KR101001955B1 - 자동 입체 다중 사용자 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2D 및/또는 3D 이미지를 시간 순차적으로 표시하는 선택가능한 디스플레이와 포커싱 소자를 포함하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이에 관한 것이다. 관찰자의 방향에서 볼 때에서, 상기 디스플레이는 서로 개별적으로 기능하는 이미지 매트릭스와 스윗 스폿 유닛을 포함한다. 스윗 스폿 유닛은 표면 영역이 큰 광 분산을, 관측자의 양 눈 사이의 거리와 같거나 더 큰 측면 스윗 스폿 확장으로써 관측자의 눈에 포커싱된다. 스윗 스폿 번들은 이미지 매트릭스를 관찰자(들)에 대한 그것의 웨이 상에서 균일하게 완전히 통과함으로써, 이미지 매트릭스의 이미지 콘텐츠에 의해 변조된다. 스윗 스폿의 사이즈는 추적 정밀도의 요건을 줄인다. 스윗 스폿 유닛은 조명과 이미지 매트릭스로 구성된다. 조명 매트릭스는 대략 이미지 매트릭스의 전방 초점 거리에 배치되고, 조절가능한 개구를 가진 전자 셔터 및 백라이팅으로 구성되거나, 다른 적합한 구성요소일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 셔터와 이미지 매트릭스는 그들의 픽셀과 서브픽셀 지오메트리에 관해서는 동일하다. 이미지 매트릭스는 듀얼 렌티큘러, 홀로그래픽 광학 요소 등일 수 있다.

Description

자동 입체 다중 사용자 디스플레이{AUTOSTEREOSCOPIC MULTI-USER DISPLAY}
본 발명은 한 사람 또는 다수의 관측자의 눈을 향해 지향되는 광속(pencil of ray;光束)을 형성하도록 균질광을 포커싱하기 위한 포커싱 소자로 구성되는 자동 입체(autostereoscopic) 다중 사용자 디스플레이, 및 모노스코픽 내지는 입체 콘텐츠를 가진 2차원 이미지 또는 이미지 시퀀스들을 순차적으로 표시하는 전환가능 디스플레이에 관한 것이고, 상기 디스플레이는 상기 이미지 콘텐츠의 도움을 받아 포커싱 소자에 의해 방출된 광을 변조한다.
미래의 시장 수요에 부응하기 위하여, 자동 입체 다중 사용자 디스플레이는 오늘날 2차원(2D) 디스플레이에 강요된 고품질 표준과 일치하여야 한다. 이러한 3D 디스플레이의 사용자는 본질적인 다음의 특징들, 즉 다수의 관측자를 지원하는 능력(다중 사용자 시스템), 사용자 개개인의 자유롭고 독립적인 이동 가능성, 및 2D 및 3D 모드의 수 개의 콘텐츠 또는 프로그램에 대한 선택적 액세스를 고려한다. 고해상도, 견고성(robustness), 신뢰성, 짧은 깊이(little depth), 카메라 및 스테레오 카메라를 포함한 사실상 모든 통상적 비디오 포맷의 지원, 및 저 비용과 같은 추가적 요구는 2D 디스플레이 기술로부터 유도된다.
다중 사용자 디스플레이는 3D 콘텐츠를 동시에 및 서로 독립적으로 시청하기 위하여 시청 공간(viewing space) 내의 임의 위치에 위치한 다수의 관측자가 사용할 수 있는 장치이다. 이것은 부분 이미지들을 공간적 또는 시간적으로 상호 맞물리게 함(interdigitation)으로써 달성될 수 있다.
이러한 공간적 다중화 시스템에 기반을 둔 자동 입체 디스플레이에 대한 몇가지 해법이 제안되어 왔다.
공간적 상호 맞물림을 이용한 디스플레이(멀티뷰 디스플레이)와 관련하여, 다수의 인접 픽셀들 또는 그들의 컬러 서브픽셀들은 그룹지어서 픽셀 클러스터를 형성하고, 각 픽셀은 다른 시각(perspective)으로부터의 3D 장면을 포함한다(US 6,366,281, DE 101 45 133 참조). 배리어라고 알려진 이미지 분리 마스크, 렌티큘러 또는 다른 광학 요소는 각 픽셀 클러스터의 픽셀 콘텐츠를 공간 내에 팬 모양 방식으로 투사한다. 각 팬은 특정 시각으로부터의 3D 장면의 이미지 콘텐츠를 포함한다. 만일 관측자의 2개의 눈이 이웃하는 팬에 위치하면, 관측자는 원하는 입체 표시를 인식한다. 그러나, 이 구성은 해상도가 낮은 단점이 있다. 전체 해상도는 이미지 매트릭스의 해상도에 의해 결정되지 않고 더 조악한(coarse) 픽셀 클러스터 해상도에 의해 결정된다. 예를 들어 8개의 시각을 가진 이미지는 해상도를 1/8로 감소시킬 것이다. 다른 하나의 단점은 의사 입체(pseudo-stereoscopic) 효과에 의한 누화를 회피하기 위해 관측자와 멀티뷰 디스플레이 사이에 일정한 거리가 유지되어야 한다는 것이다.
시간적 상호 맞물림에 의한 입체 디스플레이가 또한 알려져 있다(Neil A. Dodgson 등: A 50 "time-multiplexed autostereoscopic display, Proc.SPIE 3957, "Stereoscopic Displays & Applications XI"). 이 디스플레이에서, 서로의 뒤에 배열된 광원들은 프레넬 렌즈의 도움을 받아 광상자(light-box)의 형태로 시청면에 투사된다. 투과형 LCD 패널은 프레넬 렌즈 뒤에 배치되고, 상기 LCD 패널은 이미지 정보를 이용하여 광을 변조한다. 광원과 광상자는 서로 교대로 온(on)되고, LCD 패널은 정해진 시각으로부터 3D 장면의 이미지에 대응하는 이미지 콘텐츠로 전환한다. 관측자는 광상자로부터의 장면을 시청할 수 있고, 각각의 눈은 LCD 패널에서 다른 시각으로 보게 된다. 다른 시각으로부터 보더라도 동일한 장면이 나타나기 때문에 관측자는 스테레오 이미지를 인식한다. 이러한 현상은 또한 수 명의 관측자에게 적용된다. 이 방법은 장면의 다른 시각이 동시에 보여지지 않고 하나 다음에 다른 하나식으로 보여지기 때문에 시간 다중화 멀티뷰(time-multiplexed multi-view)라고 알려져 있다. 통상의 멀티뷰 방법과 대조적으로, 이 방법은 디스플레이의 고해상도를 유지한다.
그러나, 모든 시간적 상호 맞물림 방법은 일반적으로 높은 데이터 전송율 및 높은 리프레시율을 갖는다. 광상자 내에 10개의 위치가 있다고 가정하면 2개의 파라메터는 10배 증가한다. 이 때문에 대부분의 오늘날 TFT 기반 전송 디스플레이는 미래의 자동 입체 다중 사용자 응용에 부적합하게 된다.
이 방법의 변형예에서, CRT의 정보가 셔터를 통하여 프레넬 렌즈에 투사된다. 그 다음에, 프레넬 렌즈는 셔터를 광상자에 투사한다. CRT는 이 방법에서 2가지 기능을 결합하고 동시에 정보 캐리어와 광원으로서 동작한다.
투과형 광 변조기가 필요없기 때문에 높은 CRT 리프레시율이 유지된다. CRT 모니터는 대부분의 TFT 디스플레이보다 훨씬 더 빠르다. 그러나, 멀티뷰 방법에서는 적어도 10개의 시각이 요구된다. 이것은 데이터 전송율과 관련해서 고속 고해상도 CRT 모니터에 대해서도 문제가 된다. 다른 하나의 곤란함은 큰 이미지 휘도가 필요하다는 것인데, 이 예에서 필요로 하는 강도는 10배 증가한다. 광상자의 다른 세그멘트로의 전이에 의해 야기되는 브레이크없이 장면들을 시청할 수 있게 하기 위하여 10개보다도 많은 시각이 필요하다. 스위칭 시간이 짧은 주문생산형 CRT 모니터의 경우에도 기술적 및 경제적 가능성을 쉽게 넘어선다. 더욱이, 그러한 장치는 용적이 커서 그들의 시장 허용성을 감소시킨다.
멀티뷰 장치들은 범용 스트리밍 비디오용의 특수한 멀티뷰 카메라를 필요로 하지만 그러한 카메라는 특수한 개발의 형태로 존재할 뿐이다. TV 응용에서 멀티뷰 장치를 사용하는 것은 이러한 사실 및 높은 데이터 전송율 때문에 제한된다.
오늘날의 자동 입체 다중 사용자 디스플레이에 대한 전술한 요구의 해법을 제시하는 기술이 최근 공개되었다.
EP 0 881 844 A2에는 광원 추적(tracking) 기능이 있는 단일 사용자 디스플레이에 대하여 기술되어 있다. 이 디스플레이는 시간 다중화 모드에서 동작한다. 광원 쌍의 2개의 인접 세그멘트는 관측자의 좌측 눈과 우측 눈에 제공된다. 예를 들어서 관측자의 우측 눈에 대한 세그멘트가 온으로 되면, 제1 렌티큘러는 다수의 이미지 내의 이 세그멘트를 확산기 판에 투사한다. 이 판은 이제 제2 광원으로서 작용하며, 그 자신의 확산 특성 때문에 제2 렌티큘러의 모든 렌즈를 통하여 우측 스테레오 이미지를 디스플레이에 제공하고, 이것에 의해 관측자의 우측 눈에 광이 포커싱된다. 잠시 후 광원 쌍은 좌측 눈에 대한 세그멘트로 전환되고, 디스플레이 패널은 좌측 이미지 콘텐츠로 전환된다. 만일 관측자가 스테레오 구역 밖으로 이동하면, 현재의 구역에 대응하는 제2 광원 쌍이 온으로 되고 디스플레이 패널은 우측 또는 좌측 이미지 콘텐츠로 전환된다. 그러나, 이것은 일반적으로 다중 사용자 동작을 방해하는 확산기 판을 사용해야 하는 단점이 있는데, 다수의 제2 광원을 가진 확산기 판은 제2 렌티큘러를 통해 주기적 연속성으로 나타나기 때문이다.
WO 03/019952 A1(US 2003/0039031과 동일한 것임)에는 2D 및 3D 프로그램에 선택적으로 액세스할 수 있는 다중 사용자용의 추적 기반 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 디스플레이에 추가해서 셔터를 비롯하여 2개의 렌즈 어레이를 포함하는 지향성 광학 장치에 특징이 있다. 지향성 광학 시스템은 디스플레이 콘텐츠를 한 사람 또는 다수의 관측자의 눈에 포커싱하고, 상기 디스플레이는 동시에 광원을 형성한다. 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈는 각 디스플레이의 하나의 픽셀을 셔터에 포커싱하고, 상기 셔터는 1인의 관측자에 대하여 렌즈 피치당 하나의 세그멘트를 개방상태로 유지한다. 이제, 이 세그멘트는 실질적으로 동일한 피치를 가진 제2 렌즈 어레이의 대응하는 렌즈에 의해 관측자의 눈에 투사된다. 만일 관측자가 이동하면, 위치 검출기가 관측자의 새로운 위치를 전송하고, 디스플레이 픽셀을 관측자의 눈에 투사할 책임이 있는 어떤 셔터 세그멘트가 개방되어야 하는 지를 결정한다. 시간 다중화 방법을 이용하는 3D 모드에서, 우측 및 좌측 이미지는 하나 다음에 하나식으로 우측 및 좌측 눈에 각각 투사된다. 만일 관측자가 다수이면, 다수의 세그멘트가 기동된다. 2D 모드에서는 모든 셔터 세그멘트가 기동될 수 있다.
비록 자동 입체 디스플레이의 모든 특징들이 일반적으로 이용가능하지만, 자 동 입체 다중 사용자 디스플레이를 실현하기 위해 그 특징들을 결합할 때 상당한 곤란함에 부딪히게 된다. 셔터는 극히 높은 해상도를 가질 필요가 있다. 예를 들어서, 100개의 시각을 가진 상기 특허의 일 실시예는 2.5 ㎛의 세그멘트 폭을 필요로 하고, 0.25 mm의 픽셀 피치가 통상의 UXGA 디스플레이에서 사용되는 것으로 가정한다. 1600개의 칼럼이 있다고 가정하면, 라인마다 160,000개의 제어가능한 세그멘트가 필요하다.
WO 03/013153 A1에 따른 투사 방법은 또한 정보 캐리어와 광원을 결합한다. 이미지 정보는 관측자(들)에게 포커싱되도록 전환가능 고해상도 장벽의 세그멘트를 통하여 편향 유닛의 세그멘트에 공급된다. 추가적인 프레넬 렌즈는 투사 유닛으로부터의 광을 포커싱하는데 사용될 수 있다. 큰 깊이의 구성 및 고강도의 투사 유닛은 이 방법의 단점이다.
3개의 구성 요소, 즉 시준된 백라이트 소스, 광을 관측자(들)의 눈에 포커싱하는 지향성 유닛 및 투과형 패널을 이용하는 기술에 의해, 광원과 정보 캐리어가 분리되지만, 그러나 레이저 또는 점광원에 의해 공급되는 지향성 광을 가진 복잡한 백라이팅이 요구된다. 전술한 지향성 유닛은 광을 관측자(들)의 눈에 포커싱하기 위하여 여전히 추가적으로 필요할 것이다.
확산 광원에 의한 백라이팅 및 렌즈를 이용한 광의 지향은 수차(aberration)를 회피하기 위해 큰 촛점 거리의 렌즈가 필요하기 때문에 큰 깊이의 장치를 요구한다.
WO 03/053072 A1에는 측면 방향에서 뿐만 아니라 관측자와 디스플레이 간의 다양한 거리에서 관측자(들)의 눈에 광을 정확히 포커싱하기 위한 3차원 백라이트가 개시되어 있다. 이 3차원 백라이트의 몇 가지 구성이 개시되어 있는데, 예를 들면, LCD 패널이 하나 뒤에 하나식으로 배열되는 구성 또는 어드레스가능한 반사 영역 등이 개시되어 있다. 어드레스가능한 3D 백라이트 광원은 면광원을 이용한 독슨(Dodgson)의 방법(위의 설명 참조)과 유사하게, 광원을 한 사람 또는 다수의 관측자에게 투사하고 그들의 이동을 추적하는 투사 시스템을 형성하는 렌즈들을 조명한다. 관측자에게로 가는 도중에, 광은 좌측 이미지를 좌측 눈에 및 우측 이미지를 우측 눈에 교대로 공급하는 광 변조기를 통해 지나가고, 상기 이미지는 한 개 이상의 3D 프로그램으로부터 선택된다.
이 방법의 단점은 3차원 백라이트 및 극히 큰 직경을 가진 투사 렌즈에 의해 야기된 자동 입체 디스플레이의 큰 깊이에 있다. 그러한 큰 렌즈가 광축을 벗어나는 수차를 제한하기 위해, 충분히 큰 촛점 거리를 선택해야 하고, 따라서 장치를 매우 깊게 만든다. 또한, 3차원 백라이트를 달성하기 어렵다.
EP 0 656 555 A에는 광원 추적 방법이 개시되어 있다. 광은 직각으로 배치된 2개의 디스플레이 패널을 통하여 전송된다. 반투과형 미러는 2개의 디스플레이 패널 사이에서 45°의 각도로 배치된다. 관측자의 좌측 눈 및 우측 눈에 대한 각 광원은 광학 포커싱 시스템의 2개의 패널 각각을 통해서 그리고 하나의 눈에 대한 반투과형 미러를 통하여 투사되고 다른 눈에 대한 반투과형 미러에 의해 반사된다. 하나의 패널은 우측 눈에 대한 이미지 정보를 포함하고, 다른 패널은 다른 눈에 대한 이미지 정보를 포함한다.
관측자가 이동하면, 그의 위치는 위치 검출기에 의해 검출되고, 광원은 관측자가 항상 스테레오 이미지를 인식할 수 있도록 추적된다. 만일 다수의 관측자가 있으면, 수 개의 광원이 기동된다. 양쪽 패널들은 우측 및 좌측 이미지를 동시에 내포한다.
EP 0 881 844 A2에 개시된 단일 사용자 장치 및 순수 3D 멀티뷰 디스플레이에서 벗어나서, 전술한 종래의 기술들은 대개의 경우 정보 캐리어 및 광원으로서 동시에 작용하는 디스플레이에 의해 특징지워진다(WO 03/019952, N. A. Dodgson 등). 또한, 모든 후속 광학 유닛들은 디스플레이의 픽셀 피치에 적응된다는 것이 명백하다. 요약하자면, 상기 2개의 디스플레이 특징은 다음과 같은 단점을 가진다.
첫째, 구성 요소들이 다른 디스플레이에 대하여 비호환적이다. 해상도 또는 사이즈와 같은 기하학적 차이를 가진 디스플레이는 새로운 디자인을 요구한다. 특히, 새로운 셔터가 필요하다. 둘째, 디스플레이 픽셀에 기초한 조정은 극히 높은 정확성을 요구하며 견고성을 크게 요구하고 있다. 셋째, 충분한 명도를 가진 디스플레이만이 사용될 수 있다. 넷째, 픽셀 피치에 관련한 셔터 세그멘트의 치수가 매우 작아야 하기 때문에 실용화가 어렵고 가격이 비싸진다.
WO 03/053072 A1, EP 0 656 555 A 및 WO 03/013253 A1에 따른 디스플레이는 위에서 설명한 이유 때문에 디스플레이가 매우 깊다는 추가의 단점이 있고, 따라서 평평한 자동 입체 다중 사용자 디스플레이를 구성하기가 불가능하다.
본 발명의 목적은 개별 구성 요소 및 구성 요소 상호간의 조정에 대한 비용 및 노력이 최소이고, 평평한 디자인, 3D 구성 요소 및 디스플레이의 호환성, 충분한 명도 및 종래의 장치에서 요구된 극단적인 정확성 요구를 감소시킬 가능성에 특징이 있는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 사용자 디스플레이에서 발광 요소와 정보 운반 이미지 매트릭스를 분리하는 데에 있고, 상기 디스플레이는 동시에 및/또는 선택적으로 고해상도 2D 이미지 및 3D 장면을 제공할 수 있고, 다수의 관측자들이 그들의 위치를 변경하는 경우에도 제공된 콘텐츠를 서로 독립적으로 볼 수 있게 한다.
이 목적은 청구항 1의 특징에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 자동 입체 다중 사용자 디스플레이는 스윗 스폿 유닛(sweet-spot unit)을 형성하도록 설계되고 관측자의 눈에 대응하는 위치에 스윗 스폿으로서 개별적으로 미리 선택가능한 확장(extension)을 가진 광을 포커싱하는 포커싱 소자를 포함한다. 이것은 스윗 스폿 유닛과 이미지 매트릭스를 (광이 전파되는 방향으로) 서로의 뒤에 배치함으로써 달성되고, 이것에 의해 스윗 스폿 유닛의 광은 가능한 한 균질하게 이미지 매트릭스에 투사된다. 스윗 스폿은 관측자(들)의 양 눈 사이의 거리와 같거나 더 큰 측면 확장을 갖는다. 스윗 스폿 사이즈는 다른 경우에 추적 정확성에 대한 엄격한 요구를 감소시키는 장점이 있다. 광은 눈의 동공에 포커싱되어야 할 필요가 없고, 광을 스윗 스폿 정확성에 따라 위치시키는 것으로 충분하다. 스윗 스폿은 정보를 수신하지 않는 눈에 대해서는 오프로 된다. 따라서, 이것은 다크 스폿(dark spot)으로 된다.
스윗 스폿 유닛은 이미지 매트릭스와 동기적으로 동작하고, 따라서 다수 사용자의 경우 순수 2D 이미지 또는 좌우 스테레오 이미지가 이용가능 프로그램의 범위로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 스윗 스폿 유닛은 조명 매트릭스와 투사 매트릭스를 포함한다. 조명 매트릭스는 투사 매트릭스의 렌티큘러 요소의 전방 포커스에 대략 배치되고 통상의 백라이트 및 조절가능한 개공들을 가진 전자식 셔터로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 셔터는 예를 들면 LCD 또는 강유전체 LCD(FLCD) 패널이다.
본 발명에 따르면, 셔터와 이미지 매트릭스의 동기화는 동일 디자인의 LCD 패널을 이용함으로써 크게 용이해지고, 따라서 셔터와 이미지 매트릭스는 그들의 픽셀 및 서브픽셀 지오메트리에 관해서는 동일하다. 컬러 표시의 경우에 정보 운반 LCD 패널과 달리, 셔터는 컬러 매트릭스를 내포하지 않는다. 셔터의 서브픽셀은 제어가능하고, 따라서 제어가능한 위치의 수가 3배 증가된다.
셔터의 개공들의 크기는 예컨대 인접 서브픽셀들을 군집화(clustering)함으로써 변화될 수 있다. 본 발명에서 제안하는 것처럼 개개의 구성 요소들을 분리할 수 있기 때문에, 셔터의 해상도에 대한 요구를 감소시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 조명 매트릭스는 라인 내에 또는 매트릭스 내에 배열된 제어가능한 구조를 가진 능동 발광 조명 매트릭스인 하나의 구성 요소만으로 구성될 수 있다. 그 예로는 유기 LED(OLED) 패널 또는 DLP에 기반을 둔 투사 유닛이 있다. 본 발명에 따르면, 프레넬 렌즈 및/또는 확산층은 투사기와 투사 매트릭스 사이에 배치될 수 있다.
투사 매트릭스는 조명 매트릭스의 요소들을 스윗 스폿의 디스플레이의 앞에 있는 공간에 투사하기 위한 것이다. 투사 매트릭스는 다양한 방법으로 형성될 수 있는데, 예를 들면 전체적으로 또는 부분적으로 렌티큘러, 듀얼 렌티큘러, 렌즈 어레이, 혼합 렌즈 시스템 또는 홀로그래픽 광학 요소로서 형성될 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따르면, 렌티큘러, 렌즈 어레이 및 홀로그래픽 광학 요소는 혼합되거나 하나 다음에 하나식으로 배치될 수 있다.
수차를 억제하기 위하여, 투사 매트릭스의 요소들은 단지 하나의 광학 경로를 가진 광학 시스템과 유사하게 이중 또는 삼중 렌즈 시스템이나 다른 순차적 렌즈 시스템을 또한 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 투사 매트릭스는, 전체적으로 또는 부분적으로, 중합체와 같이 그 광학적 특성을 조절할 수 있는 물질로 구성될 수 있다.
모아레 효과(Moire effect)를 피하기 위해, 확산 포일과 같은 확산 매체가 이미지 매트릭스의 앞 또는 뒤에 배치된다.
이하의 설명에서는 단지 1인의 관측자만으로 설명하지만, 이 1인의 관측자는 물론 1군의 관측자로 될 수 있다.
본 발명에 따른 자동 입체 다중 사용자 디스플레이는 이하에서 도면을 참조하면서 그 실시예가 상세하게 설명된다.
도 1은 관측자의 우측 눈에 대한 스윗 스폿 유닛 및 이미지 매트릭스로 구성된 자동 입체 다중 사용자 디스플레이의 일반적 구성을 도시한 것이다.
도 2는 도 1과 유사하지만 관측자의 좌측 눈에 대한 일반적인 구성을 도시한 것이다.
도 3은 관측자의 하나의 눈에 대한 스윗 스폿을 발생하도록 조절된 조명 매 트릭스의 개략도이다.
도 4는 도 3과 유사하지만 확대된 스윗 스폿을 발생하도록 조절된 조명 매트릭스의 개략도이다.
도 5는 3D 이미지 콘텐츠가 제공되는 두 명의 관측자에 대해 스윗 스폿을 발생하는 것을 보이는 개략도이다.
도 6은 다수의 사용자용이고 큰 공간 내에 2D 이미지 콘텐츠를 표시하는 것을 나타내는 개략도이다.
도 7은 도 6과 유사하지만 한 명의 관측자에게는 정보가 제공되고 다른 관측자에게는 다크 스폿이 제공된 경우의 개략도이다.
도 8은 조명 매트릭스로서 투사 유닛을 사용하는 스윗 스폿 유닛의 일 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 1 내지 도 8에 도시하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이는 스윗 스폿 유닛을 이용하는 광원 추적에 기반을 둔 스테레오 모드에 있다. 관측자에게는 스테레오 정보가 연속 프레임으로, 즉 시간 순차 방식으로 제공된다. 이러한 스테레오 정보 표시 방법은 매우 일반적인 것이고 소위 셔터 방법 및 편광 유리 방법에 의해 또한 사용된다. 자동 입체 다중 사용자 디스플레이와 함께 이 방법을 사용할 때, 해상도는 유지되고, 멀티뷰 방법에서와 같이 시각의 수를 나타내는 인자에 의해 감소되지 않는다. 해상도는 이미지 매트릭스의 해상도와 동일하다.
도 1은 1인의 관측자에 대하여 3D 모드인 본 발명에 따른 자동 입체 다중 사 용자 디스플레이의 일반적 구성을 도시한 것이고, 상기 다중 사용자 디스플레이는 스윗 스폿 유닛 및 정보 운반 이미지 매트릭스를 포함한다. 종래의 평평한 다중 사용자 디스플레이에서와는 달리, 이들 2개의 구성 요소는 별도의 유닛이다. 광의 전파 방향에서 보았을 때, 스윗 스폿 유닛은 이미지 매트릭스의 전방에 배치된다.
기능적으로 이미지 매트릭스와 구별되는 스윗 스폿 유닛은 1인 또는 수 인의 관측자 눈에, 도 1의 예에서는 관측자(들)의 우측 눈에 광을 포커싱한다. 그래서 광은 한 점에 또는 하나의 라인에 포커싱되지 않고 스윗 스폿의 확장을 갖는데, 이것은 관측자의 눈 사이의 거리만큼 커질 수 있고 또는 측방향으로 이 거리를 초과할 수도 있다. 이 때문에 관측자는 수 센티미터를 이동하는 경우에도 추적을 개시할 필요없이 방해받지 않는 입체 이미지를 인식할 수 있다. 따라서, 추적 시스템에 대한 요구는 크게 감소하고, 그에 따라 디스플레이의 견고성을 개선한다. 관측자에게로 가는 도중에, 광은 이미지 정보를 이용하여 광을 변조하는 이미지 매트릭스를 통하여 진행한다. 여기에서, 도 1에 도시되어 있는 순간에, 이미지 매트릭스는 관측자의 우측 눈에 대한 이미지 정보를 내포한다. 눈은 스윗 스폿의 경계 내에서 이동할 수 있고, 이것에 의해 이미지 매트릭스는 어떠한 제한없이 항상 가시적인 상태를 유지한다. 좌측 눈에 대한 스윗 스폿은 그 순간에 오프로 된다. 이하의 설명에서 좌측 눈에 대한 스윗 스폿은 다크 스폿이라고 할 것이다.
도 2는 좌측 눈에 대한 스윗 스폿 유닛의 후속 포커싱을 도시하는 도이다. 좌측 눈에 대한 스윗 스폿까지의 도중에, 그 자체의 정보를 운반하지 않는 스윗 스폿 광속은 이제 이미지 매트릭스에 의해 좌측 스테레오 이미지로 변조된다. 우측 눈에 대한 스윗 스폿은 이제 오프되어 다크 스폿을 형성한다. 이미지 정보는 스윗 스폿으로부터 다크 스폿으로의 변화 및 그 반대의 변화에 동기되어 좌측 눈 스테레오 이미지와 우측 눈 스테레오 이미지 사이에서 변화된다. 좌측 눈 및 우측 눈에 대한 이미지 매트릭스의 이미지 정보 및 우측 눈 및 좌측 눈에 대한 동기화 포커싱은 충분한 빈도로 변화되고, 눈들은 그 눈에 제시된 이미지 정보를 시간 시퀀스로 분석할 수 없다. 우측 및 좌측 눈은 어떠한 누화 효과없이 이미지 정보를 스테레오로 보게 된다.
도 3은 관측자의 하나의 눈에 대하여 스윗 스폿을 발생하기 위해 사용되는 조명 매트릭스의 개략도를 도시한 것이다. 조명 매트릭스의 구성이 또한 상세하게 도시되어 있다. 스윗 스폿 유닛은 조명 매트릭스와 투사 매트릭스를 포함한다. 이 실시예에서, 조명 매트릭스는 백라이트와 셔터로 구성된다. 이 셔터는 바람직하게는 LCD 또는 FLCD 패널인 광 밸브에 기초한 구성 요소일 수 있다. 이 실시예에서, 투사 매트릭스는 조명 매트릭스의 평면과 대략 동일한 촛점면을 가진 렌티큘러로 구성된다. 만일 조명 매트릭스의 작은 개공이 개방되면, 개공 내의 각 지점은 평행한 광속을 생성하고, 이 예에서는 관측자의 우측 눈을 향하는 방향으로 투사 매트릭스의 대응하는 렌즈를 떠난다. 따라서 전체 개공은 관측자에 대하여 확장된 스윗 스폿을 발생한다.
도 4는 스윗 스폿의 확장이 스윗 스폿 유닛의 조명 매트릭스를 수정함으로써 어떻게 넓어질 수 있는 지를 도시하고 있다. 이것을 달성하기 위하여, 조명 매트릭스 내(이 실시예에서는 셔터 내)의 다수의 개공들이 개방된다. 관측자의 눈은 디스 플레이의 전체 치수의 시야(sight)를 놓치지 않고 확장된 스윗 스폿의 경계 내에서 이동할 수 있다. 셔터 개공의 크기 및 투과율은 조절될 수 있다.
도 5는 2명의 관측자의 예로서 수 명의 관측자가 장면을 3D 모드로 보는 구성을 도시한 것이다. 디스플레이 패널은 2명의 관측자에 대하여 우측 스테레오 이미지를 내포한다. 이미지 정보가 제공되는 동시에, 2명의 관측자의 우측 눈에 대하여 스윗 스폿이 발생된다. 다음 순간에, 이미지 매트릭스는 좌측 스테레오 이미지를 내포하고, 스윗 스폿은 관측자의 좌측 눈에 지향된다. 순수 2D 이미지의 관측자에 대하여 수 개의 이미지 콘텐츠와 대응 스윗 스폿을 매칭시키는 것, 및 다른 콘텐츠, 예를 들면 다른 파라메터를 보기 원하는 관측자의 선택적인 매칭 또는 3D 콘텐츠의 2D 모드에 대한 선택적 액세스는 동일한 방법으로 아날로그적으로 수행된다.
순수 2D 모드에 대한 자동 입체 디스플레이의 완전한 변화는 셔터를 도 6에 도시한 바와 같이 완전 투명 모드로 전환함으로써 달성될 수 있다. 이것은 시청 공간의 큰 면적에서 균일하게 밝은 조명을 가능하게 한다.
만일 정보가 1인의 관측자에게 억제되어야 한다면, 대응하는 스윗 스폿을 다크 스폿으로 전환하는 것으로 충분하다. 도 7은 이것을 나타내는 것으로서, 2D 정보에 대하여 관측자 1(예를 들면, 은행원)은 정보에 액세스하는 한편, 관측자 2(예를 들면, 고객)에게는 디스플레이가 어둡게 나타난다.
도 8은 능동 셔터 대신에 1인의 관측자에 대한 투사 시스템을 도시한 것으로, 이 투사 시스템은 예를 들면 DLP에 기초를 둔 것이다. 투사 시스템은 단지 조 명 유닛으로서 작용하고 앞의 도면들에서 도시한 백라이트와 셔터를 대신한다. 앞의 실시예에서와 같이, 투사 매트릭스는 스윗 스폿을 발생하고, 광은 이미지 매트릭스에 내포된 이미지 정보에 의해 변조된다. 이미지 콘텐츠는 위에서 설명한 바와 같이 스윗 스폿의 형태로 시청 공간 내에 투사된다.
본 발명에 따르면, 광을 투사 매트릭스로 지향시키는 확산기 판 또는 프레넬 렌즈를 투사 매트릭스 앞에 배치할 수 있다.
포커싱 유닛의 투사 매트릭스는 렌티큘러의 형태로 도 1 내지 도 8에 도시되어 있다. 만일 각각의 렌티큘러가 뒤의 조명 매트릭스의 개공들과 매칭하면, 시청 공간에서 일반적으로 어드레스될 수 있는 다수의 위치들이 얻어진다. 셔터 내의 개공들의 수는, 만일 이미지 매트릭스가 완전하게 보여져야 한다면, 렌즈의 수와 같거나 더 많다.
이미지 매트릭스는 투사 매트릭스의 수차가 그렇게 허용하는 경우에 균질하게 조명된다. 수차때문에, 렌티큘러에 의해 커버되는 각도는 예컨대 0.1 라디안 정도로 매우 작다. 수차 효과를 억제하기 위해, 단일 렌티큘러 대신 이중 렌티큘러를 사용하는 것도 또한 가능하다. 당업자라면 다른 설계의 렌티큘러도 가능하다는 것을 알 것이다. 렌티큘러의 양 측면은 하나의 방향에서 보여질 수 있고, 서로를 향하는 또는 외측으로 향하는 렌즈 어레이가 렌티큘러 대신에 또한 사용될 수 있다.
전술한 실시예들은 자동 입체 다중 사용자 디스플레이의 많은 가능한 응용예들을 제시한다. 그러나, 본 발명은 여기에서 언급하지는 않았지만 본 발명의 원리에 기초한 많은 응용예들을 커버한다.
전술한 자동 입체 디스플레이는 2D 및 3D 모드에서 구동할 가능성, 다수의 관측자를 지원하는 능력, 관측자가 자유롭게 이동할 수 있고 콘텐츠를 실시간으로 디스플레이할 수 있다는 사실, 및 해상도가 높고 명도가 크며 깊이가 작은 것 등이 특징이다. 이 디스플레이는 견고하고 기계적 부품들을 이동시킬 것을 요구하지 않는다. 그 고품질 특성 때문에, 본 발명은 의약, 기술, 연구 및 개발 분야의 고급 응용에 대해서, 예컨대 화상 회의 시스템 및 광고 분야의 중급 응용에 대해서, 및 예컨대 홈 디스플레이, 팜탑 컴퓨터, 비디오 폰 및 많은 다른 응용과 같은 저급 응용에 대해서도 잘 적응된다.

Claims (16)

  1. 모노스코픽 및 입체 이미지 콘텐츠를 갖는 2차원 이미지 또는 이미지 시퀀스를 시간 순차적으로 표시하기 위한 다수개의 조절 가능한 픽셀을 포함하는 투과형 이미지 매트릭스 상에 백광을 가능한 한 균질하게 분산하는데 이용되는 투사(projection) 매트릭스 - 상기 투사 매트릭스는 다수의 렌즈 소자로 구성됨 - 및 조명 매트릭스를 포함함으로써 광분산이 상기 이미지 매트릭스의 큰 면적을 투과하게 되는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이(autostereoscopic multi-user display)에 있어서,
    - 상기 조명 매트릭스와 투사 매트릭스는, (광 전파 방향으로 볼 때) 상기 이미지 매트릭스의 앞에 배치되며 확장이 이루어질 수 있는 평행한 광선 다발(bundle of ray)을 생성하는 스윗 스폿(sweet spot) 유닛을 구성하고, 상기 광선 다발의 광은 적어도 한 명의 시청자의 눈에 대하여 스윗 스폿의 형태로 포커싱되고, 상기 조명 매트릭스는 상기 투사 매트릭스의 렌즈 소자의 촛점면에 또는 그것에 가깝게 배치되며,
    - 스윗 스폿의 광선 다발이 다수의 인접한 픽셀을 동시에 투과하도록, 상기 투사 매트릭스의 렌즈 소자의 수는 상기 픽셀의 수의 1/3 이하이고,
    - 1인 또는 복수명의 시청자의 눈에 할당된 스윗 스폿은 변하는 눈의 위치에 따라 추적되는 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스윗 스폿의 수, 확장 및 공간 할당은 상기 스윗 스폿 유닛에 의해 자유롭게 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스윗 스폿의 확장은 각 시청자의 눈 사이의 거리와 같거나 더 큰 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
  4. 제2항에 있어서, 제1 및 추가 시청자들이 그들에게 의도된 정보를 볼 수 있는 동안 제2 및 추가 시청자들의 스윗 스폿은 오프로 되고, 제2 및 추가 시청자들이 그들에게 의도된 정보를 볼 수 있는 동안 제1 및 추가 시청자들의 스윗 스폿은 오프로 되는 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
  5. 제1항에 있어서, 상기 조명 매트릭스는 선형 또는 매트릭스 구조를 가진 능동 발광 요소이고, 상기 구조의 위치 및 강도는 자유롭게 조절가능한 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
  6. 제1항에 있어서, 상기 조명 매트릭스에는 광 전파 방향으로 볼 때 확산층 또는 프레넬 렌즈를 포함한 투사 유닛이 상기 투사 매트릭스의 앞에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
  7. 제1항에 있어서, 상기 조명 매트릭스는 개공들을 가진 전자 셔터 및 백라이트로 구성되고, 상기 개공들의 위치 및 투과율은 자유롭게 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이미지 매트릭스 및 셔터는 동일한 픽셀 및 서브픽셀 지오메트리를 갖는 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
  9. 제2항에 있어서, 상기 투사 매트릭스는, 전체적으로 또는 부분적으로, 렌티큘러, 이중 렌티큘러, 렌즈 어레이, 복합 렌즈 시스템, 홀로그래픽 광학 요소 또는 이들의 조합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
  10. 제2항에 있어서, 상기 투사 매트릭스는, 전체적으로 또는 부분적으로, 조절가능한 광학 특성을 가진 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동 입체 다중 사용자 디스플레이.
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