KR102133880B1 - 수렴 및 조절 불일치 문제가 없는 입체 영상 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수렴 거리 및 조절 거리가 동일하여, 통상적으로 상용화되고 있는 입체 영상에서 수렴-조절 불일치(Vergence-Accommodation Conflict: 이하, VAC라고 함)로 인한 문제점이 나타나지 않는 입체 영상 표시 장치에 관한 발명으로서, 본 발명에 따르면 입체 콘텐츠를 조사하기 위한 하나 이상의 광원(100); 상기 하나 이상의 광원으로부터의 광의 세기와 방향을 조절하기 위한 조광부(200); 및 상기 조광부로부터의 제어된 광을 수신하여 광축 상의 한 지점(P1)에 입체 콘텐츠의 이미지를 결상하여 표시하는 광학부(400)를 포함하고, 상기 광학부(400)는, 입사된 광을 확산하여 후단의 작은 렌즈 어레이(430)로 전달하는 마이크로렌즈 어레이(410), 복수의 작은 렌즈로 이루어진 작은 렌즈 어레이(430)로서 각각의 작은 렌즈는 마이크로렌즈 어레이(430)로부터 전달된 광을 평행광으로 변경하는 작은 렌즈 어레이(430), 작은 렌즈 어레이(430)으로부터 전달된 평행광을 광축 상의 한 지점(P1)에 결상하는 하나의 큰 볼록 렌즈(450)를 포함한다.

Description

수렴 및 조절 불일치 문제가 없는 입체 영상 표시 장치{THREE DIMENSIONAL IMAGE DISPLAY APPARATUS WITHOUT VERGENCE-ACCOMMODATION CONFLICT}

본 발명은 입체 영상 표시 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수렴 거리 및 조절 거리가 동일하여, 통상적으로 상용화되고 있는 입체 영상에서 수렴-조절 불일치(Vergence-Accommodation Conflict: 이하, VAC라고 함)로 인한 문제점이 나타나지 않는 입체 영상 표시 장치에 관한 것이다.

우리가 눈으로 보는 것과 똑같이 물체를 그대로 디스플레이하려는 노력이 오랜 동안 계속 되어져 왔으며 또한 현재에도 입체 디스플레이 장치들의 수요가 지속적으로 증가하고 있는 추세에 있다.

입체 디스플레이는 그 방식에 따라 다음과 같이 크게 4가지로 분류될 수 있다.

가) Stereoscopic 방식

나) Auto-stereoscopic 방식

다) Volumetric 방식

라) Holographic 방식

이 방법들을 간단하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 스트레오스코피(Stereoscopy)(안경식 입체영상 디스플레이)은 두 눈에 보이는 이미지를 약간 다르게 함으로써 거리감을 느끼게 하는 방법이다. 이 방법은 비교적 구현하기 쉽기 때문에 최초 3D 영화가가 제작되고 방영되었을 당시 3D 영화 시장은 폭발적으로 발전될 것으로 예측되었지만, 이 방식은 수렴(Vergence)과 조절(또는 초점)(Accommodation)이 일치하지 않기 때문에 수렴-조절(초점) 불일치(Vergence-Accommodation Conflict: 이하, VAC라고 함)로 인한 눈에 피로감 또는 어지러움증을 주기 때문에 3D 영상을 오래 볼 수가 없었다. 그럼에도 불구하고 비교적 저가로 구현가능하다는 장점으로 인해 현재까지도 VR 디스플레이로서 대중적으로 인기가 높다.

본 발명의 이해를 돕기 위해 조절 및 수렴의 개념에 대해 간단히 설명하도록 한다.

도 1a는 수렴(Vergence)의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1a에 도시한 바와 같이 수렴은 어떤 물체에 대해 하나의 융합된 이미지를 얻기 위해 두 눈이 서로 반대 방향으로 움직이는 과정을 나타낸다.

도 1a에서 (a)는 두 눈이 근거리의 물체를 바라볼 때, (b)는 중거리의 물체를 바라볼 때, (c)는 원거리 물체를 바라볼 때를 나타내는데, 근거리에 있는 물체를 바라볼 때 두 눈의 각도(θ1)는 원거리에 있는 물체를 바라볼 때 두 눈의 각도(θ3)에 비해 큰 각도를 갖는다. 즉 사람의 두 눈은 가까운 물체를 볼 때 안구들이 얼굴 중심선의 안쪽으로 수렴하게 동작하고, 반대로 아주 원거리에 있는 물체를 볼 때 안구들은 거의 얼굴 중심선에 거의 평행을 이루게 된다.

도 1b는 조절 또는 초점(Accommodation)의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1b에 도시한 바와 같이 조절은 특정 거리에 위치한 물체에 초점을 맞추기 위해 수정체(lens)의 모양과 두께를 조정하는 것으로 즉, 포커싱(focusing)을 위한 수정체의 조절(Accommodation) 과정을 의미한다.

사람의 눈은 물체의 선명한 이미지를 획득하기 위해 도 1b에 도시된 바와 같이 수정체의 두께를 조절한다. 가까이 있는 물체에 초점을 맞출 때는 수정체가 두꺼워지고, 멀리 있는 물체에 초점을 맞출 때는 수정체가 얇아지게 된다. 이와 같은 수정체의 조절 작용(accommodation)에 의해 사람의 눈은 물체가 놓여진 거리에 관계없이 선명한 이미지를 얻을 수 있게 된다.

도 1c의 (a)는 정상적인 상황에서의 사람 눈의 수렴-조절 상태를 나타낸다. 통상적으로 2D 스크린 상에서 영화를 볼 때, 또는 일상적인 상황 하에서 전술한 바와 같은 수렴 및 조절 거리는 서로 동일하다.

그러나 스테레오스코피 방식과 같은 양안 시차를 이용한 3D 디스플레이 장치의 경우 서로 상호 의존성을 갖는 수렴-조절 상태가 어긋나게 된다. 이는 수렴-조절 불일치(또는 수렴-조절거리 불일치)(Vergence-Accommodation Conflict: VAC) 문제로 알려져 있으며, 도 1c의 (b)는 사람 눈에서의 수렴-조절 불일치 상태를 개략적으로 나타낸다.

도 1c의 (b)에 도시된 바와 같이 사람의 두 눈은 스크린 화면에 초점을 맞추기 위해 초점 조절 작용(accommodation)을 수행하는 반면, 스테레오스코피 방식의 3D 영상 기법이 적용된 장면에서는 물체들이 마치 스크린 앞에 있는 것처럼 보여짐에 따라 사람의 눈이 다시 앞쪽의 물체들에 수렴(vergence)을 하기 위해 시도한다. 그와 동시에 또한 사람의 눈은 뚜렷한 이미지를 얻기 위해 스크린 화면에 초점을 맞추려고 시도한다.

즉 조절 거리는 두 눈으로부터 스크린 화면까지 항상 동일한데, 수렴 거리는 디스패리티(disparity)의 정도의 크기에 따라 계속 바뀌게 됨에 따라 상호의존적인 수렴 및 조절 작용이 서로 독립적으로 동작하게 되어버리고, 이 과정에서 두 눈으로부터 들어오는 시각 신호를 해석하는 뇌가 혼란을 느끼게 됨에 따라 눈의 피로감, 어지러움증 또는 구토와 같은 증상이 유발된다.

이와 같은 수렴-조절 불일치로 인해 한 때 대중 앞에 선을 보였던 3D TV도 점차 사라지고 있다. 이와 같은 수렴-조절 불일치로 인해 발생되는 문제점은 디스플레이 자체의 해상도를 높인다고 하더라도 결코 해결될 수는 없다.

다음으로, 오토-스테레오스코피(Auto-stereoscopy)(무안경식 입체영상 디스플레이) 방식의 입체 영상 디스플레이 장치는, 전술한 스테레오스코피가 안경이나 고글(Goggle)을 사용하는 반면에 눈에는 아무것도 착용하지 않고 디스플레이 장치에 간단한 장치를 부착하여 입체 영상을 구현하는 방법이다. 그렇지만 이 방법도 수렴과 조절 거리가 일치하지 않기 때문에 어지럼증이나 구토 현상이 동일하게 나타난다. 다만 눈에 아무 것도 착용하지 않는다는 점에서 스테레오스코피 방식 보다는 장점이 있지만 보이는 위치가 한정되고 또한 해상도가 떨어진다는 단점이 있다.

다음으로 체적 방식(Volumetric Method)의 입체 영상 디스플레이 장치는 통상적으로 레이저(Laser)로 빛을 공중에 수렴시켜서 입체영상을 구현하는 방법이다. 이 방법은 공중에 원하는 점에서 빛이 방출되기 때문에 전술한 바와 같은 수렴 및 조절 불일치로 인한 눈에 피로감이나 어지러움증과 같은 문제점을 주지는 않지만 영상이 표시되는 공간이 제한되고 기계적으로 장치를 지속적으로 움직여야하는 불편함과 레이저의 스캔(Scan) 속도의 제한 등으로 인해 널리 상용화 되고 있지 않다.

마지막으로 홀로그래피(Holography) 방식은, 빛의 간섭무늬를 기록하고 그 기록된 무늬가 영상이 재생될 때 빛을 회절시켜 원래 표시하고자 하는 객체의 영상을 구현하는 방법이다. 정지된 영상은 이미 오래 전에 레이저의 발달과 함께 진화하였으나 움직이는 동영상은 아직도 구현에 있어서 어려움이 있다. 그 이유는, 홀로그래피를 이용하여 실제와 같은 동영상을 구현하기 위해, 첫째, SLM(공간광변조기)의 픽셀간 간격 크기가 가시광선의 파장(0.5㎛) 이하로 작아져야만 하지만, 현재까지 픽셀의 크기를 작게 만들기가 매우 어렵고, 둘째는, 홀로그래피를 이용하여 입체 동영상을 구현하기 위해 필요한 데이터의 수가 천문학적으로 커지게 된다. 또한 이외에도, 홀로그래피 디스플레이 장치의 경우 높은 회절 효율, 초고해상도의 픽셀 어드레싱 구동 기술, 대면적의 간섭성 면광원 또는 잡음이 없는 LED 광원 등과 같이 높은 제조 단가를 필요로 하기 때문에, 홀로그래피 방식의 입체 영상 디스플레이 장치가 비록 자연스러운 입체영상을 구현할 수 있는 최적의 기술이만 현재의 공지된 기술로서는 낮은 비용으로, 심지어는 높은 비용으로도 구현하는 것은 불가능하다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 발명으로서, 수렴-조절 불일치로 인해 발생되는 어지러움증, 눈의 피로감, 구토 현상이 유발되지 않는, 그에 따라 사람의 눈에 자연스럽게 인지될 수 있는 입체 영상 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 비교적 간단한 구조를 통해 비용 절감된, 홀로그래피와 같은 자연스러운 동영상을 구현할 수 있는 입체 영상 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 하나의 양태에 따르면, 수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치가 제공된다. 이 장치는, 입체 콘텐츠를 조사하기 위한 하나 이상의 광원; 상기 하나 이상의 광원으로부터의 광의 세기와 방향을 조절하기 위한 조광부; 및 상기 조광부로부터의 제어된 광을 수신하여 광축 상의 한 지점에 입체 콘텐츠의 이미지를 결상하여 표시하는 광학부를 포함하고,

상기 광학부는, 입사된 광을 확산하여 후단의 작은 렌즈 어레이로 전달하는 마이크로렌즈 어레이, 복수의 작은 렌즈로 이루어진 작은 렌즈 어레이로서 각각의 작은 렌즈는 마이크로렌즈 어레이로부터 전달된 광을 평행광으로 변경하는 작은 렌즈 어레이, 작은 렌즈 어레이로부터 전달된 평행광을 광축 상의 한 지점(P1)에 결상하는 하나의 큰 볼록 렌즈를 포함하는 것을 특징적 구성으로 포함한다.

전술한 양태에서 조광부는, 광의 세기를 조절하기 위한 광 변조기 및 광의 방향을 조절하기 위한 광 편향기를 포함한다.

또한 전술한 양태에서 광원은 하나 또는 둘 이상의 레이저 다이오드이고, 광 변조기는, 상기 레이저 다이오드로 입력되는 전류를 직접 변화시키는 직접 변조 방식을 통해 변조 되거나, 음향 광 변조기(Acousto Optic Modulator) 및 전자 광 변조기(Electro Optic Modulator) 중 어느 하나를 포함하는 외부 변조 장치에 의해 변조될 수도 있다.

또한 전술한 또 다른 양태에서 광원은 하나 또는 둘 이상의 레이저 다이오드이고, 광 편향기는, 변조된 광을 x축과 y축의 2축 공간 상에서 편향하는 2D 편향기이고, 광 편향기는 음향 광 편향기(Acousto Optic Deflector), 전자 광 편향기(Electro Optic Deflector), 폴리곤 미러(Polygon Mirror) 및 갈바노미터 미러(Galvanometer Mirror)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

또한 전술한 양태에서 작은 렌즈 어레이의 광 출사면으로부터 큰 볼록 렌즈의 광 입사면까지의 거리는 광축으로부터 멀어질수록 점점 멀어진다.

또한 전술한 양태에서 작은 렌즈 어레이의 광 출사면으로부터 큰 볼록 렌즈의 광 입사면까지의 거리가 동일한 경우, 상기 큰 볼록 렌즈는 비구면으로 형성되어도 좋다.

또한 전술한 양태에서 입체 영상 표시 장치는, 상기 지점 P1에 결상되는 영상을 확대하기 위해 P1 근방에 영상 확대부를 더 포함하고, 영상 확대부는, 볼록 렌즈로부터 지점 P1으로 수렴되어 오는 빛을 보는 사람의 위치를 향해 방향 전환하는 프레넬 렌즈부(Fresnel Lens) 및 프레넬 렌즈부로부터의 빛을 입체 영상 표시 영역인 지점 P2에 수렴시키는 반투명 오목 거울부를 포함한다.

전술한 양태에서, 프레넬 렌즈부는 프레넬 렌즈, 프레넬 렌즈의 출사면측에 결합된 제1 흡수형 편광판 및 제1 λ/4 위상지연자(Retarder)를 차례대로 포함하고,

또한 전술한 양태에서, 반투명 오목 거울부는, 반투명 오목 거울, 반투명 오목 거울의 출사면 측에 제공되는 투명유리판, 제1 λ/4 위상지연자(Retarder)와 반대의 성질을 갖는 제2 λ/4 위상지연자, 반사형 편광판, 및 제1 흡수형 편광판과 반대의 성질을 지닌 제2 흡수형 편광판을 차례대로 포함한다.

또한 전술한 양태에서, 광원이 아닌 외부의 주변광은 제2 흡수형 편광판에 의해 선형 편광으로 변경되고 그 선형 편광이 반사형 편광판을 통하여 제2 λ/4 위상지연자를 지나면서 원형 편광으로 변경되고 반투명 오목거울에 의해 반사되어 다시 제2 λ/4 위상지연자를 지나 편광 방향이 90도로 회전한 선형 편광으로 바뀌게 되고, 편광 방향이 90도 회전된 선형 평광은 제2 흡수형 편광판에 의해 차단되어 다시 외부로 나오지 않게 된다.

전술한 양태에서 반투명 오목 거울로부터 반사되어 입체 영상 표시 영역 상에 영상이 결상될 때 발생되는 구면 수차를 제거하기 위해 상기 광 편향기로부터 마이크로렌즈 어레이로의 광선의 편향 각도가 결정된다.

이때 광 편향기로부터 마이크로렌즈 어레이로의 광선의 편향 각도는, 오목거울의 광축을 중심으로 대칭하는 가상의 공간 좌표를 갖는 복수의 점들로 이루어진 수차 보정 콘을 형성하는 복수의 점들에 부여된 방향과 일치하도록 결정된다.

또한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 반투명 오목거울을 통과하여 반투명 오목 거울의 전방에 위치되는 영상 표시 영역에 투사되는 이미지의 수차를 보정하는데 이용되는 수차 보정 콘을 형성하는 방법이 제공된다. 구체적으로 이 방법은,

a) 영상 표시 영역의 공중에 하나의 점 P를 선택하는 단계;

b) 선택된 점 P 와 반투명 오목거울의 중심점 O를 연결하는 연결선을 설정하는 단계 - 상기 연결선은 반투명 오목거울의 광축(z)으로 됨 - ;

c) 영상 표시 영역을 관찰하는 사람의 위치 근처에 좌표계의 원점 o를 설정하는 단계 - 여기서 원점 o는 광축(z) 상에 위치됨 - ;

d) 원점 o에서 광축(z)에 수직한 y축 상에 중심이 위치하는 미리 결정된 직경을 가지는 작은 원(c)를 생성하는 단계;

e) 작은 원(c) 둘레에 등 간격으로 복수의 점들을 배치시키는 단계;

f) 작은 원(c) 둘레에 설정된 점들에서 광선이 출발한다고 가정하고, 작은 원 c 둘레상의 복수의 점들에서 P점을 연결하고 그 선을 더 연장시켜 반투명 오목거울에 의해 반사되어 나오는 선들이 수렴되는 점들(C)를 계산하는 단계;

g) 작은 원 c의 원점(또는 중심)에서 출발하는 광선(또는 중심선)으로부터 작은 원 c의 둘레의 복수의 점들에서 출발하는 광선까지의 수직 거리를 계산하는 단계 - 여기서 거리들의 합(rms 값)이 가장 적은 점이 수차 콘을 형성하는 하나의 점으로 선택됨 - ;

h) y축 상에 있는 원의 중심을 y축 상에서 등간격으로 불연속적으로 변화시키면서 단계 f)와 g)를 반복하여 반투명 오목 거울 면의 전방 공간 상에 점(C)으로 이루어진 곡선(CL)을 획득하는 단계; 및

i) 단계 h)에서 얻어진 곡선 CL을 z축을 중심으로 회전시켜 콘 형상을 갖는 수차 보정 콘을 획득하는 단계;

j) 수차 보정 콘을 형성하는 각각의 점에 광선의 방향을 부여하는 단계 - 여기서 광선의 방향은 작은 원 c의 중심에서 나오는 빛이 그 수차 콘에 도달하는 광선의 방향임 - ;를 포함한다.

본 발명에 따르면 수렴-조절 거리가 일치됨에 따라 그 불일치로 발생되는 어지러움증, 눈의 피로감, 구토 현상이 입체 영상을 오랫동안 관람하여도 유발되지 않는, 그에 따라 사람의 눈에 자연스럽게 인지될 수 있는 입체 영상 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 비교적 간단한 구조를 통해 입체 영상이 구현됨에 따라 비교적 낮은 비용으로 홀로그래피와 같은 자연스러운 동영상을 구현할 수 있다.

도 1a는 수렴(Vergence)의 개념을 설명하기 위한 도면.
도 1b는 조절 또는 초점(Accommodation)의 개념을 설명하기 위한 도면.
도 1c의 (a)는 정상적인 상황에서의 사람 눈의 수렴-조절 상태를 나타낸다. 도 1c의 (b)는 사람 눈에서의 수렴-조절 불일치 상태를 개략적으로 나타낸다
도 2는 본 발명에 따른 수렴 거리 및 조절 거리가 동일하도록 제조된 입체 영상 표시 장치의 일례를 나타낸다.
도 3은 레이저 다이오드의 광을 평행광으로 변경하는 시준 렌즈를 나타낸 도면.
도 4는 음향 광 변조기의 일례를 나타내는 도면.
도 5는 음향 광 편향기의 일례를 나타내는 도면.
도 6은 갈바노미터 미러를 이용하여 광 편향의 일례를 나타낸 도면.
도 7은 f-θ 렌즈의 일례를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광학부 주요 구성을 나타낸 도면.
도 9는 마이크로렌즈 어레이의 기능을 설명하기 위한 도면.
도 10은 확산광을 평행광으로 변환하는 작은 렌즈의 기능을 설명하기 위한 도면.
도 11은 광학부를 통과한 광의 광학 수차를 설명하기 위한 도면.
도 12a는 도 11의 광학 수차를 보정하기 위한 일례를 나타낸 도면.
도 12b는 도 11의 광학 수차를 보정하기 위한 다른 일례를 나타낸 도면.
도 13은 영상 확대부를 설명하기 위한 도면.
도 14는 광학부로부터의 빛이 영상 확대부를 통해 영상 표시 영역에 표시되는 설명하기 위한 도면.
도 15는 영상 확대부의 반투명 오목 거울을 통해 초점 P2에 영상을 수렴시키는 방법을 설명하기 위한 설명도.
도 16은 수차 보정콘을 나타낸 도면.
도 17은 수차 보정콘에 부여되는 광선의 방향을 나타내는 도면.
도 18은 작은 렌즈로부터 수차 보정콘으로 입력되는 광선의 예를 도시한 도면.
도 19는 수차 보정콘을 통해 수차가 제거된 광이 입체 표시 영상에 결상되는 것을 설명하기 위한 도면.
도 20은 본 발명에 따른 입체 영상 디스플레이 장치의 여러 구현예를 나타낸 도면.
도 21은 반투명 오목 거울의 허상을 볼 수 있도록 한 다른 실시예를 나타내는 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 수렴 거리 및 조절 거리가 동일하도록 제조된 입체 영상 표시 장치의 일례를 나타낸다. 이하 설명되는 실시예는 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 입체 영상 표시 장치는, 빛을 생성하기 위한 광원(100), 광원으로부터 나온 빛의 세기와 방향을 제어하기 위한 조광부(200), 조광부를 통해 제어된 광을 광축 상에 위치된 어느 한 지점 또는 초점 평면 P1에 집중시키기 위한 광학부(400)를 포함한다.

광원(100)은 하나 또는 하나 이상의 레이저 다이오드를 포함하고, 레이저 다이오드에서 레이저 빔이 발생된다. 광원(100)의 수는 광원부 후단에 제공되는 조광부(200)의 종류와 성능에 따라 적절하게 선택될 수 있다.

조광부(200)는 광원(100)인 레이저 다이오드로부터의 빛을 수신하여 광의 세기를 결정하기 위한 변조기(210)(modulator)와 변조기(210)로부터의 출력된 광의 방향을 편향시키는 편향기(230)(deflector)를 포함하고, 필요에 따라 광원으로부터 출력되는 레이저의 손실을 줄이기 위해 광원(100)과 변조기(210) 사이에 광원으로부터의 레이저를 변조기(210)로 시준하기 위한 시준 렌즈가 더 제공될 수도 있다. 시준 렌즈는 도 3에 도시한 바와 같이 레이저 다이오드로부터 분기된 광이 평행하게 변조기(210) 내로 입력되도록 작용한다. 그러나 다른 실시예에서 레이저 빔은 필요에 따라 레이저 빔의 폭이 조절되도록 어느 한 점에 초점을 맞추어 변조기(210) 내로 진입될 수도 있다.

보다 구체적으로, 변조기(210)는 레이저 다이오드로부터의 빛을 세기를 조절하는데 현재 공지되어 있는 각종의 변조 기술이 이용될 수 있으며, 다음과 같은 것들이 이용될 수 있다.

- 직접 변조 방식(Direct Modulation): 직접 변조 방식은 레이저 다이오드로 입력되는 전류를 변화시켜 출력되는 레이저의 세기를 조절하는 방법으로 속도는 느리지만 비용면에서 가장 저렴하다.

- 외부 변조 방식(External Modulation):

외부 변조 방식으로는 음향 광 변조기(Acousto Optic Modulator) 또는 전자 광 변조기(Electro Optic Modulator) 중 하나가 이용될 수 있다. 이 방법은 레이저 다이오드로부터 나오는 빛의 세기는 일정하지만 음향 광 변조기 또는 전자 광 변조기를 스위치로 사용하여 빛의 세기가 조절된다. 도 4는 본 발명에 이용될 수 있는 외부 변조 방식 중 하나인 음향 광 변조기의 일례를 나타내는 도면으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 다른 추가의 구성을 가진 음향 광 변조기가 이용될 수 있으며, 음향 광 변조기는 이미 공지되어 있는 기술이 동일하게 이용될 수 있으며, 이는 당업자에게 자명한 것이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

변조기(210)를 통해 변조된 광은 변조기(210)의 후단에 제공된 편향기(Deflector)를 통해 편향되어 이미지를 초점(P1)에 결상하기 위한 광학부(400)로 입사된다.

편향기(230)는 빛을 x축과 y축 공간 상에서 편향하는 2D 편향기가 사용되는데, 다음과 같은 것들이 이용될 수 있다.

- 음향 광 편향기(Acousto Optic Deflector) 또는 전자 광 편향기(Electro Optic Deflector) : 음향 광 편향기 또는 전자 광 편향기는 광원으로서 이용되는 레이저 다이오드의 수가 적은 경우에 적합하다. 도 5는 편향기로서 이용될 수 있는 음향 광 편향기의 일례를 나타내는 도면이다. 음향 광 편향기는 이미 공지되어 있는 기술이 동일하게 이용될 수 있으며, 이는 당업자에게 자명한 것이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

- 폴리곤 미러(Polygon Mirror) 또는 갈바노미터 미러(Galvanometer Mirror): 복수개의 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드 어레이를 전술한 바와 같은 직접 변조 방식(Direct Modulation) 으로 빛의 세기를 변화시킨 다음 폴리곤 미러 또는 갈바노미터 미러를 이용해 레이저 빔을 스캔한다.

도 6은 갈바노미터 미러를 이용하여 광을 편향시키는 것을 하나의 예시로서 나타낸 도면이다. 갈바노미터 미러를 이용하여 광을 편향하는 방식은 도 6에 도시된 바와 같이 레이저 다이오드의 수가 많아질수록 레이저 빔을 스캔하는 각도가 작아지게 된다.

한편, 음향 광 편향기 또는 전자 광 편향기를 사용할 경우 작은 수의 레이저 다이오드, 바람직하게는 하나의 레이저 다이오드로 스캔을 수행하지만 폴리곤 미러 또는 갈바노미터 미러를 사용하는 경우 레이저 다이오드의 수를 많이 이용하면 폴리곤 미러 또는 갈바노미터 미러의 스캔 각도를 아주 작게 줄일 수 있기 때문에 음향 광 편향기 또는 전자 광 편향기를 이용하는 것에 비교하여, 상대적으로 느린 스캔 속도를 보상하면서 동시에 비용면에서 많은 이점을 취해질 수 있다.

광 편향기(230)를 거친 광은 초점면(P1) 상에 이미지를 결상시키는 광학부(400)로 입사되어 진다. 부수적으로 본 발명에 따른 입체영상 디스플레이 장치는 광 편향기(230)와 광학부(400) 사이에 광 편향기(230)로부터 방사된 광이 하나의 광학부(400)의 광 입사면(S1)에 균일하게 입사되도록 f-θ렌즈(300)를 더 포함할 수도 있다. f-θ렌즈(300)는 광 편향기(230)와 광학부(400) 사이의 거리에 따라 필요시 설치될 수도 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, f-θ 렌즈(300)는 통상적으로 편향된 빛을 광축에 대해 수직한 하나의 동일 평면(S1)상에 수렴되도록 한다. 한편 광 편향기로서 음향 광 편향기와 같이 빛이 꺾이는 각도가 작을 때는 f-θ 렌즈와 광 입사면(S1) 사이에 오목렌즈를 삽입시켜 꺾이는 각도를 좀 더 크게 할 수도 있다.

이어서 f-θ 렌즈(300)를 통과한 빛은 광축을 따라 진행되어 광학부(400)에 입사된다. 도 8은 본 발명에 따른 광학부(400)의 전술한 주요 구성을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이 광학부(400)는 초점면(P1) 상에 이미지를 결상시키는 기능을 수행하는데, 이를 위해 광학부는 마이크로렌즈 어레이(410), 복수의 작은 렌즈로 이루어진 작은 렌즈(430), 하나의 큰 렌즈(450)를 포함한다.

도 9는 마이크로렌즈 어레이(410)의 기능을 설명하기 위한 도면으로, 마이크로렌즈 어레이(410)는 빛을 확산하도록 기능하며, 마이크로렌즈의 피치와 렌즈 한쪽면의 곡률반경은 수십 μm 정도이다. 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈 어레이(410)는 입사되는 광선을 확산시켜 균일하게 한다.

이와 같이 마이크로 렌즈 어레이(410)를 통과한 빛은 광축 상에서 마이크로 렌즈 어레이(410)의 후단에 설치된 작은 렌즈(430)를 통과하는데, 이때 작은 렌즈(430)는 도 10에 도시한 바와 같이, 확산된 광을 거의 평행한 상태의 평행광으로 변환한다. 작은 렌즈의 직경은 대략 수 mm 정도이다. 이와 같은 작은 렌즈들은 그 수가 많으면 많을수록 더 세밀한 입체영상을 구현할 수 있는데, 바람직하게 레이저 다이오드의 수와 동일한 수의 작은 렌즈를 사용하면 하나의 레이저 다이오드는 그에 대응하는 하나의 작은 렌즈 영역만 스캔하면 되기 때문에 영상의 품질이 향상되게 된다.

이후 작은 렌즈를 통과한 빛은 후단에 제공된 큰 렌즈(450)을 통해 들어가고 큰 렌즈(450)를 통과한 광은 다시 초점(P1) 상에 수렴되어 입체 영상이 구현되게 된다. 그러나 큰 렌즈(450)은 작은 렌즈(430)에 비교하여 상대적으로 큰 구면을 갖고 있기 때문에 도 11에 도시된 것처럼 구면으로부터 구면 수차가 발생되게 된다. 즉 마이크로렌즈 어레이(410)에서 확산되어지는 위치와 작은 렌즈(430)의 상대적인 위치에 따라 수렴되어지는 점들의 위치가 달라지며, 도 11에 도시된 바와 같이 한점(P1)에 수렴되지 않는다.

이를 해결하기 위해서는 큰 렌즈(450)의 구면을 비구면으로 형성하는 것을 고려해볼 수 있지만 비교적 큰 구면을 갖는 렌즈를 비구면으로 제조하는 경우 단가가 지나치게 상승하게 되어 버린다. 본 발명자는 이와 같은 큰 렌즈(450)로부터 발생되는 구면 수차로 인해 한 점에 수렴되지 않는 문제를 해결하기 위해 작은 렌즈(430)들의 위치와 각도를 조절하여 작은 렌즈에서 오는 빛들을 한 점에 수렴하게 만들었다. 이와 같은 원리는 도 12a 및 도 12b에 나타내었다.

먼저 도 12a에 도시된 바와 같이, 복수의 작은 렌즈들의 위치는 큰 렌즈(450)의 구면 수차를 줄이기 위해 동일한 하나의 평면에 있지 않도록 조절된다. 즉 큰 렌즈(450)의 중앙부 또는 광축 x의 근방에서 작은 렌즈(430)의 광 출사면과 큰 렌즈(450)의 광 입사면은 상대적으로 가깝게 위치되는 반면 광축으로부터 수직방향으로 멀어질 수록 작은 렌즈(430)의 광 출사면과 큰 렌즈(450)의 광 입사면은 방사상으로 더 멀어지게 배치된다.

또한, 도 12b에 도시된 바와 같이, 복수의 작은 렌즈들의 위치는 큰 렌즈(450)의 구면 수차를 줄이기 위해 동일한 하나의 평면에 있지 않도록 조절되는데, 즉 큰 렌즈(450)의 중앙부 또는 광축 x의 근방에서 작은 렌즈(430)의 광 출사면과 큰 렌즈(450)의 광 입사면은 상대적으로 가깝게 위치되는 반면 광축으로부터 수직방향으로 멀어질 수록 작은 렌즈(430)의 광 출사면과 큰 렌즈(450)의 광 입사면은 방사상으로 더 멀어지게 배치되고, 이에 더하여 작은 렌즈들(430)의 광축들이 큰렌즈(450) 광축 x에 대해 경사지도록 구현된다. 이때, 작은 렌즈들(430)의 광축과 큰 렌즈(45)의 광축이 이루는 경사 각도는 큰 렌즈의 광축 X로부터 멀어질수록 크고 광축 X 상에 가까울 수록 작아진다.

이와 같은 구성에 따르면 수렴점 P1 상에 비교적 작은 부피(3cm*3cm*1.5cm: 가로(x),세로(y),높이(z))의 입체 영상이 얻어졌으며 수렴 및 조절 거리가 동일하여 이전에 설명한 바와 같은 수렴-조절 불일치 문제점이 나타나지 않지만, 이 입체 영상은 작은 부피를 갖기 때문에 이를 확대할 필요가 있다.

도 13는 초점면 P1 근방에, 보다 구체적으로는 큰 렌즈(450)와 초점면 P1 사이에 추가적으로 제공되는 영상 확대부(500)를 나타낸다. 영상 확대부(500)는 큰 렌즈로부터 수렴되어 오는 빛을 보는 사람의 위치를 향해 방향을 바꿔 주는 기능을 갖는 프레넬 렌즈부(Fresnel Lens)(510) 및 프레넬 렌즈로부터의 빛을 입체 영상 표시 영역인 제2 초점 영역(P2)에 수렴하는 반투명 오목 거울부(520)을 포함한다.

보다 구체적으로 프레넬 렌즈부(510)는 프레넬 렌즈(511)와 프레넬 렌즈(511)의 출사면측에 제공되는 제1 흡수형 편광판(513)과 제1 λ/4 위상지연자(Retarder)(515)를 반투명 오목 거울부(520)를 향해 차례대로 포함하고, 반투명 오목 거울부(520)는 반투명 오목 거울(521), 반투명 오목 거울(521)의 출사면 측에 제공되는 투명유리판(522), 제1 λ/4 위상지연자(Retarder)와 반대의 성질(Fast axis 들이 서로 수직)을 갖는 제2 λ/4 위상지연자(523), 반사형 편광판(525), 및 제2 흡수형 편광판(527)을 차례대로 포함한다.

이와 같은 구성에 따르면 프레넬 렌즈(511)를 통과한 빛은 먼저 제1 흡수형 편광판(513)을 지나 선형 편광(제1차 선형 편광)으로 변경되고, 선형 편광된 빛은 제1 λ/4 위상지연자(515)를 거쳐 원형 편광(제1차 원형 편광)으로 변경되어 반투명 오목거울(521)의 입사면(s1)으로 입사된다.

반투명 오목거울(521)이 반투명의 성질을 갖기 때문에 입사되는 빛의 절반 정도만이 반투명 오목거울(521)을 통과하여 유리판(522)을 거쳐 제2 λ/4 위상지연자(523)를 거치게 된다. 제2 λ/4 위상지연자(523)는 제1 λ/4 위상지연자(515)와 반대의 성질, 예를 들면, 제1 λ/4 위상지연자(515)가 x축 페스트(x-fast, y-slow)의 지연자인 경우 제2 λ/4 위상지연자(523)는 이와 반대로 y축 페스트(x-slow, y-fast)의 지연자가 이용된다. 따라서 제2 λ/4 위상지연자(523)를 통과한 빛은 다시 이전의 선형 편광과 동일한 성질의 선형 편광(제1차 선형 편광)으로 변경된다.

제2 λ/4 위상지연자(523)를 지나 선형 편광된 빛(제1차 선형 편광)은 반사형 편광판(525)를 만나게 된다. 반사형 편광판(525)는 제2 λ/4 위상지연자(523)를 통과한 빛을 모두 반사하는 특성을 갖도록 제공된다. 예를 들면 제2 λ/4 위상지연자(523)에서 선형 편광된 빛이 서로 직교하는 x축 및 y축 상에서 빛의 x축 성분이라면 반사형 편광판(525)은 빛의 y축 성분의 빛을 통과시키고 x축 성분을 반사시키는 반사 편광판의 특성을 갖는다. 반대로 제2 λ/4 위상지연자(523)에서 선형 편광된 빛이 서로 직교하는 x축 및 y축 상의 y축 성분이라면 반사형 편광판(525)은 x축 성분의 빛을 통과시키고 y축 성분을 반사시키는 반사 편광판의 특성을 갖는다.

따라서 제2 λ/4 위상지연자(523)를 지나 다시 선형 편광된 빛(제2차 선형 편광)은 반사 편광판(525) 상에서 모두 반사되어 다시 제2 λ/4 위상지연자(523)를 통과해서 원형 편광(제2차 원형 편광)으로 변경된다(이때 원형 편광된 빛은 λ/4 위상 지연됨).

제2 차 원형 편광은 유리 기판을 지나 반투명 오목 거울(521)을 만나 반은 없어지고 다시 반은 되돌아 오는데, 되돌아 오는 제2차 원형 편광은 다시 제2 λ/4 위상지연자(523)를 통과하여 다시 특정 성분이 λ/4 지연되어 선형 편광되는데, 이때의 선형 편광은 제1차 선형 편광과는 편광의 방향이 90도 회전한 제2 선형 편광으로 된다. 이렇게 회전된 제2차 선형 편광은 그 다음의 반사형 편광판(525)을 만나게 되지만 이때 진입되는 편광의 방향이 90도 회전되어 있기 때문에 반사형 편광판(525)을 통과하게 된다.

이후 제2차 선형 편광은 제2 흡수형 편광판(527)를 통과하는데, 이를 위해 제2 흡수형 편광판은 제1 흡수형 편광판과는 서로 상이한 흡수 특성을 갖는다. 일례로 제1 흡수형 편광판(513)이 빛의 x 축 성분을 흡수하고 y축 성분을 통과하는 편광 특성을 갖는 경우 제2 흡수형 편광판(527)은 빛의 y축 성분을 통과시키고 x축 성분은 흡수하는 특성을 갖는다. 따라서 제1차 선형 편광으로부터 90도 회전한 제2차 선형 편광은 제2 흡수형 편광판(527)을 그대로 통과할 수 있게 된다.

이와 같은 구성에 따라, 반투명 오목거울(521)을 통해 빛이 출발하는 물체가 마치 반투명 오목거울의 오목한 면 앞에 있는 것처럼 되고 그 물체의 실상이 반투명 오목거울의 앞쪽에 생기게 된다. 그러나 실제로 빛이 수렴되었던 곳은 반투명 오목거울의 오목한 면 뒤쪽(프레넬 렌즈 근방)이다. 즉, 실제로 빛이 출발한 물체는 보는 사람 쪽에서는 보이지 않게 된다.

또한 제2 흡수형 편광판(527)의 또 다른 기능은 외부에서 들어간 주변광이 다시 반사되어 나오지 않게 하는 것이다. 즉 외부의 일반 빛이 제2 흡수형 편광판(527)에 의해 선형 편광으로 변경되고 그 선형 편광이 반사형 편광판을 통하여 제2 λ/4 위상지연자(523)를 지나면서 원형 편광으로 된다. 그리고 반투명 오목거울(521)에 의해 반사되어 다시 제2 λ/4 위상지연자(527)를 지나면 편광 방향이 90도로 회전한 선형 편광으로 바뀌게 된다. 이 편광 방향이 90도 회전된 선형 평광은 결국 제2 흡수형 편광판(527)에 의해 차단되어 외부로 나오지 않게 되어 결상되는 이미지의 품질이 향상될 수 있다.

도 14는 광학부(400)로부터의 빛이 영상 확대부(500)를 통해 영상 표시 영역에 표시되는 것을 나타낸 도면이다. 도 14에 도시된 바와 같이 영상 확대부(500)의 반투명 오목거울부(520)에서 반사된 빛은 영상 표시 영역에 수렴되어 영상이 확대 표시된다. 오목 거울부(520)로부터 영상 표시 영역의 초점 P까지의 거리가 90cm이고, 초점 P로부터 보는 사람까지의 거리가 90cm인 경우, 가로*세로*높이가 15cm*15cm*30cm의 입체 형상이 얻어질 수 있었다.

한편 도 14에 도시된 실시예에서 영상 확대부를 통해 수렴-조절 불일치 문제가 없는 확대된 입체 영상이 얻어졌지만 이 경우에도 오목 거울(521)의 구면으로 인한 수차가 발생하게 되어 초점 P에 광선이 정확하게 수렴되지 않게 되어 버리고, 공중의 입체 영상 표시부에 표시되는 영상이 매우 깨끗하게 표시되지 않는 새로운 문제가 발생된다.

이하에서는 반투명 오목 거울(521)에 의해 발생되는 구면 수차를 보정하는 방법에 대해 설명한다. 도 15는 본 발명에 따른 영상 확대부의 반투명 오목 거울(521)에서의 초점 P2에 영상을 수렴시키는 방법을 설명하기 위한 설명도이다. 도 15에 도시되어 있는 것처럼 P2 점에서 깨끗한 영상을 얻기 위해서는 반투명 오목거울(521)에 반사되어 오는 모든 빛이 P2 점에 수렴하게 만들어야만 한다. 그러나 만약 가상의 객체(Object) 한 점에서 빛이 방사된다라고 가정한다면 반투명 오목거울의 구면 수차로 인해 하나의 점에서 수렴되지 않는다. 즉 이미지가 P2 한 점에 빛이 수렴하게 하기 위해서는 가상의 객체 점들을 분산시켜야만 한다. 이 분산된 가상의 객체 점들의 집합을 "수차 보정 콘"으로 정의한다.

이와 같은 수차 보정 콘을 만드는 방법은 다음과 같다.

a) 먼저 영상 표시 영역의 공중에 한 점 P2를 선택하다.

b) 이 점 P2 와 반투명 오목거울의 중심점 O를 연결한다. 이 연결선은 반투명 오목거울의 광축이 된다. 이 광 축을 z축이라 한다.

c) 보는 사람의 위치 근처에 좌표계의 원점 o를 설정한다. 원점 o는 광축 z 상에 위치된다.

d) 원점 o에서 z축에 수직한 y축 상에 중심이 위치하는 직경 4mm(사람의 눈동자의 직경)인 작은 원 c를 생성한다.

e) 작은 원 c 둘레에 등 간격으로 복수의 점들을 배치시킨다. 배치되는 점들이 많으면 많을수록 수차 보정의 결과는 더 정확해지지만, 본 실시예에서는 16개로 설정하였다.

f) 작은 원 c 둘레에 설정된 점들에서 빛이 출발한다고 가정한다. 즉 보는 사람의 눈에서 구면 수차가 보정될 위치를 추적한다. 작은 원 c 둘레상의 점들에서 P2점을 연결하고 그 선을 더 연장시키어 반투명 오목거울에 의해 반사되어 나오는 선들은 한 점 C에 대부분 수렴하게 된다. 그러나 정확히 한 점에 모두 모이지는 않는다.

g) 작은 원 c의 원점(또는 중심)에서 나오는 광선은 눈동자로 들어가는 빛다발의 중심선이다. 이 중심선으로부터 작은 원 c의 둘레의 복수의 점들에서 시작하는 광선까지의 수직 거리를 계산한다. 이 거리들의 합(rms 값)이 가장 적은 점이 수차 콘을 형성하는 한 점이 된다.

h) y축 상에 있는 원의 중심을 y축 상에서 등간격으로 불연속적으로 변화시키면서 단계 f)와 g)를 반복한다. 이와 같은 작업에 의해 도 15에서 도시된 바와 같이 오목면의 앞의 공간 상에 굵은선으로 표시한 바와 같은 곡선 CL을 얻을 수 있게 된다. 그러나 이와 같은 곡선 CL은 불연속적인 점들이므로 보간을 수행하여 임의의 위치에서 값이 얻어질 수 있다.

i) 단계 h)에서 얻어진 곡선 CL을 z축을 중심으로 회전시키면 도 16에서와 같은 콘 형상의 수차 보정 위치(즉, 수차 보정 콘)가 얻어지게 된다.

j) 도 17은 수차 콘을 형성하는 각각의 점에 부여되는 광선의 방향을 나타내고 있는데, 이 복수의 점들 각각에서 출발되는 광선의 방향은 작은 원 c의 중심에서 나오는 빛이 그 수차 콘에 도달하는 광선의 방향이다.

k) 이와 같은 수차 콘은 작은 원 c를 y축 상에서 움직여 생겨지는 곡선이고, 이 기본 곡선은 큐빅 스프라인(Cubic Spline) 방법으로 보간(Interpolation)을 한다. 그리고 큐빅 스프라인 각 구간에서의 3차식의 계수들은 P2점의 거리 r(여기서 r은 광축상의 원점 o로 부터 P2점까지의 거리, 도 15 참고)의 함수로 표시된다. 이 r의 함수 역시 큐빅 스프라인 방법으로 보간한다.

이와 같이 수차 보정 콘을 만드는 방법은, 반투명 오목거울(521)에 반사되어 오는 모든 빛이 P2점에 정확하게 수렴한다고 가정을 한 후 사용자의 눈으로부터 P2점을 통해 반투명 오목거울로부터 반사되어 오는 광선의 위치를 역추적하는 방법이다. 수차 콘을 형성하는 복수의 점들 각각은 빛이 한점 P2에 수렴되기 위해 고유한 방향을 가지고 있기 때문에 이 수차 콘의 점들 각각에 부여된 방향으로 빛이 작은 입체각을 가지고 방사된다면 한점 P2에 빛을 수렴시킬 수 있게 된다.

다음은 이 수차 콘을 사용하여 반투명 오목 거울(521)의 구면수차를 보정하는 방법에 대해 설명한다.

a) 먼저 도 15에서와 같이 광선이 수렴되는 P2점을 선택한다. 사용자의 눈으로부터 P2점까지의 거리 r을 알면 전술한 수차 콘을 만드는 방법에 의해 빛의 방향성을 가지는 수차 콘을 형성하는 공간 좌표가 결정될 수 있다.

b) 수차 콘의 공간 좌표가 결정되면 반투명 오목거울(521)에 붙여져 있는 반사형 편광판(525)이 마치 거울과 같은 역할을 수행함에 따라 반투명 오목거울의 반대편에 수차 콘이 형성된다. 이 때 수차 콘을 형성하는 복수의 점들 각각에는 빛의 출사 방향이 부여되어 있다.

c) 도 18에서와 같이 반투명 오목 거울(521)로 들어오는 빛은 작은 렌즈들(430)로부터 수렴되어 지는데 그 수렴되는 빛의 중심선과 수차 콘을 형성하는 점들 중 그 방향이 일치하는 수차 콘의 점들만이 선택된다. 작은 렌즈들(430)로부터 들어오는 빛은 수차 콘 상에 정확하게 수렴하지 않아도 방향만 일치하면 되는데, 이는 이와 같은 오차가 입체 영상 이미지를 만드는 데에 큰 영향을 주지 않기 때문이다.

d) 단계 c)에서와 같이 수차 콘의 점들중 방향이 일치되는 점들이 정해지면 작은 렌즈(430)로 들어오는 레이저 광선이 마이크로렌즈 어레이(410)의 어디에서 확산이 이루어지는지가 결정될 수 있다.

e) 마이크로렌즈 어레이(410)의 확산 위치가 결정되고 나면 편향기(230)에서 출발되는 빛이 그 확산 위치로 들어가기 위한 광선의 편향 각도가 결정되고, 그 확산 위치로 광선을 정확하게 입사시키기 위해 필요한 전압이 편향기(230)에 인가된다.

이는 각각의 작은 렌즈(430)에 의해 수렴되는 빛은 작은 입체각을 담당하고 이들이 모여서 좀 더 큰 입체각을 갖는 빛다발이 형성된다. 이 빛다발의 입체각 안에서는 빈 공간이 없이 촘촘해진다. 작은 렌즈에서 수렴되어져서 오는 빛이 수차콘의 방향과 일치되어지는 점들만 선택해도 빛다발은 빈틈없이 촘촘해진다. 수차 콘이 도 15에서와 같이 점 C에서 형성되는 것인데, 이 빛 다발의 입체각이 작으면 이 점 C를 지나 퍼지는 빛이 보는 사람의 위치로 향하지 않을 수도 있다.

그러나 도 19에 도시한 바와 같이, 마이크로렌즈 어레이(410)로부터 출발된 광은 프레넬 렌즈(511)를 통해 반투명 오목 거울(521)로 입사되고, 프레넬 렌즈(511)가 점 C근처에서 형성된 수차 콘의 방향을 틀어서 보는 사람 쪽으로 빛이 진행하도록 만들어 주기 때문에 빛은 가는 도중에 입체 영상 표시 영역에 수렴되어 구면 수차가 제거된 입체 이미지가 형성되어 보는 사람에게 제공된다.

이와 같은 입체 영상 디스플레이 장치는 도 20의 (a) 내지 (c)와 같이 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 도 20의 (a)는 수평 방향으로 입체 영상을 표시하는 것을 나타내고, 도 20의 (b)는 수직 방향으로 입체 영상을 조사한 후 거울에 의해 입체 영상의 표시 방향을 전환한 것을 나타내며, 도 20의 (c)는 복수의 입체 영상 디스플레이 장치를 콘 미러를 이용하여 복수의 사람들이 360도의 관찰 영역에서 볼 수 있도록 한 일례를 나타내며, 본 발명이 이들 실시예로 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위 기재된 범위 내에서 다른 변형 및 변경이 가능하다.

전술한 실시예에서 지금까지 설명한 것은 반투명 오목거울에 의해 실상을 형성되는 경우에 대해서만 설명하였지만, P1에 형성되는 이미지의 위치를 조정하면, 즉 반투명 오목거울의 초점거리 안 쪽으로 이동시키면 도 21에 도시한 것 처럼 허상을 이용하여여 입체 영상을 구현할 수도 있다.

전술한 본 발명의 실시예에 따르면 수렴-조절 거리가 일치됨에 따라 그 불일치로 발생되는 어지러움증, 눈의 피로감, 구토 현상이 입체 영상을 오래동안 관람하여도 유발되지 않는, 따라서 사람의 눈에 자연스럽게 인지될 수 있는 입체 영상 디스플레이 장치가 제공될 수 있고, 또한 비교적 간단한 구조를 통해 입체 영상이 구현됨에 따라 비교적 낮은 비용으로 홀로그래피와 같은 자연스러운 영상을 구현할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 광원 또는 레이저 다이오드 200: 조광부
210: 광 변조기 220: 광 편향기
300: f-θ렌즈 400: 광학부
410: 마이크로미러 어레이 430: 작은 렌즈
450: 큰 렌즈 500: 영상 확대부
510: 프레넬 렌즈부 511: 프레넬 렌즈
513: 제1 흡수형 편광자 515: 제1 λ/4 위상 지연자
520: 반투명 오목 렌즈부 521: 반투명 오목 렌즈
522: 유리기판 523: 제2 λ/4 위상 지연자
525: 반사형 편광판 526: 제2 흡수형 편광자

Claims (12)

1. 수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치에 있어서,
   입체 콘텐츠를 조사하기 위한 하나 이상의 광원(100);
   상기 하나 이상의 광원으로부터의 광의 세기와 방향을 조절하기 위한 조광부(200); 및
   상기 조광부로부터의 제어된 광을 수신하여 광축 상의 한 지점(P1)에 입체 콘텐츠의 이미지를 결상하여 표시하는 광학부(400)를 포함하고,
   상기 광학부(400)는,
   입사된 광을 확산하여 후단의 작은 렌즈 어레이(430)로 전달하는 마이크로렌즈 어레이(410),
   복수의 작은 렌즈로 이루어진 작은 렌즈 어레이(430)로서 각각의 작은 렌즈는 마이크로렌즈 어레이(430)로부터 전달된 광을 평행광으로 변경하는 작은 렌즈 어레이(430),
   작은 렌즈 어레이(430)으로부터 전달된 평행광을 광축 상의 한 지점(P1)에 결상하는 하나의 큰 볼록 렌즈(450)를 포함하고,
   작은 렌즈 어레이(430)의 광 출사면으로부터 큰 볼록 렌즈(450)의 광 입사면까지의 거리는 광축으로부터 멀어질수록 점점 멀어지는 것을 특징으로 하는
   수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 조광부(200)는,
   광의 세기를 조절하기 위한 광 변조기(210) 및
   광의 방향을 조절하기 위한 광 편향기(230)을 포함하는 것을 특징으로 하는
   수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 광원은 하나 또는 둘 이상의 레이저 다이오드이고,
   상기 광 변조기(210)는, 상기 레이저 다이오드로 입력되는 전류를 직접 변화시키는 직접 변조 방식을 통해 변조 되거나, 음향 광 변조기(Acousto Optic Modulator) 및 전자 광 변조기(Electro Optic Modulator) 중 어느 하나를 포함하는 외부 변조 장치에 의해 변조되는 것을 특징으로 하는
   수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 광원은 하나 또는 둘 이상의 레이저 다이오드이고,
   상기 광 편향기(230)는, 변조된 광을 x축과 y축의 2축 공간 상에서 편향하는 2D 편향기이고,
   상기 광 편향기(230)는 음향 광 편향기(Acousto Optic Deflector), 전자 광 편향기(Electro Optic Deflector), 폴리곤 미러(Polygon Mirror) 및 갈바노미터 미러(Galvanometer Mirror)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
   수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 입체 영상 표시 장치는,
   상기 지점 P1에 결상되는 영상을 확대하기 위해 P1 근방에 영상 확대부(500)를 더 포함하고,
   상기 영상 확대부(500)는,
   볼록 렌즈(450)로부터 지점 P1으로 수렴되어 오는 빛을 보는 사람의 위치를 향해 방향 전환하는 프레넬 렌즈부(Fresnel Lens)(510) 및
   프레넬 렌즈부(450)로부터의 빛을 입체 영상 표시 영역인 지점 P2에 수렴시키는 반투명 오목 거울부(520)을 포함하는 것을 특징으로 하는
   수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 프레넬 렌즈부(510)는 프레넬 렌즈(511), 프레넬 렌즈(511)의 출사면측에 결합된 제1 흡수형 편광판(513) 및 제1 λ/4 위상지연자(Retarder)(515)를 차례대로 포함하고,
   상기 반투명 오목 거울부(520)는, 반투명 오목 거울(521), 반투명 오목 거울(521)의 출사면 측에 제공되는 투명유리판(522), 제1 λ/4 위상지연자(Retarder)와 반대의 성질을 갖는 제2 λ/4 위상지연자(523), 반사형 편광판(525), 및 제1 흡수형 편광판(513)과 반대의 성질을 지닌 제2 흡수형 편광판(527)을 차례대로 포함하는 것을 특징으로 하는
   수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 광원이 아닌 외부의 주변광은 제2 흡수형 편광판(527)에 의해 선형 편광으로 변경되고 그 선형 편광이 반사형 편광판(525)을 통하여 제2 λ/4 위상지연자(523)를 지나면서 원형 편광으로 변경되고 반투명 오목거울(521)에 의해 반사되어 다시 제2 λ/4 위상지연자(527)를 지나 편광 방향이 90도로 회전한 선형 편광으로 바뀌게 되고, 편광 방향이 90도 회전된 선형 평광은 제2 흡수형 편광판(527)에 의해 차단되어 다시 외부로 나오지 않게 되어 결상되는 영상의 품질이 향상되는 것을 특징으로 하는
   수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치.
   
10. 제8항에 있어서,
    반투명 오목 거울(521)로부터 반사되어 입체 영상 표시 영역 상에 영상이 결상될 때 발생되는 구면 수차를 제거하기 위해 상기 광 편향기(230)로부터 마이크로렌즈 어레이로의 광선의 편향 각도가 결정되는 것을 특징으로 하는
    수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 광 편향기(230)로부터 마이크로렌즈 어레이로의 광선의 편향 각도는,
    오목거울의 광축을 중심으로 대칭하는 가상의 공간 좌표를 갖는 복수의 점들로 이루어진 수차 보정 콘을 형성하는 복수의 점들에 부여된 방향과 일치하도록 결정되는 것을 특징으로 하는
    수렴 거리 및 조절 거리가 동일한 입체 영상 표시 장치.
    
12. 반투명 오목거울을 통과하여 반투명 오목 거울의 전방에 위치되는 영상 표시 영역에 투사되는 이미지의 수차를 보정하는데 이용되는 수차 보정 콘을 형성하는 방법에 있어서,
    a) 영상 표시 영역의 공중에 하나의 점 P2를 선택하는 단계;
    b) 선택된 점 P2 와 반투명 오목거울의 중심점 O를 연결하는 연결선을 설정하는 단계 - 상기 연결선은 반투명 오목거울의 광축(z)으로 됨 - ;
    c) 영상 표시 영역을 관찰하는 사람의 위치 근처에 좌표계의 원점 o를 설정하는 단계 - 역기서 원점 o는 광축(z) 상에 위치됨 - ;
    d) 원점 o에서 광축(z)에 수직한 y축 상에 중심이 위치하는 미리 결정된 직경을 가지는 작은 원(c)를 생성하는 단계;
    e) 작은 원(c) 둘레에 등 간격으로 복수의 점들을 배치시키는 단계;
    f) 작은 원(c) 둘레에 설정된 점들에서 광선이 출발한다고 가정하고, 작은 원 c 둘레상의 복수의 점들에서 P2점을 연결하고 그 선을 더 연장시켜 반투명 오목거울에 의해 반사되어 나오는 선들이 수렴되는 점들(C)를 계산하는 단계;
    g) 작은 원 c의 원점(또는 중심)에서 출발하는 광선(또는 중심선)으로부터 작은 원 c의 둘레의 복수의 점들에서 출발하는 광선까지의 수직 거리를 계산하는 단계 - 여기서 거리들의 합(rms 값)이 가장 적은 점이 수차 콘을 형성하는 하나의 점으로 선택됨 - ;
    h) y축 상에 있는 원의 중심을 y축 상에서 등간격으로 불연속적으로 변화시키면서 단계 f)와 g)를 반복하여 반투명 오목 거울 면의 전방 공간 상에 점(C)으로 이루어진 곡선(CL)을 획득하는 단계; 및
    i) 단계 h)에서 얻어진 곡선 CL을 z축을 중심으로 회전시켜 콘 형상을 갖는 수차 보정 콘을 획득하는 단계;
    j) 수차 보정 콘을 형성하는 각각의 점에 광선의 방향을 부여하는 단계 - 여기서 광선의 방향은 작은 원 c의 중심에서 나오는 빛이 그 수차 콘에 도달하는 광선의 방향임 - ;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    반투명 오목거울을 통과하여 반투명 오목 거울의 전방에 위치되는 영상 표시 영역에 투사되는 이미지의 수차를 보정하는데 이용되는 수차 보정 콘을 형성하는 방법.
    

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