복소 정보를 갖는 파동장을 변조하는 공간 광변조 장치

복소 정보를 갖는 파동장을 변조하는 공간 광변조 장치{THREE-DIMENSIONAL LIGHT MODULATION ARRANGEMENT FOR MODULATING A WAVE FIELD HAVING COMPLEX INFORMATION}

본 발명은 비디오 홀로그램 정보, 특히 그 물체광점들(object beam points)을 홀로그래피로 재구성할 3차원 장면의 이산 복소 물체광점 값들(discrete complex object beam point values)들의 비디오 홀로그램 정보를 갖는 광파 파동장(light wave field)을 변조하는 광변조 장치에 관한 것이다. 본 발명은 위치 제어부, 아이 파인더(eye finder), 및 홀로그래피 재구성물의 관측 시에 관측자의 위치가 바뀔 경우에 실제 눈 위치가 전파되는 변조 광파 파동장의 광축을 추적하게 하는 광학 파동 추적부를 구비한 홀로그래피 재구성 시스템에 우선적으로 사용될 수 있다. 그러한 타입의 홀로그래피 재구성 시스템은 예컨대 WO 2006/119760 A2에 공개된 바 있다.

본 발명은 홀로그래피 정보를 제공하는 유형과는 상관이 없이 적용될 수 있고, 동시에 다수의 관측자들이 홀로그래피로 재구성된 비디오 장면들을 관측하는 것을 가능하게 하는 시스템에도 사용될 수 있다.

주지된 바와 같이, 비디오 홀로그래피의 수단에 의해 3차원 장면을 재구성하기 위해, 광파 발생기가 공간 광변조 장치로 간섭성 광파들을 방출하는 지향된 광파 파동장을 생성한다. 광변조 장치를 간단히 제어할 수 있는 이점을 얻기 위해, 광변조 장치는 규칙적인 구조의 변조 소자들을 구비하는 것이 유리한데, 재구성할 비디오 장면에서 물체광점들이 입체적으로 배열되는 결과, 변조 제어부는 그 변조 소자들을 이산 복소 홀로그램 값으로 각각 코딩한다.

본 명세서에서, "코딩한다"라는 것은 광변조 장치의 변조기 셀들의 실제의 광 전달 거동을 이산적으로 설정하는 것을 의미한다. 그러한 코딩의 결과, 변조기 셀들은 변조되어 출사하는 광파 부분들이 보강 간섭/소멸 간섭에 의해 비디오 신호로 기록된 장면의 다수의 물체광점들을 공간 광변조 수단의 배후에 있는 공간에 재구성하도록 그에 입사하는 간섭성 광파 파동장의 광파 부분들을 변조한다.

본 발명의 의미에서, 이산 복소 홀로그램 값들은 변조 필드(modulation field)를 비디오 홀로그램으로 이산 코딩하기 위한 홀로그래피 정보를 포함한다. 이때, 변조 제어부는 각각의 변조 소자의 광전달 함수의 진폭 및/또는 위상에 영향을 미치기 위해 복소수의 의미에서의 실수부와 허수부와 같은 코딩 값 성분들로 각각의 변조 소자를 코딩한다.

종래의 광변조 장치들은 통상적으로 진폭 변조기 또는 위상 변조기로서만 동작하고, 단일의 실제 광도 값으로만 광파들에 영향을 미친다. 즉, 그러한 변조기들은 그 셀 코딩을 통해 진폭 정보만을 또는 위상 정보만을 국부적으로 변경한다.

비디오 홀로그래피를 위해, 광변조 장치들은 실시간 능력 및 풀-컬러(full-color) 능력이 있어야 하고, 대용량 재구성들을 허용하여야 한다.

각각의 광변조 장치는 변조 소자들이 규칙적으로 배열된 적어도 하나의 변조 필드를 포함하는데, 여기서 각각의 변조 소자는 다수의 변조기 셀들을 포함한다. 통상적으로, 변조 필드는 공간 광변조기(SLM = Spatial Light Modulator)에 의해 구현된다. 그러한 공간 광변조기는 픽셀로서 지칭되는 개개의 변조기 셀들을 구비한다.

홀로그램의 재구성 원리에 상응하게, 변조 제어부는 장면의 해당 이산 복소 물체광점 값들을 기반으로 물체광점의 홀로그래피 재구성에 관여하는 모든 변조 소자들에 대해 동시에 이산 복소 홀로그램 값들을 계산한다.

코딩 전에, 각각의 이산 복소 홀로그램 값에 대해 해당 코딩 값 성분들이 형성된다. 각각의 변조 소자에 대한 코딩 값 성분들은 각각의 변조 소자의 모든 변조기 셀들이 연동하여 변조 소자에 의해 예상되는 광변조를 구현하도록 계산되고 서로 맞춰진다. 변조 제어부는 예컨대 코딩 전에 장면에 대한 깊이 정보를 갖는 비디오 신호로부터 복소 물체광점 값들을 계산한다.

예컨대, 다수의 적층된 공간 광변조 필드들의 조합을 포함하는 광변조 장치가 US 5,416,618로부터 공지되어 있다. 진폭 광변조기 셀들을 구비한 하나의 광변조 필드와 위상 광변조기 셀들을 구비한 하나의 위상 광변조 필드 또는 동일한 타입의 광변조기 셀들을 구비한 2개의 광변조 필드들이 광의 전파 방향으로 적층된다. 그러한 적층에 의해, 다수의 광변조기 셀들로 이뤄지고 전파되는 광파 파동장을 복소 홀르그램 값들로 변조하는 광변조 소자들이 생성된다. 그러나 광변조 필드들의 조립 시에 셀 구조들의 합동 동일성을 구현하는데에 상당한 조정 비용이 필요하다고 하는 단점이 있다.

그러한 단점은 다수의 변조기 셀들의 그룹에 의한 복소 홀로그램 값이 하나의 변조 필드에 의해 구현될 경우, 특히 다수의 변조기 셀들이 광의 전파 방향으로 서로 나란히 배열되는 경우 발생하지 않게 된다.

따라서 본 특허 출원에 따른 광변조 장치는 규칙적으로 구조화되고 이산 코딩 가능한 변조기 셀들을 구비한 적어도 하나의 변조 필드를 포함하는데, 여기서 변조기 셀들은 광학 작용 및 전기 제어에 있어 공통의 변조 소자로 각각 결합한다. 그러한 광변조 장치의 광변조 소자들은 필드 형태로 배열되고, 전파되는 광파 파동장의 간섭성 광파들을 입체적으로 구조화되게 변조한다. 그것은 각각의 변조 소자가 전파되는 광파 파동장에서 변조 필드에 실제로 입사한 파동 부분만을 변조 소자에 대한 실제 홀로그램 값에 상응하게 변경한다는 것을 의미한다. 그를 위해, 변조 제어부는 변조 소자에 할당된 복소 물체 샘플링 값의 별개의 값 성분을 개개의 변조기 셀들 각각에 제공한다.

따라서 각각의 변조 소자는 위상 변조기 셀은 물론 진폭 변조기 셀로 구성될 수 있는 변조기 셀들의 조합을 포함한다. 그것은 변조기 셀들의 구조적 구성 및 국부적 배열 여하에 따라 각각의 변조 소자가 입사하여 전파되는 광파 파동장의 광파 부분을 하나의 변조기 셀에 의해 파동 위상에 있어 변조하고 다른 변조기 셀에 의해 파동 진폭에 있어 변조하거나, 모든 변조기 셀들에 의해 파동 위상에 있어서만 또는 파동 진폭에 있어서만 변조한다는 것을 의미한다.

본 출원인은 광변조 소자마다 상이한 값 성분에 의해 서로 별개로 설정될 수 있는 위상 변조만을, 예컨대 소위 2-위상 코딩만을 사용하는 변조 소자들에 의한 설명된 공간 광변조의 기본 원리를 WO 2007/082707 A1에 이미 개시한바 있다.

상기 공개 공보는 공간 광변조 장치를 다수의 위상 값들로 코딩하는데에 유리한 타입을 보이고 있다. 그러한 타입에서, 복소 물체 샘플링 값은 동일한 진폭 크기와 상이한 위상 값들을 갖는 2개의 위상 성분들의 합으로 나타내지고, 동일한 변조 필드의 2개의 인접 위상 변조기 셀들에서 코딩된다. 그것은 그러한 타입에서는 위상 ψ와 0 내지 1의 진폭 a를 갖는 각각의 복소 물체 샘플링 값이 진폭 단위 크기와 위상 값들 ψ± acos a를 갖는 2개의 복소 위상 성분들의 합을 포함한다는 것을 의미한다. 상기 국제 공개 공보는 하나의 변조 소자에 대한 위상 변조기 셀들의 수를 2개로 한정할 필요가 없다는 것도 또한 언급하고 있다.

전적으로 위상 변조만을 사용하는 공간 광변조 장치는 진폭 변조용 변조기 셀들에 의한 광파 변조에 비해 상당한 이점을 갖는다. 2-위상 코딩에 의한 광변조 장치는 재구성물의 더 높은 밝기를 구현하는데, 왜냐하면 각각의 위상 설정에서 변조기 셀들이 최대의 광 투과성을 구현하기 때문이다. 2-위상 코딩의 또 다른 이점으로서, 재구성에서의 파장 의존성이 우수하고, 그것은 품질상으로 가치가 높은 비디오 장면의 컬러 재구성을 가능하게 한다.

전술한 2-위상 코딩에 의해, 변조 소자의 인접 변조기 셀들이 변조하는 간섭성 광파 파동장의 광파 부분들이 복소 물체 샘플링 값의 모든 위상 성분들로 동시에 제어 가능한 개개의 변조기 셀이 변조하는 광파 부분들과 동일한 간섭 작용을 보이는 것이 달성되어야 한다.

그러나 그것은 구현되기 어려운데, 왜냐하면 변조 필드에서 변조 소자로 결합하는 변조기 셀들이 공간 오프셋을 두고 서로 나란히 놓이고, 홀로그램의 타입 여하에 따라 재구성되는 물체광점의 관측자의 눈 위치에 의존하여 또는 예컨대 푸리에 홀로그램에서는 그들이 변조하여야 할 물체광점이 차지하는 위치에 의존하여 경로 차라고도 지칭되는 광로 차들을 갖기 때문이다. 그러한 변조기 셀들의 오프셋은 변조 소자의 변조기 셀들 사이의 위상 차들을 일으키는데, 그 위상 차들은 홀로그램의 타입 여하에 따라 관측자의 눈 위치에 의존하여 달라지거나 시스템의 광축에 대한 재구성되는 물점(object point)의 원하는 각위치에 의존하여 달라지고, 비디오 장면의 재구성물의 품질을 떨어뜨리며, 그에 따라 각각의 변조 소자에 대해 보정을 필요로 하게 한다. 전술한 바와 같이 관측자의 위치 변경 시에 전파되는 변조 광파 파동장을 추적하는 위치 제어부 및 아이 파인더를 구비한 홀로그래피 재구성 시스템에서도, 관측자의 이동 공차는 아이 파인더에 의해 검출된 눈 위치 주위로 수 밀리미터인 것이 바람직하다. 발생하는 광로 차들은 홀로그래피 재구성물의 관측 시에 홀로그래피 재구성 시스템의 전방에서의 관측자의 그러한 이동 자유도를 현격히 제한한다.

전술한 문제점의 해법은 "복소치 정보의 표현을 위한 광변조기"라는 명칭의 국제 특허 출원 WO 2008/132206 A1에 제안되어 있다. 그 해법에 따르면, 변조 필드의 광로에, 즉 변조 필드의 전방 및/또는 후방에 복굴절 재료로 이뤄진 구조화된 지연 층이 바람직하게는 변조기 셀들과 밀착하여 놓이는데, 그 지연 층은 적어도 각각의 변조 소자의 하나의 변조기 셀에 대해 변조되어 출사하는 광파 부분의 광학 경로가 각위치에 의존하여 변조 소자의 나머지 셀들에 의한 광로에 맞춰 적응되게 한다. 그러한 지연 층의 층 두께는 지연 층이 광로 길이의 변동에 의해 각각의 변조 소자의 변조기 셀들 사이에서 일어나는 각위치에 의존한 광학 경로의 변경을 저지하고 그것을 적어도 부분적으로 보상하도록 구성된다. 그러한 해법의 단점은 측방으로 매우 미세하게 구조화되면서도 동시에 매우 두꺼운 층을 필요로 한다는 것이다.

"광선의 임의의 단면에서 물체의 위치를 결정하는 장치"라는 명칭의 공개 공보 DE 2 058 418은 특히 점광원 및 사바르 판(Savart plate)을 사용하고 있다. 그 공개 공보에서, 사바르 판은 그 주단면들이 서로 수직으로 회전되어 배치되는 2개의 직렬 연결된 단축성(uniaxial) 복굴절 판상 결정들로 이뤄지는데, 양 결정들에서의 광축과 결정 표면 사이의 각도는 동일하다. 그 문헌은 사바르 판이 입구 측에서 공급되는 원천 광원의 광선을 출구 측에서 2개의 선형 편광 부분 광선들로 분할하는데, 그 2개의 부분 광선들이 서로 수직으로 편광되고, 외견상 입구 측에서 원천 광원을 기준으로 대칭으로 일 평면에 놓이는 2개의 선형 편광 가상 광원들로부터 발원하는 것처럼 보인다는 것을 교시하고 있다. 그 외에, 그 문헌은 가상 광원들이 면대칭으로 배치되는 기준이 되는 평면의 각각의 점에서는 서로 수직으로 편광된 부분 광선들 사이에 광로 차가 발생하지 않는다는 것을 교시하고 있다. 다른 모든 점들에서는 부분 광선들 사이에 광로 차들이 발생한다.

본 발명에서, 사바르 판이란 개념은 적어도 하나의 개별적인 단축성 복굴절 판상 결정에 대해 일반적으로 사용된다. 복굴절 재료도 또한 예컨대 석영, 방해석과 같은 통상의 결정에 한정되는 것이 아니라, 예컨대 배향된 중합체 및/또는 적절한 중합체 층 또는 적절한 포일에 의해서도 생성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 변조기 셀들을 어떻게 구성하는지 여부는 중요치 않다. 예컨대, 액정 셀들 또는 전기 습윤(electrowetting) 셀들을 구비한 변조 필드가 사용될 수 있다. 변조기 셀들은 파동장의 광파들의 통과 또는 반사 시에 변조 필드가 그 광파들을 변조하도록 제공될 수 있다.

그러나 위상 변조기 셀들을 구비한 공간 광변조 장치에 대한 대안은 변조 필드에 전적으로 진폭 변조기 셀들만을 포함할 수 있는데, 이때 각각의 변조 소자가 다수의 진폭 변조기 셀들을 포함한다. 복소수의 실수부에 대한 하나와 허수부에 대한 다른 하나로 이뤄진 2개의 진폭 변조기 셀들을 포함하는 광변조 장치에 대한 하나의 타입의 코딩은 바이어스 코딩으로 공지되어 있다. 3개의 진폭 변조기 셀들을 포함하는 광변조에 대한 다른 타입의 코딩은 부르크하르트(Burckhard) 코딩으로 공지되어 있다.

변조 필드에 있는 변조기 셀들의 타입과는 상관이 없이, 다수의 인접한 변조기 셀들을 구비한 복소 변조 소자에서는 광로 길이가 각위치에 의존하여 변함으로 인해 변조기 셀들 사이에서 위상 오차가 항상 발생하고, 그러한 위상 오차는 재구성물의 품질을 현격히 떨어뜨린다.

본 발명의 과제는 그 위치에 있어 가로 오프셋된 다수의 변조기 셀들을 구비한 복소 변조 소자를 포함하는 공간 광변조 장치에 있어서 동일한 변조 소자의 변조기 셀들 사이의 광로 차들을 보상하는 보상 수단을 제공하는 것이다. 또한, 적어도 보상은 예컨대 광파 파동장을 발생시키는 역할을 하는 광원에서의 온도 변화로 인해 일어나는, 변조에 사용되는 광파 파장들의 변동과는 무관하여야 한다.

변조 소자로부터 출사하는 변조 광파 부분은 홀로그래피 재구성 시에 그 광파 부분이 원래 이산 복소 홀로그램 값들로 변조 가능한 각각의 단일 콤팩트 변조기 셀로부터 나오는 것처럼 각각 작용하여야 한다. 본 발명의 수단에 의해 처리되는 그러한 광파 부분들은 광로 차들로 인해 유발되는 위상 차들을 내포하고 있지 않다.

본 발명은 개별적으로 또는 이산적으로 코딩 가능한 변조기 셀들을 구비한 적어도 하나의 변조 필드를 포함하는 광변조 장치로부터 출발한다. 변조기 셀들은 변조 소자로 결합한다. 그러한 변조기 셀들에 의해, 전파되는 광파 파동장의 간섭성 광파들이 입체적으로 구조화되어 홀로그래피 정보로 변조될 수 있다. 각각의 변조 소자의 변조기 셀들은 전파되는 광파 파동장의 전파 방향으로 변조 필드에 서로 나란히 배열되고, 각각의 변조 소자는 입체적으로 배열된 물체광점들을 홀로그래피로 재구성하거나 재현하기 위해 소정의 이산 복소 물체 샘플링 값으로 코딩될 수 있다.

전술한 단점들을 피하기 위해, 본 발명에 따른 광변조 장치에서는 변조 필드(ME)의 변조기 셀들에 광파 다중화 수단이 할당되는데, 그러한 광파 다중화 수단은 각각의 변조 소자에 있어 변조기 셀들에 의해 변조된 광파 부분들을 굴절 또는 확산에 의해 출구 측에서 변조 광파 다중체(modulated light wave multiplex)로 결합시킬 수 있되, 변조 광파 다중체가 대략 공통의 지점에서(즉, 본질적으로 공간적으로 겹쳐져서) 대략 동일한 전파 방향으로 변조 소자를 떠나도록 결합시킬 수 있다.

본 발명의 의미에서, 출사하는 광파 부분들의 공간 다중화를 위한 "광파 다중화 수단 또는 광학 다중화 수단"이란 본 명세서에서는 광학 어셈블리의 입사 면의 여러 지점들에서 입사하는 대략 평행하게 지향된 입사 광파 부분들을 광학 어셈블리 또는 광학 소자 유닛의 내부에서 파동 전향 요소들의 구조에 의해 전향시키되, 적어도 정해진 광파 부분들이 출사 면의 공통의 출사 위치에서 거의 단일의 전파 방향으로 광학 어셈블리를 떠나도록 전향시키는 구조화된 광학 어셈블리를 의미한다.

광학 공간 다중화 수단은 변조 필드에 가능한 한 가깝게 배치되고 광학 광파 전향 요소들을 구비한 면 구조를 갖는 평탄한 광학 판 유닛으로 구성되고, 광학 광파 전향 요소들은 그 형태, 크기, 및 위치에 있어 변조 소자의 변조기 셀들과 합동으로 대응되며, 광학 광파 전향 요소들에서 적어도 변조기 셀들의 일부에 있어 광파 출사의 지점이 광파 입사의 지점에 대해 오프셋되어 배치되게 되는 것이 바람직하다.

변조 소자마다 원하는 공간 광파 다중화는 변조 필드의 시스템 축과는 상이한 광학 전달 축을 그 내부에 갖는 광파 전향 요소들을 각각의 변조 소자의 변조기 셀들의 적어도 일부에 대응시켜 광파 부분들이 출사 면의 전술한 공통의 출사 위치에서 단일의 전파 방향으로 각각의 변조 소자의 모든 변조기 셀들을 떠나게 함으로써 달성된다. 이때, 광학 다중화 수단은 각각의 변조 소자에 대해 별개의 광파 출사 위치를 구현한다.

광학 공간 다중화 수단으로서는, 그 구조에 있어 변조 소자들의 변조기 셀들의 형태, 크기, 및 위치에 맞춰진 체적 홀로그램들, 마이크로프리즘 필드들, 및/또는 복굴절 광학 소자들을 포함하는 포일 어셈블리와 같은 구조화된 평판형 광학 기구가 사용될 수 있다.

빔 결합기( beam combiner) 로서의 편광 격자

상이한 변조기 셀들을 통과하는 광 부분들이 상이한 길이의 광로를 나아갈 경우, 소정의 또는 원하는 광 간섭을 얻기 위해서는 일반적으로 변조기 셀을 통과하는 광에 대한 다른 변조기 셀을 통과하는 광의 경로 차를 오프셋 위상에 의해 보정하는 것이 필요하다. 그에 추가하여, 이미 전술한 바와 같이 상이한 변조기 셀들을 통과하는 광 부분들의 경로가 온도 변동들에 기인하여 변하는 것도 보정하는 것이 필요하다.

그것은 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이 대칭적인 광 편향을 갖는 어셈블리에 의해 이뤄질 수 있다. 즉, 우선 변조기 셀들 중의 하나로부터 나오는 광과 어셈블리의 제2 부분에서 다른 변조기 셀(픽셀)로부터 나오는 광을 변조기 셀 간격 또는 픽셀 피치(pixel pitch)의 절반만큼 각각 편향시킨다. 그러한 어셈블리들은 선택적으로 서로 회전된 2개의 사바르 판들 또는 2개의 회절 격자들(예컨대, 도 6 또는 도 7 참조)을 대신한 총 4개의 회절 격자들 및 부가적으로 2개의 사바르 판들 사이의 또는 2개씩의 회절 격자들 사이의 편광 회전 층을 필요로 한다.

회절 격자들 이외에, 다른 타입의 격자 구조들, 특히 편광 격자(polarization grating)들이 공지되어 있다. 그들은 회절 격자로서 사용되거나 최대 효율로의 빔 편향을 위해 1차 회절 차수들 중의 하나로만(+1 차수 또는 -1 차수로만) 사용되는데, 그것은 흔히 +1 차수 50% 및 -1 차수 50%를 갖는 다른 공지의 격자들과는 대조적이다.

편광 격자는 직선 편광된(linear polarized) 광을 50%까지 +1 차수로 그리고 50%까지 -1 차수로 편향시키지만, 원 편광된(circular polarized) 광을 100%까지 그 1차 차수들 중의 하나로 편향시킨다는 특성을 갖는다. 1차 차수들 중의 어떤 차수로 편향되는지는 우원 편광된(right-circular) 광인지 좌원 편광된(left-circular polarized) 광인지 여부에 의존하여 달라진다.

특히, 상이한 파장들에 대해 높은 회절 효율을 갖는 색지움 편광 격자(achromatic polarization grating)가 공지되어 있는데, 그것은 인용 문헌 [1]에 개시되어 있다.

본 발명의 또 다른 과제는 최소의 수의 격자 구조들로 이뤄진 어셈블리에 의해 2개의 위상 픽셀들의 조합을 얻되, 특히 2개의 위상 픽셀들에 대한 빔 진로가 대칭으로 이뤄지고, 그에 의해 예컨대 온도 및 다른 환경 영향으로 인한 두께 변동들에 대한 저항성이 있도록 2개의 위상 픽셀들의 조합을 얻는 것이다.

그것은 첫째로 지금까지의 방법들과는 달리 구조화된 λ/4 층(λ/2 층 대신에)을 2개의 위상 픽셀들의 출구에 사용함으로써 달성된다.

2개의 변조기 셀들 또는 픽셀들에 λ/4 층들을 상이하게 배향시킴으로써, 변조 필드 또는 SLM의 출구에서 직선 편광으로부터 출발하여 변조 소자(마크로 픽셀)의 2개의 위상 픽셀들 중의 하나로부터 좌원 편광(left-circular polarization)이 생성되고, 다른 하나로부터 우원 편광(right-curcular polarization)이 생성된다.

둘째로, 회절 격자를 사용하지 않고, 그 대신에 편광 격자를 사용한다. 편광 격자는 상이한 원 편광으로 인해 2개의 위상 픽셀들로부터의 광을 반대 방향으로 편향시킨다. 이후, 2개의 픽셀들로부터의 광은 스페이서(회절 격자 스택에서와 유사한 요소)에 의해 서로를 향하여 이동하는데, 다만 그 경우에 서로 대칭으로 이동한다. 2개의 빔들이 편향되기 때문에, 또 다른 이점으로서 특정의 경우에는 스페이서가 회절 격자를 사용하는 경우보다 더 얇게 구성될 수 있다. 광은 제2 편광 격자에 의해 다시 직선으로 지향되거나 2개의 상이한 전파 방향으로부터 공통의 전파 방향으로 전향된다.

이어서, 사바르 판 및 회절 격자 스택에서와 같이, 중첩된 광을 편광 판(polarizer)에 의해 복소 값으로 결합한다. 그러나 그러한 편광 판은 사바르 판 또는 회절 격자를 구비한 어셈블리에 비해 45°만큼 변경된 그 통과 방향의 배향을 갖는다. 즉, 수직으로 되거나 수평으로 된다.

그것은 존스 행렬(Jones matrix)에 의거하여 써질 수 있다.

우원 편광된 광은 다음에 비례하는 존스 벡터(Jones vector)를 갖는다.

좌원 편광된 광은 다음의 존스 벡터를 갖는다.

2개의 위상 픽셀들(변조기 셀들)로부터의 광이 위상

수평 편광 판은 다음의 존스 행렬을 갖는다.

즉, 그 편광 판에 따르면, 2-위상 코딩에서 의도되는 바와 같이 다음의 복소 값이 구현된다.

대안적으로, 수직 편광 판에서는 복소 값이 다음과 같이 표현된다.

그것은 회절 격자, 직선 편광된 광, 및 +45도 또는 -45도 하의 편광 판들에 있어 얻어지는 결과들과 같은 결과들에 해당한다.

빔 결합은 컬러 디스플레이에서 특히 적녹청 광에 대해 이뤄져야 한다.

인용 문헌 [1]에 개시된 바와 같은 색지움 격자를 사용할 수 있다. 그러나 하나의 파장에만 맞춰 최적화된 더욱 단순한 격자를 사용하는 것도 가능하다. 다른 파장들에 있어서는 회절 손실이 주어진다. 그러나 개구들에 의해 비회절 광을 차단할 수 있고, 그에 따라 홀로그래피 디스플레이의 관측자가 방해를 받지 않게 된다.

이전의 해법들과 관련하여 이미 제안된 바와 같이, 파장에 따라 가변적인 편향 각도도 역시 개구들에 의해 보상될 수 있다.

도 9는 인용 문헌 [2]에 의거한 선행 기술에 따른 편광 격자의 기능 방식을 도시하고 있다. 그 도면에는 동적 소자(dynamic element)가 도시되어 있다. 그러나 본 발명에서는 수동 소자(passive element)를 사용할 것이다.

도 10은 회절 격자에서의 빔 진로(비대칭)를 도시하고 있다. 픽셀 P01의 배후에 제1 배향을 갖는 λ/2 판이 배열되고, 픽셀 P02의 배후에 다른 배향을 갖는 λ/2 판이 배열된다. 도 11은 편광 격자들을 구비한 어셈블리에서의 빔 진로(대칭)를 도시하고 있다. 픽셀 P01의 배후에 제1 배향을 갖는 λ/4 판이 배열되고, 픽셀 P02의 배후에 다른 배향을 갖는 λ/4 판이 배열된다.

도 12는 예시적인 어셈블리를 도시하고 있다. 그로부터 직선 편광된 광(적색 화살표)이 출사하는 2개의 픽셀들(코딩 가능한 변조기 셀들)(P1, P2)에 이어 구조화된 λ/4 층(QWP)이 뒤따른다. SLM(변조 필드)로부터의 광의 편광 방향에 대해 픽셀(P1)의 경우에 +45도만큼 그리고 다른 픽셀(P2)의 경우에 -45만큼 각각 회전된 광축이 도시되어 있는데, 그에 의해 원 편광된 광(적색 원으로 도시된)이 발생한다.

도 12의 실시예에 따르면, 제1 편광 격자(Pg1)는 그 편광에 상응하게 광을 편향시킨다. 광이 적절한 두께의 스페이서(DL)(얇은 유리판 또는 중합체 포일)를 통과하고 공간적으로 중첩된 후에, 광은 제2 편광 격자(Pg2)에 의해 반대 방향으로 편향되고, 그에 따라 2개의 픽셀들로부터의 광이 평행하게 출사한다. 그 배후에는, 선택적으로 0도 또는 90도 하에 있는 직선 편광 판(Pol)이 배열된다.

편광 격자 그 자체는 원 편광의 회전 방향을 우원 방향으로부터 좌원 방향으로 및 그 반대로 변경하는 특성을 갖는다(그것도 역시 도시되어 있음).

그러한 사실은 빔 결합기로서 사용함에 있어 유리한데, 왜냐하면 2개의 동일한 격자들(격자 내의 분자들의 동일한 배향을 갖는)을 어셈블리에 사용하는 것을 가능하게 하기 때문이다.

원 편광된 광이 제1 격자에 의해 편향되되, 이때 그 편광의 회전 방향이 바뀌고, 그 때문에 그 광이 동일한 제2 격자에 의해 반대 방향으로 편향된다. 즉, 빔 경로에서 연속되는 2개의 동일한 격자들이 원하는 평행 오프셋을 가져온다.

그러한 점에서, 바람직한 실시 형태에 따르면, 광파 다중화 수단은 적어도 하나의 편광 수단과 제1 및 제2 편향 층들(Vg1, Vg2)을 구비한다. 편광 수단에 의해, 제1 변조기 셀(1)을 통과한 광에 소정의 제1 편광이 부여될 수 있다. 편광 수단에 의해, 제2 변조기 셀(2)을 통과한 광에 소정의 제2 편광이 부여될 수 있다. 광 전파 방향으로 편광 수단의 배후에 제1 편향 층(Vg1)이 배열된다. 광 전파 방향으로 제1 편향 층(Vg1)의 배후에 소정의 간격을 두고 제2 평향 층(Vg2)이 배열된다.소정의 제1 편광은 소정의 제2 편광에 대해 수직일 수 있다. 대안적으로, 소정의 제1 편광은 원 편광이고, 소정의 제2 원 편광과는 반대로 향한 회전 방향을 가질 수 있다. 광이 예컨대 사용되는 광원의 특성에 의거하여 이미 적절히 구조화되어 편향된 경우, 기본적으로 편광 수단을 사용하는 것은 불필요하다.

도 7에 따르면, 제1 편향 층(Vg1)의 광학 특성은 제1 변조기 셀(1)을 통과한 광을 거의 편향시키지 않고 제2 변조기 셀(2)을 통과한 광을 소정의 제1 각도만큼 편향시키도록 구성된다. 제2 편향 층(Vg2)의 광학 특성은 제1 변조기 셀(1)을 통과한 광을 거의 편향시키지 않고 제2 변조기 셀(2)을 통과한 광을 소정의 제2 각도만큼 편향시키도록 구성된다. 소정의 제2 각도의 크기는 소정의 제1 각도와 크기와 거의 일치한다.

도 8에 따르면, 광 전파 방향으로 제2 편향 층(Vg2)의 배후에 제3 및 제4 편향 층들(Vg3, Vg4)이 소정의 간격을 두고 각각 배열된다. 제2 편향 층(Vg3)의 광학 특성은 제1 변조기 셀(1)을 통과한 광을 소정의 제3 각도만큼 편향시키고 제2 변조기 셀(2)을 통과한 광을 거의 편향시키지 않도록 구성된다. 제4 편향 층(Vg4)의 광학 특성은 제1 변조기 셀(1)을 통과한 광을 소정의 제4 각도만큼 편향시키고 제2 변조기 셀(2)을 통과한 광을 거의 편향시키지 않도록 구성된다. 소정의 제3 각도의 크기는 소정의 제4 각도의 크기와 거의 같을 수 있다.

편광 수단은 상이한 배향들의 다수의 영역들을 갖는 지연 판을 구비할 수 있다. 그것은 특히 변조기 셀들의 기능 방식이 이미 편광된 광을 기반으로 하는 것이거나 편광된 광의 사용으로 인해 악영향을 받지 않는 경우에 유리하다. 다른 경우에는, 각각의 편광 방향의 광이 흡광되는 상이한 배향들의 다수의 영역들을 갖는 구조화된 편광 판을 사용하여야 한다. 그러나 그것은 광 손실을 수반한다. 그와 관련하여, 구조화된 편광 판이란 편광 판과 상호 작용하는 광에 소정의 편광을 각각 부여할 수 있는 제1 공간 영역 및 제2 공간 영역을 구비하되, 제1 공간 영역이 하나의 종류의 변조기 셀들에 할당되고, 제2 공간 영역이 다른 종류의 변조기 셀들에 할당되는 편광 판을 의미한다. 지연 판은 λ/2 판 또는 1x +λ/2 판 또는 1x -λ/2 판의 형태로 구성될 수 있다. 즉, 지연 판은 λ/2의 상대적인 위상 지연을 갖는다. 대안적으로, 편광 수단은 제1 배향을 갖는 제1 지연 판 및 제2 배향을 갖는 제2 지연 판을 구비할 수 있다. 제1 및 제2 지연 판들은 λ/2 판의 형태로 각각 구성될 수 있다. 그 경우, 제1 배향을 갖는 제1 지연 판은 제1 변조기 셀(1)을 통과한 광에 할당된다. 제2 배향을 갖는 제2 지연 판은 제2 변조기 셀(2)을 통과한 광에 할당된다.

도 11 및 도 12에 따르면, 제1 편향 층(Pg1)의 광학 특성은 제1 변조기 셀(P01)을 통과한 광을 제1 방향으로 소정의 제1 각도만큼 편향시키고 제2 변조기 셀(P02)을 통과한 광을 제2 방향으로 소정의 제2 각도만큼 편향시키도록 구성된다. 제2 편향 층(Pg2)의 광학 특성은 제1 변조기 셀(P01)을 통과한 제2 각도만큼 편향시키고 제2 변조기 셀(P02)을 통과한 광을 제1 각도만큼 편향시키도록 구성된다. 제1 각도는 크기에 있어 제2 각도의 크기와 거의 같을 수 있다.

편광 수단은 상이한 배향들의 다수의 영역들을 갖는 지연 판을 구비한다. 그것은 특히 변조기 셀들의 기능 방식이 이미 편광된 광을 기반으로 하는 것이거나 편광된 광의 사용으로 인해 악영향을 받지 않는 경우에 유리하다. 다른 경우에는, 상이한 배향들의 다수의 영역들을 갖는 구조화된 원 편광 판을 사용하여야 한다. 그러나 그것은 광 손실을 수반한다. 지연 판은 λ/4 판 또는 1x +λ/4 판 또는 1x -λ/4 판의 형태로 구성될 수 있다. 즉, 지연 판은 λ/4의 상대적인 위상 지연을 갖는다. 대안적으로, 편광 수단은 제1 배향을 갖는 적어도 하나의 제1 지연 판 및 제2 배향을 갖는 제2 지연 판을 구비할 수 있다. 제1 및 제2 지연 판들은 λ/4 판의 형태로 각각 구성될 수 있다. 그 경우, 제1 배향을 갖는 제1 지연 판은 제1 변조기 셀(1)을 통과한 광에 할당된다. 제2 배향을 갖는 제2 지연 판은 제2 변조기 셀(2)을 통과한 광에 할당된다.

편향 층(Vg1, Vg2, Vg3, Vg4, Pg1, Pg2)은 홀로그램 및/또는 회절 격자 및/또는 브래그 격자를 갖는 층 또는 편광 격자를 구비할 수 있다.

광 전파 방향으로 편향 층들(Vg1, Vg2, Vg3, Vg4, Pg1, Pg2)의 배후에 검광 판(analyzer)으로서 작용하는 소정의 광학 특성의 편광 수단(WGP, Pol)이 배열된다.

본 발명의 모든 실시 형태들에는, 변조 광파 다중체로 결합한 변조 소자(ME)의 광선들에 각각 작용하는 아포다이제이션(apodization) 소자(APF)가 마련될 수 있다. 그러한 아포다이제이션 소자(APF)는 광 전파 방향을 가로지르는 방향으로 사용되는 광의 각각의 파장과는 거의 무관한 중성(neutral)의 강도 프로파일(intensity profile)을 가질 수 있다. 그러한 강도 프로파일은 해석적으로 써질 수 있는 아포다이제이션 함수, 예컨대 코사인 함수 또는 삼각 함수 또는 Blackman, Hamming, 또는 Welch라는 이름 하에 공지된 아포다이제이션 함수를 가질 수 있다. 구체적으로, 아포다이제이션 소자(APF)는 변조 소자(ME)에 각각 할당되는 적절한 아포다이제이션 마스크들을 구비할 수 있다. 그 경우, 예컨대 도 16의 왼편에 측면도로 도시된 바와 같은 그러한 아포다이제이션 마스크는 그 변조 소자(ME)에 있어서의 결합한 광선들의 변조 광파 다중체에 작용한다. 아포다이제이션 마스크는 예컨대 검광 판으로서의 역할을 하는 편광 판(WGP)의 배후에서 도 13에 "PC"로 지시된 지점에 배열될 수 있다.

컬러 적용을 위해, 변조 광파 다중체로 결합한 변조 소자(ME)의 광선들에 각각 작용하는 그에 상응하게 구성된 아포다이제이션 소자(APFC)가 마련될 수 있다. 그러한 아포다이제이션 소자(APFC)는 사용되는 광의 각각의 파장에 크게 의존하는 적어도 2개의 강도 프로파일들을 갖는다. 그러한 강도 프로파일들은 광 전파 방향을 가로지르는 방향으로 미리 주어진 값만큼 서로 가로 오프셋되어 있다. 그것은 도 16의 오른편에 측면도로 도시되어 있다. 강도 프로파일들은 개별 층들(APFSR, APFSG, APFSB)에서 광 전파 방향으로 서로 연달아 배열될 수 있다.

패시브 층들( passive layers )의 제조

인용 문헌 [1] 또는 [2]에는 액티브 스위칭 가능한(active switchable) LCPG가 개시되어 있다.

그것은 광중합성(photopolymerizable) 재료의 배향 층들을 UV 광으로 노광함으로써 제조된다. 이때, 반대의 원 편광을 갖는 2개의 UV 광원들을 사용하고, 그 광원들은 중첩된 상태로 된다. 격자 상수는 광원들이 중첩되는 상대 각도를 통해 설정된다. 해당 배향 층들을 갖는 기판들이 마련되면, 기판들 사이에는 그 두께가 예컨대 스페이서 볼에 의해 미리 주어지는 LC 층이 채워진다.

그러나 기판 쪽으로 향한 후에 가교 결합하여 그 배향이 의사 동결되는 LC 재료들도 다른 적용들로부터 공지되어 있다. 빔 결합기로서의 사용을 위해서는, 패시브 LCPG를 사용하는 것이 유리하다. 따라서 여기서는 중합체 재료의 사용을 제안한다.

RGB 에 대한 빔 결합기

사용되는 광의 파장과 관련하여, 고려하여야 할 2가지 영향 인자들이 주어진다.

(a): 격자의 회절 효율은 일반적으로 파장에 따라서도 변한다. 회절 효율은 일반적으로 격자의 두께에 의존하여 달라진다.

(b): 회절 각은 일반적으로 파장을 따라서도 변한다. 회절 각은 격자 상수에 대한 파장의 비에 의존하여 달라진다.

(a) 회절 효율과 관련하여:

선행 기술에 따르면, 가시 영역 전체에 대해 높은 회절 효율을 갖는 특수한 편광 격자가 인용 문헌 [1]에 개시되어 있다.

그러나 그러한 격자는 적녹청에 대해 여전히 상이한 각도를 갖는다.

선행 기술에 따르면, 액티브 LCPG에 있어 필드에서의 LC 분자들의 제어 및 부분적인 정향에 의해 여러 파장들에 대해 인가되는 전압에 따라 선택적으로 dΔn _eff (V) = λ/2를 충족시키도록 유효 복굴절을 변경할 수 있다는 것도 개시되어 있다.

그것은 역시 회절 효율을 증가시키기만, 회절 각을 변경하지는 않는다.

그것은 컬러들의 시간 다중화를 수반하는 홀로그래피 디스플레이에서 빔 결합기로서 사용될 수 있는데, 격자는 전압의 인가에 의해 실제로 표시되는 컬러에 맞춰진다. 액티브 격자는 격자 자체의 제어 및 광원과 SLM의 제어에 의한 그 조정을 전제로 한다.

컬러들의 공간 다중화를 위해, 제조 중에 픽셀화된(스트라이프 형태로) 상이한 고압들을 LC 재료에 인가하고, 이어서 중합 반응시키는 방안이 존재한다.

(b) 회절 각과 관련하여:

그러나 빔 결합기로서 사용하기 위해서는, 특히 적녹청 광에 대해 동일한 회절 각을 얻는 것이 긴요하다. 전술한 접근법들은 그러한 과제를 해결하지 못한다.

동일한 회절 각을 얻는 바람직한 방안은 SLM의 공간 컬러 다중화에 맞춰지는 격자 주기의 공간 다중화이다. 그와 관련하여, 기판들의 배향 층들을 노광할 때에(상기 "패시브 층들의 제조" 섹션 참조) 스트라이프 방식으로 면적의 약 2/3를 덮는 마스크를 사용하고, 이는 2개의 다른 컬러들의 컬러 픽셀들에 대해서도 동등한 사항이다. 노광하는 UV 광원들에 대해서는, 컬러(RGB)에 적합한 격자 상수를 얻도록 광원들 사이의 각도를 맞춘다. 그러한 과정을 상이한 마스크들 및 변경된 각도들로 3회 반복한다.

즉, 다수의 격자들이 겹쳐지거나 다수의 격자들이 직렬로 연이어 사용될 수 있는 브래그 격자와는 달리, 여기서는 겹쳐지지 않고 서로 포개 넣어진 3개의 격자들이 얻어진다.

모든 파장들에 대해 높은 회절 효율을 위한 선행 기술 [1]에 따른 격자 구조를 파장들의 동일한 회절 각을 위한 그 구성과 조합시킬 수 있다.

그러나 하나의 파장에 대해 높은 회절 효율을 얻고 다른 파장들에 대해서는 다른 곳에서 비회절 광을 필터링하여 비회절 광이 관측자에 도달하지 않는 경우에는, 선택적으로 그 방법 자체를 단독으로 사용할 수도 있다. 그를 위해, 그 광의 출사 위치, 출사 각, 및 경우에 따라 편광을 활용할 수 있다.

수치예

선행 기술에 따르면, 편광 격자에서는 격자 상수에 대한 층 두께의 비에 있어 제㎛한이 주어진다. 그것은 예컨대 LC의 복굴절과 같은 LC의 재료 파라미터들에도 의존하여 달라진다.

층 두께 d에 대해 dΔn = λ/2의 조건이 충족되어야 하기 때문에(Δn = 굴절률 차, λ = 광의 파장), 그로부터 최소 허용 격자 상수 및 그에 따라 얻어질 수 있는 최대 편향 각이 나온다.

약 6 ㎛의 격자 상수를 갖는 격자는 이미 실험적으로 구현되는 것으로 개시되어 있다. 이론적 한계는 약 2 ㎛일 수 있다. 그 경우, 편향 각은 (2 곱하기) 5도의 범위에 있다.

전형적으로, 격자 + 스페이서 + 격자의 어셈블리는 동일한 Δn을 갖는 재료로 이뤄진 사바르 판의 두께의 약 1/2 내지 1/3일 것으로 예상된다. 이때, 편광 격자 그 자체의 두께는 단지 수 ㎛(전형적으로 2 내지 3 ㎛)이다. 스페이서는 60 ㎛의 픽셀 피치에 대해 약 200 내지 300 ㎛(약 4 내지 6 ㎛의 격자 상수의 경우)의 범위에 있다.

편광 격자 스택( polarization grating stack )

또 다른 방안은 개별적인 편광 격자들 대신에 연달아 배열된 다수의 편광 격자들의 편광 격자 스택을 사용하는 것이다. 편광 격자들은 입사각에 관해 민감하다.

그러나 총 편향 각이 고정되는 패시브 격자에 있어서는, 서로 뒤이어지는격자들을 순차적으로 더 경사지는 입사에 맞춰 최적화하는 것이 가능하다.

그에 따라, 다수의 편광 격자들을 직렬로 사용함으로써 원칙적으로 편향 각을 증가시키고 총 두께를 감소시킬 수 있다.

색지움 굴절 빔 결합( achromatic refractive beam combination )

위상을 시프트하는 2개의 픽셀들(변조기 셀들)을 복소 값을 생성하는, 즉 픽셀들과 상호 작용하는 광의 위상과 진폭을 변조하거나 변경할 수 있는 결과적인 2차 픽셀(변조 소자)로 결합시키기 위해, 전술한 바와 같이 굴절에 의한 해법(사바르 판) 및 회절에 의한 해법(회절 격자)이 주어진다.

도 13에는, 2개의 위상 픽셀들에 의해 복소 값 픽셀을 생성하는 것이 도시되어 있다. 구조화된 반파장 판(λ/2) 및 편광 판(WPG)과 함께 복소 값 픽셀(PC)을 생성하는데에 사용되는 사바르 판(SP)이 도시되어 있다. 결과적인 픽셀의 예컨대 코사인 형태의 아포다이제이션 프로파일은 도시되어 있지 않다. 즉, 그 픽셀이 균일하게 투명한 것으로 도시되어 있다. 정상 굴절 축과 이상 굴절 축 사이의 굴절률 차는 Δn _oe = 0.2이고, 그것은 TM 편광된 광의 α _TM = 7.384도의 편향 각 및 0.1296 ㎛의 빔 오프셋에서 ㎛ 판 두께마다 발생한다. 도 13은 축척을 정확히 맞게 표현하고 있다.

복굴절 재료의 내부에서는, 이상 빔이 정상 빔에 대해 각도를 이루어 전파된다. 그러나 복굴절 재료로부터 후속 광학 등방성 매체로의 출사 면에서는 정상 빔과 이상 빔이 다시 평행하게 지향된다. 즉, 정해진 편광의 광은 복굴절 재료의 입구 측에서 복굴절의 크기와 복굴절 재료의 광축의 배향에 의존하는 각도 하의 편향을 받고, 출구 측에서는 그 반대로 향한 편향을 받는다. 따라서 복굴절 매체의 두께에 의존하는 평행 오프셋이 제공된다. 그것은 특히 복굴절 매체의 평면 평행 층에서의 경우에 해당한다.

시간 순차적인 도면에서의 분산(dispersion)을 도시하는 과제가 도 14에 도시되어 있다. 적색 파장과 청색 파장에 대한 분산 n = n(λ)로 인해 가로 오프셋(s)에 있어 오차(Δs)를 일으키는 사바르 판(SP)이 도시되어 있다. 사바르 판(SP)의 내부에서 TM 편광된 녹색 파장의 빔에 대해 예컨대 코사인 형태로 진행하는 아포다이제이션 프로파일(도시 생략) 상의 중심에 빔을 놓을 수 있게 하는 설계 각(design angle)이 발생한다면, 예컨대 청색 빔에 대해서는 더 큰 각이 그리고 적색 빔에 대해서는 더 작은 각이 발생하고, 그에 따라 아포다이제이션 프로파일의 일측 또는 타측으로 시프트된 빔 오프셋이 발생한다.

시간 순차적인 컬러 표현 시의 과제는 2개의 컬러들, 예컨대 적색 및 청색에 대한 개개의 복소 값 픽셀의 아포다이제이션 필터가 중심에서 조명되지 않게 하는데에 있다.

하나의 간단한 해법은 아포다이제이션 프로파일의 연장을 줄이는 것이다. 즉, 예컨대 FF = 0.8의 채움 인자(filling factor)로부터 FF = 0.6의 채움 인자로 이행한다. 그것은 투명한 면적의 약 50%를 절단해내거나 광 출력의 50%를 흡광에 의해 폐기하는 것과 동등한 의미이다. 또한, 채움 인자가 감소할 경우에는, 뷰잉 윈도(viewing window)에 이웃한 회절 차수들을 억제하는 것의 효율이 채움 인자의 감소로 인해 줄어들게 된다.

또 다른 해법은 사용되는 컬러들을 공간 다중화하는 것이다. 즉, 컬러 필터들을 공간적으로 구조화시켜 배열하는 것으로, 그것은 1차원 코딩된 3D 물체, 즉 예컨대 HPO 홀로그램(HPO = Horizontal-Parallax-Only)에 있어 아무런 문제가 없다. 그것은 3D 재구성에서 눈의 해상도 한계를 훨씬 밑돌기에 충분한 픽셀이 제공되는 경우에 유용한 방도이다. 그것은 도 15에 도시되어 있다. 즉, 복소 값 픽셀들로 결합한 위상 픽셀들의 공간 다중화가 도시되어 있다. 좌측 제1란(S1R)은 예컨대 적색 필터를 구비한다. 그 우측의 난(S2B)(흡광된 흑색 난(SB)의 옆에 있는)은 청색 필터를 구비한다. 그 우측의 다음 난(S3G)(흡광된 흑색 난의 옆에 있는)은 녹색 필터를 구비한다. 그것은 주기적으로 반복되어 계속된다.

또 다른 해법은 "중성 농도 아포다이제이션 프로파일(neutral density apodization profile)", 즉 그레이 스케일 분포로서 존재하는 강도 프로파일 또는 투과 필터 프로파일 대신에 컬러 선택적(color selective) 아포다이제이션 필터 분포를 사용하는 것이다. 그것은 도 16에 도시되어 있다. 즉, 그레이 스케일 또는 중성 농도 아포다이제이션 함수(좌측에 필터(APF)로 도시된)로부터 가로 오프셋된 컬러 선택적 아포다이제이션 함수(우측에 필터(APFC)로 도시된)로 이행하는 것이 도시되어 있다. 컬러 슬라이드 필름의 층 구조와 유사하게, 예컨대 연이어 연결된 층들(적색에 대한 APFSR, 녹색에 대한 APFSG, 청색에 대한 APFB)에서 컬러 선택적 필터링이 수행될 수 있다. 설명한 과제를 해결하기 위해, 최대 투과의 지점을 각각의 스펙트럼 컬러에 의존하여 달리한다. 그러나 채움 인자는 모든 컬러들에 대해 동일한 크기로 선택될 수 있다. 또한, 스펙트럼에 있어 예컨대 에너지 효율을 최적화하거나 VW에 이웃한 회절 차수들의 억제를 최적화하기 위해, 아포다이제이션 함수의 컬러 선택적 수정을 수행할 수 있다.

도 16의 우측에 도시된, 스펙트럼에 있어 상이한 강도 분포의 중심의 가로 오프셋은 홀로그래피 직시 방향을 갖는 홀로그래피 재구성물에서는 인지될 수 없는데, 왜냐하면 그것이 10 ㎛ 미만이기 때문이다.

또 다른 해법은 상이한 분산들, 즉 정상 분산과 이상 분산을 갖는 적어도 2개의 상이한 복굴절 재료들(SP1, SP2)을 사용하는 것이다. 그것은 2개의 층들(SP1, SP2)로 이뤄진 사바르 판을 구성하되, 제1 층(SP1)이 예컨대 청색 스펙트럼 선에 대해 가장 높은 굴절률을 갖고 적색 스펙트럼 선에 대해 가장 낮은 굴절률을 가지며, 제2 층(SP2)이 청색 스펙트럼 선에 대해 가장 낮은 굴절률을 갖고 적색 스펙트럼 선에 대해 가장 높은 굴절률을 갖는다는 것을 의미한다.

2개의 판들(SP1, SP2)의 두께의 비는 녹색 스펙트럼 선에 대한 굴절률 차의 비와 비례한다. 두께는 사용되는 모든 스펙트럼 컬러들에 대한 위치 편차들의 제곱이 최소가 되도록 설계된다. 2개의 판들(SP1, SP2)로 이뤄진 색 보정된 사바르 판이 도 17에 도시되어 있다.

전술한 실시 형태에 따르면, 광파 다중화 수단은 적어도 하나의 편광 수단 및 소정의 광학 특성의 적어도 하나의 복굴절 매체(SP)를 구비한다. 편광 수단에 의해, 제1 변조기 셀(P01)을 통과한 광에 소정의 제1 편광이 부여될 수 있다. 편광 수단에 의해, 제2 변조기 셀(P02)을 통과한 광에 소정의 제2 편광이 부여될 수 있다. 광 전파 방향으로 편광 수단 및/또는 제1 변조기 셀(P01)과 제2 변조기 셀(P02)의 배후에 복굴절 매체(SP)가 배열된다. 소정의 제1 편광은 소정의 제2 편광에 대해 수직일 수 있다.

복굴절 매체(SP)의 광학 특성은 복굴절 매체(SP)가 제1 변조기 셀(P01)을 통과한 광을 거의 편향시키지 않고 복굴절 매체(SP)가 제2 변조기 셀(P02)을 통과한 광을 입구 측 경계면에서 소정의 제1 각도만큼 편향시키도록 구성된다. 제2 변조기 셀(P02)을 통과한 광은 입구 측 경계면과 평면 평행한 복굴절 매체(SP)의 출구 측 경계면에서 소정의 제2 각도만큼 편향된다. 제1 각도는 크기에 있어 제1 각도의 크기와 거의 같을 수 있다. 즉, 제2 변조기 셀(P02)을 통과한 광은 복굴절 매체(SP)를 통과한 후에 복굴절 매체(SP)로부터 거의 평행하게 오프셋되어 출사한다.

도 6 내지 도 11, 도 12 내지 도 14. 도 17, 도 20, 및 도 21에서, 편향 층들(Vg1, Vg2, Vg3, Vg4, Pg1, Pg2) 및 경우에 따라 마련되는 지연 판의 광학 특성들 및/또는 복굴절 매체들(SP, SP1, SP2, SP3, SV1, SV2)의 광학 특성들은 경우에 따른 빔 편향들이 각각의 도면의 도면 평면에 대략 놓인 방향으로 각각 이뤄지도록 선택된다. 그러나 경우에 따른 빔 편향들이 각각의 도면의 도면 평면으로부터 벗어나 배향된 방향으로 각각 이뤄지는 해당 구성 요소들의 광학 특성들의 다른 구성들도 가능하다. 그 경우, 변조 소자의 변조 광파 다중체는 오로지 하나의 방향으로만(예컨대, 변조기 셀들의 하나의 열을 따라) 가로 오프셋되는 것이 아니라, 제1 및 제2 방향으로 가로 오프셋된다.

광 전파 방향으로 정상 분산 또는 이상 분산을 갖는 복굴절 매체(SP1)의 배후에는 이상 분산 또는 정상 분산, 즉 반대에 해당하는 분산을 갖는 또 다른 복굴절 매체(SP2)가 배열될 수 있다. 그것은 도 17에 도시되어 있다.그 경우, 2개의 복굴절 매체들(SP1, SP2)의 두께의 비는 미리 주어질 수 있고, 바람직하게는 광의 적어도 하나의 소정의 파장, 예컨대 적색 및 청색 파장들에 대한 광의 또 다른 소정의 파장, 예컨대 녹색 파장의 2개의 복굴절 매체들(SP1, SP2)의 굴절률 차의 비에 의존하여 달라진다.

적어도 하나의 복굴절 매체의 사용 시에도, 빔 결합은 도 8과 유사한 방식으로 가능하다. 그것은 도 21에 도시되어 있다. 그를 위해, 광 전파 방향으로 복굴절 매체(SP1)의 배후에 또 다른 복굴절 매체(SP3)가 배열된다. 또 다른 복굴절 매체(SP3)의 광학 특성은 그 또 다른 복굴절 매체(SP3)가 제1 변조기 셀(P01)을 통과한 광을 또 다른 복굴절 매체(SP3)의 입구 측 경계면에서 소정의 제3 각도만큼 편향시키고, 입구 측 경계면과 평면 평행한 또 다른 복굴절 매체(SP3)의 출구 측 경계면에서 소정의 제4 각도만큼 편향시키도록 구성된다. 또 다른 복굴절 매체(SP3)는 제2 변조기 셀(P02)을 통과한 광을 거의 편향시키지 않는다. 제3 각도는 크기에 있어 제4 각도의 크기와 거의 같을 수 있다. 즉, 제1 복굴절 매체(SP1)에 들어온 광선들은 제2 복굴절 매체(SP3)로부터 나오는 광선들과 거의 평행하게 오프셋된다. 2개의 복굴절 매체들(SP1, SP3) 사이에는 λ/2 층이 배열되는데, λ/2 층은 그 층을 통과한 광의 편광 방향을 90도만큼 회전시킨다. SP1과 SP3의 광축들(이중 화살표로 지시된)은 서로 수직으로 배향된다.

광 전파 방향으로 복굴절 매체들(SP; SP1, SP2)의 배후에는 검광 판으로서 작용하는 소정의 광학 특성의 편광 수단(WGP)이 배열된다.

본 발명의 사상을 바람직하게 구성하고 개량하는 다양한 방안들이 주어진다. 그에 관해서는, 한편으로 청구항 1에 종속하는 청구항들을, 다른 한편으로 첨부 도면들에 의거한 이후의 본 발명의 바람직한 실시예들의 설명을 참조하면 된다. 첨부 도면들에 의거한 본 발명의 바람직한 실시예들의 설명과 함께, 본 발명의 사상의 바람직한 구성들 및 부가의 구성들도 전반적으로 설명하기로 한다. 개략적으로 각각 도시된 첨부 도면들 중에서,
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 공간 광변조 장치의 상세도이고,
도 2는 마이크로 프리즘 필드와 회절 격자를 구비한, 출사하는 변조 광파 부분들의 공간 다중화를 위한 광학 다중화 수단의 제1 실시 형태를 나타낸 도면이며,
도 3은 회절 광이 사용되는 마이크로 프리즘 필드와 회절 격자를 구비한, 출사하는 변조 광파 부분들의 공간 다중화를 위한 광학 다중화 수단의 제2 실시 형태를 나타낸 도면이고,
도 4는 회절 광이 사용되고 비회절 광이 공간 주파수 필터에 의해 필터링되어 제거되는, 출사하는 변조 광파 부분들의 공간 다중화를 위한 광학 다중화 수단의 제3 실시 형태를 나타낸 도면이며,
도 5는 광파 분리기를 구비한, 출사하는 변조 광파 부분들의 공간 다중화를 위한 광학 다중화 수단의 제4 실시 형태를 나타낸 도면이고,
도 6 내지 도 8은 광파 파장의 변동에 있어 보상되는 편광 빔 분할기를 구비한 광학 다중화 수단을 각각 나타낸 도면들이며,
도 9는 인용 문헌 [2]의 선행 기술에 따른 편광 격자의 기능 방식을 나타낸 도면이고,
도 10은 회절 격자에서의 빔 진로(비대칭)를 나타낸 도면이며,
도 11은 편강 격자들을 구비한 어셈블리에서의 빔 진로(대칭)를 나타낸 도면이고,
도 12는 본 발명의 실시예를 나타낸 도면이며,
도 13 및 도 14는 본 발명의 EH 다른 실시예들을 각각 나타낸 도면들이고,
도 15는 복소 값 픽셀들로 결합하는 위상 픽셀들의 공간 다중화를 나타낸 도면이며,
도 16은 좌측에 "중성 농도" 아포다이제이션 함수를 그리고 우측에 가로 오프셋된 컬러 선택적 아포다이제이션 함수를 각각 나타낸 도면이고,
도 17 내지 도 22는 본 발명의 또 다른 실시예들을 각각 나타낸 도면들이다.

변조 필드의 각각의 변조기 셀에 대한 광학 다중화 수단은 동일하게 구조화되기 때문에, 본 발명의 간단한 도시를 위해 이후의 모든 도면들은 변조 필드의 단일의 변조기 셀만을 도시하는데에 국한되어 있다.

동일한 이유로, 이하에서는 규칙적인 구조화된 변조기 셀들을 구비한 변조 필드의 예를 들어 광학 다중화 수단을 설명하기로 하는데, 여기서 각각의 변조 소자는 변조 필드에서 이웃한 2개의 변조기 셀들을 포함한다. 그러한 타입의 공간 광변조 장치의 대표적인 전형은 전수한 2-위상 코딩을 위한 공간 위상 변조기이다. 그러나 일반적으로 2개를 넘는 변조기 셀들을 구비한 변조 소자에 대해서도 구조화를 수행할 수 있다.

이하의 실시예들은 진폭 변조에 대해서도 유사한 구성으로 사용될 수 있다. 그러한 사용에서는, 부가의 요소로서 위상 지연 층이 하나 이상의 변조기 셀마다 더 필요하다. 바이어스 코딩의 경우에는 2개의 변조기 셀들 중의 하나에서 π/2의 위상 지연이 필요하고, 부르크하르트 코딩의 경우에는 3개의 변조기 셀들 중의 2개에서 2π/3 및 4π/3의 지연들이 필요하다.

도 1은 변조 필드에서 이웃하여 배열되는 제1 변조기 셀(P01)과 제2 변조기 셀(P02)을 구비한 변조 소자(ME)를 도시하고 있다. 간섭성 광파 파동장(LW)은 변조 필드에서 변조 소자(ME)를 조명한다. 변조 제어 유닛(CU)은 각각의 변조기 셀(P01, P02)을 복소 홀로그램 값의 위상 성분으로 코딩하고, 그에 따라 각각의 변조기 셀(P01, P02)은 평행한 광축(a ₀₁ 또는 a ₀₂ )을 갖는 별개의 변조된 광파 부분(LWP ₁ 또는 LWP ₂ )을 홀로그래피 재구성을 위해 소정의 방향(D)으로 내보낸다. 본 발명에 따르면, 광학 다중화 수단을 구비한 필드(M)는 가능한 한 변조기 셀들(P01, P02)에 가깝게 놓인다. 광학 다중화 수단은 공간적으로 변조기 셀들(P01, P02)에 할당된 광파 전향 요소들(U1, U2)의 구조를 포함한다. 광파 전향 요소들(U1, U2)은 서로 다른 광축들을 각각 갖는데, 그 광축들은 동일한 변조 소자에 할당된 광파 부분들(LWP ₁ , LWP ₂ )이 필드(M)에서 광학 다중화 수단에 의해 공통의 광축(a ₀ )을 갖는 공통의 변조 광파 부분(LWP0)의 광파 다중체로 합쳐지도록 서로 지향된다.

본 발명의 바람직한 구성에 있어서, 광학 다중화 수단을 구비한 필드(M)는 적층된 광학 판들로 이뤄진 판 유닛을 포함한다. 광학 판들은 예컨대 소정의 광학 특성(특히 복굴절 특성)의 다수의 투명한 중합체 층들을 구비할 수 있다.

도 2는 그러한 광학 판 유닛의 제1 실시 형태를 도시한 것으로, 각각의 변조 소자(ME)의 변조기 셀들(P01, P02)에 마이크로 프리즘을 제공하는 마이크로 프리즘 필드(PA)를 포함하는데, 각각의 마이크로 프리즘은 변조기 셀(P01, P02)에 대해 상응하는 광파 전향 기능을 구현한다. 그러한 광학 판 유닛도 변조 소자의 광파 부분들(LWP ₁ , LWP ₂ )을 공통의 변조 광파 부분(LWP ₀ )의 광파 다중체로 결합한다. 그것은 광학 판 유닛의 광로에 브래그 홀로그램으로도 지칭되는 체적 홀로그램(BG)이 더 배열되도록 함으로써 달성된다. 그러한 체적 홀로그램(BG)은 전파되는 광파 부분들(LWP ₁ , LWP ₂ )의 교차를 방지하고, 변조 소자의 변조기 셀들(P01, P02)이 변조한 2개의 광파 부분들(LWP ₁ , LWP ₂ )을 고아로 차 없이 소정의 방향(D)으로 지향시키는 역할을 맡는다. 체적 홀로그램(BG)은 정해진 파장들을 갖는 광파들을 매우 한정된 편향 각 또는 출사 각으로 밀접하게 정렬시키도록 코딩되거나 기록된다. 정해진 파장들로서는, 컬러 재구성에 필요한 모든 광파 파장들, 예컨대 적색, 녹색, 및 청색 파장들을 고려할 수 있다.

도 3은 도 2에 따른 광학 판 유닛의 제2 실시 형태를 도시하고 있다. 양자의 실시 형태들은 간섭성 광파 파동장(LW)의 공급 또는 입사각에 있어 상이하다. 도 3에 따른 구성에서는, 간섭성 광파 파동장이 광축에 대해 경사져 공간 광변조 장치 또는 변조기 셀들(P01, P02)에 입사하고, 그에 따라 경사진 입사와 관련하여 1차 회절 차수가 재구성에 사용된다. 도 2에 따른 구성에서는, 간섭성 광파 파동장이 광축과 평행하게 공간 광변조 장치에 입사하고, 그에 따라 0차 회절 차수가 재구성에 사용된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 무한초점(afocal) 렌즈 시스템들(L1, L2) t사이에 홀 격자 블라인드(AP)를 구비한 추가의 텔레스코프 필터 필드(TFA)는 원하지 않는 광 부분들, 예컨대 광파 파동장의 입사 방향으로 0차 회절 차수의 광 부분들 또는 이웃한 회절 차수들에서 사용하지 않는 주기 간격들의 광 부분들을 억제하는 것을 가능하게 한다. 그와 동시에, 무한초점 렌즈 시스템들(L1, L2)은 광학 확대의 결과로 변조 필드에서 변조 소자(ME)의 변조기 셀들 사이의 채움 인자를 증가시키는 것을 가능하게 한다.

도 5는 편광 광파 분할기(Pol)가 각각의 변조 소자의 광파 부분을 결합시키는 본 발명의 다른 실시 형태를 도시하고 있다. 공간 다중화를 위한 광학 다중화 수단은 변조 소자의 변조기 셀(P01, P02)의 각각의 광파 부분에 특유의 편광을 부여하는 편광 요소들(S-pol, P-pol)을 구비한 판 및 변조 소자의 모든 변조 광파 부분들(LWP ₁ , LWP ₂ )에 특유의 경사 광축을 부여하는 복굴절 평면 판(BP)의 조합을 사용한다. 모든 광파 부분들에 대한 광축들은 서로 경사지고, 평면 판(BP)의 크기는 모든 광파 부분들이 출구 면에서 중첩되도록 정해진다.

도 6에 도시된 바와 같은 편광 광파 분할기(Pol)는 홀로그래피 재구성을 위해 선택된 파장의 변동에 민감하다. 여기서는, 사용되는 광의 파장에 의존하는 가로 오프셋 및 광의 위상 관계의 변동이 주어진다.

도 6 및 도 7은 그 각각의 실시예에 의거하여 도 8에 따른 자기 보상 빔 분할기 이중 판이 어떻게 제공될 수 있는지의 근거를 도시하고 있다. 도면 부호 "Vg1" 또는 "Vg2"는 회절 격자의 형태로 구성된 빔 분할기를 각각 지시하고 있다.

각각 폭 a를 갖는 변조기 셀(1)의 광파 부분(TE)과 변조기 셀(2)의 광파 부분(TM)이 평면 편광 빔 분할기(Vg2)의 배후에서 완전히 중첩되도록 하기 위해서는, 2개의 평행한 격자 평면들의 간격 d는 ㎛ 변조기 셀 폭마다 d = a/(2cos(π/6)), 즉 0.57735 ㎛이어야 한다.

50 ㎛ 폭의 변조기 셀들에서는, 0°/60°편광 빔 분할기 기하 형태에 대해 d = 28.87 ㎛의 두께가 주어지는데, 그와 비교하여 사바르 판에 있어서는 예컨대 얻고자 하는 Δn = 0.2일 경우에 d = 385.8 ㎛의 최소 두께만이 얻어질 수 있다.

편광된 광파 부분들(TE, TM)의 포인팅 벡터(pointing vector)들이 편광 빔 분할기의 전방에서 평행한 경우, 그 포인팅 벡터들은 편광 빔 분할기의 배후에서도 평행하다. 따라서 출사하는 빔들의 평행성에는 아무런 문제가 없다.

그러나 광의 파장 변동들은 문제가 된다. 30 ㎛의 변조기 셀 폭 및 17.32 ㎛의 편광 빔 분할기 이중 판 두께에서는, Δλ= 1 ㎚의 파장의 변동이 2개의 중첩된 변조기 셀들 사이의 상대 위상의 변동을 약 2π/10만큼 발생시킨다. 그러한 문제를 해결하기 위해, 작은 회절 각을 갖는 편광 빔 분할기 기하 형태를 선택하는 방안이 주어진다.

가능한 편광 빔 분할기 편향 기하 형태(편광 빔 분할기들(Vg1, Vg2)에 의한)는 도 6에 도시된 바와 같이 0°/48.2°이다. 이때, 광파 부분(TE)은 편향되고, 광파 부분(TM)은 편향되지 않는다. 도 7은 TE 편광된 광을 회절시키지 않으나 TM 편광된 광을 회절시키거나 편향시키는 0°/41.2°편광 빔 분할기(Vg1, Vg2)를 도시하고 있다.

a = 50 ㎛의 변조기 셀 폭 및 이웃한 변조기 셀들 사이의 혼신(cross-talk)과 관련하여 허용되는 D _max = 5 × a = 250 ㎛의 EW 프리즘 평면(도시 생략)까지의 최대 거리에서, θ _min = arctan(a/D _max ) = arctan(0.2) = 11.31도가 주어진다. 사바르 판은 Δn = 0.2에서 약 7.4도를 얻는다.

가능한 격자 편광 빔 분할기 기하 형태는 열(row)이기 때문에, 적용 가능한 각도도 11도의 범위 내에서 존재한다. 그러나 그 경우에는 필요한 굴절률 변화가 지나치게 높다. 즉, 11도를 편광 빔 분할기 기하 형태로서 사용하는 것은 가능하지 않다.

그러나 0°/33.557°의 편광 빔 분할기 기하 형태는 구현 가능한데, RGB 다중화를 위한 굴절률 변화의 예비가 있어야 한다. 그러한 기하 형태는 Δλ = 1 ㎚의 파장의 안정도에서

예컨대 드리프트되는 중심 파장의 영향을 보상하기 위해, 다수의 방안들이 주어진다.

하나의 방안은 2개의 결합한 변조기 셀들의 생성된 합 신호를 사용하여 동작 시에 위상 시프트를 간단하게 보상하는 것이다. 그러한 방안에서는, 예컨대 강도의 정해진 설정치가 결과적으로 얻어지도록 변조기 셀의 위상을 간단하게 시프트할 수 있다. 따라서 도입할 보정 위상의 값을 얻게 된다.

위상 시프트들의 세트를 도입할 수도 있다. 즉, 위상을 시프트하는 간섭계에 의해 결합한 변조기 셀의 상대 위상을 < 2π/512의 정확도로 결정하기 위해 적어도 3개의 위상 시프트들의 세트를 도입할 수 있다.

그러나 단지 소수의 광원들만을 구비한 디스플레이에서는, 간단하게 스펙트럼에 있어 상이한 특성 곡선들을 갖는 2개의 다이오드들을 파장 및 광원마다 사용하는 방안이 제공된다. 즉, 특성 곡선들을 알고 있을 경우, 다이오드들의 신호들로부터 파장을 < 0.1 ㎚로 결정할 수 있다. 그러한 원리는 예컨대 Coherent사의 파장 측정기 WaveMate ^TM 에 적용되어 있다.

그 파장 측정기는 중심 파장을 알고 있으면 드리프트의 경우에 결합한 변조기 셀의 설정하려는 상대 위상의 보정을 직접 수행한다. 그것은 결합한 변조기 셀의 상대 위상을 설정함에 있어 < 2π/512의 잔류 오차를 구현한다.

전술한 온라인 보정 접근법들은 측정 정확도를 높여 파장의 드리프트의 영향을 보상하기 위해 서로 조합될 수 있다. 그와는 별개로, 레이저는 Δλ < 0.1 ㎚로도 안정화될 수 있다.

도 8은 보상되는 편광 빔 분할기를 일 실시예로 도시하고 있다. 본 실시예에서는, 2개의 제1 빔 분할기들(Vg1, Vg2)(도 7에 따른 어셈블리와 유사한)에 의해 TM 편광된 광이 회절하고, TE 편광된 광이 회절하지 않는다. 2개의 빔 분할기들(Vg3, Vg4)(도 6과 유사한)에 의해, TE 편광된 광이 회절하고, TM 편광된 광이 회절하지 않는다. 여기서, 개개의 빔 분할기들(Vg1 내지 Vg4) 사이의 간격은 도 6 및 도 7에 따른 실시예들에서보다 작을 수 있는데, 왜냐하면 TE 또는 TM 편광된 광에 대해 단지 빔 오프셋의 절반만을 각각 발생하면 되기 때문이다.

그 이외에, 도 8은 광파 파장의 보상을 어떻게 달성할 수 있는지를 도시하고 있다.

도 6에서는, 변조기 셀(2)과 회절 격자(Vg1) 사이에 λ/2 판이 도시되어 있다. 변조기 셀들(1, 2)에 입사하는 광이 소정의 편광, 예컨대 직선 TE 편광만을 갖는 경우에 λ/2 판을 마련하는 것이 필요하다. 그 경우, 변조기 셀(2)을 통과한 광은 λ/2 판에 의해 그 편광이 90도 회전되고, 그에 따라 변조기 셀(1)을 통과한 광이 변조기 셀(2)을 통과한 광에 대해 수직으로 편광된다. 변조기 셀들(1,2 )에 입사하는 광이 이미 상응하게 서로 수직으로 편광되는 경우에는, 변조기 셀(2)과 회절 격자(Vg1) 사이에 λ/2 판을 마련하는 것이 필요하지 않다. 즉, 환언하면, 변조기 셀(1)을 통과한 광이 변조기 셀(1)을 통과한 광에 대해 상이하게, 예컨대 수직으로 편광되어 하나의 변조기 셀을 통과한 광이 회절 격자(Vg1)에 의해 편향되고 다른 변조기 셀을 통과한 광이 회절 격자(VG1)에 의해 편향되지 않는 것이 λ/2 판을 마련하는 것의 관건이 된다. 그러한 구성들은 도 7, 도 8, 도 13, 도 14, 및 도 17에 있어서도 유사하게 적용된다.

각도 기하 형태를 < 0.05도로 강구할 필요가 없다. 0.1도의 오차는 비임계적이다. D < a에서는, 0.3도의 각도 오차도 비임계적이다. 즉, 결과적인 영향을 보상하기 위해 측정을 하는 것은 필요할지라도 그러하다. 그것은 D < a에서는 회절되지 않는 광의 부분이 아포다이제이션 필터(APF)의 평면에서 차단되기 때문이다.

그러나 동일한 기하 형태의 2개의 회절 격자들로 이뤄진 부분 샌드위치를 그 자체 그대로 수용하는 것이 필요하거나 권장될만하다. 중첩하려는 파면들의 가로 오프셋은 문제가 되지 않는데, 왜냐하면 아포다이제이션 필터(APF)의 채움 인자가 위상 SLM의 채움 인자보다 작기 때문이다. 즉, FF _APO < FF _SLM 이기 때문이다. 따라서 조명되는 면이 그 치수에 있어 일정하고, 충분히 균일하게 조명되며, 다니ㅈ 공통의 중첩 파면 부분만을 포함한다. 즉, 5%의 가로 오프셋도 문제가 되지 않는다. 환언하면, 변조 소자(ME)를 떠나는 광원 부분들의 해당 가로 오프셋이 변조 소자(ME)의 배후에 배열된 필터 또는 블라인드, 예컨대 소정의 전달 특성의 아포다이제이션 필터(APF) 또는 소정의 블라인드 기하 형태의 홀 블라인드에 의해 보상될 수 있다. 그것은 도 5 내지 도 7에 따른 실시예들에도 적용될 수 있다.

렌즈 또는 프리즘에 의한 굴절 빔 결합

이하, 렌즈 및/또는 프리즘 또는 렌티큘러(lenticular) 및/또는 프리즘 어레이의 사용을 기반으로 하는 굴절 빔 결합의 또 다른 방안을 설명하기로 한다.

도 18은 렌티큘러(L)와 프리즘 어레이(P)를 포함하는 광학 시스템(100)의 일부를 일 실시예로 도시하고 있는 도면이다. 렌티큘러(L)의 렌즈(102)와 프리즘 어레이(P)의 프리즘(104)은 SLM의 2개의 픽셀들에 각각 할당된다(도 18에는 도시되어 있지 않음). 서로 할당된 2개의 픽셀들로부터의 빔들(106, 108), 렌티큘러(L)의 렌즈(102), 및 프리즘 어레이(P)의 프리즘(104)이 도시되어 있다. 픽셀 피치는 p이고, 렌즈(102)의 전방에서의 빔(106, 108)의 지름은 a이며, 렌티큘러(L)와 프리즘어셈블리(P) 사이의 거리는 d이다.

렌즈(102)는 각각의 빔(106, 108)의 광을 집속하여 2개의 빔들(106, 108)을 결합한다. 거리(d)는 렌즈(102)의 초점 거리보다 약간 작고, 그에 따라 프리즘 어레이(P)의 평면에 집속되는 빔들(110, 112)이 여전히 작은 간격(D)을 갖는다. 2개의 빔들(110, 112)은 프리즘(104)의 상이한 측면들에 입사한다. 프리즘 각도는 프리즘을 지난 빔들(114)이 거의 동일한 방향으로 진행하도록 선택된다. 배가된 발산 각(2θ)과 배가된 빔 웨이스트(beam waist)(2w)가 표시되어 있다.

그러한 어셈블리는 2개의 빔들(106, 108)을 정확하게 결합하는 것이 아니라, 약간의 잔여 간격(D)을 남겨 둔다. 그러나 그것은 픽셀 피치(p)와 같은 원래의 간격보다는 훨씬 작다. 따라서 회절 차수의 에지 쪽으로의 광의 경로 차도 훨씬 더 작고, 그에 따라 재구성 품질이 더 좋아진다.

렌티큘러(L)와 프리즘 어레이(P) 사이의 거리(d)가 초점 거리(f)와 같다는, 즉 d = f라는 단순화된 가정 하에 수치예를 들기로 한다. 빔들은 역시 가우스 빔들로 가정된다. 픽셀 피치는 p = 50 ㎛이다. 빔들의 간격은 p = 50 ㎛로부터 D = p/10 = 5 ㎛로 감소한다. 빔 웨이스트는 D = 2w이도록 선택된다.

다음의 관계식이 성립한다.

a = 2θ * f

D = 2 w

그러한 어셈블리에 의해 빔들의 간격(p)이 50 ㎛로부터 5 ㎛로 감소하면, 500 ㎚의 파장에 대해 f = 0.31 ㎜의 초점 거리가 주어진다. 따라서 렌즈의 반지름은 0.1 ㎜의 렌즈 피치에서 약 0.15 ㎜이다.

렌티큘러(L)와 프리즘 어레이(P)는 큰 크기로 제조되어 정렬될 수 있는 광학 소자들이다. 그들에 의해, 2개의 빔들(106, 108)의 간격이 대폭 감소하고, 그에 따라 재구성 품질이 향상된다.

도 19는 2개의 프리즘 어레이들(P1, P2)과 두께 d의 스페이서 유리(G)를 포함하는 광학 시스템(100)의 일부를 또 다른 실시예로서 도시하고 있는 도면이다. 서로 할당된 2개의 SLM 픽셀들로부터의 2개의 빔들(106, 108)이 도시되어 있는데, 그 빔들은 도시를 생략한 구조화된 지연 판의 배후에서 서로 수직으로 된 편광을 갖는다.

제1 프리즘 어레이(P1)는 등방성 재료로 제조된다. 반면에, 제2 프리즘 어레이(P2)는 복굴절 재료로 제조된다. 하나의 편광 방향은 정상 빔(108, 112)으로서 편향되지 않고서 투과되는 반면에, 수직 편광 방향은 이상 빔(106, 110)으로서 편향된다. 그것은 Ocuity사가 스위칭 가능한 2D/3D 디스플레이에 사용하는 복굴절 렌티큘러들과 유사하다. 정상 굴절률은 주위 재료의 굴절률과 동일하게 선택된다. 반면에, 이상 굴절률은 이상 빔이 편향되도록 상이하게 선택된다.

하부 빔(108)은 프리즘 어레이(P1)를 편향됨이 없이 통과하는데, 왜냐하면 평탄한 경계면에 입사하기 때문이다. 하부 빔(108)은 스페이서 유리(G)에 들어간 후에 도면 부호 "112"로 지시되어 있고, 프리즘 어레이(P2)에서도 역시 편향되지 않는데, 왜냐하면 그것이 정상 빔이 되도록 그 편향 방향이 되어 있기 때문이다. 상부 빔(106)은 프리즘 어레이(P1) 및 프리즘 어레이(P2)에서 편향되는데, 왜냐하면 그것이 이상 빔(extraordinary beam)이기 때문이다. 즉, 2개의 빔들(106, 108)이 결합하여 중첩 광선(114)으로서 동일한 방향으로 광학 시스템을 떠난다.

픽셀 피치 p = 50 ㎛에 대한 수치예를 들기로 한다. 유리(G)의 두께(d)는 d = 500 ㎛이다. 그 때문에, 상부 빔(106)은 각각의 프리즘 어레이(P1)에서 δ = 5.7°만큼 편향되어야 한다. 작은 각도에 대해 다음의 식이 성립한다.

여기서, α는 프리즘 각도이고, n ₁ 및 n ₂ 는 프리즘(P1)과 유리(G)의 주위 재료의 굴절률들이다. 전형적인 값은 n ₁ = 1.65 및 n ₂ = 1.5이다. 즉, 굴절률 차가 0.15이다. 그에 의해, 프리즘 각도 α = 57°가 주어진다.

Ocuity사는 여기에서 설명되는 적용 이외의 것을 위한 복굴절 렌티큘러를 수 졸(zoll)의 크기로 제조하고 있다. 따라서 시판되고 있는 프리즘 어레이, 스페이서 유리, 및 복굴절 프리즘 어레이의 샌드위치를 제조하여 그에 의해 빔 결합을 구현할 수 있다.

따라서 광파 다중화 수단은 렌즈 수단과 프리즘 수단을 구비할 수 있다(도 18). 렌즈 수단에 의해, 제1 변조기 셀을 통과한 광(106)이 광 전파 방향으로 렌즈 수단의 배후에 배열된 평면에서 제1 영역에 집속될 수 있다. 렌즈 수단에 의해, 제2 변조기 셀을 통과한 광(108)이 그 평면에서 제2 영역에 집속될 수 있다. 프리즘 수단은 그 평면에 배열된다. 프리즘 수단은 그 프리즘 수단에 의해 제1 영역의 광이 소정의 제1 방향으로 편향될 수 있고 제2 영역의 광이 소정의 제2 방향으로 편향될 수 있도록 구성된다. 소정의 제1 및 제2 방향은 대략 동일하다. 제1 영역은 제2 영역으로부터 떨어져 있다. 렌즈 수단은 렌티큘러(L)를 구비하고, 프리즘 수단은 프리즘 어레이(P)를 구비한다.

도 19에 따른 광파 다중화 수단은 제1 프리즘 수단과 제2 프리즘 수단을 구비한다. 제1 프리즘 수단에 의해, 제1 변조기 셀을 통과한 광(106)이 제1 방향으로 편향될 수 있다. 제2 변조기 셀을 통과한 광(108)은 편향되지 않는다. 광 전파 방향으로 제1 프리즘 수단의 배후에 제2 프리즘 수단이 소정의 거리(d)를 두고 배열된다. 제2 프리즘 수단은 제1 프리즘 수단에 의해 편향된 광(110)이 제2 프리즘 수단에 의해 소정의 방향으로 편향될 수 있도록 구성된다. 편향되지 않은 광(112)은 제2 프리즘 수단에 의해 편향되지 않는다.

제2 프리즘 수단은 복굴절 프리즘 요소들을 갖는 프리즘 어레이(P2)를 구비한다. 제1 변조기 셀을 통과한 광(106)은 제2 프리즘 수단의 복굴절 요소에 의해 편향될 수 있도록 편광된다. 제2 변조기 셀을 통과한 광(108)은 제2 프리즘 수단에 의해 편향되지 않도록 편광된다.

제1 프리즘 수단은 프리즘 요소들을 갖는 프리즘 어레이(P1)를 구비한다. 프리즘 요소들은 제1 변조기 셀을 통과한 광(106)에만 프리즘 요소가 할당되고 제2 변조기 셀을 통과한 광(108)에는 프리즘 요소가 할당되지 않도록 각각 배열된다.

도 20은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 광학 다중화 수단은 적어도 2개의 복굴절 매체들(SV1, SV2)을 구비한다. 광 전파 방향으로 변조기 셀들(1, 2)의 전방에 하나의 복굴절 매체(SV1)가 배열되고, 변조기 셀들(1, 2)의 배후에 또 다른 복굴절 매체(SV2)가 배열된다. 복굴절 매체들(SV1, SV2)은 소정의 광학 특성을 각각 갖는다. 변조기 셀들(1, 2)의 전방에 배열된 복굴절 매체(SV1)의 광학 특성은 광의 제1 부분이 소정의 제1 각도만큼 제1 변조기 셀(1) 쪽으로 편향되도록 구성된다. 도 20의 상부 영역에는, 광의 그 부분의 빔 횡단면이 점선으로 도시되어 있다. 그 아래에 2개의 또 다른 빔 횡단면들이 예시적으로 도시되어 있는데, 그것은 전체 면에 걸쳐 계속하여 상정될 수 있는 것이다. 광의 다른 부분은 편향되지 않는다. 광의 그 부분의 횡단면은 실선으로 도시되어 있다. 변조기 셀들(1, 2)의 배후에 배열된 복굴절 매체(SV2)의 광학 특성은 광의 그 다른 부분이 소정의 제2 각도만큼 편향되고 광의 제1 부분이 편향되지 않도록 구성된다. 2개의 복굴절 매체들(SV1, SV2)의 광학 특성은 특히 복굴절 매체들(SV1, SV2)의 광축 또는 주축의 각각의 배향을 의미할 수 있다. 2개의 복굴절 매체들(SV1, SV2)의 광축들은 이중 화살표들로 지시되어 있고, 대략 동일하게 배향된다. 2개의 복굴절 매체들(SV1, SV2)의 광축들의 배향이 도 20의 도면 평면에 놓이지 않는 구성도 생각해볼 수 있다. 제1 복굴절 매체(SV1) 쪽으로 광이 비편광 상태를 갖는 것이 기본적으로 가능하기는 하지만, 제1 복굴절 매체(SV1)에 입사한 광이 미리 주어진 직선 편광 상태를 갖도록 조치하는 것이 바람직하다.

도 20에 따른 2개의 복굴절 매체들(SV1, SV2)은, 아울러 도 13, 도 14, 도 17, 및 도 21에 따른 복굴절 매체들(SP, SP1, SP2, SP3)도 거의 평면 평행하게 배열된 경계면들을 갖는다.

도 20의 2개의 복굴절 매체들(SV1, SV2) 사이에는 λ/2 판의 형태로 구성된 지연 판이 배열된다. 그러한 지연 판은 변조기 셀들(1, 2)을 통과한 광의 편광 방향을 90도만큼 회전시킨다.

광 전파 방향으로 제1 복굴절 매체(SV1)의 전방에 블라인드 어레이(BA)가 마련되는데, 그 블라인드 어레이(BA)는 각각의 제2 변조기 셀(1) 쪽으로 전파된 광의 편향되지 않은 부분을 차광하도록 구성된다. 환언하면, 블라인드 어레이(BA)는 변조기 셀들(1 또는 2)과 거의 동일한 횡단면을 갖는 개별 블라인드들(B)을 구비한다. 블라인드들(B)은 각각의 제2 변조기 셀(1)을 입사한 광으로부터 차폐하도록 위치된다. 그럼으로써, 편향되지 않은 광이 변조기 셀(1)을 통과하는 것을 방지한다. 도 20에서는, 개별 구성 요소들이 단순화된 도시를 위해 서로 별개로 도시되어 있다. 그러나 그들은 샌드위치 형태로 합쳐질 수 있다. 즉, 서로 직접 접촉된 상태로 있을 수 있다.

도 20에 따라 설명된 어셈블리에서, 변조기 셀들(1, 2)과 복굴절 매체(SV2)의 배후에 배열된 또 다른 광학 구성 요소(예컨대, 편향 프리즘 셀 어레이 또는 아포다이제이션 필터, 도 20에 도시되지 않음) 사이의 거리는 예컨대 도 17에 도시된 어셈블리에 비해 감소하는 것이 바람직하다. 도 20에 도시된 어셈블리는 특히 스펙트럼 광대역 광에 유리하지만, 스펙트럼 협대역 광에도 바람직하다. 도 20에 도시된 어셈블리에 의해, 빔 분포 및 빔 결합의 대칭화가 구현될 수 있고, 그것은 한편으로 광학 경로 길이의 편차의 최소화 및/또는 다른 한편으로 중첩된, 즉 결합한 파면들의 편차의 최소화에 사용될 수 있다. 즉, 2개의 중첩된 변조기 셀들(1, 2)의 회절 패턴들이 광변조 장치의 출력에서 동일한 강도 분포 및 위상 분포(편광 상태의 직교성을 제외한)를 가지는 것이 달성될 수 있다. 그것은 그러한 광변조 장치가 홀로그래피 디스플레이에 사용될 경우에 우수한 홀로그램 재구성을 위한 중요한 특징이다. 그와 유사하게, 2개의 이웃한 변조기 셀들(1, 2)을 통과한 광의 혼신을 어셈블리에서 최소화하는 것도 역시 우수한 홀로그램 재구성의 중요한 특징이다.

도 22는 도 20에 따른 실시예에서와 유사한 기능을 구현할 수 있는 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 20에 따른 실시예는 굴절 소자, 즉 2개의 복굴절 매체들(SV1, SV2)을 사용한다. 반면에, 도 22에 따른 실시예는 회절 소자, 즉 회절 격자의 형태로 각각 구성되는 도 22에 도시된 편향 층들(Vg1, Vg2, Vg3, Vg4)을 사용한다. 여기서, 편향 층들(Vg1, Vg2)은 광 전파 방향으로 변조기 셀들(1, 2)의 전방에 배열된다. 편향 층들(Vg3, Vg4)은 광 전파 방향으로 변조기 셀들(1, 2)의 배후에 배열된다. 그러나 블라인드(B)에 의해 차광되지 않고서 제1 편향 층(Vg1)에 입사한 광은 개별 편광 부분들의 균일한 분포로 편광되지 않거나 소정의 편광 상태를 갖는다. 예컨대, 직선 편광된다.

제1 편향 층(Vg1)은 광을 2개의 부분 빔들로 분할하도록 구성된다. 하나의 부분 빔은 거의 편향되지 않고, 직선 편광되어 예컨대 TE 편광을 갖는데, 그것이 점선으로 도시되어 있다. 다른 하나의 부분 빔은 소정의 각도만큼 편향되고, 역시 직선 편광되어 예컨대 TM 편광을 갖는데, 그것이 쇄선으로 도시되어 있다. 제1 편향 층(Vg1)과 평행하게 제2 편향 층(Vg2)이 배열되는데, 제2 편향 층(Vg2)은 편향되지 않은 광을 편향시키지 않고 소정의 각도만큼 편향된 광을 또 다른 각도만큼 편향시키도록 구성된다. 2개의 편향 각도들의 크기는 거의 동일하다. 즉, 60도이다. 편향되지 않은 광은 제2 편향 층(Vg2)의 배후에 배열되어 있는 구조화되고 λ/2 판으로 구성된 지연 판에 의해 그 편광 방향에 있어 90도만큼 회전된다. 그에 상응하여, 2개의 변조기 셀들(1, 2)을 통과하는 광은 거의 동일한 편광 상태를 갖는다.

변조기 셀들(1, 2)은 그들과 각각 상호 작용하는 광의 위상을 변경할 수 있도록 구성된다. 변조기 셀들(1, 2)과 제3 편향 층(Vg3) 사이에는 구조화되고 λ/2 판으로 구성된 또 다른 지연 판이 마련되는데, 그 지연 판은 변조기 셀(2)을 통과한 광의 편광 방향을 90만큼 회전시킨다. 그 광은 제3 편향 층(Vg3)에 입사하는데, 제3 편향 층(Vg3)은 변조기 셀(2)을 통과한 광을 거의 편향시키지 않고 변조기 셀(1)을 통과한 광을 소정의 각도만큼 편향시키도록 구성된다. 제3 편향 층(Vg3)과 평행하게 제4 편향 층(Vg4)이 배열되는데, 제4 편향 층(Vg4)은 제3 편향 층(Vg3)에 의해 편향되지 않은 광을 편향시키지 않고 제3 편향 층(Vg3)에 의해 소정의 각도만큼 편향된 광을 또 다른 각도만큼 편향시키도록 구성된다. 2개의 또 다른 각도들의 크기는 거의 동일하다. 그 경우, 2개의 변조기 셀들(1, 2)을 통과한 광선들은 결합하여 거의 동일한 방향으로 전파된다. 2개의 변조기 셀들(1, 2)이 거의 동일한 위상 값을 구현할 경우, 2개의 부분 빔들의 광학 경로 길이들은 거의 동일하다.

미리 주어진 입력 편광으로 동작할 필요가 없는 변조기 셀들(1, 2 또는 SLM들)이 제공된다. 그 경우, 변조기 셀들의 평면의 전방에 있는 구조화된 지연 판을 생략하고, 변조기 셀들의 평면의 바로 배후에 위치한 구조화된 제2 지연 판을 구조화되지 않은 지연 판, 즉 구조화되지 않은 반파장 판으로 대체하는 것이 가능하다.

RGB 표현을 위해, 즉 상이한 파장들을 갖는 광의 사용을 위해, 각각의 편향 층(Vg1 내지 Vg4)에서 광의 각각의 파장에 맞춰진 3개의 상이한 회절 격자들이 서로 노광될 수 있다. 물론, 도 22에 도시된 어셈블리를 행의 형태, 열의 형태, 또는 행렬의 형태로 보충하는 것도 생각해볼 수 있다. 즉, 도 22에 도시된 구성 요소들이 도면 평면의 위쪽 또는 아래쪽 및 그로부터 벗어나(도 20과 유사하게) 적절히 반복적으로 마련되는 경우를 생각해볼 수 있다.

첨부 도면들에서는, 일반적으로 광파 다중화 수단이 광의 전파 방향으로 변조 필드의 변조기 셀들의 바로 배후에 배열되어 있다. 그러나 첨부 도면들에 도시된 광파 다중화 수단을 다른 지점에 마련하는 것도 가능하다. 즉, 예컨대 변조 필등돠 광파 다중화 수단 사이에 다른 광학 소자가 배열될 수 있다. 즉, 첨부 도면들에 도시되거나 특허 청구 범위에서 청구되는 광학 다중화 수단은 광의 전파 방향으로 또 다른 광학 소자의 배후에 배열될 수 있다. 그러한 또 다른 광학 소자는 예컨대 DE 10 2009 028 984.4 또는 PCT/EP2010/058619에 개시된 바와 같은 조명 유닛일 수 있다. 따라서 그 조명 유닛에 커플링된 광은 그 표면(변조 필드와 평행하게 배열된)에 대해 대략 수직으로 출사하여 반사 방식으로 동작하는 변조 필드로 전파될 수 있다. 조명 유닛으로부터 나온 광이 변조 필드의 변조기 셀들에 의해 변조되고, 예컨대 변조 필드의 반사 층에서 반사된 후에, 변조된 광은 거의 편향되지 않고서 조명 유닛을 통과하고, 이어서 광파 다중화 수단에 입사한다. 이때, 광파 다중화 수단은 변조 필드의 반대쪽을 향한 조명 유닛의 측면에 배열된다. 변조 필드에서 반사되고 변조된 광이 조명 유닛을 방해받음이 없이 통과할 수 있도록 하기 위해, 조명 유닛과 변조 필드 사이에 통과 시마다 고아의 편광 방향을 45도만큼 회전시키는 적절한 포일이 마련된다.

끝으로, 전술한 실시예들은 청구하는 사상을 설명하는 역할만을 하는 것이지, 그 사상이 그 실시예들에 한정되는 것이 아님을 매우 특별히 유의하여야 할 것이다.

인용 문헌

[1] Chulwoo Oh and Michael J. Escuti: Achromatic polarization grating as highly efficient thin-film polarizing beamsplitter for broadband light, Proc. SPIE, Vol. 6682, 628211, 2007

[2] Kim et al: Wide angle nonmechanical beam steering using thin liquid crystal polarization gratings, Proc. SPIE, Vol. 7093, 709302, 2008