KR20150086799A - 휴대용 디바이스를 위한 광섬유 어레이 백라이트를 이용한 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법 - Google Patents

휴대용 디바이스를 위한 광섬유 어레이 백라이트를 이용한 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 어레이 백라이트를 이용하여 광을 조사하는 광 조사부, 상기 조사된 광의 진폭과 위상 변조를 수행하는 공간 광 변조부(SLM: Spatial Light Modulator), 상기 변조가 수행된 광을 기반으로 홀로그램 영상을 조사하는 렌즈, 동공 추적을 통해 관측자의 동공 위치를 획득하는 동공 추적부 및 상기 동공 위치에 대응하는 시차의 홀로그램 영상을 생성하는 홀로그램 생성부를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 개시하고 있다.

Description

휴대용 디바이스를 위한 광섬유 어레이 백라이트를 이용한 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법{HOLOGRAPHIC DISPLAY APPARATUS AND METHOD USING OPTICAL FIBER ARRAY BACKLIGHT FOR PORTABLE DEVICE}
본 발명은 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 휴대용 전자 장치에 적합한 소형의 간결한 구조를 갖는 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법에 관한 것이다.
디지털 홀로그래픽 디스플레이는 광파의 위상을 재현하는 디스플레이로 물체 광파의 위상 정보 표현을 위해 입사된 가간섭성 광파를 변조하여 3차원 영상을 표현한다. 홀로그래픽 디스플레이로 공간에 재생한 3차원 상은 수렴 작용(accommodation effect)을 비롯한 단안의 깊이 인지 요인을 제공하므로 기존의 스테레오스코피 기반의 3차원 디스플레이가 갖고 있는 수렴 불일치(Accommodation-convergence mismatch)를 해소 가능하다.
재생된 홀로그램 영상의 크기와 시야각은 입사된 광파의 진폭과 위상 변조를 위해 사용하는 공간광변조기(Spatial light modulator; SLM)의 데이터용량, 즉 광학적 신호가 갖는 정보의 양을 나타내는 공간대역폭과 상관관계가 있다. 따라서 디지털 홀로그래피에서 재생되는 스크린의 크기와 시야각을 늘리기 위한 공간대역폭 확장 기술이 지속적으로 개발되고 있다.
디지털 홀로그래픽 디스플레이 기술은 이상적인 3차원 디스플레이 기술로 고려되나 상용화를 위해서는 여전히 많은 기술적 난제를 갖고 있다. 공간광 변조기의 좁은 공간 대역폭에 의한 재생한 홀로그램의 극도로 좁은 스크린 크기와 시야각은 그 난제 중 하나이다. 공간 대역폭은 공간광 변조기의 픽셀 개수에 비례하므로 다수의 공간광 변조기를 사용하면 공간 대역폭을 증대할 수 있으며, 이러한 방법을 홀로그래픽 스테레오그램 기술이라 한다. 그러나 홀로그래픽 스테레오그램 기술은 다수의 공간광 변조기 장치 설비에 따른 큰 부피와 복잡한 광학 구조, 그에 따른 고비용의 설비비가 소요되므로 가장 발 빠르게 상용화로 고려중인 홀로그래픽 디스플레이 형태는 좁은 공간 대역폭을 최대한 활용한 안경 형태의 디스플레이인 HMD(Head mounted display)나 NED(Near eye display)이다. 그러나 이들 안경형 디스플레이는 사용자가 직접 디스플레이를 착용해야 3D 영상을 시청이 가능하다는 단점에 의해 자연스러운 3차원 영상 시청에 제한이 있어 활용도의 폭이 좁으므로, 무안경의 좁은 공간 대역폭을 최대한 활용한 휴대용 홀로그래픽 디스플레이 개발이 요구된다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 저비용의 소형화된 구조로 홀로그래픽 디스플레이가 가능한 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 홀로그래픽 디스플레이 장치는 광섬유 어레이 백라이트를 이용하여 광을 조사하는 광 조사부, 상기 조사된 광의 변조를 수행하는 공간 광 변조부(SLM: Spatial Light Modulator), 상기 변조가 수행된 광을 기반으로 홀로그램 영상을 조사하는 렌즈, 동공 추적을 통해 관측자의 동공 위치를 획득하는 동공 추적부 및 상기 동공 위치에 대응하는 시차의 홀로그램 영상을 생성하는 홀로그램 생성부를 포함할 수 있다.
상기 홀로그램 생성부는 시야창 사이의 공간적 공백을 보완하기 위해, 홀로그램 생성시 탈축(off-axis) 홀로그램 인코딩을 수행하여 시야창의 위치를 가변킬 수 있다.
상기 광 조사부는 광섬유 레이저 및 광섬유를 포함할 수 있다.
상기 광 조사부는 광섬유 레이저를 복수의 갈래로 분기시키는 광섬유 커플러 및 상기 분기된 광섬유 레이저를 이용하여 백색광을 생성하는 RGB 컴바이너를 포함할 수 있다.
상기 광 조사부는 입사 빕의 편광 방향과 광의 세기(power)를 제어하기 위해 분기된 각 갈래의 광섬유 사이에 설치되는 반파장판 및 편광판 및 평면파를 상기 공간광 변조부에 조사하기 위해, 상기 광섬유 말단에 설치되는 광 콜리메이터(collimator)를 포함할 수 있다.
상기 광 조사부는 광원 어레이를 수평 및 수직 방향에 대해 호 형태로 배치하여 시야창 어레이를 구성할 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는 고차항의 회절된 오더(order) 및 트윈(twin) 이미지를 필터링하기 위한 노이즈 마스크를 더 포함할 수 있다.
상기 렌즈는 필드 플래트너 렌즈(field flattener lens)이고. 상기 변조된 광을 렌즈의 초점에 집결시켜 초점 거리에 시야창을 형성할 수 있다.
상기 동공 추적부는 스테레오 카메라 및 적외선 LED를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 홀로그래픽 디스플레이 방법은 광섬유 어레이 백라이트를 이용하여 광을 조사하는 광 조사 단계, 공간광 변조기를 이용하여 상기 조사된 광의 변조를 수행하는 공간 광 변조 단계(SLM: Spatial Light Modulator), 상기 변조가 수행된 광을 렌즈에 통과시켜 홀로그램을 조사하는 홀로그램 조사 단계, 동공 추적을 통해 관측자의 동공 위치를 획득하는 동공 추적 단계 및 상기 동공 위치에 대응하는 시차의 홀로그램 영상을 생성하는 홀로그램 생성 단계를 포함할 수 있다.
상기 홀로그램 생성 단계는 시야창 사이의 공간적 공백을 보완하기 위해, 홀로그램 생성시 탈축(off-axis) 홀로그램 인코딩을 수행하여 시야창의 위치를 가변시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광 조사 단계는 광섬유 레이저 및 광섬유를 이용하여 백색광을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광 조사 단계는 상기 광 조사부는 광섬유 레이저를 광섬유 커플러를 이용하여 복수의 갈래로 분기하며, RGB 컴바이너를 통해 백색광을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광 조사 단계는 분기된 각 갈래의 광섬유 사이에 반파장판과 편광판을 설치하여 입사빔의 편광 방향과 광의 세기(power)를 제어하는 단계 및 상기 광섬유 말단에 광 콜리메이터(collimator)를 통해 평면파를 공간광 변조기에 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광 조사 단계는 광원 어레이를 수평 및 수직 방향에 대해 호 형태로 배치하여 시야창 어레이를 구성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 방법은 노이즈 마스크를 이용하여 고차항의 회절된 오더(order) 및 트윈(twin) 이미지를 필터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 렌즈는 필드 플래트너 렌즈(field flattener lens)이고, 상기 홀로그램 조사 단계는 상기 변조된 광을 렌즈의 초점에 집결시켜 초점 거리에 시야창을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동공 추적 단계는 스테레오 카메라 및 적외선 LED를 이용하여 상기 관측자의 동공 위치를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명인 동공 추적 시스템과 광섬유 어레이 백라이트를 이용한 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법에 따르면, 공간광 변조기의 대역폭 제한으로 인한 작은 재생 영상 크기와 시야각의 문제에서 벗어나 대화면의 광시야각을 갖는 홀로그래픽 디스플레이 구현이 가능하며, 종래의 고가의 복잡하고 부피가 큰 홀로그래픽 디스플레이 광학계를 저비용의 소형화된 구조로 구현이 가능하므로 휴대용의 시스템 구현을 가능케 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광 조사부의 구성을 구체적으로 나타낸 상세블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치에 따라, 호 형태로 배치된 광원 어레이를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 홀로그램 생성부가 동공 위치에 따른 홀로그램 영상을 생성하는 과정을 나타낸 흐름도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 홀로그램 생성부의 시차 영상 제공 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치가 수행하는 탈축(off-axis) 홀로그램 인코딩을 설명하기 위한 개념도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 동공 추적부의 구성을 구체적으로 나타낸 상세블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그래픽 디스플레이 장치는 공간광 변조기와 동공 추적 관련 구성, 광섬유 어레이 백라이트를 이용하여 광시야각을 갖는 홀로그램을 디스플레이할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소형화된 장치에서 활용할 수 있도록, 하나의 공간광 변조기를 가지고 구성될 수 있고, 이에 따라 제한된 공간 대역폭을 갖는 부분을 보완하여, 공간 대역폭을 최대한 활용하기 위해, 공간광 변조기에 의해 재생되는 홀로그램을 프로젝션 렌즈를 통해 재생 이미지의 스케일을 확대할 수 있다. 이때, 트레이드 오프(trade-off) 관계인 스크린 크기와 시야각의 관계에서 시야각을 최소화하여 스크린 크기를 최대로 하는 구조이므로, 시스템이 상대적으로 높은 공간 대역폭을 요구하지 않는다. 따라서, 픽셀 사이 간격과 픽셀 수가 많지 않은 공간 광 변조기로도 큰 스케일의 홀로그램 재생이 가능할 수 있다. 다만, 이러한 구조에서는 재생 홀로그램 영상의 시야각이 극도로 좁아지므로, 이를 보완하기 위해, 동공 추적 및 광섬유 어레이를 이용한 백라이트 관련 구성을 갖도록 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 광 생성부(10) 및 광 콜리메이터(15)를 포함하는 광 조사부와, 공간 광 변조부(20), 노이즈 마스크(30), 렌즈(40), 동공 추적부(50) 및 홀로그램 생성부(60)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 광 조사부는 광 생성부(10) 및 광 콜리메이터(15)를 포함할 수 있다. 광 생성부(10)는 레이저 등을 통해 광원을 생성한다. 광 콜리메이터(15)는 공간 광 변조부(20)로 생성된 광을 조사함에 있어서, 공간광 변조부(20)의 면적과 동일한 넓이의 콜리메이션(collimation)된 가간섭성(coherent) 광이 조사될 수 있도록 한다. 광 생성부(10)와 광 콜리메이터(15)는 광섬유를 통해 연결될 수 있다. 광 콜리메이터(15)와 광섬유는 복수 개로 구성되어 광섬유 어레이를 구성할 수 있다. 광 조사부에 대한 구체적인 설명은 이하, 도 2를 통해 설명하고자 한다.
공간 광 변조부(20)는 광 조사부를 통해 조사되는 광을 변조시킬 수 있다. 공간 광 변조부(20)는 조사되는 광의 진폭과 위상 변조를 수행하여 홀로그램 영상을 재생할 수 있다. 공간 광 변조부(20)에서 변조되어 재생되는 홀로그램 이미지는 대구경의 프로젝션 렌즈를 통해 재생 이미지의 스케일을 확대할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 관측자의 시야창에 입사되는 광원을 집속하는 홀로그램 이미지 확대 재생 방식을 적용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 구조에 의한 재생 홀로그램 영상의 시야각은 극도로 좁아지기 때문에, 좁은 시야각의 보완을 위해 관측자의 동공(70) 추적 및 광섬유 어레이를 이용한 백라이트 관련 구성이 필요한 것이다. 특히, 동공(70) 추적 및 광섬유 어레이를 이용한 백라이트 관련 구성을 구비하고 있기 때문에, 공간 광 변조부(20)는 하나의 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 공간 광 변조기는 픽셀 사이 간격 및 픽셀 수가 기준 값보다 적은 공간 광 변조기를 사용하여도 무방할 수 있다.
노이즈 마스크(30)는 사야창 영역을 제한하여 재생되는 홀로그램의 트윈 이미지 및 고차항의 오더(order)를 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
렌즈(40)는 공간 광 변조부(20)에서 변조가 수행된 광을 기반으로 홀로그램 영상을 조사하는 역할을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 렌즈(40)는 대구경의 필드 플래트너 렌즈(field flattener lens)일 수 있다. 공간 광 변조부(20)에서 변조된 광원은 렌즈(40)의 초점에 집결시켜, 초점 거리에 시야창을 형성할 수 있다. 이때, 재생되는 홀로그램에 의해 생성되는 물체(object)는 각각의 광 콜리메이터(15)에서 발산된 광을 기반으로 하는 각각의 마름모 형태의 영역이 중첩되는 영역에 생성될 수 있다.
동공 추적부(50)는 시차에 적합한 홀로그램 영상을 제작하기 위해, 동공 추적부(50)를 이용하여 관측자의 동공(70) 위치를 획득할 수 있다. 획득된 동공(70)의 위치는 관측자의 시점을 유추하는데 이용될 수 있고, 관측자의 시점에 광파를 집속하는데 이용될 수 있다. 동공 추적부(50)는 홀로그래픽 디스플레이 전면에 배치될 수 있다. 동공 추적부(50)는 스테레오 카메라를 포함할 수 있고, 이를 통해 관측자의 동공(70) 위치를 획득하고 그 위치에 대응하는 시차의 홀로그램 영상을 디스플레이할 수 있다.
홀로그램 생성부(60)는 동공 추적부(50)에서 획득한 관측자의 동공(70)의 위치에 대응하는 시차의 홀로그램 영상을 생성할 수 있다. 홀로그램 생성부(60)에 의해 생성되는 CGH(Computer Generated Hologram)을 통해 공간 광 변조부(20)로 입사하는 빔들을 변조하고 회절시킨다. 또한, 홀로그램 생성부(60)는 광 조사부의 광원 어레이에 의해 생성되는 각 시야창들의 광축에 따른 입력 영상의 축 회전을 통해 홀로그램 영상을 관측자의 동공 위치에 맞춰 생성할 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 홀로그램 생성부(60)는 각 광원에 의해 배열되는 시야창 사이의 공간적 공백을 보완하기 위해, 홀로그램 생성 간에 탈축(off-axis) 홀로그램 인코딩을 수행하여, 시야창의 위치를 가변시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 광 조사부의 구성을 구체적으로 나타낸 상세블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조사부(200)는 레이저(210), 광 커플러(220), 편광판(222), 반파장판(224), RGB 컴바이너(230), 광섬유 어레이(240) 및 광 콜리메이터(250)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 레이저(210)는 광원을 생성하는 구성으로, 백색광을 생성하기 위해, B(Blue) 레이저, G(Green) 레이저 및 R(Red) 레이저를 포함할 수 있다. 즉, 적색, 청색 및 녹색의 파작을 갖는 각 단일 모드 레이저(210)의 광원은 각기 커플러(220)에 의해 여러 갈래의 광섬유로 분리되고, R, G 및 B 각 파장의 갈래는 RGB 컴바이너(230)에 의해 가산 혼합될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저(210)는 가간섭성 광원을 생성하고, 빔 형태로 광원이 생성되며, 지름은 수 밀리미터 내외일 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 수 센티미터 이상의 공간 광 변조기(290)에 상기 레이저(210)에서 생성된 빔이 입사되기 위해서는 입사 빔 지름을 수 백배 이상 확대할 필요가 있다. 상기 레이저(210)는 싱글 모드(single mode) 광섬유 레이저일 수 있다. 즉, 광 커플러(220)를 활용하여 한 갈래의 빔을 여러 줄기의 빔으로 분기시키고, 분기된 광섬유들의 다발은 광섬유 어레이(240)로서, 공간 광 변조기(290)에 광을 조사할 수 있다. 분기된 광섬유 각 끝단은 렌즈 형태로 성형한 렌즈형 광섬유를 이용하여 큰 NA(Numerical Aperture)를 갖도록 할 수 있다. 즉, 시스템 구축을 위해 공간 광 변조기(290)의 면적과 동일한 넓이의 콜리메이션된 가간섭성 광원을 생성하기 위한 광 콜리메이터(250)는 렌즈형 광섬유일 수 있고, 이를 통해 종래 콜리메이터가 빔의 확대를 위해 고가의 복잡하고 거대한 광학 장치 구조물을 필요로 하여 휴대용 장치에 적합치 않았던 문제를 해결할 수 있다. 광원의 편광 방향과 빛의 세기는 광 커플러(220)와 컴바이너(230) 사이의 각 단일 파장 광섬유 갈래에 편광판(222) 및 반파장판(224)을 설치하여 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치에 따라, 호 형태로 배치된 광원 어레이를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 광원 어레이(310-1, 310-2, 310-3, 310-4, 310-5)는 호 형태로 배치될 수 있다. 이와 같이, 호 형태로 광원 어레이(310-1, 310-2, 310-3, 310-4, 310-5)를 배치함으로써 재생되는 홀로그램을 관찰 가능한 시야창이 중첩되지 않도록 배열할 수 있다. 호 형태로 배치된 광원 어레이(310-1, 310-2, 310-3, 310-4, 310-5)를 통해 공간 광 변조기(320)로 입사하는 빔들은 홀로그램 생성부에 의해 생성되는 CGH에 의해 변조되어 회절되고, 회절된 각 축의 광파는 플래트너 렌즈를 통과하여 렌즈 초점면에 시야창 어레이를 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 홀로그램 생성부가 동공 위치에 따른 홀로그램 영상을 생성하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 홀로그램 생성부는 동공 추적부로부터 동공 위치 정보를 획득한다(S410). 그리고는, 획득된 동공 위치 정보를 기반으로 관측자의 시점을 유추할 수 있다(S420). 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는 스크린의 크기를 최대로 하기 위해, 시야각을 최소화하는 구조를 갖고 있기 때문에, 관측자의 동공 추적을 통한 시점 유추를 수행하지 않으면, 영상의 시야각이 극도로 좁아져 관측자가 제대로 홀로그램 영상을 관측할 수 없게 된다. 전술한 바와 같이, 광 어레이에 의해 시야창을 중첩 없이 배치하여 광시야각을 확보할 수 있으나, 관측자의 동공의 위치, 즉 시점이 변화하면, 다른 시점에서 관찰된 홀로그램 영상도 역시 동일한 시차의 홀로그램으로 관측되기 때문에, 문제된다. 따라서, 홀로그램 생성부는 상기 유추한 관측자 시점에 대응하는 홀로그램 영상을 생성한다(S430). 관측자 시점에 대응하는 홀로그램 영상을 생성하는 방법은 도 5를 통해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 홀로그램 생성부의 시차 영상 제공 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 공간 광 변조기에 재생할 홀로그램을 생성하기 위해서는, 광원 어레이에 의해 생성된 각 시야창들의 광축에 따른 입력 영상의 축 회전이 요구된다. 모든 축의 중심이 되는 기준축(x0, y0, z0)은 렌즈의 광축과 일치하는 축이다. 따라서, 동공 추적부에서 추적한 동공의 위치(Vieweye)와 렌즈 중심을 잇는 축(xeye, yeye, zeye)과 기준축 사이의 각도(αeye)만큼 축을 회전한 영상을 재생 영상으로 설정한다. 이때, 축의 회전 방향을 동공의 축에서 기준축을 향하는 방향으로 설정될 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure pat00001
여기서, xeye, yeye, zeye는 동공의 위치와 렌즈 중심을 잇는 축의 좌표이고, x0, y0, z0는 모든 축의 중심이 되는 기준축을 의미하며, αeye는 xeye, yeye, zeye와 x0, y0, z0사이의 각도를 나타낸다.
상기 수학식 1의 계산을 통해 관측자의 동공 위치에 대응하는 시점에 따른 홀로그램 영상을 재현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치가 수행하는 탈축(off-axis) 홀로그램 인코딩을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 홀로그램 생성부는 탈축(off-axis) 홀로그램 인코딩을 수행하여 뷰잉 윈도우(610: Viewing Window)를 뷰잉 윈도우(620)로 이동시킨다. 도 6의 좌측 도면에 도시된 바와 같이, 시야창 사이에 공백이 존재하는 것을 보완하기 위해, 시야창을 쉬프팅 시킬 수 있다. 즉, 도 6의 우측 도면과 같이, 시야창의 위치를 해당 영역 내에서 가변시킴으로써 공백을 보완할 수 있다. 이는 다음의 수학식을 이용하여 수행될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Hologramoff - axis(x,y)는 탈축(off-axis)된 x,y 좌표를 나타내고, Hologramon-axis(x,y)는 탈축(off-axis) 전 x,y 좌표를 나타내며, λ는 파장을, θ는 탈축(off-axis) 각도를 나타낸다. 홀로그램 생성부는 상기의 수학식을 이용하여 시야창의 위치를 가변시킴으로써 공백을 보완한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 동공 추적부의 구성을 구체적으로 나타낸 상세블록도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 동공 추적부(700)는 스테레오 카메라(710) 및 적외선 LED(720)를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 스테레오 카메라(710)는 관측자의 동공 위치를 획득한다. 획득된 동공 위치는 홀로그램 생성부를 통해 관측자의 시점을 유추하는데 활용된다. 스테레오 카메라(710)는 관측자의 동공 위치와 관련된 3차원 정보를 획득할 수 있다. 스테레오 카메라(710)는 재생되는 디스플레이 측면에서의 동공 위치를 파악해야 하는 것이기 때문에, 디스플레이 전면에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
적외선 LED(720)는 주위의 빛이 어두운 경우에 동작하여 스테레오 카메라(710)가 관측자의 동공의 위치를 파악하는 것을 지원할 수 있다. 적외선 LED(720)도 디스플레이 전면에 스테레오 카메라(710)와 함께 배치될 수 있다.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 광섬유 어레이 백라이트를 이용하여 광을 조사하는 광 조사부;
    상기 조사된 광의 변조를 수행하는 공간 광 변조부(SLM: Spatial Light Modulator);
    상기 변조가 수행된 광을 기반으로 홀로그램 영상을 조사하는 렌즈;
    동공 추적을 통해 관측자의 동공 위치를 획득하는 동공 추적부; 및
    상기 동공 위치에 대응하는 시차의 홀로그램 영상을 생성하는 홀로그램 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀로그램 생성부는 시야창 사이의 공간적 공백을 보완하기 위해, 홀로그램 생성시 탈축(off-axis) 홀로그램 인코딩을 수행하여 시야창의 위치를 가변시키는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 조사부는 광섬유 레이저 및 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 광 조사부는
    광섬유 레이저를 복수의 갈래로 분기시키는 광섬유 커플러; 및
    상기 분기된 광섬유 레이저를 이용하여 백색광을 생성하는 RGB 컴바이너를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 광 조사부는
    입사 빕의 편광 방향과 광의 세기(power)를 제어하기 위해 분기된 각 갈래의 광섬유 사이에 설치되는 반파장판 및 편광판; 및
    평면파를 상기 공간광 변조부에 조사하기 위해, 상기 광섬유 말단에 설치되는 광 콜리메이터(collimator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 조사부는 광원 어레이를 수평 및 수직 방향에 대해 호 형태로 배치하여 시야창 어레이를 구성하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    고차항의 회절된 오더(order) 및 트윈(twin) 이미지를 필터링하기 위한 노이즈 마스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 렌즈는,
    필드 플래트너 렌즈(field flattener lens)이고,
    상기 변조된 광을 렌즈의 초점에 집결시켜 초점 거리에 시야창을 형성하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 동공 추적부는 스테레오 카메라 및 적외선 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  10. 광섬유 어레이 백라이트를 이용하여 광을 조사하는 광 조사 단계;
    공간광 변조기를 이용하여 상기 조사된 광의 변조를 수행하는 공간 광 변조 단계(SLM: Spatial Light Modulator);
    상기 변조가 수행된 광을 렌즈에 통과시켜 홀로그램을 조사하는 홀로그램 조사 단계;
    동공 추적을 통해 관측자의 동공 위치를 획득하는 동공 추적 단계; 및
    상기 동공 위치에 대응하는 시차의 홀로그램 영상을 생성하는 홀로그램 생성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 홀로그램 생성 단계는 시야창 사이의 공간적 공백을 보완하기 위해, 홀로그램 생성시 탈축(off-axis) 홀로그램 인코딩을 수행하여 시야창의 위치를 가변시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 조사 단계는 광섬유 레이저 및 광섬유를 이용하여 백색광을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 광 조사 단계는 상기 광 조사부는 광섬유 레이저를 광섬유 커플러를 이용하여 복수의 갈래로 분기하며, RGB 컴바이너를 통해 백색광을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 광 조사 단계는
    분기된 각 갈래의 광섬유 사이에 반파장판과 편광판을 설치하여 입사빔의 편광 방향과 광의 세기(power)를 제어하는 단계; 및
    상기 광섬유 말단에 광 콜리메이터(collimator)를 통해 평면파를 공간광 변조기에 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 조사 단계는 광원 어레이를 수평 및 수직 방향에 대해 호 형태로 배치하여 시야창 어레이를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    노이즈 마스크를 이용하여 고차항의 회절된 오더(order) 및 트윈(twin) 이미지를 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 렌즈는 필드 플래트너 렌즈(field flattener lens)이고,
    상기 홀로그램 조사 단계는 상기 변조된 광을 렌즈의 초점에 집결시켜 초점 거리에 시야창을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 동공 추적 단계는 스테레오 카메라 및 적외선 LED를 이용하여 상기 관측자의 동공 위치를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 방법.

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