KR20180072356A - 백라이트 유닛 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents

백라이트 유닛 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 Download PDF

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KR20180072356A
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김선일
성기영
송훈
안중권
이홍석
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Abstract

광 효율이 높은 백라이트 유닛 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 백라이트 유닛은 광빔을 제공하는 광원부; 상기 광원부에서 제공된 광빔을 혼합하고 제1방향으로 확대하여 백색광으로 출사하는 제1 빔 확대부; 및 상기 제1 빔 확대부에서 출사된 백색광을 상기 제1방향에 수직한 제 2 방향으로 확대하여 면광으로 출사하는 제2 빔 확대부;를 포함한다.

Description

백라이트 유닛 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치{Backlight unit and three-dimensional image display apparatus including the same}
본 개시는 백라이트 유닛 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 것이다.
3차원 영상을 구현하는 방식으로서 안경 방식과 무안경 방식이 널리 상용화되어 사용되고 있다. 안경 방식에는 편광 안경 방식과 셔터 안경 방식이 있으며, 무안경 방식에는 렌티큘러 방식과 패럴랙스 배리어 방식이 있다. 이러한 방식들은 두 눈의 양안시차(binocular parallax)를 이용하는 것으로, 시점 수의 증가에 한계가 있을 뿐만 아니라, 뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하지 않아서 시청자로 하여금 피로감을 느끼게 한다.
뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하고 완전 시차(full parallax)를 제공할 수 있는 3차원 영상 디스플레이 방식으로서, 최근 홀로그래픽 디스플레이 방식이 점차 실용화되고 있다. 홀로그래픽 디스플레이 방식은, 원본 물체로부터 반사된 물체광과 참조광을 간섭시켜 얻은 간섭무늬를 기록한 홀로그램 패턴에 참조광을 조사하여 회절시키면, 원본 물체의 영상이 재생되는 원리를 이용하는 것이다. 현재 실용화되고 있는 홀로그래픽 디스플레이 방식은 원본 물체를 직접 노광하여 홀로그램 패턴을 얻기 보다는 컴퓨터로 계산된 홀로그램(computer generated hologram; CGH)을 전기적 신호로서 공간 광변조기에 제공한다. 입력된 CGH 신호에 따라 공간 광변조기가 홀로그램 패턴을 형성하여 참조광을 회절시킴으로써 3차원 영상이 생성될 수 있다.
그런데, 완전한 홀로그래픽 디스플레이 방식을 구현하기 위해서는 매우 높은 해상도의 공간 광변조기 및 매우 많은 데이터 처리량이 필요하다. 최근에는 데이터 처리량 및 해상도의 조건을 완화하기 위하여, 관찰자의 양안에 해당하는 시역에만 각각 홀로그램 영상을 제공하는 양안 홀로그램(binocular hologram) 방식이 제안되고 있다. 예를 들어, 관찰자의 좌안 시역에 해당하는 시점을 갖는 홀로그램 영상과 관찰자의 우안 시역에 해당하는 시점을 갖는 홀로그램 영상만을 생성하여 관찰자의 좌안과 우안에 각각 제공하는 것이다. 이 경우, 나머지 시점들에 대한 홀로그램 영상들을 생성하지 않아도 되기 때문에 데이터 처리량을 크게 줄일 수 있으며, 현재 상용화된 디스플레이 장치로도 공간 광변조기의 해상도 조건을 만족할 수 있다.
양한 홀로그래픽 디스플레이 장치용 백라이트 유닛 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 광빔을 제공하는 광원부; 상기 광원부에서 제공된 광빔을 혼합하고 제1방향으로 확대하여 백색광으로 출사하는 제1 빔 확대부; 및 상기 제1 빔 확대부에서 출사된 백색광을 상기 제1방향에 수직한 제 2 방향으로 확대하여 면광으로 출사하는 제2 빔 확대부;를 포함하는, 백라이트 유닛이 제공된다.
제1 빔 확대부는 상기 제1방향에 대해 기울어진 제3방향을 따라 배열된 쐐기 형상의 다수의 그루브를 구비하는 그레이팅 소자를 포함할 수 있다.
상기 다수의 그루브는 상기 제2방향과 수직인 단면의 형상이 일정할 수 있다.
상기 다수의 그루브 간의 간격 및 상기 쐐기 형상의 각도는 상기 제1방향 및 제2방향에 모두 수직인 제4방향으로의 회절광이 인접한 그루브에서 보강 간섭을 일으키도록 정해질 수 있다.
상기 백라이트 유닛은 상기 광원부와 상기 그레이팅 소자 사이에 위치하는 광경로 전환 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 광원부는 상기 광원부는 제1파장의 광을 제공하는 제1 광원부, 제1파장과 다른 제2파장의 광을 제공하는 제2 광원부, 및 제1 및 제2 파장과 다른 제3 파장의 광을 제공하는 제3 광원부를 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 및 제3 광원부는, 상기 제1, 제2 및 제3 광원부에서 조사하는 광의 상기 그레이팅 소자에의 입사각이 서로 다르도록 배치될 수 있다.
상기 광경로 전환 부재는 곡면의 반사면을 구비하며, 상기 제1, 제2 및 제3 광원부는 상기 광경로 전환 부재에 서로 나란한 방향으로 광을 조사할 수 있다.
상기 광원부는 단색광을 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 백라이트 유닛은 상기 그레이팅 소자에서 출사된 광의 파장을 변환하는 파장 변환층을 더 포함할 수 있다.
상기 파장 변환층은 다수의 양자점을 포함할 수 있다.
상기 제1 빔 확대부는 평행광이 기록된 홀로그램 소자를 포함할 수 있다.
상기 홀로그램 소자는 한 장의 홀로그램 매체에 복수의 단색광의 평행광이 기록된 형태를 가질 수 있다.
상기 홀로그램 소자는 서로 다른 단색광의 평행광이 기록된 복수의 홀로그램 매체가 적층된 형태를 가질 수 있다.
상기 홀로그램 소자에는 단색의 평행광이 기록되며, 상기 홀로그램 소자로부터 재생된 광을 파장 변환하는 파장 변환층이 더 구비될 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 가간섭성 광빔을 제공하는 광원부; 상기 광원부에서 제공된 광빔을 혼합하고 제1방향으로 확대하여 백색광으로 출사하는 제1 빔 확대부; 상기 제1 빔 확대부에서 출사된 백색광을 상기 제1방향에 수직한 제 2 방향으로 확대하여 면광으로 출사하는 제2 빔 확대부; 입사광을 회절시켜 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광변조기; 및 상기 공간 광변조기에 의해 재생되는 홀로그램 영상을 소정의 공간 상에 포커싱하는 필드 렌즈;를 포함하는, 홀로그래픽 디스플레이 장치가 제공된다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는 상기 필드 렌즈에 의해 홀로그램 영상이 포커싱 되는 위치를 2차원적으로 제어하기 위한 빔 편향부;를 더 포함할 수 있다.
제1 빔 확대부는 상기 제1방향에 대해 기울어진 제3방향을 따라 배열된 쐐기 형상의 다수의 그루브를 구비하는 그레이팅 소자를 포함할 수 있다.
상기 다수의 그루브 간의 간격 및 상기 쐐기 형상의 각도는 상기 제1방향 및 제2방향에 모두 수직인 제4방향으로의 회절광이 인접한 그루브에서 보강 간섭을 일으키도록 정해질 수 있다.
상기 제1 빔 확대부는 평행광이 기록된 홀로그램 소자를 포함할 수 있다.
상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는 시청자의 위치를 감지하는 아이트랙킹 센서;를 더 포함할 수 있다.
상술한 백라이트 유닛은 가간섭성의 광빔을 면광의 형태로 제공하며, 면광으로 변환시키는 광효율이 높다.
상술한 백라이트 유닛을 채용한 홀로그래픽 디스플레이 장치는 3차원 영상을형성할 때의 전력 소모가 적다.
도 1은 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부의 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
도 3은 도 2의 일부를 확대하여 보인 부분 확대도이다.
도 4는 도 2의 일부를 확대하여, 그루브 면에서의 회절광이 백색광을 형성하는 것을 보이는 개념도이다.
도 5는 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부의 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
도 6은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
도 7은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
도 8은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
도 9는 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부의 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
도 10은 도 9의 제1 빔 확대부에 채용되는 파장 변환층의 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
도 11은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부의 도 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
도 12는 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
도 13은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)는 광을 제공하는 백라이트 유닛(BLU)과, 백라이트 유닛(BLU)으로부터의 광을 회절시켜 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광 변조기(600)를 포함한다. 백라이트 유닛(BLU)과 공간 광 변조기(600) 사이에는 공간 광 변조기(600)에 의해 재생되는 홀로그램 영상을 소정의 공간상에 포커싱 하는 필드 렌즈(500)가 더 위치할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(BLU)에서 나오는 광빔의 진행방향을 2차원적으로 제어하는 빔 편향부(400)가 더 구비될 수 있다. 도 1에서, 필드 렌즈(500)의 위치는 빔 편향부(400)와 공간 광 변조기(600) 사이에 위치하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 필드 렌즈(500)는 예를 들어, 공간 광 변조기(600)의 전면에 위치할 수도 있다.
홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)는 또한, 시청자의 위치를 인식하는 아이트래킹 센서(800)를 더 구비할 수 있고, 아이트래킹 센서(800)로부터 감지된 위치에 따라, 빔 편향부(400)를 제어하는 제어부(700)를 더 구비할 수 있다. 제어부(700)는 또한, 광원부(100)의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 영상이 시청자의 좌안(LE), 우안(RE)에 시순차적으로 형성되도록 광빔의 조사방향을 시순차적으로 제어할 수 있다.
본 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 양안 홀로그램 방식으로 관찰자의 좌안(LE)과 우안(RE)에 시점이 상이한 홀로그램 영상들을 각각 제공할 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)는 관찰자의 좌안(LE) 시역에 좌안용 홀로그램 영상을 제공하고 관찰자의 우안(RE) 시역에 좌안용 홀로그램 영상과는 시점이 다른 우안용 홀로그램 영상을 제공할 수 있다. 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에서 제공되는 좌안용 홀로그램 영상 및 우안용 홀로그램 영상은, 스테레오스코픽(stereoscopic) 방식의 좌안 영상 및 우안 영상과는 달리, 단독으로도 관찰자에게 입체감을 제공할 수 있으며, 단지 시점만이 서로 다르다. 스테레오스코픽 방식의 경우, 시점이 상이한 좌안용 2차원 영상과 우안용 2차원 영상이 관찰자의 좌안과 우안에서 각각 인지될 때 양안시차를 이용하여 입체감을 제공한다. 따라서, 스테레오스코픽 방식에서는 좌안 영상과 우안 영상 중 어느 하나만으로는 입체감이 발생하지 않으며, 뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하지 않아서 관찰자가 피로감을 느낄 수 있다. 반면, 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)는 소정의 공간 상의 위치, 즉 관찰자의 좌안(LE)과 우안(RE) 시역에 좌안용 홀로그램 영상과 우안용 홀로그램 영상을 각각 형성하기 때문에 뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하고 완전 시차를 제공할 수 있다. 본 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)가 양안 시점만을 제공하는 이유는, 관찰자가 좌안(LE)과 우안(RE)으로 2개의 시점만을 인식할 수 있기 때문에, 관찰자가 인식할 수 있는 시점 정보를 제외한 나머지 시점 정보를 제거하여 데이터 처리량을 줄이기 위한 것이다.
홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)의 보다 상세한 구성을 설명하기로 한다.
백라이트 유닛(BLU)은 광빔을 제공하는 광원부(100), 광원부(100)에서 제공된 광빔을 혼합하고 제1방향(A1)으로 확대하는 제1 빔 확대부(200), 제1 빔 확대부(200)에서 출사된 광을 제1방향(A1)에 수직인 제2방향(A2)으로 확대하여 면광으로 출사하는 제2 빔 확대부(300)를 포함한다.
광원부(100)는 가간섭성의 광빔을 제공할 수 있다. 광원부(100)는 높은 간섭성을 갖는 광을 발생시키는 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 잇다. 그러나, 어느 정도의 공간 간섭성(spatial coherence)을 가지고 있다면 공간 광변조기(200)에 의해 충분히 회절 및 변조될 수 있기 때문에, 발광 다이오드(LED)가 사용될 수도 있다. 발광 다이오드 외에도 어느 정도의 공간 간섭성을 갖는 광을 방출하는 다른 어떤 광원도 사용이 가능하다.
광원부(100)는 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수의 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1파장 대역의 광을 방출하는 제1광원, 제1파장과 다른 제2파장 대역의 광을 방출하는 제2광원, 제1 및 제2 파장과 다른 제3 파장의 광을 방출하는 제3광원을 포함할 수 있다. 제1, 제2, 제3 파장의 광은 각각 적색, 녹색, 청색광일 수 있다.
광원부(100)에는 상술한 광원 외에, 광원에서 조사된 광을 소정 폭의 광빔으로 정형하는 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 광학 부재는 예를 들어, 핀홀 부재, 콜리메이팅 렌즈일 수 있다.
제1 빔 확대부(200)는 광원부(100)에서 제공된 광빔을 제1방향(A1)으로 확대하는 역할을 한다. 제1방향(A1)은 도면에 표시된 -Y방향일 수 있다.
제1 빔 확대부(200)는 광원부(100)에서 제공된 광빔을 혼합하고 제1방향(A1)으로 확대하여 백색광으로 출사할 수 있다. 제1 빔 확대부(200)는 이를 위해, 그레이팅 소자를 포함할 수 있고, 또는, 평행광이 기록된 홀로그램 소자를 포함할 수 있다. 제1 빔 확대부(200)의 상세한 예시적인 구성에 대해서는 도 2 내지 도 13을 참조하여 상세히 후술할 것이다.
제 2 빔 확대부(160)는 제 1 빔 확대부(110)로부터 제1방향으로 확대된 광빔을 상기 제1방향(A1)과 수직인 제2방향(A2), 예를 들어, 도면에 표시된 X방향으로 확대하여, 면광으로 만드는 역할을 한다. 제 2 빔 확대부(160)는 투명한 재료로 이루어지며 전반사를 통해 광을 제2방향(X방향)으로 진행시키는 도광판(310)과, 광을 도광판(310) 외부로 방출시키는 출력 커플러(320)를 포함할 수 있다. 출력 커플러(320)는 예를 들어, 광의 일부를 회절 및 투과시키는 회절 광학 소자일 수 있다.
빔 편항부(400)는 백라이트 유닛(BLU)으로부터 출사되는 광빔의 진행방향을 이차원적으로 제어할 수 있다. 빔 편향부(400)는 이를 위하여, 제1 빔 편향기(440)와 제2 빔 편향기(430)를 포함할 수 있다. 제1 빔 편향기(440)와 제2 빔 편향기(430) 중 어느 하나는 광빔을 수평 방향, 예를 들어, Y 방향으로 제어하고, 다른 하나는 광빔을 수직 방향, 예를 들어, X 방향으로 제어하도록 구성될 수 있다. 빔 편향부(400)에 의해, 홀로그램 영상이 포커싱되는 위치가 조절될 수 있다. 다시 말하면, 빔 편향부(400)에 의해, 좌안 홀로그램 영상이 포커싱되는 좌안 위치, 우안 홀로그램 영상이 포커싱되는 우안 위치가 조절될 수 있다. 개개의 시청자에 고유한 좌, 우안 간격이 아이트래킹 센서(800)에 의해 감지될 수 있고, 또한, 시청자의 움직임에 의한 좌, 우안 위치의 변경이 감지될 수 있다. 이와 같이 감지된 정보에 따라, 빔 편향부(400)가 광빔의 진행 방향을 제어할 수 있다.
제1 빔 편향기(440)와 제2 빔 편향기(430) 중 어느 하나는 입사광을 회절시켜 서로 다른 각도로 진행하는 2개의 광빔을 만드는 액정 편향기일 수 있다. 빔 편향부(400)에서 좌, 우안을 향하도록 광을 동시에, 공간적으로 분리하는 경우, 광원부(100)의 시순차 구동은 필요하지 않게 된다.
필드 렌즈(500)는 빔 편향부(400)에서 방향 제어된 광을 소정 공간에 포커싱한다. 필드 렌즈(500)는 프레넬 렌즈 또는 액정 렌즈를 포함할 수 있다.
백라이트 유닛(BLU)으로부터 출사되고 빔 편향부(400)에서 방향 제어된 광은 필드 렌즈(500)를 통해 공간 광 변조기(600)에 입사하게 된다. 공간 광 변조기(600)는 입사광을 변조하기 위한 간섭 무늬를 갖는 홀로그램 패턴을 형성하는 역할을 한다. 공간 광 변조기(600)에서 형성되는 홀로그램 패턴에 의해 입사광이 회절 및 변조됨으로써 소정의 공간 상의 위치에 홀로그램 영상이 재생될 수 있다.
도 2는 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부(201)의 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
제1 빔 확대부(201)는 일 방향을 따라 배열된 쐐기 형상의 다수의 그루브(GR)를 구비하는 그레이팅 소자(250)일 수 있다. 상기 일방향은 제1방향(A1)에 대해 기울어진 제3방향(A3)일 수 있다. 제1방향(A1)과 제3방향(A3)이 이루는 각은 예각, 즉, 0도 보다 크고 90도 보다 작은 각일 수 있다. 다수의 그루브(GR)는 제2방향(A2)과 수직인 단면이 형상이 일정할 수 있다. 즉, X방향에 대해 대칭인 형상을 가질 수 있고, 예를 들어, X방향의 높이를 가지는 각기둥 형상일 수 있다.
다수의 그루브(GR)가 배열되는 제3방향(A3)을 제1방향(A1)에 대해 이와 같이 소정 각도로 기울어지게 형성하는 것은 제1방향(A1)과 나란하게 입사되는 광빔을 제1방향(A1)으로 확대하며 제4방향(A4)로 출사시키기 위한 것이다. 제4방향(A4)은 제1방향(A1), 제2방향(A2)에 모두 수직인 방향, 도면에서는 Z 방향일 수 있다. 광원부에서 제공되는 광은 소정 빔폭을 가지는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)일 수 있다. 입사된 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)은 그레이팅 소자(250)의 다수의 그루브(GR) 중 어느 하나에서 회절되며, 회절광이 제4방향(A4)을 향하게 된다. 그루브(GR)의 각 위치마다, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)의 혼합이 일어날 수 있고, 회절되어 출사되는 광은 백색광(W)이 될 수 있다. 그레이팅 소자(250)의 회절 특성은 그루브의 구체적인 형상과 입사광의 파장과 관련된다. 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 그루브(GR)에 입사되는 각이 동일하더라도 파장이 서로 다르기 때문에, 회절광의 방향은 다르게 나타날 수 있다. 따라서, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 그루브(GR)에 입사하는 각을 서로 다르게 하여 회절광의 방향을 일치시킬 수 있다. 회절광의 방향이 일치될 때, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 혼합되어 백색광(W)이 될 수 있다. 이러한 혼합은 모든 그루브(GR)에서 일어날 수 있고, 따라서, 그레이팅 소자(250)에 의해, 광이 제1방향(A1)으로 확대되고, 또한, 혼합되어 백색광을 나타내며 제4방향(A4)으로 출사될 수 있다.
도 3은 도 2의 일부를 확대하여 보인 부분 확대도이다.
그루브(GR)는 쐐기 형상을 가질 수 있다. 그루브(GR)의 단면 형상은 도시된 바와 같이 삼각형 형상일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 그루브(GR)의 단면 형상을 이루는 삼각형은 그루브 면(GRa)과 제3방향(A3)이 이루는 각도가 θB, 그루브(GR) 중심의 각이 90도인 삼각형이 될 수 있다. 상기 삼각형은 두 직각변의 길이가 다른 형태일 수 있다. 이는 예시적인 것이고, 이에 한정되는 것은 아니다. 그루브(GR)간의 간격, d는 그루브(GR) 배열 주기, 즉, 그루브(GR) 중심 간의 거리로 나타내고 있다. θB 와 그루브(GR) 간의 간격, d를 조절하여 특정 방향으로의 회절광의 효율을 높일 수 있다. 인접한 그루브(GR)에 의한, 제4방향(A4)을 향하는 회절광(L1)(L2)이 서로 보강 간섭을 일으키도록 θB, d를 설정할 수 있고, 이에 따라 제4방향(A4)으로의 회절광을 최대화할 수 있다. 예를 들어, 제1방향(A1)을 따라 입사하는 가시광선 파장 대역의 광에 대해 제4방향(A4)을 향하는 회절광의 효율을 최대화하기 위해, θB는 대략적으로, 1°~46°의 범위를 가질 수 있고, d는 0.4㎛~10㎛의 범위를 가질 수 있다.
도 4는 도 2의 일부를 확대하여, 그루브 면(GRa)에서의 회절광이 백색광을 형성하는 것을 보이는 개념도이다.
도시된 바와 같이, 그루브 면(GRa)에 입사하는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)의 입사각을 서로 다르게 하여, 제4방향(A4)으로의 회절광의 방향을 일치시킬 수 있고, 이에 따라 백색광이 제4방향(A4)으로 출사될 수 있다.
도 2에 도시된 그레이팅 소자(250)의 형상은 제1 빔 확대부(201)가 광빔을 확대하는 제1방향(A1)에 대해 기울어진 제3방향(A3)을 따라 다수의 그루브들이 배열되고, 제1방향(A1), 제2방향(A2)에 수직인 제4방향(A4)으로 회절광이 출사되도록 정해진 것이다. 따라서, 그레이팅 소자(250)에 구비되는 그루브(GR)들은 도시된 형상에 한정되지 않으며, 상기 요건을 만족하는 다양한 형상이 채용될 수 있다. 예를 들어, 그루브 면(GRa)은 평면으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며 곡면이 될 수도 있다.
도 5는 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부(202)의 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
본 실시예에 따른 제1 빔 확대부(202)는 광원부와 그레이팅 소자(250) 사이에 광경로 전환 부재가 배치된 점에서 도 2의 제1 빔 확대부(201)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
광경로 전환 부재(240)는 프리즘일 수 있다. 프리즘은 평면으로 된 반사면을 구비할 수 있다. 광원부(100)는 광경로 전환 부재(240)을 향해 서로 다른 각도로 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 조사할 수 있고, 일정한 기울기를 가지는 반사면에서 반사되어 다수의 그루브(GR)에 서로 다른 각으로 입사한다. 다수의 그루브(GR)는 서로 다른 파장의 광에 대해 회절광의 방향이 다르게 나타나도록 설계되어 있으므로, 서로 다른 각으로 입사된 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)은 동일한 방향으로 회절되며 혼합되어 백색광(W)을 나타낼 수 있다.
도 6은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부(203)의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
본 실시예에 따른 제1 빔 확대부(203)는 광원부와 그레이팅 소자(250) 사이에 배치된 광경로 전환 부재(241)의 형상에서 도 5의 제1 빔 확대부(202)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
광경로 전환 부재(241)는 두 개의 반사면을 가지는 프리즘일 수 있다. 광경로 전환 부재(241)의 이러한 형상에 따라, 광원부는 그레이팅 소자(250)의 길이 방향과 거의 나란하게 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 광경로 전환 부재(241)를 향해 조사할 수 있다. 즉, 광원부를 구성하는 구성요소의 배치가 그레이팅 소자(250)의 길이 방향과 나란할 수 있으므로, Z방향의 두께를 줄일 수 있다. 이에 따라 도 1을 참조할 때, 보다 박형으로 백라이트 유닛(BLU)을 구성할 수 있음을 알 수 있다. 도면에서, 광경로 전환 부재(241)에 입사되는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)은 나란하게 도시되고 있으나 이는 편의상 개략적으로 도시한 것이며, 전술한 바와 같이, 그레이팅 소자(250)에 서로 다른 각도로 입사되도록, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 광경로 전환 부재(241)에 입사하는 각을 서로 조금씩 다게 할 수 있다.
도 7은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부(204)의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
제1 빔 확대부(204)는 광경로 전환 부재(242)의 형상에서 도 5의 제1 빔 확대부(202)와 차이가 있다. 광경로 전환 부재(242)는 곡면으로 된 반사면을 가질 수 있다. 곡면은 구면으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며, 비구면 형상일 수도 있다. 광경로 전환 부재(242)의 이러한 형상은 광경로 전환 부재(242)에 동일한 방향으로 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 입사하더라도, 곡면의 반사면은 그 위치에 따라 기울기가 다르기 때문에, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 서로 다른 각으로 그레이팅 소자(250)의 그루브(GR)에 입사하게 된다. 다수의 그루브(GR)는 서로 다른 파장의 광에 대해 회절광의 방향이 다르게 나타나도록 설계되어 있으므로, 서로 다른 각으로 입사된 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)은 동일한 방향으로 회절되며 혼합되어 백색광(W)을 나타낼 수 있다.
도 8은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부(205)의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
본 실시예에 따른 제1 빔 확대부(205)는 광원부와 그레이팅 소자(250) 사이에 배치된 광경로 전환 부재(243)의 형상에서 도 7의 제1 빔 확대부(204)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
광경로 전환 부재(243)는 단면이 반원 형상인 반사면을 가지는 프리즘일 수 있다. 광원부는 광경로 전환 부재(243)에 그레이팅 소자(250)의 길이 방향과 나란한 방향으로 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 조사할 수 있다. 즉, 광원부를 구성하는 구성요소의 배치가 그레이팅 소자(250)의 길이 방향과 나란할 수 있으므로, Z방향의 두께를 줄일 수 있다. 이에 따라 도 1을 참조할 때, 도 7의 제1 빔 확대부(204)에 비해 보다 박형으로 백라이트 유닛(BLU)을 구성할 수 있음을 알 수 있다. 광경로 전환 부재(243)에 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 입사하는 각은 동일할 수 있다. 도 7의 설명에서 기술한 바와 같이, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 나란하게 광경로 전환 부재(243)에 입사하여도, 곡면 위치에 따라 기울기가 다르기 때문에, 서로 다른 각으로 그레이팅 소자(250)와 만나게 된다. 다수의 그루브(GR)는 서로 다른 파장의 광에 대해 회절광의 방향이 다르게 나타나도록 형상이 설계되어 있으므로, 서로 다른 각으로 입사된 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)은 동일한 방향으로 회절되며 혼합되어 백색광(W)을 나타낼 수 있다.
도 9는 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부(206)의 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이고, 도 10은 도 9의 제1 빔 확대부(206)에 채용되는 파장 변환층(260)의 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
제1 빔 확대부(206)는 그레이팅 소자(250)에 단색광이 조사되는 점과, 그레이팅 소자(250)로부터 회절광이 진행하는 광 경로상에 파장 변환층(260)이 더 구비되는 점에서, 도 5의 제1 빔 확대부(202)와 차이가 있다.
광원부는 단색광, 예를 들어, 청색광(B)을 제공하도록 구성될 수 있다. 청색광(B)은 광경로 전환 부재(240)에 의해 경로 변환되며 그레이팅 소자(250)를 향하게 되며, 다수의 그루브(GR)에서 회절되어 제4방향(A4)을 향하게 된다.
파장 변환층(260)은 입사광의 파장을 다른 파장의 광으로 변환시키는 층이다. 파장 변환층(260)은 예를 들어, 다수의 양자점을 포함할 수 있다. 양자점은 그 재질 및 크기에 따라, 흡수한 광보다 긴 소정 파장의 광을 출사할 수 있다.
도 10을 참조하면, 파장 변환층(260)은 제1 양자점층(260a), 제2 양자점층(260b), 투명층(260c)이 반복적으로 어레이된 구성을 가질 수 있다. 제1 양자점층(260a)은 적색광을 방출하도록 양자점들의 크기, 재질이 선택될 수 있다. 제2 양자점층(260b)은 녹색광을 방출하도록 양자점들의 크기, 재질이 선택될 수 있다. 투명층(260c)은 입사광을 그대로 투과시키는 투명 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 배열의 반복에 의해, 파장 변환층(260)에 입사된 광은 위치에 따라 적색광, 녹색광, 청색광을 나타내며 출사된다. 제1 양자점층(260a), 제2 양자점층(260b)에서 출사되는 광의 방향은 양자점들에 의한 산란에 의해 입사된 방향에 비해 좀 더 다양한 방향성을 가질 수 있다. 따라서, 제1 양자점층(260a), 제2 양자점층(260b), 투명층(260c)의 폭을 이들로부터 출사되는 광이 혼합될 수 있는 정도로 좁게 설정하여, 파장 변환층(260)을 지난 광은 백색광(W)이 되도록 할 수 있다.
파장 변환층(260)의 형태는 도 10의 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 적색광을 방출하는 양자점들과 녹색광을 방출하는 양자점들이 혼합된 단층으로 형성될 수도 있다. 또는, 적색광을 방출하는 양자점들로 이루어진 층과 녹색광을 방출하는 양자점들로 이루어진 층이 적층될 수도 있다. 이러한 파장 변환층에 입사된 광은 그 일부는 적색광으로 변환되고, 다른 일부는 녹색광으로 변환되고, 또 다른 일부는 파장 변환되지 않은 형태로 출사되어 이들의 혼합으로 백색광을 나타낼 수도 있다.
도 11은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부(207)의 도 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
제1 빔 확대부(207)는 광경로 전환 부재(242)의 형상에서 도 9의 제1 빔 확대부(206)와 차이가 있다. 광경로 전환 부재(242)는 곡면의 반사면을 가진다. 반사면 단면은 반원 형상일 수 있다. 광원부에서는 그레이팅 소자(250)의 길이 방향에 나란한 방향으로 광경로 전환 부재(242)에 청색광(B)을 제공할 수 있다. 청색광(B)은 광경로 전환 부재(242)에서 경로 변환되어 그레이팅 소자(250)와 만나 회절된다. 다음, 파장 변환층(260)에서 일부는 적색광, 일부는 녹색광으로 파장 변환되어, 전체적으로 백색광(W)을 나타내게 된다.
도 9 및 도 11의 제1 빔 확대부(206)(207)는 도 5의 제1 빔 확대부(202), 도 8의 제1 빔 확대부(205)에 파장 변환층(260)을 추가한 것을 예시하고 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 6 및 도 7의 제1 빔 확대부(203)(204)에 파장 변환층(260)이 추가되는 형태로도 적용될 수 있다.
이상 설명한 제1 빔 확대부(201)(202)(203)(204)(205)(206)(207)는 그레이팅 소자(250)가 반사형으로 형성된 것을 예시하고 있으며, 이에 한정되지 않는다. 그레이팅 소자(250)는 투과형으로 형성될 수도 있고, 이에 따라 광원부의 배치가 변형될 수 있다.
이상 설명한 제1 빔 확대부 (202)(203)(204)(205)(206)(207)에 구비되는 광경로 전환부재(240)(241)(242)(243)는 모두 평면 또는 곡면의 반사면을 가지는 프리즘 형태로 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 평면 또는 곡면의 반사면을 가지는 미러가 채용될 수도 있다.
그레이팅 소자(250)는 쐐기 형상의 그루브들의 패턴의 세부 사항을 조절하여 특정 방향으로의 회절광의 효율을 높일 수 있다. 상기 효율은 거의 100%에 가깝게 형성될 수도 있다.
이상 설명한 제1 빔 확대부(201)(202)(203)(204)(205)(206)(207)는 그레이팅 소자(250)를 구비하는 형태이며, 이에 한정되지 않으며, 평행광이 기록된 홀로그램 소자가 제1 빔 확대부에 채용될 수도 있다.
도 12는 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부(208)의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
제1 빔 확대부(208)는 평행광이 기록된 홀로그램 소자로 이루어질 수 있다. 제1 빔 확대부(208)는 투명 기판(SU)과, 투명 기판(SU) 상에 형성된 홀로그램층(270)을 포함한다. 홀로그램층(270)은 홀로그램 매체에 복수의 단색광의 평행광이 기록된 홀로그램 패턴을 가질 수 있다. 따라서, 기록시에 사용한 동일한 단색광, 예를 들어, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 홀로그램층(270)에 조사되면, 홀로그램층(270)으로부터 복수의 단색광의 평행광이 재생되며, 이들 혼합으로 백색광(W)이 나타나게 된다.
홀로그램층(270)은 단층으로 도시되었지만, 이는 예시적인 것이며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 홀로그램층(270)은 서로 다른 단색광의 평행광이 기록된 복수의 홀로그램 매체가 적층된 형태를 가질 수도 있다. 복수의 단색광의 평행광에 대응하는 홀로그램 패턴을 모두 한 층에 포함하는 경우에 비해, 적층 구조를 사용하는 경우, 광 효율을 더 높일 수 있다. 이 경우의 광 효율은 대략 70% 이상을 나타낼 수 있다.
도 13은 도 1의 홀로그래픽 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있는 제1 빔 확대부(209)의 또 다른 예시적인 구성을 보인 단면도이다.
빔 확대부(209)는 투명 기판(SU), 투명 기판(SU) 상에 형성된 홀로그램층(271), 입사광의 파장을 변환하는 파장 변환층(260)을 포함한다. 홀로그램층(271)은 단색광의 평행광의 기록에 대응하는 홀로그램 패턴을 구비한다. 따라서, 홀로그램층(271)에 기록시에 사용한 단색광, 예를 들어 청색광(B)을 조사하면, 청색광(B)의 평행광이 재생된다. 파장 변환층(260)에 입사된 청색광(B)은 일부는 적색광, 일부는 녹색광으로 변환되며, 이에 따라 백색광(W)으로 출사된다.
도 12 및 도 13의 제1 빔 확대부(208)(209)는 투과형으로 구현된 홀로그램 소자를 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 홀로그램 소자는 반사형으로 구현될 수 있고, 이에 알맞게 광원부의 위치가 변형될 수 있다.
상술한 백라이트 유닛 및 이를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000 - 홀로그래픽 디스플레이 장치
100 - 광원부
200, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 209 - 제1 빔 확대부
240, 241, 242, 243 - 광경로 전환 부재
250 - 그레이팅 소자
260 - 파장 변환층
270, 271 - 홀로그램 층
300 - 제2 빔 확대부
310 - 도광판
320 - 출력 커플러
400 - 빔 편향부
440 - 제1 빔 편향기
430 - 제2 빔 편향기
500 - 필드 렌즈
600 - 공간 광 변조기

Claims (21)

  1. 광빔을 제공하는 광원부;
    상기 광원부에서 제공된 광빔을 혼합하고 제1방향으로 확대하여 백색광으로 출사하는 제1 빔 확대부; 및
    상기 제1 빔 확대부에서 출사된 백색광을 상기 제1방향에 수직한 제 2 방향으로 확대하여 면광으로 출사하는 제2 빔 확대부;를 포함하는, 백라이트 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 빔 확대부는 상기 제1방향에 대해 기울어진 제3방향을 따라 배열된 쐐기 형상의 다수의 그루브를 구비하는 그레이팅 소자를 포함하는, 백라이트 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 그루브는 상기 제2방향과 수직인 단면의 형상이 일정한, 백라이트 유닛.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 그루브 간의 간격 및 상기 쐐기 형상의 각도는
    상기 제1방향 및 제2방향에 모두 수직인 제4방향으로의 회절광이 인접한 그루브에서 보강 간섭을 일으키도록 정해지는, 백라이트 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원부와 상기 그레이팅 소자 사이에 위치하는 광경로 전환 부재를 더 포함하는, 백라이트 유닛
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광원부는
    상기 광원부는 제1파장의 광을 제공하는 제1 광원부, 제1파장과 다른 제2파장의 광을 제공하는 제2 광원부, 및 제1 및 제2 파장과 다른 제3 파장의 광을 제공하는 제3 광원부를 포함하는, 백라이트 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 광원부는
    상기 제1, 제2 및 제3 광원부에서 조사하는 광의 상기 그레이팅 소자에의 입사각이 서로 다르도록 배치되는, 백라이트 유닛.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광경로 전환 부재는 곡면의 반사면을 구비하며,
    상기 제1, 제2 및 제3 광원부는 상기 광경로 전환 부재에 서로 나란한 방향으로 광을 조사하는, 백라이트 유닛.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 단색광을 제공하도록 구성되는, 백라이트 유닛.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 그레이팅 소자에서 출사된 광의 파장을 변환하는 파장 변환층이 더 구비된, 백라이트 유닛.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 파장 변환층은 다수의 양자점을 포함하는, 백라이트 유닛.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔 확대부는 평행광이 기록된 홀로그램 소자를 포함하는, 백라이트 유닛.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 홀로그램 소자는
    한 장의 홀로그램 매체에 복수의 단색광의 평행광이 기록된 형태를 갖는, 백라이트 유닛.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 홀로그램 소자는
    서로 다른 단색광의 평행광이 기록된 복수의 홀로그램 매체가 적층된 형태를 갖는, 백라이트 유닛.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 홀로그램 소자에는 단색의 평행광이 기록되며,
    상기 홀로그램 소자로부터 재생된 광을 파장 변환하는 파장변환층이 더 구비된, 백라이트 유닛.
  16. 가간섭성 광빔을 제공하는 광원부;
    상기 광원부에서 제공된 광빔을 혼합하고 제1방향으로 확대하여 백색광으로 출사하는 제1 빔 확대부;
    상기 제1 빔 확대부에서 출사된 백색광을 상기 제1방향에 수직한 제 2 방향으로 확대하여 면광으로 출사하는 제2 빔 확대부;
    입사광을 회절시켜 홀로그램 영상을 재생하는 공간 광변조기; 및
    상기 공간 광변조기에 의해 재생되는 홀로그램 영상을 소정의 공간 상에 포커싱하는 필드 렌즈;를 포함하는, 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 필드 렌즈에 의해 홀로그램 영상이 포커싱 되는 위치를 2차원적으로 제어하기 위한 빔 편향부;를 더 포함하는, 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    제1 빔 확대부는 상기 제1방향에 대해 기울어진 제3방향을 따라 배열된 쐐기 형상의 다수의 그루브를 구비하는 그레이팅 소자를 포함하는, 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다수의 그루브 간의 간격 및 상기 쐐기 형상의 각도는
    상기 제1방향 및 제2방향에 모두 수직인 제4방향으로의 회절광이 인접한 그루브에서 보강 간섭을 일으키도록 정해지는, 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제1 빔 확대부는 평행광이 기록된 홀로그램 소자를 포함하는, 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  21. 제17항에 있어서,
    시청자의 위치를 감지하는 아이트랙킹 센서;를 더 포함하는, 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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