KR101549884B1

KR101549884B1 - 3차원 영상 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR101549884B1
Application number: KR1020140047502A
Authority: KR
Inventors: 김성규; 이형
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2015-09-04
Also published as: US20150304644A1

Abstract

본 발명은 3차원 영상 디스플레이 장치에 관한 것으로, 적어도 2개의 투사광학계로부터 방출된 광원들이 이미징 위치 이전의 어느 한 점(또는 맺힘 점)을 지나도록 광 경로를 구성하여 관찰 위치에서 적어도 2개의 시점을 갖는 시역을 형성함으로써, 이미징 위치 이후 각각의 깊이 감(또는 관찰 거리)에 따른 이웃 시역간의 겹쳐짐 정도(Crosstalk)의 비율을 동일하게 하여 관찰자에게 적합한 3차원 시청 환경을 만들어 최적의 다시점 및 초다시점 영상의 시청을 가능하게 할 수 있다. 또한, 한 시역 내의 인접 시점들을 병합시킴으로써 시역간의 겹쳐짐이 발생하는 영역을 최소화 하고 영상을 표현하는 빛의 세기가 균일토록 한 3차원 영상 디스플레이 장치에 관한 것이다.

Description

3차원 영상 디스플레이 장치{3-DIMENSIONAL IMAGE DISPLAY APPARATUS}

본 발명은 3차원 영상 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 관찰 위치에서 적어도 2개의 시점을 갖는 시역을 형성하되 관찰 거리에 따른 이웃 시역간의 겹쳐짐 정도(Crosstalk)의 비율을 일정하게 하여 관찰자에게 적합한 3차원 시청 환경을 만들어 주는 다시점 또는 초다시점 3차원 영상 디스플레이 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 3차원 영상 디스플레이 장치 또는 3차원 TV가 실용화되기 위해서는 시청자에게 피로감을 주지 않고 자연스러운 입체감을 제공해야 하며, 다수의 시청자가 넓은 시역 조건을 갖추는 것이 무엇보다 중요하다.

또한, 시청자 또는 관객에게 3차원 영상을 보여줌에 있어 거부감 또는 피로감등을 주는 요인 즉, 휴먼팩터(Human Factor)를 고려하지 않으면 안 된다. 3차원 영상 디스플레이 장치에는 특수 안경을 필요로 하는 안경식 3차원 영상 디스플레이 장치와 특수 안경을 필요로 하지 않는 무안경식 3차원 영상 디스플레이 장치가 있다.

그러나 2시점의 무안경식 3차원 영상 디스플레이 장치에는 일반적으로 영상을 볼 수 있는 시역이 지나치게 제한적이라는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 다시점(Multi View) 또는 초다시점(Super-Multi View) 시역을 갖는 3차원 영상 디스플레이 장치가 개발되어 왔다. 대표적인 3차원 영상 디스플레이 방식에는 렌티큐라 렌즈(Lenticular lens) 방식과 시차 장벽(Parallax barrier) 방식이 있다.

하지만, 렌티큐라 렌즈 방식과 시차 장벽 방식에 의하면 인접한 시점의 시역들 사이에 겹쳐짐 정도가 많이 발생하기 때문에, 구현되는 3차원 영상의 화질이 저하되고, 평판 표시장치의 해상도 한계에 의해 3차원 시역이 제한되며, 시점 수가 증가할수록 3차원 영상의 단위 시점 영상의 해상도가 저하되는 문제점들이 발생한다. 따라서 시청자가 이동시 자연스러운 3차원 영상을 볼 수 없게 하는 문제점이 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 특허공개번호 제10-2011-0024062호에는 다시점의 3차원 영상 디스플레이 장치가 개시되어 있는데, 이는 광을 출력하는 투사 광학계를 포함하고, 투사 광학계는 이미징 위치에서 적어도 2개의 시점을 갖는 3차원 영상을 생성하기 위한 이미징 화소를 형성하도록 수평 또는 수직 방향으로 배열된다.

하지만 이러한 3차원 영상 디스플레이 장치도 관찰 거리에 따라 이웃 시역 간의 겹쳐짐 정도(Crosstalk, 크로스토크)의 비율이 달라지기 때문에 관찰자가 시청함에 있어 불편함을 준다는 문제점이 있다. 도 1은 종래기술에 의한 3차원 영상 디스플레이 장치에서 관찰 거리에 따른 크로스토크를 보여주고 있다. 도 1을 참고하면, 최적관찰 위치보다 앞에 있는 관찰거리 1 및 2에서는 시역 간 겹쳐짐의 정도, 즉 크로스토크의 비율이 일정하지 않다. 따라서 관찰거리에 따라 크로스토크의 비율이 달라진다는 결과를 초래한다. 따라서 상기 현상에 대해 시청 거리에 따른 크로스토크의 비율 정도를 일정하게 할 필요성과, 한 시역 내의 인접시점들을 병합시킴으로써 시역 간 발생하는 크로스토크의 영역을 최소화하고 광의 세기를 균일하게 하는 기술이 필요하다.

이러한 문제점들을 보완할 수 있는 다시점 또는 초다시점 3차원 영상 디스플레이 장치가 필요하다.

국내특허공개번호 제10-2011-0024062호 국내특허공개번호 제10-2012-0063161호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 관찰 위치에서 적어도 2개의 시점을 갖는 시역을 형성할 때, 관찰 거리에 따른 이웃 시역간의 겹쳐짐 정도(Crosstalk)의 비율을 일정하게 하여, 관찰자에게 적합한 3차원 시청 환경을 만들어줌으로써, 최적의 다시점 및 초다시점 영상의 시청을 가능토록 한 3차원 영상 디스플레이 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 한 시역 내의 인접 시점들 간의 병합 과정을 통하여, 시역간 발생하는 크로스토크의 영역을 최소화하고 광의 세기를 균일하게 만드는 3차원 영상 디스플레이 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의한 3차원 영상 디스플레이 장치는, 수평 또는 수직 방향으로 배열되어 광을 출력하는 적어도 2개의 투사광학계 및, 각각의 투사광학계로부터 방출된 단위 화소에 해당하는 광의 최외각을 결정하는 두 광선이 만나는 맺힘 점을 이용하고, 상기 적어도 2개의 투사광학계로부터 각각의 해당 단위 화소의 맺힘 점들이 일치하도록 배치하고, 순차적으로 상기 이미징 위치를 지나 관찰 위치에서 적어도 2개의 시점을 갖는 시역을 형성하도록 광 경로를 구성하는 제어부를 포함한다.

바람직하게, 상기 적어도 2개의 투사광학계의 각각은, 영상을 디스플레이하는 디스플레이부; 및 상기 디스플레이부와 일정간격 이격 배치되어 상기 디스플레이부의 임의의 한 화소로부터 방사된 광들이 상기 이미징 위치에서 3차원 영상을 생성하기 위한 영상 화소를 형성하도록 굴절시키는 복수개의 투사렌즈들을 포함한다.

바람직하게, 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈들은, 상기 디스플레이부의 임의의 한 화소로부터 투사렌즈들로 진행하는 광들이 투사렌즈들의 유효 직경 내로 투사되거나, 모든 화소가 특정 영역 내에서는 공통으로 투사되도록 배치된다.

바람직하게, 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈들은, 상기 투사렌즈들의 유효 직경들이 간격 없이 실질적으로 서로 맞닿도록 배치된다. 또는, 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈들은, 상기 투사렌즈들의 유효 직경들이 실질적으로 서로 겹치도록 배치될 수 있다.

바람직하게, 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈들의 유효 직경들 사이의 간격을 조절함으로써 발생하는 이웃 시역 간 겹쳐짐의 정도를 조절한다.

바람직하게, 상기 이미징 위치 또는 이미징 위치와 상기 이미징 위치 이전의 맺힘 점 사이에 배치되며, 수직 시역을 제공하도록 구성되는 수직 확산기가 더 포함된다.

바람직하게, 상기 적어도 2개의 투사광학계로부터 방출되는 광들은, 상기 이미징 위치를 지나 연장되어 상기 광들 중 두 최외각 광선 사이에 다시점의 시역을 형성한다.

바람직하게, 상기 적어도 2개의 투사광학계는, DMD(Digital Micromirror Device), LCD(Liquid Crystal Display), LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 영상 디스플레이 소자 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

바람직하게, 상기 제어부는, 상기 적어도 2개의 투사광학계에서 상기 이미징 위치까지의 투사거리, 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈에서의 영상크기, 상기 이미징 위치에서의 영상크기를 이용하여 상기 이미징 위치에서 상기 이미징 위치 이전의 맺힘 점까지의 거리를 구하고, 상기 적어도 2개의 투사광학계로부터 방출된 광원들이 상기 이미징 위치 이전의 어느 한 점을 지나도록 제어한다. 이때, 상기 이미징 위치에서 상기 이미징 위치 이전의 맺힘 점까지의 거리(DI)는 아래의 수학식에 의해 구할 수 있다.

(수학식)

여기서, 상기 DP는 상기 적어도 2개의 투사광학계에서 상기 이미징 위치 이 전 한 점까지의 투사거리이고, 상기 PP는 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈에서의 영상크기이며, 상기 PI는 상기 이미징 위치에서의 상의 크기이다.

바람직하게, 상기 제어부는, 두 대의 투사광학계로부터 방사한 광을 소정 관찰 위치에서 병합 및 평탄 화하여 시점 간 크로스토크를 최소화 하거나 시역 중심 근처에서 시점 영상의 밝기 변화를 최소화할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 3차원 영상 디스플레이 장치에 따르면, 적어도 2개의 투사광학계로부터 방출된 광원들이 이미징 위치 이전의 어느 한 점(또는 맺힘 점)을 지나도록 광 경로를 구성하여, 관찰 위치에서 적어도 2개의 시점을 갖는 시역을 형성함으로써, 이미징 위치 이후 각각의 깊이 감(또는 관찰 거리)에 따른 이웃 시역간의 겹쳐짐 정도(Crosstalk)의 비율을 일정하게 하여, 관찰자에게 적합한 3차원 시청 환경을 만들어, 최적의 다시점 및 초다시점 영상의 시청을 가능하게 할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 적어도 2개의 투사광학계로부터 방출된 광원들이 이미징 위치 이전의 어느 한 점을 지나도록 함으로써, 각각의 관찰 위치에서 시역의 광량 대비 이웃 시역 간 겹쳐짐 정도의 비율을 깊이와 관계없이 일정하게 유지할 수 있으며, 3차원 영상에 대한 다시점의 시역을 형성할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 투사광학계들 사이의 간격을 조절하여 3차원 영상 디스플레이 장치에서 일반적으로 발생하는 이웃 시점간의 겹쳐짐 정도(Crosstalk)를 관찰 거리와 무관하게 일정하게 조절할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 관찰자의 위치에 따른 영상의 겹쳐짐 정도가 일정하기 때문에, 관찰 거리에 따른 영상의 겹쳐짐 정도를 최소화하거나 일정 영역에서 원하는 만큼의 크로스토크가 발생하도록 할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 이웃 시역과의 병합을 통하여 전체적인 영상에 대해 겹쳐짐의 정도를 개선시킬 수 있고, 영상의 밝기를 증대시킬 수 있으며, 시점 중심 영역에서 밝기 변화를 최소화 시킬 수 있다. 또한, 다시점 또는 초다시점에서 발생하는 단위 시점 당 해상도 저하를 해소할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 의한 3차원 영상 디스플레이 장치에서 관찰 거리에 따른 크로스토크를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 영상 디스플레이 장치를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 적용된 투사광학계로부터 방출되는 광의 맺힘 점을 구하기 위하여 기하학적인 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따라 투사광학계의 렌즈 간 간격이 없는 경우,3시점을 형성하는 3차원 영상 디스플레이 장치의 광들의 진행 경로 및 관찰 거리에 따른 크로스토크 변화를 설명하기 위한 도면이다.(빛이 통과하는 각 렌즈의 직경 간 간격 = 0)
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 투사광학계의 렌즈 간 간격이 서로 겹쳐져 있는 경우, 3시점을 형성하는 3차원 영상 디스플레이 장치의 광들의 진행 경로 및 관찰 거리에 따른 크로스토크 변화를 설명하기 위한 도면이다.(빛이 통과하는 각 렌즈의 직경 간 간격 < 0)
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 투사광학계의 렌즈 간 간격이 떨어져 있는 경우, 3시점을 형성하는 3차원 영상 디스플레이 장치의 광들의 진행 경로 및 관찰 거리에 따른 크로스토크 변화를 설명하기 위한 도면이다.(빛이 통과하는 각 렌즈의 직경 간 간격 > 0)
도 7은 본 발명의 일실시 예에 적용된 투사광학계로부터 방출되는 광이 이미징 위치 이전의 어느 한 점을 지나 각각의 관찰 거리에서 형성되는 시역의 모양을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 적용된 2시점에 대한 병합효과를 나타내는 이론적인 도와 두 대의 투사광학계로부터 방출되는 광의 각각의 관찰거리에서 형성된 시역분포의 병합된 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 9은 본 발명의 일실시 예에 적용된 다수의 투사광학계들로부터 방출되는 광들이 이미징 위치 이전의 어느 한 점을 통과하여 각각의 시역을 형성하는 것을 나타낸 도면이다.
도 10은 종래의 3차원 영상 디스플레이 장치에 따른 이미징 위치를 지나도록 광 설계를 한 경우, 각 관찰거리에서 형성되는 시역의 모양을 실험을 통하여 획득한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 영상 디스플레이 장치에 따른 이미징 위치 이전의 한 점(맺힘 점)을 지나도록 광 설계를 한 경우, 각 관찰거리에서 형성되는 시역의 모양을 실험을 통하여 획득한 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 영상 디스플레이 장치를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 적용된 투사광학계로부터 방출되는 광의 맺힘 점을 구하기 위하여 기하학적인 관계를 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 영상 디스플레이 장치의 구성 및 원리를 설명하기 위한 개념도로서, 설명의 편의를 위하여 단일의 투사광학계(100)를 적용하여 개략적으로 도시되어 있다. 하지만, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3차원 영상 디스플레이 장치는, 광을 출력하는 투사광학계(100)를 적어도 2개 이상 포함할 수 있다.

도 2 및 3을 참고하면, 투사광학계(100)로부터 방출된 광원들은 이미징 위치 이전의 어느 한 점(또는 맺힘 점)(P')과 상기 이미징 위치를 순차적으로 지나, 관찰 위치에서 시점을 갖는 시역을 형성하도록 광 경로가 구성되어 있다.

여기서, 상기 투사광학계(100)는, 2차원 영상을 디스플레이하는 디스플레이부(110)와, 디스플레이부(100)와 일정간격 이격 배치되어 디스플레이부(110)의 임의의 한 화소(P1～Pn)로부터 방사된 광들이 상기 이미징 위치에서 3차원 영상을 생성하기 위한 영상 화소를 형성하도록 굴절시키는 투사렌즈(120)로 구성되어 있다.

그리고 상기 투사렌즈(120)는, 디스플레이부(110)의 임의의 한 화소(P1～Pn)중 도 2에서의 예의 경우 선정된 화소(Pi)로부터 일정 각도를 가지고 방사되어 투사렌즈(120)의 전체 디스플레이 부(110)에 대한 유효 직경(121)을 지나도록 배치될 수 있고, 각각의 화소는 유효 직경(123)내의 공통 유효 직경(122)을 지나도록 배치할 수 있다. 이러한 투사렌즈(120)는 투사광학계의 광학적 특성을 향상시키기 위하여 볼록렌즈와 오목렌즈로 이루어져 하나의 렌즈 군 형태로 구성될 수 있다. 여기에서 직경 121은 도 2에서 예시된 모든 화소로부터 발생한 광선들이 투사렌즈 안에서 지나는 최대 직경이다.

한편, 상기와 같이 구성된 투사광학계(100)는 예컨대, DMD(Digital Micromirror Device), LCD(Liquid Crystal Display), FLCD(Ferro Liquid Crystal Display), LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 영상 디스플레이 소자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

즉, 도 2는 단일의 투사광학계(100)의 디스플레이부(110)의 임의의 어느 한 화소로부터 광이 진행하는 경로를 도시한 도면으로서, 단일의 투사광학계(100)를 구성하는 디스플레이부(110)는 수직(또는 수평)으로 배열된 화소들(P1～Pn)로 단순화되어 도시되어 있다. 그리고 디스플레이부(110)의 임의의 한 화소(Pi)로부터의 광들이 일정한 각도로 가지고 투사렌즈(120)의 유효 직경(121) 내에 투사되도록 배치될 수 있고, 모든 화소는 공통 유효 직경(122)내에 투사되도록 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 임의의 한 화소( Pi)로부터 방사되는 최외각 광선들(10)은 투사렌즈(120)의 유효 직경(122) 내에 일정한 각도를 가지고 투사되어 이미징 위치에서 그 화소의 영상을 형성하게 되며, 관찰 위치에서 이미징 위치에 형성된 영상을 볼 수 있다. 상기 이미징 위치를 지난 광선들은 각각의 광 분포의 외곽 경계선을 형성하며, 이 두 외곽 경계선 사이의 영역은 해당 화소에 대한 시역을 형성할 수 있다. 이러한 시역은 유효직경(121)을 기준으로도 형성할 수도 있다.

도 3은 유효 직경(122)을 갖는 투사렌즈들(120)을 포함하는 단일의 투사광학계(100)로부터 방사되는 광의 맺힘 점(P')을 구하기 위한 도면으로서, 이미징 위치에서 상기 이미징 위치 이전의 어느 한 점(또는 맺힘 점)(P')까지의 거리(DI)는 아래의 수학식 1과 2에 의해 알 수 있다. 먼저, 수학식 1에 의해 D 값을 안다.

D 값을 안다면 수학식 2에 대입을 하여 DI의 값을 도출해 낸다.

여기서, 상기 DP는 상기 적어도 2개의 투사광학계에서 상기 이미징 위치 이전의 한 점까지의 투사거리이고, 상기 PP는 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈에서의 유효직경(121 또는 122)이며, 상기 PI는 상기 이미징 위치에서의 상의 크기이다.

예컨대, 투사렌즈에서 차지하는 유효직경(PP)가 약 25㎜이고, 투사거리(D)가 600㎜이며, 이미징 위치에서의 영상크기(PI)가 약 1㎜라고 하면, 상기의 식 1에 의해 이미징 위치에서 상기 이미징 위치 이전의 한 점(DI)까지의 거리는 약 23.07㎜ 임을 알 수 있다.

도 2 및 도 3에서 개략적으로 설명된 투사광학계는, 이미징 위치 이전의 어느 한 점(P')을 지난 후 적어도 2개의 시점을 갖는 3차원 영상을 생성하도록 수평 또는 시역 형성 방향으로 적어도 2개 이상 배열될 수 있다. 이러한 경우, 3차원 영상 디스플레이 장치는 적어도 2개의 투사광학계와 제어부(미도시)를 구비할 수 있는데, 제어부는 상기 적어도 2개의 투사광학계에서 투사거리(D), 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 디스플레이부로부터 방사된 1 픽셀이 투사렌즈에서 빛이 지나가는 직경의 폭(PP), 이미징 위치에서의 영상크기(PI)를 이용하여 이미징 위치에서 상기 이미징 위치 이전의 어느 한 점(P')까지의 거리(DI)를 이용하여, 상기 적어도 2개의 투사광학계(100)로부터 방출된 광원들이 상기 이미징 위치 이전의 어느 한 점(P')에 지나도록 제어할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따라 3시점을 형성하는 3차원 영상 디스플레이 장치의 광들의 진행 경로 및 관찰 거리에 따른 크로스토크 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에는 3시점을 형성하는 3차원 영상 디스플레이 장치의 투사광학계(100)가 도시되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 형성하고자 하는 시점 수에 해당하는 개수(예컨대, 4개)로 투사광학계를 배치하면, 다른 다시점(예컨대, 4시점)의 시역을 구현할 수 있다.

도 4를 참조하면, 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)는 도 2에서의 유효 직경(121 또는 122)에 해당하는 유효 직경을 갖는 투사렌즈로 단순화되어 도시되어 있다. 본 발명의 일실시 예에서, 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)는 투사렌즈들의 유효 직경들이 간격 없이 실질적으로 서로 맞닿도록 배치될 수 있다.

특히, 본 발명의 일실시 예서는 이미징 위치를 포함하여 이 위치와 상기 이미징 위치 이전의 맺힘 점(P') 사이에 수직 확산기(200)를 추가적으로 배치하여 수직 방향의 시역을 형성할 수 있다. 바람직하게는 도 4에 도시된 바와 같이 이미징 위치의 깊이에 수직 확산기(200)가 배치됨으로써 수직 시역을 확보할 수 있다. 이러한 수직확산기의 위치 설정은 아래의 도 5와 6에도 적용가능하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 투사광학계(101)로부터 출력된 광의 최외각 선은 점선으로 표시된 광이다. 제2 투사광학계(102)로부터 출력된 광의 최외각 선은 실선으로 표시된 광이다. 제3 투사광학계(103)로부터 방사된 광의 최외각 선은 일점쇄선으로 표시된 광이다.

그리고 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)로부터 방사된 광들의 최외각 선은 이미징 위치를 지나 각각의 시역을 형성할 수 있다. 도 4를 통해 형성된 시역은 인접한 시역과의 겹쳐짐 정도에 의하여 발생하는 크로스토크 영역을 최소한으로 줄일 수 있다. 도 4의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 이미징 위치에서 멀어질수록 증가되는 시역에 따라서도 크로스토크 영역의 비율을 일정하게 만들 수 있어, 기존의 방법과 비교할 때 보다 용이하고 효율적으로 깊이 방향의 시점 간 겹침 비율의 변화를 최소화하여 다시점 및 초다시점 시역을 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 3시점을 형성하는 3차원 영상 디스플레이 장치의 광들의 진행 경로 및 관찰 거리에 따른 크로스토크 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참고하면, 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)의 유효 직경을 갖는 투사렌즈 간 간격이 0보다 작을 때(겹쳐짐 현상) 형성되는 3시점의 시역 형성 모양을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 전술한 도 4와 마찬가지로, 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)는 도 2에서의 유효 직경(121 또는 122)에 해당하는 유효 직경을 갖는 투사렌즈로 단순화되어 도시되어 있다. 본 발명의 다른 실시 예에서, 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)는 투사렌즈들의 유효 직경들이 실질적으로 서로 겹치도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)는 투사렌즈들의 유효 직경들이 서로 겹쳐져 위치하도록 배치될 수 있고, 그 사이의 간격이 이미징 위치에서 형성되는 하나의 이미징 화소의 폭보다 크거나 또는 작게 배치될 수 있다.

그리고 도 5에서 인접한 시역과의 겹쳐짐 정도를 θ_a와 θ_b로 나타냈으며, θ_a와 θ_b는 같다. 도 5의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 관찰 위치의 깊이변화에 따른 시역의 광량 대비 크로스토크의 비율이 일정하여 관찰자에게 항상 일정한 영상을 제공할 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 3시점을 형성하는 3차원 영상 디스플레이 장치의 광들의 진행 경로 및 관찰 거리에 따른 크로스토크 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참고하면, 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)의 유효 직경을 갖는 투사렌즈 간 간격이 0보다 클 때(벌어짐 현상) 형성되는 3시점의 시역 형성 모양을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 전술한 도 4 및 도 5와 마찬가지로, 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)는 도 2에서의 유효 직경(121 또는 122)에 해당하는 유효 직경을 갖는 투사렌즈로 단순화되어 도시되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서, 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)는 투사렌즈들의 유효 직경들이 서로 일정한 간격을 갖도록 배치될 수 있다. 그리고 인접한 시역간의 벌어짐 정도를 θ_c와 θ_d로 나타냈으며, θ_c와 θ_d는 같다. 도 6의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 관찰 깊이 위치에 따른 시역간의 간격을 일정한 비율로 유지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 도 4 내지 도 6의 실시 예들에서 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)는 이미징 위치 이전의 어느 한 점(P')을 지나도록 광 경로를 구성하여 이미징 위치에서 화소들이 나란히 정렬되어 배치되게 하였으며, 상기 이미징 위치를 지난 광은 각각의 시역을 형성하게 된다. 그리고 제1 내지 제3 투사광학계(101 내지 103)에 구비된 투사렌즈들의 유효 직경(121 또는 122)들 사이의 간격을 조절함으로써 발생하는 이웃 시역 간 겹쳐짐의 정도를 용이하게 조절할 수 있다.

또한, 보통 성인의 두 눈 사이의 거리가 약 65㎜인 점을 생각해 볼 때, 관찰자의 성향에 따라 겹쳐짐의 정도가 거의 없는 각각의 시역을 형성할 수 있거나, 일정한 양으로 겹쳐짐의 정도를 포함한 혹은 포함하지 않게 만들어 다시점 및 초다시점 구현이 가능하게 설계될 수 있다.

또한, 이미징 위치 이전의 어느 한 점(P')을 지나도록 광 경로를 구성하므로, 상기 이미징 위치를 지나 형성되는 시역은 거리에 따라서 일정한 비율로 겹쳐짐 정도를 관찰할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 시점 수가 증가함에 따라 해상도가 저하되는 문제를 완화할 수도 있다.

한편, 기존의 렌티큐라 렌즈 또는 시차장벽 방식을 이용한 다시점 및 초다시점 3차원 영상 디스플레이 장치는 하나의 평판 디스플레이 패널의 총 화소를 원하는 다시점의 수만큼 분할하게 되기 때문에, 단위 시점의 해상도는 시점 수에 반비례하여 저하될 수 있지만 시점 수에 대응되는 개수의 투사광학계를 사용하여 단위 시점의 해상도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시 예에 적용된 투사광학계로부터 방출되는 광이 이미징 위치 이전의 어느 한 점을 지나 각각의 관찰 거리에서 형성되는 시역의 모양을 나타낸 도면으로서, 단순화된 하나의 투사광학계(100)로부터 형성되는 관찰 거리에 따른 시역 형성 모양을 도식화 한 것이다.

도 7을 참조하면, 단순화된 하나의 투사광학계(100)로부터 방사되는 광은 이미징 위치에서 한 화소를 이루고 각각의 관찰 위치마다 시역을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 시역의 모양을 통해서 관찰 거리가 멀어질수록 밝기 세기의 정도가 줄어드는 형태를 갖는다.

도 8는 본 발명의 일실시 예에 적용된 투사광학계로부터 방출되는 광이 각각의 관찰 위치에서 획득한 시역 정보들을 시점 병합하여 나타낸 도면이다.

도 8를 참조하면, 두 대의 투사광학계로부터 방사한 광이 각각의 관찰 위치에서 획득한 두 시역 분포를 병합 및 평탄화하면 시점 간 크로스토크가 감소하며, 시점 중심에서의 크로스토크는 감소된다. 또한, 단안으로 관찰되는 시점의 밝기가 증가되며 균일한 밝기를 가지게 된다. 이런 효과를 이용하면 다시점 3차원 영상 디스플레이 장치를 구현하였을 때 전체적인 영상에 대해 크로스토크를 개선시킬 수 있으며, 영상의 밝기를 증대시킬 수 있고, 중요하게는 시역 중심의 밝기변화를 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 9은 본 발명의 일실시 예에 적용된 다수의 투사광학계들로부터 방출되는 광들이 이미징 위치 이전의 어느 한 점을 통과하여 각각의 시역을 형성하는 것을 나타낸 도면이다. 또한, 수평 배열과 함께 수직 배열도 적용하여 보다 많은 시점수를 제한된 수평 폭에 구현할 수 있음을 알 수 있다.

도 10 및 도 11은 종래의 3차원 영상 디스플레이 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 디스플레이 장치를 비교하기 위하여, 각각의 관찰 거리에서 형성되는 시역의 모양을 실험을 통해 획득한 데이터 결과를 나타낸 도면이다.

도 10은 종래의 3차원 영상 디스플레이 장치를 적용하여 나타낸 도면으로서, 두 대의 투사광학계로부터 방사되는 광이 이미징 위치를 지나 각각의 관찰 거리(예컨대, 30㎝, 55㎝, 80㎝)에서 형성되는 시역의 모양을 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 두 대의 투사광학계의 유효 직경을 갖는 투사렌즈 간 간격이 ‘0’일 경우(간격(Interval)=0)와, 두 대의 투사광학계의 유효 직경을 갖는 투사렌즈 간 간격이 0보다 작아서 유효 직경 간 겹치는 경우(간격(Interval)<0)와, 두 대의 투사광학계의 유효 직경을 갖는 투사렌즈 간 간격이 0보다 클 경우(간격(Interval)>0)를 각각 도시하고 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 종래의 3차원 영상 디스플레이 장치를 적용할 경우, 이웃 시역 간의 수렴(convergence) 비율이 관찰 위치에 따라 서로 다르다는 것을 확인할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 영상 디스플레이 장치를 적용하여 나타낸 도면으로서, 두 대의 투사광학계로부터 방사되는 광이 이미징 위치 이전의 어느 한 점(P')과 이미징 위치를 순차적으로 지나 각각의 관찰 거리(예컨대, 30㎝, 55㎝, 80㎝)에서 형성되는 시역의 모양을 나타낸 도면이다. 도 11을 참조하면, 두 대의 투사광학계의 유효 직경을 갖는 투사렌즈 간 간격이 ‘0’일 경우(간격(Interval)=0)와, 두 대의 투사광학계의 유효 직경을 갖는 투사렌즈 간 간격이 0보다 작아서 유효 직경 간 겹치는 경우(간격(Interval)<0)와, 두 대의 투사광학계의 유효 직경을 갖는 투사렌즈 간 간격이 0보다 클 경우(간격(Interval)>0)를 각각 도시하고 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 영상 디스플레이 장치를 적용할 경우, 각각의 관찰 위치에서 시역의 광량 대비 크로스토크(crosstalk)의 비율이 관찰 거리와 무관하게 일정하다는 것을 확인할 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 3차원 영상 디스플레이 장치에 대한 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허 청구범위 와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

100 : 투사광학계,
200 : 수직 확산기

Claims

수평 또는 수직 방향으로 배열되어 광을 출력하는 적어도 2개의 투사광학계 및;
각각의 투사광학계로부터 방출된 단위 화소에 해당하는 광의 최외각을 결정하는 두 광선이 만나는 맺힘 점을 이용하고, 상기 적어도 2개의 투사광학계로부터 각각의 해당 단위 화소의 맺힘 점들이 일치하도록 배치하고, 순차적으로 이미징 위치를 지나 관찰 위치에서 적어도 2개의 시점을 갖는 시역을 형성하도록 광 경로를 구성하는 제어부를 포함하되,
상기 적어도 2개의 투사광학계의 각각은,
영상을 디스플레이하는 디스플레이부; 및
상기 디스플레이부와 일정간격 이격 배치되어 상기 디스플레이부의 임의의 한 화소로부터 방사된 광들이 상기 이미징 위치에서 3차원 영상을 생성하기 위한 영상 화소를 형성하도록 굴절시키는 복수개의 투사렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈들은, 상기 디스플레이부의 임의의 한 화소로부터 투사렌즈들로 진행하는 광들이 투사렌즈들의 유효 직경 내로 투사되거나, 모든 화소가 특정 영역 내에서는 공통으로 투사되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈들은, 상기 투사렌즈들의 유효 직경들이 간격 없이 실질적으로 서로 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈들은, 상기 투사렌즈들의 유효 직경들이 실질적으로 서로 겹치도록 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈들의 유효 직경들 사이의 간격을 조절함으로써 발생하는 이웃 시역 간 겹쳐짐의 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
제1 항에 있어서,
상기 이미징 위치 또는 이미징 위치와 상기 이미징 위치 이전의 맺힘 점 사이에 배치되며, 수직 시역을 제공하도록 구성되는 수직 확산기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 투사광학계로부터 방출되는 광들은, 상기 이미징 위치를 지나 연장되어 상기 광들 중 두 최외각 광선 사이에 다시점의 시역을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 투사광학계는, DMD(Digital Micromirror Device), LCD(Liquid Crystal Display), LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 영상 디스플레이 소자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 적어도 2개의 투사광학계에서 상기 이미징 위치까지의 투사거리, 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈에서의 영상크기, 상기 이미징 위치에서의 영상크기를 이용하여 상기 이미징 위치에서 상기 이미징 위치 이전의 맺힘 점까지의 거리를 구하고, 상기 적어도 2개의 투사광학계로부터 방출된 광들이 상기 이미징 위치 이전의 맺힘 점을 지나도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
제10 항에 있어서,
상기 이미징 위치에서 상기 이미징 위치 이전의 맺힘 점까지의 거리(DI)는 아래의 수학식에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.
(수학식)

여기서, 상기 DP는 상기 적어도 2개의 투사광학계에서 상기 이미징 위치 이 전 한 점까지의 투사거리이고, 상기 PP는 상기 적어도 2개의 투사광학계에 구비된 투사렌즈에서의 영상크기이며, 상기 PI는 상기 이미징 위치에서의 상의 크기이다.
제1 항에 있어서,
상기 제어부는, 두 대의 투사광학계로부터 방사한 광을 소정 관찰 위치에서 병합 및 평탄화하여 시점 간 크로스토크를 최소화하거나, 시역 중심 근처에서 시점 영상의 밝기 변화를 최소화하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 디스플레이 장치.