KR20210127416A - 색수차가 저감된 광학 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

색수차가 저감된 광학 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 Download PDF

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KR20210127416A
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홍종영
송훈
안중권
이홍석
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삼성전자주식회사
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Abstract

광학 장치는 제1파장의 광을 출력하는 제1 백라이트; 상기 제1파장의 광에 대해 소정의 초점 거리를 가지는 제1렌즈; 제2파장의 광을 출력하는 제2 백라이트; 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제2렌즈; 제3파장의 광을 출력하는 제3 백라이트; 및 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제3렌즈;를 포함한다. 제1파장의 광은 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈를 경유하고, 제2파장의 광은 제2렌즈, 제3렌즈를 경유하며, 제3파장의 광은 제3렌즈를 경유하여 집광됨으로서, 색수차가 거의 없는 포커싱 성능을 나타낼 수 있다.

Description

색수차가 저감된 광학 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치{Optical device with reduced chromatic aberration and display device including the same}
개시된 실시예들은 색수차가 저감된 광학 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 대한 것이다.
뇌에서 인식하는 깊이감과 눈의 초점이 일치하고 완전 시차(full parallax)를 제공할 수 있는 3차원 영상 디스플레이 방식으로서, 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 광원으로부터 제공되는 참조광을 회절시킴으로써 3차원 영상이 생성될 수 있다.
이러한 홀로그래픽 디스플레이 방식에서, 공간 광변조기에 의해 형성되는 홀로그램 영상을 소정의 위치에 표시하기 위해, 필드 렌즈나 빔 편향기 등의 광학 소자가 사용될 수 있다. 이러한 광학 소자는 회절 기반으로 구현될 수 있다. 회절 소자는 최근 기존의 굴절 소자가 구현하지 못하는 다양한 광학 효과 및 얇은 광학계를 구현할 수 있어 많은 분야에서 사용되고 있다. 그러나, 이러한 광학 소자는 광의 파장에 따라 다른 굴절률을 나타내기 때문에 이에 의한 색수차를 수반하게 되며, 특히, 소자의 부피를 줄이기 위해, 회절 기반의 소자를 사용하는 경우, 파장에 따른 성능 차이는 더욱 크게 나타나므로, 이를 해소하기 위한 방안이 모색되고 있다.
색수차가 저감된 광학 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 제1 출력커플러를 통해 제1파장의 광을 출력하는 제1 백라이트; 상기 제1 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광에 대해 소정의 초점 거리를 가지는 제1렌즈; 상기 제1 출력커플러와 나란한 제2 출력커플러를 구비하며, 상기 제2 출력커플러를 통해 제2파장의 광을 출력하는 제2 백라이트; 상기 제2 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제2렌즈; 상기 제2 출력커플러와 나란한 제3 출력커플러를 구비하며, 상기 제3 출력커플러를 통해 제3파장의 광을 출력하는 제3 백라이트; 및 상기 제3 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제3렌즈;를 포함하는, 광학 장치가 제공된다.
상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈는 기하 위상 렌즈일 수 있다.
상기 제1렌즈가 상기 제1파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 f1_1, 상기 제2렌즈가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 각각 f2_1, f2_2, 상기 제3렌즈가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 각각 f3_1, f3_2, f3_3이라고 할 때, f1_1, f2_1, f3_1의 합성 초점거리인 EFL(f1_1, f2_1, f3_1)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
|f3_3-EFL(f1_1, f2_1, f3_1)|/f3_3 < 0.0005
f2_2, f3_2의 합성 초점거리인 EFL(f2_2, f3_2)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
|f3_3- EFL(f2_2, f3_2)|/f3_3 < 0.0005
상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈는 소정 편광의 광에 대해 작용하며, 상기 광학 장치는 상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈에 상기 소정 편광의 광이 입사되게 하는 하나 이상의 위상지연자를 더 포함할 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 제1 출력커플러를 통해 제1파장의 광을 출력하는 제1 백라이트; 상기 제1 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광을 소정 각도로 편향시키는 제1 빔편향기; 상기 제1 출력커플러과 나란하게 배치되는 제2 출력커플러를 구비하며, 상기 제2 출력커플러를 통해 제2파장의 광을 출력하는 제2 백라이트; 상기 제2 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제2 빔편향기; 상기 제2 출력커플러와 나란하게 배치되는 제3 출력커플러를 구비하며, 상기 제3 출력커플러를 통해 제3파장의 광을 출력하는 제3 백라이트; 및 상기 제3 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제3 빔 편향기;를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상기 제1 빔편향기, 제2 빔 편향기, 제3 빔 편향기는 회절 기반의 편향기일 수 있다.
상기 제1 빔편향기가 상기 제1파장의 광을 편향시키는 각도를 a1_1, 상기 제2 빔편향기가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광을 편향시키는 각도를 각각 a2_1, a2_2, 상기 제3 빔편향기가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광을 편향시키는 각도를 각각 a3_1, a3_2, a3_3이라고 할 때, a1_1, a2_1, a3_1의 합성 편향 각도인 EDA(a1_1, a2_1, a3_1)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
|a3_3- EDA(a1_1, a2_1, a3_1)|/a3_3 < 0.0005
a2_2, a3_2의 합성 편향 각도인 EDA(a2_2, a3_2)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
|a3_3- EDA(a2_2, a3_2)|/a3_3 < 0.0005
또한, 일 유형에 따르면, 제1 출력커플러를 통해 제1파장의 광을 출력하는 제1 백라이트; 상기 제1 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광에 대해 소정의 초점 거리를 가지는 제1렌즈; 상기 제1 출력커플러와 나란한 제2 출력커플러를 구비하며, 상기 제2 출력커플러를 통해 제2파장의 광을 출력하는 제2 백라이트; 상기 제2 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제2렌즈; 상기 제2 출력커플러와 나란한 제3 출력커플러를 구비하며, 상기 제3 출력커플러를 통해 제3파장의 광을 출력하는 제3 백라이트; 및 상기 제3 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제3렌즈;를 포함하는, 광학 장치; 및 상기 제1 백라이트, 제2 백라이트, 제3 백라이트로부터의 광을 변조하여 홀로그램 영상을 생성하는 공간 광 변조기;를 포함하는, 디스플레이 장치가 제공된다.
상기 제1 백라이트는 상기 제1파장의 광을 제공하는 제1광원과, 상기 제1광원에서의 광을 입사시키는 제1 입력커플러 및 상기 제1 출력커플러를 구비하는 제1 도광판을 포함하고, 상기 제2 백라이트는 상기 제2파장의 광을 제공하는 제2광원과, 상기 제2광원에서의 광을 입사시키는 제2 입력커플러 및 상기 제2 출력커플러를 구비하는 제2 도광판을 포함하며, 상기 제3 백라이트는 상기 제3파장의 광을 제공하는 제3광원과, 상기 제3광원에서의 광을 입사시키는 제3 입력커플러 및 상기 제3 출력커플러를 구비하는 제3 도광판을 포함할 수 있다.
상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈는 기하 위상 렌즈일 수 있다.
상기 제1렌즈가 상기 제1파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 f1_1, 상기 제2렌즈가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 각각 f2_1, f2_2, 상기 제3렌즈가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 각각 f3_1, f3_2, f3_3이라고 할 때, f1_1, f2_1, f3_1의 합성 초점거리인 EFL(f1_1, f2_1, f3_1)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
|f3_3-EFL(f1_1, f2_1, f3_1)|/f3_3 < 0.0005
f2_2, f3_2의 합성 초점거리인 EFL(f2_2, f3_2)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
|f3_3-EFL(f2_2, f3_2)|/f3_3 < 0.0005
상기 디스플레이 장치는 상기 공간 광 변조기가 생성하는 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 빔편향기를 더 포함할 수 있다.
상기 디스프레이 장치는 상기 제1 출력커플러와 상기 제2 출력커플러 사이에 배치되며, 상기 제1파장의 광을 소정 각도로 편향시키는 제1 빔편향기; 상기 제2 출력커플러와 상기 제3 출력커플러 사이에 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제2 빔편향기; 및 상기 제3 출력커플러로부터 출력된 광이 입사되도록 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제3 빔 편향기;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 빔편향기, 제2 빔 편향기, 제3 빔 편향기는 회절 기반의 빔 편향기일 수 있다.
상기 제1 빔편향기가 상기 제1파장의 광을 편향시키는 각도를 a1_1, 상기 제2 빔편향기가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광을 편향시키는 각도를 각각 a2_1, a2_2, 상기 제3 빔편향기가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광을 편향시키는 각도를 각각 a3_1, a3_2, a3_3이라고 할 때, a1_1, a2_1, a3_1의 합성 편향 각도인 EDA(a1_1, a2_1, a3_1)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
|a3_3-EDA(a1_1, a2_1, a3_1)|/a3_3 < 0.0005
a2_2, a3_2의 합성 편향 각도인 EDA(a2_2, a3_2)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
|a3_3-EDA(a2_2, a3_2)|/a3_3 < 0.0005
상기 제1 빔편향기, 제2 빔편향기, 제3 빔편향기는 전기적으로 제어되며 광을 편향시키는 방향이 조절될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 아이 트래킹 센서를 더 포함하며, 상기 아이 트래킹 센서가 센싱한 신호에 기초하여 상기 제1 빔편향기, 제2 빔편향기, 제3 빔편향기가 제어될 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 제1 출력커플러를 통해 제1파장의 광을 출력하는 제1 백라이트; 상기 제1 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광을 소정 각도로 편향시키는 제1 빔편향기; 상기 제1 출력커플러과 나란하게 배치되는 제2 출력커플러를 구비하며, 상기 제2 출력커플러를 통해 제2파장의 광을 출력하는 제2 백라이트; 상기 제2 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제2 빔편향기; 상기 제2 출력커플러와 나란하게 배치되는 제3 출력커플러를 구비하며, 상기 제3 출력커플러를 통해 제3파장의 광을 출력하는 제3 백라이트; 및 상기 제3 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제3 빔 편향기;를 포함하는 광학 장치;
상기 제1 백라이트, 상기 제2 백라이트, 상기 제3 백라이트로부터의 광을 변조하여 홀로그램 영상을 생성하는 공간 광 변조기; 및
상기 공간 광 변조기에서 생성된 영상을 소정의 위치에 포커싱하는 필드 렌즈;를 포함하는, 디스플레이 장치가 제공된다.
상기 제1 빔편향기, 제2 빔편향기, 제3 빔편향기는 전기적으로 제어되며 광을 편향시키는 방향이 조절될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 아이 트래킹 센서를 더 포함하며, 상기 아이 트래킹 센서가 센싱한 신호에 기초하여 상기 제1 빔편향기, 제2 빔편향기, 제3 빔편향기가 제어될 수 있다.
상술한 광학 장치는 서로 다른 파장의 광을 포함하는 광의 방향을 제어함에 있어 파장에 따른 편차를 최소화할 수 있다.
상술한 광학 장치는 색수차가 거의 없는, 렌즈, 빔 편향기 등으로 적용될 수 있고, 양호한 품질의 영상을 제공하는 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성 및 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
도 2는 도 1의 광학 장치에 채용될 수 있는 기하 위상 렌즈의 포커싱 작용을 예시적으로 설명하는 개념도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성 및 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성 및 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성 및 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
도 6은 도 5의 광학 장치에 채용될 수 있는 회절 기반의 빔 편향기의 광학 작용을 예시적으로 설명하는 개념도이다.
도 7은 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
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, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
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.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성 및 광학적 배치를 보이는 구성도이고, 도 2는 도 1의 광학 장치에 채용될 수 있는 기하 위상 렌즈의 포커싱 작용을 예시적으로 설명하는 개념도이다.
실시예에 따른 광학 장치(100)는 저감된 색수차를 가지며 서로 다른 파장의 광을 포커싱하는 장치이다.
광학 장치(100)는 제1파장의 광(L1)을 출력하는 제1 백라이트(110), 제1 백라이트(110)로부터 나오는 제1파장의 광(L1)에 대해 소정의 초점 거리를 가지는 제1렌즈(150), 제2파장의 광(L2)을 출력하는 제2 백라이트(120), 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2)에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제2렌즈(160), 제3파장의 광(L3)을 출력하는 제3 백라이트(130) 및 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2), 제3파장의 광(L3)에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제3렌즈(170)를 포함한다.
제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2), 제3파장의 광(L3)은 가시광선 파장대역의 광으로, 각각 청색광, 녹색광, 적색광일 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 백라이트(110), 제2 백라이트(120), 제3 백라이트(130)는 각각 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)를 향해 광을 출사시키는 제1출사면(110a), 제2출사면(120a), 제3출사면(130a)을 구비한다. 제1출사면(110a), 제2렌즈(160), 제2출사면(120a), 제2렌즈(160), 제3출사면(130a), 제3렌즈(170)가 서로 나란하도록, 제1 백라이트(110), 제2 백라이트(120), 제3 백라이트(130)가 구성된다. 제1출사면(110a), 제2출사면(120a), 제3출사면(130a) 상에는 광 출사를 위한 출력커플러(미도시)가 각각 형성될 수 있다.
제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)는 도 2에 예시한 바와 같이, 기하 위상 렌즈(geometric phase lens)(GPL)일 수 있다. 기하 위상 렌즈(GPL)는 예를 들어, 액정 소자나 메타 소자 등으로 구현될 수 있고, 미소 패터닝된 구조를 포함할 수 있다. 기하 위상 렌즈(GPL)는 위치에 따라 입사광의 위상을 다르게 변조하여 소정의 굴절력을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 좌원 편광(LCP)(left-handed circular polarization)의 광이 입사되면, 우원 편광(RCP)(right-handed circular polarization)의 광으로 위상이 변조되며 광이 포커싱될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 우원 편광의 광이 좌원 편광의 광으로 변조되며 광이 포커싱될 수도 있고, 선편광(linear polarization) 기반으로 입사광이 변조, 포커싱될 수도 있다. 또한, 양의 굴절력을 예시하였으나 오목렌즈와 같이 음의 굴절력을 나타내도록 기하 위상 렌즈(GPL)가 설계될 수도 있다. 이러한 기하 위상 렌즈(GPL)는 평판 형상을 가지며 얇은 두께로 원하는 굴절력을 구현할 수 있다.
다만, 이러한 기하 위상 렌즈는 위상 변조를 통해 광이 진행하는 방향을 조절하기 때문에, 도 2에 예시한 바와 같이, 입사광의 파장에 따라 다른 초점거리를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제1파장의 광(L1)에 대해서는 제1 초점거리(f1)를 갖도록 설계된 기하 위상 렌즈(GPL)는 제2파장의 광(L2)에 대해서는 제1 초점거리(f1)와 다른 제2 초점거리(f2)를 나타내며, 또한, 제3파장의 광(L3)에 대해서는 제1 초점거리(f1), 제2 초점거리(f2)와 다른 제3 초점거리(f3)를 나타낸다. 이러한 초점 거리는 입사광의 파장에 반비례할 수 있다. 즉, 기하 위상 렌즈(GPL)는 설계된 파장보다 긴 파장의 광이 입사되는 경우 설계된 초점거리보다 짧은 초점거리를 나타내고, 설계된 파장보다 짧은 파장의 광이 입사되는 경우 설계된 초점거리보다 긴 초점거리를 나타내게 된다. 이러한 기하 위상 렌즈(GPL)의 성질은 색수차로 나타날 수 있다.
실시예에 따른 광학 장치(100)는 서로 다른 파장의 광(L1)(L2)(L3)이 같은 위치에 포커싱 될 수 있도록 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)의 세부 사항과 배치 위치가 설정되고 있다.
제1파장의 광(L1)은 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)를 거쳐 포커싱되고, 제2파장의 광(L2)은 제2렌즈(160)와 제3렌즈(170)를 거쳐 포커싱되며, 제3파장의 광(L3)은 제3렌즈(170)를 거쳐 포커싱된다. 이러한 광경로에 따라 서로 다른 파장의 광(L1)(L2)(L3)이 거의 같은 위치에 포커싱될 수 있고 색수차가 거의 나타나지 않을 수 있다.
제1렌즈(150)가 제1파장의 광(L1)에 대해 나타내는 초점거리는 f1_1, 제2렌즈(160)가 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2)에 대해 나타내는 초점거리는 각각 f2_1, f2_2, 제3렌즈(170)가 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2), 제3파장의 광(L3)에 대해 나타내는 초점거리는 각각 f3_1, f3_2, f3_3일 수 있다. 예를 들어, f2_1과 f2_2는 서로 다른 수치일 수 있고, 또한, f3_1, f3_2, f3_3도 서로 다른 수치일 수 있다.
실시예의 광학 장치(100)는 f1_1, f2_1, f3_1의 합성 초점거리인 EFL(f1_1, f2_1, f3_1)과, f2_2, f3_2의 합성 초점거리인 EFL(f2_2, f3_2)이 제3렌즈(170)의 제3파장의 광(L3)에 대한 초점거리 f3_3과 실질적으로 동일하도록, 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)가 설정될 수 있다.
초점 거리가 각각 f1, f2이고 중심간 거리 d인 두 렌즈의 합성 초점 거리, EFL은 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00001
초점 거리가 각각 f1, f2, f3이고 인접 렌즈 중심간 거리가 d12, d23인 세 렌즈의 합성 초점 거리, EFL은 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00002
상기 식들 및 후술할 요건들을 고려하여, 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)의 세부 사항, 즉, 서로 다른 파장의 광에 대한 초점거리들, 이들의 배치 간격등을 설정할 수 있다.
제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)는 다음 조건을 만족할 수 있다.
EFL(f1_1, f2_1, f3_1) = EFL(f2_2, f3_2) = f3_3
그러나 이에 한정되지 않으며, 상기 값들의 차이는 광학 장치(100)가 색수차가 거의 없는 정도, 또는 원하는 범위 내의 작은 값을 갖도록 소정의 범위 내로 설정될 수 있다.
예를 들어, 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)는 다음 조건을 만족할 수 있다.
|f3_3 - EFL(f1_1, f2_1, f3_1)|/f3_3 < 0.0005
|f3_3 - EFL(f2_2, f3_2)|/f3_3 < 0.0005
도 3은 다른 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성 및 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
광학 장치(101)는 제1 백라이트(111), 제1렌즈(150), 제2 백라이트(121), 제2렌즈(160), 제3 백라이트(131) 및 제3렌즈(170)를 포함한다.
본 실시예의 광학 장치(101)는 제1 백라이트(111), 제2 백라이트(121), 제3 백라이트(131)의 세부 구성이 예시되는 점에서 도 1의 광학 장치(100)와 차이가 있고, 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)의 구성은 도 1의 광학 장치(100)와 실질적으로 동일하다.
제1 백라이트(111)는 제1파장의 광(L1)을 제공하는 제1광원(LS1), 제1광원(LS1)에서의 광을 제1렌즈(150)를 향하는 방향으로 가이드하여 출광시키는 제1도광판(WG1)를 포함한다. 제1도광판(WG1)는 제1광원(LS1)에서의 광을 입사시키는 제1 입력커플러(IC1), 제1 입력커플러(IC1)를 통해 입력된 광을 제1렌즈(150)를 향해 출사시키는 제1 출력커플러(OC1)를 포함한다. 제1광원(LS1)과 제1도광판(WG1) 사이에는 제1광원(LS1)에서의 광이 제1 입력커플러(IC1)에 평행하게 입사하도록 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈(10)가 더 배치될 수 있다.
제1광원(LS1)은 가간섭성 광을 방출하는 가간섭성(coherent) 광원일 수 있으며, 예를 들어, 레이저 다이오드(laser diode; LD)나 발광 다이오드(light emitting diode; LED)일 수 있다.
제1도광판(WG1)은 빛을 전달하는 광도파로의 역할을 하며, 가시광선에 대해 투명한 재료인 유리, PMMA(Poly methyl methacrylate), 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 제1도광판(WG1)은 서로 마주하는 두 면(1a)(1b)을 포함하며, 제1광원(LS1)으로부터 입사되는 광을 제1도광판(WG1) 내부로 유도하기 위한 제1 입력커플러(IC1) 및 제1도광판(WG1) 내부를 두 면(1a)(1b)에서 전반사하며 진행하는 빛을 제1도광판(WG1)의 외부로 출력하기 위한 제1 출력커플러(OC1)를 포함한다. 예를 들어, 제1 입력커플러(IC1)는 제1도광판(WG1)의 면(1a)의 한쪽 가장자리에 배치될 수 있으며 제1 출력커플러(OC1)는 제1도광판(120)의 면(1a)의 다른 쪽 가장자리에 배치될 수 있다.
제1 입력커플러(IC1)는 제1 입력커플러(IC1)에 대략적으로 수직한 방향으로 입사하는 빛을 제1도광판(WG1)의 내부로 경사지게 안내하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 입력커플러(IC1)는 그의 표면에 수직한 방향을 중심으로 소정의 입사각 범위 내에서 제1 입력커플러(IC1)에 입사하는 빛을 제1도광판(WG1)의 내부로 안내하도록 구성될 수 있다. 제1도광판(WG1)의 내부로 안내된 빛은 제1도광판(WG1)의 마주하는 두면(1a)(1b)에서 반복적으로 전반사되면서 제1도광판(WG1)의 내부를 따라 진행하게 된다. 제1 출력커플러(OC1)는 제1 출력커플러(OC1)에 경사지게 입사하는 빛을 제1도광판(WG1)의 외부로 대략적으로 수직한 방향으로 출력하도록 구성된다. 제1 출력커플러 (OC1)는 소정의 입사각 범위 내로 입사하는 광에만 작용하고, 그 외 다른 범위의 각으로 입사하는 빛에는 작용하지 않도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 제1 출력커플러(OC1)는 설정된 조건과 다른 각으로 입사하는 빛에 대해서는 단순히 투명한 평판의 역할을 할 수 있다.
이러한 제1 입력커플러(IC1)와 제1 출력커플러(OC1)는 회절 광학 소자(diffractive optical element; DOE) 또는 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element; HOE)로 이루어질 수 있다. 회절 광학 소자(DOE)는 다수의 주기적인 미세한 격자 패턴을 포함한다. 회절 광학 소자(DOE)의 다수의 격자 패턴은 회절 격자의 역할을 하여 입사광을 회절시킨다. 특히, 격자 패턴들의 크기, 높이, 주기 등에 따라서, 특정한 각도 범위로 입사하는 빛을 회절시켜 소멸 간섭과 보강 간섭을 발생시킴으로써 빛의 진행 방향을 바꿀 수 있다. 또한, 홀로그래픽 광학소자(HOE)는 격자 패턴 대신에 굴절률이 상이한 재료들의 주기적인 미세한 패턴들을 포함한다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는 회절 광학 소자(DOE)와 단지 구성의 차이만이 있을 뿐이며 동작 원리는 회절 광학 소자(DOE)와 동일할 수 있다.
이러한 제1도광판(WG1)의 구성에서, 입력 커플러(IC1)로 입사한 빛은 출력 커플러(OC1)를 통해 도광판(120)의 외부로 나오게 된다. 또한, 입력 커플러(IC1)에 의해 커플링 되는 각도 범위 내에서 입력 커플러(IC1)로 입사하여 출력 커플러(OC1)를 통해 출력되는 빛의 방향성과 가간섭성이 유지될 수 있다.
마찬가지로, 제2 백라이트(121)는 제2파장의 광(L2)을 제공하는 제2광원(LS2), 제2광원(LS2)에서의 광을 제2렌즈(160)를 향하는 방향으로 가이드하여 출광시키는 것으로, 제2 입력커플러(IC2), 제2 출력커플러(OC2)를 구비하는 제2도광판(WG2)를 포함한다. 또한, 제2광원(LS2)과 제2도광판(WG2) 사이에는 콜리메이팅 렌즈(20)가 배치될 수 있다. 제2 출력커플러(OC2)는 제1파장의 광(L1)에 대해서는 투명판으로 작용하고, 제2파장의 광(L2)은 수직 출사시킨다.
또한, 제3 백라이트(131)는 제3파장의 광(L3)을 제공하는 제3광원(LS3), 제3광원(LS3)에서의 광을 제3렌즈(170)를 향하는 방향으로 가이드하여 출광시키는 것으로, 제3 입력커플러(IC3), 제3 출력커플러(OC3)를 구비하는 제3도광판(WG3)를 포함한다. 또한, 제3광원(LS3)과 제3도광판(WG3) 사이에는 콜리메이팅 렌즈(30)가 배치될 수 있다. 제3 출력커플러(OC3)는 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2)에 대해서는 투명판으로 작용하고, 제2파장의 광(L2)은 수직 출사시킨다.
이와 같이, 제1파장의 광(L1)은 제1 출력커플러(OC1), 제1렌즈(150), 제2 출력커플러(OC2), 제2렌즈(160), 제3 출력커플러(OC3), 제3렌즈(170)의 순서로, 광경로를 형성하고, 제2파장의 광은 제2 출력커플러(OC2), 제2렌즈(160), 제3 출력커플러(OC3), 제3렌즈(170)의 순서로, 제3파장의 광(L3)은 제3 출력커플러(OC3), 제3렌즈(170)의 순서로 광경로를 형성하게 된다. 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)가 각 파장의 광에 대해 설계된 초점거리 요건에 따라, 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2), 제3파장의 광(L3)은 색수차가 거의 없이 한 위치에 포커싱될 수 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성 및 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
본 실시예의 광학 장치(102)는 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)에 입사하는 광의 편광을 조절하기 위해 추가적인 광학 요소들을 더 구비하는 점에서, 도 3의 광학 장치(101)와 차이가 있다.
전술한 바와 같이, 기하 위상 렌즈인 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)는 소정 편광의 광에 대해 작용할 수 있으며, 이에 따라, 실시예의, 광학 장치(102)는 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)에 상기 소정 편광의 광이 입사되게 하는 하나 이상의 위상지연자를 더 포함한다.
제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)는 우원 편광(RCP)의 광에 대해 포커싱 작용을 나타내며, 우원 편광(RCP)을 좌원 편광(LCP)으로 바꾸어 출사할 수 있다. 이러한 동작을 위해, 제1 백라이트(111)와 제1렌즈(150) 사이에 1/4 파장판(40)이 배치되고, 또한, 제1렌즈(150)와 제2 백라이트(121) 사이에 1/4 파장판(50)이 배치될 수 있다. 또한, 제2 백라이트(121)와 제2렌즈(160) 사이, 제2렌즈(160)와 제3 백라이트 사이(131) 및 제3 백라이트(131)와 제3렌즈(170) 사이에도 각각 1/4 파장판(60)(70)(80)이 배치될 수 있다.
제1 백라이트(111)는 선편광의 광을 출사하도록 구성될 수 있으며, 제1 백라이트(111)에서 출사된 제1파장의 광(L1)은 1/4파장판(40)을 지나며 우원 편광(RCP)으로 편광 상태가 바뀌어 제1렌즈(150)에 입사한다. 제1렌즈(150)에서 좌원 편광(LCP)으로 바뀌며 소정의 굴절력에 따라 굴절된 제1파장의 광(L1)은 다시 1/4파장판(50)을 지나며 선편광으로 편광 상태가 바뀐다.
선편광 상태의 제1파장의 광(L1)과, 제2 백라이트(121)에서 출사된 선편광 상태의 제2파장의 광(L2)은 1/4파장판(60)을 지나며 우원 편광(RCP) 상태가 되며, 우원 편광(RCP) 상태로 제2렌즈(160)에 입사한다. 다음, 제2렌즈(160)를 지나며, 각각 정해진 소정의 굴절력에 따라 굴절되며 좌원 편광(LCP) 상태가 된다. 좌원 편광(LCP) 상태인, 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2)은 다시 1/4파장판(70)을 지나며 선편광으로 편광 상태가 바뀐다.
선편광 상태의 제1파장의 광(L1)과 제2파장의 광(L2) 및 제3 백라이트(131)에서 출사된 선편광 상태의 제3파장의 광(L3)은 1/4파장판(80)을 지나며 우원 편광(RCP) 상태가 되며, 우원 편광 상태로 제3렌즈(170)에 입사한다. 다음, 제3렌즈(170)를 지나며 각각 정해진 소정의 굴절력에 따라 굴절된다.
상기 설명에서, 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)가 원편광에 대해 작용하는 것을 예시하여 추가적인 위상 지연자를 1/4파장판으로 설명하고 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)가 요구하는 편광 요건에 따라 다른 구성요소로 변경되거나 다른 구성요소가 추가될 수도 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성 및 광학적 배치를 보이는 구성도이고, 도 6은 도 5의 광학 장치에 채용될 수 있는 회절 기반의 빔 편향기의 광학 작용을 예시적으로 설명하는 개념도이다.
실시예의 광학 장치(200)는 저감된 색수차를 나타내며 서로 다른 파장의 광을 편향시키는 빔 편향 장치이다.
광학 장치(200)는 제1파장의 광(L1)을 출력하는 제1 백라이트(111), 제1파장의 광(L1)을 소정 각도로 편향시키는 제1 빔편향기(250), 제2파장의 광을 출력하는 제2 백라이트(121), 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2)을 서로 다른 각도로 편향시키는 제2 빔편향기(260), 제3파장의 광(L3)을 출력하는 제3 백라이트(131) 및 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2), 제3파장의 광(L3)을 서로 다른 각도로 편향시키는 제3 빔 편향기(270)를 포함한다.
제1 백라이트(111), 제2 백라이트(121), 제3 백라이트(131)는 전술한 실시예들에서 예시한 구성을 가지며, 제1 출력커플러(OC1), 제1 빔편향기(250), 제2 출력커플러(OC2), 제2 빔편향기(260), 제3 출력커플러(OC3), 제3 빔편향기(270)가 서로 나란하게 순서대로 배치된다.
제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)는 도 6에 예시한 바와 같은, 회절 기반의 빔 편향기(BD)이다. 빔 편항기(BD)는 액정 또는 전기적으로 위상을 변화시킬 수 있는 광학 소자로 이루어진 회절 소자일 수 있다. 빔 편향기(BD)는 기하 위상(geometric phase) 방식으로 구현될 수도 있고, 미소 패터닝된 구조를 포함하는 메타 소자로 구현될 수도 있다. 빔 편향기(BD)는 위치에 따라 입사광의 위상을 다르게 변조하여 입사광의 방향을 소정 각도로 편향시키도록 설계된다. 이러한 방식은 위상 변조를 통해 광이 진행하는 방향을 조절하기 때문에, 도 6에 예시한 바와 같이, 입사광의 파장에 따라 서로 다른 각도로 광을 편향시킬 수 있다. 예를 들어, 제1파장의 광(L1)에 대해서 제1 편향각을 갖도록 설계된 제1 빔편향기(250)는 제2파장의 광(L2)에 대해서는 제1 편향각과 다른 제2 편향각을 나타내며, 또한, 제3파장의 광(L3)에 대해서는 제1 편향각, 제2 편향각과 다른 제3 편향각을 나타낼 수 있다. 즉, 회절 기반의 빔 편향기에 설계된 파장과 다른 파장의 광이 입사되는 경우 설계된 편향각과 다른 각도로 편향되며, 이는 색수차로 나타날 수 있다.
실시예에 따른 광학 장치(200)는 서로 다른 파장의 광(L1)(L2)(L3)이 같은 방향으로 편향되도록 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)의 세부 사항과 배치 위치를 설정하고 있다.
제1파장의 광(L1)은 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270) 각각을 지나며 소정 각도씩 편향되고, 제2파장의 광(L2)은 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)를 거쳐 편향되며, 제3파장의 광(L3)은 제3 빔편향기(270)를 지나며 편향된다. 이러한 광경로에 따라 서로 다른 파장의 광(L1)(L2)(L3)이 거의 같은 방향으로 편향될 수 있고 색수차가 거의 나타나지 않을 수 있다.
제1 빔편향기(250)가 제1파장의 광(L1)을 편향시키는 각도는 a1_1, 제2 빔편향기(260)가 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2)을 편향시키는 각도는 각각 a2_1, a2_2, 제3 빔편향기(270)가 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2), 제3파장의 광(L3)을 편향시키는 각도는 각각 a3_1, a3_2, a3_3일 수 있다. 이 때, 예를 들어, a2_1, a2_2는 서로 다른 수치일 수 있고, 또한, a3_1, a3_2, a3_3도 서로 다른 수치일 수 있다.
제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)는 또한, 전기적으로 제어되며 광을 편향시키는 방향을 세부적으로 조절할 수 있다. 다시 말하면, 상기 수치들은 소정 범위에서 조절될 수 있다.
실시예의 광학 장치(200)는 a1_1, a2_1, a3_1의 합성 편향 각도인 EDA(a1_1, a2_1, a3_1)과, a2_2, a3_2의 합성 편향 각도인 EDA(a2_2, a3_2)는 제3 빔편향기(270)의 제3파장의 광(L3)에 대한 편향각 a3_3과 실질적으로 동일하도록, 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)가 설정될 수 있다.
제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)는 다음조건을 만족할 수 있다.
EDA(a1_1, a2_1, a3_1) = EDA(a2_2, a3_2) = a3_3
그러나 이에 한정되지 않으며, 상기 값들의 차이는 광학 장치(200)가 파장에 따른 방향 편차가 거의 없는 정도, 또는 원하는 범위 내의 작은 값을 갖도록 소정의 범위 내로 설정될 수 있다.
예를 들어, 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)는 다음 조건을 만족할 수 있다.
|a3_3 - EDA(a1_1, a2_1, a3_1)|/a3_3 < 0.0005
|a3_3 - EDA(a2_2, a3_2)|/a3_3 < 0.0005
상술한 편향 각도들은 XZ 평면상에서 Z축과 이루는 각도로 도시되고 있으나 이에 한정되지 않으며, 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)는 YZ 평면에서 Z과 이루는 각으로 편향 각도가 정의되도록 설정될 수도 있고, 또한, 다른 평면 상에서 편향 각도가 정의될 수도 있다.
도 7은 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
디스플레이 장치(1000)는 광학 장치(1100)와 공간 광변조기(1800)를 포함한다.
광학 장치(1100)는 낮은 색수차를 가지며 소정 위치로 포커싱되는 광을 공간 광변조기(1800)에 제공하는 것으로, 예를 들어, 도 3에 예시한 광학 장치(101)와 실질적으로 동일하거나 또는, 이로부터 변형된 구성을 가질 수 있다.
공간 광변조기(1800)는 광학 장치(1100)의 제1 백라이트(111), 제2 백라이트(121), 제3 백라이트(131)로부터의 광을 변조하여 홀로그램 영상을 생성한다.
공간 광변조기(1800)는 제어부(미도시)로부터 제공되는 홀로그램 데이터 신호, 예를 들어 CGH(computer generated hologram) 신호에 따라 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 제1 백라이트(111), 제2 백라이트(121), 제3 백라이트(131)로부터의 광이 공간 광변조기(1800)에 입사한 후 공간 광변조기(1800)에 헝성된 홀로그램 패턴에 의해 회절된 후, 소멸 간섭 및 보강 간섭에 의해 입체감을 갖는 홀로그래픽 영상이 재생될 수 있다. 공간 광변조기(1800)는 위상 변조만 수행할 수 있는 위상 변조기, 진폭 변조만 수행할 수 있는 진폭 변조기, 및 위상 변조와 진폭 변조를 모두 수행할 수 있는 복합 변조기 중 어느 것을 사용할 수도 있다. 공간 광변조기(1800)로 LCoS(liquid crystal on silicon), DMD(digital micromirror device), 또는 반도체 변조기가 사용될 수 있다.
도면에서, 제1렌즈(150), 제2렌즈(160), 제3렌즈(170)를 모두 경유한 광이 공간 광변조기(1800)에 입사하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 제3렌즈(170)와 공간 광변조기(1800)의 위치는 서로 바뀔 수도 있다.
디스플레이 장치(1000)는 광학 장치(1100)에 의해 색수차 없이 소정 위치로 포커싱되는 광이 공간 광변조기(1800)에 제공되므로, 양호한 품질의 홀로그램 영상을 관찰자에게 제공할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
실시예의 디스플레이 장치(1001)는 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 빔 편향기(1500)를 더 포함하는 점에서, 도 7의 디스플레이 장치(1000)와 차이가 있다.
디스플레이 장치(1001)는 관찰자의 시역내의 소정 위치에 홀로그램 영상을 형성하며, 따라서, 관찰자의 눈 위치가 정해진 위치로부터 변경될 때 영상이 인지되지 않을 수 있다. 빔 편향기(1500)는 광학 장치(1100)가 광을 포커싱하는 위치를 초점면(FP) 상에서 가변시킬 수 있다. 가변되는 위치는 초점면(FP) 상에서 X 방향을 따라 가변될 수 있는 것으로 도시되고 있으나 이에 한정되지 않으며, Y 방향을 따라 가변될 수 있으며 이차원적인 방향으로 변경되도록 빔 편향기(1500)가 구성될 수도 있다.
빔 편향기(1500)는 입사광을 회절시켜 입사광의 진행 방향을 변경시키는 액정 편향기일 수 있다. 빔 편향기(1500)는 전기적으로 제어되며 광을 편향시키는 방향을 조절할 수 있다.
디스플레이 장치(1001)는 이러한 포커싱 위치 가변에 필요한 정보를 얻기 위해 아이 트래킹 센서(미도시)를 더 구비할 수 있다. 아이 트래킹 센서에 의해 관찰자의 눈 위치를 파악하고, 이를 고려하여, 초점면(FP) 상의 다른 위치에 광이 포커싱되도록 빔 편향기(1500)가 제어될 수 있다.
도면에서, 제3렌즈(170), 빔 편향기(1500), 공간 광변조기(1800)의 순서로 배치된 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 세 구성요소의 순서는 바뀔 수 있다. 예를 들어, 제3렌즈(170)와 빔 편향기(1500)의 위치가 바뀔 수 있고, 제3렌즈(170)와 공간 광변조기(1800)의 위치가 서로 바뀔 수도 있다.
도 7 및 도 8의 디스플레이 장치(1000)(1001)는 단안에 대한 광학계를 도시하고 있으나, 이러한 광학계는 양안에 대해 각각 구비될 수도 있다. 또는, 도 8의 디스플레이 장치(1001)에 구비되는 빔 편향기(1500)가 양안을 향해 광을 분기시키도록 구성될 수도 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
본 실시예의 디스플레이 장치(1002)는 빔 편향기(1502)가 광을 양안을 향해 분기하는 구성을 가지는 점에서, 도 8의 디스플레이 장치(1001)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
디스플레이 장치(1002)는 색수차가 거의 없는 포커싱 광을 제공하는 광학 장치(1100), 빔 편향기(1502) 및 공간 광 변조기(1800)를 포함한다. 디스플레이 장치(1002)는 또한, 관찰자의 양안 위치를 센싱하는 아이 트래킹 센서(ES) 및 아이 트래킹 센서(ES)에서 센싱한 정보를 활용하여 빔 편향기(1502)를 제어하는 제어부(1900)를 더 포함할 수 있다.
빔 편향기(1502)는 입사광을 회절시켜 서로 다른 각도로 진행하는 2개의 광빔을 만드는 액정 편향기일 수 있다. 빔 편향기(1502)는 좌, 우안을 향해 광을 동시에, 공간적으로 분기할 수 있다. 또는, 빔 편향기(1502)는 좌, 우안을 향해 광을 시순차적으로 분기할 수도 있다. 빔 편향기(1502)는 또한, 전기적으로 제어되며 광을 분기하는 두 방향을 세부적으로 조절할 수 있다. 좌, 우안의 세부적인 위치 변경은 아이 트래킹 센서(ES)에서 센싱될 수 있고, 아이 트래킹 센서(ES)에서 센싱된 정보를 활용하여 빔 편향기(1502)가 광을 분기하는 위치가 XY 평면과 나란한 초점면(FP) 상에서, 이차원적으로 변경될 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
실시예의 디스플레이 장치(1003)는 도 3 및 도 5에서 각각 예시한 광학 장치(101)(200)가 결합된 구성과 공간 광변조기(1800)를 포함하는 형태이다.
다시 말하면, 디스플레이 장치(1003)는 도 7에 예시된 디스플레이 장치(1000)에 추가적으로, 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)를 더 포함한다.
제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)는 제1 백라이트(111), 제2 백라이트(121), 제3 백라이트(131)로부터의 광이 포커싱 되는 위치를 초점면(FP) 상에서 조절하며, 이 때, 색수차를 줄이기 위해, 제1 출력커플러(OC1)와 제2 출력커플러(OC2) 사이에 제1 빔편향기(250)가 배치되고, 제2 출력커플러(OC2)와 제3 출력커플러(OC3) 사이에 제2 빔편향기(260)가 배치되며, 제3 출력커플러(OC3)로부터의 광의 진행 경로에 제3 빔편향기(270)가 배치된다.
도면에서, 제1 출력커플러(OC1)와 제2 출력커플러(OC2) 사이에 제1 빔편향기(250), 제1렌즈(150)의 순서로 배치된 것으로 도시되었으나, 제1렌즈(150), 제1 빔편향기(250)의 순서로 배치될 수도 있다. 마찬가지로, 제2 빔편향기(260), 제2렌즈(160)의 위치가 서로 바뀔 수 있고, 제3 빔편향기(270), 제3렌즈(170)의 위치가 서로 바뀔 수도 있다. 또한, 공간 광변조기(1800)의 위치도, 제3 빔편향기(270)와 제3렌즈(170)의 사이로 변경될 수도 있다.
제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)는 도 5에서 설명한 바와 같이, 제1파장의 광(L1)은 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)에서 순차적으로 편향되고, 제2파장의 광은 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)에서 순차적으로 편향되며, 제3파장의 광(L3)은 제3 빔편향기(270)에서 편향되어, 결과적으로 제1파장의 광(L1), 제2파장의 광(L2), 제3파장의 광(L3)의 편향 방향을 실질적으로 일치시키도록 구성된다.
제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)는 또한, 전기적으로 제어되며 광을 편향시키는 방향을 세부적으로 조절할 수 있다.
디스플레이 장치(1003)는 아이 트래킹 센서(ES)를 더 구비할 수 있고, 아이 트래킹 센서(ES)에서 센싱한 신호를 기초로 하여 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)가 제어될 수 있다. 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)의 동작에 따라, 광이 포커싱되는 위치는 초점면(FP) 상에서 이차원적으로 조절될 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
디스플레이 장치(1004)는 광학 장치(1200), 필드 렌즈(1700) 및 공간 광변조기(1800)를 포함한다.
광학 장치(1200)는 색수차가 거의 없는 방향성 광을 제공하는 것으로, 도 5에서 설명한 광학 장치(200)와 실질적으로 동일하거나 이로부터 변형된 구성을 가질 수 있다.
공간 광변조기(1800)는 광학 장치(200)로부터의 광을 변조하여 홀로그램 영상을 생성하며, 필드 렌즈(1700)는 생성된 홀로그램 영상이 소정 위치에 포커싱되게 한다. 필드 렌즈(1700)와 공간 광변조기(1800)의 위치는 서로 바뀔 수 있다.
디스플레이 장치(1004)는 단안에 대한 광학계로 도시되고 있으나, 이러한 광학계는 양안에 대해 구비될 수 있다. 또는, 광학 장치(1200)에 구비되는 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)가 양안을 향해 광을 분기시키도록 구성될 수도 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 구성도이다.
디스플레이 장치(1004)는 색수차가 거의 없는 방향성 광을 제공하는 광학 장치(1205)와, 필드 렌즈(1700) 및 공간 광변조기(1800)를 포함한다. 디스플레이 장치(1004)는 또한, 관찰자의 양안 위치를 센싱하는 아이 트래킹 센서(ES) 및 아이 트래킹 센서(ES)에서 센싱한 정보를 활용하여 광학 장치(1205)에서 나오는 광의 방향성을 제어하는 제어부(1900)를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 디스플레이 장치(1004)는 도 11의 디스플레이 장치(1003)에 구비된 광학 장치(1200)의 제1 빔편향기(250), 제2 빔편향기(260), 제3 빔편향기(270)가 양안을 향해 광을 분기시키도록 구성된 광학 장치(1205)를 구비하는 점에서 도 11의 디스플레이 장치(1003)와 차이가 있다.
광학 장치(1205)에서의 광은 양안을 향해 분기되고, 또한, 양안의 세부 위치에 따라 분기 방향이 조절될 수 있으며, 이 때 파장에 따른 편차가 거의 없는 방향 조절이 가능하다.
상술한 광학 장치(100)(101)(102)(200)들이 디스플레이 장치에 적용된 것을 예시하여 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 파장에 따른 편차가 거의 없는 포커싱 광 또는 방향성 광이 활용될 수 있는 다양한 전자장치에 상술한 광학 장치(100)(101)(102)(200)들이 채용될 수 있다.
상술한 디스플레이 장치(1000)(1001)(1002)(1003)(1004)(1005)는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD), 안경형 디스플레이(glasses-type display), 고글형 디스플레이(goggle-type display) 등 다양한 형태의 웨어러블 디바이스 디스플레이로 적용될 수 있다.
상술한 디스플레이 장치(1000)(1001)(1002)(1003)(1004)(1005)는 또한, 스마트폰(smart phone)등, 다른 전자 기기에 연동 또는 연결되어 동작할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(1000)(1001)(1002)(1003)(1004)(1005)를 구동하는 제어부(프로세서)가 스마트폰(smart phone)에 구비될 수 있고, 스마트폰에 상술한 디스플레이 장치(1000)(1001)(1002)(1003)(1004)(1005)가 구비될 수도 있다.
상술한 광학 장치 및 이를 포함하는 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. 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 따라서 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
100, 101, 102, 200, 1100, 1200, 1205: 광학 장치
110, 120, 130, 111, 121, 131: 백라이트
150, 160, 170, 1500, 1502: 빔 편향기
1700: 필드렌즈
1800: 공간 광변조기

Claims (24)

  1. 제1 출력커플러를 통해 제1파장의 광을 출력하는 제1 백라이트;
    상기 제1 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광에 대해 소정의 초점 거리를 가지는 제1렌즈;
    상기 제1 출력커플러와 나란한 제2 출력커플러를 구비하며, 상기 제2 출력커플러를 통해 제2파장의 광을 출력하는 제2 백라이트;
    상기 제2 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제2렌즈;
    상기 제2 출력커플러와 나란한 제3 출력커플러를 구비하며, 상기 제3 출력커플러를 통해 제3파장의 광을 출력하는 제3 백라이트; 및
    상기 제3 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광에 대해 서로 다른 초점거리를 나타내는 제3렌즈;를 포함하는, 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈는 기하 위상 렌즈인, 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈가 상기 제1파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 f1_1, 상기 제2렌즈가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 각각 f2_1, f2_2, 상기 제3렌즈가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 각각 f3_1, f3_2, f3_3이라고 할 때,
    f1_1, f2_1, f3_1의 합성 초점거리인 EFL(f1_1, f2_1, f3_1)은 다음 조건을 만족하는, 광학 장치.
    |f3_3-EFL(f1_1, f2_1, f3_1)|/f3_3 < 0.0005
  4. 제3항에 있어서,
    f2_2, f3_2의 합성 초점거리인 EFL(f2_2, f3_2)은 다음 조건을 만족하는, 광학 장치.
    |f3_3- EFL(f2_2, f3_2)|/f3_3 < 0.0005
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈는 소정 편광의 광에 대해 작용하며,
    상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈에 상기 소정 편광의 광이 입사되게 하는 하나 이상의 위상지연자를 더 포함하는, 광학 장치.
  6. 제1 출력커플러를 통해 제1파장의 광을 출력하는 제1 백라이트;
    상기 제1 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광을 소정 각도로 편향시키는 제1 빔편향기;
    상기 제1 출력커플러과 나란하게 배치되는 제2 출력커플러를 구비하며, 상기 제2 출력커플러를 통해 제2파장의 광을 출력하는 제2 백라이트;
    상기 제2 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제2 빔편향기;
    상기 제2 출력커플러와 나란하게 배치되는 제3 출력커플러를 구비하며, 상기 제3 출력커플러를 통해 제3파장의 광을 출력하는 제3 백라이트; 및
    상기 제3 출력커플러와 마주하게 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제3 빔 편향기;를 포함하는 광학 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔편향기, 제2 빔 편향기, 제3 빔 편향기는 회절 기반의 편향기인, 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔편향기가 상기 제1파장의 광을 편향시키는 각도를 a1_1, 상기 제2 빔편향기가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광을 편향시키는 각도를 각각 a2_1, a2_2, 상기 제3 빔편향기가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광을 편향시키는 각도를 각각 a3_1, a3_2, a3_3이라고 할 때,
    a1_1, a2_1, a3_1의 합성 편향 각도인 EDA(a1_1, a2_1, a3_1)은 다음 조건을 만족하는, 광학 장치.
    |a3_3- EDA(a1_1, a2_1, a3_1)|/a3_3 < 0.0005
  9. 제8항에 있어서,
    a2_2, a3_2의 합성 편향 각도인 EDA(a2_2, a3_2)은 다음 조건을 만족하는, 광학 장치.
    |a3_3- EDA(a2_2, a3_2)|/a3_3 < 0.0005
  10. 제1항의 광학 장치; 및
    상기 제1 백라이트, 제2 백라이트, 제3 백라이트로부터의 광을 변조하여 홀로그램 영상을 생성하는 공간 광 변조기;를 포함하는, 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 백라이트는 상기 제1파장의 광을 제공하는 제1광원과, 상기 제1광원에서의 광을 입사시키는 제1 입력커플러 및 상기 제1 출력커플러를 구비하는 제1 도광판을 포함하고,
    상기 제2 백라이트는 상기 제2파장의 광을 제공하는 제2광원과, 상기 제2광원에서의 광을 입사시키는 제2 입력커플러 및 상기 제2 출력커플러를 구비하는 제2 도광판을 포함하며,
    상기 제3 백라이트는 상기 제3파장의 광을 제공하는 제3광원과, 상기 제3광원에서의 광을 입사시키는 제3 입력커플러 및 상기 제3 출력커플러를 구비하는 제3 도광판을 포함하는, 광학 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈는 기하 위상 렌즈인, 디스플레이 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1렌즈가 상기 제1파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 f1_1, 상기 제2렌즈가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 각각 f2_1, f2_2, 상기 제3렌즈가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광에 대해 나타내는 초점거리를 각각 f3_1, f3_2, f3_3이라고 할 때,
    f1_1, f2_1, f3_1의 합성 초점거리인 EFL(f1_1, f2_1, f3_1)은 다음 조건을 만족하는, 디스플레이 장치.
    |f3_3-EFL(f1_1, f2_1, f3_1)|/f3_3 < 0.0005
  14. 제13항에 있어서,
    f2_2, f3_2의 합성 초점거리인 EFL(f2_2, f3_2)은 다음 조건을 만족하는, 디스플레이 장치.
    |f3_3-EFL(f2_2, f3_2)|/f3_3 < 0.0005
  15. 제10항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기가 생성하는 홀로그램 영상의 위치를 조절하는 빔편향기를 더 포함하는, 디스플레이 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1 출력커플러와 상기 제2 출력커플러 사이에 배치되며, 상기 제1파장의 광을 소정 각도로 편향시키는 제1 빔편향기;
    상기 제2 출력커플러와 상기 제3 출력커플러 사이에 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제2 빔편향기; 및
    상기 제3 출력커플러로부터 출력된 광이 입사되도록 배치되며, 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광을 서로 다른 각도로 편향시키는 제3 빔 편향기;를 더 포함하는, 디스플레이 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 빔편향기, 제2 빔 편향기, 제3 빔 편향기는 회절 기반의 편향기인, 디스플레이 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 빔편향기가 상기 제1파장의 광을 편향시키는 각도를 a1_1, 상기 제2 빔편향기가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광을 편향시키는 각도를 각각 a2_1, a2_2, 상기 제3 빔편향기가 상기 제1파장의 광, 상기 제2파장의 광, 상기 제3파장의 광을 편향시키는 각도를 각각 a3_1, a3_2, a3_3이라고 할 때,
    a1_1, a2_1, a3_1의 합성 편향 각도인 EDA(a1_1, a2_1, a3_1)은 다음 조건을 만족하는, 디스플레이 장치.
    |a3_3-EDA(a1_1, a2_1, a3_1)|/a3_3 < 0.0005
  19. 제18항에 있어서,
    a2_2, a3_2의 합성 편향 각도인 EDA(a2_2, a3_2)은 다음 조건을 만족하는, 디스플레이 장치.
    |a3_3-EDA(a2_2, a3_2)|/a3_3 < 0.0005
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제1 빔편향기, 제2 빔편향기, 제3 빔편향기는 전기적으로 제어되며 광을 편향시키는 방향이 조절되는, 디스플레이 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    아이 트래킹 센서를 더 포함하며,
    상기 아이 트래킹 센서가 센싱한 신호에 기초하여 상기 제1 빔편향기, 제2 빔편향기, 제3 빔편향기가 제어되는, 디스플레이 장치.
  22. 제6항의 광학 장치; 및
    상기 제1 백라이트, 상기 제2 백라이트, 상기 제3 백라이트로부터의 광을 변조하여 홀로그램 영상을 생성하는 공간 광 변조기;
    상기 공간 광 변조기에서 생성된 영상을 소정의 위치에 포커싱하는 필드 렌즈;를 포함하는, 디스플레이 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 빔편향기, 제2 빔편향기, 제3 빔편향기는 전기적으로 제어되며 광을 편향시키는 방향이 조절되는, 디스플레이 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    아이 트래킹 센서를 더 포함하며,
    상기 아이 트래킹 센서가 센싱한 신호에 기초하여 상기 제1 빔편향기, 제2 빔편향기, 제3 빔편향기가 제어되는, 디스플레이 장치.
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