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KR101876944B1 - 관찰자 트래킹을 위한 조합된 광변조 장치 - Google Patents

관찰자 트래킹을 위한 조합된 광변조 장치 Download PDF

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Publication number
KR101876944B1
KR101876944B1 KR1020137019358A KR20137019358A KR101876944B1 KR 101876944 B1 KR101876944 B1 KR 101876944B1 KR 1020137019358 A KR1020137019358 A KR 1020137019358A KR 20137019358 A KR20137019358 A KR 20137019358A KR 101876944 B1 KR101876944 B1 KR 101876944B1
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KR
South Korea
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light
grating
sensing means
optical
light source
Prior art date
Application number
KR1020137019358A
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English (en)
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KR20130129256A (ko
Inventor
보 크롤
제널드 퓌터러
노르베르트 리스터
슈테판 라이켈드
랄프 호이슬러
Original Assignee
시리얼 테크놀로지즈 에스.에이.
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Filing date
Publication date
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Application filed by 시리얼 테크놀로지즈 에스.에이. filed Critical 시리얼 테크놀로지즈 에스.에이.
Publication of KR20130129256A publication Critical patent/KR20130129256A/ko
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Abstract

다양한 시야 각도에서 3D 장면을 편안하게 보기 위해 관찰자 거리가 가변적일 때 넓은 트래킹 범위를 갖는 디스플레이를 필요로 한다. 제어 가능한 광 감응 수단(500)은 관찰자 범위에서 광을 대략적(coarse) 스텝으로 편향한다. 이러한 단계 내에서 광은 다른 제어 가능한 광 감응 수단(600)에 의해 미세 등급화하여 또는 연속해서 편향된다. 광변조 장치는 홀로그래픽 또는 무안경 입체 영상 디스플레이에서 관찰자 눈(1100)을 따라 디스플레이될 이미지 정보의 가시 범위(1000)를 트래킹 하는데 적합하다.

Description

관찰자 트래킹을 위한 조합된 광변조 장치{COMBINED LIGHT MODULATION DEVICE FOR TRACKING USERS}
본 발명은 관찰자 트래킹을 포함하는 홀로그래픽 또는 무안경 입체 영상 디스플레이를 위한 조합된 광변조 장치에 관한 것이다. 조합된 광변조 장치란 본 발명과 관련해서 하나 이상의 실제 또는 가상 광원에서 방사되는 광의 특성 및/또는 방향을 다단계 과정으로 변경하는 장치이다.
가상 광원은 어떤 위치에서 일반적으로 고정형 영상화 수단, 예컨대 거울 및/또는 빔 제한 수단, 예컨대 애퍼처를 통한 실제 광원의 광 작용에 의한 것처럼 보이는 광원이다.
홀로그래픽 디스플레이는 본 명세서와 관련해서, 표시될 장면의 3차원 객체 데이터가 재구성될 장면의 회절 패턴으로서 입력되는 3차원 디스플레이 장치이다. 고품질의 넓은 가시 범위에서 3차원 장면을 재구성하기 위해서는 컴퓨터 연산 프로세스와 고해상도 광변조기가 필요하다.
출원인은 특허공보 DE 103 53 439 B4호에서 관찰자의 동공의 직경보다 약간 큰 직경을 가진 작은 가시 범위에 대해서만 파면을 계산하는 방법을 제안하였다. 이로써 재구성될 각각의 객체 지점들은 광변조기의 작은 범위에서만 각각 서브 홀로그램으로 코딩되어야 한다.
또한, 적어도 하나의 광원의 충분한 간섭 광으로 적어도 하나의 광변조기가 조명되고, 상기 광은 대물 렌즈에 의해 적어도 하나의 관찰자 눈에 이미지화된다. 광변조기와 동기화된 적어도 하나의 다른 광원의 상호 접속에 의해 해당 홀로그램 또는 서브 홀로그램이 광변조기로 인코딩됨으로써 제 2 관찰차 눈을 위한 3차원 장면의 재구성이 이루어질 수 있다. 컬러 표시는 개별 컬러 성분에 대한 홀로그램 정보의 공간 또는 시간적 인터리빙(다중화)에 의해 가능하다. 관찰자가 디스플레이 앞에서 자유롭게 이동할 수 있도록, 다른 광원이 별도로 활성화함으로써 포커스 영역이 관찰자 눈을 따라 트래킹된다. 이를 위해 위치 검출 시스템에 의해 하나 이상의 관찰자의 눈 좌표가 항상 검출된다.
회절 패턴을 다시 계산함으로써 새로운 관찰자 위치에 맞게 장면의 재구성이 조정될 수 있다. 추가 인터리빙(interleaving)에 의해 다수의 관찰자를 위한 재구성도 표시될 수 있다.
또한, 광 경로를 따라 관찰자를 트래킹하기 위해 포커싱 유닛의 초점면 및 가시 범위의 크기를 관찰자의 눈 위치에 맞게 조정하는 것이 바람직하다.
관찰자 트래킹을 포함하는 무안경 입체 영상 디스플레이(autostereoscopic display; ASD)의 경우에 광변조기에서 회절 패턴이 코딩되는 것이 아니라 각각의 눈에 대한 장면이 직접 입력된다.
관찰자 트래킹은 예컨대 광원의 직접 또는 간접적 변위에 의해 이루어질 수 있다. 간접적인 변위에 대한 공지된 예는 편향 거울이다.
관찰자 트래킹의 많은 다른 방법들이 공지되어 있다. 이러한 관찰자 트래킹은 홀로그램 코딩 또는 입체 표시를 위해 이용되는 광변조기 전방 또는 후방의 광 경로에서 이루어질 수 있다. 기계적인 방법 외에도 적응형 광학 수단을 이용한 반사, 회절 또는 굴절 특성의 변경에 의한 방법도 공지되어 있다.
고정 또는 광 편향 수단의 표면을 따라 가변적인 광 편향 기능을 이용하는 조합된 트래킹 변형예도 공지되어 있다.
출원인의 특허출원 10 2008 054 438 A1호에는 관찰자 트래킹을 위해 전기 제어될 수 있는 액체 셀로 이루어진 매트릭스가 공지되어 있고, 이 경우 예를 들어 대물 렌즈 기능을 구현하고 또는 지원하기 위해, 액체 셀은 추가로 고정된, 그러나 매트릭스의 표면을 따라 변하는 광 편향 수단을 포함한다. 이러한 광 편향 수단은 예를 들어 프리즘 또는 렌즈 같은 굴절 소자 또는 볼륨 격자 또는 블레이즈 격자 같은 회절 소자를 포함할 수 있고, 격자는 제공되는 파장에 최적화된다.
여기에서 그 공개 내용 전체를 포함하고 있는 출원인의 특허출원 10 2009 028 626 A1호에는 관찰자 트래킹을 위해 제어 가능한 회절 격자를 이용하는 것이 공지되어 있다.
더 큰 편향 각도를 달성하기 위해, 상기 격자들은 동일한 편향 방향으로 차례로 배치될 수 있다. 2차원 편향을 위해 정해진 각도만큼 서로 회전되어 제어될 수 있는 적어도 2개의 편향 격자는 직렬로 접속될 수도 있다. 회절 격자는, 대물 렌즈 기능을 하거나 또는 지원하기 위해, 편향 유닛의 표면 위에서 입력된 격자 주기의 변형에 의해 위치에 따라 다양하게 편향을 실시할 수 있다.
가변적인 격자 주기를 갖는 제어 가능한 편향 격자의 경우에, 소정의 회절 각도를 설정하기 위해 공간 해상도에 따라 최소 설정 가능한 주기가 제공될 수 있고, 편향 격자는 상기 주기에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어 그리드 형태의 전극 구조를 이용하여 주기가 설정되는 경우에, 제조로 인해 전극의 너비와 간격에 대한 제한이 발생한다. 또한, 포유 전계 또는 예컨대 편향 격자의 산란 또는 회절 소자에 의해 설정된 인접한 위상값들 사이에서 크로스톡(crosstalk)이 나타난다. 또한, 이는 회절 효과를 감소시켜 간섭 산란광을 야기하거나 또는 더 높은 회절 차수의 광을 야기한다.
그리드 형태로 형성된 회절 구조의 경우에 회절 각도는 회절 구조의 주기성에 대해 반비례하기 때문에, 설정 가능한 전극 간격에 의해 개별 회절 유닛의 조절 가능한 각도 범위와 트래킹 범위가 제한된다.
그러나, 다양한 시야각으로 3D 장면의 편리한 조망을 위해서는 관찰자 거리가 가변적일 때 큰 트래킹 범위를 갖는 디스플레이가 필요하다.
본 발명의 과제는 편향 소자의 회절각의 제한에도 불구하고 상기 소자에 의해 달성될 수 있는 회절각보다 큰 트래킹 범위를 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 청구범위 제 1 항의 특징에 의해 해결된다.
적어도 하나의 실제 또는 가상의 광원, 적어도 한 관찰자의 적어도 하나의 관찰자 눈을 위해 디스플레이될 이미지 정보를 인코딩하기 위한 적어도 하나의 광변조기, 광원으로부터 방사된 광의 광 경로를 변경하기 위한 제 1 및 제 2 광 감응 수단, 이미지 정보의 적어도 한 관찰자의 적어도 하나의 눈 위치를 검출하고 추적하기 위한 눈 위치 검출 시스템 및, 제 1 및 제 2 광 감응 수단을 이용해서 눈 위치 검출 시스템으로부터 제공된 눈 위치 데이터를 참고로 이미지 정보의 적어도 하나의 가시 범위를 트래킹하기 위한 시스템 제어부를 포함하는 3차원 이미지 정보를 표시하기 위한 홀로그래픽 또는 무안경 입체 영상 디스플레이를 위한 광변조 장치는, 관찰자의 눈을 따라 관찰자 영역 내의 가시 범위를 대략적 스텝(coarse step)으로 트래킹하는 제 1 광 감응 수단, 제 1 광 감응 수단의 적어도 대략적 스텝의 범위에서 가시 범위를 적어도 하나의 전기 제어 가능한 회절 격자를 이용해서 관찰자의 눈을 따라 정밀(fine) 스텝으로 또는 연속해서 트래킹하는 제 2 광 감응 수단을 특징으로 한다.
시스템 제어부는 선택된 관찰자의 현재 선택된 눈 위치에 최대한 가까운, 제 1 광 감응 수단의 편향 방향을 선택하고, 상기 방향을 제 1 광 감응 수단에 설정한다. 상기 편향 각도와 실제 선택된 눈 위치 사이의 각도 편차는 동시에 또는 즉시 시스템 제어부에 의해 계산되고 제 2 광 감응 수단에 설정된다.
선택된 관찰자의 2개의 눈은 시간 다중화 모드에서 시스템 제어부에 의해 처리될 수 있고, 이 경우 눈 위치 검출 시스템은 이를 위해 필요한 눈 위치 데이터를 제공한다.
3D 표시를 위해 시스템 제어부에 의해 표시될 이미지 컨텐츠 즉, 각각의 입체 영상 또는 인코딩된 홀로그램은 각각 좌 또는 우 눈에 맞게 조정된다. 또한, 눈 검출 시스템은 예를 들어 시스템 내에서 가능한 한 큰 시야각에 의해 관찰자가 바라보는 장면의 일부만을 재구성하기 위해, 시야 방향의 검출을 위한 시스템으로서 형성될 수도 있다.
다수의 관찰자들은 마찬가지로 시간 다중화 모드에서 처리될 수 있고, 이는 신속한 광변조기와 광 감응 수단을 필요로 한다.
플리커 프리(flicker free) 표시를 위해 시간 다중화 모드의 각각의 장면에 대해 초당 적어도 60개의 이미지의 리프레시 레이트(refresh rate)가 필요하다. 3개의 컬러 성분 및 각각의 관찰자의 2개의 눈의 동시적인 시간 다중화 모드에서 상기 값은 관찰자의 눈에 대한 컬러 채널의 장면과 관련된다.
특히 투영 시스템에서, 각각의 관찰자 눈에 대한 각각의 편향 시스템이 사용될 수 있고, 상기 편향 시스템은 빔 조합 시스템에 의해 2개의 관찰자 눈의 이미지 컨텐츠를 동시에 표시하는 것이 가능하다.
시스템 제어부에 의해 표시될 이미지 컨텐츠를 각각의 관찰자 위치에 맞게 조정함으로써, 관찰자가 디스플레이의 가시 범위 내에서 머리를 움직이는 경우에 표시될 이미지 컨텐츠 주변을 움직이는 것 같을 수 있고, 이 경우 이러한 효과는 인위적으로도 높이거나 낮출 수 있다.
애크로매틱(achromatic) 회절 빔 편향 장치의 제조는 복잡하기 때문에, 바람직한 변형 실시예에서 컬러 표시는 마찬가지로 개별 컬러 성분들의 시간 다중화 모드에서 이루어진다.
광변조 장치의 디자인에 따라, 제어 가능한 광 편향 격자를 포함하는 제 2 광 감응 수단은 대략적 스텝의 광 편향을 위한 제 1 광 감응 수단 후방에 배치된다. 회절 빔 편향을 위한 볼륨 격자처럼 작동을 위해 정해진 입사각을 필요로 하는, 대략적 스텝의 광 편향을 위한 광 감응 수단은 바람직하게 제 2 광 감응 수단 전방에 배치된다.
하나 또는 2개의 광 감응 수단은 광변조기 전방 또는 후방에 배치될 수 있다.
상기 수단들은 투과형, 발광형 또는 반사형 광변조기를 위해 설계될 수 있다.
투과형 또는 반사형 광변조기는 조명 장치와 함께 사용되고, 이 경우 조명 장치는 일반적으로 시준된 광을 형성하고, 상기 광에 의해 광변조기가 조명된다.
투과형 변조기의 예는 행과 열로 배치된 제어 가능한 액정 셀을 포함하는 투명 기판 위의 액정 변조기 또는 전기 습윤 셀 기반의 변조기들이다.
반사형 변조기로서 예를 들어 반사형 기판(예를 들어 LCOS -Liquid Crystal on Silicon) 상의 액정 변조기 또는 고속 광변조기로서 마이크로 미러 장치(DMD-Digital Micromirror Device)가 적합하다.
투과형 또는 반사형 광변조기의 경우, 제 1 및/또는 제 2 광 감응 수단 또는 이들 중 일부는 조명 장치에 통합될 수 있다.
예를 들어 광변조기가 후속해서 서로 짝을 이루는 위상값들이 빔 조합 광학 수단에서 규정된 진폭- 및 위상값과 조합하여 강도값을 형성하는 변조기의 각각 2개(2위상 인코딩) 또는 다수의 위상 픽셀로 위상 복소수의 홀로그램값을 인코딩하기 위한 플라즈마 변조기이면, 빔 조합 광학 수단이 규정된 빔 방향을 필요로 하는 경우, 2개의 광 감응 수단을 광변조기 후방에 배치하는 것이 바람직하다.
이러한 빔 조합 광학 수단은 예를 들어 공개된 독일 특허 DE 10 2009 044 910.8호에 제안된다.
그러나, 최대한 방향과 무관한 진폭 변조기를 가진 무안경 입체 영상 디스플레이 또는 최대한 방향과 무관한 복소값 변조기를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이에서, 하나 또는 2개의 광 감응 수단을 부분적으로 또는 완전히 광변조기의 조명 장치에 통합하는 것이 바람직할 수 있다.
나머지 방향에 의존하는 강도 의존성은 바람직하게 이미지 정보의 코딩 시 시스템 제어부에 의해 고려될 수 있으므로, 이러한 의존성은 보상될 수 있다.
발광형 광변조기, 예컨대 전자발광 디스플레이 또는 플라즈마 디스플레이는 조명 장치를 필요로 하지 않으며, 그 이유는 자체가 광원으로서 이용되기 때문이다. 그들의 개별 픽셀은 상호 비간섭성이기 때문에, 이들은 바람직하게 무안경 입체 영상 디스플레이에서 광변조기로서 사용된다.
홀로그래픽 디스플레이에서, 충분한 간섭 길이를 갖도록 하기 위해 픽셀의 폭이 충분히 작은 경우에, 상기 디스플레이의 용도는 전환 가능한(switchable) 광원으로서 투과형 디스플레이의 조명 장치의 시준 광학 수단과 조합하여 사용될 수 있다.
2개의 광 감응 수단에 의해 시스템 제어부를 이용해서 광원의 빔 방향은, 현재 디스플레이될 관찰자 눈의 정보가 상기 눈의 가시 범위에 있도록 선택된다.
디자인 및 코딩 방식에 따라 광 경로는 수평으로만 또는 수평 및 수직으로 변경될 수 있다.
수평으로만 이루어지는 가시 범위 트래킹은 구조를 매우 간단하게 하는데, 그 이유는 광 경로를 한 방향으로 변경할 수 있는 광 감응 수단만을 필요로 하기 때문이다.
홀로그래픽 디스플레이에서, 1차원 코딩 시 2차원 코딩에 비해 홀로그램 계산을 위한 연산 복잡성은 낮아진다.
1차원 관찰자 트래킹 시 선형의 실제 또는 가상 광원이 작동될 수 있다. 상기 광원은 예컨대 실린더 렌즈 어레이 형태의 전방에 접속된 시준 광학 수단을 포함하는 발광형 디스플레이의 디스플레이 컬럼일 수 있다. 무안경 입체 영상 디스플레이에서는 흔히 수평 관찰자 트래킹만 구현된다.
시준 광학 수단에서 실제 또는 가상 광원의 위치가 수평으로 또는 수직으로 변경됨으로써 시준된 조명 빔의 방향은 수평으로 또는 수직으로 변경될 수 있다. 이는 시준 광학 수단, 예컨대 렌즈 어레이로 이루어진 전방에 배치된 어레이와 함께 예를 들어 고해상도 광원 매트릭스의 개별 광점 또는 광점 영역의 휘도의 활성화 또는 조절에 의해 구현된다.
1차원 편향을 위해 실린더 렌즈 어레이와 함께 조명 스트립이 사용될 수 있다.
조명점 또는 조명 스트립의 편향은 기계적으로 또는 스캐닝(scanning) 방법에 의해서도 구현될 수 있다.
관련된 시준 광학 수단의 광학 축을 향해 광원이 변위됨으로써, 관찰자 평면에서 광 스팟의 크기가 조정될 수 있다. 이는 가변적인 굴절력을 갖고 따라서 적절하게 제어될 수 있는 시준 광학 수단에 의해서도 달성될 수 있다.
변위될 수 있는 광원을 갖는 광원 어레이와 관련 시준 광학 수단을 포함하는 광 감응 수단은 투과형 변조기를 사용하는 경우에 동시에 조명 장치의 부분으로 이용될 수 있다.
개별 광원점들의 휘도가 조절됨으로써 광학 시스템의 오류가 보상될 수 있다.
제어될 수 있는 광원 매트릭스의 개별 광점들이 서로 확실한 간격을 가지면, 가시 범위는 대략적 스텝으로 트래킹될 수 있다. 객체 측 메인 평면과의 거리 I와 시준 광학 수단의 광학 축과의 거리 a에 배치된 광원에 대한 평균 편향각 α는 다음과 같다:
α = arctan(a/I).
따라서, 예를 들어 시준 렌즈의 객체 측 메인 평면 전방 10 mm에 배치되고 광학 축에 대해 2 mm의 측면 오프셋을 갖는 광원의 빔 중심점은 광학 축에 대해 11.3도의 빔 틸트(beam tilt)를 포함한다.
전술한 바와 같이, 광 감응 수단은 다수의 개별 소자들로 구성될 수 있다. 광변조 장치의 제 1 및/또는 제 2 광 감응 수단은 다수의 광 감응 소자들로 구성될 수 있고, 상기 소자들에 의해 빔 방향 및/또는 실제 또는 가상 광원의 위치들이 서로 무관하게 변경될 수 있다.
따라서 달성 가능한 편향각을 확장하거나 또는 별도의 편향 범위를 구현하기 위해, 동일한 편향 방향을 갖고 전기 제어될 수 있는 다수의 편향 격자들은 부분적으로 또는 전체적으로 직렬 접속될 수 있다. 2차원 편향을 위해 1차원으로 편향하는 광 감응 소자들은 광 감응 수단에 상호 접속된다. 이는, 예컨대 교차 배치 시 이루어질 수 있다.
광 감응 수단의 개별 광 감응 소자들은 상이한 물리적 작용 원리에 기초할 수 있다.
시스템 제어부는 각 개별 소자들의 편향 특성을 고려하고, 이 경우 소자에 발생하는 오류는 하나 이상의 다른 소자에서 보상될 수 있다.
제 1 및/또는 제 2 광 감응 수단에서 광원의 광의 위치 변동의 크기 및/또는 빔 방향 변동의 크기가 광 감응 수단의 표면에 대한 광의 입사 위치에 따라 변경됨으로써 관찰자 평면에서 가시 범위의 크기를 정하기 위한 대물 렌즈 기능이 구현되거나 또는 별도의 대물 렌즈의 작용을 할 수 있다.
시스템 제어부에 의해 하나 이상의 광 감응 수단의 표면에서 상기 위치- 또는 빔 방향 변경을 제어함으로써 가시 범위의 크기가 가변적으로 변경될 수 있고, 따라서 예를 들어 디스플레이에 대한 변경된 관찰자 거리에 맞게 상기 크기가 조정될 수 있으므로, 가시 범위는 동공 직경보다 크지만 동공간 거리보다 작다.
또한, 시스템 제어부는 눈 검출 시스템으로부터 전달된 위치 또는 거리 데이터를 평가하고, 관찰자 평면의 가시 범위의 위치를 결정하는 측면각과 더불어 계산된 각도 변경을 해당 광 감응 수단에 설정한다.
가시 범위의 대략적 트래킹을 위한 광 감응 수단의 빔 방향 변경부는 회절 및 굴절 광 감응 소자들을 포함할 수 있다.
고체 광 매트릭스를 포함하는 변형 실시예에서 시준 광학 수단의 개별 렌즈들의 렌즈들은 제어 가능한 렌즈 기능을 포함하므로, 초점 거리 및/또는 렌즈 정점의 측방향 위치도 변경될 수 있다. 전극 습윤 셀 기반의 이러한 제어 가능한 렌즈는 예를 들어 유럽 특허 EP 1579249 B1호에 기술되어 있다.
대략적 스텝으로 빔을 편향하기 위해 제 1 광 감응 수단에서 바람직하게 볼륨 격자가 사용되고, 상기 격자 내로 적어도 2개의 홀로그램이 기록된다.
각각의 작동 파장에 의한 소정의 입출력 분포로 홀로그램을 임프린팅함으로써 추가 복사에 필요한 볼륨 격자 또는 원본이 형성될 수 있다. 홀로그램의 임프린팅은 관련된 광학 소자들의 이미지 오류를 가능한 한 보상하기 위해 실질적으로 작동 시스템에 상응하거나 또는 상기 시스템에 포함된(현장 임프린팅) 광학 시스템에서도 이루어질 수 있다.
볼륨 격자는 서로 차이가 거의 없는 매우 좁은 입사각 및/또는 좁은 파장 범위에 대해 최적화될 수 있다. 이 경우 위상 홀로그램의 거의 100%의 높은 회절 효율이 달성될 수 있다. 볼륨 격자는 각도 필터로서 작용하고, 즉 좁은 각도 범위의 광만 소정의 방향으로 회절되고, 볼륨 격자는 파장 필터로서 작용하고, 이 경우에는 선택된 파장 범위의 광만이 소정의 방향으로 회절된다. 다른 각도 또는 파장의 광은 회절되지 않고 볼륨 격자를 통과한다.
볼륨 격자를 통해 광 통과 시 회절 차수, 즉 예컨대 제 1, 제 2 또는 더 높은 회절 차수가 발생하도록 하기 위해, 브래그 조건(Bragg condition)이 준수되어야 하고, 굴절률 변조는 적절하게 선택되어야 한다. 굴절률 변조가 적정 조건을 벗어나면, 브래그 조건을 준수하여도 광의 회절되지 않은 부분 즉, 제 0의 회절 차수가 주어진다.
볼륨 격자의 두께 및 최대 가능한 굴절률 변조에 따라, 격자는 다중 광 간섭이 발생하도록 즉, 개별 광 빔들이 충분한 다수의 격자 평면을 통과하도록 격자를 조명해야 하는 것이 가능할 수 있다. 즉, 생성된 최소 회절각은 예컨대 30도로 너무 작지 않다. 이는 볼륨 격자를 사선으로 조명함으로써 달성될 수 있다. 기하학적 관계가 요구된다면, 전방 접속된 다른 볼륨 격자에 의해 필요한 예비 편향이 이루어질 수 있다.
볼륨 격자가 두껍게 구현될수록, 격자의 선택적 효과는 더 커진다.
볼륨 격자에서 회절 과정은 관련된 파장 이론을 이용한 Kogelnik에 의해 설명된다(H.Kogelnik, "Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings", Bell Syst. Techn. J.48(1969) 2909-2947). 하기의 Q-팩터가 10보다 크면 볼륨 격자는 두껍다:
Q = 2πdλ(n0∧2)
상기 식에서 d는 볼륨 격자의 두께이고, λ는 진공에서 광의 작동 파장이고, ∧는 볼륨 격자의 격자 상수이고, n0 는 평균 굴절력이다.
다수의 입사각 및/또는 다수의 파장에 최적화된 볼륨 격자 대신에, 더 작은 작동 범위의 다수의 볼륨 격자들이 직렬 접속될 수 있다. 즉, 각각의 볼륨 격자는 다른 방향으로 광을 편향하고 또는 다른 위치로 포커싱한다.
또한, 다양한 출사각들은 바람직하게 관찰자 평면에서 가시 범위의 직경을 제한하는 추가의 대물 렌즈 기능 구현 시 볼륨 격자 내로 임프린트될 수 있다.
일반적으로 각도 다중화(angle multiplexing)에 의해 임의의 다양한 파동장이 재구성될 수 있다. 이는 홀로그래픽 재구성 원리에 따른다. 따라서 대물 렌즈도 상이한 초점 거리로 재구성될 수 있다. 예컨대 별도의 대물 렌즈들이 제공되는 경우에 상이한 방향으로 확산되는 평면파를 재구성하는 것이 바람직할 수도 있다.
다양한 입사각의 광 분배에 의해 형성되는 대물 렌즈의 초점은 입사각과 동일한 평면에 배치되어서는 안 된다. 따라서 예를 들어 다양한 수직 입사각의 광 분배로부터 연속 대물 렌즈가 제공될 수 있고, 상기 렌즈의 초점은 예를 들어 수평으로, 수평 및 수직으로 또는 수평으로, 수직으로 및 초점 평면으로 다양해진다.
대물 렌즈 기능을 제공하거나 또는 지원하기 위해, 볼륨 홀로그램은 나란히 배치된 적어도 2개의 부분 홀로그램으로 분할될 수 있고, 상기 부분 홀로그램은 각각 약간씩 다른 출사각에 의해 브래그 조건을 충족하고, 즉 볼륨 격자는 분할된다. 이러한 볼륨 홀로그램의 제조와 작동은 - 참조로 - 예컨대 독일 특허 DE 19 700 162 B4 또는 DE 19 704 740 B4 호에 공지되어 있다.
볼륨 홀로그램에 각각 기록된 개별 방향들을 선택하기 위해, 적어도 하나의 수평 및/또는 수직 변위 유닛이 제공될 수 있고, 상기 유닛은 홀로그램에 대한 입사각 및/또는 입사 위치가 변경될 수 있도록 광원의 광이 제어될 수 있게 작동한다. 상기 유닛은 예를 들어 투과형 광변조기에서는 백라이트 장치 또는 반사형 광변조기의 경우에는 전방 조명 장치의 부분일 수 있다. 필요한 변위 및/또는 틸팅은 결정되어 선택된 눈 위치를 참고로 시스템 제어부에 의해 설정된다. 이것은 공지된 방식으로 기계적, 반사, 굴절 또는 회절 방법에 의해 이루어질 수 있다. 평판 조명 장치의 사용 시 예를 들어 평면 도파로 내로 커플링각이 변동될 수 있다.
다른 바람직한 변형예에서 각각의 파장 범위를 위해 즉, 적색, 녹색 또는 청색 스펙트럼 범위를 위해 다수의 협대역 광원이 사용되고, 상기 광원은 그 중심 파장만이 약간 다르고, 선택적으로 시스템 제어부에 의해 선택되고 활성화되므로, 적어도 하나의 볼륨 격자에 개별적인 회절각이 선택되고 또는 할당될 수 있다. 이러한 광원을 위해 바람직하게 레이저, 예컨대 반도체 레이저, 또는 협대역 발광 다이오드가 사용될 수 있다.
시스템 제어부는 선택된 협대역 스텍트럼 범위에 따라 디스플레이될 정보의 컬러 보정을 실시할 수 있다.
2개의 방법은 서로 조합될 수 있으므로, 적어도 하나의 볼륨 홀로그램에 상이한 입사각 및 상이하지만 밀접하게 인접하는 파장을 위한 회절 격자가 기록된다.
다른 실시예에서, 제 1 광 감응 수단에서 빔 방향의 대략적 변경을 위해 시스템 제어부에 의해 전환 가능한 적어도 하나의 편광판은 적어도 하나의 이중 굴절 렌즈와 함께 사용된다. 이러한 시스템은 예컨대 WO 03 015 424 A2호에서 무안경 입체 영상 디스플레이에서 2D/3D 전환으로 공개되어 있다.
이중 굴절 물질, 예컨대 액정 조성물은 기판으로서 이용되는 2개의 투명 매체의 2개의 경계면 사이에 배치된다. 렌즈 효과를 달성하기 위해 적어도 하나의 경계면은, 부분적으로 만곡되고 및/또는 쐐기 효과(wedge effect)를 달성하기 위해 부분적으로 다른 경계면에 대해 기울어진다.
전환 가능한 편광판에 의해 2개의 가능한 편광 방향 중 하나가 선택됨으로써 시스템 제어부를 이용해서 가능한 2개의 렌즈- 및/또는 편향 효과 중 하나가 선택될 수 있다. 렌즈 효과 및/또는 쐐기 효과의 강도는 편향- 및/또는 포커싱 유닛의 표면을 따라 변경될 수 있다. 또한, 2개의 편광 방향을 위치에 따라 가변적으로 선택하기 위해, 전환 가능한 편광판을 분할되어 구현될 수 있다.
전환 가능한 편광판은 예를 들어 전기 제어될 수 있는, 이중 굴절 물질을 이용한 가변 위상차 판으로서 형성될 수 있고, 상기 물질은 예를 들어 액정 조성물로 이루어질 수 있다. 적절한 전극 구조들이 배치된 2개의 기판들 사이에 이중 굴절 물질이 매립된다. 또한, 이 경우에도 광 감응 수단 내에서 전체적인 작용을 높이기 위해 다수의 광 감응 소자들은 직렬로 접속될 수 있다.
전환 가능한 편광판과 고정된 굴절 광 감응 소자 대신에 전환 가능한 이중 굴절 광 감응 소자도 사용될 수 있다. 예컨대 WO 2007/007 285 A2호에 무안경 입체 영상 디스플레이의 2D/3D-전환을 위해 제안된 장치에서 필요한 기판의 개수는 전술한 방법에 비해 감소할 수 있다. 상기 광 감응 소자들도 분할되어 및/또는 직렬 접속될 수 있다.
적절한 전극 구조에 의해 플래너(planar) 광 감응 소자는, 적절한 전계 분포가 인가함으로써 굴절률의 구배 변화가 조절 가능하게 형성되고, 상기 구배 변화는 광 방향에 영향을 미칠 수 있다.
다른 변형예에서 광 작용을 위해 적어도 하나의 편광 격자가 사용된다. 이러한 격자에서는 -1, 0 및 +1의 회절 차수만이 존재한다. 입사하는 원 편극 광을 이용함으로써, 형 편광의 회전 방향에 따라 광은 거의 100%가 +1 또는 -1 회절 차수로만 편향될 수 있다.
능동 전환 가능한 편광 격자 및 수동 편광 격자가 공지되어 있다. 편광 격자의 제조는 적절하게 준비된 표면에서 액정이 정렬됨으로써 이루어질 수 있다. 액정을 위해 구조화된 정렬층(배향막)으로서 작용하는 표면은 예를 들어 선형으로 광중합화될 수 있는 폴리머(LPP - 선형 광중합성 폴리머)의 중합화에 의해 제공될 수 있다. 또한, 층들은 예컨대 원 편광 자외선 광, 예컨대 UV 레이저의 간섭 패턴에 의해 상응하게 형성된다.
전극 구조에 전압이 인가하지 않거나 거의 인가하지 않을 때 능동 편광 격자는 주기적 격자 구조를 형성하고, 원 편광 입사광이 회전 방향에 따라 +1 또는 -1 회절 차수로 높은 회절율로 편향할 수 있다. 높은 전압에 의해 액정은, 격자 구조가 손상되도록 정렬될 수 있으므로, 입사 광은 0의 회절 차수로 편향되지 않은 채 상기 광 감응 소자를 통과한다.
수동 격자는 예를 들어 액정 폴리머(LCP-liquid crystal polymer)의 중합화 에 의해 형성될 수 있다. 능동 및 수동 편광 격자는 전환 가능한 편광판, 예컨대 전환 가능한 위상차 판과 조합하여 사용될 수 있고, 이로써 소정의 회절 차수가 선택될 수 있다. 능동 편광 격자에서는 시스템 제어부가 전환 가능한 편광판 및 제어 가능한 격자를 제어하므로, 소정의 편광 방향이 선택될 수 있다. 수동 격자에서는 이를 위해 전환 가능한 편광판만 제어된다. 전환 가능한 편광판과 편광 격자로 이루어진 여러 조합들이 광 감응 소자로서 서로 접속될 수 있다. 위치에 따라 다양한 편향 효과를 얻기 위해, 편광 격자의 격자 상수는 광 입사면을 따라 변경될 수 있다. 이러한 변경은 연속해서 또는 세그먼트식으로 이루어질 수 있다. 이로 인해 예를 들어 대물 렌즈 기능이 구현되거나 또는 지원될 수 있다. 예를 들어 실린더 렌즈 또는 교차하는 실린더 렌즈들이 구현될 수도 있다.
시스템 제어부에 의해 적절한 회절 각도를 선택하기 위해, 전환 가능한 평면 편광판의 구조화가 실시될 수도 있다.
격자가 다른 광 편향 소자, 예컨대 앞에 놓인 대물 렌즈 및/또는 다른 광 감응 소자와 조합하여 사용되는 경우에, 격자는 국부적으로 적절하게 기울어진 광 입사에 대해 최적화되어야 한다. 이는 능동 편광 격자의 경우에는 구동 전압의 위치에 따른 조정 및 효과적인 이중 굴절에 의해 이루어질 수 있다.
능동 편광 격자의 경우, 제조에 사용된 홀로그램은 격자 주기의 국부적 변화를 포함해야 한다.
단순한 편광 격자의 경우, 편향각은 파장에 의존한다. 시간 다중화 모드에서 개별 컬러 성분들이 형성되는 컬러 디스플레이에서, 이러한 각도차는 다른 제어 가능한 편향 소자에서 시스템 제어부에 의해 보상될 수 있다.
WO 2008/130 561 A1호에는 예를 들어 능동 편광 격자의 다층 시스템도 공지되어 있고, 여기에서 편향 각도는 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 거의 일정하다.
다른 변형예에서 대략적 스텝의 광 편향을 위해 회절 격자가 사용되고, 상기 회절 격자의 격자 주기는 액정에 인가되는 전압의 변경에 따라 변할 수 있다. 이러한 시스템은 예를 들어 US 6 188 462 B1호에 기술되어 있다. 격자면을 따라 인가 전압이 변함으로써 이 경우에도 위치에 따라 상이한 편향각은 시스템 제어부에 의해 가변적으로 설정될 수도 있다.
대략적 광 편향을 위해, 바람직하게 제 2 광 감응 수단에서 연속적인 편향을 위해 제공되는 것과 같은 회절 위상 격자가 사용될 수 있다. 상기 격자에서 격자 주기 및 편향각의 크기는 톱니 모양의 전압 프로파일이 미세 전극 구조에 인가함으로써 설정되고, 즉 작동 전압은 전극에서 전극으로, 소정의 또는 사전 설정된 격자 주기 내에서 기본값에서 최대값으로 증가한다. 최대값은 액정층에서 변조된 광의 최대 위상 변동을 결정한다. 전압 프로파일은 정밀한 톱니 모양으로 연장되지 않아도 되고, 톱니 모양의 위상 프로파일을 얻기 위해, 전압-위상 변화의 특성곡선이 고려될 수 있다. 최소로 가능한 격자 주기 및 최대로 가능한 편향각은 전극 격자에 의해 결정된다. 특히 면적이 넓은 편향 격자의 경우에 수 마이크로미터 내지 수백 나노미터의 래스터 주기를 갖는 매우 정밀한 래스터는 작동이 어려울 수 있기 때문에, 대략적 편향을 위한 편향 격자를 위해 전극들이 통합될 수 있고, 상기 전극들의 간격이 정밀 단계식 편향을 위한 편향 격자에에서 최대 가능한 편향각에 대한 격자 주기에 해당하는 것보다 더 큰 경우에, 공통의 신호가 제공될 수 있다. 따라서 예컨대 편향 격자는 정밀 단계식 편향을 위해 수 마이크로미터의 전극의 주기를 가질 수 있고, 이러한 주기에서 각각의 전극은 개별적으로 작동될 수 있고, 대략적 편향을 위한 편향 격자는 1 마이크로미터의 전극 간격을 갖는 격자로 이루어지고, 상기 간격에서 각각의 전극은 정밀 단계식 격자의 전극 래스터에 해당하는 것보다 큰 구간으로 통합된다.
전극의 통합은 편향 격자의 표면을 따라 나누어질 수 있다. 또한, 전극 격자는 격자면을 따라 변경될 수 있으므로, 예를 들어 격자 가장자리에서 더 정밀한 전기 격자에 의해 거기에서 필요로 하는 더 큰 편향각이 가능해질 수 있다.
적절한 빔 성형 직후 또는 성형 후에 짧은 광원의 조명 장치에서 방사되는 것처럼 횡단면이 작은 광 빔의 빔 편향을 위해, 바람직하게 다른 광 편향 소자는 투과형 또는 반사형 모드로 사용될 수 있다. 따라서 음향 광학 변조기(AOM)로는 높은 속도의 빔 편향이 가능하다. 편향 각도는 구동 주파수의 변경에 의해 변경될 수 있다. 회절 효율은 구동 전압의 크기에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한, 위상 변위된 신호로 작동될 수 있는 다수의 음향 변환기를 이용하는 AOM이 공지되어 있다. 이로 인해 AOM의 효과적인 위상 격자는 위상 길이에 의존해서 기울어질 수 있고, 변경되는 출사각에 맞게 조정될 수 있으므로, 입사각이 동일할 때 브래그 조건이 대부분 충족되고, 따라서 넓은 출사각 범위와 넓은 작동 샤프트 길이 범위에 대해 높은 회절 효과를 얻을 수 있다. 이러한 변조기는 예컨대 US 5 576 880호에 공개되어 있다. AOM에 의해 작은 편향각만 제공될 수 있기 때문에, 각도 범위의 확장을 위해 인코딩된 다수의 출사각을 포함하는 볼륨 격자 또는 입사각과 출사각의 차이가 크지 않은 다른 개별 격자로 이루어진 적절한 볼륨 격자 스택이 후방 접속될 수 있다. 이러한 배치는 예컨대 US 3 980 389호에 공개되어 있다.
광 감응 수단 또는 광 감응 소자의 모든 광학 경계면은 바람직하게 산란광 방지를 위한 반사 방지 코팅을 포함한다. 상기 코팅은 공지된 방식으로 용도에 따라 스펙트럼으로 및/또는 각도는 협대역 또는 광대역으로 구현될 수 있다.
광학 빔 경로에 불필요한 회절 차수 및/또는 산란광을 필터링하기 위해 적절한 애퍼처를 포함할 수 있다. 또한, 파면 형성을 위한 추가 수단, 예컨대 아포다이징 마스크의 사용이 가능하다.
방법의 최적화를 위한 다른 가능한 조치들 및 방법의 특수한 실시예, 예컨대 편향각의 조절 파라미터를 신속하게 계산하기 위한 룩업 테이블, 광 편향 소자의 다층 구조에서 공통 기판의 사용, 검정, 오류 보상, 온도 변화의 보상, 노후화 현상의 보상 또는 제어 회로 및 전극 구조의 디자인을 위한 조치들은 본 발명을 구성하지만 상세히 설명되지 않는데, 그 이유는 상기 조치들은 여기에 설명된 본 발명에 따른 교리에 숙련된 당업자들에게 공지되어 있기 때문이다. 조절 가능한 모든 부품들은 적절한 추가 측정 장치들을 이용할 뿐만 아니라 조절 가능한 가변 부품들로 형성될 수 있다.
전기적으로 조절될 수 있는 회절 격자 대신 연속적인 관찰자 트래킹을 위해 공지된 다른 광 편향 소자들이 사용될 수 있다.
본 발명의 교리를 바람직하게 형성하고 개선하는 다양한 가능성들이 제공된다. 이를 위해 한편으로는 청구범위 제 1 항에 종속되는 청구항들과 다른 한편으로는 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예의 하기 설명이 참조된다. 도면들은 개략적으로 도시된다.
도 1은 본 발명의 제 1 변형 실시예를 도시한 도면.
도 2는 전환 가능한 광원에 의해 대략적 스텝으로 트래킹하기 위한 광 감응 수단의 부분도.
도 3은 추가 대물 렌즈 기능을 포함하는 전환 가능한 광원을 이용해서 대략적 스텝으로 트래킹하기 위한 광 감응 수단을 도시한 도면.
도 4는 조명 장치 내의 회절 편향 격자를 이용해서 광원 트래킹에 의해 대략적 스텝으로 트래킹하기 위한 광 감응 수단의 부분도,
도 5는 각도 다중화 장치 볼륨 격자를 포함하는 조명 장치의 부분도.
도 6은 반사형 변조기를 포함하는 광변조 장치를 도시한 도면.
도 7은 능동 액정 격자를 이용한 2개의 대물 렌즈의 형성을 도시한 도면.
도 8은 멀티플렉스 대물 렌즈와 함께 제어 가능한 격자 주기를 갖는 액정 위상 격자와 투과형 변조기를 포함하는 광변조 장치를 도시한 도면.
도 9는 제 1 볼륨 격자 내로 입사하기 전에 시준 유닛에 의해 형성된 파동장의 수직 및 수평 이동을 가능하게 하는 평판 백라이트 장치를 도시한 도면.
도 10a 내지 도 10c는 도 9의 수평 광 감응 소자로서 제어 가능한 2개의 볼륨 격자의 바람직한 작용을 도시한 도면.
도 11은 전환 가능한 편광판과 관련해서 편광 격자 및 투과형 변조기를 포함하는 광변조 장치를 도시한 도면.
도 1에는 광변조 장치의 대표적인 변형 실시예가 개략적으로 도시된다. 평면 광원 어레이로서 형성된 광원(100)은 작은 크기의 다수의 개별 광원들(101 내지 123)을 포함하고, 상기 개별 광원들은 시스템 제어부(900)에 의해 개별적으로 또는 집단적으로 전환될 수 있거나 또는 그 휘도가 제어 또는 조절될 수 있다. 각각의 개별 광원들(101 내지 123)은 상이한 중심 파장을 갖고, 별도로 제어될 수 있는 다수의 광원들로 이루어질 수 있다. 광원(101 내지 123)은 시준 광학 수단(200)을 통해 평면 광변조기(400)를 조명하고, 상기 시준 광학 수단은 렌즈들(201-203) 또는 실린더 렌즈 스트립의 어레이로 이루어질 수 있다. 렌즈(201 내지 203)는 제어 가능하게 구현될 수도 있으므로, 상기 렌즈들의 초점 위치는 하나, 2개 또는 3개의 방향으로 시스템 제어부(900)에 의해 변경 가능하게 설정될 수 있다. 광원(101 내지 123)의 광이 시준 광학 수단(200)의 다수의 렌즈들(201 내지 203)을 통과하는 것을 저지하기 위해, 장치는 애퍼처 어레이(250)를 포함할 수 있다. 장치가 다수의 관찰자들을 위해 설계된 경우에 이것은 특히 중요하다. 도 1에 도시된 실시예에서는 투과형 광변조기(400)가 사용되고, 상기 광변조기는 광의 진폭 및/또는 위상을 평면으로 바꾼다. 이때 제어 가능한 광원 어레이(100)는 시준 광학 수단(200)과 조합되어 다이내믹 조명 장치(300)를 형성한다.
광변조기(400)는 시스템 제어부(900)로부터 3차원 이미지 정보를 표시하기 위한 변조값을 얻고, 상기 광변조기는 상기 값을 3D 장면(902)의 입력 데이터를 이용하여 결정하고, 눈 위치 시스템(800)으로부터 제공된, 이미지 정보의 적어도 한 관찰자의 적어도 하나의 눈 위치(110)의 위치 데이터를 결정한다. 이때 시스템 제어부(900)는 광변조기(400)의 특성곡선과 광학 시스템의 디자인과 위치 데이터의 로부터 주어진 다른 보정값을 고려한다. 디스플레이될 이미지 정보, 특히 표시될 장면은 시스템 제어부(900) 외에도 시스템 제어부(900)로부터 외부 컴퓨팅 유닛에 전달된 눈 위치 데이터(901)를 이용해서 처리될 수 있다. 공지된 눈 위치 검출 시스템(800)은 예를 들어 적어도 하나의 카메라 및 관련 평가 유닛으로 이루어질 수 있고, 이 경우 평가 유닛은 시스템 제어부(900)의 부분일 수도 있다. 평가 유닛은 카메라 이미지로부터 각각의 카메라 이미지 내의 동공 위치를 검출하고, 그로부터 모든 관찰자 눈(1100)의 관련 위치 좌표를 계산한다. 예컨대 초음파로 작동하거나 또는 관찰차와 관련된 수동 또는 능동적 마킹 또는 신호원을 이용하는 다른 눈 위치 검출 시스템(800)도 사용될 수 있다.
광원(101 내지 123)과 관찰자 눈(1100) 사이의 광 경로에 다른 광 감응 소자(501)가 배치되고, 상기 소자는 시스템 제어부(900)에 의해 제어된다. 다이내믹 조명 장치(300)는 도시된 실시예에서 단독으로 또는 다른 광 감응 소자(501)와 함께 대략적 빔 편향을 위한 광 감응 수단(500)을 형성한다. 시스템 제어부(900)에 의해 눈 위치 데이터(901)를 이용해서 각각의 가시 범위(1000)를 연속적으로 또는 정밀 단계로 각각의 관찰자 눈으로 편향하기 위해, 제어 가능한 회절 편향 격자의 형태의 제 2 광 감응 수단(600)이 제공되고, 상기 광 감응 수단도 마찬가지로 다수의 광 감응 소자들로 구성될 수 있다. 관찰자 평면으로 가시 범위(1000)를 포커싱하기 위해, 예컨대 도 1에 따라 대물 렌즈(700) 배치되고, 상기 렌즈는 제어 가능한 적응형 렌즈로서 형성될 수 있고, 상기 렌즈는 시스템 제어부(900)에 의해 가시 범위(1000)의 폭을 광변조기(400)와 관찰자 눈(1100) 사이의 거리에 맞게 조정할 수 있다. 대물 렌즈(700)의 기능은 그러나 부분적으로 또는 완전히 다이내믹 조명 장치(300) 및/또는 다른 광 감응 소자(501) 또는 제 2 광 감응 수단(600)의 광 감응 소자에 통합될 수 있다.
도 2는 조명 장치의 부분을 개략적으로 도시하고, 상기 조명 장치는 전환 가능한 광원(101 내지 103)에 의해 적어도 하나의 관찰자 눈의 위치로 적어도 하나의 눈 가시 범위를 대략적 스텝으로 트래킹하기 위한 광 감응 수단으로서 형성된다.
전환- 또는 제어 가능한 다수의 광원(101, 102, 103)은 굴절 및/또는 회절 소자를 포함할 수 있는 시준 광학 수단(200) 전방에 배치된다. 예로써 도시된 광원들(101, 102 또는 103) 중 하나가 활성화함으로써 소정의 편향 방향이 선택된다. 편향각은 시준 광학 수단(200)의 세그먼트의 광학 축(OA)과 광원 사이의 거리 및 이러한 이미지 세그먼트의 객체 측 메인 평면과 광원 사이의 거리에 의존한다. 도시된 실시예에서 광원(101 내지 103)은 객체 측 초점 평면에 위치하므로, 시준 광학 수단(200)는 평행한 광을 제공한다. 상기 광은 광변조기(400)를 조명한다.
도 3은 대물 렌즈 기능이 추가된 전환 또는 제어 가능한 광원(101-123)을 이용한 대략적 스텝의 트래킹의 변형예를 개략적으로 도시한다. 평면 광원 어레이로서 형성된 광원(100)의 개별 광원들(101-123)은 시준 광학 수단(200)의 시준 렌즈들(201-203) 후방에 비대칭으로 배치되므로, 광변조기(400)의 가장자리 영역을 향해 광변조기(400)를 통과하는 광원(101-123)의 광은 광변조기(400)의 가장자리 방향으로 배치되고, 시준 광학 수단(200) 중앙에 있는 광원의 광보다 디스플레이의 관찰자 영역의 중앙을 향해 더 심하게 편향된다. 광원(101-123)은 도시된 바와 같이, 시준 렌즈(201 내지 203)의 초점 평면 외부에 배치될 수 있으므로, 상기 광원은 중앙 찰자 평면으로 투사될 수 있다.
개별 광원들(101-123)은 방사 특성의 상이한 스펙트럼 분포를 갖는 전환 또는 제어 가능한 보조 광원들로 구성될 수 있다. 개별 보조 광원들은 약간 아래에 서 높이가 다르게 배치될 수 있고, 즉 시준 광학 수단의 컬러 오류를 보상하기 위해 광학 축을 향해 상이한 위치에 배치됨으로써, 모든 컬러 성분들이 가능한 한 동일한 중앙 관찰자 평면에 이미지화된다.
이를 위해 예를 들어 시준 광학 수단(201 내지 203)의 굴절력도 시스템 제어부에 의해 변경될 수 있으므로, 상기 컬러 오류가 보상될 수 있고, 관찰자 평면은 디스플레이와 관찰자의 거리에 맞게 조정될 수 있다.
대물 렌즈 기능을 구현하는 다른 가능성들이 제공된다. 개별 시준 렌즈(201 내지 203)의 광학 축은 렌즈 어레이(200)의 가장자리에 대해 점점 더 심하게 기울어질 수 있으므로, 중앙 관찰자 평면의 관찰자 영역의 중앙에서 모든 광학 축들이 교차한다. 또한, 하나의 렌즈(201-203)에 할당된 광원들(101-123)도 기울어져 배치될 수 있다.
도 4는 조명 장치의 부분에서 회절 격자에 의한 관찰자 트래킹 원리를 도시한다. 시준된 광원(101)은 전환 또는 제어 가능한, 빔 편향을 위한 광 감응 소자(501)를 조명하고, 상기 소자는 예컨대 적어도 하나의 회절 편향 격자를 포함할 수 있다. 상기 편향 격자는 시준된 광원(101)의 빔을 설정된 편향각에 따라 그라운드 글라스(110)의 다른 위치로 편향한다. 산란 프로파일은, 회절 및/또는 굴절 소자를 포함할 수 있는 후속하는 시준 렌즈(201)의 가능한 한 최적의 조명이 이루어지도록 국부적으로 변경될 수 있다. 그라운드 글라스(110)의 국부적으로 변경되는 산란 프로파일은 예컨대 홀로그램으로 형성될 수 있다. 광 감응 소자(501)로부터 편향된 광 빔의 입사 위치는 편향각에 따라 2차 광원(111-113)을 형성하고, 상기 2차 광원은 시준 광학 수단의 시준 렌즈(201)를 통해 도 2 및 도 3과 유사하게 광변조기 영역을 조명한다. 이 경우에 광원(101)은 방사 특성의 상이한 스펙트럼 분포를 포함하고 개별적으로 전환될 수 있는 보조 광원으로 이루어질 수 있다. 광 감응 소자(500)는 예를 들어 2차원 편향을 가능하게 하기 위해 다수의 편향 격자로 구성될 수 있다. 적절한 애퍼처(250)에 의해 광 감응 소자(501)에서 발생할 수 있는 사용되지 않은 회절 차수의 광 또는 시준 렌즈(201)에 입사하지 않는, 2차 광원(111-113)의 광이 시준 광학 수단의 다른 시준 렌즈를 조명하고 또는 바람직하지 않은 산란 광이 조명 장치에서 확산되는 것이 저지될 수 있다.
광 감응 소자(501) 내의 편향 격자로서 바람직하게 제어 가능한 회절 격자가 사용될 수 있고, 상기 회절 격자에서 격자 주기는 가변적으로 설정될 수 있다.
이를 위해 예컨대 액정셀 기반의 위상 격자가 사용될 수 있고, 상기 위상 격자에서 래스터 형태의 전극 구조에 의해 가변 격자 주기 및 편향각이 기록될 수 있다.
입체 영상 변조기도 사용될 수 있다.
그러나 제어 가능한 위상차 판과 함께 능동 및 수동 편광 격자의 사용과 같은 다른 변형 실시예도 가능하다.
광 감응 소자(501)와 그라운드 글라스(110) 사이의 간격은 크게 선택될 수 있기 때문에, 광 감응 소자(501)에서 작은 편향각만 생성할 수 있는 편향 격자가 사용될 수 있다. 이로써 필요한 최소 격자 주기에 대한 약간의 요구만 제시되고, 이는 이러한 편향 소자의 제조를 매우 간단하게 한다.
제 0 회절 차수의 바람직하지 않은 강도를 약화시키기 위해, 제어 가능한 격자를 사선으로 조명할 수 있다. 최대로 광범위하게 중복되는 모든 작동 파장에 대해 최적의 편향 범위를 얻기 위해, 격자는 각각의 작동 파장 범위를 위해 조정된 다른 각도로 조명될 수 있다.
광 감응 소자(501)에서 편향 격자 대신에 다른 편향 소자가 사용될 수 있다. 따라서 예를 들어 제어 가능한 전자 습윤 셀이 사용될 수 있고, 상기 셀에서 상이한 굴절률을 갖는 2개의 액체 사이의 경계면으로서 메니스커스의 위치 또는 메니스커스 위치와 형태는 한 방향으로 또는 2개의 방향으로 변경될 수 있다.
도 5에는 광원의 각도 다중화 장치와 볼륨 격자를 포함하는 조명 장치의 부분이 개략적으로 도시된다. 광 감응을 위한 적어도 하나의 볼륨 격자(502)를 포함하는 광 감응 소자(501)는 다수의 광원(101-103)의 상이한 방향으로부터 서로 약간 다른 방향의 시준 광학 수단(201-203)을 통해 조명된다. 광 감응 소자(501)의 볼륨 격자(502)로 상이한 재구성 기하학적 구조가 확실하게 인코딩된다. 상이한 방향에서 조명 시 상이한 출력파면이 형성된다. 예를 들어 다수의 볼륨 격자(502) 스택으로 이루어질 수도 있는 광 감응 소자(501)의 볼륨 격자(502)는 0.3°의 스탭 사이즈를 갖는 5개의 각도로 조명될 수 있고, 이는 출력측에 예컨대 12°의 각도 스탭 사이즈를 갖는 5개의 대물 렌즈-파면을 형성한다.
도 6은 전방 조명 장치와 관련해서 이미지 코팅을 위한 반사형 광변조기를 위한 광변조 장치를 개략적으로 도시한다. 시준된 광으로 광변조기(400)를 조명하기 위한 전방 조명 장치는 평면 광 편향 소자(510, 520)의 스택을 포함한다. 각각의 편향 기능은 각각의 광 편향 소자(510, 520)에 할당된 광원(110, 120)의 활성화에 의해 선택될 수 있다. 광원(110, 120)은 예를 들어 적색(111, 121), 녹색(112, 122) 및 청색(113, 123)의 스펙트럼을 위한 적어도 하나의 레이저 다이오드에 의해 형성된다. 광원(110, 120)에 할당된 시준 유닛(210, 220)에 의해 광은 적어도 하나의 볼륨 격자(511, 521)를 지나 평면 광도파로(513, 523)로 결합되고, 상기 광도파로는 기판(514, 524)에 배치된다. 실시예에서 볼륨 격자(511, 512)에 각각 적색, 녹색 및 청색 스펙트럼 범위를 위한 홀로그램이 기록된다. 간섭 광학 용도, 예컨대 홀로그래픽 디스플레이 장치를 위해 평면 광도파로(513, 523)는 광의 간섭 특성을 얻기 위해, 반사각만(단일모드 광 가이드) 전파될 수 있도록 얇게 선택되어야 한다.
평면 광도파로(513, 523)에 할당된 볼륨 격자(512, 522)에 의해 광은 상기 광도파로로부터 분리되어 반사형 광변조기(400)로 시준되어 편향된다. 반사형 변조기(400)에 의해 변조된 광은 선택된 광원(111-113, 121-123)에 따라 할당된 볼륨 격자(512, 522)를 통해 소정의 방향으로 편향되거나 또는 실시예에서 설명한 것처럼, 관찰자 평면의 소정의 위치에서 포커싱된다. 실시예에서 볼륨 격자(512, 522)에도 광원(110, 120)의 각각의 작동 파장에 대한 홀로그램이 기록된다. 홀로그램은, 광변조기(400)의 전체 표면에 걸쳐 균일한 조명 강도가 생성되도록 형성된다. 또한, 분리 위치가 각각의 커플링 격자(511, 521)로부터 멀리 떨어져 있을수록, 볼륨 격자(512, 522)에서 회절 효과는 증가해야 한다.
연속으로 또는 정밀 단계로 작동하는 적어도 하나의 추가 광 편향 소자(600)는 관찰자의 위치에 따라 광이 볼륨 격자(512, 522)에 기록된 홀로그램의 정해진 초점과 일치하지 않는 눈 위치를 향할 수 있게 한다. 편향 소자(600)는 대물 렌즈 기능을 지원할 수 있거나 또는 이러한 기능을 온전히 수행할 수 있다. 또한, 예를 들어 광 편향 소자(600)와 관찰자 사이에 별도의 대물 렌즈가 배치될 수 있다.
광원(110, 120)에 할당된 시준 유닛(210, 220)은 빔 형성 및 빔 방향 변경을 위한 수동 및/또는 능동 광학 소자(211, 212, 221, 222)를 포함할 수 있고, 상기 소자는 광에 반사, 회절 및 굴절 작용할 수 있다. 시준 유닛은 예를 들어 커플링 볼륨 격자(511, 521)를 스트립 형태로 조명하기 위해 스캐닝 소자를 포함할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 변형 실시예를 개략적으로 도시한다. 제어 가능한 볼륨 격자(532)에 의해 고정 볼륨 격자(533)에 기록된 2개의 대물 렌즈들 중 하나는 도 7에 도시되지 않은 시스템 제어부에 의해 선택될 수 있다. 전방 조명 장치(300)에 의해 시준되어 조명되는 반사형 위상 변조기(400)는 변조된 위상 분포를 제공하고, 상기 위상 분포는 표시될 이미지 정보를 포함한다. 빔 조합 광학 수단(410)에서 위상 변조기(400)의 인접한 픽셀에 의해 변조된 광의 조합을 통해 재구성 공간에서 표시될 객체의 재구성을 위해 진폭 및 위상이 공간적으로 변조된 파면(450)이 형성된다. 객체점은 관찰자와 광변조기(400) 사이에서 실제로 그리고 광변조기(400) 후방에서 가상으로 재구성될 수 있다. 변조된 파면(450)은 고정 볼륨 격자(531)에 의해 정해진 각도만큼 편향되므로, 후속해서 제어될 수 있는 볼륨 격자(532)를 위해 최적의 또는 적절한 입사각이 생성될 수 있다. 전방 조명 장치(300)의 광원의 개별적인 협대역 파장 범위의 출사각들은 서로 약간 다를 수 있다. 제어 가능한 볼륨 격자(532)의 조절에 따라 광은 상기 격자를 통과해서 회절되거나 또는 그 격자 구조에서 제 1 회절 차수로 회절된다. 제어 가능한 볼륨 격자(532)는 예컨대 고분자 분산형 액정 격자일 수 있다. 바람직한 회절 패턴은 제조 공정에서 홀로그램을 기록할 때 국부적 중합화에 의해 형성된다. 전극 구조에 전압의 인가에 따라 이러한 격자에서 격자 소자들 사이의 굴절률차가 조절될 수 있다. 굴절률차가 존재하지 않도록 전압이 선택되면, 광은 회절되어 격자를 통과한다. 전극에서 적절한 전압에 의해 격자 내의 굴절률차는 현재의 재구성 파장 범위에 대해 거의 모든 광이 제 1 차수로 회절되도록 선택될 수 있다.
다중 볼륨 격자로서 형성될 수도 있는 고정 볼륨 격자(533)는 포커스 영역(1001 또는 1002) 내로 각각의 선택된 방향을 포커싱 한다. 개별 파장 범위를 위해 상이한 입사각이 고려될 수 있으므로, 개별 컬러의 포커싱 영역들은 각각 하나의 공통 포커싱 영역을 형성한다.
또한, 위치에 따라 볼륨 격자(533)에 적절한 입사각을 얻기 위해 격자(531 및/또는 532)에서 회절각을 위치에 따라 변경할 수 있고, 따라서 상기 격자에서 높은 회절 효율을 갖는 필수 회절각은 설정될 수 있다. 분할 방식의 어레이가 사용될 수도 있다. 어레이는 진폭 변조기 복소수 변조기에도 적합하다. 특히 백라이트 조명 장치를 포함하는 투과형 변조기가 사용될 수 있다. 무안경 입체 영상 디스플레이의 경우에 예컨대 초점은 관찰자의 좌우 눈을 위해 전환될 수 있다. 일반적으로 관찰자 위치를 따라 초점을 연속해서 트래킹하기 위한 도시되지 않은 광 감응 수단은 어레이를 따라 재조정된다.
도 8은 제어 가능한 액정 위상 격자(541)와 관련해서 이미지 정보를 코딩하기 위한 적어도 하나의 투과형 위상 변조기(400)를 포함하는 광변조 장치의 변형 실시예를 개략적으로 도시한다. 광변조기(400)는 백라이트 조명 장치(300)에 의해 충분한 간섭 광으로 조명된다. 광변조기(400)에 의해 변조된 광은 적어도 하나의 빔 조합 광학 수단(410)에서 진폭 및 위상이 공간적으로 변조된 파면(450)으로 형성된다. 이러한 파면은 파면의 단계적인 편향을 위한 적어도 하나의 제어 가능한 액정 위상 격자(541)에 부딪힌다. 이를 위해 액정 위상 격자(541)는 다수의 전극을 포함하고, 상기 전극은 개별적으로 또는 집단적으로 가변 전압 프로파일에 의해 제어될 수 있다. 가변 주기 길이와 가변 전압 행정에 따른 톱니 모양의 전압 프로파일이 전극 구조에 인가하므로, 액정 격자에 브래그 격자가 형성된다. 이로 인해 격자에 형성되는 위상 프로파일의 톱니 파형에 따라, 격자 주기와 위상 행정이 현재의 작동 파장에 맞게 조정되는 경우에, 상기 격자는 설정된 편향 방향을 위한 블레이즈 격자로서 작용한다. 이로써 파면의 광은 높은 회절 효율로 따라 바람직한 편향 방향으로 회절된다.
일반적으로 액정 위상 격자(541)는 예컨대 3개의 파장에 대해 불연속으로 또는 연속으로 가변 각도를 생성할 수 있다.
얇은 볼륨 격자(542)를 포함할 수 있고 두꺼운 볼륨 격자(543)를 포함하는 후속하는 대물 렌즈에서 두꺼운 볼륨 격자(543)에 기록된 포커스 영역(1001-1005) 중 하나는 액정 위상 격자(541)에 의해 선택된 편향각에 의해 선택된다. 얇은 볼륨 격자(542)는, 액정 격자(541)로부터 방사되는 광을 회절하므로, 적어도 하나의 두꺼운 볼륨 격자(543)를 위해 최적의 또는 적합한 입사각이 형성되고, 이로써 광은 액정 위상 격자(541)에서 높은 회절 효율로 회절될 수 있다.
미세 구조화된 제어 가능한 적어도 하나의 회절 액정 위상 격자를 포함하는 광 감응 수단(600)은 선택된 포커스 영역(1001-1005)을 관찰자의 선택된 눈의 위치를 따라 도 8에 도시되지 않은 시스템 제어부에 의해 연속적으로 또는 정밀 단계적 트래킹하는데 이용된다. 이로써 선택된 관찰자 눈의 재구성을 관찰하기 위한 가시 범위가 형성된다.
도 9에는 대략적 빔 편향을 위한 광 감응 수단이 개략적으로 도시되고, 상기 수단은 평판 백라이트 조명 유닛에 통합된다. 광원(100)은 빔 확장 광학 수단(210)을 통해 시준 광학 수단(220)을 조명한다. 광원(100)은 예컨대 적색, 녹색, 청색 스펙트럼 범위에 대해 개별적으로 제어될 수 있는 적어도 각각 하나의 레이저다이오드를 포함할 수 있다. 시준 광학 수단(220)에 의해 시준된 광은 렌즈 어레이(230)에 의해 애퍼처 어레이(120)의 애퍼처 개구로 정렬된다. 애퍼처 개구는 2차 광원으로 작용하고, 함께 광원 어레이를 형성한다. 광 경로에 광원(100)으로부터 방사된 광의 처리를 위해 다른 광학 소자(110)가 배치된다. 즉, 예를 들어 간섭을 일으키는 스페클(speckle)을 감소시키기 위한 적어도 하나의 이동식 그라운드 글라스가 배치될 수 있고, 상기 그라운드 글라스는 간섭 레이저 빔을 랜덤 위상에 의해 변조한다. 개별 광원(100)과 애퍼처 어레이(120) 대신에 예컨대 필요한 파장 영역의 다수의 레이저 다이오드를 포함하는 광원 어레이가 사용될 수도 있다. 애퍼처 어레이(120)의 개별 2차 광원들은 다른 렌즈 어레이(240)에 의해 시준되고, 수직 방향으로 빔 편향을 위해 제 1 광 감응 소자(550)를 조명한다. 이 경우에도 빔 경로에 2차 광원(120)으로부터 방사된 광의 처리를 위한 다른 광학 소자(130)가 배치될 수 있다. 즉, 적어도 하나의 고정 또는 이동식 그라운드 글라스는 백라이트 조명 장치의 출력면의 공간 간섭성을 적절한 크기로 제한할 수 있으므로, 예컨대 표시될 서브 홀로그램들이 서로 영향을 미치지 않는다. 제 2 광 감응 소자(560)는 광을 수평으로 작용하게 할 수 있다. 또한, 광 감응 소자들(550, 560)은 광을 수평 또는 수직이 아닌 다른 방향으로 작용하게 할 수 있고 또는 변경된 순서로 배치될 수도 있다. 광 감응 소자들(550, 560)은 2차원 광 감응 작용을 하는 광 감응 소자에 통합될 수도 있다. 광 감응 수단(550)으로부터 방사된 광은 광 가이드(260)를 통해 제 1 볼륨 격자(570)를 조명한다. 상기 볼륨 격자는 다른 광 가이드(270)를 통해 광을 제 2 볼륨 격자(580)로 편향한다. 제어 가능한 광 감응 소자들(550, 560)에 의해, 광의 선택된 파장에 분배와 함께 제공되는 광의 각도 분배에 따라 볼륨 격자(570, 580)에 기록된 볼륨 홀로그램에 의해 여기에 도시되지 않은 광변조기를 조명하기 위한 바람직한 각도 스펙트럼이 선택된다. 광 감응 소자(550, 560)에 의한 각도 분배는, 전체 변조기 표면이 균일한 밝기로 조명되도록 설정될 수 있다. 이를 위해 볼륨 격자(570, 580)의 회절 효율은 전술한 바와 같이 위치에 따라 변할 수 있다.
경계면에서 반사를 저지하기 위해, 광 가이드(260, 270)는 바람직하게 해당 볼륨 격자(570, 580)와 가능한 한 크게 차이가 나지 않는 굴절력을 갖는 물질로 이루어져야 한다. 하나 또는 2개의 광 가이드(260, 270)는 웨지(wedge) 형태로 형성될 수 있다. 그러나 상기 광 가이드는 다른 물질, 예컨대 공기로 형성될 수도 있다. 이러한 경우에 경계면은 경우에 따라서 반사 방지되어야 한다.
볼륨 격자(570, 580)에 의해 동시에, 2차 광원(120)에 의해 형성되어 렌즈 어레이(240)에 시준된 조명 파동장의 왜상(anamorphic) 확장이 이루어진다. 이로 인해 볼륨 격자(570, 580)에 기록된 홀로그램 기능의 선택을 위해 공간적으로 더 작은 광 감응 소자(550, 560)가 이용될 수 있다. 이것은 넓은 어레이보다 간단하고 저렴하게 제조될 수 있다. 제어될 수 있는 작은 면의 편향 격자는 더 작은 격자 상수로 제조될 수 있고, 따라서 더 높은 회절 각도가 생성될 수 있다.
시스템 전체의 콤팩트한 구조를 가능하게 하기 위해, 광원(100)과 광 가이드(260) 사이의 광 경로에 광 가이드 섬유 또는 편향 미러와 같은 다른 광학 소자들이 배치될 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 도 9의 실시예의 광 감응 소자의 가능한 구조와 3개의 예시적인 작용을 수평 편향을 위한 광 감응 소자(550)를 참고로 개략적으로 도시한다.
연속하는 제어 가능한 2개의 액정 위상 격자(551, 552)는 수평 변위 유닛으로서 입력 파면(150)에 작용하여, 상기 입력 파면을 출력 파면(160)으로 변환한다.
도 10a의 실시예에서 제어 가능한 2개의 액정 위상 격자(551, 552)에 의해 파동장(150)의 수직 변위와 확산 방향의 각도 변경이 이루어진다.
도 10b에 따른 실시예는 파동장(150)의 확대와 중심점의 변위를 설명한다.
도 10c에 따른 실시예에서 파동장(150)의 출사각의 변위와 국부적인 변동이 이루어진다.
도 11에는 광변조 장치의 변형 실시예가 개략적으로 도시되고, 이 실시예에서 능동 편광 변조 방식의 광 감응 소자와 함께 수동 편광 격자를 이용하여 관찰자의 눈의 위치를 따라 대략적 스텝으로 3D 장면의 재구성의 가시 범위의 트래킹이 이루어진다.
백라이트 조명 장치(300)에 의해 충분히 간섭성으로 조명되고, 재구성될 장면이 코딩된 위상 변조기(400)는 빔 조합 광학 수단(410)에 의해 진폭 및 위상이 공간적으로 변조된 파면(450)을 형성한다. 예컨대 전환 가능하고 또는 제어 가능한 위상차 판으로서 형성된 전환 가능하고 제어 가능한 편광판(591)에 의해 파면(450)의 광은 선택적으로 우측- 또는 좌측 원형으로 편광되어 후속하는 편광 격자(593)로 편향된다. 편광 격자(593)는 광을 입사 광의 편광 방향에 따라 높은 회절 효율로 +1 또는 -1 회절 차수로 회절한다. 전환 가능한 편광판(591)과 편광 격자(593) 사이에 볼륨 홀로그램(592)이 배치될 수 있고, 상기 홀로그램은 전환 가능하고 또는 제어 가능한 편광변조 소자를 통과하는 광을 국부적으로 편광 격자(593)에 적합한 입사각을 생성하는 방향으로 회절한다.
전환 가능하고 또는 제어 가능하게 형성될 수 있는 편광변조 소자(594)는 편광 격자(593) 후방에 배치될 수 있으므로, 소정의 회절 차수로 편향되지 않은 광을 억제할 수 있다.
연속해서 또는 정밀한 단계로 광 편향을 위한 후속하는 광 감응 수단(600)은 변조된 파면(450)의 광을 관찰자의 눈을 향해 편향하므로, 관찰자는 재구성된 3D장면을 인식할 수 있다.
후속하는 편광과 관련된 소자들에 필요한 편광 방향을 설정하거나 또는 선 편광 광을 원 편광 광으로 또는 반대로 변환하기 위해, 어레이는 다른 수동 또는 능동 편광 감응 소자들을 포함할 수 있다.
실시예에 수동 편광 격자(593)가 설명되고, 상기 격자의 격자 주기는 국부적으로 연속하거나 또는 단계적으로 변경된다. 이로 인해 예를 들어 대물 렌즈 기능이 구현될 수 있다. 광 감응 수단(600)이 중립 위치일 때 전환 가능하고 또는 제어 가능한 편광 감응 소자(591 또는 594)의 위치에 따라 파면(450)의 광은 2개의 가시 범위(1001 또는 1002)로 편향된다. 하나 또는 2개의 전환 가능한 또는 제어 가능한 편광 감응 소자들(591 또는 594)도 국부적으로 구조화되고 하나 또는 2개의 방향으로 각각 전환 가능하고 또는 제어 가능하게 구현될 수 있으므로, 통과하는 광의 통과각 및/또는 일시적인 파장 범위의 영향이 보상될 수 있다.
균일한 격자 상수를 갖는 편광 격자(593)가 사용될 수 있다. 상기 편광 격자는 편광 변조 소자(591)의 위치에 따라 변조된 파면(450)의 광을 +1 및 -1의 회절 차수에 의해 결정된 2개의 방향 중 하나의 방향으로 편향한다. 대물 렌즈 기능은 추가로 수동 및/또는 능동 광학 소자, 예컨대 볼륨 격자에 의해 달성될 수 있다.
국부적으로 제어 가능한 편광 변조 소자(591, 594)에 의해 이러한 소자(591, 594)와 수동 편광 격자(593)으로 이루어진 스택에서는 빔 경로에서 그 앞에 배치된 스택 평면의 소자들(591, 593, 594)의 편향각이 파장에 따라 각각의 편광 감응 소자(591, 594)의 편광 변경에 미치는 영향이 보상될 수 있다. 연속하고 인접하는 다른 스택 평면에 속하는 편광 감응 소자들(594, 591)은 공통의 제어 가능한 편광 감응 소자에 포함될 수도 있다.
2개 이상의 포커스 영역 또는 편향 방향을 제공하기 위해 이러한 스택이 사용될 수 있다. 바람직하게 편광 격자(593)는 스택 평면에 동일한 수평 및 수직 위치에서 상이한 격자 상수 및 상이한 회절각을 가지므로, 전체적으로 가능한 한 균일하고 가능한 한 정밀한 단계가 달성될 수 있고, 따라서 이중 포커스 영역은 방지된다.
제어 가능한 격자 주기를 갖는 편광 격자들(593)을 사용함으로써 층들의 개수는 그 스택 내에서 작게 유지될 수 있다.
또한, 전환 가능한 편광 격자(593)에 의해 제 0의 회절 차수가 이용될 수 있다.
층 두께, 광학 위상 지연 및 액정 분자의 회전 각도의 적절한 조합에 의해 편광 격자(593)가 형성될 수 있고, 상기 편광 격자는 넓은 파장 범위에 대해 거의 100%의 회절 효율을 갖는다. 각각의 소자들이 다른 파장 범위에 대해 최적화된 전환 가능한 편광 격자들(593)의 스택이 사용될 수도 있다.
컬러 다중화 모드에서 실제 스펙트럼 범위에 최적화된 격자만이 활성화될 수 있다.
위상 변조기(400)와 빔 조합 광학 수단(410) 대신에 복소 광변조기가 사용될 수 있다. 또한, 전방 조명 장치와 함께 반사형 변조기의 사용도 가능하다.
구현된 실시예에서 코딩된 홀로그램을 스캐닝 장치에 의해 제공하거나 또는 다수의 광변조기를 포함하는 광변조기가 사용될 수도 있다. 또한, 홀로그래픽 또는 무안경 입체 형상 디스플레이는 다수의 별도의 광변조 장치들을 포함할 수 있고, 상기 장치들은 함께 3D 장면을 재구성하고 또는 입체 영상 이미지를 형성한다.
모든 능동 소자들의 제어는 모든 실시예에서 시스템 제어부에 의해 눈 위치 검출 시스템에 의해 검출된 관찰자 눈의 위치를 참고로 이루어질 수 있고, 이 경우 예를 들어 광학 소자의 이미지 오류, 온도 영향, 조명 장치(300)의 휘도 편차로 인한 파면의 국부적 편차는 및 광변조기(400)의 변조 오류가 가능한 한 고려될 수 있고 보상될 수 있다. 필요한 경우에, 이러한 오류는 검정 측정에 의해 검출되거나 또는 능동적으로 실시간 측정될 수 있다.
또한, 전술한 실시예들은 청구된 교리의 설명에만 이용되고, 본 발명은 이러한 실시예에만 제한되지 않는다.
100 광원 어레이
101-123 광원
200 시준 광학 수단
201-203 렌즈
400 광 변조기
500, 600 광 감응 수단
800 눈 위치 시스템
900 시스템 제어부
1000 가시 범위

Claims (20)

  1. 3차원 이미지 정보를 표시하기 위한 홀로그래픽 또는 무안경 입체 영상 디스플레이(autostereoscopic display)용 광변조 장치로서,
    적어도 하나의 실제 또는 가상의 광원(100), 적어도 한 관찰자의 적어도 하나의 관찰자 눈(1100)에 대하여 디스플레이될 이미지의 이미지 정보를 인코딩하기 위한 적어도 하나의 광변조기(400), 상기 광원(100)으로부터 방사된 광의 광 경로를 변경하기 위한 제 1 및 제 2 광 감응 수단(500, 600), 상기 이미지 정보의 적어도 한 관찰자의 적어도 하나의 눈 위치를 검출하고 추적하기 위한 눈 위치 검출 시스템(800), 및 상기 제 1 및 제 2 광 감응 수단(500, 600)을 이용해서 상기 눈 위치 검출 시스템으로부터 제공된 눈 위치 데이터(901)에 기반하여 상기 이미지 정보의 적어도 하나의 가시 범위(1000)를 트래킹(tracking)하기 위한 시스템 제어부(900)를 포함하는 광변조 장치에 있어서,
    상기 제 1 광 감응 수단(500)은 상기 관찰자 범위 내의 가시 범위(1000)를 관찰자 눈을 따라 대략적 스텝(coarse step)으로 트래킹하고, 상기 제 2 광 감응 수단(600)은 적어도 하나의 전기 제어 가능한 회절 격자를 이용해서 상기 가시 범위(1000)를 적어도 상기 제 1 광 감응 수단(500)의 하나의 대략적 스텝의 범위 내에서 상기 관찰자 눈(1100)을 따라 미세 등급화하여 또는 연속해서 트래킹하는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광 감응 수단(600)은 광 전파 방향으로 상기 제 1 광 감응 수단(500)의 전방 또는 후방에 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 광 감응 수단(500, 600) 중 적어도 하나는 상기 광변조기(400)의 전방 또는 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 광 감응 수단(500) 및 상기 제 2 광 감응 수단(600) 중 적어도 하나는 상기 광원(100)의 위치 및 광의 빔 방향 중 적어도 하나를 변경할 수 있고, 이 경우 상기 광원(100)의 위치는 하나 또는 2개 또는 3개의 차원에서 설정될 수 있고, 광의 빔 방향은 수평 및 수직 방향 중 적어도 하나에서 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광 감응 수단(500, 600) 중 적어도 하나는 복수의 광 감응 요소들로 구성되고, 상기 광 감응 요소들에 의해 빔 방향 및 상기 광원(100)의 위치 중 적어도 하나가 서로 독립적으로 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 상기 제 2 광 감응 수단(500, 600) 중 적어도 하나에서의 빔 방향 변동의 크기 및 상기 광원(100)의 위치 변동의 크기 중 적어도 하나는 상기 광 감응 수단(500, 600)의 표면에 대한 광의 입사 위치에 따라 변경될 수 있어, 트래킹 기능에 추가하여 고정된 또는 가변적인 초점 거리를 갖는 대물 렌즈 기능이 구현될 수 있거나 또는 상기 대물 렌즈 기능이 지원되는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 광 감응 수단에서 적어도 하나의 광원(100)의 위치 변동은 상기 적어도 하나의 광원(100)의 기계적 이동 및 상이한 위치들에서의 복수의 광원(100)의 강도 변경 중 적어도 하나에 의해 구현될 수 있는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 광 감응 수단(500)은 광에 회절 및 굴절 중 적어도 하나의 작용을 하는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 광 감응 수단(500)은 하나 이상의 연속하는 스위치가능(switchable) 회절 격자를 포함하고, 상기 회절 격자는 고정된 또는 위치에 따라 가변적인 격자 주기를 갖는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 광 감응 수단(500)은 상기 광원의 위치 및 빔 방향 중 적어도 하나를 변경시키기 위한 장치를 포함하고, 상기 제 1 광 감응 수단은 적어도 하나의 볼륨 홀로그램(502)을 포함하고, 상기 볼륨 홀로그램(502)에는 광 입사 방향의 변경에 의해 선택될 수 있는 적어도 2개의 각도 선택적인 회절각 및 대물 렌즈 기능 중 적어도 하나가 기록되는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    적어도 하나의 광원과 적어도 하나의 볼륨 홀로그램 사이에 수평 변위 유닛, 수직 변위 유닛, 및 틸팅 유닛 중 적어도 하나가 제공되고, 상기 유닛들은 상기 볼륨 홀로그램(502) 상의 입사각 및 입사 지점 중 적어도 하나가 변경가능하도록, 상기 광원에 의해 방사된 광에 대하여 제어가능하게 영향을 미치는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 하나의 실제 또는 가상의 광원이 제공되고, 상기 광원은 조밀하게 나란히 배치된 적어도 2개의 협대역 파장 범위로 상기 제 1 광 감응 수단을 스위치가능하게 조명하고, 상기 제 1 광 감응 수단은 적어도 하나의 볼륨 홀로그램(502)을 더 포함하고, 상기 2개의 파장 범위에 매칭되는 파장-선택적인 적어도 2개의 회절각 및 대물 렌즈 기능 중 적어도 하나가 상기 볼륨 홀로그램(502)에 기록되고, 상기 회절각 및 대물렌즈 기능 중 적어도 하나가 광원의 파장의 변동에 의해 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 광 감응 수단은 적어도 하나의 볼륨 홀로그램(502)을 포함하고, 적어도 2개의 각도-선택적인 그리고 적어도 2개의 파장-선택적인 회절각 및 대물 렌즈 기능 중 적어도 하나가 상기 볼륨 홀로그램(502)에 기록되는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 광 감응 수단의 상기 적어도 하나의 볼륨 홀로그램(502)은 나란히 배치된 적어도 2개의 볼륨 홀로그램들을 포함하고, 상기 볼륨 홀로그램들은 상이한 방향으로 광을 편향시키고, 또는 광을 상이한 위치들 상에 포커싱하기 위해, 상이한 입사각 및 파장 범위 중 적어도 하나에 맞게 조정되는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 광 감응 수단은 광의 빔 방향을 변경하기 위해, 적어도 하나의 스위치가능한 위상 차 판(retardation plate)과 적어도 하나의 이중 굴절 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이중 굴절 렌즈는 액정 렌즈인 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    광의 빔 방향을 변경하기 위해, 고정된 또는 편광 격자의 표면을 따라 가변적인 격자 주기를 갖는 적어도 하나의 이중 굴절 편광 격자(593)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 광 감응 수단은, 광의 빔 방향을 변경하기 위해, 고정된 또는 편광 격자의 표면을 따라 가변적인 스위치가능한 격자 주기를 갖는 적어도 하나의 이중 굴절 편광 격자(593)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    적어도 하나의 이중 굴절 스위치가능 편광 격자(593)가 제공되고, 상기 편광 격자는 기울어진 광 입사를 위한 것이고, 또는 적어도 2개의 파장에 대해 애크로매틱(achromatic) 특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 광 감응 수단(600)은 적어도 하나의 가변 회절 격자를 포함하고, 상기 회절 격자와 함께 상기 회절 격자의 격자 주기의 제어가능하게 연속적인 또는 위치에 따라 가변적인 변동에 의하여 빔 방향 변경들이 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    적어도 하나의 가변 회절 격자는 액정층을 포함하고, 상기 액정층의 위치에 따라 고정된 또는 가변적인 격자 주기는 전극 구조에 전압 프로파일을 인가함으로써 변경되는 것을 특징으로 하는, 광변조 장치.
KR1020137019358A 2010-12-22 2011-12-21 관찰자 트래킹을 위한 조합된 광변조 장치 KR101876944B1 (ko)

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