KR102659198B1 - 저감된 색수차를 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents
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Abstract
저감된 색수차를 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다. 또한, 홀로그램 영상을 공간 상에 포커싱하기 위한 포커싱 광학계가 회절 렌즈 요소를 채용함으로써, 작은 두께를 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다. 개시된 홀로그래픽 디스플레이 장치는 고정된 초점 거리를 갖는 고정 초점 광학계와 초점 거리가 전기적 제어에 의해 변화하는 가변 초점 광학계를 포함하며, 고정 초점 광학계는 서로 다른 제 1 파장 내지 제 3 파장의 광을 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱하여 가변 초점 광학계의 색수차를 상쇄하도록 구성된다.
Description
개시된 실시예들은 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저감된 색수차를 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 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.
저감된 색수차를 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
또한, 홀로그램 영상을 공간 상에 포커싱하기 위한 포커싱 광학계가 회절 렌즈 요소를 채용함으로써, 작은 두께를 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 광을 제공하는 광원; 입사광을 변조하여 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴을 형성하는 공간 광변조기; 및 홀로그램 영상을 공간 상에 포커싱하는 포커싱 광학계;를 포함하며, 상기 포커싱 광학계는: 고정된 초점 거리를 갖는 고정 초점 광학계; 및 초점 거리가 전기적 제어에 의해 변화하는 가변 초점 광학계;를 포함하고, 상기 고정 초점 광학계는 서로 다른 제 1 파장 내지 제 3 파장의 광을 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱하여 상기 가변 초점 광학계의 색수차를 상쇄하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고정 초점 광학계와 상기 가변 초점 광학계가 모두 양의 굴절력을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 고정 초점 광학계는, 제 1 파장의 광을 광축 상의 제 1 위치에 포커싱하는 제 1 렌즈셋; 제 2 파장의 광을 제 1 위치와 상이한 광축 상의 제 2 위치에 포커싱하는 제 2 렌즈셋; 및 제 3 파장의 광을 제 1 및 제 2 위치와 상이한 광축 상의 제 3 위치에 포커싱하는 제 3 렌즈셋;을 포함할 수 있다.
상기 광원과 상기 제 1 위치 사이의 거리는 상기 광원과 상기 제 2 위치 사이의 거리보다 작고, 상기 광원과 상기 제 2 위치 사이의 거리는 상기 광원과 상기 제 3 위치 사이의 거리보다 작으며, 상기 제 3 파장은 상기 제 2 파장보다 길며 상기 제 2 파장은 상기 제 1 파장보다 길 수 있다.
상기 광원과 상기 제 1 렌즈셋 사이의 거리는 상기 광원과 상기 제 2 렌즈셋 사이의 거리보다 작고, 상기 광원과 상기 제 2 렌즈셋 사이의 거리는 상기 광원과 상기 제 3 렌즈셋 사이의 거리보다 작을 수 있다.
상기 가변 초점 광학계는 제 1 파장의 광에 대해 제 1 초점 길이를 갖고 제 2 파장의 광에 대해 제 2 초점 길이를 갖고 제 3 파장의 광에 대해 제 3 초점 길이를 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소를 포함하며, 상기 제 1 초점 길이는 제 2 초점 길이보다 길고, 상기 제 2 초점 길이는 제 3 초점 길이보다 길 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 위치는 상기 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 조절 구간 내에서 상기 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 상쇄하도록 선택될 수 있다.
상기 제 1 렌즈셋은 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자 및 제 1 이방성 회절 렌즈 요소를 포함하고, 상기 제 2 렌즈셋은 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자 및 제 2 이방성 회절 렌즈 요소를 포함하고, 상기 제 3 렌즈셋은 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자 및 제 3 이방성 회절 렌즈 요소를 포함할 수 있다.
상기 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자, 제 1 이방성 회절 렌즈 요소, 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자, 제 2 이방성 회절 렌즈 요소, 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자, 및 제 3 이방성 회절 렌즈 요소는 상기 광원으로부터 멀어지는 방향으로 광축을 따라 차례로 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 1 파장의 광이 제 1 선편광 성분을 갖고 제 2 및 제 3 파장의 광이 제 1 선편광에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하고, 상기 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 2 파장의 광이 제 1 선편광 성분을 갖고 제 1 및 제 3 파장의 광이 제 2 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하고, 상기 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 3 파장의 광이 제 1 선편광 성분을 갖고 제 1 및 제 2 파장의 광이 제 2 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환할 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 이방성 회절 렌즈 요소는 제 1 선편광 성분의 광을 집속시키고 제 2 선편광 성분의 광을 굴절 없이 투과시키도록 구성될 수 있다.
상기 고정 초점 광학계는 제 1 내지 제 3 파장의 광이 동일한 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하는 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 1 파장의 광이 제 1 원편광 성분을 갖고 제 2 및 제 3 파장의 광이 제 1 원편광에 반대 방향인 제 2 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하고, 상기 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 2 파장의 광이 제 1 원편광 성분을 갖고 제 1 및 제 3 파장의 광이 제 2 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하고, 상기 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 3 파장의 광이 제 1 원편광 성분을 갖고 제 1 및 제 2 파장의 광이 제 2 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환할 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 이방성 회절 렌즈 요소는 제 1 원편광 성분의 광을 집속시키고 제 2 원편광 성분의 광을 굴절 없이 투과시키도록 구성될 수 있다.
상기 고정 초점 광학계는 제 1 내지 제 3 파장의 광이 동일한 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하는 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 고정 초점 광학계는 양의 굴절력을 갖고 상기 가변 초점 광학계는 음의 굴절력을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 고정 초점 광학계는 제 1 파장의 광에 대해 제 1 초점 길이를 갖고 제 2 파장의 광에 대해 제 2 초점 길이를 갖고 제 3 파장의 광에 대해 제 3 초점 길이를 갖는 고정 초점 회절 렌즈 요소를 포함하며, 상기 제 1 초점 길이는 제 2 초점 길이보다 길고, 상기 제 2 초점 길이는 제 3 초점 길이보다 길 수 있다.
상기 가변 초점 광학계는 상기 고정 초점 회절 렌즈 요소의 색수차와 반대되는 색수차를 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소를 포함하며, 상기 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차는 상기 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 조절 구간 내에서 상기 고정 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 상쇄하도록 선택될 수 있다.
또한, 상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는 관찰자의 동공 위치를 추적하는 시선 추적기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광원은 제 1 시점을 갖는 제 1 홀로그램 영상을 위한 제 1 광원 및 상기 제 1 시점과 상이한 제 2 시점을 갖는 제 2 홀로그램 영상을 위한 제 2 광원을 포함할 수 있다.
또한, 상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는 상기 시선 추적기로부터 제공된 관찰자의 동공 위치에 응답하여 상기 제 1 광원 및 제 2 광원의 위치를 조절하는 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는 상기 광원에서 방출된 광을 상기 공간 광변조기로 전달하는 조명 광학계를 더 포함할 수 있다.
상기 조명 광학계는, 입력 커플러와 출력 커플러를 갖는 도광판 및 상기 광원으로부터 방출된 광을 상기 입력 커플러에 제공하는 빔 편향기를 포함하며, 상기 빔 편향기는 상기 시선 추적기로부터 제공된 관찰자의 동공 위치 정보에 응답하여 상기 입력 커플러에 입사하는 광의 입사각을 조절하도록 구성될 수 있다.
개시된 홀로그래픽 디스플레이 장치는 회절 렌즈 요소를 사용함으로써 작은 두께를 가질 수 있다. 또한, 개시된 홀로그래픽 디스플레이 장치는 고정 초점 회절 렌즈 요소와 가변 초점 회절 렌즈 요소를 사용함으로써 관찰자의 위치 변화에 대응할 수 있다. 또한, 개시된 홀로그래픽 디스플레이 장치는 고정 초점 회절 렌즈 요소의 색수차와 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차가 서로 상쇄되도록 고정 초점 회절 렌즈 요소와 가변 초점 회절 렌즈 요소를 구성함으로써 저감된 색수차를 가질 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 2는 가변 초점 광학계로서 사용된 양의 굴절력을 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 양의 굴절력을 갖는 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 고정 초점 광학계와 가변 초점 광학계의 조합에 의한 색수차 저감을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 가변 초점 광학계의 초점 거리 변화에 따른 색수차의 변화를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 고정 초점 광학계로서 사용된 양의 굴절력을 갖는 고정 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 가변 초점 광학계로서 사용된 음의 굴절력을 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 13은 고정 초점 광학계와 가변 초점 광학계의 조합에 의한 색수차 저감을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 2는 가변 초점 광학계로서 사용된 양의 굴절력을 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 양의 굴절력을 갖는 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 고정 초점 광학계와 가변 초점 광학계의 조합에 의한 색수차 저감을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 가변 초점 광학계의 초점 거리 변화에 따른 색수차의 변화를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 고정 초점 광학계로서 사용된 양의 굴절력을 갖는 고정 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 가변 초점 광학계로서 사용된 음의 굴절력을 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 13은 고정 초점 광학계와 가변 초점 광학계의 조합에 의한 색수차 저감을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 저감된 색수차를 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 광을 제공하는 광원(110), 입사광을 변조하여 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴을 형성하는 공간 광변조기(120), 홀로그램 영상을 공간 상에 포커싱하는 포커싱 광학계(150), 및 재생할 홀로그램 영상에 따라 홀로그램 신호를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공하는 영상 처리기(160)를 포함할 수 있다. 또한, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 관찰자의 동공 위치를 추적하는 시선 추적기(170), 및 시선 추적기(170)에서 제공하는 관찰자의 동공 위치 정보에 응답하여 광원(110)을 구동하는 액추에이터(180)를 더 포함할 수 있다.
광원(110)은 관찰자의 좌안에 형성될 홀로그램 영상을 위한 제 1 광원(110L) 및 관찰자의 우안에 형성될 홀로그램 영상을 위한 제 2 광원(110R)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 광원(110L, 110R)은 각각 공간 광변조기(120)에 경사지게 입사하는 조명광을 제공하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 광원(110L)은 공간 광변조기(120)를 기준으로 관찰자의 좌안에 대해 반대편에 배치되어 있으며, 제 2 광원(110R)은 공간 광변조기(120)를 기준으로 관찰자의 우안에 대해 반대편에 배치될 수 있다.
높은 가간섭성을 갖는 조명광을 제공하기 위하여 제 1 및 제 2 광원(110L, 110R)은 레이저 다이오드를 포함할 수도 있다. 그러나, 조명광이 어느 정도의 공간 간섭성(spatial coherence)을 가지고 있다면 공간 광변조기(120)에 의해 충분히 회절 및 변조될 수 있기 때문에, 제 1 및 제 2 광원(110L, 110R)으로서 발광 다이오드(LED)를 사용하는 것도 가능하다. 발광 다이오드 외에도 공간 간섭성을 갖는 광을 방출한다면 다른 어떤 광원도 사용이 가능하다. 도 1에는 편의상 제 1 및 제 2 광원(110L, 110R)이 각각 하나로 도시되어 있지만, 제 1 및 제 2 광원(110L, 110R)은 다수의 광원들의 어레이를 포함할 수도 있다.
공간 광변조기(120)는 영상 처리기(160)로부터 제공되는 홀로그램 신호에 따라 조명광을 회절시켜 변조하기 위한 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 공간 광변조기(120)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. 비록 도 1에는 공간 광변조기(120)가 투과형 공간 광변조기인 것으로 도시되어 있지만 반사형 공간 광변조기를 사용하는 것도 가능하다. 투과형인 경우, 공간 광변조기(120)는 예를 들어 GaAs와 같은 화합물 반도체를 기반으로 한 반도체 변조기, 또는 LCD(liquid crystal device)를 사용할 수 있다. 반사형인 경우, 공간 광변조기(120)는, 예컨대 DMD(digital micromirror device), LCoS(liquid crystal on silicon), 또는 반도체 변조기를 사용할 수 있다.
영상 처리기(160)는 관찰자에게 제공할 홀로그램 영상에 따라 홀로그램 신호를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공하며, 광원(110)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 영상 처리기(160)는 제 1 및 제 2 광원(110L, 110R)의 점등 및 소등을 제어할 수 있다. 이러한 영상 처리기(160)는 소프트웨어를 이용하여 구현될 수도 있으며, 또는 그러한 소프트웨어의 기능이 내장되어 있는 반도체 칩의 형태로 구현될 수도 있다.
시선 추적기(170)는 카메라 등을 통해 관찰자의 영상을 얻고, 영상 내에서 관찰자의 동공을 검출하여 그 위치를 분석할 수 있다. 시선 추적기(170)는 관찰자의 동공 위치 변화를 실시간으로 추적하여 그 결과를 영상 처리기(160)에 제공할 수 있다. 그러면 영상 처리기(160)는 시선 추적기(170)로부터 제공 받은 관찰자의 동공 위치 정보에 응답하여 홀로그램 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 영상 처리기(160)는 관찰자의 위치 변화에 따른 시점 변화에 맞추어 홀로그램 신호를 생성하고 이를 공간 광변조기(120)에 제공할 수 있다. 또한, 영상 처리기(160)는 관찰자의 동공을 향해 조명광이 진행하도록 액추에이터(180)를 제어하여 제 1 및 제 2 광원(110L, 110R)의 위치를 변경할 수 있다.
한편, 포커싱 광학계(150)는 조명광이 공간 광변조기(120)에 의해 변조되어 형성된 재생광을 소정의 공간 상에 포커싱한다. 예를 들어, 포커싱 광학계(150)는 관찰자의 동공 위치에 재생광을 포커싱할 수 있다. 포커싱 광학계(150)에 의해 재생광이 공간 상에 포커싱됨으로써 공간 상에 홀로그램 영상이 형성될 수 있다.
포커싱 광학계(150)는 고정된 초점 거리를 갖는 고정 초점 광학계(140) 및 전기적 제어에 의해 초점 거리가 변화하는 가변 초점 광학계(130)를 포함할 수 있다. 가변 초점 광학계(130)는 관찰자와 홀로그래픽 디스플레이 장치(100) 사이의 거리 변화에 응답하여 초점 거리를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 관찰자가 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)로부터 멀어지고 있다는 정보를 시선 추적기(170)로부터 받으면, 가변 초점 광학계(130)는 초점 거리를 증가시킬 수 있다. 반대로, 관찰자가 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)에 가까워졌다는 정보를 받으면 가변 초점 광학계(130)는 초점 거리를 감소시킬 수 있다.
고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)로서 일반적인 굴절식 렌즈 요소를 사용하면 포커싱 광학계(150)의 부피가 커지게 된다. 그 결과, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)를 박형으로 제작하기가 어려워진다. 본 실시예에 따르면, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)의 두께를 감소시키기 위해, 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)로서 회절 렌즈 요소를 사용할 수 있다. 예를 들어, 가변 초점 광학계(130)는 액정 패널을 이용한 가변 초점 회절 렌즈 요소를 포함할 수 있다. 가변 초점 회절 렌즈 요소는 액정 패널을 투과하는 광의 위상을 조절함으로써 프레넬 렌즈와 같은 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 액정 패널 내의 액정이 동심원과 같은 기하학적인 위상 배열을 형성함으로써 가변 초점 회절 렌즈 요소가 렌즈의 역할을 하게 되며, 액정의 위상 배열 형태를 변화시킴으로써 초점 거리를 조절할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)가 모두 양의 굴절력을 가질 수 있다. 다시 말해, 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)가 모두 볼록 렌즈와 같은 역할을 할 수 있다. 회절 렌즈 요소를 투과하는 광의 회절 각도는 입사광의 파장 길이에 비례하기 때문에, 볼록 렌즈와 같은 작용을 하는 회절 렌즈 요소는 일반적으로 굴절식 렌즈와는 반대되는 색수차를 갖는다. 예를 들어, 도 2는 가변 초점 광학계(130)로서 사용된 양의 굴절력을 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제 1 파장을 갖는 광(L1), 제 1 파장보다 긴 제 2 파장을 갖는 광(L2), 및 제 2 파장보다 긴 제 3 파장을 갖는 광(L3)이 가변 초점 회절 렌즈 요소에 입사하면, 파장이 가장 긴 제 3 파장의 광(L3)이 가장 큰 각도로 회절되고 파장이 가장 짧은 제 1 파장의 광(L1)의 가장 작은 각도로 회절된다. 그러면, 광축(OX) 상에서 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)이 포커싱되는 위치가 달라지게 된다. 예를 들어, 적색광에 대한 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 거리가 가장 짧고 청색광에 대한 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 거리가 가장 길게 된다.
이러한 가변 초점 회절 렌즈 요소를 포함하는 가변 초점 광학계(130)의 색수차를 보상하기 위하여, 고정 초점 광학계(140)는 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)을 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3은 양의 굴절력을 갖는 고정 초점 광학계(140)의 구성과 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 고정 초점 광학계(140)는 제 1 파장의 광(L1)을 광축(OX) 상의 제 1 위치(P1)에 포커싱하는 제 1 렌즈셋(141), 제 2 파장의 광(L2)을 제 1 위치(P1)와 상이한 광축(OX) 상의 제 2 위치(P2)에 포커싱하는 제 2 렌즈셋(142), 및 제 3 파장의 광(L3)을 제 1 및 제 2 위치(P1, P2)와 상이한 광축(OX) 상의 제 3 위치(P3)에 포커싱하는 제 3 렌즈셋(143)을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 렌즈셋(141)은 제 2 및 제 3 파장의 광(L2, L3)을 회절 없이 통과시키며, 제 2 렌즈셋(142)은 제 1 및 제 3 파장의 광(L1, L3)을 회절 없이 통과시키고, 제 3 렌즈셋(143)은 제 1 및 제 2 파장의 광(L1, L2)을 회절 없이 통과시키도록 구성된다.
제 1 내지 제 3 위치(P1, P2, P3)는 가변 초점 광학계(130)의 색수차를 상쇄하도록 선택된다. 예를 들어, 제 3 파장의 광(L3)에 대한 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 거리가 가장 짧으므로 제 3 위치(P3)는 제 1 및 제 2 위치(P1, P2)와 비교하여 가변 초점 회절 렌즈 요소에 가장 가깝게 배치된다. 다시 말해, 광원(110)과 제 1 위치(P1) 사이의 거리는 광원(110)과 제 2 위치(P2) 사이의 거리보다 작고, 광원(110)과 제 2 위치(P2) 사이의 거리는 광원(110)과 제 3 위치(P3) 사이의 거리보다 작을 수 있다. 그리고, 광축(OX) 상에서 제 1 위치(P1)와 제 2 위치(P2) 사이의 간격은 제 1 파장의 광(L1)에 대한 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 거리와 제 2 파장의 광(L2)에 대한 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 거리 사이의 간격과 동일할 수 있다. 또한, 광축(OX) 상에서 제 2 위치(P2)와 제 3 위치(P3) 사이의 간격은 제 2 파장의 광(L2)에 대한 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 거리와 제 3 파장의 광(L3)에 대한 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 거리 사이의 간격과 동일할 수 있다.
이를 위해, 제 1 내지 제 3 렌즈셋(141, 142, 143)은 광축(OX) 상에서 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 광원(110)과 제 1 렌즈셋(141) 사이의 거리는 광원(110)과 제 2 렌즈셋(142) 사이의 거리보다 작고, 광원(110)과 제 2 렌즈셋(142) 사이의 거리는 광원(110)과 제 3 렌즈셋(143) 사이의 거리보다 작을 수 있다. 다시 말해, 조명광의 진행 방향을 따라 제 1 렌즈셋(141), 제 2 렌즈셋(142) 및 제 3 렌즈셋(143)이 차례로 배열될 수 있다.
제 1 파장의 광(L1)에 대한 제 1 렌즈셋(141)의 초점 거리, 제 2 파장의 광(L2)에 대한 제 2 렌즈셋(142)의 초점 거리, 및 제 3 파장의 광(L3)에 대한 제 3 렌즈셋(143)의 초점 거리는 동일할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제 1 내지 제 3 렌즈셋(141, 142, 143)의 광축(OX) 상의 구체적인 위치는 제 1 내지 제 3 위치(P1, P2, P3)와 제 1 내지 제 3 렌즈셋(141, 142, 143)의 초점 거리에 따라 결정될 수 있다. 제 1 파장의 광(L1)에 대한 제 1 렌즈셋(141)의 초점 거리, 제 2 파장의 광(L2)에 대한 제 2 렌즈셋(142)의 초점 거리, 및 제 3 파장의 광(L3)에 대한 제 3 렌즈셋(143)의 초점 거리는 동일한 경우, 제 1 렌즈셋(141)과 제 2 렌즈셋(142) 사이의 간격(d1)은 제 1 위치(P1)와 제 2 위치(P2) 사이의 간격과 동일할 수 있다. 또한, 제 2 렌즈셋(142)과 제 3 렌즈셋(143) 사이의 간격(d2)은 제 2 위치(P2)와 제 3 위치(P3) 사이의 간격과 동일할 수 있다.
제 1 내지 제 3 렌즈셋(141, 142, 143)이 각각 그에 대응하는 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)만을 포커싱할 수 있도록 하기 위하여, 제 1 내지 제 3 렌즈셋(141, 142, 143)은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 일 실시예에 따른 고정 초점 광학계(140)의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 제 1 렌즈셋(141)은 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(141a) 및 제 1 이방성 회절 렌즈 요소(141b)를 포함하고, 제 2 렌즈셋(142)은 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(142a) 및 제 2 이방성 회절 렌즈 요소(142b)를 포함하고, 제 3 렌즈셋(143)은 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(143a) 및 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(143b)를 포함할 수 있다. 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(141a), 제 1 이방성 회절 렌즈 요소(141b), 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(142a), 제 2 이방성 회절 렌즈 요소(142b), 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(143a), 및 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(143b)는 광원(110)으로부터 멀어지는 방향으로, 다시 말해 조명광의 진행 방향으로 광축(OX)을 따라 차례로 배열될 수 있다.
제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(141a)는 제 1 파장의 광(L1)이 제 1 선편광 성분을 갖고 제 2 및 제 3 파장의 광(L2, L3)이 제 1 선편광에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하도록 구성된다. 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(142a)는 제 2 파장의 광(L2)이 제 1 선편광 성분을 갖고 제 1 및 제 3 파장의 광(L1, L3)이 제 2 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하도록 구성된다. 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(143a)는 제 3 파장의 광(L3)이 제 1 선편광 성분을 갖고 제 1 및 제 2 파장의 광(L1, L2)이 제 2 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하도록 구성된다. 그리고, 제 1 내지 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(141b, 142b, 143b)는 제 1 선편광 성분의 광을 집속시키고 제 2 선편광 성분의 광을 굴절 없이 투과시키도록 구성된다.
그러면, 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(141a)를 투과한 광 중에서 제 1 파장의 광(L1)은 제 1 선편광 성분을 갖고 제 2 및 제 3 파장의 광(L2, L3)은 제 2 선편광 성분을 갖는다. 그리고, 제 1 선편광 성분을 갖는 제 1 파장의 광(L1)은 제 1 이방성 회절 렌즈 요소(141b)에 의해 회절되고, 제 2 선편광 성분을 갖는 제 2 및 제 3 파장의 광(L2, L3)은 회절 없이 제 1 이방성 회절 렌즈 요소(141b)를 그대로 투과한다. 이어서 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)은 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(142a)에 입사한다. 제 1 파장의 광(L1)은 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(142a)를 투과하면서 제 2 선편광 성분을 갖게 되며, 제 2 파장의 광(L2)은 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(142a)에 의해 제 1 선편광 성분을 갖게 된다. 따라서, 제 1 및 제 3 파장의 광(L1, L3)은 제 2 이방성 회절 렌즈 요소(142b)에 의해 회절되지 않고, 제 2 파장의 광(L2)만이 제 2 이방성 회절 렌즈 요소(142b)에 의해 회절된다. 다음으로, 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)은 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(143a)에 입사한다. 제 2 파장의 광(L2)은 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(143a)에 의해 제 2 선편광 성분을 갖게 되고, 제 3 파장의 광(L3)은 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(143a)에 의해 제 1 선편광 성분을 갖게 된다. 따라서, 제 1 및 제 2 파장의 광(L1, L2)은 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(143b)에 의해 회절되지 않고, 제 3 파장의 광(L3)만이 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(143b)에 의해 회절된다. 결과적으로, 고정 초점 광학계(140)에 의해 최종적으로 포커싱되는 광 중에서 제 1 및 제 2 파장의 광(L1, L2)은 제 2 선편광 성분을 갖고 제 3 파장의 광(L3)은 제 1 선편광 성분을 가질 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계(140)의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제 1 렌즈셋(141)은 입사광 중에서 제 2 선편광 성분만을 투과시키는 편광판(141c)을 더 포함할 수 있다. 편광판(141c)은 광 경로 상에서 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(141a)의 전면에 배치될 수 있다. 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(141a)는 입사광 중에서 제 1 파장의 광(L1)의 편광 방향을 90도 회전시키고 제 2 및 제 3 파장의 광(L2, L3)을 그대로 투과시키도록 구성된다. 따라서, 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(141a)를 투과한 광 중에서 제 1 파장의 광(L1)은 제 1 선편광 성분을 갖고 제 2 및 제 3 파장의 광(L2, L3)은 제 2 선편광 성분을 갖게 된다. 그러면 제 1 파장의 광(L1)만이 제 1 이방성 회절 렌즈 요소(141b)에 의해 회절된다.
또한, 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(142a)는 입사광 중에서 제 1 및 2 파장의 광(L1, L2)의 편광 방향을 90도 회전시키고 제 3 파장의 광(L3)을 그대로 투과시키도록 구성된다. 따라서, 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(142a)를 투과한 광 중에서 제 1 및 제 3 파장의 광(L1, L3)은 제 2 선편광 성분을 갖고 제 2 파장의 광(L2)은 제 1 선편광 성분을 갖게 된다. 그러면 제 2 파장의 광(L2)만이 제 2 이방성 회절 렌즈 요소(142b)에 의해 회절된다.
또한, 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(143a)는 입사광 중에서 제 2 및 3 파장의 광(L2, L3)의 편광 방향을 90도 회전시키고 제 1 파장의 광(L1)을 그대로 투과시키도록 구성된다. 따라서, 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(143a)를 투과한 광 중에서 제 1 및 제 2 파장의 광(L1, L2)은 제 2 선편광 성분을 갖고 제 3 파장의 광(L3)은 제 1 선편광 성분을 갖게 된다. 그러면 제 3 파장의 광(L3)만이 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(143b)에 의해 회절된다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계(140)의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제 3 렌즈셋(143)은 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)이 동일한 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하는 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자(143c)를 더 포함할 수 있다. 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자(143c)는 광 경로 상에서 광의 진행 방향을 따라 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(143b)의 다음에 배치된다. 도 6에 도시된 고정 초점 광학계(140)의 나머지 구성은 도 5에 도시된 고정 초점 광학계(140)의 구성과 동일할 수 있다. 예를 들어, 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자(143c)는 입사광 중에서 제 1 및 2 파장의 광(L1, L2)을 그대로 투과시키고 제 3 파장의 광(L3)의 편광 방향을 90도 회전시킬 수 있다. 그러면, 고정 초점 광학계(140)에 의해 최종적으로 포커싱되는 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)은 모두 제 2 선편광 성분을 가질 수 있다.
광의 선편광 특성 대신에 원편광 특성을 이용하여도 상술한 동작을 수행하는 고정 초점 광학계(140)를 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 7은 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계(140)의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제 1 렌즈셋(141)은 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(241a) 및 제 1 이방성 회절 렌즈 요소(241b)를 포함하고, 제 2 렌즈셋(142)은 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(242a) 및 제 2 이방성 회절 렌즈 요소(242b)를 포함하고, 제 3 렌즈셋(143)은 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(243a) 및 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(243b)를 포함할 수 있다.
제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(241a)는 제 1 파장의 광(L1)이 제 1 원편광 성분(예컨대, 우원편광 성분)을 갖고 제 2 및 제 3 파장의 광(L2, L3)이 제 1 원편광에 반대인 제 2 원편광 성분(예컨대, 좌원편광 성분)을 갖도록 입사광의 편광을 변환하도록 구성된다. 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(242a)는 제 2 파장의 광(L2)이 제 1 원편광 성분을 갖고 제 1 및 제 3 파장의 광(L1, L3)이 제 2 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하도록 구성된다. 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(243a)는 제 3 파장의 광(L3)이 제 1 원편광 성분을 갖고 제 1 및 제 2 파장의 광(L1, L2)이 제 2 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하도록 구성된다. 그리고, 제 1 내지 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(241b, 242b, 243b)는 제 1 원편광 성분의 광을 회절시켜 집속하고 제 2 원편광 성분의 광을 굴절 없이 그대로 투과시키도록 구성된다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 광학계(140)의 구성과 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 제 1 렌즈셋(141)은 입사광 중에서 제 2 원편광 성분(예컨대, 좌원편광 성분)만을 투과시키는 편광판(241c)을 더 포함할 수 있다. 이러한 편광판(241c)은 광 경로 상에서 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(241a)의 전면에 배치될 수 있다. 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(241a)는 입사광 중에서 제 1 파장의 광(L1)의 편광 방향을 반대 방향으로 회전시키고 제 2 및 제 3 파장의 광(L2, L3)을 그대로 투과시키도록 구성된다. 따라서, 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자(241a)를 투과한 광 중에서 제 1 파장의 광(L1)은 제 1 원편광 성분을 갖고 제 2 및 제 3 파장의 광(L2, L3)은 제 2 원편광 성분을 갖게 된다. 그러면 제 1 파장의 광(L1)만이 제 1 이방성 회절 렌즈 요소(241b)에 의해 회절되어 집광된다.
또한, 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(242a)는 입사광 중에서 제 1 및 2 파장의 광(L1, L2)의 편광 방향을 반대 방향으로 회전시키고 제 3 파장의 광(L3)을 그대로 투과시키도록 구성된다. 따라서, 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자(242a)를 투과한 광 중에서 제 1 및 제 3 파장의 광(L1, L3)은 제 2 원편광 성분을 갖고 제 2 파장의 광(L2)은 제 1 원편광 성분을 갖게 된다. 그러면 제 2 파장의 광(L2)만이 제 2 이방성 회절 렌즈 요소(242b)에 의해 회절되어 집광된다.
제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(243a)는 입사광 중에서 제 2 및 3 파장의 광(L2, L3)의 편광 방향을 반대 방향으로 회전시키고 제 1 파장의 광(L1)을 그대로 투과시키도록 구성된다. 따라서, 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자(243a)를 투과한 광 중에서 제 1 및 제 2 파장의 광(L1, L2)은 제 2 원편광 성분을 갖고 제 3 파장의 광(L3)은 제 1 원편광 성분을 갖게 된다. 그러면 제 3 파장의 광(L3)만이 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(243b)에 의해 회절된다.
또한, 도 8을 참조하면, 제 3 렌즈셋(143)은 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)이 동일한 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하는 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자(243c)를 더 포함할 수 있다. 이러한 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자(243c)는 광 경로 상에서 광의 진행 방향을 따라 제 3 이방성 회절 렌즈 요소(243b)의 다음에 배치된다. 예를 들어, 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자(243c)는 입사광 중에서 제 1 및 2 파장의 광(L1, L2)을 그대로 투과시키고 제 3 파장의 광(L3)의 편광 방향을 반대 방향으로 회전시킬 수 있다. 그러면, 고정 초점 광학계(140)에 의해 최종적으로 포커싱되는 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)은 모두 제 2 원편광 성분을 가질 수 있다.
도 9는 상술한 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)의 조합에 의한 색수차 저감을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 고정 초점 광학계(140)에 의해 제 1 파장의 광(L1)은 광축(OX) 상의 제 1 위치(P1)에 포커싱되며, 제 2 파장의 광(L2)은 광축(OX) 상의 제 2 위치(P2)에 포커싱되고, 제 3 파장의 광(L3)은 광축(OX) 상의 제 3 위치(P3)에 포커싱된다. 고정 초점 광학계(140)와 제 1 위치(P1) 사이의 거리는 고정 초점 광학계(140)와 제 2 위치(P2) 사이의 거리보다 작고, 고정 초점 광학계(140)와 제 2 위치(P2) 사이의 거리는 고정 초점 광학계(140)와 제 3 위치(P3) 사이의 거리보다 작다.
반면, 도 2에서 살펴본 바와 같이, 양의 굴절력을 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소를 포함하는 가변 초점 광학계(130)는 제 3 파장의 광(L3)에 대해 초점 거리가 가장 짧고 제 1 파장의 광(L1)에 대해 초점 거리가 가장 길다. 따라서, 제 1 내지 제 3 위치(P1, P2, P3)가 가변 초점 광학계(130)의 색수차와 거의 반대가 되도록 고정 초점 광학계(140)를 구성하면, 가변 초점 광학계(130)의 색수차가 고정 초점 광학계(140)에 의해 상쇄될 수 있다. 예를 들어, 제 1 위치(P1)와 제 2 위치(P2) 사이의 간격은 가변 초점 광학계(130)의 제 1 파장의 광(L1)에 대한 초점 거리와 제 2 파장의 광(L2)에 대한 초점 거리 사이의 간격과 동일할 수 있으며, 제 2 위치(P2)와 제 3 위치(P3) 사이의 간격은 가변 초점 광학계(130)의 제 2 파장의 광(L2)에 대한 초점 거리와 제 3 파장의 광(L3)에 대한 초점 거리 사이의 간격과 동일할 수 있다. 그러면, 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)를 포함하는 포커싱 광학계(150)는 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)을 색수차 없이 제 4 위치(P4)에 포커싱할 수 있다.
한편, 가변 초점 광학계(130)는 관찰자의 위치에 따라 초점 거리가 변하며, 초점 거리가 변하면 색수차의 정도도 변하게 된다. 반면, 고정 초점 광학계(140)의 초점 거리는 항상 고정되어 있다. 그 결과, 가변 초점 광학계(130)의 초점 거리에 따라 색수차가 완전히 상쇄될 수도 있고 또는 색수차가 부족 보상되거나 과보상될 수도 있다. 예를 들어, 도 10은 가변 초점 광학계(130)의 초점 거리 변화에 따른 색수차의 변화를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 10을 참조하면, 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)를 포함하는 포커싱 광학계(150)의 전체 초점 거리가 F1일 때 가변 초점 광학계(130)의 색수차가 완전히 상쇄되어 있다. 그리고, 포커싱 광학계(150)의 초점 거리가 F2로 짧아지면 가변 초점 광학계(130)의 색수차가 부족 보상되며, 포커싱 광학계(150)의 초점 거리가 F3으로 길어지면 가변 초점 광학계(130)의 색수차가 과보상된다.
그러나, 초점 거리 F2와 F3에서 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)들의 초점 위치들 사이의 차이가 충분히 작다면 관찰자가 색수차를 감지하지 못할 수 있다. 예를 들어, 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)들의 초점 위치들 사이의 차이가 허용 착란원(permissible circle of confusion)의 직경보다 작다면 색수차가 충분히 상쇄되었다고 볼 수 있다. 따라서, 제 1 내지 제 3 위치(P1, P2, P3)는 가변 초점 회절 렌즈 요소를 포함하는 가변 초점 광학계(130)의 초점 조절 구간 내에서 색수차를 허용 착란원의 직경 이내로 상쇄하도록 선택될 수 있다. 또는, 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)를 포함하는 포커싱 광학계(150)의 색수차가 허용 착란원의 직경 이내인 구간을 가변 초점 광학계(130)의 초점 조절 구간으로 선택할 수도 있다.
지금까지, 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)가 모두 양의 굴절력을 갖고, 하나의 가변 초점 회절 렌즈 요소를 갖는 가변 초점 광학계(130)의 색수차를 다수의 회절 렌즈 요소를 갖는 고정 초점 광학계(140)로 보상하는 구성에 대해 설명하였다. 그러나, 다른 실시예에서, 고정 초점 광학계(140)는 하나의 고정 초점 회절 렌즈 요소만을 포함할 수도 있다. 이 경우, 양의 굴절력을 갖는 고정 초점 광학계(140)의 색수차를 음의 굴절력을 갖는 가변 초점 광학계(130)로 보상하는 것이 가능하다.
예를 들어, 도 11은 고정 초점 광학계(140)로서 사용된 양의 굴절력을 갖는 고정 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)이 고정 초점 회절 렌즈 요소에 입사하면, 파장이 가장 긴 제 3 파장의 광(L3)이 가장 큰 각도로 회절되고 파장이 가장 짧은 제 1 파장의 광(L1)의 가장 작은 각도로 회절된다. 그러면, 광축(OX) 상에서 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)이 포커싱되는 위치가 달라지게 된다. 예컨대, 파장이 가장 긴 제 3 파장의 광(L3)은 고정 초점 광학계(140)로부터 가장 가까운 광축(OX) 상의 제 1 위치(P11)에 포커싱되고, 제 2 파장의 광(L2)은 광축(OX) 상의 제 2 위치(P12)에 포커싱되고, 파장이 가장 짧은 제 1 파장의 광(L1)은 고정 초점 광학계(140)로부터 가장 먼 광축(OX) 상의 제 3 위치(P13)에 포커싱된다. 다시 말해, 제 1 파장의 광(L1)에 대한 고정 초점 광학계(140)의 초점 거리는 제 2 파장의 광(L2)에 대한 고정 초점 광학계(140)의 초점 거리보가 길고, 제 2 파장의 광(L2)에 대한 고정 초점 광학계(140)의 초점 거리는 제 3 파장의 광(L3)에 대한 고정 초점 광학계(140)의 초점 거리보가 길다.
이러한 고정 초점 회절 렌즈 요소를 포함하는 고정 초점 광학계(140)의 색수차를 보상하기 위하여, 가변 초점 광학계(130)는 음의 굴절력을 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소를 포함할 수 있다. 이러한 가변 초점 회절 렌즈 요소는 고정 초점 광학계(140)의 고정 초점 회절 렌즈 요소의 색수차와 반대되는 색수차를 갖도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 12는 가변 초점 광학계(130)로서 사용된 음의 굴절력을 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 예시적으로 보이는 단면도이다. 가변 초점 회절 렌즈 요소가 음의 굴절력을 갖기 때문에 가변 초점 회절 렌즈 요소를 투과하는 광은 발산하게 된다. 파장이 가장 짧은 제 1 파장의 광(L1)이 가장 작은 각도로 발산하며 파장이 가장 긴 제 3 파장의 광(L3)이 가장 큰 각도로 발산한다. 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)의 진행 방향에 반대쪽으로 광선들을 연장하면, 가변 초점 광학계(130)의 전면 방향으로 광축(OX) 상에서 광선들의 연장선들이 모이게 된다. 이렇게 광선의 연장선들이 모이는 점은 가변 초점 광학계(130)의 허초점이 된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제 1 파장의 광(L1)의 연장선(L1')은 제 1 위치(P21)에 모이고, 제 2 파장의 광(L2)의 연장선(L2')은 제 2 위치(P22)에 모이고, 제 3 파장의 광(L3)의 연장선(L3')은 제 3 위치(P23)에 모이게 된다. 가변 초점 광학계(130)로부터 제 1 위치(P21)까지의 거리는 가변 초점 광학계(130)로부터 제 2 위치(P22)까지의 거리보다 가깝고, 가변 초점 광학계(130)로부터 제 2 위치(P22)까지의 거리는 가변 초점 광학계(130)로부터 제 3 위치(P23)까지의 거리보다 가깝다. 이러한 가변 초점 광학계(130)의 허초점의 위치들을 적절히 선택하면, 가변 초점 광학계(130)의 초점 조절 구간 내에서 고정 초점 광학계(140)의 색수차를 상쇄할 수 있다.
예를 들어, 도 13은 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)의 조합에 의한 색수차 저감을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 13을 참조하면, 고정 초점 광학계(140)에 의해 제 1 파장의 광(L1)은 광축(OX) 상의 제 3 위치(P13)에 포커싱되며, 제 2 파장의 광(L2)은 광축(OX) 상의 제 2 위치(P12)에 포커싱되고, 제 3 파장의 광(L3)은 광축(OX) 상의 제 1 위치(P11)에 포커싱된다. 고정 초점 광학계(140)와 제 1 위치(P11) 사이의 거리는 고정 초점 광학계(140)와 제 2 위치(P12) 사이의 거리보다 작고, 고정 초점 광학계(140)와 제 2 위치(P12) 사이의 거리는 고정 초점 광학계(140)와 제 3 위치(P13) 사이의 거리보다 작다.
반면, 음의 굴절력을 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소를 포함하는 가변 초점 광학계(130)는 파장이 가장 짧은 제 1 파장의 광(L1)을 가장 작은 각도로 발산시키며 파장이 가장 긴 제 3 파장의 광(L3)을 가장 큰 각도로 발산시킨다. 따라서, 고정 초점 광학계(140)의 색수차와 가변 초점 광학계(130)의 색수차가 서로 반대가 된다. 그러면 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)를 포함하는 포커싱 광학계(150)는 제 3 위치(P13)보다 더 먼 광축 상의 제 4 위치(P14)에서 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)을 색수차 없이 포커싱할 수 있다.
또한, 관찰자의 위치 정보에 응답하여 가변 초점 광학계(130)가 허초점 위치들을 변화시키면, 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)를 포함하는 포커싱 광학계(150)의 초점 위치도 변하게 된다. 이에 따라 포커싱 광학계(150)의 전체적인 색수차의 정도도 변하게 된다. 따라서, 가변 초점 광학계(130)는 제 1 내지 제 3 파장의 광(L1, L2, L3)에 대한 허초점 위치들의 차이를 초점 거리에 따라 조절함으로써 초점 조절 구간 내에서 포커싱 광학계(150)의 전체적인 색수차를 허용 착란원의 직경 이내로 상쇄하도록 구성될 수 있다. 또는, 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)를 포함하는 포커싱 광학계(150)의 색수차가 허용 착란원의 직경 이내인 구간을 가변 초점 광학계(130)의 초점 조절 구간으로 선택할 수도 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 구성도이다. 도 14를 참조하면, 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(200)는 광을 제공하는 광원(110), 입사광을 변조하여 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴을 형성하는 공간 광변조기(120), 홀로그램 영상을 공간 상에 포커싱하는 포커싱 광학계(150), 재생할 홀로그램 영상에 따라 홀로그램 신호를 생성하여 공간 광변조기(120)에 제공하는 영상 처리기(160), 광원(110)에서 방출된 광을 공간 광변조기(120)로 전달하는 조명 광학계(210), 및 관찰자의 동공 위치를 추적하는 시선 추적기(170)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(200)는, 좌안용 제 1 광원과 우안용 제 2 광원을 포함하지 않고, 조명 광학계(110)를 이용해 하나의 광원(110)으로 좌안용 홀로그램 영상과 우안용 홀로그램 영상을 제공할 수 있다. 이를 위해 조명 광학계(210)는 광원(110)으로부터 입사하는 광을 분할하여 각각 좌안 방향과 우안 방향으로 진행시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 조명 광학계(210)는 입력 커플러(212)와 출력 커플러(213)를 갖는 투명한 도광판(211) 및 광원(110)으로부터 방출된 광을 입력 커플러(212)에 제공하는 빔 편향기(214)를 포함할 수 있다.
빔 편향기(214)는 입사광을 회절시켜 서로 다른 각도로 진행하는 2개의 광빔을 만드는 액정 편향기일 수 있다. 2개의 광빔은 입력 커플러(212)에 서로 다른 각도로 입사하게 되며, 도광판(211)의 내부에서도 서로 다른 각도로 진행하게 된다. 그 결과, 출력 커플러(213)를 통해 출사하는 2개의 광빔의 출사각도 역시 서로 다르게 된다. 2개의 광빔은 포커싱 광학계(150)와 공간 광변조기(120)를 거친 후, 최종적으로 관찰자의 좌안과 우안으로 각각 진행할 수 있다. 또한, 빔 편향기(214)는 시선 추적기(170)로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치 정보에 응답하여 입력 커플러(212)에 입사하는 2개의 광빔의 입사각을 조절할 수 있다.
포커싱 광학계(150)는 고정된 초점 거리를 갖는 고정 초점 광학계(140) 및 전기적 제어에 의해 초점 거리가 변화하는 가변 초점 광학계(130)를 포함할 수 있다. 고정 초점 광학계(140)와 가변 초점 광학계(130)의 구성과 동작은 도 2 내지 도 13에서 이미 설명한 것과 동일할 수 있다.
상술한 저감된 색수차를 갖는 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. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200.....홀로그래픽 디스플레이 장치
110.....광원 120.....공간 광변조기
130.....가변 초점 광학계 140.....고정 초점 광학계
141, 142, 143.....렌즈셋
141a, 142a, 143a, 143c.....파장 선택성 편광 변환 소자
241a, 242a, 243a, 243c.....파장 선택성 편광 변환 소자
141b, 142b, 143b, 241b, 242b, 243b.....회절 렌즈 요소
141c, 241c.....편광판 150.....포커싱 광학계
160.....영상 처리기 170.....시선 추적기
180.....액추에이터 210.....조명 광학계
211.....도광판 212.....입력 커플러
213.....출력 커플러 214.....빔 편향기
110.....광원 120.....공간 광변조기
130.....가변 초점 광학계 140.....고정 초점 광학계
141, 142, 143.....렌즈셋
141a, 142a, 143a, 143c.....파장 선택성 편광 변환 소자
241a, 242a, 243a, 243c.....파장 선택성 편광 변환 소자
141b, 142b, 143b, 241b, 242b, 243b.....회절 렌즈 요소
141c, 241c.....편광판 150.....포커싱 광학계
160.....영상 처리기 170.....시선 추적기
180.....액추에이터 210.....조명 광학계
211.....도광판 212.....입력 커플러
213.....출력 커플러 214.....빔 편향기
Claims (23)
- 광을 제공하는 광원;
입사광을 변조하여 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴을 형성하는 공간 광변조기; 및
홀로그램 영상을 공간 상에 포커싱하는 포커싱 광학계;를 포함하며,
상기 포커싱 광학계는:
고정된 초점 거리를 갖는 고정 초점 광학계; 및
초점 거리가 전기적 제어에 의해 변화하는 가변 초점 광학계;를 포함하고,
상기 고정 초점 광학계는 서로 다른 제 1 파장 내지 제 3 파장의 광을 하나의 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱하여 상기 가변 초점 광학계의 색수차를 상쇄하도록 구성되며,
상기 고정 초점 광학계는:
제 1 파장의 광을 광축 상의 제 1 위치에 포커싱하는 제 1 렌즈셋;
제 2 파장의 광을 제 1 위치와 상이한 광축 상의 제 2 위치에 포커싱하는 제 2 렌즈셋; 및
제 3 파장의 광을 제 1 및 제 2 위치와 상이한 광축 상의 제 3 위치에 포커싱하는 제 3 렌즈셋;을 포함하며,
상기 제 1 렌즈셋, 제 2 렌즈셋, 및 제 3 렌즈셋은 상기 하나의 광축 상에서 광의 진행 방향을 따라 차례로 배열되어 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 고정 초점 광학계와 상기 가변 초점 광학계가 모두 양의 굴절력을 갖는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 삭제
- 제 2 항에 있어서,
상기 광원과 상기 제 1 위치 사이의 거리는 상기 광원과 상기 제 2 위치 사이의 거리보다 작고, 상기 광원과 상기 제 2 위치 사이의 거리는 상기 광원과 상기 제 3 위치 사이의 거리보다 작으며,
상기 제 3 파장은 상기 제 2 파장보다 길며 상기 제 2 파장은 상기 제 1 파장보다 긴 홀로그래픽 디스플레이 장치 - 제 4 항에 있어서,
상기 광원과 상기 제 1 렌즈셋 사이의 거리는 상기 광원과 상기 제 2 렌즈셋 사이의 거리보다 작고, 상기 광원과 상기 제 2 렌즈셋 사이의 거리는 상기 광원과 상기 제 3 렌즈셋 사이의 거리보다 작은 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 가변 초점 광학계는 제 1 파장의 광에 대해 제 1 초점 길이를 갖고 제 2 파장의 광에 대해 제 2 초점 길이를 갖고 제 3 파장의 광에 대해 제 3 초점 길이를 갖는 가변 초점 회절 렌즈 요소를 포함하며,
상기 제 1 초점 길이는 제 2 초점 길이보다 길고, 상기 제 2 초점 길이는 제 3 초점 길이보다 긴 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 위치는 상기 가변 초점 회절 렌즈 요소의 초점 조절 구간 내에서 상기 가변 초점 회절 렌즈 요소의 색수차를 상쇄하도록 선택되는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈셋은 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자 및 제 1 이방성 회절 렌즈 요소를 포함하고,
상기 제 2 렌즈셋은 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자 및 제 2 이방성 회절 렌즈 요소를 포함하고,
상기 제 3 렌즈셋은 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자 및 제 3 이방성 회절 렌즈 요소를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자, 제 1 이방성 회절 렌즈 요소, 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자, 제 2 이방성 회절 렌즈 요소, 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자, 및 제 3 이방성 회절 렌즈 요소는 상기 광원으로부터 멀어지는 방향으로 광축을 따라 차례로 배열되어 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 1 파장의 광이 제 1 선편광 성분을 갖고 제 2 및 제 3 파장의 광이 제 1 선편광에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하고,
상기 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 2 파장의 광이 제 1 선편광 성분을 갖고 제 1 및 제 3 파장의 광이 제 2 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하고,
상기 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 3 파장의 광이 제 1 선편광 성분을 갖고 제 1 및 제 2 파장의 광이 제 2 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 이방성 회절 렌즈 요소는 제 1 선편광 성분의 광을 집속시키고 제 2 선편광 성분의 광을 굴절 없이 투과시키도록 구성되는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 고정 초점 광학계는 제 1 내지 제 3 파장의 광이 동일한 선편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하는 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 1 파장의 광이 제 1 원편광 성분을 갖고 제 2 및 제 3 파장의 광이 제 1 원편광에 반대 방향인 제 2 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하고,
상기 제 2 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 2 파장의 광이 제 1 원편광 성분을 갖고 제 1 및 제 3 파장의 광이 제 2 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하고,
상기 제 3 파장 선택성 편광 변환 소자는 제 3 파장의 광이 제 1 원편광 성분을 갖고 제 1 및 제 2 파장의 광이 제 2 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 이방성 회절 렌즈 요소는 제 1 원편광 성분의 광을 집속시키고 제 2 원편광 성분의 광을 굴절 없이 투과시키도록 구성되는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 고정 초점 광학계는 제 1 내지 제 3 파장의 광이 동일한 원편광 성분을 갖도록 입사광의 편광을 변환하는 제 4 파장 선택성 편광 변환 소자를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
관찰자의 동공 위치를 추적하는 시선 추적기를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 19 항에 있어서,
상기 광원은 제 1 시점을 갖는 제 1 홀로그램 영상을 위한 제 1 광원 및 상기 제 1 시점과 상이한 제 2 시점을 갖는 제 2 홀로그램 영상을 위한 제 2 광원을 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 광을 제공하는 광원;
입사광을 변조하여 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴을 형성하는 공간 광변조기;
홀로그램 영상을 공간 상에 포커싱하는 포커싱 광학계; 및
관찰자의 동공 위치를 추적하는 시선 추적기;를 포함하며,
상기 포커싱 광학계는:
고정된 초점 거리를 갖는 고정 초점 광학계; 및
초점 거리가 전기적 제어에 의해 변화하는 가변 초점 광학계;를 포함하고,
상기 고정 초점 광학계는 서로 다른 제 1 파장 내지 제 3 파장의 광을 하나의 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱하여 상기 가변 초점 광학계의 색수차를 상쇄하도록 구성되며,
상기 광원은 제 1 시점을 갖는 제 1 홀로그램 영상을 위한 제 1 광원 및 상기 제 1 시점과 상이한 제 2 시점을 갖는 제 2 홀로그램 영상을 위한 제 2 광원을 포함하고,
상기 시선 추적기로부터 제공된 관찰자의 동공 위치에 응답하여 상기 제 1 광원 및 제 2 광원의 위치를 조절하는 액추에이터를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 19 항에 있어서,
상기 광원에서 방출된 광을 상기 공간 광변조기로 전달하는 조명 광학계를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 광을 제공하는 광원;
입사광을 변조하여 홀로그램 영상을 재생하기 위한 홀로그램 패턴을 형성하는 공간 광변조기;
상기 광원에서 방출된 광을 상기 공간 광변조기로 전달하는 조명 광학계;
홀로그램 영상을 공간 상에 포커싱하는 포커싱 광학계; 및
관찰자의 동공 위치를 추적하는 시선 추적기;를 포함하며,
상기 포커싱 광학계는:
고정된 초점 거리를 갖는 고정 초점 광학계; 및
초점 거리가 전기적 제어에 의해 변화하는 가변 초점 광학계;를 포함하고,
상기 고정 초점 광학계는 서로 다른 제 1 파장 내지 제 3 파장의 광을 하나의 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱하여 상기 가변 초점 광학계의 색수차를 상쇄하도록 구성되며,
상기 조명 광학계는, 입력 커플러와 출력 커플러를 갖는 도광판 및 상기 광원으로부터 방출된 광을 상기 입력 커플러에 제공하는 빔 편향기를 포함하며,
상기 빔 편향기는 상기 시선 추적기로부터 제공된 관찰자의 동공 위치 정보에 응답하여 상기 입력 커플러에 입사하는 광의 입사각을 조절하도록 구성된 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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