KR20150033501A - 광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents

광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치 Download PDF

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KR20150033501A KR20140015041A KR20140015041A KR20150033501A KR 20150033501 A KR20150033501 A KR 20150033501A KR 20140015041 A KR20140015041 A KR 20140015041A KR 20140015041 A KR20140015041 A KR 20140015041A KR 20150033501 A KR20150033501 A KR 20150033501A
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spatial light
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채병규
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것으로, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 가간섭성 평행광(coherent plane wave)을 조사시키는 인-풋 광학부(input optical unit), 상기 가간섭성 평행광을 복수의 방향으로 조사시켜 홀로그램 변조된 복수의 회절 빔(diffraction beam) 들을 생성하거나 혹은 단일 방향으로 조사시켜 홀로그램 변조된 고차 회절 빔 들을 생성하는 공간 광 변조기, 및 상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔을 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역(imaging area)에 재생하는 이미징 광학부를 포함할 수 있다.

Description

광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치{WIDE VIEWING ANGLE HOLOGRAPHIC DISPLAY APPARATUS}
본 발명은 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광시야각 홀로그램 입체 영상을 재생할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것이다.
홀로그래픽 디스플레이(holographic display)는 홀로그램 간섭무늬를 공간 광 변조기(spatial light modulator)에 표시하고 가간섭성 평행광을 조사하여 입체 영상을 재생한다. 재생 영상의 시야각은 디스플레이 소자의 분해능이 결정하기 때문에 입체 영상을 시청할 수 있는 넓은 시역을 확보하기 위해서는 마이크로미터 이하 픽셀크기를 갖는 공간 광 변조기가 요구된다. 하지만, 현재 홀로그램 표시소자로 사용되고 있는 LCD(liquid crystal display)나 DMD(digital micro-mirror device) 패널은 충분한 시야각을 만들기에는 소자 분해능이 크게 부족한 현실이다.
홀로그램 영상 시야각을 늘리기 위한 최근 연구는 주로 공간 광 변조기를 공간적 또는 시간적으로 다중화하는 방법으로 진행되고 있다. 일례로 다수 공간 광 변조기를 곡선형으로 배치하여 시야각을 크게 증대시킬 수 있다. 그러나, 다수 홀로그램을 시공간적으로 확장하여 사용하는 경우 여전히, 매우 큰 홀로그램 데이터 양이 필요할 뿐만 아니라 디스플레이 장치 구조가 복잡해지는 문제점이 있다.
따라서, 홀로그래픽 디스플레이 상용화를 위해서는 현재 데이터 처리 기술로도 홀로그램 영상 데이터를 효율적으로 다룰 수 있으면서, 홀로그램 재생 영상의 시야각을 증대시킬 수 있는 디스플레이 장치 개발이 무엇보다 필요하다.
일실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 가간섭성 평행광(coherent plane wave)을 임의 방향으로 조사시키는 인-풋 광학부(input optical unit), 상기 임의 방향으로 조사된 가간섭성 평행광을 공간 광 변조시켜 적어도 하나 이상의 회절 빔(diffraction beam)을 생성하는 공간 광 변조기, 및 상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔을 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역(imaging area)에 재생하는 이미징 광학부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 인-풋 광학부는, 상기 가간섭성 평행광을 발생시키는 광원부, 및 상기 공간 광 변조기에 복수의 방향으로 가간섭성 평행광을 입사시키는 광원 조사부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 광원부는 적색, 녹색 및 청색 레이저 장치 및 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 장치 중에서 적어도 하나를 이용하여 상기 가간섭성 평행광을 생성시킬 수 있다.
일실시예에 따른 상기 광원부는 백색광 레이저 및 발광 다이오드 중에서 적어도 하나 이상의 백색 광원 장치를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 광원 조사부는 상기 공간 광 변조기의 수직 방향에 대하여 임의의 각도로 복수의 가간섭성 평행광을 시간 혹은 공간 다중화 방법으로 입사시킬 수 있다.
일실시예에 따른 상기 공간 광 변조기는 디지털 홀로그램 간섭무늬를 인코딩하는 디스플레이 패널을 포함하고, 상기 디스플레이 패널을 이용하여 상기 평행광의 위상, 진폭, 및 복소진폭 중에서 적어도 하나를 공간 광변조할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 공간 광 변조기는 상기 공간 광 변조기의 수직 방향으로 진행하는 광 축에 대하여 근축 근사(paraxial approximation)에 부합되지 않는 회절 각에서 발생하는 재생 영상의 왜곡을 제거할 수 있도록, 공간 주파수 영역의 변형을 고려하여 퓨리에 홀로그램(Fourier hologram)의 퓨리에 변환 데이터를 생성하여 인코딩할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 이미징 광학부는 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈 및 공간필터를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈 및 공간필터를 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상들을 하나의 재생영역에 재생할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 공간 광 변조기는 상기 두 개의 퓨리에 렌즈 중에서 하나의 퓨리에 렌즈의 전방 초점면에 위치하고, 상기 하나의 퓨리에 렌즈는 상기 공간 광 변조기에서 생성되는 상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔을 이용하여 상기 전방 초점면에 상응하는 후방 초점면에 홀로그램 간섭무늬를 형성시키되, 상기 홀로그램 간섭무늬는 광축에 대한 상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔의 진행 각도에 따라 횡축 방향으로 복제 배열될 수 있다.
일실시예에 따른 상기 두 개의 퓨리에 렌즈 중에서 또 다른 하나의 퓨리에 렌즈는, 상기 두 개의 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치한 홀로그램 간섭무늬로부터 회절하는 빔을 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상이 상기 또 다른 하나의 퓨리에 렌즈의 후방 초점면으로부터 미리 지정된 거리 이내의 한 재생영역에서 재생할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 공간필터는 상기 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치하여 변조되지 않는 빔 및 고차 회절항의 노이즈를 제거하고, 상기 생성된 회절 빔을 선택적으로 투과시켜 상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔의 세기를 조절할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 이미징 광학부는 상기 공간 광 변조기가 퓨리에 렌즈의 초점거리에 따른 위치와 다른 위치에 배치되는 경우, 이미징 평면에 위치한 스크린 렌즈를 통하여 홀로그램 입체 영상을 재생할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 이미징 광학부는 RGB 광학 시스템을 통해 시간 다중화 재생 방법 및 공간 다중화 재생 방법 중에서 적어도 하나를 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상들에 적용하여 컬러 동영상을 생성할 수 있다.
일실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 단일의 가간섭성 평행광을 발생시키는 광원 모듈, 상기 발생된 가간섭성 평행광을 공간 광 변조시켜 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔을 생성하는 공간 광 변조기, 및 상기 생성된 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔을 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역에 재생하는 이미징 광학부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 광원 모듈은 적색, 녹색 및 청색 레이저 장치, 및 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 장치 중에서 적어도 하나를 이용하여 상기 가간섭성 평행광을 생성할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 광원 모듈은 백색광 레이저 및 발광 다이오드 중에서 적어도 하나 이상의 백색 광원 장치를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 공간 광 변조기는 디지털 홀로그램 간섭무늬를 인코딩하는 픽셀 구조를 가진 디스플레이 패널을 포함하며, 상기 디스플레이 패널의 픽셀 구조를 통해 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔을 생성하되, 상기 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔들의 세기 및 분포 중에서 적어도 하나를 고려하여 상기 픽셀 구조를 설계할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 이미징 광학부는 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈 및 공간필터를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈 및 공간필터를 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상들을 하나의 재생영역에 재생할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 공간 광 변조기는 상기 두 개의 퓨리에 렌즈 중에서 하나의 퓨리에 렌즈의 전방 초점면에 위치하고, 상기 하나의 퓨리에 렌즈는 상기 공간 광 변조기에서 생성되는 상기 고차 회절 빔을 이용하여 상기 전방 초점면에 상응하는 후방 초점면에 홀로그램 간섭무늬를 형성시키되, 상기 홀로그램 간섭무늬는 광축에 대한 상기 생성된 고차 회절 빔의 진행 각도에 따라 횡축 방향으로 복제 배열되고, 상기 두 개의 퓨리에 렌즈 중에서 또 다른 하나의 퓨리에 렌즈는, 상기 두 개의 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치한 홀로그램 간섭무늬로부터 회절하는 빔을 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상이 상기 또 다른 하나의 퓨리에 렌즈의 후방 초점면으로부터 미리 지정된 거리 내의 한 재생영역에서 재생할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 이미징 광학부는 상기 공간 광 변조기가 퓨리에 렌즈의 초점거리에 따른 위치와 다른 위치에 배치되는 경우, 이미징 평면에 위치한 스크린 렌즈를 통하여 홀로그램 입체 영상을 재생할 수 있다.
본 발명에 따르면, 단일의 공간 광 변조기에서 광축에 대하여 여러 각도로 진행하는 회절 빔을 발생시키고, 이러한 회절 빔을 이미징 광학부를 통하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역(imaging area)에 재생함으로써 홀로그램 입체 영상의 광시각화를 이룰 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가간섭성 평행광의 입사각에 따른 홀로그램 입체 영상을 시청할 수 있는 재생영역의 변화를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 퓨리에 홀로그램으로부터 발생하는 다수 회절 빔에 대한 홀로그램 입체 영상을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다수의 회절 빔을 생성하여 광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치를 구현한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 각도로 입사하는 가간섭성 평행광을 이용한 광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치를 도시한 도면이다
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공간 광 변조기의 수직 방향에 다양한 각도로 입사되는 가간섭성 평행광을 생성하는 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광시야각 홀로그래픽 디스플레이를 구현하는 흐름도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고차 회절 빔을 이용한 광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치를 도시한 도면이다
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고차 회절 빔을 이용하여 스크린 렌즈를 통하여 광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공간 광 변조기의 픽셀구조에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고차 회절 빔과 홀로그램 영상 스펙트럼 분포 간의 상관관계를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가간섭성 평행광의 입사각에 따른 홀로그램 입체 영상을 시청할 수 있는 재생영역의 변화를 도시한 도면이다.
도 1은 가간섭성 평행광의 입사각에 따른 on-axis point 홀로그램에 대한 재생영상의 변화를 도시한 모식도이다. 도 1에 따르면, 가간섭성 평행광(101)을 홀로그램이 표시된 공간 광 변조기(102)에 임의의 각도, θ로 입사시켜 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역(103)에 재생할 수 있다. 홀로그램 면에 수직으로 입사하는 동축광(coaxial wave)은 중심 축 상에 위치하는 재생영역(103)에 홀로그램 입체 영상을 생성할 수 있다. 반면, 비스듬하게 입사하는 광(off-axis wave)은 중심 축에서 벗어난 지점에 재생영상을 만든다.
이 때 회절광의 진행 방향이 홀로그램 입체 영상을 시청하는 영역을 결정하게 되므로 관찰자는 시차(parallax)가 다른 재생 영상을 볼 수 있으므로, 결국 시야각(viewing angle)은 변한다. 결국, 비스듬하게 입사하는 광은 off-axis 홀로그래피 기술의 변조 반송파(modulated carrier wave) 역할을 하여 다양한 시점을 갖는 홀로그램 입체 영상을 재생 가능하게 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 퓨리에 홀로그램으로부터 발생하는 다수 회절 빔에 대한 입체 재생영상을 도시한 도면이다.
도 2는 평행광의 입사각에 따른 퓨리에 홀로그램 재생영상의 변화를 도시한 모식도로서, 도 2에 따르면 가간섭성 평행광(201)을 공간 광 변조기(202)에 임의의 각도로 입사시켜 초점거리(f)를 가진 퓨리에 렌즈(203)를 통하여 홀로그램 입체 영상(204)을 재생할 수 있다.
도 2를 참조하면, 퓨리에 렌즈(203)의 전방 초점면(도면상 왼쪽)에 위치한 홀로그램으로부터 회절되는 빔은 렌즈의 후방 초점면(도면상 오른쪽) 근처에 입체 영상을 재생한다. 중심 z축에 대하여 임의 각도 θ로 입사하는 광은 렌즈 후방 초점면에 x축 방향으로 f 1sinθ 만큼 이동한 위치에 입체 영상을 만든다. 이 때 입체상은 프레넬 홀로그램 재생에서 왜곡되는 현상과는 다르게 도시한 바와 같이 변형이 없는 완전한 물체상을 생성한다. 각 회절 빔은 후방 초점면에서 동축방향으로 진행하므로 같은 시차를 갖는 입체상을 형성한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다수 회절 빔을 생성하여 광시야각의 홀로그래픽 디스플레이 장치를 구현하는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 여러 방향으로 진행하는 회절 빔으로부터 이미징 광학부(301)를 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역(302)에 재생하는 방법으로 홀로그램 입체 영상의 광시각화를 구현한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치를 도시한 모식도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 가간섭성 평행광을 공간 광 변조기에 다양한 각도로 입사하여 여러 방향으로 진행하는 회절 빔들을 생성시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 이미징 광학부를 이용하여 각 회절 빔으로부터 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 재생하는 방법으로 광시야각 홀로그램 입체 영상을 구현할 수 있다.
도 4를 참조하면, 일실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 가간섭성 평행광(401)을 임의 방향으로 조사시키는 인-풋 광학부(미도시), 상기 임의 방향으로 조사된 가간섭성 평행광을 공간 광 변조시켜 회절 빔을 생성하는 공간 광 변조기(402), 상기 생성된 회절 빔을 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역(imaging area)에 재생하는 이미징 광학부(403)를 포함할 수 있다.
상기 인-풋 광학부는 가간섭성 평행광(401)을 발생시키는 광원부, 및 공간 광 변조기(402)에 복수의 가간섭성 평행광을 조사시키는 광원 조사부로 구성된다.
상기 광원부는 적색, 녹색 및 청색 레이저 장치, 또는 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 장치를 이용하여 평행광을 생성시킬 수 있다. 다른 예로 광원부는 백색광 레이저나 발광 다이오드와 같은 백색 광원 장치를 이용할 수 있다. 상기 광원 조사부는 공간 광 변조기(402)의 수직 방향에 대하여 임의의 각도로 복수의 가간섭성 평행광을 시간 혹은 공간 다중화 방법으로 입사시킬 수 있는 기능을 제공한다.
공간 광 변조기(402)는 디지털 홀로그램 간섭무늬를 인코딩하는 픽셀 구조를 가진 LCD(Liquid Crystal Display) 및 DMD(Digital Micromirror Device)와 같은 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 공간 광 변조기(402)는 가간섭성 평행광의 위상이나 진폭 또는 복소진폭을 변조시켜 홀로그램 입체 영상을 재생시킬 수 있다.
이미징 광학부(403)는 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈(404,405)와 공간필터(406)를 포함할 수 있다. 또한, 이미징 광학부(403)는 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈(404,405) 및 공간필터(406)를 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상들을 하나의 재생영역에 재생할 수 있다. 예를 들어, 이미징 광학부(403)는 각 회절 빔으로부터 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상(407)을 같은 하나의 재생영역에 재생함으로써 입체 영상의 광시각화를 이룰 수 있다.
예를 들어, 공간 광 변조기가 퓨리에 렌즈의 초점거리에 따른 위치와 다른 위치에 배치되는 경우, 이미징 광학부(403)는 이미징 평면에 위치한 스크린 렌즈를 통하여 홀로그램 입체 영상을 재생할 수 있다.
초점거리 f 1를 가진 퓨리에 렌즈(404)는 퓨리에 렌즈 전방 초점면(도면상 왼쪽)에 위치한 공간 광 변조기(402)에서 회절하는 빔을 이용하여 후방 초점면(도면상 오른쪽)에 홀로그램 간섭무늬를 형성시킬 수 있다. 이 때의 홀로그램 무늬는 광축에 대한 회절 빔의 진행 각도에 따라 횡축 방향으로 복제 배열될 수 있다. 예를 들어 홀로그램 무늬는 θ에 따라 x축 방향으로 f 1sinθ만큼 떨어진 위치에 복제 배열된다.
초점거리 f 2를 가진 퓨리에 렌즈(405)는 두 개의 퓨리에 렌즈 공통 초점면에 위치한 홀로그램 간섭무늬로부터 회절하는 빔을 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상이 상기 또 다른 하나의 퓨리에 렌즈의 후방 초점면으로부터 미리 지정된 거리 이내의 한 재생영역에서 재생할 수 있다. 즉, 퓨리에 렌즈(405)는 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상(407)을 렌즈 후방 초점면 근처의 한 재생영역에서 재생할 수 있다.
공간필터(406)는 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈(404,405)의 공통 초점면에 위치하여 변조되지 않는 빔 및 고차 회절항의 노이즈를 제거할 수 있다. 또한, 공간필터(406)는 상기 생성된 회절 빔을 선택적으로 투과시켜 상기 생성된 회절 빔의 세기를 조절할 수 있다.
상기 4f 이미징 광학부(403)는 상기 구조에 국한되지 않고 다양한 렌즈 조합으로 상기 시스템과 같은 역할을 할 수 있도록 구성 변경될 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 재생 영상의 크기와 시야각은 드 렌즈의 초점거리를 변화시켜 조절할 수 있게 된다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 다수 회절 빔들을 이용하여 시점이 다른 이음매가 없는(seamless) 재생영상을 생성한다면 충분한 광시야각을 확보할 수 있다. 여기서 퓨리에 렌즈는 큰 각도로 입사하는 광을 수차없이 투과시킬 수 있어야 한다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 입사 광을 y축 방향으로도 임의 각도로 입사하여 시차가 다른 홀로그램 입체 영상을 생성할 수 있으므로, 상기 디스플레이 장치는 완전시차(full parallax)를 가진 홀로그램 입체 영상을 구현할 수 있는 시스템이 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공간 광 변조기의 수직 방향에 다양한 각도로 입사되는 가간섭성 평행광을 생성하는 일례를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 다수 점광원(501)을 수렴렌즈(502)의 전방 초점면(도면상 왼쪽)에 횡축 방향으로 배치하여 임의 각도로 진행하는 가간섭성 평행광을 만들 수 있다.
상기 임의 각도로 진행하는 가간섭성 평행광은 갈바노 미러를 이용하는 방법 등 다양한 방법으로 만들 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광시야각 홀로그래픽 디스플레이를 구현하는 흐름도를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 먼저 퓨리에 홀로그램 즉, h(x,y)를 생성할 수 있다(단계 610). 다음으로, 퓨리에 홀로그램, (h(x,y))의 퓨리에 변환 데이터(H(u,v))를 공간 광 변조기에 인코딩할 수 있다(단계 620). 공간 광 변조기에서는 퓨리에 변환된 데이터로부터 다수 회절 빔 들을 생성하고(단계 630), 상기 생성된 다수 회절 빔 들을 이용하여 퓨리에 렌즈 후방 초점면에 홀로그램 간섭무늬 배열을 형성하여 홀로그램 입체 영상을 재생할 수 있다(단계 640). 이때, 공간 광 변조기의 수직 방향으로 진행하는 광 축에 대하여 근축 근사(paraxial approximation)에 부합되지 않는 회절 각에 대해서는 후방 초점면 공간 주파수 영역이 변형되므로, 변형을 고려한 퓨리에 홀로그램의 퓨리에 변환 데이터를 생성하여 재생영상의 왜곡을 없앨 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 RGB 광학 시스템을 구성하여 홀로그램을 시간 혹은 공간 다중화 재생 방법으로 컬러 동영상을 구현할 수 있다. 예를 들어, 이미징 광학부는 RGB 광학 시스템을 통해 시간 다중화 재생 방법 및 공간 다중화 재생 방법 중에서 적어도 하나를 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상들에 적용하여 컬러 동영상을 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고차 회절 빔을 이용한 광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치를 도시한 모식도로서, 단일 가간섭성 평행광을 공간 광 변조기에 입사시켜 다양한 방향으로 진행하는 고차 회절 빔을 생성하고, 이미징 광학부를 이용하여 각 회절 빔으로부터 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 재생하는 방법으로 광시야각 홀로그램 입체 영상을 구현하는 것이다.
도 7을 참조하면, 일실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 단일의 가간섭성 평행광(701)을 발생시키는 광원 모듈(미도시), 상기 발생된 가간섭성 평행광을 변조시켜 고차 회절 빔을 생성하는 공간 광 변조기(702), 상기 생성된 고차 회절 빔을 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역에 재생하는 이미징 광학부(703)를 포함할 수 있다.
상기 광원 모듈은 적색, 녹색 및 청색 레이저 장치 및 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 장치 중에서 적어도 하나를 이용하여 평행광을 생성시키거나, 백색광 레이저 및 발광 다이오드 중에서 적어도 하나 이상의 백색 광원 장치를 포함할 수 있다.
공간 광 변조기(702)는 디지털 홀로그램 간섭무늬를 인코딩하는 픽셀 구조를 가진 디스플레이 패널을 포함할 수 있으며, 이러한 픽셀 구조는 고차 회절항을 생성시키는 역할을 한다.
공간 광 변조기(702)는 가간섭성 평행광의 위상, 진폭, 및 복소진폭 중에서 적어도 하나를 변조시켜 홀로그램 입체 영상을 재생할 수 있다.
이미징 광학부(703)는 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈(704,705)와 공간필터(706)를 포함하고, 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈(704,705)와 공간필터(706)를 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상(707)을 하나의 재생영역에 재생함으로써 입체 영상의 광시각화를 이루게 한다.
초점거리 f 1를 가진 퓨리에 렌즈(704)는 퓨리에 렌즈 전방 초점면(도면상 왼쪽)에 위치한 공간 광 변조기(702)에서 회절하는 빔을 이용하여 후방 초점면에 홀로그램 간섭무늬를 형성시킬 수 있다. 이 때의 홀로그램 무늬는 광축에 대한 회절 빔의 진행 각도, 즉, θ에 따라 x축 방향으로 f 1sinθ만큼 떨어진 위치에 복제 배열된다.
초점거리 f 2를 가진 퓨리에 렌즈(705)는 두 개의 퓨리에 렌즈 공통 초점면에 위치한 홀로그램 간섭무늬로부터 회절하는 빔을 퓨리에 렌즈를 통하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상(707)을 렌즈 후방 초점면(도면상 오른쪽) 근처의 한 지점에 재생하는 역할을 한다.
공간필터(706)는 두 개의 퓨리에 렌즈 공통 초점면에 위치하여 DC항 등의 노이즈와 바람직한 회절 빔을 선택적으로 투과시키는 역할을 하며, 특정 회절 빔의 세기를 조절할 수 있다.
4f의 이미징 광학부(703)는 상기 구조에 국한되지 않고 다양한 렌즈 조합으로 상기 시스템과 같은 역할을 할 수 있도록 구성 변경될 수 있다.
재생 영상의 크기와 시야각은 두 렌즈의 초점거리를 변화시켜 조절할 수 있게 된다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 고차 회절 빔들을 이용하여 시점이 다른 이음매가 없는(seamless) 재생영상을 생성한다면 충분한 광시야각을 확보할 수 있다. 여기서 퓨리에 렌즈는 큰 각도로 입사하는 광을 수차 없이 투과시킬 수 있어야 한다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 입사 광을 y축 방향으로도 임의 각도로 입사하여 시차가 다른 홀로그램 입체 영상을 생성할 수 있으므로, 상기 디스플레이 장치는 완전시차(full parallax)을 가진 홀로그램 입체 영상을 구현할 수 있는 시스템이 된다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 공간 광 변조기는 퓨리에 홀로그램 데이터(h(x,y))를 퓨리에 변환(H(u,v))하여 인코딩할 수 있다. 또한, 공간 광 변조기는 퓨리에 변환된 데이터로부터 고차 회절 빔을 이용하여 퓨리에 렌즈 후방 초점면에 홀로그램 간섭무늬 배열을 형성한다. 여기서 매우 큰 회절 각에 대해서는 후방 초점면 공간 주파수 영역이 변형될 수 있으므로, 변형을 고려한 퓨리에 홀로그램의 퓨리에 변환 데이터를 생성하여 재생영상의 왜곡을 없앨 수 있다.
홀로그래픽 디스플레이 장치는 RGB 광학 시스템을 구성하여 홀로그램을 시간 혹은 공간 다중화 재생 방법으로 컬러 동영상을 구현할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고차 회절 빔을 이용하여 스크린 렌즈를 통하여 광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 일실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 가간섭성 평행광(801)을 발생시키는 광원 모듈(미도시), 상기 발생된 가간섭성 평행광을 변조시켜 고차 회절 빔을 생성하는 공간 광 변조기(802), 상기 생성된 고차 회절 빔을 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 재생하는 이미징 광학부(803)를 포함할 수 있다.
상기 광원 모듈은 적색, 녹색 및 청색 레이저 장치 및 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 장치 중에서 적어도 하나를 이용하여 평행광을 생성시키거나, 백색광 레이저 및 발광 다이오드 중에서 적어도 하나 이상의 백색 광원 장치를 포함할 수 있다.
상기 공간 광 변조기(802)는 디지털 홀로그램 간섭무늬를 인코딩하는 픽셀 구조를 가진 디스플레이 패널을 포함할 수 있으며, 이러한 픽셀 구조는 고차 회절항을 생성시키는 역할을 한다.
상기 공간 광 변조기(802)는 가간섭성 평행광의 위상, 진폭, 및 복소진폭 중에서 적어도 하나를 변조시켜 홀로그램 입체 영상을 재생할 수 있다.
상기 이미징 광학부(803)는 퓨리에 렌즈(804), 스크린 렌즈(805), 및 공간필터(806)를 포함하여, 각 회절 빔으로부터 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상(807)을 같은 지점에 재생함으로써 입체 영상의 광시각화를 이루게 한다.
초점거리 f 1를 가진 퓨리에 렌즈(804)는 퓨리에 렌즈 전방(도면상 왼쪽)의 초점거리보다 먼 거리(d 1)에 있는 공간 광 변조기(802)에서 회절하는 빔을 이용하여 퓨리에 렌즈 후방 초점면에 홀로그램 간섭무늬를 형성시킬 수 있다. 이 때 홀로그램 무늬는 광축에 대한 회절 빔의 진행 각도, θ에 따라 x축 방향으로 f 1sinθ만큼 떨어진 위치에 복제 배열된다.
초점거리 f 2를 가진 스크린 렌즈(805)는 두 개의 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치한 홀로그램 간섭무늬로부터 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상(807)을 이미지 형성 지점(d 2)에 재생하는 역할을 한다.
상기 공간필터(806)는 두 개의 퓨리에 렌즈 공통 초점면에 위치하여 DC항 등의 노이즈와 바람직한 회절 빔을 선택적으로 투과시키는 역할을 하며, 특정 회절 빔의 세기를 조절할 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치에 있어서, 재생 영상의 크기는 공간 광 변조기 활성 패널크기에 대한 배율(d 2/d 1)로 결정되므로 초점거리가 다른 두 렌즈의 조합으로 원하는 크기를 조절할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공간 광 변조기 픽셀구조 일례를 도시한 도면이다.
도 9는 공간 광 변조기 실시예로서 고차 회절 빔을 발생시키는 통상의 픽셀구조로서, 픽셀크기(901)와 픽셀간격(902)를 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 각 픽셀은 사각형 구조로 x-y 축 방향으로 어레이 형태로 배열되어 있다. 디지털 홀로그램 데이터 1비트는 하나의 픽셀에 인코딩될 수 있다. 상기 픽셀 구조는 고차 회절 빔 들의 세기와 분포를 고려하여 다양한 구조로 설계될 수 있는 데, 일 예로 Blazed 회절격자나 Damman 회절격자 구조 등이 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고차 회절 빔(1001)과 홀로그램 영상 스펙트럼 분포(1002) 간의 상관관계를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 홀로그램 영상 스펙트럼은 회절 빔 분포로 변조된 형태가 되어 나타난다. 고차 회절 빔은 sinc 함수로 표현되며, 고차 회절 빔의 폭은 공간 광 변조기 픽셀크기(Δp)에 비례하여 나타난다. 즉, 픽셀크기가 작을수록 큰 각도로 회절할 수 있다. 각 회절 빔에 홀로그램 영상 스펙트럼이 균일하게 분포하기 위해서는 픽셀크기(901)와 픽셀간격(902)이 거의 일치할 필요가 있다.
결국, 본 발명에 따른 광시야각 홀로그래픽 디스플레이 장치를 이용하면, 단일 공간 광 변조기를 통하여 다수 회절 빔을 생성시켜, 다양한 시점을 가진 재생 영상을 만들어 홀로그램 입체 영상의 광시각화를 이룰 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (19)

  1. 가간섭성 평행광(coherent plane wave)을 임의 방향으로 조사시키는 인-풋 광학부(input optical unit);
    상기 임의 방향으로 조사된 가간섭성 평행광을 공간 광 변조시켜 적어도 하나 이상의 회절 빔(diffraction beam)을 생성하는 공간 광 변조기; 및
    상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔을 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역(imaging area)에 재생하는 이미징 광학부
    를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인-풋 광학부는:
    상기 가간섭성 평행광을 발생시키는 광원부; 및
    상기 공간 광 변조기에 복수의 방향으로 가간섭성 평행광을 입사시키는 광원 조사부
    를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원부는 적색, 녹색 및 청색 레이저 장치 및 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 장치 중에서 적어도 하나를 이용하여 상기 가간섭성 평행광을 생성시키는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광원부는 백색광 레이저 및 발광 다이오드 중에서 적어도 하나 이상의 백색 광원 장치를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광원 조사부는 상기 공간 광 변조기의 수직 방향에 대하여 임의의 각도로 복수의 가간섭성 평행광을 시간 혹은 공간 다중화 방법으로 입사시키는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 디지털 홀로그램 간섭무늬를 인코딩하는 디스플레이 패널을 포함하고, 상기 디스플레이 패널을 이용하여 상기 평행광의 위상, 진폭, 및 복소진폭 중에서 적어도 하나를 공간 광변조하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는
    상기 공간 광 변조기로부터 공간 광 변조기의 수직 방향으로 진행하는 광 축에 대하여 근축 근사(paraxial approximation)에 부합되지 않는 회절 각에서 발생하는 공간 주파수 영역의 변형을 고려하여 퓨리에 홀로그램(Fourier hologram)의 퓨리에 변환 데이터를 생성하고 인코딩함으로써, 상기 재생 영상의 왜곡을 제거하는 홀로그래피 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이미징 광학부는 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈 및 공간필터를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈 및 공간필터를 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상들을 하나의 재생영역에 재생하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 상기 두 개의 퓨리에 렌즈 중에서 하나의 퓨리에 렌즈의 전방 초점면에 위치하고,
    상기 하나의 퓨리에 렌즈는 상기 공간 광 변조기에서 생성되는 상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔을 이용하여 상기 전방 초점면에 상응하는 후방 초점면에 홀로그램 간섭무늬를 형성시키되, 상기 홀로그램 간섭무늬는 광축에 대한 상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔의 진행 각도에 따라 횡축 방향으로 복제 배열되는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 두 개의 퓨리에 렌즈 중에서 또 다른 하나의 퓨리에 렌즈는, 상기 두 개의 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치한 홀로그램 간섭무늬로부터 회절하는 빔을 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 상기 또 다른 하나의 퓨리에 렌즈의 후방 초점면으로부터 미리 지정된 거리 이내의 한 재생영역에서 재생하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 공간필터는 상기 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치하여 변조되지 않는 빔 및 고차 회절항의 노이즈를 제거하고, 상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔을 선택적으로 투과시켜 상기 생성된 적어도 하나 이상의 회절 빔의 세기를 조절하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기가 퓨리에 렌즈의 초점거리에 따른 위치와 다른 위치에 배치되는 경우, 상기 이미징 광학부는 이미징 평면에 위치한 스크린 렌즈를 통하여 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 재생하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이미징 광학부는 RGB 광학 시스템을 통해 시간 다중화 재생 방법 및 공간 다중화 재생 방법 중에서 적어도 하나를 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상들에 적용하여 컬러 동영상을 생성하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  14. 단일의 가간섭성 평행광을 발생시키는 광원 모듈;
    상기 발생된 가간섭성 평행광을 공간 광 변조시켜 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔을 생성하는 공간 광 변조기; 및
    상기 생성된 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔을 이용하여 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상을 하나의 재생영역에 재생하는 이미징 광학부
    를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광원 모듈은 적색, 녹색 및 청색 레이저 장치, 및 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 장치 중에서 적어도 하나를 이용하여 상기 가간섭성 평행광을 생성하고,
    백색광 레이저 및 발광 다이오드 중에서 적어도 하나 이상의 백색 광원 장치를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 디지털 홀로그램 간섭무늬를 인코딩하는 픽셀 구조를 가진 디스플레이 패널을 포함하며, 상기 디스플레이 패널의 픽셀 구조를 통해 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔을 생성하되, 상기 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔들의 세기 및 분포 중에서 적어도 하나를 고려하여 상기 픽셀 구조를 설계한 특징을 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 이미징 광학부는 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈 및 공간필터를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 퓨리에 렌즈 및 공간필터를 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상들을 하나의 재생영역에 재생하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 상기 두 개의 퓨리에 렌즈 중에서 하나의 퓨리에 렌즈의 전방 초점면에 위치하고,
    상기 하나의 퓨리에 렌즈는 상기 공간 광 변조기에서 생성되는 상기 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔을 이용하여 상기 전방 초점면에 상응하는 후방 초점면에 홀로그램 간섭무늬를 형성시키되, 상기 홀로그램 간섭무늬는 광축에 대한 상기 생성된 적어도 하나 이상의 고차 회절 빔의 진행 각도에 따라 횡축 방향으로 복제 배열되고,
    상기 두 개의 퓨리에 렌즈 중에서 또 다른 하나의 퓨리에 렌즈는, 상기 두 개의 퓨리에 렌즈의 공통 초점면에 위치한 홀로그램 간섭무늬로부터 회절하는 빔을 이용하여 상기 시점이 다른 적어도 하나 이상의 홀로그램 입체 영상이 상기 또 다른 하나의 퓨리에 렌즈의 후방 초점면으로부터 미리 지정된 거리 내의 한 재생영역에서 재생하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기가 퓨리에 렌즈의 초점거리에 따른 위치와 다른 위치에 배치되는 경우, 상기 이미징 광학부는 이미징 평면에 위치한 스크린 렌즈를 통하여 홀로그램 입체 영상을 재생하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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