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KR102040653B1 - 홀로그래피 입체 영상 표시장치 - Google Patents

홀로그래피 입체 영상 표시장치 Download PDF

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KR102040653B1
KR102040653B1 KR1020130038206A KR20130038206A KR102040653B1 KR 102040653 B1 KR102040653 B1 KR 102040653B1 KR 1020130038206 A KR1020130038206 A KR 1020130038206A KR 20130038206 A KR20130038206 A KR 20130038206A KR 102040653 B1 KR102040653 B1 KR 102040653B1
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Abstract

본 발명은 크로스-토크 문제를 발생하지 않는 홀로그래피 방식의 입체 영상 표시장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 홀로그래피 입체 영상 표시장치는, 표시 패널; 상기 표시 패널의 후면에 위치하여 백 라이트를 제공하는 백 라이트 유닛; 상기 표시 패널 전면에 위치하여, 상기 표시 패널의 수평축에 대하여 일정 각도 회전한 제1 방향으로 배열된 프리즘 패턴을 형성하는 제1 광경로 변환셀; 그리고 상기 제1 광경로 변환셀의 전면에 위치하여, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열된 프리즘 패턴을 형성하는 제2 광경로 변환셀을 포함한다.

Description

홀로그래피 입체 영상 표시장치 {Holography 3D Display Device}
본 발명은 크로스-토크 문제를 발생하지 않는 홀로그래피 방식의 입체 영상 표시장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 홀로그래피 방식의 입체 영상을 좌안용 홀로그래피 영상과 우안용 홀로그래피 영상으로 나누어 각각 좌안과 우안에 전송하는 시스템에서 크로스-토크(Cross-Talk) 문제를 해결한 무안경 방식의 양안 입체 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, 안경방식(stereoscopy), 무안경 방식(Auto-stereoscopy), 체적형 방식(Volumetric), 홀로그래피 (holography) 및 집적영상 (integral imaging) 등의 방법들이 연구 개발되고 있다. 이 중에서 홀로그래피 방식은 레이저를 이용하여 제작한 홀로그래피를 관측시 특수 안경을 장착하지 않고도 실물과 가장 유사하게 입체감을 느낄 수 있는 방식이다. 따라서, 홀로그래피 방식은 입체감이 뛰어나며 단안으로도 입체감을 느낄 수 있는 특징이 있어, 관측자가 피로감 없이 입체 영상을 느낄 수 있는 가장 이상적인 방식으로 알려져 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 부딪혀 산란되는 물체파를 또 다른 방향에서 입사된 기준파와 만나게 하여 형성된 간섭 무늬를 사진 필름에 기록한다. 물체파와 기준파가 만날 때, 간섭에 의한 간섭 무늬를 형성하는데, 이 간섭 무늬에 물체의 진폭과 위상 정보가 함께 기록된다. 이렇게 기록된 간섭 무늬에 참조광을 조사하여 홀로그램에 기록된 간섭 정보를 복원해 3차원적인 입체감을 느끼게 해준다. 이러한 기록 및 복원 원리를 사용해 3차원 영상을 구현하는 일련의 과정을 홀로그래피라고 한다.
홀로그램을 저장, 전송 및 영상처리를 위해 컴퓨터에 의해 생성하는 방법으로서, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH: Computer Generated Hologram)이 개발되었다. 이 컴퓨터 생성 홀로그램은 지금까지 다양한 방법으로 개발되고 있는데, 근래에는 디지털 산업의 발달에 의해 정지 영상의 컴퓨터 생성 홀로그램에 머무르지 않고 동영상의 컴퓨터 생성 홀로그램을 표시하기 위한 시스템이 개발되고 있다.
컴퓨터 생성 홀로그램은 컴퓨터를 이용하여 직접 홀로그램에 저장되는 간섭무늬를 만드는 것으로. 간섭 무늬 이미지를 컴퓨터로 계산하여 생성한 후, 액정 - 공간 광 변조기(LC-SLM: Liquid Crystal - Spatial Light Modulator)와 같은 공간 광 변조기에 전송하고, 이 SLM에 참조광을 조사하여 입체 영상을 복원/재생한다. 도 1은 종래 기술에 의한 컴퓨터 생성 홀로그램 방식을 구현한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 컴퓨터(10)에서 구현하고자 하는 입체 영상에 해당하는 간섭 무늬 이미지를 생성한다. 생성된 간섭 무늬는 SLM(20)으로 전송된다. SLM(20)은 투과형 액정표시패널로 형성하여 간섭 무늬를 표시할 수 있다. SLM(20)의 일측면에는 참조광으로 사용할 레이저 광원(30)이 위치해 있다. 레이저 광원(30)에서 조사되는 참조광(90)을 SLM(20)의 전면에 고르게 투사하기 위해서 확장기(40)와 렌즈(50)가 순차적으로 배치된다. 레이저 광원(30)에서 출사된 참조광(90)은, 확장기(40)와 렌즈(50)를 거쳐 SLM(20)의 일측면에 조사된다. SLM(20)이 투과형 액정표시 패널인 경우, SLM(20)의 타측면에는 SLM(20)에 구현된 홀로그램의 간섭 무늬에 의해 3차원 입체 영상(80)이 표시된다.
도 1에 의한 홀로그래피 방식의 입체 영상 표시장치는 참조광(90)을 발생하는 광원(30), 확장기(40) 그리고 렌즈(50)와 같이 상당한 부피를 차지하는 구성품으로 이루어진다. 이와 같은 시스템을 구축하는 경우, 부피가 상당히 크며, 무게도 많이 나가기 때문에, 최근 추세인 경박단소형의 표시장치에는 적합하지 않다. 따라서, 무안경 방식으로 궁극적인 입체 영상을 구현하는 홀로그래피 방식의 입체 영상 시스템을 박막 평판형으로 구현하는 것이 요구되고 있다.
그런데, 이처럼 LCD 기반으로 홀로그램을 재생하는 경우에, 한 화소의 픽셀피치가 너무 커서 회절각이 너무 작게 된다. 이 때문에, 홀로그램을 시청할 수 있는 시야각이 매우 작아, 시청자는 매우 좁은 범위에서만 홀로그램 입체 영상을 시청할 수밖에 없는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 극복하기 위해 고안된 것으로, 좁은 시야각에도 불구하고 시청자가 시청 위치에 상관없이 홀로그램 영상을 시청할 수 있는 입체 영상 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은, 좌안용 홀로그램 입체 영상과 우안용 홀로그램 입체 영상을 각각 좌안 및 우안으로 선택적으로 전송함으로써 시청자의 위치에 상관없이 홀로그램 영상을 시청할 수 있는 입체 영상 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 좌안용 홀로그램 입체 영상이 우안으로 유입되거나 우안용 홀로그램 입체 영상이 좌안으로 유입되는 크로스-토크 문제를 근본적으로 해결한 홀로그램 영상을 시청할 수 있는 입체 영상 표시장치를 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 홀로그래피 입체 영상 표시장치는, 표시 패널; 상기 표시 패널의 후면에 위치하여 백 라이트를 제공하는 백 라이트 유닛; 상기 표시 패널 전면에 위치하여, 상기 표시 패널의 수평축에 대하여 일정 각도 회전한 제1 방향으로 배열된 프리즘 패턴을 형성하는 제1 광경로 변환셀; 그리고 상기 제1 광경로 변환셀의 전면에 위치하여, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열된 프리즘 패턴을 형성하는 제2 광경로 변환셀을 포함한다.
상기 제1 광경로 변환셀은, 상기 제1 방향과 직교하는 제1 축 상에서, 상기 표시 패널을 통과한 광경로를 굴절시키고, 상기 제2 광경로 변환셀은, 상기 제2 방향과 직교하는 제2 축 상에서, 상기 제1 광경로 변환셀을 통과한 광경로를 굴절 시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 방향이 상기 수평축에 대하여 회전한 상기 일정 각도는 10도 내지 80도 사이 중 선택한 어느 한 값인 것을 특징으로 한다.
상기 일정 각도는 45도인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 방향은 상기 수평축에 대하여 시계 방향 혹은 반 시계 방향 중 어느 한 방향으로 상기 일정 각도 회전한 것을 특징으로 한다.
상기 제1 광경로 변환셀과 상기 제2 광경로 변환셀 사이에 개재된 위상 지연판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 위상 지연판은 상기 제1 광경로 변환셀을 통과한 빛을 90도 위상 지연시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 광경로 변환셀은 상기 수평축 및 상기 수평축에 대해 직교하는 수직축으로 이루어진 평면 상에서 상기 수평축 및 상기 수직축을 따라 매트릭스 방식으로 배열된 다수 개의 액정 셀들을 포함하는 액정표시 패널을 포함하고, 상기 다수 개의 액정 셀들은, 상기 제1 방향을 따라 배열된 액정 셀들에 등전위가 형성되어 상기 프리즘 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 광경로 변환셀은 상기 수평축 및 상기 수직축을 따라 매트릭스 방식으로 배열된 다수 개의 액정 셀들을 포함하는 액정표시 패널을 포함하고, 상기 다수 개의 액정 셀들은 상기 제2 방향을 따라 배열된 액정 셀들에 등전위가 형성되어 상기 프리즘 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 광경로 변환셀은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향을 따라 매트릭스 방식으로 배열된 다수 개의 액정 셀들을 포함하는 액정표시 패널을 포함하고, 상기 다수 개의 액정 셀들은, 상기 제1 방향을 따라 배열된 액정 셀들에 등전위가 형성되어 상기 프리즘 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 광경로 변환셀은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향을 따라 매트릭스 방식으로 배열된 다수 개의 액정 셀들을 포함하는 액정표시 패널을 포함하고, 상기 다수 개의 액정 셀들은 상기 제2 방향을 따라 배열된 액정 셀들에 등전위가 형성되어 상기 프리즘 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 홀로그래피 방식의 입체 영상 표시장치는, 관측자의 거리에 상관없이, 좌안 영상이 우안과 좌안으로 혹은 우안 영상이 우안과 좌안으로 동시에 조사되는 경우는 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명에 의한 홀로그래피 방식의 입체 영상 표시장치는 우안 영상이 좌안으로 유입되는 크로스-토크를 원천적으로 발생하지 않는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 컴퓨터 생성 홀로그램 방식을 구현한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 홀로그램 영상 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 사시도.
도 3은 도 2의 I-I선을 따라 절단한 제1 실시 예의 광경로 변환셀의 구조를 나타내는 단면도.
도 4는 +φ 방향(위쪽 방향)으로 빛을 굴절시키는 제1 광경로 변환셀의 프리즘 패턴을 보여주는 단면도.
도 5는 -φ 방향(아래쪽 방향)으로 빛을 굴절시키는 제1 광경로 변환셀의 프리즘 패턴을 보여주는 단면도.
도 6은 +θ 방향으로 빛을 굴절시키는 제2 광경로 변환셀의 프리즘 패턴을 보여주는 단면도.
도 7은 -θ 방향으로 빛을 굴절시키는 제2 광경로 변환셀의 프리즘 패턴을 보여주는 단면도.
도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 홀로그래피 영상 표시장치에서 크로스-토크가 발생하는 메카니즘을 설명하는 개략도.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 홀로그램 영상 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 사시도.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 홀로그래피 영상 표시장치에서 크로스-토크 문제가 원천적으로 해소될 수 있는 메카니즘을 설명하는 개략도.
도 11은 본 발명의 제2 실시 예를 구현하기 위한 제1 구성 예에 의한, 제1 광경로 변환셀 및 제2 광결로 변환셀의 구조 및 작동 방법을 나타내는 개략도.
도 12는 본 발명의 제2 실시 예를 구현하기 위한 제2 구성 예에 의한, 제1 광경로 변환셀 및 제2 광결로 변환셀의 구조 및 작동 방법을 나타내는 개략도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 홀로그램 영상 시스템에 대해서 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 홀로그램 영상 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 사시도이다. 도 2에서 예시하는 바처럼, 제1 실시 예에 의한 홀로그램 영상 시스템은 홀로그램 표시패널(10), 제1 및 제2 광경로 변환셀(30a, 30b)과 그 사이에 위치하는 위상 지연판(30c)을 포함하는 광경로 변환셀(30), 표시패널 구동부(50), 광경로 변환셀 구동부(60), 제어부(80) 및 감지 카메라(90)를 포함한다.
제1 실시 예에서, 홀로그램 표시패널(10)은 도 1에서 상술한 구성과 동일하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 표시패널(10)은 투과형 LCD(Liquid Crystal Display)로 구성될 수 있다. 이 홀로그램 표시패널(10)은 간섭무늬 패턴을 입력받아 디스플레이하며, 이에 따라 레이저 광원에서 조사된 빛이 홀로그램 표시패널(10)을 투과하면서, 홀로그램 영상이 표시패널(10)의 타측 방향에 표시될 수 있다.
제1 광경로 변환셀(30a)은 빛이 진행하는 방향을 기준(도면의 +z축 방향)으로 표시패널(10) 앞에 배치된다. 이 제1 광경로 변환셀(30a)은 표시패널(10)로부터 입사되는 빛을 그대로 통과시키거나, 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성해서 위쪽 방향(+φ), 또는 아래쪽 방향(-φ)(도면의 y축 방향 기준)으로 빛을 굴절시킨다. 따라서, 홀로그램 영상(40)은 제1 광경로 변환셀(30a)에 의해 상/하 방향으로 그 생성 위치가 조정될 수가 있다.
제1 광경로 변환셀(30a) 앞에는 제2 광경로 변환셀(30b)이 더 위치한다. 이 제2 광경로 변환셀(30b)은 제1 광경로 변환셀(30a)에서 공급되는 빛을 그대로 통과시키거나, 수직한 방향(도면의 y축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성해 왼쪽 방향(-θ) 또는 오른쪽 방향(+θ)(도면의 x축 방향 기준)으로 빛을 굴절시킨다. 따라서, 홀로그램 영상(40)은 제2 광경로 변환셀(30b)에 의해 가로축(x축) 방향, 즉 좌/우 방향으로 그 생성 위치가 조정될 수가 있다.
표시패널 구동부(50)는 게이트 구동부와 데이터 구동부를 포함한다. 데이터 구동부는 제어부(80)로부터 홀로그램 데이터(DATA)를 입력받고, 감마전압 발생회로(미도시)로부터 공급되는 정극성/부극성 감마보상전압을 이용하여 홀로그램 데이터(DATA)를 정극성/부극성 아날로그 데이터 전압으로 변환한다. 데이터 구동부는 정극성/부극성 아날로그 데이터전압을 표시패널(10)의 데이터 라인들에 공급한다. 게이트 구동부는 제어부(80)의 제어 하에 데이터 전압에 동기되는 게이트 펄스(또는 스캔 펄스)를 표시패널(10)의 게이트 라인들에 순차적으로 공급한다.
광경로 변환셀 구동부(60)는 광경로 변환셀(30)을 구동하기 위한 구동전압을 제1 광경로 변환셀(30a)과 제2 광경로 변환셀(30b)에 각각 공급한다. 이 구동전압은 광경로 변환셀에서 형성되는 프리즘 패턴들의 기울기 값을 조정해서 사용자의 위치에 맞춰 홀로그램 영상(40)을 표시할 수 있다. 이 구동전압은 액정 셀을 이루는 액정분자의 배열 방향을 선형적으로 조절하기 위해서, 선형적으로 감소하거나 증가하는 전압들의 집합들로 이뤄질 수 있다.
이 광경로 변환셀 구동부(60)는 제1 광경로 변환셀(30a)에 공급되는 빛을 그대로 통과시키기 위한 제1 구동전압, 위쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제2 구동전압, 아래쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제3 구동전압, 제2 광경로 변환셀(30b)에 공급되는 빛을 그대로 통과시키기 위한 제4 구동전압, 왼쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제5 구동전압, 오른쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제6 구동전압이 저장된 룩-업 테이블을 포함할 수 있다. 이 경우, 광경로 변환셀 구동부(60)는 제어부(80)의 제어 신호에 응답하여 룩-업 테이블에 기록된 제1 내지 제6 구동전압을 선택적으로 읽어 들여 출력한다. 여기서, 룩-업 테이블은 사용자의 여러 위치에 대응하기 위해서 프리즘 패턴이 다른 기울기 값을 갖도록 하는 복수 개의 구동전압들을 저장할 수 있다.
제어부(80)는 표시패널 구동부(50)를 제어하여 표시패널(10)을 구동시킨다. 제어부(80)는 게이트 구동부 제어신호(GCS)를 게이트 구동부로 공급하고, 홀로그램 데이터(DATA)와 데이터 구동부 제어신호(DCS)를 데이터 구동부로 공급한다. 게이트 구동부 제어신호(GCS)는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 및 게이트 출력 인에이블 신호(Gate Output Enable) 등을 포함할 수 있다. 데이터 구동부 제어신호(DCS)는 소스 스타트 펄스(Source Start Pulse), 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock), 소스 출력 인에이블 신호(Source Output Enable), 극성제어신호(POL) 등을 포함할 수 있다.
감지 카메라(90)는 사용자의 이미지를 촬영하여 촬영된 이미지를 제어부(80)로 전송한다. 제어부(80)는 촬영된 이미지를 분석하여 사용자가 위치한 좌표를 산출한다. 제어부(80)는 산출된 사용자의 위치 좌표와 기준점을 비교하여 사용자가 기준점 대비 좌/우 및 상/하 방향으로 얼마만큼 이동했는지를 판단한다. 제어부(80)는 이 위치 정보에 근거해서 광경로 변환셀 구동부(60)를 제어하여 제1 광경로 변환셀(30a)과 제2 광경로 변환셀(30b)에 각각 소정 기울기 값을 갖는 프리즘 패턴에 형성될 수 있도록 구동 전압을 공급한다.
이하, 광경로 변환셀(30)에 대해서 설명한다. 제1 광경로 변환셀(30a)은 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성하기 때문에, 제1 전극(33)이 도면의 x축 방향, 즉 프리즘 패턴과 동일한 수평 방향으로 이웃한 것과 나란하게 형성된다. 그리고, 제2 광경로 변환셀(30b)은 수직한 방향(도면의 y축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성하기 때문에, 제1 전극(33)이 도면의 y축 방향, 즉 프리즘 패턴과 동일한 수직한 방향으로 이웃한 것과 나란하게 형성된다.
도 3을 참조하여, 제1 광경로 변환셀(30a) 및 제2 광경로 변환셀(30b)의 구성의 일례를 자세히 설명한다. 제1 광경로 변환셀(30a) 및 제2 광경로 변환셀(30b)의 단면 구조는 실질적으로 동일하다. 여기서는, 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단한 단면도인 도 3을 참조로 설명한다.
도 3을 참조하면, 제1 광경로 변환셀(30a) 또는 제2 광경로 변환셀(30b)은 제1 기판(31)과 제2 기판(32) 사이에 액정셀(LC)이 협지된 구조를 이룬다.
제1 기판(31)은 플라스틱 기판 또는 유리기판으로 구성된다. 제1 기판(31) 위에는 제1 전극(33)이 형성된다. 제1 전극(33)은 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide) 같은 투명한 도전성 물질로 제1 기판(31) 위에 형성할 수 있다. 제1 전극(113)은 일 방향으로 길게 연장돼 있으며, 이웃한 것과는 소정 거리로 떨어져 있으며, 서로 나란하게 배치돼서 격자 형태를 이룬다. 도 3에서는 제1 전극(33)이 도면을 관통하는 방향(도면을 기준으로 y축 방향)으로 서로 나란하게 배치된 형태를 이뤄 수직방향으로 선편광되어 표시패널(10)로부터 공급되는 빛과 나란한 방향으로 배열된다. 이러한 제1 전극(33)은 투명한 보호층(35)으로 덮어져 보호된다. 이 투명한 보호층(35)은 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기물로 이루어진다.
제2 기판(32)은 제1 기판(31)과 마찬가지로 유리기판 또는 플라스틱 기판으로 구성되며, 빛이 광경로 변환셀(30a 혹은 30b)을 투과하는 방향 쪽에 배치된다. 제2 기판(32) 위에는 제2 전극(34)이 형성되는데, 제1 전극(33)과 달리 제2 기판(32) 전체에 공통으로 형성된다. 제2 전극(34)은 빛이 통과할 수 있도록 투명한 물질인 ITO나 IZO로 형성될 수 있다. 제2 전극(34)도 투명한 보호층(36)으로 덮어져 보호된다. 이 투명한 보호층(36)은 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기물로 이뤄진다.
제1 기판(31)과 제2 기판(32) 사이에 협지된 액정셀(LC)은 ECB (Electrically Controlled Birefringence) 모드로 배열되어 있을 수 있다. ECB 모드에서 액정분자들은 제1 및 제2 기판 내측에 형성된 배향막(미도시)의 러빙 방향과 같다. 그리고, 그 사이에 존재하는 액정들은 장축이 제1 전극과 나란한 방향(도면의 y축 방향)으로 초기 배향되어 있다. 이에 따라, ECB 모드에서, 전압을 인가하기 전에는 액정 셀 내의 모든 액정분자들은 장축이 제1 전극(33)과 나란한 상태로 배열되며, 전압을 인가하면 액정분자들은 전기장과 동일한 방향으로 장축이 배열된 상태를 이루도록 회동한다. 즉, ECB 모드에서, 액정분자들은 수평방향과 수직방향 사이의 90도 회동을 한다.
이상, 도 3을 참조한 설명에서는, 광경로 변환셀이 그레이팅 패턴의 전극 구조를 갖는 액정 표시패널로 구현한 경우에 대하여 서술하였다. 하지만, 이러한 구조에 국한되지 않으며, 화소 전극이 매트릭스 배열 방식으로 형성된 액정 표시패널로도 광경로 변환셀을 구현할 수도 있다. 이하, 구체적인 프리즘 패턴을 형성하는 구동 방법에 대하여 설명한다. 여기서도, 도 3의 경우를 중심으로 설명하지만, 매트릭스 배열 방식의 액정 표시패널로도 유사한 방식으로 프리즘 패턴을 형성할 수 있다.
도 4 및 도 5는 제1 광경로 변환셀(30a)의 프리즘 패턴을 설명하는 도면들이다. 도 4는 +φ 방향(위쪽 방향)으로 빛을 굴절시키는 프리즘 패턴을 보여주며, 도 5는 -φ 방향(아래쪽 방향)으로 빛을 굴절시키는 프리즘 패턴을 보여준다.
도시된 바처럼, ECB 모드에서 프리즘 패턴(1PP, 2PP)은 액정의 배열 방향을 조절하는 것으로 구현된다. 즉, ECB 모드에서 액정은 제1 전극(33) 과 나란한 상태(도면의 x축 방향)와 제1 전극과 수직한 상태(도면의 z축 방향) 사이를 90도 회동한다.
ECB 모드에서 액정은 제1 전극(33)과 수직한 상태(도면의 z축 방향)일 때 굴절율(no)이 최소이고, 제1 전극과 나란한 상태(도면의 x축 방향)일 때 굴절율(ne)은 최대이다. 이에 맞춰, 표시패널(10)에서 공급되는 빛은 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 선편광된 빛이므로, 액정분자의 배열 방향에 따라 굴절율이 달라진다. 즉, 수평 방향으로 선편광 된 빛에 대해 수직한 방향(도면의 z축 방향)으로 배열된 액정분자는 최소 굴절율(no)이지만, 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 배열된 액정분자는φ 최대 굴절율(ne)이 된다.
따라서, 프리즘 패턴(1PP, 2PP)의 1피치(1P) 내에 포함되는 액정의 배열 방향을 수직한 상태(도면의 z축 방향)에서 점진적으로 수평한 상태(도면의 x축 방향)가 되도록 + y축(위에서 아래로)을 따라 액정의 배열 방향을 조절하게 되면, 기울기가 tan(+φ)인 프리즘 패턴을 형성할 수가 있고(도 4 참조), -x축(아래에서 위로)을 따라 액정의 배열 방향을 조절하게 되면, 기울기가 tan(-φ)인 프리즘 패턴을 형성할 수가 있다(도 5 참조).
먼저, 도 4에서처럼, 기울기가 tan(+φ)인 프리즘 패턴을 형성하는 경우에 제1 전극(33)으로는 -y축 방향을 따라 점진적으로 감소하는 전압들로 이뤄진 제2 구동전압이 인가된다. 예를 들어서, 제1 프리즘 패턴(1PP)의 1피치(1P) 내에 5개의 제1 전극들(33)이 배치되고, 이 제1 전극들(33)을 -y축 방향을 따라 가전극, 나전극, 다전극, 라전극, 마전극이라고 하고, 가전극에는 V1 전압이 인가되고, 나전극에는 V2 전압이 인가되고, 다전극에는 V3 전압이 인가되고, 라전극에는 V4 전압이 인가되고, 마전극에는 V5 전압이 인가된다고 가정했을 때, 전압의 크기는 「V1 > V2 > V3 > V4 > V5」의 관계를 만족한다.
그리고, 도 5에서처럼, 기울기가 tan(-φ)인 프리즘 패턴을 형성하는 경우에 제1 전극(33)으로는 -y축 방향을 따라 점진적으로 증가하는 전압들로 이뤄진 제3 구동전압이 인가된다. 위와 같은 동일한 가정하에서, 제3 구동전압을 이루는 전압들은 V1 < V2 < V3 < V4 < V5」의 관계를 만족한다.
한편, ECB 모드에서 액정셀은 전계가 인가되지 않은 상태에서 모든 액정분자들이 제1 전극과 나란한 방향으로 배열된 상태를 이루고 있기 때문에, 위치에 따라 액정분자들의 굴절율에는 아무런 변화가 없다. 이에 따라, 수직방향으로 선편광된 빛은 제1 광경로 변환셀(30a)을 그대로 투과한다.
한편, 제1 광경로 변환셀(30a)에서 구동전압이 인가되는 제1 전극(33)은 수평한 방향으로 배열되어 있기 때문에 ECB 모드의 액정셀은 수평 방향으로 초기 배열된 상태에서 90도 회동한다. 때문에, 프리즘 패턴을 형성하기 위해서는 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 선편광된 빛이 필요하다.
그런데, 제2 광경로 변환셀(30b)에서 제1 전극(33)은 수직한 방향으로 배열되어 있다. 따라서, 제2 광경로 변환셀(30b)에서 액정셀을 이루는 액정분자들은 제1 전극(33)과 나란하게 초기 수직한 방향(도면의 x축 방향)으로 배열된 상태에서 90도 회동한다. 따라서, 수평한 방향으로 선평관된 빛이 제2 광경로 변환셀(30b)에 공급되면, 액정의 방향에 따른 굴절율 이방성은 나타나지 않아, 프리즘 패턴은 만들어지지 않는다.
때문에, 제1 광경로 변환셀(30a)과 제2 광경로 변환셀(30b) 사이에 빛을 90도 위상 지연시키는 위상 지연판(30c)을 더 포함해서 구성된다. 제1 광경로 변환셀(30a)을 투과한 수평한 방향의 빛은 이 위상 지연판(30c)을 투과하면서 수직한 방향의 빛으로 선편광된다.
한편, 제2 광경로 변환셀(30b)에서 빛이 좌/우 방향으로 굴절되는 것은 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다. 도 6 및 도 7은 제2 광경로 변환셀(30b)의 프리즘 패턴을 설명하는 도면이다. 도 6은 +θ 방향으로 빛을 굴절시키는 프리즘 패턴을 보여주며, 도 7은 -θ 방향으로 빛을 굴절시키는 프리즘 패턴을 보여준다.
도시된 바처럼, ECB 모드에서 프리즘 패턴(1PP, 2PP)은 액정의 배열 방향을 조절하는 것으로 구현된다. 즉, ECB 모드에서 액정은 제1 전극과 나란한 상태(도면의 y축 방향)와 제1 전극에 대해서 수직한 상태(도면의 z축 방향) 사이의 배열 상태를 이룬다. ECB 모드에서 액정분자는 제1 전극에 대해서 수직한 방향을 이루고 있을 때 굴절율(no)이 최소이고, 제1 전극과 나란한 방향을 이루고 있을 때 굴절율(ne)은 최대이다. 이에 맞춰, 표시패널(10)에서 투과한 빛은 수직방향(도면의 y축 방향)으로 선편광된 빛이므로, 액정분자의 배열 방향에 따라 굴절율이 달라진다. 즉, 수직 방향(도면의 y축 방향)으로 선편광된 빛에 대해 수평 방향(도면의 z축 방향)으로 배열된 액정분자는 최소 굴절율(no)이지만, 수직 방향으로 배열된 액정분자는 최대 굴절율(ne)이 된다.
따라서, 프리즘 패턴(1PP, 2PP)의 1피치(1P) 내에 포함되는 액정의 배열 방향을 수평한 상태에서 점진적으로 수직한 상태가 되도록 +x축을 따라 액정의 배열 방향을 조절하게 되면, 기울기가 tan(+θ)인 프리즘 패턴을 형성할 수가 있고(도 6 참조), -x축을 따라 액정의 배열 방향을 조절하게 되면, 기울기가 tan(-θ)인 프리즘 패턴을 형성할 수가 있다(도 7 참조).
먼저, 도 6에서처럼, 기울기가 tan(+θ)인 프리즘 패턴을 형성하는 경우에 제1 전극(33)으로는 +x축 방향을 따라 점진적으로 감소하는 전압들로 이뤄진 제2 구동전압이 인가된다. 예를 들어서, 제1 프리즘 패턴(1PP)의 1피치(1P) 내에 5개의 제1 전극들(33)이 배치되고, 이 제1 전극들(33)을 + x축 방향을 따라 가전극, 나전극, 다전극, 라전극, 마전극이라고 하고, 가전극에는 V1 전압이 인가되고, 나전극에는 V2 전압이 인가되고, 다전극에는 V3 전압이 인가되고, 라전극에는 V4 전압이 인가되고, 마전극에는 V5 전압이 인가된다고 가정했을 때, 전압의 크기는 「V1 > V2 > V3 > V4 > V5」의 관계를 만족한다.
그리고, 도 7에서처럼, 기울기가 tan(-θ)인 프리즘 패턴을 형성하는 경우에 제1 전극(33)으로는 +x축 방향을 따라 점진적으로 증가하는 전압들로 이뤄진 제3 구동전압이 인가된다. 위와 같은 동일한 가정하에서, 제3 구동전압을 이루는 전압들은 V1 < V2 < V3 < V4 < V5」의 관계를 만족한다.
한편, ECB 모드에서 액정셀은 전계가 인가되지 않은 상태에서 모든 액정분자들이 수직 방향(도면의 y축 방향)으로 배열된 상태를 이룬다. 이처럼, 액정셀(LC)의 액정분자들은 모두 수직 상태로 배열된 상태를 유지하기 때문에, 위치에 따라 액정분자들의 굴절율에는 아무런 변화가 없다. 이에 따라, 수직 방향으로 선편광된 빛은 제2 광경로 변환셀(30b)을 그대로 투과한다.
다시 도 2를 더 참조하여, 상술한 제1 실시 예에 의한 홀로그램 영상 시스템의 구동을 설명한다. 표시패널(10)은 홀로그램 데이터를 입력받아 홀로그램 영상을 시청자 방향으로 출사한다.
한편, 감지 카메라(90)는 사용자의 이미지를 촬영하여 촬영된 이미지를 제어부(80)로 전송한다. 제어부(80)는 촬영된 이미지를 분석하여 사용자가 위치한 좌표를 산출한다. 여기서, 좌표는 좌/우에 해당하는 X축 좌표 값와 상/하에 해당하는 Y축 좌표 값이다. 제어부(80)는 산출된 사용자의 위치 좌표와 기준점을 비교하여 사용자가 기준점 대비 상/하. 좌/우로 얼마만큼 이동했는지를 판단한다.
판단 결과에 따라, 제어부(80)는 사용자의 위치에 따른 제1 구동 전압과 제2 구동전압을 선택한다. 여기서, 제1 구동전압은 Y축 좌표 값을 기준으로 선택된 전압으로 제1 광경로 변환셀(30a)에 공급돼 프리즘 패턴을 형성하고, 제2 구동전압은 X축 좌표 값을 기준으로 선택된 전압으로 제2 광경로 변환셀(30b)에 공급돼 프리즘 패턴을 형성한다.
반면, 사용자의 위치 변화가 소정의 문턱 값보다 작은 경우 사용자의 위치 이동이 없는 것이므로, 광경로 변환셀(30a, 30b)들은 프리즘 패턴을 형성하지 않고 빛을 그대로 투과시키도록 제어된다.
빛은 회절현상 때문에 상술한 광경로 변환셀을 투과하는 경우에, 서로 다른 차수의 빛으로 나눠진다. 그런데, 홀로그램을 양안 시차 방식으로 프레임별로 좌안 이미지와 우안 이미지를 나눠 표시하는 경우에, 서로 다른 차수의 빛이 동일한 눈에서 보이는 경우, 크로스 토크 문제를 일으킨다. 예를 들어서, 제1 프레임에서 좌안 이미지를 표시하고, 제2 프레임에서 우안 이미지를 표시하는 경우에, 제2 프레임에서 회절 현상 때문에 제1 프레임의 좌안 이미지가 우안 이미지와 같이 보일 수가 있다.
이하, 도 8을 참조하여, 제1 실시 예에 의한 광경로 변환셀을 사용하는 경우 크로스-토크 문제가 발생하는 과정에 대해서 상세히 설명한다. 도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 홀로그래피 영상 표시장치에서 크로스-토크가 발생하는 경우를 설명하는 개략도이다.
표시패널(10)에서 출사한 홀로그램 영상을 재현한 빛은, 프리즘 패턴이 수평 방향으로 형성되는 제1 광경로 변환셀(30a)에 의해서는 상/하 방향인 Y축(31a) 상에서 출사 위치가 변환된다. 그리고 프리즘 패턴이 수직 방향으로 형성되는 제2 광경로 변환셀(30b)에 의해서는 좌/우 방향인 X축 (31b) 상에서 출사 위치가 변환된다. 앞에서도 설명했듯이, 제1 광경로 변환셀(30a)을 통과한 빛은 회절되어 여러 차수의 빛으로 나누어진다. 제1 광경로 변환셀(30a)에 형성된 픽셀이 가로 방향으로 길쭉한 형상을 가지므로, 픽셀이 슬릿으로 작용하여 Y축(31a) 상에서 회절에 의한 간섭광이 형성된다.
간섭광 중에서 0차 회절 성분은 백-그라운드 노이즈가 많으므로 배제한다. 영상 정보를 가장 많이 내포하는 1차 회절 성분이 관측자의 눈으로 조사되도록 한다. 예를 들어, 표시 패널(10)에서 우안 영상을 제공하는 경우, 제1 광경로 변환셀(30a)은 +1차 회절광(+1st)이 관람자의 우안(R)이 위치한 Y좌표로 진행하도록 조절한다. 이 경우, +1차 회절광(+1st)과 동일한 우안 영상 정보를 갖는 -1차 회절광(-1st)은 관측자의 좌안과 전혀 관련이 없는 멀리 떨어진 곳으로 조사된다(Out of Range). 따라서, 제1 광경로 변환셀(30a)에 의해서는 크로스-토크가 발생할 가능성이 전혀 없다.
이후에, 제2 광경로 변환셀(30b)을 통과한 후에는, 상황이 많이 다르다. 제2 광경로 변환셀(30b)에 형성된 픽셀이 세로 방향으로 길쭉한 형상을 가지므로, 픽셀이 슬릿으로 작용하여 X축(31b) 상에서 회절에 의한 간섭광이 형성된다. 앞의 예와 같이, 표시 패널(10)에서 우안 영상을 제공하는 경우, 제2 광경로 변환셀(30b)은 +1차 회절광(+1st)이 관람자의 우안(R)이 위치한 X좌표로 진행하도록 조절한다. 이 경우, +1차 회절광(+1st)과 동일한 우안 영상 정보를 갖는 -1차 회절광(-1st)은 관측자의 좌안으로 조사될 가능성이 존재한다. 따라서, 제2 광경로 변환셀(30b)에 의해서는 크로스-토크가 발생할 가능성이 존재할 수 있다.
제1 실시 예의 경우, 크로스-토크 문제를 해결하기 위해서는 관측자의 관측 위치가 크로스-토크가 발생하지 않을 정도로 일정 거리 이상 떨어져 위치하여야 한다. 즉, +1차 회절광이 우안에 조사될 때, -1차 회절광이 좌안에 조사되지 않는 조건을 만족할 수 있는 관측 거리를 확보해야 한다.
이하, 본 발명의 제2 실시 예에서는, 관측자의 관측 거리에 상관없이 크로스-토크를 원천적으로 방지할 수 있는 홀로그래피 입체 영상 표시장치의 예를 설명한다. 도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 홀로그램 영상 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 사시도이다.
도 9에서 예시하는 바처럼, 제2 실시 예에 의한 홀로그램 영상 시스템은 홀로그램 표시패널(100), 제1 및 제2 광경로 변환셀(300a, 300b)과 그 사이에 위치하는 위상 지연판(300c)을 포함하는 광경로 변환셀(300), 표시패널 구동부(500), 광경로 변환셀 구동부(600), 제어부(800) 및 감지 카메라(900)를 포함한다. 즉, 기본적인 구성은 제1 실시 예와 동일하다. 차이가 있다면, 제1 및 제2 광경로 변환셀(300a, 300b)의 구성 및/또는 구동 방법에 차이가 있다.
제2 실시 예에서, 홀로그램 표시패널(100)은 도 1에서 상술한 구성과 동일하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 표시패널(100)은 투과형 LCD(Liquid Crystal Display)로 구성될 수 있다. 이 홀로그램 표시패널(100)은 간섭무늬 패턴을 입력받아 디스플레이하며, 이에 따라 레이저 광원에서 조사된 빛이 홀로그램 표시패널(100)을 투과하면서, 홀로그램 영상(400)이 표시패널(100)의 타측 방향에 표시될 수 있다.
제1 광경로 변환셀(300a)은 빛이 진행하는 방향을 기준(도면의 +z축 방향)으로 표시패널(100) 앞에 배치된다. 이 제1 광경로 변환셀(300a)은 표시패널(100)로부터 입사되는 빛을 그대로 통과시키거나, 제1 방향(도면의 x축에 대해 시계방향으로 일정 각도 회전된 방향)으로 프리즘 패턴을 형성해서 우상 방향, 또는 좌하 방향으로 빛을 굴절시킨다. 따라서, 홀로그램 영상(400)은 제1 광경로 변환셀(300a)에 의해 제1 방향인 우상/좌하 방향을 따라 그 생성 위치가 조정될 수가 있다.
제1 광경로 변환셀(300a) 앞에는 제2 광경로 변환셀(300b)이 더 위치한다. 이 제2 광경로 변환셀(300b)은 제1 광경로 변환셀(300a)에서 공급되는 빛을 그대로 통과시키거나, 제1 방향과 직교하는 제2 방향(도면의 y축에 대해 시계방향으로 일정 각도 회전된 방향)으로 프리즘 패턴을 형성해 좌상 방향 또는 우하 방향으로 빛을 굴절시킨다. 따라서, 홀로그램 영상(400)은 제2 광경로 변환셀(300b)에 의해 제1 방향과 직교하는 제2 방향인, 좌상/우하 방향을 따라 그 생성 위치가 조정될 수가 있다.
표시패널 구동부(500)는 게이트 구동부와 데이터 구동부를 포함한다. 데이터 구동부는 제어부(800)로부터 홀로그램 데이터(DATA)를 입력받고, 감마전압 발생회로(미도시)로부터 공급되는 정극성/부극성 감마보상전압을 이용하여 홀로그램 데이터(DATA)를 정극성/부극성 아날로그 데이터 전압으로 변환한다. 데이터 구동부는 정극성/부극성 아날로그 데이터전압을 표시패널(10)의 데이터 라인들에 공급한다. 게이트 구동부는 제어부(800)의 제어 하에 데이터 전압에 동기되는 게이트 펄스(또는 스캔 펄스)를 표시패널(100)의 게이트 라인들에 순차적으로 공급한다.
광경로 변환셀 구동부(600)는 광경로 변환셀(300)을 구동하기 위한 구동전압을 제1 광경로 변환셀(300a)과 제2 광경로 변환셀(300b)에 각각 공급한다. 이 구동전압은 광경로 변환셀에서 형성되는 프리즘 패턴들의 기울기 값을 조정해서 사용자의 위치에 맞춰 홀로그램 영상을 표시할 수 있다. 이 구동전압은 액정 셀을 이루는 액정분자의 배열 방향을 선형적으로 조절하기 위해서, 선형적으로 감소하거나 증가하는 전압들의 집합들로 이뤄질 수 있다.
이 광경로 변환셀 구동부(600)는 제1 광경로 변환셀(300a)에 공급되는 빛을 그대로 통과시키기 위한 제1 구동전압, 위쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제2 구동전압, 아래쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제3 구동전압, 제2 광경로 변환셀(300b)에 공급되는 빛을 그대로 통과시키기 위한 제4 구동전압, 왼쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제5 구동전압, 오른쪽 방향으로 굴절시키기 위한 제6 구동전압이 저장된 룩-업 테이블을 포함할 수 있다. 이 경우, 광경로 변환셀 구동부(600)는 제어부(800)의 제어 신호에 응답하여 룩-업 테이블에 기록된 제1 내지 제6 구동전압을 선택적으로 읽어 들여 출력한다. 여기서, 룩-업 테이블은 사용자의 여러 위치에 대응하기 위해서 프리즘 패턴이 다른 기울기 값을 갖도록 하는 복수 개의 구동전압들을 저장할 수 있다.
제어부(800)는 표시패널 구동부(500)를 제어하여 표시패널(100)을 구동시킨다. 제어부(800)는 게이트 구동부 제어신호(GCS)를 게이트 구동부로 공급하고, 홀로그램 데이터(DATA)와 데이터 구동부 제어신호(DCS)를 데이터 구동부로 공급한다. 게이트 구동부 제어신호(GCS)는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 및 게이트 출력 인에이블 신호(Gate Output Enable) 등을 포함할 수 있다. 데이터 구동부 제어신호(DCS)는 소스 스타트 펄스(Source Start Pulse), 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock), 소스 출력 인에이블 신호(Source Output Enable), 극성제어신호(POL) 등을 포함할 수 있다.
감지 카메라(900)는 사용자의 이미지를 촬영하여 촬영된 이미지를 제어부(800)로 전송한다. 제어부(800)는 촬영된 이미지를 분석하여 사용자가 위치한 좌표를 산출한다. 제어부(80)는 산출된 사용자의 위치 좌표와 기준점을 비교하여 사용자가 기준점 대비 좌/우 및 상/하 방향으로 얼마만큼 이동했는지를 판단한다. 제어부(800)는 이 위치 정보에 근거해서 광경로 변환셀 구동부(600)를 제어하여 제1 광경로 변환셀(300a)과 제2 광경로 변환셀(300b)에 각각 소정 기울기 값을 갖는 프리즘 패턴에 형성될 수 있도록 구동 전압을 공급한다.
이하, 제2 실시 예에 의한 광경로 변환셀(300)에 대해서 좀 더 상세히 설명한다. 제1 광경로 변환셀(300a)은 도면의 x축에 대해서 일정 각도 회전된 방향인 제1 방향으로 프리즘 패턴을 형성한다. 도 9에서 제1 광경로 변환셀(300a)의 표면에 표시한 좌상에서 우하 방향으로 그려진 사선이 프리즘 패턴의 형성 방향을 나타낸다. 그리고, 제2 광경로 변환셀(300b)은 도면의 y축에 대해서 일정 각도 회전된 방향인 제2 방향으로 프리즘 패턴을 형성한다. 도 9에서 제2 광경로 변환셀(300b)의 표면에 표시한 우상에서 좌하 방향으로 그려진 사선이 프리즘 패턴의 형성 방향을 나타낸다. 특히, 제2 방향은 제1 방향과 직교하도록 설정하여야 한다.
제1 방향을 x축에 대해서 시계 방향으로 일정 각도 회전할 수도 있고, 반 시계 방향으로 일정 각도 회전할 수도 있다. 여기서는 편의상 시계 방향으로 일정 각도 회전한 경우로 설명한다. 또한, 회전 각도는 0~90도 사이의 임의의 값을 가질 수 있다. 바람직한 회전 각도는 10° 내지 80°사이의 값을 갖는다. 회전 각도는 +1차 회절 성분의 우안 영상이 우안으로 입사될 때, -1차 회절 성분의 우안 영상이 좌안의 가시 영역 외부로 벗어나도록 하기 위한 것이다. 따라서, 가장 바람직하게는 회전 각도를 45°로 설정할 수 있다.
도 10을 더 참조하여, 제2 실시 예에 의한 광경로 변환셀을 사용하는 경우 크로스-토크 문제를 원천적으로 발생하지 않도록 할 수 있는 메카니즘에 대해서 상세히 설명한다. 도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 홀로그래피 영상 표시장치에서 크로스-토크 문제가 원천적으로 해소될 수 있는 메카니즘을 설명하는 개략도이다.
표시패널(100)에서 출사한 홀로그램 영상을 재현한 빛은, 좌상-우하 방향(제1 방향)으로 프리즘 패턴이 나열된 제1 광경로 변환셀(300a)에 의해서, 우상/좌하 방향을 따르는 제1축(301a) 상에서 출사 위치가 변환된다. 한편, 우상-좌하 방향(제2 방향)으로 프리즘 패턴이 나열된 제2 광경로 변환셀(300b)에 의해서, 좌상/우하 방향을 따르는 제2축 (301b) 상에서 출사 위치가 변환된다. 앞에서도 설명했듯이, 제1 광경로 변환셀(300a)을 통과한 빛은 회절되어 여러 차수의 빛으로 나누어진다. 즉, 제1축(301a) 상에서 회절에 의한 간섭광이 형성된다.
간섭광 중에서 0차 회절 성분은 백-그라운드 노이즈가 많으므로 배제한다. 영상 정보를 가장 많이 내포하는 1차 회절 성분이 관측자의 눈으로 조사되도록 한다. 예를 들어, 표시 패널(100)에서 우안 영상을 제공하는 경우, 관람자의 우안 위치로 전송하도록 제1 광경로 변환셀(300a) 및 제2 광경로 변환셀(300b)이 작동한다. 즉, 제1축(301a)과 제2축(301b)으로 이루어진 좌표계 상에서 +1차 회절광(+1st)이 관람자의 우안(R)의 위치 좌표인 P(α, β)로 진행하도록 조절할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 제1 광경로 변환셀(300a)은 +1차 회절광(+1st)이 제1축(301a) 상에서 β의 위치로 진행하도록 조절한다. 이 경우, 제1 광경로 변환셀(300a)에 의한 우안 영상의 1차 회절광(+1st)은 관람자의 우안의 제1축 좌표인 β 방향으로 조사된다. 반면에, +1차 회절광(+1st)과 동일한 우안 영상 정보를 갖는 -1차 회절광(-1st)은 좌안의 시야 범위에서 대각선 아래 방향으로 멀리 떨어진 방향으로 조사된다(Out of Range).
이후에, 제2 광경로 변환셀(300b)은 +1차 회절광(+1st)이 제2축(301b) 상에서 α의 위치로 진행하도록 조절한다. 그러면, 우안 영상의 +1차 회절광(+1st)은 관람자의 우안으로 조사된다. 또한, +1차 회절광(+1st)과 동일한 우안 영상 정보를 갖는 -1차 회절광(-1st)은 관측자의 좌안의 시야 범위에서 멀리 떨어진 상부측으로 조사된다(Out of Range).
결론적으로, 관람자의 관측 거리에 상관없이, 관람자의 좌안과 우안이 X축을 따라 배치되는 반면, +1차 회절광(+1st)과 -1차 회절광(-1st)은 제1축 혹은 제2축을 따라 배치되기 때문에, 좌안 영상이 우안과 좌안으로 혹은 우안 영상이 우안과 좌안으로 동시에 조사되는 경우는 발생하지 않는다. 따라서, 우안 영상이 좌안으로 유입되는 크로스-토크를 구조적으로 방지하는 효과를 갖는다.
이하, 도 11 및 12를 참조하여, 제2 실시 예에 의한 광경로 변환셀들(300a, 300b)을 X-Y 좌표계에 대해서 일정 각도 회전된 평면좌표계 상에서 구동하기 위한 구체적인 구성 예들을 설명한다. 도 11은 본 발명의 제2 실시 예를 구현하기 위한 제1 구성 예에 의한, 제1 광경로 변환셀(300a) 및 제2 광경로 변환셀(300b)의 구조 및 작동 방법을 나타내는 개략도이다. 도 12는 본 발명의 제2 실시 예를 구현하기 위한 제2 구성 예에 의한, 제1 광경로 변환셀(300a) 및 제2 광경로 변환셀(300b)의 구조 및 작동 방법을 나타내는 개략도이다.
먼저, 도 11을 참조하면, 제1 광경로 변환셀(300a) 및 제2 광경로 변환셀(300b)은, 복수 개의 화소 셀들이 X-Y 좌표계 상에서 매트릭스 방식으로 배열된 액정 표시 패널과 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 화소 배열 방향은 XY 좌표계 상에서 X축에 해당하며, 제2 화소 배열 방향은 XY 좌표계 상에서 Y축에 해당한다.
제1 광경로 변환셀(300a)의 경우, 프리즘 패턴을 X축에 대해 시계방향으로 일정각도(δ) 회전한 제1 방향으로 설정할 수 있다. 즉, 등전위를 갖는 화소들은 제1 방향을 따라 나란하게 형성됨으로써, 프리즘 패턴을 형성할 수 있다. 그러면, 제1 광경로 변환셀(300a)로 입사된 빛은 제1 방향과 직각을 이루는 제1축(301a)을 따라 회절 패턴이 형성된다. 또한, 프리즘 패턴에 의해 제1축(301a)을 따라 굴절 정도를 조절하여 위치를 변경할 수 있다.
제2 광경로 변환셀(300b)의 경우, 프리즘 패턴을 Y축에 대해 시계방향으로 일정각도(δ) 회전한 제2 방향으로 설정할 수 있다. 즉, 등전위를 갖는 화소들은 제2 방향을 따라 나란하게 형성됨으로써, 프리즘 패턴을 형성할 수 있다. 특히, 제2 방향은 제1 방향과 직교하도록 설정되어야 한다. 그러면, 제2 광경로 변환셀(300b)로 입사된 빛은 제2 방향과 직각을 이루는 제2축(301b)을 따라 회절 패턴이 형성된다. 또한, 프리즘 패턴에 의해 제2축(301b)을 따라 굴절 정도를 조절하여 위치를 변경할 수 있다.
다음으로, 도 12를 참조하면, 제1 광경로 변환셀(300a) 및 제2 광경로 변환셀(300b)은, 복수 개의 화소 셀들이 XY 좌표계를 기준으로 시계 방향으로 일정 각도(δ) 회전된 αβ 좌표계 상에서 매트릭스 방식으로 배열된 액정 표시 패널의 구조를 가질 수 있다. 즉, α축은 X축이 시계 방향으로 일정 각도(δ) 회전된 것에 해당하고, β축은 Y축이 시계 방향으로 일정 각도(δ) 회전된 것에 해당한다.
이때, 제1 광경로 변환셀(300a)에 형성되는 프리즘 패턴은 α축인 제1 방향을 따라 형성한다. 즉, 등전위를 갖는 화소들은 제1 방향을 따라 나란하게 형성됨으로써, 프리즘 패턴을 형성할 수 있다. 그러면, 제1 광경로 변환셀(300a)로 입사된 빛은 제1 방향과 직각을 이루는 제1축(301a)(또는 β축)을 따라 회절 패턴이 형성된다. 또한, 프리즘 패턴에 의해 제1축(301a)을 따라 굴절 정도를 조절하여 위치를 변경할 수 있다.
제2 광경로 변환셀(300b)에 형성되는 프리즘 패턴은, β축인 제2 방향을 따라 형성한다. 즉, 등전위를 갖는 화소들은 제2 방향을 따라 나란하게 형성됨으로써, 프리즘 패턴을 형성할 수 있다. 그러면, 제2 광경로 변환셀(300b)로 입사된 빛은 제2 방향과 직각을 이루는 제2축(301b)(또는 α축)을 따라 회절 패턴이 형성된다. 또한, 프리즘 패턴에 의해 제2축(301b)을 따라 굴절 정도를 조절하여 위치를 변경할 수 있다.
도 11에 도시한 광경로 변환셀에 사용한 액정 표시 패널의 경우, 일반적으로 잘 알려진 액정표시 패널을 사용할 수 있다는 장점이 있다. 다만, 액정 셀들을 구동하는 방식을 적절하게 변경하여 원하는 프리즘 패턴을 구현할 수 있다. 하지만, 프리즘 패턴에서 등전위를 이루는 셀들의 배열을 완전히 선형적으로 구현하기는 어렵다. 이유는 매트릭스 배열을 갖는 액정 셀들 중에서 사선 방향 상에 있는 셀들을 선택할 경우, 완전한 선형적인 일직선상에 배열되지 않고, 어느 정도 들쭉 날쭉하게 선택될 수 밖에 없다.
도 12에 도시한 광경로 변환셀에서는 액정 셀들을 프리즘 패턴의 방향과 평행한 매트릭스 방식으로 배열된다. 따라서, 도 12에 의한 제2 구성 예에서는 제1 구성 예보다 프리즘 패턴을 선형적으로 구성할 수 있다는 장점이 있다. 반면에, 액정 셀들의 배치 및 배열 구조가 일반적인 액정 표시장치와 다르기 때문에 별도로 제조해야 한다는 불편함이 있을 수 있다.
제조하고자 하는 표시 장치의 특성 및 제조 조건 등을 모두 고려하여 구성 예 1 및 2 중에서 적절한 방식을 선택할 수 있다. 어느 경우를 선택하더라도, 관람자의 관측 거리에 상관없이, 관람자의 좌안과 우안이 X축을 따라 배치되는 반면, +1차 회절광(+1st)과 -1차 회절광(-1st)은 제1축 혹은 제2축을 따라 배치되기 때문에, 좌안 영상이 우안과 좌안으로 혹은 우안 영상이 우안과 좌안으로 동시에 조사되는 경우는 발생하지 않는다. 따라서, 우안 영상이 좌안으로 유입되는 크로스-토크를 구조적으로 방지하는 효과를 갖는다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 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 정해져야만 할 것이다.
1: 컴퓨터 2: SLM(공간 광 변조기)
3: 레이저 광원 4: 확장기
5: 렌즈 8: 출력 영상
9: 참조광
10, 100: 홀로그램 표시패널 30, 300: 광경로 변환셀
30a, 300a: 제1 광경로 변환셀 30b, 300b: 제2 광경로 변환셀
30c, 300c: 위상 지연판 50, 500: 표시패널 구동부
60, 600: 광경로 변환셀 구동부 80, 800: 제어부
90, 900: 감지 카메라 301a: 제1 축
301b: 제2 축

Claims (12)

  1. 표시 패널;
    상기 표시 패널의 후면에 위치하여 백 라이트를 제공하는 백 라이트 유닛;
    상기 표시 패널 전면에 위치하여, 상기 표시 패널의 수평축에 대하여 일정 각도 회전한 제1 방향 및 제2 방향을 따라 매트릭스 방식으로 배열된 다수 개의 액정 셀들을 포함하는 액정표시 패널을 포함하고, 상기 다수 개의 액정 셀들은, 상기 제1 방향을 따라 배열된 액정 셀들에 등전위가 형성되어 프리즘 패턴을 형성하는 제1 광경로 변환셀; 및
    상기 제1 광경로 변환셀의 전면에 위치하여, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열된 상기 프리즘 패턴을 형성하는 제2 광경로 변환셀; 을 포함하되,
    상기 제1 광경로 변환셀 및 상기 제2 광경로 변환셀에 배치되는 상기 프리즘 패턴은,
    상기 제1 방향 또는 제2방향에 대해 제1 기울기를 갖는 제1 프리즘 패턴,
    상기 제1 기울기에 역탄젠트 기울기를 갖는 제2 프리즘 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광경로 변환셀은, 상기 제1 방향과 직교하는 제1 축 상에서, 상기 표시 패널을 통과한 광경로를 굴절시키고,
    상기 제2 광경로 변환셀은, 상기 제2 방향과 직교하는 제2 축 상에서, 상기 제1 광경로 변환셀을 통과한 광경로를 굴절 시키는 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 방향이 상기 수평축에 대하여 회전한 상기 일정 각도는 10도 내지 80도 사이 중 선택한 어느 한 값인 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 일정 각도는 45도인 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 수평축에 대하여 시계 방향 혹은 반 시계 방향 중 어느 한 방향으로 상기 일정 각도 회전한 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광경로 변환셀과 상기 제2 광경로 변환셀 사이에 개재된 위상 지연판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 위상 지연판은 상기 제1 광경로 변환셀을 통과한 빛을 90도 위상 지연시키는 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광경로 변환셀은 상기 수평축 및 상기 수평축에 대해 직교하는 수직축으로 이루어진 평면 상에서 상기 수평축 및 상기 수직축을 따라 매트릭스 방식으로 배열된 다수 개의 액정 셀들을 포함하는 액정표시 패널을 포함하고,
    상기 다수 개의 액정 셀들은, 상기 제1 방향을 따라 배열된 액정 셀들에 등전위가 형성되어 상기 프리즘 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 광경로 변환셀은 상기 수평축 및 상기 수직축을 따라 매트릭스 방식으로 배열된 다수 개의 액정 셀들을 포함하는 액정표시 패널을 포함하고,
    상기 다수 개의 액정 셀들은 상기 제2 방향을 따라 배열된 액정 셀들에 등전위가 형성되어 상기 프리즘 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 광경로 변환셀은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향을 따라 매트릭스 방식으로 배열된 다수 개의 액정 셀들을 포함하는 액정표시 패널을 포함하고,
    상기 다수 개의 액정 셀들은 상기 제2 방향을 따라 배열된 액정 셀들에 등전위가 형성되어 상기 프리즘 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광경로 변환셀과 제2 광경로 변환셀에 연결되어 구동전압을 인가하는 광경로 변환셀 구동부를 더 포함하며,
    상기 광경로 변환셀 구동부는, 상기 프리즘 패턴의 기울기 값을 갖도록 하는 복수의 구동전압을 저장하는 것을 특징으로 하는 입체 영상 표시장치.
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