KR20140076881A - 홀로그램 영상 표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)로 구현된 홀로그램 영상 표시장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치는 제1 확산광을 조사하는 광원; 상기 제1 확산광을 제1 평행광으로 변환하는 콜리메이터; 홀로그램 간섭무늬 패턴을 구현하고 상기 제1 평행광을 회절시켜 제1 회절 평행광을 출력하는 공간 광 변조기; 상기 제1 평행광이 상기 공간 광 변조기에 수직으로 입사되도록 상기 콜리메이터로부터 출력된 상기 제1 평행광의 경로를 변환하는 제1 광변환 필름; 및 상기 공간 광 변조기와 상기 제1 광변환 필름 사이에 위치하는 쿼터 웨이브 판을 포함하고, 상기 공간 광 변조기의 하부 기판은 상기 공간 광 변조기에 입사되는 상기 제1 평행광을 반사시키는 반사패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

홀로그램 영상 표시장치{HOLOGRAM IMAGE DISPLAY DEVICE}
본 발명은 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)로 구현된 홀로그램 영상 표시장치에 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, 스테레오스코피 (stereoscopy) 방식, 홀로그래피(holography) 방식 및 집적 영상(integral imaging) 방식 등의 방법들이 연구 개발되고 있다. 이 중에서 홀로그래피 방식은 레이저를 이용하여 제작한 홀로그래피를 3차원 영상으로 재현하여 안경 없이 입체 영상을 구현할 수 있다.
홀로그래피 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 부딪쳐 산란되는 물체파를 또 다른 방향에서 입사된 기준파와 만나게 하여 형성된 간섭 무늬를 사진 필름에 기록하는 것을 홀로그램이라고 한다. 물체파와 기준파가 만날 때, 간섭에 의한 간섭 무늬를 형성하는데, 이 간섭 무늬에 물체의 진폭과 위상 정보가 함께 기록된다. 간섭 무늬는 빛의 파동의 세기(intensity)와 위상(phase) 정보를 포함한다. 세기 정보는 간섭 무늬의 패턴들 간의 콘트라스트(contrast)로 기록되고, 위상 정보는 간섭 무늬에서 패턴들 간의 거리로 기록되고, 이렇게 기록된 간섭 무늬에 참조광을 조사하여 홀로그램에 기록된 간섭 무늬를 3차원 영상으로 복원하는 것을 홀로그래피라고 한다.
최근에 기술의 발전으로, 홀로그래피 방식의 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)가 개발되고 있다. 헤드 장착형 디스플레이는 안경이나 헬멧 형태로 착용하여 착용자의 눈 앞에 가까운 거리에 초점이 형성되는 가상 스크린의 안경형 모니터 장치이다. 최근에는 사용자의 이용 편리성을 높이기 위해 가볍고 얇은 헤드 장착형 디스플레이가 요구되는 실정이다.
홀로그래피 방식의 헤드 장착형 디스플레이는 홀로그램 간섭 무늬 이미지를 표시하는 공간 광 변조기(spatial light modulator, 이하 "SLM"이라 칭함)를 포함하고, SLM에 선편광을 갖는 면광원을 조사하여 홀로그램 입체영상을 구현한다. SLM은 액정표시패널로 구현되는 것이 일반적이다. 하지만, 홀로그래피 방식의 헤드 장착형 디스플레이는 면광원을 SLM에 조사함과 동시에 SLM으로부터 구현된 홀로그램 입체영상을 확대 렌즈에 조사하는 빔 스플리터와 확대 렌즈의 크기가 크기 때문에, 박형화가 어려운 문제가 있다.
본 발명은 박형화된 헤드 장착형 디스플레이를 구현할 수 있는 홀로그램 영상 표시장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치는 제1 확산광을 조사하는 광원; 상기 제1 확산광을 제1 평행광으로 변환하는 콜리메이터; 홀로그램 간섭무늬 패턴을 구현하고 상기 제1 평행광을 회절시켜 제1 회절 평행광을 출력하는 공간 광 변조기; 상기 제1 평행광이 상기 공간 광 변조기에 수직으로 입사되도록 상기 콜리메이터로부터 출력된 상기 제1 평행광의 경로를 변환하는 제1 광변환 필름; 및 상기 공간 광 변조기와 상기 제1 광변환 필름 사이에 위치하는 쿼터 웨이브 판을 포함하고, 상기 공간 광 변조기의 하부 기판은 상기 공간 광 변조기에 입사되는 상기 제1 평행광을 반사시키는 반사패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치는 제1 확산광을 조사하는 광원; 상기 제1 확산광을 제1 평행광으로 변환하는 콜리메이터; 및 홀로그램 간섭무늬 패턴을 구현하고 상기 제1 평행광을 회절시켜 제1 회절 평행광을 출력하는 공간 광 변조기를 포함하고, 상기 제1 평행광은 상기 공간 광 변조기에 수직인 각도가 아닌 소정의 각도로 입사되며, 상기 공간 광 변조기의 하부 기판은 상기 공간 광 변조기에 입사되는 제1 평행광을 반사시키는 반사패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광변환 필름들을 이용하여 빔 스플리터와 확대 렌즈를 구현한다. 그 결과, 본 발명은 박형화된 헤드 장착형 디스플레이를 구현할 수 있는 홀로그램 영상 표시장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 회절광 차단층을 이용하여 홀로그램 입체영상의 0 차 회절광을 제거할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 홀로그램 입체영상의 품질을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치를 보여주는 일 예시도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치의 광변환 과정을 보여주는 흐름도.
도 3은 도 1의 제1 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면.
도 4는 도 1의 제2 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면.
도 5는 도 1의 제3 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면.
도 6은 도 1의 제4 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치를 보여주는 일 예시도면.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치의 광변환 과정을 보여주는 흐름도.
도 9는 도 7의 제5 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면.
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.
본 발명은 공간 광변조기(Spatial Light Modulator, 이하 "SLM"이라 함)에 홀로그램 간섭 무늬 패턴을 구현하고, 홀로그램 간섭 무늬 패턴에 광(레이저광 등)을 조사하여 홀로그램 입체영상을 표시하는 홀로그램 영상 표시장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에서 SLM은 반사형 액정표시장치로 구현된 것을 중심으로 설명하였다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)로 구현된 것을 중심으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않음에 주의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치를 보여주는 일 예시도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치는 광원(10)들, 콜리메이터(collimator, 20), 제1 광변환 필름(30), SLM(40), 쿼터 웨이브 판(50), 회절광 차단 렌즈(60), 필드 렌즈(70), 미러(80) 등을 포함한다.
광원(10)들은 적색 레이저 다이오드, 녹색 레이저 다이오드, 및 청색 레이저 다이오드들을 포함하는 레이저 다이오드, 또는 적색, 녹색, 및 청색 LED(light emitting diode)들로 구현될 수 있다. 또한, 광원(10)들은 적색, 녹색 및 청색 광원의 조합이거나, 그 외의 다른 색상의 광원들의 조합이거나, 백색 레이저 다이오드나 백색 LED와 같은 단일 색의 광원일 수도 있다. 광원(10)들은 확산광을 출력할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 광원(10)들로부터 출력되는 확산광을 제1 확산광(DL1)으로 기재하였음에 주의하여야 한다.
광원(10)들로부터 출력된 제1 확산광(DL1)을 콜리메이트 광(collimated beam)으로 변환하기 위해, 광원(10)들 상에는 콜리메이터(20)가 배치될 수 있다. 콜리메이트 광은 사실상 분산이나 집중이 매우 적은 평행광을 의미한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 콜리메이터(20)로부터 출력되는 콜리메이트 광을 제1 평행광(PL1)으로 기재하였음에 주의하여야 한다. 한편, 본 발명의 제1 실시 예의 콜리메이터(20)는 도 7과 같이 제5 광변환 필름(90)으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 홀로그램 영상 표시장치는 더욱 박형화될 수 있다.
제1 광변환 필름(30)은 콜리메이터(20)로부터 출력된 제1 평행광(PL1)의 경로를 변환한다. 또한, 제1 광변환 필름(30)은 SLM(40)으로부터 출력된 제1 회절 평행광(DP1)의 경로를 변환하지 않고 그대로 출력한다. 특히, 제1 광변환 필름(30)은 제1 평행광(PL1)이 SLM(40)에 수직으로 입사되도록 제1 평행광(PL1)의 경로를 변환한다. 도 1에서는 제1 광변환 필름(30)이 제1 평행광(PL1)의 경로를 수직으로 변환하는 것이 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않음에 주의하여야 한다. 제1 광변환 필름(30)은 제1 선편광(⊙)만의 경로를 변환시키도록 구현될 수 있다. 도 1에서 제1 선편광(⊙)은 수직 방향(z축 방향)으로 진동하는 수직 편광(⊙)인 것으로 예시하였다. 이 경우, 제1 평행광(PL1)은 제1 선편광(⊙)의 편광 성분을 갖도록 구현되고, 제1 회절 평행광(DP1)은 제2 선편광(↕)의 편광 성분을 갖도록 구현될 수 있다. 도 1에서 제2 선편광(↕)은 수평 방향(x축 방향)으로 진동하는 수평 편광(↕)인 것으로 예시하였다. 제1 광변환 필름(30)의 광경로 변환에 대한 자세한 설명은 도 2 및 도 3을 결부하여 후술한다.
제1 광변환 필름(30)과 SLM(40) 사이에는 쿼터 웨이브 판(quarter wave plate, 50)이 배치된다. 쿼터 웨이브 판(50)은 입사되는 광의 위상을 λ/4만큼 지연시킨다.
SLM(40)은 하부 기판(41), 상부 기판(42), 및 하부 기판(41)과 상부 기판(42) 사이에 형성된 액정층(43)을 포함하고, 하부 기판(41)에 입사광을 반사시키는 반사패턴이 형성된 반사형 액정표시패널로 구현될 수 있다. SLM(40)의 하부기판(41)에는 데이터 라인들과 게이트 라인들의 교차구조에 의해 매트릭스 형태로 화소들이 배열된다. SLM(40)의 화소들 각각은 박막 트랜지스터(thin film transistor)에 접속되고, 박막 트랜지스터를 통해 데이터 라인으로부터 공급되는 데이터 전압을 하부 기판(41)의 하부 전극에 공급한다. SLM(40)의 화소들 각각은 하부 전극과 상부 기판(42)의 상부 전극 간의 전압 차에 의해 액정층(43)의 액정 분자들의 배열을 변화시켜 홀로그램 간섭무늬 패턴을 구현할 수 있다. SLM(40)에 구현된 홀로그램 간섭무늬 패턴에 제1 평행광(PL1)이 조사되는 경우, 간섭무늬로 인한 제1 평행광(PL1)의 회절에 의해 홀로그램 입체영상이 구현된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 SLM(40)에 의해 회절되어 홀로그램 입체영상이 구현된 광을 제1 회절 평행광(DP1)으로 기재하였음에 주의하여야 한다.
한편, SLM(40)의 하부 전극은 입사광을 반사시키는 반사 전극으로 구현되어 반사패턴을 대신할 수 있다. 이 경우, 하부 기판(41)에 반사패턴이 형성되지 않을 수 있다. SLM(40)은 LCOS(liquid crystal on silicon)로 구현될 수 있다. 특히, 본 발명의 제1 실시 예에서는 SLM(40)에 제1 평행광(PL1)이 수직으로 입사되기 때문에, SLM(40)은 제1 평행광(PL1)이 입사된 경로로 제1 회절 평행광(DP1)을 출력하게 된다.
SLM(40)을 구동하기 위한 SLM 구동부(미도시)는 데이터 구동회로와 게이트 구동회로를 포함한다. 데이터 구동회로는 제어부로부터 입력되는 홀로그램 간섭 무늬 데이터를 아날로그 정극성/부극성 감마보상전압으로 변환하여 데이터 전압들을 발생하고 그 데이터 전압들을 데이터 라인들에 공급한다. 게이트 구동회로는 제어부의 제어 하에 데이터 라인들에 공급되는 데이터 전압들에 동기화되도록 게이트 펄스를 게이트 라인들에 순차적으로 공급한다.
회절광 차단 렌즈(60)는 SLM(40)으로부터 출력된 제1 회절 평행광(DP1)의 0 차 회절광을 차단한다. 0 차 회절광이 존재하는 경우 홀로그램 입체영상의 입체감이 떨어지므로, 회절광 차단 렌즈(60)는 0 차 회절광을 차단하는 역할을 한다. 회절광 차단 렌즈(60)는 제2 광변환 필름(61), 제3 광변환 필름(62), 및 차단층(63)을 포함한다. 제2 광변환 필름(61)은 제1 회절 평행광(DP1)을 제1 초점(f1)으로 수렴시키고, 제3 광변환 필름(62)은 제1 초점(f1)으로부터 확산되는 광을 제2 회절 평행광(DP2)으로 변환한다. 즉, 제2 회절 평행광(DP2)은 제1 회절 평행광(DP1)의 0 차 회절광이 제거된 광으로 정의될 수 있다. 제2 및 제3 광변환 필름(61, 62)에 대한 자세한 설명은 도 4 및 도 5를 결부하여 후술한다. 초점(f)에는 0 차 회절광을 차단하기 위한 차단층(63)이 위치할 수 있다.
한편, 회절광 차단 렌즈(60)는 확대 렌즈(magnifier)로 구현될 수 있다. 이 경우, 제2 광변환 필름(61)으로부터 제1 초점(f1)까지의 거리인 제1 초점거리(fd1)는 제3 광변환 필름(62)으로부터 제1 초점(f1)까지의 거리인 제2 초점거리(fd2)보다 짧게 구현될 수 있다. 이로 인해, 제1 회절 평행광(DP1)은 소정의 배율로 확대되어 제2 회절 평행광(DP2)으로 출력될 수 있다.
필드 렌즈(70)는 제2 회절 평행광(DP2)을 제2 초점(f2)으로 수렴시킬 수 있다. 제2 초점(f2)에는 사용자의 눈이 위치할 수 있다. 필드 렌즈(70)는 볼록 렌즈와 유사하게 기능하는 제4 광변환 필름(71)으로 구현될 수 있다. 즉, 필드 렌즈(70)는 홀로그램 입체영상을 확대하여 보여주는 볼록 렌즈와 유사한 역할을 한다. 제4 광변환 필름에 대한 자세한 설명은 도 6을 결부하여 후술한다.
미러(80)는 필드 렌즈(70)로부터 출력되는 광을 반사시키는 역할을 한다. 홀로그램 입체영상이 보이는 위치는 미러(80)에 의해 변경될 수 있다. 도 1에서는 미러(80)가 필드 렌즈(70)로부터 출력되는 광을 수직으로 반사시키는 것이 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않음에 주의하여야 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치의 광변환 과정을 보여주는 흐름도이다. 이하에서, 도 1과 도 2를 결부하여 홀로그램 영상 표시장치의 광변환 과정을 상세히 설명한다. 본 발명의 제1 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치의 광변환 과정은 광의 편광 특성을 이용하는 것이므로, 이를 중심으로 살펴보기로 한다.
첫 번째로, 광원(10)들로부터 출력된 제1 확산광(DL1)은 제1 선편광(⊙)의 편광 성분을 갖는 것을 중심으로 설명하였다. 도 1에서 제1 선편광(⊙)은 수직 방향(z축 방향)으로 진동하는 수직 편광(⊙)인 것으로 예시하였다. 제1 확산광(DL1)은 콜리메이터(20)에 의해 제1 평행광(PL1)으로 출력된다. 제1 평행광(PL1)은 제1 선편광(⊙)의 편광 성분을 갖는다. (S101)
두 번째로, 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)에 수직으로 입사되도록 제1 광변환 필름(30)에 의해 경로가 변환된다. 제1 광변환 필름(30)은 제1 선편광(⊙)만의 경로를 변환시키도록 구현될 수 있다. 제1 평행광(PL1)은 제1 선편광(⊙)의 편광 성분을 가지므로, 제1 광변환 필름(30)에 의해 경로가 변환된 제1 평행광(PL1)은 경로가 변환되어 쿼터 웨이브 판(50)에 입사된다. (S102)
세 번째로, 제1 평행광(PL1)은 쿼터 웨이브 판(50)에 의해 λ/4만큼 위상이 지연되므로, 제1 평행광(PL1)의 편광 성분은 제1 원편광으로 변환된다. 도 1에서 제1 원편광은 우원 편광인 것으로 예시하였다. 제1 원편광의 편광 성분을 갖는 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)에 입사된다. (S103)
네 번째로, 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)에 수직으로 입사되고, 액정층(43)에 구현된 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 회절되어 제1 회절 평행광(DP1)으로 출력된다. 특히, 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)의 하부 기판(41)에 형성된 반사패턴에 의해 반사되기 때문에, 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)의 상부 기판(42)부터 하부 기판(41)까지 액정층(43)에 구현된 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 회절되고, SLM(40)의 하부 기판(41)부터 상부 기판(42)까지 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 한 번 더 회절됨으로써, 제1 회절 평행광(DP1)으로 출력된다. 특히, 제1 평행광(PL1)이 SLM(40)에 수직으로 입사되어 반사패턴에 의해 반사되므로, 제1 평행광(PL1)의 입사 경로는 제1 회절 평행광(DP1)의 출력 경로와 같다. 또한, SLM(40)은 제1 평행광(PL1)이 두 번 회절되는 것을 고려하여 홀로그램 간섭무늬 패턴을 액정층(43)에 구현할 수 있다. 즉, 제1 평행광(PL1)은 액정층(43)의 두께(T)의 두 배만큼 이동하는 것을 고려하여 홀로그램 간섭무늬 패턴을 구현해야 한다. 제1 원편광의 편광 성분을 갖는 제1 회절 평행광(DP1)은 쿼터 웨이브 판(50)에 입사된다. (S104)
다섯 번째로, 제1 회절 평행광(DP1)은 쿼터 웨이브 판(50)에 의해 λ/4만큼 위상이 지연되므로, 제1 회절 평행광(DP1)의 편광 성분은 제2 선편광(↕)으로 변환된다. 도 1에서 제2 선편광(↕)은 수평 방향(x축 방향)으로 진동하는 수평 편광(↕)인 것으로 예시하였다. (S105)
여섯 번째로, 쿼터 웨이브 판(50)으로부터 출력된 제1 회절 평행광(DP1)은 제1 광변환 필름(30)에 의해 경로가 변환되지 않는다. 즉, 제1 광변환 필름(30)은 제1 선편광(⊙)만의 경로를 변환시키도록 구현되므로, 제2 선편광(↕)의 편광 성분으로 갖는 제1 회절 평행광(DP1)은 제1 광변환 필름(30)을 그대로 통과한다. (S106)
일곱 번째로, 회절광 차단 렌즈(60)에 의해 제1 회절 평행광(DP1)의 0 차 회절광은 차단된다. 구체적으로, 제1 회절 평행광(DP1)은 제2 광변환 필름(61)에 의해 제1 초점(f1)으로 수렴하므로, 제1 초점(f1)에 위치한 차단층(63)에 의해 제1 회절 평행광(DP1)의 0 차 회절광은 차단된다. 제1 초점(f1)으로부터 확산되는 광은 0 차 회절광이 제거된 광이다. 제1 초점(f1)으로부터 확산되는 광은 제3 광변환 필름(62)에 의해 제2 회절 평행광(DP2)으로 변환된다. 즉, 제2 회절 평행광(DP2)은 제1 회절 평행광(DP1)의 0 차 회절광이 제거된 광으로 정의될 수 있다.
또한, 제1 초점거리(f1)는 제2 초점거리(f2)보다 짧기 때문에, 제1 회절 평행광(DP1)은 회절광 차단 렌즈(60)에 의해 소정의 배율로 확대되어 제2 회절 평행광(DP2)으로 출력될 수 있다. (S107)
여덟 번째로, 제2 회절 평행광(DP2)은 필드 렌즈(70)에 의해 제2 초점(f2)으로 수렴된다. 제2 초점(f2)에는 사용자의 눈이 위치할 수 있다. (S108)
아홉 번째로, 필드 렌즈(70)로부터 출력되는 광은 미러(80)에 의해 반사된다. 홀로그램 입체영상이 보이는 위치는 미러(80)에 의해 변경될 수 있다. 사용자의 눈이 제1 위치(P1)에 위치하는 경우, 미러(80)는 생략될 수 있다. (S109)
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 광변환 필름을 이용하여 면광원을 SLM에 조사함과 동시에 SLM으로부터 구현된 홀로그램 입체영상을 회절광 차단층에 조사하고, 광변환 필름들을 이용하여 회절광 차단층을 구현하며 회절광 차단층을 확대 렌즈로 구현할 수도 있다. 그 결과, 본 발명은 박형화된 헤드 장착형 디스플레이를 구현할 수 있는 홀로그램 영상 표시장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 회절광 차단층을 이용하여 홀로그램 입체영상의 0 차 회절광을 제거할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 홀로그램 입체영상의 품질을 높일 수 있다.
도 3은 도 1의 제1 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면이다. 도 3을 참조하면, 제1 광변환 필름(30)은 제1 투명 기판(T1)과 제1 투명 기판(T1) 상에 형성된 제1 기록 매질(R1)을 포함한다. 제1 광변환 필름(30)은 제1 기록 매질(R1)에 광경로 패턴을 형성함으로써 입사광의 경로를 변환할 수 있다. 제1 기록 매질(R1)은 광중합체(photopolymer)로 구현될 수 있다.
제1 광변환 필름(30)의 제1 기록 매질(R1)에는 제2 평행광(PL2)이 소정의 제1 각도(θ1)로 입사되고, 제3 평행광(PL3)이 소정의 제2 각도(θ2)로 입사된다. 제2 평행광(PL2)의 입사각인 제1 각도(θ1)는 수직 법선(P)을 기준으로 측정한 각도이다. 제3 평행광(PL3)의 입사각인 제2 각도(θ2)는 수직 법선(P)을 기준으로 측정한 각도이다. 제1 각도(θ1)와 제2 각도(θ2)는 동일하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 각도(θ1)와 제2 각도(θ2)는 45°로 구현될 수 있다.
결국, 제1 광변환 필름(30)의 제1 기록 매질(R1)에는 제1 각도(θ1)로 입사되는 제2 평행광(PL2)과 제2 각도(θ2)로 입사되는 제3 평행광(PL3)의 간섭 패턴이 기록된다. 따라서, 제1 광변환 필름(30)의 제1 기록 매질(R1)에 기록된 간섭 패턴에 의해, 제2 평행광(PL2)이 제1 기록 매질(R1)에 입사되는 경우 제3 평행광(PL3)을 출력한다.
한편, 제1 광변환 필름(30)의 제1 기록 매질(R1)에 기록되는 제2 평행광(PL2)과 제3 평행광(PL3)은 제1 선편광(⊙)의 편광 성분을 갖도록 구현될 수 있다. 이 경우, 제1 광변환 필름(30)은 편광 특성을 가지므로, 제1 선편광(⊙)의 경로를 변환시키도록 구현되는 편광 특성을 갖게 된다.
도 4는 도 1의 제2 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면이다. 도 4를 참조하면, 제2 광변환 필름(61)은 제2 투명 기판(T2)과 제2 투명 기판(T2) 상에 형성된 제2 기록 매질(R2)을 포함한다. 제2 광변환 필름(61)은 제2 기록 매질(R2)에 광경로 패턴을 형성함으로써 평행광을 제1 초점(f1)에 수렴시킬 수 있다. 제2 기록 매질(R2)은 광중합체(photopolymer)로 구현될 수 있다.
제2 광변환 필름(61)의 제2 기록 매질(R2)에는 제4 평행광(PL4)이 수직으로 입사되고, 제1 초점(f1)으로부터 확산된 광(DP1)이 수직으로 입사된다. 이로 인해, 제2 광변환 필름(61)의 제2 기록 매질(R2)에는 제4 평행광(PL4)과 제1 초점(f1)으로부터 확산된 광(DP1)의 간섭 패턴이 기록된다. 제2 광변환 필름(61)의 제2 기록 매질(R2)에 기록된 간섭 패턴에 의해, 제4 평행광(PL4)이 제2 기록 매질(R2)에 입사되는 경우 제1 초점(f1)으로 수렴하는 광(CF1)이 출력된다.
한편, 제2 광변환 필름(61)의 제2 기록 매질(R2)에 기록되는 제4 평행광(PL4)과 제1 초점(f1)으로부터 확산된 광(DP1)은 제2 선편광(↕)의 편광 성분을 갖도록 구현될 수 있다. 이 경우, 제2 광변환 필름(61)은 제2 선편광(↕)의 편광 성분을 갖는 제4 평행광(PL4)이 입사되는 경우에만 제1 초점(f1)으로 수렴하는 광(CF1)을 출력하는 편광 특성을 갖게 된다.
도 5는 도 1의 제3 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면이다. 도 5를 참조하면, 제3 광변환 필름(62)은 제3 투명 기판(T3)과 제3 투명 기판(T3) 상에 형성된 제3 기록 매질(R3)을 포함한다. 제3 광변환 필름(62)은 제3 기록 매질(R3)에 광경로 패턴을 형성함으로써 제1 초점(f1)으로부터 확산되는 광(DP1)을 평행광으로 변환할 수 있다. 제3 기록 매질(R3)은 광중합체(photopolymer)로 구현될 수 있다.
제3 광변환 필름(62)은 도 4에 도시된 제2 광변환 필름(61)의 제조방법과 실질적으로 동일하다. 다만, 제3 광변환 필름(62)은 제3 기록 매질(R3)로부터 제1 초점(f1)까지의 거리인 제2 초점거리(fd2)가 제2 광변환 필름(61)의 제2 기록 매질(R2)로부터 제1 초점(f1)까지의 거리인 제1 초점거리(fd1)보다 길게 형성될 수 있다.
도 6은 도 1의 제4 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면이다. 도 6을 참조하면, 제4 광변환 필름(71)은 제4 투명 기판(T4)과 제4 투명 기판(T4) 상에 형성된 제4 기록 매질(R4)을 포함한다. 제4 광변환 필름(71)은 제4 기록 매질(R4)에 광경로 패턴을 형성함으로써 평행광을 제2 초점(f2)에 수렴시킬 수 있다. 제4 기록 매질(R4)은 광중합체(photopolymer)로 구현될 수 있다.
제4 광변환 필름(71)의 제4 기록 매질(R4)에는 제5 평행광(PL5)이 수직으로 입사되고, 제2 초점(f2)으로부터 확산된 광(DF2)이 수직으로 입사된다. 이로 인해, 제4 광변환 필름(71)의 제4 기록 매질(R4)에는 제5 평행광(PL5)과 제2 초점(f2)으로부터 확산된 광(DF2)의 간섭 패턴이 기록된다. 제4 광변환 필름(71)의 제4 기록 매질(R4)에 기록된 간섭 패턴에 의해, 제5 평행광(PL5)이 제4 기록 매질(R4)에 입사되는 경우 제2 초점(f2)으로 수렴하는 광(CF2)이 출력된다.
한편, 제4 광변환 필름(71)의 제4 기록 매질(R4)에 기록되는 제5 평행광(PL5)과 제2 초점(f2)으로부터 확산된 광(DF2)은 제2 선편광(↕)의 편광 성분을 갖도록 구현될 수 있다. 이 경우, 제4 광변환 필름(71)은 제2 선편광(↕)의 편광 성분을 갖는 제5 평행광(PL5)이 입사되는 경우에만 제2 초점(f2)으로 수렴하는 광(CF2)을 출력하는 편광 특성을 갖게 된다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치를 보여주는 일 예시도면이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치는 광원(10)들, 콜리메이터, SLM(40), 회절광 차단 렌즈(60), 필드 렌즈(70), 미러(80), 제5 광변환 필름(90) 등을 포함한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치의 광원(10)들, SLM(40), 회절광 차단 렌즈(60), 필드 렌즈(70), 미러(80)는 제1 실시 예에서 설명한 바와 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치의 광원(10)들, SLM(40), 회절광 차단 렌즈(60), 필드 렌즈(70), 미러(80)에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
콜리메이터는 도 7과 같이 제5 광변환 필름(90)으로 구현될 수 있다. 즉, 제5 광변환 필름(90)은 광원(10)들로부터 출력된 제1 확산광(DL1)을 콜리메이트 광(collimated beam)으로 변환한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제5 광변환 필름(90)으로부터 출력되는 콜리메이트 광을 제1 평행광(PL1)으로 기재하였음에 주의하여야 한다. 제5 광변환 필름(90)에 대한 자세한 설명은 도 9를 결부하여 후술한다.
특히, 제5 광변환 필름(90)으로부터 출력된 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)에 제3 각도(θ3)로 입사된다. 제1 평행광(PL1)이 입사되는 제3 각도(θ3)는 수직 법선(P)을 기준으로 측정한 각도이다. 제3 각도(θ3)는 수직(90°)이 아닌 각도로서, 예각 또는 둔각으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 7과 같이 제3 각도(θ3)는 45°로 구현될 수 있다. 이 경우, 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)의 하부 기판(41)에 형성된 반사패턴에 의해 반사되기 때문에, 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)의 상부 기판(42)부터 하부 기판(41)까지 액정층(43)에 구현된 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 회절되고, SLM(40)의 하부 기판(41)부터 상부 기판(42)까지 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 한 번 더 회절됨으로써, 제1 회절 평행광(DP1)으로 출력된다. 따라서, SLM(40)은 제1 평행광(PL1)이 두 번 회절되는 것을 고려하여 홀로그램 간섭무늬 패턴을 액정층(43)에 구현할 수 있다. 다만, 제1 평행광(PL1)이 SLM(40)에 제3 각도(θ3)로 입사되기 때문에, 제1 평행광(PL1)은 액정층(43)의 두께(T)의 두 배보다 길게 이동하는 것에 유의하여야 한다. 즉, 본 발명의 제2 실시 예에서 SLM(40)의 액정층(43)은 제1 평행광(PL1)의 이동 경로를 고려하여 홀로그램 간섭무늬 패턴을 구현해야 한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치의 광변환 과정을 보여주는 흐름도이다. 이하에서, 도 7과 도 8을 결부하여 홀로그램 영상 표시장치의 광변환 과정을 상세히 설명한다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 홀로그램 영상 표시장치의 광변환 과정에서는 광의 편광 성분이 제1 선편광(⊙)인 것을 중심으로 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않으며, 광의 편광 성분은 제2 선편광(↕)으로 구현될 수 있음에 주의하여야 한다.
첫 번째로, 광원(10)들로부터 출력된 제1 확산광(DL1)은 제1 선편광(⊙)의 편광 성분을 갖는 것을 중심으로 설명하였다. 도 1에서 제1 선편광(⊙)은 수직 방향(z축 방향)으로 진동하는 수직 편광(⊙)인 것으로 예시하였다. 제1 확산광(DL1)은 제5 광변환 필름(90)에 의해 제1 평행광(PL1)으로 출력된다. 제1 평행광(PL1)은 제1 선편광(⊙)의 편광 성분을 갖는다. (S201)
두 번째로, 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)에 구현된 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 회절되어 제1 회절 평행광(DP1)으로 출력된다. 특히, 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)의 하부 기판(41)에 형성된 반사패턴에 의해 반사되기 때문에, 제1 평행광(PL1)은 SLM(40)의 상부 기판(42)부터 하부 기판(41)까지 액정층(43)에 구현된 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 회절되고, SLM(40)의 하부 기판(41)부터 상부 기판(42)까지 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 한 번 더 회절됨으로써, 제1 회절 평행광(DP1)으로 출력된다. 따라서, SLM(40)은 제1 평행광(PL1)이 두 번 회절되는 것을 고려하여 홀로그램 간섭무늬 패턴을 액정층(43)에 구현할 수 있다. 다만, 제1 평행광(PL1)이 SLM(40)에 제3 각도(θ3)로 입사되기 때문에, 제1 평행광(PL1)은 액정층(43)의 두께(T)의 두 배보다 길게 이동하는 것에 유의하여야 한다. 즉, 본 발명의 제2 실시 예에서 SLM(40)의 액정층(43)은 제1 평행광(PL1)의 이동 경로를 고려하여 홀로그램 간섭무늬 패턴을 구현해야 한다. 제1 회절 평행광(DP1)은 회절광 차단 렌즈(60)에 입사된다. (S202)
세 번째로, 회절광 차단 렌즈(60)에 의해 제1 회절 평행광(DP1)의 0 차 회절광은 차단된다. 구체적으로, 제1 회절 평행광(DP1)은 제2 광변환 필름(61)에 의해 제1 초점(f1)으로 수렴하므로, 차단층(63)에 의해 제1 회절 평행광(DP1)의 0 차 회절광은 차단된다. 그러므로, 제1 초점(f1)으로부터 확산되는 광인 제1 회절 확산광(DD1)은 0 차 회절광이 거의 제거된 광이다. 제1 회절 확산광(DD1)은 제3 광변환 필름(62)에 의해 제2 회절 평행광(DP2)으로 변환된다. 또한, 제1 회절 평행광(DP1)은 회절광 차단 렌즈(60)에 의해 소정의 배율로 확대되어 제2 회절 평행광(DP2)으로 출력될 수 있다. (S203)
네 번째로, 제2 회절 평행광(DP2)은 필드 렌즈(70)
에 의해 제2 초점(f2)으로 수렴된다. 제2 초점(f2)에는 사용자의 눈이 위치할 수 있다. (S204)
다섯 번째로, 필드 렌즈(70)로부터 출력되는 광은 미러(80)에 의해 반사된다. 홀로그램 입체영상이 보이는 위치는 미러(80)에 의해 변경될 수 있다. 따라서, 사용자의 눈이 제1 위치(P1)에 위치하는 경우, 미러(80)는 생략될 수 있다. (S205)
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 광변환 필름을 이용하여 면광원을 SLM에 조사함과 동시에 SLM으로부터 구현된 홀로그램 입체영상을 회절광 차단층에 조사하고, 광변환 필름들을 이용하여 회절광 차단층을 구현하며, 회절광 차단층을 확대 렌즈로 구현할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 박형화된 헤드 장착형 디스플레이를 구현할 수 있는 홀로그램 영상 표시장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 회절광 차단층을 이용하여 홀로그램 입체영상의 0 차 회절광을 제거할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 홀로그램 입체영상의 품질을 높일 수 있다.
도 9는 도 7의 제5 광변환 필름의 제조방법을 상세히 보여주는 일 예시도면이다. 도 9를 참조하면, 제5 광변환 필름(90)은 제5 투명 기판(T5)과 제5 투명 기판(T5) 상에 형성된 제5 기록 매질(R5)을 포함한다. 제5 광변환 필름(90)은 제5 기록 매질(R5)에 광경로 패턴을 형성함으로써 제1 확산광(DL1)을 제1 평행광(PL1)으로 변환할 수 있다. 제5 기록 매질(R5)은 광중합체(photopolymer)로 구현될 수 있다.
제5 광변환 필름(90)의 제5 기록 매질(R5)에는 제3 초점(f3)으로부터 확산되는 제2 확산광(DL2)이 수직으로 입사되고, 제6 평행광(PL6)이 수직으로 입사된다. 이로 인해, 제5 광변환 필름(90)의 제5 기록 매질(R5)에는 제1 확산광(DL1)과 제6 평행광(PL6)의 간섭 패턴이 기록된다. 제5 광변환 필름(90)의 제5 기록 매질(R5)에 기록된 간섭 패턴에 의해, 제1 확산광(DL1)이 제5 기록 매질(R5)에 입사되는 경우 제6 평행광(PL6)이 출력된다.
한편, 제5 광변환 필름(90)의 제5 기록 매질(R5)에 기록되는 제1 확산광(DL1)과 제6 평행광(PL6)은 제1 선편광(⊙)의 편광 성분을 갖도록 구현될 수 있다. 이 경우, 제5 광변환 필름(90)은 제1 선편광(⊙)의 편광 성분을 갖는 제1 확산광(DL1)이 입사되는 경우에만 제6 평행광(PL6)을 출력하는 편광 특성을 갖게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 광변환 필름들을 이용하여 빔 스플리터와 확대 렌즈를 구현한다. 그 결과, 본 발명은 박형화된 헤드 장착형 디스플레이를 구현할 수 있는 홀로그램 영상 표시장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 회절광 차단층을 이용하여 홀로그램 입체영상의 0 차 회절광을 제거할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 홀로그램 입체영상의 품질을 높일 수 있다.
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.
10: 광원 20: 콜리메이터
30: 제1 광변환 필름 40: SLM
41: 상부 기판 42: 하부 기판
43: 액정층 50: 쿼터 웨이브 판
60: 회절광 차단 렌즈 61: 제2 광변환 필름
62: 제3 광변환 필름 64: 차단층
70: 필드 렌즈 71: 제4 광변환 필름
80: 미러 90: 제5 광변환 필름

Claims (11)

  1. 제1 확산광을 조사하는 광원;
    상기 제1 확산광을 제1 평행광으로 변환하는 콜리메이터;
    홀로그램 간섭무늬 패턴을 구현하고 상기 제1 평행광을 회절시켜 제1 회절 평행광을 출력하는 공간 광 변조기;
    상기 제1 평행광이 상기 공간 광 변조기에 수직으로 입사되도록 상기 콜리메이터로부터 출력된 상기 제1 평행광의 경로를 변환하는 제1 광변환 필름; 및
    상기 공간 광 변조기와 상기 제1 광변환 필름 사이에 위치하는 쿼터 웨이브 판을 포함하고,
    상기 공간 광 변조기의 하부 기판은 상기 공간 광 변조기에 입사되는 상기 제1 평행광을 반사시키는 반사패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 확산광과 상기 콜리메이터로부터 출력된 상기 제1 평행광은 제1 선편광의 편광 성분을 갖고,
    상기 쿼터 웨이브 판을 통과한 상기 제1 평행광과 상기 공간 광 변조기로부터 출력된 상기 제1 회절 평행광은 제1 원편광의 편광 성분을 가지며,
    상기 쿼터 웨이브 판을 통과한 상기 제1 회절 평행광은 제2 선편광의 편광 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 표시장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 광변환 필름은 상기 제1 선편광이 입사되는 경우에만 광경로를 변환하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 표시장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 광변환 필름을 통과한 상기 제1 회절 평행광의 0 차 회절광을 차단하는 회절광 차단 렌즈를 더 포함하는 홀로그램 영상 표시장치.
  5. 제1 확산광을 조사하는 광원;
    상기 제1 확산광을 제1 평행광으로 변환하는 콜리메이터; 및
    홀로그램 간섭무늬 패턴을 구현하고 상기 제1 평행광을 회절시켜 제1 회절 평행광을 출력하는 공간 광 변조기를 포함하고,
    상기 제1 평행광은 상기 공간 광 변조기에 수직인 각도가 아닌 소정의 각도로 입사되며,
    상기 공간 광 변조기의 하부 기판은 상기 공간 광 변조기에 입사되는 제1 평행광을 반사시키는 반사패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 표시장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기로부터 출력된 상기 제1 회절 평행광의 0 차 회절광을 차단하는 회절광 차단 렌즈를 더 포함하는 홀로그램 영상 표시장치.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기에 입사된 제1 평행광은,
    상기 공간 광 변조기의 상부 기판부터 하부 기판까지 상기 공간 광 변조기의 액정층에 구현된 상기 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 회절되고, 상기 반사패턴에 의해 반사되어 상기 하부 기판부터 상기 상부 기판까지 상기 홀로그램 간섭무늬 패턴에 의해 한 번 더 회절됨으로써, 상기 제1 회절 평행광으로 출력되는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 표시장치.
  8. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 회절광 차단 렌즈는,
    상기 제1 회절 평행광을 제1 초점으로 수렴시키는 제2 광변환 필름;
    상기 제1 초점으로 수렴되는 상기 제1 회절 평행광의 0 차 회절광을 차단하는 차단층; 및
    상기 제1 초점으로부터 확산되는 광을 평행광인 제2 회절 평행광으로 변환하는 제3 광변환 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 표시장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 광변환 필름으로부터 상기 제1 초점까지의 거리인 제1 초점거리는 상기 제3 광변환 필름으로부터 상기 제1 초점까지의 거리인 상기 제2 초점거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 표시장치.
  10. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 회절광 차단층으로부터 출력된 제2 회절 평행광을 제2 초점으로 수렴시키는 필드 렌즈를 더 포함하는 홀로그램 영상 표시장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 필드 렌즈에 의해 상기 제2 초점으로 수렴되는 광을 반사시키는 미러를 더 포함하는 홀로그램 영상 표시장치.
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