KR20130106776A

KR20130106776A - 홀로그램 표시 시스템

Info

Publication number: KR20130106776A
Application number: KR1020130004623A
Authority: KR
Inventors: 김선우; 윤민성; 신민영
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-09-30
Also published as: KR102022529B1

Abstract

본 발명의 제1 실시예에서는 간섭무늬를 이용해서 홀로그램을 표시하는 시스템에 있어서, 공간에 홀로그램을 형성하는 표시패널과, 시청자의 위치를 검출하는 감지 카메라와, 프리즘 패턴을 형성해서 검출된 시청자의 위치에 맞게 빛을 굴절시키는 광경로 변환셀과, 상기 프리즘 패턴의 기울기 값을 결정하는 구동전압을 상기 광경로 변환셀에 인가하는 구동부를 포함하는 홀로그램 표시 시스템을 개시한다.

Description

홀로그램 표시 시스템{System for displaying a hologram}

본 발명은 홀로그램 시청시 시야각 문제를 해결한 표시 시스템에 관한 것이다.

최근 3차원 (3D: Three Dimension) 영상과 영상 재생 기술에 대한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 3차원 영상 관련 미디어는 시각 정보의 수준을 한 차원 더 높여주는 새로운 개념의 실감 영상 미디어로서 차세대 영상장치를 주도할 것으로 예상된다. 기존의 2차원 영상 시스템은 평면 영상을 제공하지만 3차원 영상 시스템은 물체가 가지고 있는 실제 이미지 정보를 관찰자에게 보여주는 관점에서 궁극적인 영상 구현 기술이라고 할 수 있다.

3차원 입체 영상을 재생하기 위한 방법으로는 크게, 양안시차방식(stereoscopic)과 복합시차지각방식(autostereoscopic)으로 나누어진다. 양안시차방식은 입체 효과가 큰 좌우 눈의 시차 영상을 이용하는 방식이며, 안경을 이용하여 양안 시차 영상을 구현하는 안경방식의 입체영상 표시장치가 최근 상용화되고 있다. 안경방식은 직시형 표시소자나 프로젝터에 좌우 시차 영상의 편광을 바꿔서 표시하고 편광안경을 사용하여 입체영상을 구현하는 편광안경방식과 좌우 시차 영상을 시분할방식으로 표시하고 셔터안경을 사용하여 입체영상을 구현하는 셔터안경방식으로 나누어진다. 하지만, 안경방식은 시청자가 안경을 착용하여야만 입체영상을 시청할 수 있는 불편함이 있다. 이를 해결하기 위해, 안경을 착용하지 않고 입체영상을 시청할 수 있는 무안경방식이 개발되고 있다. 특히, 무안경 방식 중 하나인 부피표현(Volumetric) 디스플레이 방식은 연속된 시차와 컬러 정보를 제공해줄 수 있어 관찰자가 시점을 비교적 자유롭게 움직일 수 있는 장점을 제공한다.

부피표현 디스플레이 방식인 홀로그램 방식은 방식은 물체에서 반사된 빛(물체파)과 간섭성이 있는 빛(기준파)을 겹쳐서 얻어지는 간섭신호를 기록하고 이를 재생하는 원리를 이용하는 것이다. 가간섭성이 높은 레이저 광을 사용하여 물체에 부딪혀 산란되는 물체파를 또 다른 방향에서 입사된 기준파와 만나게 하여 형성된 간섭 무늬를 사진 필름에 기록한다. 물체파와 기준파가 만날 때, 간섭에 의한 간섭 무늬를 형성하는데, 이 간섭 무늬에 물체의 진폭과 위상 정보가 함께 기록된다. 이렇게 기록된 간섭 무늬에 참조광을 조사하여 홀로그램에 기록된 간섭 정보를 복원해 3차원적인 입체감을 느끼게 해준다. 이러한 기록 및 복원 원리를 사용해 3차원 영상을 구현하는 일련의 과정을 홀로그램이라고 한다.

홀로그램을 저장, 전송 및 영상처리를 위해 컴퓨터에 의해 생성하는 방법으로서, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH: Computer Generated Hologram)이 개발되었다. 이 컴퓨터 생성 홀로그램은 지금까지 다양한 방법으로 개발되고 있는데, 근래에는 디지털 산업의 발달에 의해 정지 영상의 컴퓨터 생성 홀로그램에 머무르지 않고 동영상의 컴퓨터 생성 홀로그램을 표시하기 위한 시스템이 개발되고 있다.

컴퓨터 생성 홀로그램은 컴퓨터를 이용하여 직접 홀로그램에 저장되는 간섭무늬를 만드는 것으로. 간섭 무늬 이미지를 컴퓨터로 계산하여 생성한 후, 액정 - 공간 광 변조기(LC-SLM: Liquid Crystal - Spatial Light Modulator)와 같은 공간 광 변조기에 전송하고, 이 SLM에 참조광을 조사하여 입체 영상을 복원/재생한다. 도 1은 종래 기술에 의한 컴퓨터 생성 홀로그램 방식을 구현한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 컴퓨터(100)에서 구현하고자 하는 입체 영상에 해당하는 간섭 무늬 이미지를 생성한다. 생성된 간섭 무늬는 SLM(200)으로 전송된다. SLM(200)은 투과형 액정표시패널로 형성하여 간섭 무늬를 표시할 수 있다. SLM(200)의 일측면에는 참조광으로 사용할 레이저 광원(300)이 위치해 있다. 레이저 광원(300)에서 조사되는 참조광(900)을 SLM(200)의 전면에 고르게 투사하기 위해서 확장기(400)와 렌즈(500)가 순차적으로 배치된다. 레이저 광원(300)에서 출사된 참조광(900)은, 확장기(400)와 렌즈(500)를 거쳐 SLM(200)의 일측면에 조사된다. 이에 따라, SLM(200)의 타측면에는 SLM(200)에 구현된 홀로그램의 간섭 무늬에 의해 3차원 입체 영상(800)이 표시된다.

그런데, 이처럼 LCD 기반으로 홀로그램을 재생하는 경우에, 한 화소의 픽셀피치가 너무 커서 회절각이 너무 작게 된다. 이 때문에, 홀로그램을 시청할 수 있는 시야각이 매우 작아, 시청자는 매우 좁은 범위에서만 홀로그램을 시청할 수 밖에 없는 문제가 있다.

본 발명은 이 같은 배경에서 창안된 것으로, 좁은 시야각에도 불구하고 시청자가 시청 위치에 상관없이 홀로그램을 시청할 수 있도록 하는데 있다.

상기 광경로 변환셀은, 제1 기판과 제2 기판 사이에 협지된 액정셀과, 상기 액정셀을 이루는 액정 분자들의 배열을 제어하는 전기장을 생성하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함해서 구성되며, 상기 액정셀을 이루는 액정분자들은 상기 전기장에 따라 점진적으로 변화는 형태로 배열돼서 상기 프리즘 패턴을 형성한다.

상기 액정셀은 ECB 모드 액정셀이고, 상기 제1 전극은 빛이 입사되는 방향의 제1 기판에 상기 ECB 모드 액정 분자의 초기 배열과 나란한 방향으로 스트라이프 배열을 이루도록 형성되며, 상기 제2 전극은 빛이 출력되는 방향의 제2 기판에 전체로 형성된다.

상기 표시패널은, 상기 제1 전극과 나란한 방향으로 빛을 선편광시켜서 상기 광경로 변환셀에 공급한다.

상기 프리즘 패턴으로는 n개(n=자연수)의 제1 전극들이 배치되고, 상기 구동부는, 상기 n개의 제1 전극들에 전압이 최대에서 최소 방향으로 선형적으로 작아지는 전압들로 이뤄진 구동전압을 인가해서 상기 제1 프리즘 패턴을 형성하고, 전압이 최소에서 최대 방향으로 선형적으로 커지는 전압들로 이뤄진 구동전압을 인가해서 상기 제2 프리즘 패턴을 형성한다.

본 발명의 제2 실시예에서, 상기 광경로 변환셀은, 빛을 상/하 방향으로 굴절시키는 제1 광경로 변환셀과, 빛을 좌/우 방향으로 굴절시키는 제2 광경로 변환셀을 포함하고, 상기 제1광경로 변환셀이 상기 표시패널에 가깝도록 배치된다.

상기 제1 광경로 변환셀과 제2 광경로 변환셀 각각은, 제1 기판과 제2 기판 사이에 협지된 액정셀과, 상기 액정셀을 이루는 액정 분자들의 배열을 제어하는 전기장을 생성하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함해서 구성되며, 상기 액정셀을 이루는 액정분자들은 상기 전기장에 따라 점진적으로 변화는 형태로 배열돼서 상기 프리즘 패턴을 형성한다.

상기 액정셀은 ECB 모드 액정셀로 이뤄지며, 상기 액정셀을 이루는 액정분자들은 상기 제1 전극과 나란한 방향으로 초기 배열된다.

상기 제1 광경로 변환셀과, 상기 제2 광경로 변환셀을 각각 이루는 제1 전극은 빛이 입사되는 방향의 제1 기판에 스트라이프 배열을 이루도록 형성되며, 상기 제2 전극은 빛이 출력되는 방향의 제2 기판에 전체로 형성된다.

상기 제1 광경로 변환셀의 제1 전극은 수평한 방향으로 배열되고, 상기 제2 광경로 변환셀의 제2 전극은 수직한 방향으로 배열된다.

제1 광경로 변환셀과 제2 광경로 변환셀 사이에 빛을 90도만큼 위상 지연시키는 위상 지연판을 더 포함한다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 표시패널 앞에 광경로 변환셀을 배치하는 한편, 시청자의 좌/우 위치 변화에 맞춰 광경로 변환셀에서 프리즘 패턴을 달리 형성해서 빛의 광경로 변환을 제어한다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예는 시청자의 위치에 따라 홀로그램의 생성 위치를 이동시킬 수 있으므로, 좁은 시야각으로 인해 시청자가 홀로그램을 시청할 수 없었던 위치에서도 홀로그램을 시청할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 표시패널 앞에 2개의 광경로 변환셀을 배치하는 한편, 시청자의 상/하, 좌/우 위치 변화에 맞춰 광경로 변환셀에서 프리즘 패턴을 달리 형성해서 빛의 광경로 변환을 제어한다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예는 시청자의 상,하,좌,우 위치에 따라 홀로그램의 생성 위치를 이동시킬 수 있으므로, 좁은 시야각으로 인해 시청자가 홀로그램을 시청할 수 없었던 위치에서도 홀로그램을 시청할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에서는 광경로 변환셀을 투과할 때 빛의 회절로 인해 발생하던 크로스토크 문제를 제1 광경로 변환셀과, 제2 광경로 변환셀 사이의 거리를 통해 해결한다.

도 1은 종래 홀로그램을 표시하는 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 홀로그램 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단해서 광경로 변환셀의 단면 모습을 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5는 광경로 변환셀에 형성된 프리즘 패턴에 따라 빛이 굴절되는 원리를 설명하는 도면이다.
도 6은 제1 실시예의 홀로그램 표시 시스템의 구동방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀로그램 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9는 제1 광경로 변환셀에 형성된 프리즘 패턴에 따라 빛이 굴절되는 원리를 설명하는 도면이다.
도 10은 제2 실시예에 따른 홀로그램 표시 시스템의 구동방법을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 홀로그램 시스템을 통해서 홀로그램을 시청할 때, 크로스토크 문제없이 홀로그램을 시청할 수 있는 시청 거리를 설명하는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것일 수 있는 것으로서, 실제 제품의 부품 명칭과는 상이할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 홀로그램 시스템의 개략적인 구성을 보여준다. 도 2에서 예시하는 바처럼, 홀로그램 표시패널(10), 광경로 변환셀(30), 표시패널 구동부(50), 광경로 변환셀 구동부(60), 제어부(80) 및 감지 카메라(90)를 포함한다.

이 제1 실시예에서, 홀로그램 표시패널(10)은 도 1을 통해서 상술한 구성과 동일하게 구성된다. 즉, 홀로그램 표시패널(10)은 투과형 LCD로 구성된다. 이 홀로그램 표시패널(10)은 간섭무늬 패턴을 입력받아 디스플레이하며, 이에 따라 레이저 광원에서 조사된 빛이 홀로그램 표시패널(10)을 투과하면서, 홀로그램이 표시패널(10)의 타측면에 표시될 수가 있다.

빛이 진행하는 방향을 기준(도면의 +z축 방향)으로 표시패널(10) 앞에 광경로 변환셀(30)이 배치된다. 이 광경로 변환셀(30)은 표시패널(10)로부터 입사되는 빛을 그대로 통과시키거나 프리즘 패턴을 형성하여 왼쪽 방향(-θ) 또는 오른쪽 방향(+θ)(도면의 x축 방향 기준)으로 굴절시킨다. 따라서, 표시패널(10)에서 소정 거리만큼 떨어져 생성되는 홀로그램은 광경로 변환셀(30)에 의해 가로축(x축) 방향, 즉 좌/우 방향으로 그 생성 위치가 조정된다.

표시패널 구동부(50)는 게이트 구동부와 데이터 구동부를 포함한다. 데이터 구동부는 제어부(80)로부터 홀로그램 데이터(DATA)를 입력받고, 감마전압 발생회로(미도시)로부터 공급되는 정극성/부극성 감마보상전압을 이용하여 홀로그램 데이터(DATA)를 정극성/부극성 아날로그 데이터 전압으로 변환한다. 데이터 구동부는 정극성/부극성 아날로그 데이터전압을 표시패널(10)의 데이터 라인들에 공급한다. 게이트 구동부는 제어부(80)의 제어 하에 데이터 전압에 동기되는 게이트 펄스(또는 스캔 펄스)를 표시패널(10)의 게이트 라인들에 순차적으로 공급한다.

광경로 변환셀 구동부(60)는 광경로 변환셀(30)을 구동하기 위한 구동전압을 광경로 변환셀(30)에 공급한다. 이 구동전압은 광경로 변환셀에서 형성되는 프리즘 패턴의 기울기값을 조정해서 시청자의 위치에 맞춰 홀로그램이 표시될 수 있도록 한다. 이 구동전압은 액정셀을 이루는 액정분자의 배열 방향을 선형적으로 조절하기 위해서, 선형적으로 감소하거나 증가하는 전압들의 집합들로 이뤄질 수 있다.

제어부(80)는 표시패널 구동부(50)를 제어하여 표시패널(10)을 구동시킨다. 제어부(80)는 게이트 구동부 제어신호(GCS)를 게이트 구동부로 공급하고, 홀로그램 데이터(DATA)와 데이터 구동부 제어신호(DCS)를 데이터 구동부로 공급한다. 게이트 구동부 제어신호(GCS)는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 및 게이트 출력 인에이블 신호(Gate Output Enable) 등을 포함할 수 있다. 데이터 구동부 제어신호(DCS)는 소스 스타트 펄스(Source Start Pulse), 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock), 소스 출력 인에이블 신호(Source Output Enable), 극성제어신호 등을 포함할 수 있다.

감지 카메라(90)는 시청자의 이미지를 촬영하여 촬영된 이미지를 제어부(80)로 전송한다. 제어부(80)는 촬영된 이미지를 분석하여 시청자가 위치한 좌표를 산출한다. 제어부(80)는 산출된 시청자의 위치 좌표와 기준점을 비교하여 시청자가 기준점 대비 어디에 위치하는지를 판단한다. 제어부(80)는 시청자 위치 정보에 따라 광경로 변환셀 구동부(60)를 제어하여 광경로 변환셀(30)에 소정 기울기값을 갖는 프리즘 패턴을 형성한다. 시청자가 기준점 대비 가로축으로 이동하면, 이 광경로 변환셀 구동부(60)는 광경로 변환셀(30)에서 프리즘 패턴을 형성하여 입사되는 빛을 가로축(x축) 방향으로 굴절시키도록 광경로 변환셀(30)을 제어한다. 특히, 시청자의 위치 좌표의 가로축(x축) 값이 양수인지 음수인지에 따라 광경로 변환셀(30)은 입사되는 빛이 굴절되는 방향을 다르게 제어한다. 예를 들어, 광경로 변환셀(30)은 시청자의 위치 좌표의 가로축(x축) 값이 양수인 경우 제1 프리즘 패턴을 형성하여 입사되는 빛을 +θ 방향으로 굴절시키고, 시청자의 위치 좌표의 가로축(x축) 값이 음수인 경우 제2 프리즘 패턴을 형성하여 입사되는 빛을 -θ 방향으로 굴절시킨다. 또한, 시청자의 위치 좌표의 가로축(x축) 값과 기준점의 가로축(x축) 값의 차가 소정의 문턱 값보다 작은 경우 시청자가 기준점에 위치한다고 판단할 수 있으므로, 광경로 변환셀(30)은 프리즘 패턴을 형성하지 않고 입사되는 빛을 그대로 통과시킨다.

한편, 광경로 변환셀 구동부(60)는 광경로 변환셀(30)이 입사되는 빛을 그대로 통과시키기 위한 제1 구동전압, +θ 방향으로 굴절시키기 위한 제2 구동전압, -θ 방향으로 굴절시키기 위한 제3 구동전압이 저장된 룩-업 테이블을 포함할 수 있다. 이 경우, 광경로 변환셀 구동부(60)는 제어부(80)의 제어 신호에 응답하여 룩-업 테이블로부터 제1 내지 제3 구동전압 중 어느 하나를 선택하여 출력한다. 여기서, 룩-업 테이블은 시청자의 여러 위치에 대응하기 위해서 프리즘 패턴이 다른 기울기값을 갖도록 하는 복수개의 제2 구동전압과 복수개의 제3 구동전압을 저장할 수 있다.

이하, 광경로 변환셀(30)의 구성을 도 3을 참조로 자세히 설명한다. 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단한 단면도이다.

도 3에서, 광경로 변환셀(30)은 제1 기판(31)과 제2 기판(32) 사이에 액정셀(LC)이 협지된 구조를 이룬다.

제1 기판(31)은 플라스틱 기판 또는 유리기판으로 구성되고, 표시패널(10)과 마주한다. 즉, 제1 기판(31)은 빛이 광경로 변환셀(30)로 입사되는 방향에 배치된다. 이 제1 기판(31) 위에는 제1 전극(33)이 형성된다. 제1 전극(33)은 투명한 도전성 물질, 일 예로, ITO, IZO와 같은 투명한 도전성 산화물을 포토리소그라피 공정을 통해서 제1 기판(31) 위에 형성될 수 있다. 이 제1 전극(113)은 일 방향으로 길게 연장돼 있으며, 이웃한 것과는 소정 거리로 떨어져 있으며, 서로 나란하게 배치돼서 격자 형태를 이룬다. 도 3에서는 제1 전극(33)이 도면을 관통하는 방향(도면을 기준으로 y축 방향)으로 서로 나란하게 배치된 형태를 이뤄 수직방향으로 선편광돼서 표시패널(10)로부터 공급되는 빛과 나란한 방향으로 배열된다. 이러한 제1 전극(33)은 투명한 보호층(35)으로 덮어져 보호된다. 이 투명한 보호층(35)은 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기물로 이뤄진다.

제2 기판(32)은 제1 기판(31)과 마찬기지로 유리기판 또는 플라스틱 기판으로 구성되며, 빛이 광경로 변환셀(30)을 투과하는 방향 쪽에 배치된다.

이 제2 기판(32) 위에는 제2 전극(34)이 형성되는데, 제1 전극(33)과 달리 제2 기판(32) 전체에 공통으로 형성된다. 이 같은 제2 전극(34)은 빛이 통과할 수 있도록 투명한 물질, 예로 ITO, IZO와 같은 투명한 도전성 산화물로 형성될 수 있다. 이러한 제2 전극(34)은 투명한 보호층(36)으로 덮어져 보호된다. 이 투명한 보호층(36)은 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기물로 이뤄진다.

그리고, 제1 기판(31)과 제2 기판(32) 사이에 협지된 액정셀(LC)은 ECB(Electrically Controlled Birefringence) 모드 배열돼 있다.

주지하는 바처럼, ECB 모드에서 액정분자들은 제1 및 제2 기판 내측에 형성된 배향막(미도시)의 러빙 방향이 같다. 그리고, 그 사이에 존재하는 액정들은 장축이 제1 전극과 나란한 방향(도면의 y축 방향)으로 초기 배향되어 있다. 이에 따라, 이 ECB 모드에서, 전압을 인가하기 전에는 액정셀 내의 모든 액정분자들은 장축이 제1 전극(33)과 나란한 상태로 배열되며, 전압을 인가하면 액정분자들은 전기장과 동일한 방향으로 장축이 배열된 상태를 이루도록 회동한다. 즉, ECB 모드에서, 액정분자들은 수평방향과 수직방향 사이의 90도 회동을 한다.

도 4 및 도 5는 광경로 변환셀의 프리즘 패턴을 설명하는 도면이다. 이 중 도 4는 +θ 방향으로 빛을 굴절시키는 프리즘 패턴을 보여주며, 도 5는 -θ 방향으로 빛을 굴절시키는 프리즘 패턴을 보여준다.

도시된 바처럼, ECB 모드에서 프리즘 패턴(1PP, 2PP)은 액정의 배열 방향을 조절하는 것으로 구현된다. 즉, ECB 모드에서 액정은 제1 전극과 나란한 상태(도면의 y축 방향)와 제1 전극에 대해서 수직한 상태(도면의 z축 방향) 사이의 배열 상태를 이룬다. ECB 모드에서 액정분자는 제1 전극에 대해서 수직한 방향을 이루고 있을 때 굴절율(no)이 최소이고, 제1 전극과 나란한 방향을 이루고 있을 때 굴절율(ne)은 최대이다. 이에 맞춰, 표시패널(10)에서 투과한 빛은 수직방향(도면의 y축 방향)으로 선편광된 빛이므로, 액정분자의 배열 방향에 따라 굴절율이 달라진다. 즉, 수직 방향(도면의 y축 방향)으로 선편광된 빛에 대해 수평 방향(도면의 z축 방향)으로 배열된 액정분자는 최소 굴절율(no)이지만, 수직 방향으로 배열된 액정분자는 최대 굴절율(ne)이 된다.

따라서, 프리즘 패턴(1PP, 2PP)의 1피치(1P) 내에 포함되는 액정의 배열 방향을 수평한 상태에서 점진적으로 수직한 상태가 되도록 +x축을 따라 액정의 배열 방향을 조절하게 되면, 기울기가 tan(+θ)인 프리즘 패턴을 형성할 수가 있고(도 4 참조), -x축을 따라 액정의 배열 방향을 조절하게 되면, 기울기가 tan(-θ)인 프리즘 패턴을 형성할 수가 있다(도 5 참조).

먼저, 도 4에서처럼, 기울기가 tan(+θ)인 프리즘 패턴을 형성하는 경우에 제1 전극(33)으로는 +x축 방향을 따라 점진적으로 감소하는 전압들로 이뤄진 제2 구동전압이 인가된다. 예를 들어서, 제1 프리즘 패턴(1PP)의 1피치(1P) 내에 5개의 제1 전극들(33)이 배치되고, 이 제1 전극들(33)을 + x축 방향을 따라 가전극, 나전극, 다전극, 라전극, 마전극이라고 하고, 가전극에는 V1 전압이 인가되고, 나전극에는 V2 전압이 인가되고, 다전극에는 V3 전압이 인가되고, 라전극에는 V4 전압이 인가되고, 마전극에는 V5 전압이 인가된다고 가정했을 때, 전압의 크기는 「V1 > V2 > V3 > V4 > V5」의 관계를 만족한다.

그리고, 도 5에서처럼, 기울기가 tan(-θ)인 프리즘 패턴을 형성하는 경우에 제1 전극(33)으로는 +x축 방향을 따라 점진적으로 증가하는 전압들로 이뤄진 제3 구동전압이 인가된다. 위와 같은 동일한 가정하에서, 제3 구동전압을 이루는 전압들은 V1 < V2 < V3 < V4 < V5」의 관계를 만족한다.

한편, ECB 모드에서 액정셀은 전계가 인가되지 않은 상태에서 모든 액정분자들이 수직 방향(도면의 y축 방향)으로 배열된 상태를 이룬다. 이처럼, 액정셀(LC)의 액정분자들은 모두 수직 상태로 배열된 상태를 유지하기 때문에, 위치에 따라 액정분자들의 굴절율에는 아무런 변화가 없다. 이에 따라, 수직 방향으로 선편광된 빛은 광경로 변환셀(30)을 그대로 투과한다.

도 6은 상술한 제1 실시예에 따른 홀로그램 시스템의 구동방법을 보여주는 흐름도이다.

도 6에서, S101 단계에서, 표시패널(10)은 홀로그램 데이터를 입력받아 공간에 홀로그램을 표시한다.

S102 단계에서, 감지 카메라(90)는 시청자의 이미지를 촬영하여 촬영된 이미지를 제어부(80)로 전송한다. 제어부(80)는 촬영된 이미지를 분석하여 시청자가 위치한 좌표를 산출한다. 제어부(80)는 산출된 시청자의 위치 좌표와 기준점을 비교하여 시청자가 기준점 대비 어디에 위치하는지를 판단한다. 시청자가 기준점 대비 + θ 방향으로 이동하여 위치하는 경우, 제어부(80)는 시청자의 위치에 따른 제2 구동 전압을 광경로 변환셀(30)의 제1 전극(31)에 각각 입력한다. 이에 따라, 광경로 변환셀(30)은 프리즘 패턴을 형성해서 표시패널(10)로부터 입사되는 빛을 시청자가 위치하는 곳으로 굴절시킨다.

특히, 시청자의 위치가 +θ 또는 -θ만큼 이동했지는지에 따라 광경로 변환셀(30)은 빛을 다른 방향으로 굴절되도록 제어한다. 광경로 변환셀(30)은 시청자의 위치가 +θ만큼 이동한 경우에 도 4에서와 같은 프리즘 패턴을 형성해서 빛이 +θ만큼 굴절되도록 하며, 시청자의 위치가 -θ만큼 이동한 경우에 도 5에서와 같은 프리즘 패턴을 형성해서 빛이 -θ만큼 굴절되도록 해서 시청자의 위치로 3차원 영상을 표시한다(S103 내지 S106).

또한, 시청자의 위치 변화가 소정의 문턱 값보다 작은 경우 시청자의 위치 이동이 없는 것이므로, 광경로 변환셀(30)은 프리즘 패턴을 형성하지 않고 빛을 그대로 투과시키도록 제어된다(S107)

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예는 표시패널(10) 앞에 광경로 변환셀(30)을 배치하는 한편, 시청자의 좌/우 위치 변화에 맞춰 광경로 변환셀(30)에서 프리즘 패턴을 달리 형성해서 빛의 광경로 변환을 제어한다. 그 결과, 본 발명의 일 실시 예는 시청자의 위치에 따라 홀로그램의 생성 위치를 이동시킬 수 있으므로, 좁은 시야각으로 인해 시청자가 홀로그램을 시청할 수 없었던 위치에서도 홀로그램을 시청할 수 있다.

이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀로그램 시스템에 대해서 설명한다. 제2 실시예는 제1 실시예와 비교해 상, 하 방향(도면의 y축 방향)으로도 시청자의 위치를 추적해 홀로그램의 생성 위치를 조절한다는 점에서 차이가 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀로그램 시스템의 개략적인 구성을 보여준다. 도 7에서 예시하는 바처럼, 이 제2 실시예의 홀로그램 표시 시스템은 홀로그램 표시패널(10), 제1 및 제2 광경로 변환셀(30a, 30b)과 그 사이에 위치하는 위상 지연판(30c)을 포함하는 광경로 변환셀(30), 표시패널 구동부(50), 광경로 변환셀 구동부(60), 제어부(80) 및 감지 카메라(90)를 포함한다.

이 제2 실시예에서, 홀로그램 표시패널(10)은 상술한 제1 실시예와 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

제1 광경로 변환셀(30a)은 빛이 진행하는 방향을 기준(도면의 +z축 방향)으로 표시패널(10) 앞에 배치된다. 이 제1 광경로 변환셀(30a)은 표시패널(10)로부터 입사되는 빛을 그대로 통과시키거나, 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성해서 위쪽 방향, 또는 아래쪽 방향으로 빛을 굴절시킨다. 따라서, 홀로그램은 제1 광경로 변환셀(30a)에 의해 상/하 방향으로 그 생성 위치가 조정될 수가 있다.

제1 광경로 변환셀(30a) 앞에는 제2 광경로 변환셀(30b)이 더 위치한다. 이 제2 광경로 변환셀(30b)은 제1 광경로 변환셀(30a)에서 공급되는 빛을 그대로 통과시키거나, 수직한 방향(도면의 y축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성해 왼쪽 방향(-θ) 또는 오른쪽 방향(+θ)(도면의 x축 방향 기준)으로 빛을 굴절시킨다. 따라서, 홀로그램은 제2 광경로 변환셀(30b)에 의해 가로축(x축) 방향, 즉 좌/우 방향으로 그 생성 위치가 조정될 수가 있다.

광경로 변환셀 구동부(60)는 광경로 변환셀(30)을 구동하기 위한 구동전압을 제1 광경로 변환셀(30a)과 제2 광경로 변환셀(30b)에 각각 공급한다. 이 구동전압은 광경로 변환셀에서 형성되는 프리즘 패턴의 기울기값을 조정해서 사용자의 위치에 맞춰 홀로그램이 표시될 수 있도록 한다. 이 구동전압은 액정셀을 이루는 액정분자의 배열 방향을 선형적으로 조절하기 위해서, 선형적으로 감소하거나 증가하는 전압들의 집합들로 이뤄질 수 있다.

이 광경로 변환셀 구동부(60)는 제1 광경로 변환셀(30a)에 공급되는 빛을 그대로 통과시키기 위한 제1 구동전압, 위쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제2 구동전압, 아래쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제3 구동전압, 제2 광경로 변환셀(30b)에 공급되는 빛을 그대로 통과시키기 위한 제4 구동전압, 왼쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제5 구동전압, 오른쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제6 구동전압이 저장된 룩-업 테이블을 포함할 수 있다. 이 경우, 광경로 변환셀 구동부(60)는 제어부(80)의 제어 신호에 응답하여 룩-업 테이블에 기록된 제1 내지 제6 구동전압을 선택적으로 읽어 들여 출력한다. 여기서, 룩-업 테이블은 사용자의 여러 위치에 대응하기 위해서 프리즘 패턴이 다른 기울기값을 갖도록 하는 복수개의 구동전압들을 저장할 수 있다.

감지 카메라(90)는 사용자의 이미지를 촬영하여 촬영된 이미지를 제어부(80)로 전송한다. 제어부(80)는 촬영된 이미지를 분석하여 사용자가 위치한 좌표를 산출한다. 제어부(80)는 산출된 사용자의 위치 좌표와 기준점을 비교하여 사용자가 기준점 대비 좌/우 및 상/하 방향으로 얼마만큼 이동했는지를 판단한다. 제어부(80)는 이 위치 정보에 근거해서 광경로 변환셀 구동부(60)를 제어하여 제1 광경로 변환셀(30a)과 제2 광경로 변환셀(30b)에 각각 소정 기울기 값을 갖는 프리즘 패턴에 형성될 수 있도록 구동 전압을 공급한다.

이하, 광경로 변환셀(30)에 대해서 설명한다. 이 광경로 변환셀(30)의 구성은 상술한 제1 실시예의 광경로 변환셀(30) 구성과 동일하다. 다만, 제1 광경로 변환셀(30a)은 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성하기 때문에, 제1 전극(33)이 도면의 x축 방향, 즉 프리즘 패턴과 동일한 수평 방향으로 이웃한 것과 나란하게 형성된다. 그리고, 제2 광경로 변환셀(30b)는 수직한 방향(도면의 y축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성하기 때문에, 제1 전극(33)이 도면의 y축 방향, 즉 프리즘 패턴과 동일한 수직한 방향으로 이웃한 것과 나란하게 형성된다. 이 제2 광경로 변환셀(30b)은 상술한 제1 실시예의 광경로 변환셀과 동일하게 구성되며, 그 기능 역시 동일하다.

도 8 및 도 9는 제2 실시예에서 추가되는 제1 광경로 변환셀(30a)의 프리즘 패턴을 설명하는 도면이다. 이 중 도 8은 +θ 방향(위쪽 방향)으로 빛을 굴절시키는 프리즘 패턴을 보여주며, 도 9는 -θ 방향(아래쪽 방향)으로 빛을 굴절시키는 프리즘 패턴을 보여준다.

도시된 바처럼, ECB 모드에서 프리즘 패턴(1PP, 2PP)은 액정의 배열 방향을 조절하는 것으로 구현된다. 즉, ECB 모드에서 액정은 제1 전극(33) 과 나란한 상태(도면의 x축 방향)와 제1 전극과 수직한 상태(도면의 z축 방향) 사이를 90도 회동한다.

ECB 모드에서 액정은 제1 전극(33) 과 수직한 상태(도면의 z축 방향)일 때 굴절율(no)이 최소이고, 제1 전극과 나란한한 상태(도면의 x축 방향)일 때 굴절율(ne)은 최대이다. 이에 맞춰, 표시패널(10)에서 공급되는 빛은 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 선편광된 빛이므로, 액정분자의 배열 방향에 따라 굴절율이 달라진다. 즉, 수평 방향으로 선편광된 빛에 대해 수직한 방향(도면의 z축 방향)으로 배열된 액정분자는 최소 굴절율(no)이지만, 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 배열된 액정분자는 최대 굴절율(ne)이 된다.

따라서, 프리즘 패턴(1PP, 2PP)의 1피치(1P) 내에 포함되는 액정의 배열 방향을 수직한 상태(도면의 z축 방향)에서 점진적으로 수평한 상태(도면의 x축 방향)가 되도록 + y축(위에서 아래로)을 따라 액정의 배열 방향을 조절하게 되면, 기울기가 tan(+θ)인 프리즘 패턴을 형성할 수가 있고(도 8 참조), -x축(아래에서 위로)을 따라 액정의 배열 방향을 조절하게 되면, 기울기가 tan(-θ)인 프리즘 패턴을 형성할 수가 있다(도 9 참조).

먼저, 도 8에서처럼, 기울기가 tan(+θ)인 프리즘 패턴을 형성하는 경우에 제1 전극(33)으로는 -y축 방향을 따라 점진적으로 감소하는 전압들로 이뤄진 제2 구동전압이 인가된다. 예를 들어서, 제1 프리즘 패턴(1PP)의 1피치(1P) 내에 5개의 제1 전극들(33)이 배치되고, 이 제1 전극들(33)을 -y축 방향을 따라 가전극, 나전극, 다전극, 라전극, 마전극이라고 하고, 가전극에는 V1 전압이 인가되고, 나전극에는 V2 전압이 인가되고, 다전극에는 V3 전압이 인가되고, 라전극에는 V4 전압이 인가되고, 마전극에는 V5 전압이 인가된다고 가정했을 때, 전압의 크기는 「V1 > V2 > V3 > V4 > V5」의 관계를 만족한다.

그리고, 도 9에서처럼, 기울기가 tan(-θ)인 프리즘 패턴을 형성하는 경우에 제1 전극(33)으로는 -y축 방향을 따라 점진적으로 증가하는 전압들로 이뤄진 제3 구동전압이 인가된다. 위와 같은 동일한 가정하에서, 제3 구동전압을 이루는 전압들은 V1 < V2 < V3 < V4 < V5」의 관계를 만족한다.

한편, ECB 모드에서 액정셀은 전계가 인가되지 않은 상태에서 모든 액정분자들이 제1 전극과 나란한 방향으로 배열된 상태를 이루고 있기 때문에, 위치에 따라 액정분자들의 굴절율에는 아무런 변화가 없다. 이에 따라, 수직방향으로 선편광된 빛은 제1 광경로 변환셀(30a)을 그대로 투과한다.

한편, 제1 광경로 변환셀(30a)에서 구동전압이 인가되는 제1 전극 (33)은 수평한 방향으로 배열되어 있기 때문에 ECB 모드의 액정셀은 수평 방향으로 초기 배열된 상태에서 90도 회동한다. 때문에, 프리즘 패턴을 형성하기 위해서는 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 선편광된 빛이 필요하다.

그런데, 제2 광경로 변환셀(30b)에서 제1 전극(33)은 수직한 방향으로 배열되어 있다. 따라서, 제2 광경로 변환셀(30b)에서 액정셀을 이루는 액정분자들은 제1 전극(33)과 나란하게 초기 수직한 방향(도면의 x축 방향)으로 배열된 상태에서 90도 회동한다. 따라서, 수평한 방향으로 선평관된 빛이 제2 광경로 변환셀(30b)에 공급되면, 액정의 방향에 따른 굴절율 이방성은 나타나지 않아, 프리즘 패턴은 만들어지지 않는다.

때문에, 이 제2 실시예에서는 제1 광경로 변환셀(30a)과 제2 광경로 변환셀(30b) 사이에 빛을 90도 위상 지연시키는 위상 지연판(30c)을 더 포함해서 구성된다. 제1 광경로 변환셀(30a)을 투과한 수평한 방향의 빛은 이 위상 지연판(30c)을 투과하면서 수직한 방향의 빛으로 선편광된다.

한편, 제2 광경로 변환셀(30b)에서 빛이 좌/우 방향으로 굴절되는 것은 도 4 및 도 5를 통해서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

도 10은 상술한 제2 실시예에 따른 홀로그램 시스템의 구동방법을 보여주는 흐름도이다.

도 10에서, S11 단계에서, 표시패널(10)은 홀로그램 데이터를 입력받아 공간에 홀로그램을 표시한다.

S12 단계에서, 감지 카메라(90)는 사용자의 이미지를 촬영하여 촬영된 이미지를 제어부(80)로 전송한다. 제어부(80)는 촬영된 이미지를 분석하여 사용자가 위치한 좌표를 산출한다. 여기서, 좌표는 좌/우에 해당하는 (x,y)좌표와 상/하에 해당하는 (a,b)좌표이다. 제어부(80)는 산출된 사용자의 위치 좌표와 기준점을 비교하여 사용자가 기준점 대비 상/하. 좌/우로 얼마만큼 이동했는지를 판단한다.

판단 결과에 따라, 제어부(80)는 사용자의 위치에 따른 제1 구동 전압과 제2 구동전압을 선택한다. 여기서, 제1 구동전압은 (a,b)좌표를 기준으로 선택된 전압으로 제1 광경로 변환셀(30a)에 공급돼 프리즘 패턴을 형성하고, 제2 구동전압은 (x,y)좌표를 기준으로 선택된 전압으로 제2 광경로 변환셀(30b)에 공급돼 프리즘 패턴을 형성한다.

한편, 사용자의 위치 변화가 소정의 문턱 값보다 작은 경우 사용자의 위치 이동이 없는 것이므로, 광경로 변환셀(30)은 프리즘 패턴을 형성하지 않고 빛을 그대로 투과시키도록 제어된다(S13).

도 11은 크로스 토크가 발생하지 않는 시청 거리를 설명하는 도면이다. 이하, 도 11을 가지고, 상술한 홀로그램 표시 시스템에서 크로스 토크 문제를 일으키지 않으면서 홀로그램을 시청할 수 있는 시청 거리(D)에 대해서 설명한다.

빛은 회절현상 때문에 상술한 광경로 변환셀을 투과하는 경우에, 서로 다른 차수의 빛으로 나눠진다. 그런데, 홀로그램을 양안 시차 방식으로 프레임별로 좌안 이미지와 우안 이미지를 나눠 표시하는 경우에, 서로 다른 차수의 빛이 동일한 눈에서 보이는 경우, 크로스 토크 문제를 일으킨다. 예를 들어서, 제1 프레임에서 좌안 이미지를 표시하고, 제2 프레임에서 우안 이미지를 표시하는 경우에, 제2 프레임에서 회절 현상 때문에 제1 프레임의 좌안 이미지가 우안 이미지와 같이 보일 수가 있다.

이 같은 크로스 토크 문제없이 홀로그램을 시청하기 위해서, 시청자는 다음 조건을 만족하는 거리 이상 떨어져야 한다.

아래 수학식 1은 회절각(α)과 상술한 프리즘 패턴 사이의 관계를 보여준다. 이 수학식 1에 따르면, 회절각(α)은 프리즘 패턴의 너비(P)가 감소할수록 증가하는 것을 알 수 있다.

[수학식 1]

Sin(α) = λ/P (λ: 빛의 파장)

또한, 프리즘 패턴에 따른 회절각((α)을 가진 각 회절 차수의 빛은 사람의 눈이 6.5mm임을 가정할 때, 크로스토크가 발생하지 않는 최소한의 D값은 다음 수학식 2와 같이 정의된다.

[수학식 2]

tan(α/2) = (L/2)/D, (L: 양안 사이의 거리, D: 광경로 변환셀에서 양안까지의 거리)

그런데, 양안 사이의 거리(L)와 회절각(α)은 주어지는 값이므로, 위 수학식 2를 통해 구해진 D 값 이상의 거리를 두고 시청자가 홀로그램을 시청할 때, 회절 현상 때문에 서로 다른 차수의 빛이 동일한 눈에 보여 발생하는 크로스 토크 문제없이 홀로그램을 시청하는 것이 가능하다.

이상, 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims

간섭무늬를 이용해서 홀로그램을 표시하는 시스템에 있어서,
공간에 홀로그램을 형성하는 표시패널과,
시청자의 위치를 검출하는 감지 카메라와,
프리즘 패턴을 형성해서 검출된 시청자의 위치에 맞게 빛을 굴절시키는 광경로 변환셀과,
상기 프리즘 패턴의 기울기 값을 결정하는 구동전압을 상기 광경로 변환셀에 인가하는 구동부,
를 포함하는 홀로그램 표시 시스템.
제1항에 있어서,
상기 광경로 변환셀은,
제1 기판과 제2 기판 사이에 협지된 액정셀과,
상기 액정셀을 이루는 액정 분자들의 배열을 제어하는 전기장을 생성하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함해서 구성되며,
상기 액정셀을 이루는 액정분자들은 상기 전기장에 따라 점진적으로 변화는 형태로 배열돼서 상기 프리즘 패턴을 형성하는 홀로그램 표시 시스템.
제2항에 있어서,
상기 액정셀은 ECB 모드 액정셀이고,
상기 제1 전극은 빛이 입사되는 방향의 제1 기판에 상기 ECB 모드 액정 분자의 초기 배열과 나란한 방향으로 스트라이프 배열을 이루도록 형성되며, 상기 제2 전극은 빛이 출력되는 방향의 제2 기판에 전체로 형성되는 홀로그램 표시 시스템.
제3항에 있어서,
상기 표시패널은,
상기 제1 전극과 나란한 방향으로 빛을 선편광시켜서 상기 광경로 변환셀에 공급하는 홀로그램 표시 시스템.
제3항에 있어서,
상기 프리즘 패턴으로는 n개(n=자연수)의 제1 전극들이 배치되는 홀로그램 표시 시스템.
제5항에 있어서,
상기 구동부는,
상기 n개의 제1 전극들에 전압이 최대에서 최소 방향으로 선형적으로 작아지는 전압들로 이뤄진 구동전압을 인가해서 상기 제1 프리즘 패턴을 형성하고, 전압이 최소에서 최대 방향으로 선형적으로 커지는 전압들로 이뤄진 구동전압을 인가해서 상기 제2 프리즘 패턴을 형성하는 홀로그램 표시 시스템.
제1항에 있어서,
상기 광경로 변환셀은,
빛을 상/하 방향으로 굴절시키는 제1 광경로 변환셀과, 빛을 좌/우 방향으로 굴절시키는 제2 광경로 변환셀을 포함하고,
상기 제1광경로 변환셀이 상기 표시패널에 가깝도록 배치되는 홀로그램 표시 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 광경로 변환셀과 제2 광경로 변환셀 각각은,
제1 기판과 제2 기판 사이에 협지된 액정셀과,
상기 액정셀을 이루는 액정 분자들의 배열을 제어하는 전기장을 생성하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함해서 구성되며,
상기 액정셀을 이루는 액정분자들은 상기 전기장에 따라 점진적으로 변화는 형태로 배열돼서 상기 프리즘 패턴을 형성하는 홀로그램 표시 시스템.
제8항에 있어서,
상기 액정셀은 ECB 모드 액정셀로 이뤄지며, 상기 액정셀을 이루는 액정분자들은 상기 제1 전극과 나란한 방향으로 초기 배열되는 홀로그램 표시 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제1 광경로 변환셀과, 상기 제2 광경로 변환셀을 각각 이루는 제1 전극은 빛이 입사되는 방향의 제1 기판에 스트라이프 배열을 이루도록 형성되며, 상기 제2 전극은 빛이 출력되는 방향의 제2 기판에 전체로 형성되는 홀로그램 표시 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 광경로 변환셀의 제1 전극은 수평한 방향으로 배열되고, 상기 제2 광경로 변환셀의 제2 전극은 수직한 방향으로 배열되는 홀로그램 표시 시스템.
제11항에 있어서,
제1 광경로 변환셀과 제2 광경로 변환셀 사이에 빛을 90도만큼 위상 지연시키는 위상 지연판을 더 포함하는 홀로그램 표시 시스템.