레이 렌즈(143)의 출사면측 제2 초점거리(f2) 내지 그 근방에서 결상(imaging)될 수 있다. 이하, 릴레이 광학계(140)에 의해 결상된 홀로그램 파면의 이미지를 '결상된 SLM(imaged SLM)'(도 3이나 도 4의 172)이라 칭하기로 한다.
제1 초점거리(f1)와 제2 초점거리(f2)는 서로 다른 값을 가질 수 있다. 일 예로, 릴레이 광학계(140)는 제1 초점거리(f1)보다 제2 초점거리(f2)를 크게 함으로써, 결상된 SLM(172)을 확대시킬 수 있다. 또는 릴레이 광학계(140)는 제2 초점거리(f2)보다 제1 초점거리(f1)를 크게 함으로써, 결상된 SLM(172)을 축소시킬 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 결상된 SLM(172)의 크기는 시야각(viewing angle)(VA)에 비례하므로, 결상된 SLM(172)을 확대하거나 축소시킴으로써 시야각을 변경시킬 수가 있다.
노이즈 제거 필터(150)는 릴레이 광학계(140)의 제1 릴레이 렌즈(141)의 출사면측 제1 초점거리(f1)와 제2 릴레이 렌즈(143)의 입사면측 제2 초점거리(f2)가 겹치는 위치 내지 그 근방에 배치될 수 있다. 이러한 노이즈 제거 필터(150)는 예를 들어 핀홀(pin-hole)일 수 있다. 노이즈 제거 필터(150)는 릴레이 광학계(140)의 제1 릴레이 렌즈(141)의 제1 초점거리(f1)에 위치하면서, 원하는 회절차수의 광을 제외한 나머지 광을 차단함으로써, 공간 광 변조기(120)의 픽셀 구조에 의한 회절패턴이나 다중회절과 같은 노이즈를 제거한다.
전술한 바와 같이, 공간 광 변조기(120)의 광변조면에서 형성된 홀로그램 파면의 이미지는 릴레이 광학계(140)에 의해'결상된 SLM(172)을 형성한다. 필드 렌즈(170)는 이와 같이 결상된 SLM(172)을 사용자 눈(11)의 동공(13) 앞에 집속시킴으로써, 시역 윈도우(VW)를 사용자의 동공 앞에 형성한다. 시역 윈도우(VW)는 사용자가 홀로그램 영상을 볼 수 있는 공간으로 이해될 수 있다. 필드 렌즈(170)의 배치 위치는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
광경로 변환기(180)는 릴레이 광학계(140)에서 전달된 회절광을 반사하고 외부광(Lo)을 그대로 투과시키는 빔스플리터일 수 있다. 이러한 광경로 변환기(180)는 제1 입사면(180a)에 입사된 광빔은 광경로 변환기(180) 내부에 위치한 빔분리막(181)에서 반사되어 출사면(180c)으로 나가고, 제2 입사면(180b)에서 입사되는 광빔은 빔분리막(181)을 투과하여 제1 출사면(180c)으로 나가는 구성을 가질 수 있다.
광경로 변환기(180)의 빔분리막(181)은 일 예로 하프 미러일 수 있다. 이 경우, 광원부(110)에서 조명된 광이 편광된 광으로 제한될 필요는 없다.
다른 예로, 광원부(110)에서 조명된 광이 편광된 경우, 광경로 변환기(180)의 빔분리막(181)은 편광선택성 반사막일 수 있다. 가령, 제1 입사면(180a)에 입사된 광빔의 편광 방향을 제1 편광 방향이라 하고, 상기 제1 편광 방향에 직교하는 편광 방향을 제2 편광 방향이라고 할 때, 빔분리막(181)은 제1 편광 방향을 갖는 광(이하, 제1 편광의 광)을 반사하고 제2 편광 방향을 갖는 광(이하, 제2 편광의 광)을 투과하는 편광선택성을 가질 수 있다. 외부광(Lo)은 제1 편광 성분과 제2 편광 성분을 모두 가질 수 있으므로, 빔분리막(181)이 상기의 편광선택성을 갖는 경우, 제2 입사면(180b)에서 입사된 외부광(Lo) 중 제2 편광 성분만이 빔분리막(181)을 통과하여 사용자 눈(11)의 동공(13)에 도달하게 될 것이다.
광경로 변환기(180)의 제1 입사면(180a)은 필드 렌즈(170)에 인접하게 배치될 수 있다. 광경로 변환기(180)의 출사면(180c)는 사용자 눈(11)의 동공(13)에 인접하여 배치될 수 있다.
상기와 같은 광경로 변환기(180)는 릴레이 광학계(140)에서 전달된 홀로그램 영상의 회절광의 광경로와 외부광(Lo)의 광경로 중 적어도 하나를 변경하여, 회절광과 외부광(Lo)을 동일 영역(즉, 사용자 눈(11)의 동공(13))에 전달하는 광학부재의 일 예이다.
전술한 바와 같이 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 사용자(도 1의 10)의 머리에 착용되는 웨어러블 장치일 수 있는바, 하우징(190)은 사용자(10)의 눈에서 귀에 이어지는 부위에 밀착되게 장착될 수 있는 외눈 안경과 같은 형상을 지니거나, 안경에 부착되는 형상을 지닐 수 있다.
예를 들어, 하우징(190)은 귀쪽에 인접한 제1 하우징 부분(190A)과, 꺽인 부분(190B)과, 눈(11)에 인접한 제2 하우징 부분(190C)을 포함할 수 있다. 제1 하우징 부분(190A), 꺽인 부분(190B), 및 제2 하우징 부분(190C)은 일체로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 하우징 부분(190A)에는, 예를 들어, 광원부(110)와, 공간 광 변조기(120)와, 광분기기(130)와, 릴레이 광학계(140)와, 노이즈 제거 필터(150)가 위치할 수 있다. 제2 하우징 부분(190C)에는, 예를 들어, 필드 렌즈(170)와, 광경로 변환기(180)가 위치할 수 있다. 꺽인 부분(190B)에는 하우징(190)의 형상에 맞게 광축을 꺽는 전반사 프리즘이나 단순 미러와 같은 반사부재(160)가 마련될 수 있다. 하우징(190)의 사이즈나 광학계의 릴레이 광학계(140)의 초점 거리에 따라서는, 릴레이 광학계(140)의 제2 릴레이 렌즈(143)나 노이즈 제거 필터(150)는 제2 하우징 부분(190C)에 배치될 수도 있다. 제2 하우징 부분(190C)은, 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)가 사용자에게 착용될 때, 사용자의 눈(11)과 마주보는 위치에 마련되는 제1 윈도우(191)와, 상기 제1 윈도우(191)에 대향되는 위치에 마련되는 제2 윈도우(192)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 윈도우(191, 192)는 유리나 투명한 플라스틱 재질로 형성되거나 혹은 제2 하우징 부분(190C)의 오픈된 부위일 수 있다. 광경로 변환기(180)는 제2 윈도우(192)에 인접한 위치에 제2 입사면(180b)이 위치하도록 배치된다. 이와 같이 배치됨에 따라, 외부광(Lo)이 제2 윈도우(192)를 통해 광경로 변환기(180)에 입사되며, 광경로 변환기(180) 및 제1 윈도우(191)를 거쳐 사용자의 눈에 도달하게 된다. 달리 말하면, 사용자는 제1 윈도우(191), 광경로 변환기(180), 및 제2 윈도우(192)를 거쳐 외부를 볼 수 있다. 또한, 상기와 같은 배치에 따라 광경로 변환기(180)는 사용자의 눈(11)에 인접하게 배치될 수 있다.
다음으로, 필드 렌즈(170)의 배치에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 필드 렌즈(170)의 배치의 일 예를 도시한 도면이다. 도 3은 편의상 회절광이 광경로 변환기(도 2의 180)의 빔분리막(181)에 의해 꺽이지 않은 상태로 도시한다. 도 3을 참조하면, 필드 렌즈(170)는 결상된 SLM(172)의 위치 내지 그 근방에 배치될 수 있다. 가령, 공간 광 변조기(120)의 광변조면이 제1 릴레이 렌즈(141)의 입사면측 제1 초점거리(f1)의 위치 내지 그 근방에 놓이는 경우, 결상된 SLM(172)은 제2 릴레이 렌즈(143)의 출사면측 제2 초점거리(f2)가 겹치는 위치 내지 그 근방에서 형성되는바, 필드 렌즈(170)는 제2 릴레이 렌즈(143)의 출사면측 제2 초점거리(f2)가 겹치는 위치 내지 그 근방에 배치될 수 있다.
도 4은 필드 렌즈(170)의 배치의 다른 예를 도시한 도면이다. 도 4 역시 편의상 회절광이 광경로 변환기(도 2의 180)의 빔분리막(181)에 의해 꺽이지 않은 상태로 도시한다. 도 4를 참조하면, 필드 렌즈(170)는, 결상된 SLM(172)이 필드 렌즈(170)의 앞초점(물체초점)(Fo)과 필드 렌즈(170)의 입사면 사이에 놓이도록, 배치될 수 있다.
다음으로, 다시 도 2를 참조하여, 상술한 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 동작을 설명하기로 한다. 먼저, 제어부(900)는 홀로그램 데이터 신호를 생성하여 공간 광 변조기(120)에 제공한다. 홀로그램 데이터 신호는 목표한 홀로그램 영상이 공간 상에 재생되도록 계산된 CGH(Computer Generated Hologram) 신호일 수 있다. 컬러 홀로그램 영상은 RGB 시분할 구동으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어부(900)는 광원부(110)의 적색, 녹색, 및 청색의 광원을 순차적으로 구동시키며, 공간 광 변조기(120)에 적색, 녹색, 및 청색의 홀로그램 영상에 상응하는 홀로그램 데이터 신호를 전달함으로써, 적색, 녹색, 및 청색의 홀로그램 영상이 시순차적으로 디스플레이 되어 컬러 홀로그램 영상이 표시될 수 있다.
공간 광 변조기(120)는 제어부(900)로부터 제공된 홀로그램 데이터 신호에 따라 공간 광 변조기(120)의 표면 상에 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 공간 광 변조기(120)가 홀로그램 패턴을 형성하는 원리는, 예를 들어, 디스플레이 패널이 영상을 표시하는 원리와 같을 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 패턴은 재생될 홀로그램 영상의 정보를 갖고 있는 간섭무늬의 형태로 공간 광 변조기(120)에서 표시될 0에 광을 제공하도록 한다. 그러면 공간 광 변조기(120)에서 형성된 홀로그램 패턴에 의해, 광은 공간 광 변조기(120)의 표면에서 홀로그램 파면을 갖도록 변조된 회절광이 된다.
공간 광 변조기(120)에서 생성된 회절광은 릴레이 광학계(140)에 의해 결상된 SLM(172)을 이루게 된다. 공간 광 변조기(120)는 다수의 화소들의 어레이로 구성되어 있기 때문에, 다수의 화소들의 어레이가 격자로서 작용하게 된다. 따라서, 입사광은 공간 광 변조기(120)에서 형성된 홀로그램 패턴뿐만 아니라, 공간 광 변조기(120)의 화소들의 어레이로 구성된 화소 격자에 의해서도 회절 및 간섭하게 된다. 또한, 입사광 중에서 일부는 공간 광 변조기(120)의 홀로그램 패턴에 의해 회절되지 않고 공간 광 변조기(120)를 그대로 투과하게 된다. 그 결과, 홀로그램 영상이 점으로 모아지는 시역 윈도우(VW)가 놓이는 동공 평면 상에는 다수의 격자점(lattice spot)들이 나타날 수 있으며, 이러한 다수의 격자점들은 홀로그램 영상의 화질을 저하시키고 홀로그램 영상의 감상을 불편하게 만드는 영상 노이즈로서 작용할 수 있다. 노이즈 제거 필터(150)는 릴레이 광학계(140)의 제1 릴레이 렌즈(141)의 제1 초점거리(f1)에 위치하면서, 원하는 회절차수의 광을 제외한 나머지 광을 차단함으로써, 공간 광 변조기(120)의 픽셀 구조에 의한 회절패턴이나 다중회절과 같은 노이즈를 제거한다.
필드 렌즈(170)는 결상된 SLM(172)을 집속시켜 사용자 눈(11)의 동공(13) 앞에 시역 윈도우(VW)를 형성한다. 즉, 필드 렌즈(170)는 릴레이 광학계(140)에 의해 형성된 홀로그램 파면(즉, 결상된 SLM(172))을 시역 윈도우(VW)에서 회절 및 간섭되면서 입체감이 있는 홀로그램 영상으로 볼 수 있도록 한다.
한편, 광경로 변환기(도 2의 180)의 빔분리막(181)은, 전술한 바와 같이, 외부광(도 2의 Lo)을 투과할 수 있으므로, 시역 윈도우(VW)에서는 홀로그램 영상뿐만 아니라 제2 윈도우(도 2의 192)의 외부에 있는 장면(scene)까지 동시에 볼 수 있게 된다.
도 3에 도시된 것과 같이 필드 렌즈(170)가 결상된 SLM(172) 내지 그 근방에 배치된 경우, 사용자(10)가 필드 렌즈(170)를 통해 보이는 상은 결상된 SLM(172)이 된다. 즉, 홀로그램 영상이 재생될 때, 사용자(10)는 결상된 SLM(172)으로부터 d만큼 떨어져 있는 시청 위치(시역 윈도우(VW))에서 홀로그램 영상을 감상할 수 있다. 이때, 재생되는 홀로그램 영상의 시야각(viewing angle; VA)이나 시야(field of view; FOV)은 결상된 SLM(172)의 크기(S)와 결상된 SLM(172)로부터 시역 윈도우(VW)까지의 거리 d에 의해 조정될 수 있다. 즉, 결상된 SLM(172)의 크기(S)가 커지면 시야각(VA)이나 시야(FOV)는 커지며, 결상된 SLM(172)의 크기(S)가 작아지면 시야각(VA)이나 시야(FOV)는 작아진다. 결상된 SLM(172)의 크기(S)는 공간 광 변조기(120)의 크기와 릴레이 광학계(140)의 배율에 의해 결정될 수 있다. 한편, 결상된 SLM(172)로부터 시역 윈도우(VW)까지의 거리 d가 짧을수록 시야각(VA)이나 시야(FOV)는 커지게 된다. 결상된 SLM(172)로부터 시역 윈도우(VW)까지의 거리 d는 필드 렌즈(170)의 F값(F/#)에 의해 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이 필드 렌즈(170) 및 광경로 변환기(180)가 사용자(10)의 동공(13)에 접하게 배치됨에 따라 결상된 SLM(172)로부터 시역 윈도우(VW)까지의 거리 d를 짧게 할 수 있으며, 따라서 시야각(VA)이나 시야(FOV)를 크게 할 수 있다.
도 4에 도시된 것과 같이 결상된 SLM(172)이 필드 렌즈(170)의 앞초점(FO)과 필드 렌즈(170)의 입사면 사이에 놓일 수도 있다. 도 5는 도 4의 필드 렌즈의 배치에 따른 동작을 설명하는 도면이다. 결상된 SLM(172)이 필드 렌즈(170)의 앞초점(FO)과 필드 렌즈(170)의 입사면 사이에 놓이는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 필드 렌즈(170)를 통해 보이는 상은 필드 렌즈(170)에 의한 정립 허상 SLM(173)이다. 이때, 정립 허상 SML(173)의 크기(S')는 결상된 SLM(172)의 크기(S)에 대해 다음과 같은 렌즈의 공식을 만족한다.
여기서, 마이너스(-)는 허상을 의미하며, a는 결상된 SLM(172)과 필드 렌즈(170) 사이의 거리를 나타내며, b는 정립 허상 SLM(173)과 필드 렌즈(170) 사이의 거리를 나타내며, f3은 필드 렌즈(170)의 앞초점 거리를 나타낸다.
사용자(10)는 정립 허상 SLM(173)으로부터 d'만큼 떨어져 있는 시청 위치(시역 윈도우(VW))에서 홀로그램 영상을 감상할 수 있다. 이때, 재생되는 홀로그램 영상의 시야각(viewing angle; VA)이나 시야(field of view; FOV)는 정립 허상 SLM(173)의 크기(S')와 거리 d'에 의해 조정될 수 있다. 즉, 정립 허상 SLM(173의 크기(S')가 커지면 시야각(VA)이나 시야(FOV)는 커지며, 정립 허상 SLM(173의 크기(S')가 작아지면 시야각(VA)이나 시야(FOV)는 작아진다. 정립 허상 SLM(173의 크기(S')는 상기 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 결상된 SLM(172)와 필드 렌즈(170)의 위치 관계에 의해 결정될 수 있다. 구체적으로는, 결상된 SLM(172)가 필드 렌즈(170)의 앞초점(FO)의 안쪽에 위치하도록 필드 렌즈(170)를 배치하게 되면, 확대된 정립 허상이 재결상된다. 나아가, 필드 렌즈(170)의 앞초점(FO)을 결상된 SLM(172)에 가까이 배치할수록, 허상 SLM(173의 크기(S')를 좀 더 크게 할 수 있는바, 시야각(VA)이나 시야(FOV)를 좀 더 크게 할 수 있다.
종래의 헤드 장착형 디스플레이(HMD)에 적용된 홀로그래픽 디스플레이 장치로는 복소 공간 광 변조기를 이용하여 홀로그램 영상을 구현한 몰입형 방식이 알려져 있다. 그런데, 복소 공간 광 변조기는 복잡한 구조를 필요로 하고, 해상도 저하를 발생하게 되며, 또한 2D 영상을 표현할 때 화질 열화가 발생한다. 고차 회절(High-order Diffraction)에 의한 영향을 최소화 하기 위해서는 초고정세의 복소 공간 광 변조기를 필요로 하고, 시야(FOV)가 복소 공간 광 변조기의 크기에 제한된다. 따라서 동일한 해상도의 경우, 초고정세 픽셀을 가지는 복소 공간 광 변조기는 상대적으로 시야(FOV)가 좁아지게 된다.
이에 반하여, 본 실시예의 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 결상된 SLM(172)의 크기(S) 혹은 정립 허상 SLM(173)의 크기(S')를 공간 광 변조기(120)의 크기뿐만 아니라, 광학계의 구성(예를 들어, 릴레이 광학계(140)의 배율이나, 필드 렌즈(170)의 F값(F/#), 필드 렌즈(170)의 위치)등에 의해 결정할 수 있으며, 따라서 홀로그램 영상의 시야각(VA)이나 시야(FOV)는 공간 광 변조기(120)의 크기에 의해 제한되지 아니한다.
전술한 실시예에서는 컬러 영상을 구현하기 위하여 RGB 시분할 구동을 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서, 광원부(110)는 백색광을 조명하며, 공간 광 변조기(120)로, 컬러 필터가 내장되어 있는 액정 패널등을 사용함으로써, 공간분할에 의해 컬러 홀로그램 영상을 구현할 수도 있다.
또한, 전술한 실시예에서는 광원부(110)에서 평행광을 조명하는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 광원부(110)는 발산광이나 혹은 수렴광을 조명할 수 있으며, 이 경우 광원부(110)는 콜리메이터 렌즈 대신에 광을 발산 혹은 수렵시키는 렌즈를 사용할 수 있을 것이며, 경우에 따라서는 필드 렌즈(170)가 생략될 수도 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)가 사용자(10)의 좌안(11L)쪽으로 착용한 경우를 도시하고 있으나, 사용자(10)의 우안(11R)쪽으로 착용되는 경우에 적용될 수 있음은 물론이다. 우안(11R)쪽으로 착용되는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는 좌안(11L)쪽으로 착용되는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 좌우 대칭적인 구조를 지닐 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(200)의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(200)는 투과형 공간 광 변조기(220)를 사용한다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 투과형 공간 광 변조기(220)는 예를 들어 액정패널(liquid crystal device; LCD)를 이용한 광 변조기 또는 GaAs와 같은 화합물 반도체를 기반으로 한 반도체 광 변조기를 사용할 수 있다. 광원부(110)에서 출사된 광은 투과형 공간 광 변조기(220)를 통과하면서 회절 변조되고, 투과형 공간 광 변조기(220)를 통과한 회절광은 릴레이 광학계(140), 필드 렌즈(170), 및 광경로 변환기(180)를 거쳐 사용자 눈(11)의 동공(13) 앞에 집속되어 시역 윈도우(VW)를 형성한다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)는 광경로 변환기로서 능동형 반사기(Active Reflector)(380)을 사용한다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 능동형 반사기(380)는 제어부(901)의 제어에 의해 능동적으로 반사 및 투과를 조절할 수 있는 광학부품이다. 이러한 능동형 반사기(380)로는 예를 들어 액정(Liquid crystal; LC)을 이용한 투과도(Transmittance) 조절 디바이스, 전기변색(Electro-chromic) 디바이스 등이 (하프)미러와 함께 사용될 수 있다. 또한 능동형 반사기(380)의 빔분리막 표면에는 사용자(10)의 동공(13) 쪽으로 향하는 광량을 증가시킬 수 있는 반사 코팅이나 그밖의 부가적인 기능을 가지는 박막 등이 추가적으로 마련될 수 있다. 이와 같이 능동형 반사기(380)를 광경로 변환기로 채용함으로써, 제어부(901)는 외부환경이 너무 밝아 홀로그램 영상을 시청하기가 용이하지 않을 경우, 외부에서 동공으로 입사하는 광량을 조절할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(400)의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)는 도 1 내지 도 5를 참조한 실시예에서 설명된 빔스플리터와 같은 광경로 변환기(480)와 함께 별도의 투과도 조절 디바이스(485)가 광경로 변환기(480)의 제2 입사면(480b) 상에 마련될 수 있다. 이와 같이 투과도 조절 디바이스(485)를 별도로 채용함으로써, 제어부(902)는 외부환경이 너무 밝아 홀로그램 영상을 시청하기가 용이하지 않을 경우, 제2 윈도우(192)를 통해 외부에서 동공으로 입사하는 외부광(Lo)의 광량을 조절할 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 10은 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)의 동작을 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)는 릴레이 광학계(540)의 제2 릴레이 렌즈(543)를 광축 방향(546a)으로 움직일 수 있는 가동 렌즈 홀더(546)를 더 포함한다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조한 실시예에서 설명된 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 가동 렌즈 홀더(546)는 모터(미도시)를 구비하여 제어부(903)의 제어에 의해 제2 릴레이 렌즈(543)를 광축방향(546a)으로 이동시킬 수 있다. 다른 예로서, 가동 렌즈 홀더(546)는 수동으로 제2 릴레이 렌즈(543)를 광축방향(546a)으로 이동시킬 수도 있다.
제2 릴레이 렌즈(543)를 광축방향(546a)으로 움직이게 되면, 릴레이 광학계(540)에 의해 형성되는 결상된 SLM(172)의 크기가 도 10에 도시된 것처럼 조절되거나, 결상된 SLM(172)의 위치가 이동될 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 릴레이 광학계(540)의 제1 릴레이 렌즈(541)에 의해 공간 광 변조기(120)에서 형성된 회절광은 제1 릴레이 렌즈(541)의 출사면측 초점위치에서 집속된 후 발산되게 된다. 도 1 내지 도 5를 참조한 실시예에서 설명된 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)와 같이 제2 릴레이 렌즈(543)를 입사면측 초점위치가 제1 릴레이 렌즈(541)의 출사면측 초점위치와 일치하게 되는 위치(이하, 원위치)에 놓게 되면, 결상된 SLM(172)의 크기는 S1이 된다. 그런데, 제2 릴레이 렌즈(543)를 원위치로부터 제1 릴레이 렌즈(541)에 다가가는 방향(147)으로 이동시키게 되면, 결상된 SLM(172)의 크기 S2는 작아지게 된다. 결과적으로, 사용자는 좀 더 작은 크기(S2)의 결상된 SLM(172)을 보게 되므로, 시야각(VA)이나 시야(FOV)는 작아지게 된다. 반대로, 제2 릴레이 렌즈(543)를 원위치로부터 제1 릴레이 렌즈(541)로부터 멀어지는 방향으로 이동시키게 되면, 결상된 SLM(172)의 크기는 S1보다 커지게 되며, 따라서 사용자(10)는 좀 더 큰 크기의 결상된 SLM(172)을 보게 되므로, 시야각(VA)이나 시야(FOV)는 커지게 된다. 상기와 같이 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(500)는 릴레이 광학계(540)의 렌즈 위치를 이동시킴으로써, 도 3을 참조한 실시예에서처럼. 시야(FOV)를 조절할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 2 릴레이 렌즈(543)를 광축방향(546a)으로 이동시키게 되면, 결상된 SLM(172)의 위치 또한 이동시킬 수도 있는바, 도 4를 참조한 실시예에서처럼. 결상된 SLM(172)의 위치를 필드 렌즈(170)의 앞초점(Fo)의 안쪽(즉, 필드 렌즈(170)의 앞초점(Fo)과 필드 렌즈(170)의 입사면 사이)의 범위 내에서 조정함으로써, 정립 허상 SML(173)의 크기(수학식 1의 S')를 조절하여, 시야(FOV)를 조절할 수도 있다.
한편, 시야(FOV)가 크면, 홀로그램 영상의 픽셀 밀도(pixels per inch, PPI)가 떨어져 화질이 저하되고, 시야(FOV)가 좁아지면 홀로그램 영상의 PPI가 증가하게 되어 화질이 향상된다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(600)의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 11을 참조하면, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(600)는 도 1 내지 도 5를 참조한 실시예에서 설명된 필드 렌즈(170)를 대신하여 필드 반사경(670)을 채용한다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조한 실시예에서 설명된 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)와 실질적으로 동일하다.
광경로 변화기(680)는 빔스플리터일 수 있으며, 광경로 변화기(680)의 빔분리막(681)은, 도면에 도시되는 바와 같이, 제1 입사면(680a)에 입사된 회절광이나 제2 입사면(680b)에서 입사된 외부광(Lo)이 출사면(680c)쪽으로 투과되고, 제3면(680d) 쪽에서 입사되는 광은 출사면(680c)쪽으로 반사되도록 위치한다. 이때, 제3면(680d)은 제1 입사면(680a)에 대향되는 면이다.
필드 반사경(670)은 광경로 변화기(680)의 제3 면(680d) 쪽에 배치된다. 필드 반사경(670)은 광경로 변화기(680)의 제3 면(680d)에 인접하게 배치될 수 있다. 필드 반사경(670)은 광경로 변화기(680)의 제3 면(680d)에 대해 오목한 반사면을 가질 수 있다. 필드 반사경(670)은 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 필드 렌즈(170)와 같은 필드 광학소자로 이해될 수 있다. 따라서, 필드 반사경(670)은 전술한 필드 렌즈(170)의 위치에 상응하게 위치하도록 배치될 수 있다. 가령, 필드 반사경(670)은 릴레이 광학계(140)에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면(도 3의 172)의 근방에 위치하도록 배치될 수 있다. 또는 필드 반사경(670)은 릴레이 광학계(140)에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면(172)이 필드 반사경(670)의 초점 안쪽에 위치하도록 배치될 수 있다. 달리 말하면, 필드 반사경(670)은 릴레이 광학계(140)에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면(172)을 확대된 정립 허상으로 재결상하도록 배치될 수 있다.
상기와 같은 배치에 의해, 릴레이 광학계(140)를 경유한 회절광은 광경로 변환기(680)의 제1 입사면(680a)에 입사되고, 빔분리막(681)을 거쳐 제3 면(680d)으로 출사된다. 제3면(680d)에서 출사된 회절광은 필드 반사경(670)에서 반사되고, 다시 광경로 변환기(680)의 제3 면(680d)로 재입사되고, 빔분리막(681)에서 반사된 이후 출사면(680c)을 통해 출사되어, 사용자의 눈(11)의 동공(13)으로 향하게 된다. 이때, 회절광은 평행광속으로 필드 반사경(670)에 입사되고, 필드 반사경(670)에 의해 집속되어, 동공(13)에서 시야 윈도우(VW)를 형성하게 된다. 한편, 외부광(L0)은 광경로 변환기(680)의 제2 입사면(680b)에 입사된 후 빔분리막(681)을 거쳐 출사면(680c)을 통해 출사되어, 사용자(10)의 동공으로 향하게 된다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(700)의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 12를 참조하면, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(700)는 도 1 내지 도 5를 참조한 실시예에서 설명된 필드 렌즈(170) 및 광경로 변환기(180)를 대신하여 곡면 형상의 빔분리막(781)을 갖는 광경로 변환기(780)을 채용한다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조한 실시예에서 설명된 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)와 실질적으로 동일하다.
광경로 변환기(780)는 그 내부에 제1 입사면(801a)에 대해 오목한 곡면으로 형성된 빔분리막(781)을 갖는 빔스플리터일 수 있다. 광경로 변환기(780)는 빔분리막(781)으로 분할된 두 부위가 빔분리막(781)을 경계로 접합된 형태를 지닐 수 있다. 이때, 광경로 변환기(780)의 두 부위는 실질적으로 동일한 굴절률을 가질 수 있다.
광경로 변환기(780)의 빔분리막(781)은 하프 미러일 수 있다. 이 경우, 광원부(710)에서 조명된 광이 편광된 광으로 제한될 필요는 없다.
다른 예로, 광원부(710)에서 조명된 광이 편광된 경우, 광경로 변환기(780)의 빔분리막(781)은 편광선택성 반사막일 수 있다. 가령, 빔분리막(781)은 제1 입사면(780a)에 입사된 광(즉, 광원(110)에서 방출된 편광의 광)을 반사하고 제2 편광의 광을 투과하는 편광선택성을 가질 수 있다. 외부광(Lo)은 제1 편광 성분과 상기 제1 편광 방향에 직교하는 제2 편광 성분을 모두 가질 수 있으므로, 빔분리막(781)이 상기의 편광선택성을 갖는 경우, 제2 입사면(780b)에서 입사된 외부광(Lo) 중 제2 편광 성분만이 빔분리막(781)을 통과하여 사용자 눈(11)의 동공(13)에 도달하게 될 것이다.
빔분리막(781)의 곡면은 제1 입사면(780a)에 입사된 광빔이 빔분리막(781)에서 반사되면서 집속되어 시역 윈도우(VW)가 사용자 눈(11)의 동공(13) 앞에 형성될 수 있도록 설계된다. 이러한 빔분리막(781)에 의한 광빔의 집속은 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 필드 렌즈(170)나 도 11을 참조하여 설명한 필드 반사경(670)에 의한 기능을 대체한다. 따라서, 광경로 변환기(780)는 빔분리막(781)이 전술한 필드 렌즈(170)의 위치에 상응하게 위치하도록 배치될 수 있다. 가령, 광경로 변환기(780)는 빔분리막(781)이 릴레이 광학계(140)에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면(도 3의 172)의 근방에 위치하도록 배치될 수 있다. 또는 광경로 변환기(780)는 릴레이 광학계(140)에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면(172)이 빔분리막(781)의 초점 안쪽에 위치하도록 배치될 수 있다. 달리 말하면, 광경로 변환기(780)는 릴레이 광학계(140)에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면(172)을 확대된 정립 허상으로 재결상하도록 배치될 수 있다.
한편, 광경로 변환기(780)의 빔분리막(781)을 경계로 한 두 부위는 실질적으로 동일한 굴절률을 가지므로, 외부광(Lo)이 빔분리막(781)을 통과할 때, 굴절 현상이 발생하지 않는다. 달리 말하면, 외부광(Lo)은 빔분리막(781)을 굴절 없이 지나가게 되므로, 사용자는 외부의 장면을 왜곡 없이 볼 수 있을 것이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(800)의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13를 참조하면, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(800)의 광학계는 광빔 선택형 광학소자(890)를 더 구비하고 있다는 점을 제외하고는 도 12를 참조한 실시예에서 설명된 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(700)의 광학계와 실질적으로 동일하므로, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
광원부(110)는 편광을 갖는 광을 조명한다. 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 광원부(110)가 편광을 갖는 광을 조명하는 경우, 광분기기(130)는 편광 빔스플리터일 수 있으며, 광분기기(130)와 공간 광 변조기(120) 사이에 1/4 파장판(미도시)과 같은 편광변환부재가 더 배치될 수도 있다. 광경로 변환기(880)는 편광 선택성을 가지며 소정의 곡면으로 형성되는 빔분리막(881)을 갖는다. 도 12를 참조한 실시예에서와 같이, 빔분리막(881)은 제1 입사면(880a)에 입사된 제1 편광의 광(즉, 광원(110)에서 방출된 편광의 광)을 반사하고 제2 편광의 광을 투과하는 편광선택성을 가질 수 있다. 외부광(Lo)은 제1 편광의 성분과 상기 제1 편광 방향에 직교하는 제2 편광의 성분을 모두 가질 수 있으므로, 외부광(Lo) 중 제2 편광 성분만이 빔분리막(881)을 통과하여 사용자 눈(11)의 동공(13)에 도달하게 될 것이다. 후술하는 바와 같이 광빔 선택형 광학소자(890)은 제1 편광의 광에 대해서만 정(+)의 굴절력을 갖고 제2 편광의 광에 대해서는 굴절력을 가지지 않을 수 있다. 따라서, 빔분리막(881)의 곡면은, 광빔 선택형 광학소자(890)의 굴절력을 고려하여 설계될 수 있다.
도 14는 도 13의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(800)에 채용되는 광빔 선택형 광학소자(890)의 일 예로서, 광빔 선택형 광학소자(890)가 제1 편광의 광과 제2 편광의 광에 대해 굴절률이 다른 편광 의존형 렌즈인 경우를 도시한다. 도 14를 참조하면, 광빔 선택형 광학소자(890)는 제1 렌즈부(891)와 제2 렌즈부(892)가 접합된 접합 렌즈일 수 있다. 제1 렌즈부(891)는 예를 들어 글래스(glass) 또는 등방성 폴리머 재질로 형성된 등방성 렌즈이고, 제2 렌즈부(892)는 편광 방향에 따라 굴절률이 다른 비등방성 폴리머 재질로 형성된 비등방성 렌즈일 수 있다. 이러한 비등방성 폴리머의 제2 렌즈부(892)는, 제1 편광의 광에 대해서는 제1 렌즈부(891)의 굴절률과 다른 굴절률을 가지며, 제2 편광의 광에 대해서는 제1 렌즈부(891)의 굴절률과 실질적으로 동일한 굴절률을 가지도록 형성될 수 있다. 광빔 선택형 광학소자(890)의 입사면(890a)(즉, 제1 렌즈부(891)의 입사면)과 광빔 선택형 광학소자(890)의 출사면(890c)(즉, 제2 렌즈부(892)의 출사면)은 평평한 면일 수 있다. 제1 렌즈부(891)와 제2 렌즈부(892) 사이의 경계면(890b)은 소정의 곡률을 갖는 곡면으로 형성된다. 경계면(890b)의 곡면은 광빔 선택형 광학소자(890)의 입사면(890a)에 입사된 제1 편광의 광빔이 집속되어 시역 윈도우(VW)가 사용자 눈(11)의 동공(13) 앞에 형성될 수 있도록 설계된다.
다음으로, 본 실시예의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(800)의 동작을 간략하게 설명한다.
광원부(110)에서 조명된 편광을 갖는 광은, 공간 광 변조기(130)을 거쳐 소정의 홀로그램 영상 정보를 갖고 회절되며, 릴레이 광학계(140), 및 노이즈 제거 필터(150)를 거쳐, 광경로 변환기(880)의 제1 입사면(880a)에 제1 편광의 회절광으로 입사된다. 광경로 변환기(880)는 제1 편광의 회절광에 대해 빔분리막(881)에서 반사되며, 빔분리막(881)의 곡률에 의해 집속되어, 출사면(880c)를 통해 출사된다. 광경로 변환기(880)에서 출사된 제1 편광의 회절광은 광빔 선택형 광학소자(890)에서 집속되어 사용자 눈(11)의 동공(13) 앞에 시역 윈도우(VW)를 형성함으로써, 사용자가 홀로그램 영상을 볼 수 있도록 한다.
외부광(Lo)은 광경로 변환기(880)의 제2 입사면(880b)에 입사되며, 외부광(Lo) 중 제1 편광에 수직한 제2 편광의 광만이 광경로 변환기(880)의 빔분리막(881)을 통과하여 출사면(880c)를 통해 출사된다. 광경로 변환기(880)에서 출사된 제2 편광의 외부광(Lo)은 광빔 선택형 광학소자(890)에서 굴절없이 통과되어 사용자가 왜곡없이 외부의 장면을 볼 수 있도록 한다.
본 실시예의 경우, 제1 편광의 광에 대하여 광경로 변환기(880)과 광빔 선택형 광학소자(890)에서 굴절력을 배분하여 설계하므로, 광학 설계의 자유도 면에서 좀 더 자유롭고, 또한 시야각(VA)을 충분히 크게 할 수가 있다. 경우에 따라서, 광빔 선택형 광학소자(890)에서 굴절력을 충분히 담당할 수 있는 경우, 광경로 변환기(880)의 빔분리막(881)은 평평한 면으로 형성할 수도 있을 것이다.
도 15a 내지 도 15c는 도 13의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(800)에 채용되는 광빔 선택형 광학소자의 다른 예들을 도시한 도면이다.
도 15a 내지 도 15c는 도 13의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(800)에 채용되는 광빔 선택형 광학소자의 다른 예들을 도시한 도면이다.
도 15a를 참조하면, 광빔 선택형 광학소자(990)는 대향되는 제1 및 제2 투명기판층(991, 992)과, 제1 및 제2 투명기판층(991, 992) 사이에 개재되는 액정층(994)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 투명기판층(991, 992)의 대향되는 면 중 적어도 일면은 곡면을 형성되어, 광빔 선택형 광학소자(990)가 액정층(994)의 배향 여부에 따라 소정의 굴절력을 갖도록 할 수 있다. 제1 및 제2 투명기판층(991, 992)에는 각각 제1 및 제2 전극(996, 997)이 마련될 수 있다. 제1 및 제2 전극(996, 997)은 전원(998)에 의해 전압이 인가되며, 액정층(994)의 액정들은 인가된 전압에 의해 정렬될 수 있다. 참조번호 995는 액정층(994)을 밀봉하는 격벽을 나타낸다. 액정층(994)은 액정 정렬에 따라, 액정층(994)의 굴절률과 편광 특성이 변경될 수 있으므로, 본 실시예의 광빔 선택형 광학소자(990)는 능동형 렌즈가 될 수 있다. 일 예로, 액정층(994)은 전압이 인가되지 않은 상태에서, 제1 편광의 광이나 제2 편광의 광 모두 그대로 투과되도록 하여 사용자가 홀로그램 영상과 외부 장면을 모두 볼 수 있도록 할 수 있다. 또한, 액정층(994)은 전압이 인가된 상태에서는 제1 편광의 광만을 투과시키면서 집속되도록 하여 사용자가 홀로그램 영상만을 볼 수 있도록 할 수 있다. 다른 예로서, 액정층(994)에 전압을 인가한 경우 제2 편광만을 투과하도록 설계한다면, 액정층(994)은 전압이 인가되지 않은 상태에서, 제1 편광의 광이나 제2 편광의 광 모두 그대로 투과되도록 하여 사용자가 홀로그램 영상과 외부 장면을 모두 볼 수 있도록 하고, 액정층(994)은 전압이 인가된 상태에서는 제2 편광의 광만을 투과시키면서 집속되도록 하여 사용자가 외부 장면만을 볼 수 있도록 할 수도 있을 것이다.
한편, 도 15a는 제2 투명기판층(992)의 내측면(즉, 제2 전극(997)이 마련된 면)이 곡면으로 형성된 경우를 도시하고 있으나, 제1 투명기판층(991)이 곡면으로 형성될 수 있음은 물론이다. 또한, 제1 및 제2 전극(996, 997)가 제1 및 제2 투명기판층(991, 992)의 대향되는 면에 각각 마련된 경우를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 15b는 도 15a의 광빔 선택형 광학소자(990)의 변형예를 도시한다. 도 15b를 참조하면, 광빔 선택형 광학소자(990')는 대향되는 제1 및 제2 투명기판층(991', 992')과, 제1 및 제2 투명기판층(991', 992') 사이에 개재되는 액정층(994')을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 투명기판층(991', 992')에는 각각 제1 및 제2 전극(996', 997')이 마련될 수 있다. 제1 및 제2 전극(996', 997')은 전원(998')에 의해 전압이 인가되며, 액정층(994')의 액정들은 인가된 전압에 의해 정렬될 수 있다. 액정층(994')은 전압 인가에 따라 편광 특성이 달라질 수 있다. 액정층(994')은 격벽(995')에 의해 밀봉된다.
제1 및 제2 투명기판층(991', 992') 중 적어도 하나는 접합렌즈일 수 있다. 일 예로, 도 15b에 도시된 예처럼, 제2 투명기판층(992')은 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 렌즈층(992a')과 제2 렌즈층(992b')이 접합되어 형성될 수 있다. 이때, 제2 투명기판층(992')는 전체적으로 평판 형상을 지닐 수 있으며, 제1 렌즈층(992a')과 제2 렌즈층(992b')의 접합면은 제2 투명기판층(992')이 정(+)의 굴절력을 갖도록, 입사면에 대해 볼록하게 형성될 수 있다. 제1 렌즈층(992a')과 제2 렌즈층(992b')의 굴절률에 따라서, 접합면의 형상은 달라질 수 있다. 이러한 제2 투명기판층(992')는, 도 14를 참조하여 설명한 광빔 선택형 광학소자(890)와 같이, 제1 렌즈층(992a')가 등방성 소재로 형성되고, 제2 렌즈층(992b')는 비등방성 소재로 형성되어, 제1 편광의 광(즉, 회절광)과 제2 편광의 광(즉, 외부광)에 대해 굴절률을 달리할 수도 잇다.
본 실시예의 광빔 선택형 광학소자(990')는 제2 투명기판층(992')이 굴절력을 담당하고 광빔 선택형 광학소자(990')은 편광 선택만을 한다는 점에서 도 15a를 참조하여 설명한 광빔 선택형 광학소자(990)와 차이가 있다.
도 15c는 도 15a의 광빔 선택형 광학소자(990)의 다른 변형예를 도시한다. . 도 15c를 참조하면, 광빔 선택형 광학소자(990")는 대향되는 제1 및 제2 투명기판층(991", 992")과, 제1 및 제2 투명기판층(991", 992") 사이에 개재되는 액정층(994")을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 투명기판층(991", 992")에는 각각 제1 및 제2 전극(996", 997")이 마련될 수 있다. 제1 전극(996")은 제1 투명기판층(991") 전면 전체에 걸쳐 마련되나, 제2 전극(997")은 제2 투명기판층(992")의 전면의 일부(예를 들어, 도 15c에 도시된 예처럼 제2 투명기판층(992")의 전면의 둘레 혹은 양측)에 마련될 수 있다. 제1 및 제2 전극(996", 997")은 전원(998")에 의해 전압이 인가되며, 액정층(994")의 액정들은 인가된 전압에 의해 정렬될 수 있다. 액정층(994")은 격벽(995")에 의해 밀봉된다.
제2 전극(997")의 형상이나 배치 위치가 제1 전극(996")의 형상이나 배치 위치와 다르므로, 액정층(994")에 인가되는 전기장은 비균일하게 된다. 가령, 제2 전극(997")이 제2 투명기판층(992")의 둘레 혹은 양측에 마련된 경우, 제2 전극(997")의 모서리(edge)쪽의 전기장은 퍼지는 형상(fringing-field)을 가지게 된다. 따라서, 제2 전극(997")의 형상, 배치 위치, 및 인가 전압을 적절히 선택하게 되면, 액정층(994")에 인가되는 비균일한 전기장에 의해 액정층(994")이 정(+)의 굴절력을 갖도록 할 수 있다. 즉, 액정층(994")은 전압이 인가되지 않은 상태에서, 제1 편광의 광이나 제2 편광의 광 모두 그대로 투과되도록 하여 사용자가 홀로그램 영상과 외부 장면을 모두 볼 수 있도록 할 수 있다. 또한, 액정층(994")은 전압이 인가된 상태에서는 제1 편광의 광만을 투과시키면서 집속되도록 하여 사용자가 홀로그램 영상만을 볼 수 있도록 할 수 있다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 헤드 장착형 디스플레이 장치(투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치)(700)가 사용자(10)에게 착용된 예를 개략적으로 도시한 평면도이며, 도 17은 본 실시예의 헤드 장착형 디스플레이 장치(700)의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 실시예의 헤드 장착형 디스플레이 장치(700)는 안경이나 고글과 같이 사용자(10)의 머리에 착용되거나 안경이나 고글에 부착되는 장치일 수 있다.
헤드 장착형 디스플레이 장치(700)는 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)와, 우안 투시형 디스플레이 장치(702)와, 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)과 우안 투시형 디스플레이 장치(702)를 연결하는 프레임(803)을 포함할 수 있다. 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)과 우안 투시형 디스플레이 장치(702) 각각은 도 1 내지 도 15를 참조하여 설명한 실시예들 중 어느 하나의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치일 수 있다. 헤드 장착형 디스플레이 장치(700)를 사용자(10)의 머리에 착용할 때, 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(701)의 광경로 변환기(781)는 사용자(10)의 좌안(11L)에 인접하여 위치하며, 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치(702)의 광경로 변환기(782)는 사용자(10)의 우안(11R)에 위치하도록 배치될 수 있다. 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)과 우안 투시형 디스플레이 장치(702) 각각은 좌안용 홀로그램 영상과 우안용 홀로그램 영상을 표시할 수 있다. 또한, 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)과 우안 투시형 디스플레이 장치(702) 각각은 투시형이므로, 본 실시예의 헤드 장착형 디스플레이 장치(700)는 홀로그램 영상과 함께 외부의 장면을 볼 수 있는 투시형이다.
좌안 투시형 디스플레이 장치(701)과 우안 투시형 디스플레이 장치(702)의 광학계를 제어하는 제어부(904)는 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)과 우안 투시형 디스플레이 장치(702) 중 어느 한 쪽의 하우징의 내부에 마련되거나 혹은 외부에 마련될 수 있다.
사용자마다 동공의 위치에 조금씩 차이가 있을 수 있다. 따라서, 시야 윈도우(VW)를 사용자의 동공에 위치하도록 하기 위해서는, 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)과 우안 투시형 디스플레이 장치(702) 각각에서 형성되는 시야 윈도우(VW)의 위치를 조절하는 구성이 요구된다. 이에, 프레임(703)은 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)와, 우안 투시형 디스플레이 장치(702) 중 적어도 어느 하나를 좌우 방향(704)으로 움직여 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)와 우안 투시형 디스플레이 장치(702) 사이의 이격된 거리를 좁히거나 늘린 상태로 고정시킨다. 프레임(703)의 이와 같은 고정 장치는 공지의 방식을 취할 수 있다. 본 실시예의 헤드 장착형 디스플레이 장치(700)는 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)의 광학계와, 우안 투시형 디스플레이 장치(702)의 광학계가 각각 개별적으로 마련되므로, 좌안 투시형 디스플레이 장치(701)와, 우안 투시형 디스플레이 장치(702) 사이의 거리를 용이하게 조절할 수 있다.
전술한 본 발명인 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예들을 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, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1001, 1002: 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치
110: 광원부 111: 광원
112: 콜리메이터 렌즈 113: 반사부재
120, 220: 공간 광 변조기 130: 광분기기
140, 540: 릴레이 광학계 141, 143, 541, 543: 릴레이 렌즈
150: 노이즈 제거 필터 160: 반사부재
170: 필드 렌즈 172: 결상된 SLM
173: 정립 허상 SLM
180, 380, 480, 680, 781, 782, 880: 광경로 변환기485: 광량 조절 디바이스
180a, 180b, 680a, 680b, 880a, 880b: 입사면
180c, 680c, 880c: 출사면 181, 681, 881: 빔분리막
190: 하우징 191, 192: 윈도우
546: 가동 렌즈 홀더 670: 필드 반사경
700: 헤드 장착형 디스플레이 장치
703: 프레임 900, 901, 902, 903, 904: 제어부
880, 990, 990', 990": 광빔 선택형 광학소자
994, 994', 994": 액정층 10: 사용자
11, 11L, 11R: 눈 13: 동공

Claims (30)

  1. 광을 제공하는 광원;
    상기 광을 회절시켜 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광 변조기;
    상기 공간 광 변조기에서 재생된 홀로그램 영상을 확대 또는 축소하여 전달하는 릴레이 광학계;
    상기 릴레이 광학계를 통해 전달되는 홀로그램 영상의 회절광에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 필터;
    상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상의 회절광의 광경로와 외부광의 광경로 중 적어도 하나를 변경하여, 회절광과 외부광을 동일 영역에 전달하는 광경로 변환기; 및
    회절광을 집속시키고, 외부광은 투과시키는 광빔 선택형 광학소자;를 포함하며,
    상기 광빔 선택형 광학소자는 대향되는 제1 및 제2 투명기판층과, 상기 제1 및 제2 투명기판층 사이에 개재되는 액정을 포함하며, 상기 제1 및 제2 투명기판층 중 적어도 일면에 마련된 전극들에 의해 상기 액정이 제어되어 선택적으로 굴절력을 갖는 능동형 액정 렌즈인, 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광원에서 제공된 광을 평행광속으로 변환시키는 콜리메이터를 더 포함하는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 진폭변조 공간 광 변조기 또는 위상변조 공간 광 변조기인 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 릴레이 광학계는 상기 공간 광 변조기에서 변조된 홀로그램 영상이 입사되는 제1 광학소자와, 상기 제1 광학소자의 출사면측 제1 초점 근방에 입사면측 제2 초점을 갖는 제2 광학소자를 포함하는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 광학소자는 제1 초점거리를 가지며, 상기 제2 광학소자는 상기 제1 초점거리와 다른 제2 초점거리를 갖는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 노이즈 제거 필터는 상기 제1 광학소자의 출사면측 제1 초점 근방에 배치되는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 노이즈 제거 필터는 조리개인 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상을 집속하는 필드 광학소자를 더 포함하는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 필드 광학소자는 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면의 근방에 위치하는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 필드 광학소자는 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면이 상기 필드 광학소자의 입사면측 초점 위치와 상기 필드 광학소자의 입사면 사이에 위치하도록 배치되는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 필드 광학소자는 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면을 정립 허상으로 재결상하도록 배치되는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 필드 광학소자는 상기 광경로 변환기에 인접하여 배치되는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 릴레이 광학계와 상기 필드 광학소자 사이의 거리를 변경하여 상기 릴레이 광학계에서 전달되는 홀로그램 영상의 크기를 조절하는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 광경로 변환기는 상기 릴레이 광학계에서 전달되는 홀로그램 영상의 회절광이 입사되는 제1 면과, 외부광이 입사되는 제2 면과, 상기 제2 면에 대향되는 제3 면과, 내부에 위치하며 상기 제1 면에서 입사되는 홀로그램 영상의 회절광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 반사시키고 상기 제2 면에서 입사되는 외부광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 투과시키는 빔분리막을 포함하는 빔스플리터이며,
    상기 필드 광학소자는 상기 광경로 변환기의 상기 제1 면에 인접하여 배치되는 필드 렌즈인 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 광경로 변환기는 상기 릴레이 광학계에서 전달되는 홀로그램 영상의 회절광이 입사되는 제1 면과, 외부광이 입사되는 제2 면과, 상기 제2 면에 대향되는 제3 면과, 상기 제1 면에 대향되는 제4 면과, 내부에 위치하며 상기 제1 면에서 입사되는 홀로그램 영상의 회절광의 적어도 일부를 상기 제4 면으로 투과시키고 상기 제2 면에서 재입사되는 홀로그램 영상의 회절광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 반사시키며 상기 제2 면에서 입사되는 외부광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 투과시키는 빔분리막을 포함하는 빔스플리터이며,
    상기 필드 광학소자는 상기 광경로 변환기의 상기 제4 면에 인접하여 배치되는 오목 반사경인 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  16. 제8 항에 있어서,
    상기 광경로 변환기는 하프미러이며, 상기 필드 광학소자는 상기 릴레이 광학계와 상기 광경로 변환기 사이에 위치하며 상기 광경로 변환기에 인접하여 배치되는 필드 렌즈인 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 광경로 변환기는 상기 릴레이 광학계에서 전달되는 홀로그램 영상의 회절광이 입사되는 제1 면과, 외부광이 입사되는 제2 면과, 상기 제2 면에 대향되는 제3 면과, 내부에 위치하며 상기 제1 면에서 입사되는 홀로그램 영상의 회절광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 반사시키고 상기 제2 면에서 입사되는 외부광의 적어도 일부를 상기 제3 면으로 투과시키는 빔분리막을 포함하는 빔스플리터이며,
    상기 빔분리막은, 상기 제1 면에 대해 오목한 곡면 형상을 가져, 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상을 상기 제3 면으로 반사시키면서 집속하는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 광경로 변환기는 상기 빔분리막이 상기 릴레이 광학계에서 전달된 홀로그램 영상이 결상되는 이미지면의 근방에 위치하도록 배치되는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 빔분리막은 편광 선택형 반사막인 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제1 항에 있어서,
    상기 광빔 선택형 광학소자는 상기 전극들에 의해 상기 액정이 제어되어 선택적으로 편광 특성을 갖는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  23. 삭제
  24. 제1 항에 있어서,
    상기 광경로 변환기는 외부광의 투과되는 광량을 조절하는 능동형 반사기인 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 능동형 반사기는 외부광의 투과되는 광량을 조절하는 액정필터, 전기변색소자 중 어느 하나를 포함하는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  26. 제1 항에 있어서,
    상기 광경로 변환기는 시청자의 동공 근방에 배치되는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  27. 제1 항에 있어서,
    상기 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치는 각각이 시청자의 머리의 좌안 및 우안 중 적어도 어느 한쪽에 착용하는 헤드 장착형 하우징에 설치되는 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  28. 홀로그램 영상을 디스플레이하는 헤드 장착형 디스플레이 장치에 있어서,
    좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치;
    우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치; 및
    상기 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치와 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치를 연결하는 프레임;을 포함하며,
    상기 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치 각각은 청구항 제1 항 내지 제19 항, 제22 항 및 제24 항 내지 제27 항 중 어느 한 항의 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치인 헤드 장착형 디스플레이 장치.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 헤드 장착형 디스플레이 장치를 사용자의 머리에 착용할 때, 상기 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광경로 변환기는 사용자의 좌안에 인접하여 위치하며, 상기 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광경로 변환기는 사용자의 우안에 인접하여 위치하는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
  30. 제28 항에 있어서,
    상기 좌안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광경로 변환기와 상기 우안 투시형 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광경로 변환기의 사이의 거리가 조절되는 헤드 장착형 디스플레이 장치.
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