KR102537692B1 - 3d 광 필드 led 벽면 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

기계적 및 전기적으로 서로 연결되는 균일한 패널(10)로 구성되는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이로서, 상기 균일한 패널(10) 각각은: 복수의 LED 이미터(20)를 각각 포함하는, 픽셀(P)을 구비한 LED 백플레인(30), 및 복수의 광 빔을 각각의 픽셀(P)로부터 복수의 방향으로 지향시키기 위해 상기 LED 이미터(20) 위에 배치된 광학 수단을 포함하고, 상기 패널은 LED 구동 전자 장치(34) 및 커넥터(35)를 더 포함하고, 상기 LED 이미터(20)는 LED 픽셀(P) 내에 LED 이미터의 사전 결정된 패턴으로 배열된 개별적으로 제어되는 LED 이미터이고, 상기 광학 수단은 상기 패널과 동일한 크기 및 형태를 갖고, 복수의 광학 표면을 포함하고, 렌즈 어레이를 형성하고, 직선형 가장자리를 갖는 정수 개의 직선 배향의 렌즈릿(42)을 포함하고, 픽셀(P) 배열에 대응하고, 심리스(seamless) 타일 배열이 가능한 어레이를 형성하는 패널 광학부재(40)로서 실현되고, 각각의 LED 이미터(20)로부터의 광 빔은 패널 광학부재(40)에 의해 한 방향으로 지향되고, 픽셀(P)로부터 복수 방향으로 방출되는 광 빔(L1…LN)은 단일 로브(lobe) 내에서 연속 각도 범위 α를 커버하고, 상기 광 빔 각각은 연속적으로 변하는 3D 비전을 제공하기 위한 다이버전스 δ를 갖고, 모든 픽셀(P)로부터의 복수의 광 빔(L1…LN)은 연속적인 3D 광 필드를 생성하여 높은 각 해상도를 갖는, 넓은 시야(FOV)에 걸쳐 자연스러운 3D 뷰를 제공한다. 대형 수평 전용 시차(HOP) 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이 및 마이크로 LED 어레이를 갖는 백플레인을 기반으로 한 완전 시차 패널이 개시된다. 3D LED 벽면 디스플레이 상에 3D 이미지를 디스플레이하는 방법이 더 개시된다.

Description

3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이
본 발명은 모듈식 LED 벽 스타일 3D 광 필드 디스플레이(3D light field display)를 기술하는 3D 디스플레잉을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
3D 광 필드 디스플레잉은 안경없이 또는 임의의 제한 없이 자연스러운 홀로그램과 같은 3D 뷰를 제공할 수 있는, 다른 3D 솔루션보다 성능이 뛰어난 차세대 3D 시스템이다.
광 필드는 3D 장면을 3D 장면 포인트에서 방출되거나 반사되는 광선의 모음으로 간주하는 3D 정보의 일반적인 표현이다. 3D 광 필드 표현은 3D 디스플레이에 이상적인데, 이는 3D 디스플레이의 목표가 실제 또는 합성 3D 장면으로부터의 가시 광선을 재구성하여, 인간의 시각이 처리할 수 있는 것과 동일한 파라미터(방향, 위치, 강도, 색상)를 갖는 광 빔을 실제 공간에 재현하는 것이기 때문이다. 다시 말해, 목표는 자연적인 뷰에서 나타나는 것처럼 광 필드를 재구성하는 것이다.
3D 광 필드 디스플레이는 마치 광 빔들이 화면 뒤의 물체의 포인트로부터 방출되거나, 화면 앞의 포인트에서 교차한 것처럼, 복수의 개별 제어되는 광 빔을 각각의 그들의 픽셀로부터 여러 방향으로 방출할 수 있고, 공중에 떠 다니는 물체를 디스플레이할 수 있다.
잠재적인 기술로서, 일반적으로 방출형 디스플레이인 LED 디스플레이는 매우 효율적인 작동을 제공한다. LED 디스플레이는 생생한 색상 및 꺼져 있을 때 실제적인 흑색 레벨을 갖는 우수한 대비(excellent contrast)를 제공할 수 있다. LED 디스플레이는 이미지 정보에 따라 빛이 흡수되는, LCD 패널과 같은, 백라이트 조명을 사용하지 않는다.
또한, 일반 무기 LED는 유기 LED(OLED)보다 훨씬 더 효율적이다. OLED 디스플레이에서는, 발출형 디스플레이임에도 불구하고 대부분의 경우 이들이 백색 방출 메커니즘을 기반으로 하고 컬러 필터에 의해 색상이 생성되어 생성된 광의 상당 부분을 다시 잃어버리기 때문에 밝기가 중요한 파라미터이고, 수명, 색상 시프트, 번인(burn-in)과 같은 언급하지 않은 다른 문제들은 여전히 해결되지 않고 있다.
LED 칩은 디스플레이 기술에 이상적인데, LED 칩은 합리적인 전력 소비로 높은 밝기를 가능하게 하여 효율적이고, 전례 없는 대비를 제공하며, 스펙클(speckle)을 피하기 위해 약간 더 넓은 스펙트럼 상에 레이저 이미터에 근접하는 넓은 색 영역(color gamut)을 제공할 수 있다.
최근의 마이크로 LED 칩, 초소형 LED 칩은 칩을 직접 구동하는 트랜지스터와 함께 활성 매트릭스 백플레인으로 전달되어, 고해상도, 고휘도, 넓은 색 영역, 효율적인 마이크로 LED 디스플레이를 형성함으로써 OLED 디스플레이 패널에 대한 대안을 제공한다.
LED 벽면 디스플레이는 대형 디스플레이에 널리 사용되고 있다. 이 디스플레이의 모듈 특성은 이 디스플레이를 임의의 크기, 임의의 형태, 임의의 형상의 디스플레이(심지어 곡면도 가능)로 구축하기 위한 매우 매력적인 옵션을 제공한다. 그 크기와 관련하여, LED 벽 모듈은 공공 장소, 쇼핑몰, 공항, 시각적으로 인상적인 콘서트 및 무대 기술, TV 스튜디오, 스포츠 이벤트 및 경기장, 건축 구성요소에서의 실내 및 실외 광고 디스플레이와 같은, 평면 패널, 여러 경우에 실제로 적용할 수 있는 경량 솔루션으로 간주될 수 있고, 이는 영구적인 및 구축하기 쉬운 임시 설치를 포함한다.
LED 벽은 1mm 이하로 LED 픽셀 피치 크기가 감소된 대형 애플리케이션에서 주로 고려되었지만, 풀 HD 디스플레이는 2m 보다 작을 수 있는데, 이는 이미 거실용 TV 세트를 위한 범위이다. 이러한 추세에서, LED 벽면 디스플레이는 70-80 인치 대각선에서도 소비자 카테고리의 단일 패널 디스플레이와 경쟁할 것이다. 뛰어난 품질 및 유연성을 제공하는 LED 디스플레이는 미래의 디스플레이를 지배하고 소비자 시장과 광범위한 응용분야에 침투할 것이다.
디스플레잉의 기본 목표는 현실 세계 또는 합성 장면을 가장 완벽하게 재현하는 것이다. 명백히 모든 형태의 시각화에서 3D에 대한 필요성이 존재하는데, 이는 그것이 우리가 세상을 보는 방식이기 때문이다. 2D 디스플레이, 4K, 8K, HDR, HFR, 넓은 색 영역 등의 합리적인 한계에 접근하고 있지만, 이는 평균적인 사용자에게는 임의의 차이를 만들어내지 못하며, 3D를 완벽하게 시각화하여 스테레오 및 멀티뷰(multiview) 무안경 3D 시스템의 한계를 극복하고 LED 벽면 디스플레이에서 아직 해결되지 않은 실제적인 3D 디스플레잉 기능을 만드는 것은 빠져 있다.
LED 벽면 디스플레이에 대해서는, 스테레오 3D 솔루션(소니, CCDL)을 볼 수 있다. 이것은 수동 편광 기반 솔루션이며, 여기서는 LED 상에 직접 적층된 각각의 원형 편광 필터에 의해 좌안 및 우안 분리가 제공된다. 그러나, 이것은 해상도를 절반으로 낮추고 편광 포일은 디스플레이에 반짝이는 외관을 주었다. 다른 솔루션은 LED 벽면을 2배속으로 작동시켜 좌우 이미지를 빠르게 연속해서 보여주는 것이다. 그러나, 이것은 배터리로 인해 지속적인 관리가 필요하고 같은 이유로 부피가 크고 비교적 비싼 동기식 액티브 셔터 안경을 필요로 한다. 뷰어가 착용하는 안경을 필요로 하는 3D 시스템은 정확한 깊이 신호를 보여주는 것에 있어서의 스테레오 3D 시스템의 고유한 한계, 시각적으로 수용하기 어렵게 만드는 광학적 모순을 언급하지 않더라도, 특히, 사람들이 이동하는 공공 장소에서, 안경을 제공하고 수거하고 세척하여야 하므로 실행 불가능하다.
무안경 3D 멀티뷰 효과를 만들기 위해 TV 크기의 LED 디스플레이 상에 렌티큘러(lenticular) 렌즈 시트를 배치하려는 시도가 있었다(https://www.dimenco.eu). 1mm 피치를 갖는 LED 벽이 충분한 해상도 및 가시 범위를 갖는 고품질 3D 디스플레잉을 허용하지 않는 문제가 존재한다. 수평 및 수직 픽셀(300) 사이의 해상도 손실 차이를 분산시키기 위해, 경사 렌티큘러 렌즈 어레이(400)가 적용된다. 한편으로, 이것은 특히 직선으로 보이는, 이상하게 보이는 픽셀 모양을 야기할 수 있는데, 추가 제한 사항으로서 이것은 심리스 타일링(seamless tiling)에 의해 디스플레이를 확장하는 옵션을 배제시킬 것이다. 멀티뷰 시스템에서, 뷰는 주기적으로 표시되므로, 결과적으로 3D 뷰가 반전되거나 뷰가 혼합된 비유효 혼합 구역이 항상 존재한다. 예를 들어, 9개의 뷰를 갖는 일반적인 멀티뷰 시스템의 경우, 뷰 1 내지 9는 왼쪽에서 오른쪽으로 변하는 시점을 나타낸다. 불연속 시야 범위에서, 뷰의 불연속적인 좁은 로브(lobe) 사이에, 도 2에 도시된 바와 같이, 왼쪽 눈이 다른 로브로부터의 우측 뷰를 보고 오른쪽 눈이 상대적 좌측 뷰를 보는 위치, 또는 두 눈 모두 더 많은 뷰를 보는 위치가 항상 존재할 것이다. 이러한 영역에서, 3D 비전은 불쾌감을 줄 수 있고, 원근감이 반전될 것이고, 흐릿한 고스트 이미지가 나타날 것이다. 멀티뷰 시스템에서, 시야 범위 내에, 정확한 3D 뷰를 볼 수 있는 영역이 훨씬 더 적게 존재하고 뷰어가 3D 물체를 더 가까이에서 보기 위해 이동할 때, 3D 뷰는 즉시 붕괴한다. 뷰어가 올바른 3D를 보기 위해서는 고정된 스위트 스폿에 있어야 하는데, 이 스폿은 소위 다이아몬드 형상의 스폿이며, 뷰잉 영역에서 비유효 혼합 구역보다 전체적으로 더 작은 영역을 나타내는데, 이것이 무안경 3D 멀티뷰 시스템의 더 넓은 대중적 수용을 방해하였다.
또한, 대형 옥외 광고 3D 디스플레이의 경우, 레이저 스캐닝 픽셀 솔루션이 알려져 있다(http://www.trilite-tech.com/). 각 픽셀은 3개의 레이저 다이오드, 스캐너, 제어 및 피드백 전자 장치를 포함하여, 수용 불가능한 물리적 치수를 야기한다. 즉, 픽셀 피치는 대략 2cm이고, 제한된 광학 스캐닝 각도로 인해 좁은 시야(FOV)를 갖는다. 개별 픽셀의 비용은 완전한 레이저 피코-프로젝터 엔진의 범위에 들지만, 더 큰 조립품에 대해서는 엄청난 최종 시스템 비용을 초래한다.
3D 디스플레이를 조립하기 위한 픽셀 엘리먼트가 발로(Balogh)에 의해 미국 특허 제 6,736,512 호에 기술되어 있으며, 엘리먼트 각각은 일렬로 배열된 개별적으로 어드레스 가능한 포인트 광원 및 광학 이미징 수단의 세트를 포함한다. 그러나, 픽셀 크기, FOV 및 뷰의 개수가 고정되어 있기 때문에, 이러한 픽셀 엘리먼트를 사용하여 3D 디스플레이를 구축하는 것은 융통성이 없다. 이러한 파라미터의 임의의 변경은 다양한 칩 구조, 구동 회로, 광학부재 및 패키징을 포함한, 다른 상이한 픽셀 엘리먼트를 필요할 것이며, 이는 다양한 디스플레이를 만듦에 있어서 이러한 픽셀 요소를 덜 실현 가능하게 만든다. 이 외에도, 개별적으로 조정 가능한 픽셀 엘리먼트는 디스플레이 정렬 및 교정 프로세스를 더 복잡하게 만든다.
유사한 픽셀 엘리먼트가 정저우 센트럴 차이나 디스플레이 레보라토리스 리미티드(Zhengzhou Central China Display Laboratories Ltd.)(CN 104199197 및 CN 104200757로서 공개)에 의해 개시되었는데, 이 둘 모두 동일한 솔루션과 관련이 있으며, 첫 번째는 렌즈를 개시하고, 두 번째는 렌즈로 만들어진 디스플레이를 개시한다. 이들은 또한 복수의 LED 칩 위에 렌즈를 갖는 엘리먼트도 설명한다. LED 픽셀 엘리먼트는 레이아웃에서의 기본 단위로 간주되는, 칩 및 갭의 물리적 크기에 의해 이론적으로 제한되기 때문에, 그것은 이론적인 최대 광학 밀도에 근접할 수 없다. 가장 복잡한 엘리먼트를 설명하면, 렌즈 아래에 8 개의 RGB LED가 일렬로 배열되어 있으며, 픽셀 당 24 개의 개별 엘리먼트(3 행 × 8 후속 행)가 존재하고, 이는 적어도 15-20mm 픽셀 피치를 야기하고 단일 엘리먼트 광학부재로 인해 좁은 각도의 8 뷰를 갖는다. 그 외, 이 배열은 앞서 언급한 'Dimenco/ex Philips' 경사형 렌티큘러 시스템과 유사한데, 예컨대, 레이아웃 내에 심리스 타일링을 가능하게 해주는 직선형 경계가 존재하지 않으므로, 원피스의 대형 8 뷰 3D 디스플레이 조립체를 만들거나 또는 더 작은 조립체들이 그 사이에 베젤만 갖도록 타일식으로 배열될 수 있다. 실제 구현에서의 기술적 어려움으로 인해, 이 이론적 솔루션은 실제적인 방법을 찾지 못했다.
앞서 이미 언급한 바와 같이, 널리 사용되는 LED 디스플레이에서 3D에 대한 필요성이 존재하지만 여전히 만족스럽지 않다. 간단한 시도로서, 스테레오 안경 3D 시스템이 이미 알려져 있다. 무안경 3D 효과를 실현하기 위한, 확실한 접근법은 LED 디스플레이 상에 렌티큘러 시트를 배치하는 것이다. 그러나, 이것은 몇 가지 문제를 발생시킨다.
주류의 LED 디스플레이에서, 픽셀 피치는 일반적으로 10mm 내지 3mm의 수 mm 범위 이내이고, 심지어 가장 미세한 피치 1mm의 LED 디스플레이 조차도 해상도가 제한 요소이다. 렌즈릿 아래에 더 많은 픽셀이 존재하는데, 각각의 픽셀은 상이한 방출 방향에 속하며, 다시 말해 3D 픽셀은 소위 서브-픽셀을 포함하며, 예를 들어, 3D 픽셀은 각각이 자체로 LED인 2D 서브-픽셀보다 크다. 3D 디스플레이에서, 최종 화면 해상도는 뷰의 개수로 나누어진다. 렌티큘러 멀티뷰 디스플레이에서 매우 일반적인 9 개의 뷰만 가지는 경우에, 해상도는 원래의 기본 디스플레이의 1/9이 될 것이다.
픽셀의 시야로부터의 단일 엘리먼트 광학부재를 나타내는 렌티큘러 시트는 그들이 이웃한 픽셀로부터 나오는 빛을 보낼 수 있는 각도로 제한된다. 적절한 광학 품질(원거리 필드 스폿 크기)의 광 빔을 갖는 시야 범위는 30-40도로 제한된다. 반면에, 제한된 수의 뷰를 갖고 3D 효과를 유지하려면, 더 좁은 각도가 설정되는데, 예를 들면 9 뷰 디스플레이의 경우 전형적으로 20 도이다. 동일한 뷰 이미지를 갖는 이러한 좁은 시야 범위는 더 넓은 FOV에서 반복된다. 렌티큘러 시스템은 일반적으로 비유효 혼합 구역(즉, 도 2를 다시 참조하면 오른쪽 눈이 좌측 뷰를 보거나 왼쪽 눈이 오른쪽 뷰를 보는 경우, 및 3D 뷰가 붕괴하는 위치)의 위에서 언급한 단점들을 갖는 멀티뷰 동작을 실현한다.
수평 시차(parallax)는 수직 시차보다 중요하다. 우리의 눈은 수평으로 변위되고 우리는 화면 앞 바닥 위에서 수평으로 움직이며, 따라서 멀티뷰 시스템은 수평으로만 변하는 다양한 뷰를 제공한다. 이들은 일반적으로 HOP(horizontal only parallax) 시스템이다. 이와 같이, 상이한 수평 위치에 있는 픽셀로부터 복수의 수평 방향으로 광을 분산하는 것은 수평 해상도를 감소시키지만, 수직 해상도에는 영향을 미치지 않는다. 수평 행 및 수직 열(300)의 픽셀들을 갖는 디스플레이 표면상의 비대칭 해상도 손실의 균형을 맞추기 위해, 렌티큘러 시트를 경사지게 하여(400) 수직 위치를 렌즈릿에 대한 상이한 수평 위치로 변환한다. 그러나, 경사진 형상은 항상 규칙적인 픽셀 배열 상의 렌즈릿의 경계부에서 픽셀의 분할(fraction)을 야기한다(도 3 참조). 경사진 렌즈 어레이의 가장자리에는, 항상 가시적인 인공물, 누락된 뷰, 패널의 심리스 타일링을 허용하지 않는 내부 전반사가 존재한다. 참조된 종래 기술 솔루션에서는, 방해받지 않은 뷰를 얻기 위해 단일 렌티큘러 시트가 전체 디스플레이 스크린 위에 배치되어야 하고, LED 디스플레이의 모듈 특성을 포기해야 했다.
본 발명의 목적은 높은 각도 해상도를 갖는 지속적인 3D 비전을 제공하기 위해 각각의 픽셀(P)로부터의 다수의 개별적으로 제어되는 광 빔을 넓은 시야(FOV)에 걸쳐 다양한 방향으로 방출할 수 있는 진정한 3D 광 필드 디스플레잉을 가능하게 하는 특별한 모듈 구조를 갖는 3D 무안경 LED 벽면 디스플레이를 제공하는 것이다. 도 1b를 참조할 수 있다.
이 목적은 청구항 1에 따른 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이 및 청구항 15에 따른 방법에 의해, 본 발명의 한 양태에서 달성된다.
3D 광 필드 LED 디스플레이는 균일한 패널(10)로 구성되고, 각각의 패널은 픽셀(P)을 포함하는 LED 백플레인(30)을 포함하고, 각 픽셀은 복수의 LED 이미터(20)를 포함하고, 광학 수단은 LED 이미터(20) 위에 배치되어 복수의 광 빔을 각 픽셀(P)로부터 복수의 방향으로 지향시킨다.
각각의 LED 이미터로부터의 광 빔은 패널 광학부재에 의해 한 방향으로 지향되고, 픽셀로부터 복수의 방향으로 방출된 광 빔(L1… LN)은 단일 로브 내에서 연속적인(contiguous) 각도 범위 α를 커버한다. 각도 범위 α를 연속적으로 커버한다는 것은 이상적으로 δ의 다이버전스(divergence)를 갖는 광 빔이 중첩하지 않고 또는 방출되는 광 빔 사이에 각도 갭이 존재하지 않음을 의미한다.
LED 이미터(20)의 개수는 시야 방향 및 픽셀(P)로부터 방출될 광 빔의 개수(N)에 따라 선택되어, 픽셀 영역(p) 내의 LED 이미터 위치에 따라 각각의 LED 이미터(20)로부터의 광이 단일 방향으로 지향되도록 한다.
일례로서, FOV가 100 도로 설정되고 3D 디스플레이의 각도 해상도가 1 도로 설정된 경우(이미 허용 가능한 3D 깊이 품질 또는 심도, 디스플레이의 FOD를 야기함), 각각의 픽셀(P)로부터 100 개의 개별적으로 제어되는 광 빔이 방출되어야 하며, 여기서 광 빔의 다이버전스는 1도이고, 즉, 준-시준된(quasi-collimated) 광 빔은 각각 1 도의 로브를 커버한다.
광학 수단은 패널과 동일한 크기 및 형태를 갖고, 복수의 광학 표면을 포함하고, 렌즈 어레이를 형성하고, 직선형의 가장자리를 갖는 정수 개의 직선 배향의 렌즈릿을 포함하고, 픽셀(P)의 배열에 대응하고, 심리스 타일링이 가능한 어레이를 형성하는 패널 광학부재로서 실현될 수 있다.
전체 FOV에 걸쳐 많은 수의 비-반복 뷰를 제공하고, 비유효 구역 없이 광각으로 자연스러운 3D 뷰를 허용하고, 인공물을 억제하고, 멀티뷰에 대항하며 모듈 방식으로 자유롭게 확장 가능한 3D LED 벽면 디스플레이를 구축하기 위해 심리스 타일링이 가능한 진정한 3D 광 필드 디스플레잉을 제공하는, LED 패널(10) 구조 및 대응하는 패널 광학부재(40)가 설명된다.
유리하게도, 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이 조립체의 경우, 복수의 패널(10)이 더 큰 유닛인 캐비닛(2)으로 조직화될 수 있으며, 이는 더 큰 규모의 디스플레이의 실제 조립을 도울 수 있다. LED 구동 전자 장치(34) 및 커넥터(35)를 더 포함하는 패널(10)은 공통 제어 유닛 보드(3) 및 기계 장치(4)에 각각 전기적으로 그리고 기계적으로 연결되어 캐비닛을 형성할 것이다. 이에 의해, 복수의 패널(10) 및 제어 보드(3)를 포함하는 캐비닛(2)은 그 자체가 이미 완전한 기능을 갖춘 3D 광 필드 디스플레이 유닛을 나타낸다.
진정한 3D 이미지를 디스플레이하기 위해서는, 2D보다 훨씬 더 많은 광 이미터가 필요하며, 이는 2D 서브 픽셀로서, 패키지된 LED 또는 LED 칩(22)을 갖는 LED 디스플레이에 대한 도전과제이다. 3D 디스플레이의 픽셀(P) 크기 및 픽셀(P)로부터 방출될 광 빔의 개수(N)는 상충하는 파라미터이다.
LED가 최대 광학 밀도에 도달하도록 배열되는 이론적 한계까지 올라가 3D 디스플레잉에 대한 해상도 문제를 해결하는 배열이 제안되는데, 다층 패널 광학 부재(40)는 단일 엘리먼트 광학부재의 한계를 능가하고, (경사진 구조에서는 불가능한) 심리스 타일링을 허용하는 적절한 배향의 주기적 피처를 갖는다.
본 출원인은 3D LED 디스플레이에서, 주어진 픽셀(P)로부터 방출될 수 있는 독립적인 광 빔의 수(N)가 사용된 LED 칩(22)의 활성 광 방출 영역(E)의 크기에만 의존한다는 것을 알게 되었다. 본 출원인은 시프트 방향으로 칩의 광 방출 영역(E)의 크기/확장(Ex)에 실질적으로 대응하게 시프트된 픽셀 영역 내의 서브 픽셀 SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22)을 배열하였다. 이 경우, 주어진 픽셀(P) 크기로부터 이론상 최적의 최대 방향 개수에 도달할 수 있다.
(3D) 픽셀 영역(p) 내에 LED, 즉, 서브-픽셀을 배열하는 방법과 같은, 다양한 레이아웃이 설명될 수 있는데, 이 서브 픽셀은 더 많은 행으로 배열될 수 있고, 이 행들은 서로에 대해 시프트될 수 있다. 그러나 해상도 및 뷰의 개수와 관련한 3D LED 디스플레이의 광학 성능에 대하여 항상 최대치가 존재한다. 즉, 픽셀(P) 크기 및 픽셀(P)로부터 방출될 수 있는 최대 독립 광 빔의 개수는 px = Ex * N이며, 여기서 px는 수평 픽셀 크기이고, Ex는 LED 이미터(20)의 방출 영역(E)의 수평 크기이며, N은 픽셀로부터 방출되는 개별적으로 제어 가능한 광 빔의 개수이다.
디스플레이에서, 픽셀 종횡비는 동일한 수평 및 수직 해상도를 갖기 위해 대칭(즉, px는 py와 같음)인 것으로 기대된다. 원칙적으로, 상이한 수평/수직 해상도로 재생하는 것도 가능하지만, 중요한 요소는 픽셀의 수평 확장(px)이다. 픽셀 크기는 방출되는 광 빔의 개수에 비례하지만, 픽셀 영역은 픽셀 크기의 제곱 함수에 비례하므로, 픽셀 영역이 클수록 더 많은 칩이 배치될 수 있다. 일반적으로 픽셀이 클수록 3D LED 디스플레이에 더 효과적일 수 있다.
제안된 방법에 따라, SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22)의 물리적 크기/치수(L) 및 필요한 간극(c)이 허용하는 것보다 훨씬 더 높은 밀도의 광학적 레이아웃이 달성될 수 있다. 이 접근법에 의해, 고밀도 광학 배열을 위한 이론상 최대치에 도달하기 위해(3D LED 광 필드 디스플레이를 실현하여 연속적인 뷰를 가능하게 하는데 중요) 활성 영역 대 기계적 패키지 덮개와 같은 비활성 영역의 비, 또는 LED 칩(22)에서 활성 광 방출 윈도우(E)에 대한 본딩하는 다른 비발광 기판 구조와 같은 모든 기술적 단점이 제거될 수 있는데, 이는 SMD LED 패키지(21), LED 칩(22)에서 유의미하다.
픽셀(P)로부터 방출된 개별 광 빔의 다이버전스 δ는 LED 이미터(20)의 활성 광 방출 영역(E)의 확장에 의존한다. d = E만큼 실질적으로 시프트된 광학적으로 조밀하게 배열된 LED 이미터(20)를 통해, 픽셀(P) 내의 광학적으로 인접한 접촉하는 광 방출 영역(E)으로부터 방출된 광 빔들은 방출 각도 범위 α를 연속적으로 커버할 것이다. 이 다이버전스 δ는 방출 각도 범위 α를 LED 이미터(20)의 개수(N)로 나눈 값, δ = α/N과 동등할 것이다. 실제로 최적의 경우, 다이버전스 δ는 디스플레이의 각도 해상도와 동일하다. 모든 픽셀은 함께 FOV 상에 연속적인 3D 광 필드를 생성한다. 디스플레이의 FOV는 방출 각도 범위 α와 밀접한 관련이 있지만, 근거리에서 이들은, 예컨대, 뷰어가 전체 화면 상의 3D를 볼 수 있는 뷰잉 영역의 형상이 정의된 경우와 같이 FOV의 가능한 정의에 따라 달라질 수 있다. 그러나 원거리에서, 3D 디스플레이를 거리를 두고 보는 경우, FOV는 방출 각도 범위 α와 같아진다. 설명의 단순성을 위해, 본 설명에서는 이러한 고려사항 따라 이러한 값을 구별하지 않고 부수적인 중요도의 다양한 FOV 정의를 다루지 않는다.
물론 실제 시스템에서, 시프트(d)는 패널(10)에 사용된 LED 칩(22)의 상이한 유형/색상에 대한 상이한 크기의 방출 영역, 또는 특정 근사화 또는 설계에서 뒤따르는 정수 값과 같은 다른 요인에 관한 이론적 최적 값보다 작거나 클 수 있다. 그러나, 최적의 시프트는 광 방출 영역(E)의 평균 연장 부근에서 선택되는 것이 유리하다. 즉 양호한 배치는 Ex의 1/2 내지 10배 크기까지의 시프트로 설정될 수 있다.
시프트가 더 작은 경우, 예컨대, ½ Ex인 경우, 광 빔의 이웃한 로브는 부분적으로 중첩할 것이고, 뷰 사이에 크로스토크가 나타나 3D 고스팅 효과를 야기할 것이다. 시프트가 더 큰 경우, 예컨대, 2×xEx인 경우, 광 발출 영역(E) 사이에 갭이 발생하여, 3D 이미지 내에 인지 가능한 불균일부를 야기할 것이다. 그러나, 이 제 2 효과는 약간 디포커싱된 패널 광학부재(40)를 사용하거나 또는 패널의 중첩된 광학 층(41)에 소정의 확산 기능을 통합함으로써 감소될 수 있다. 이러한 광학적 보정을 사용하면, 일부 기술적인 이유로 인해 SMD LED 패키지(21), LED 칩(22)의 물리적 치수 또는 필요한 최소 간극(c)이 최적의 밀도의 배열에 도달하는데 장애를 일으킬 수 있는 경우에도 실현 가능한 덜 조밀한 레이아웃을 만들 수 있다.
최적의 밀도 배열을 정의하는 것과 함께, 패널(10)에 대한 적절한 크기를 결정함에 있어서, 주어진 정수는 심리스 타일링이 가능한 모듈식 패널(10)을 제공하도록 고려되어야 한다. 픽셀 영역(p) 내에 완전히 조밀한 LED 칩(22) 배열을 가진다면, 픽셀(P) 사이에 갭(g)을 설정하여 이들을 분리하는 것이 유리하다. 심리스 타일링을 위해, 동일한 이유로, 픽셀들 사이에서와 같이, 갭(g)의 절반보다 작은 폭을 갖는 빈 경계 영역이 패널(10)의 가장자리를 따라 설정된다. 따라서, 모듈을 결합할 때, 모듈간 갭은 모듈 내의 픽셀 간의 갭(g)과 동일할 것이다.
패널(10)상의 SMD LED 패키지(21)의 수는 개별적으로 제어 가능한 광 빔(N)과 픽셀(P) 개수의 곱과 같으며, 별도의 RGB LED 칩(22)을 사용하는 경우에는 이것의 3 배이다. 패널(10)의 수평 및 수직 크기는 갭 및 각각 수평 및 수직 방향의 픽셀의 수(PX 및 PY)와 함께, 픽셀 크기(px, py)의 정수배이다. PX 및 PY는 패널(10)의 해상도를 나타낸다. 정사각형 패널(10)의 경우에, 1:1 종횡비 픽셀(px = py)을 가정하면 PX = PY이다. 그러나, 유사한 종횡비의 최종 디스플레이를 만들기 위해 4:3 또는 16:9와 같은 다른 패널(10) 종횡비가 실용적일 수도 있다. 유리한 구성을 얻기 위해서는, 개별적으로 제어 가능한 광 빔의 개수(N), 패널 해상도(PX, PY), LED 구동 칩(34)의 채널 수 및 패널(10)의 기계적 치수는 매칭되어야 한다.
패널 광학부재(40)의 역할은 LED 이미터(20)로부터의 광을 다양한 방향으로 지향시키는 것이다. 전용 패널 광학부재(40)가 해결해야 할 몇 가지 과제가 존재한다.
광 필드 디스플레이의 경우, 각각의 광 빔(L1…LN)은 개별적으로 제어 가능해야 하며, 이는 패널 광학부재(40)를 통과하는, 대응하는 개별적으로 제어되는 LED 이미터(20)로부터의 광이 오직 하나의 방향으로만 진행해야 한다는 것을 의미한다. 광 빔은 LED 칩(22)으로부터 매우 넓은 각도로 방출되며, 이들이 패널 광학부재(40)로부터 다른 방향으로 빠져나가는 것 또는 다른 픽셀(P) 위치에서, 예컨대, 이웃한 픽셀(P)에 속하는 렌즈릿(42)을 통해 빠져나가는 것은 회피되어야 한다. 이것이 문제가 되지 않으며 그보다는 이웃한 픽셀 렌즈릿(42)를 통한 광 빔의 제어되지 않은 방출(leave)로 인해, 시야 범위에 걸쳐 동일한 소수의 뷰를 반복하는 전형적인 특성을 갖는 멀티뷰 시스템과는 다르다. 3D 광 필드 재구성에서, 패널 광학부재(40)는 하부 픽셀 영역(p)으로부터의 광만을 투과시키면서, 이웃한 픽셀 영역(p) 내에 위치한 LED 이미터(20)로부터의 광을 차단할 수 있다.
LED 이미터(20) 어레이 상에 배치되는 연속적인 주기적 패턴을 생성하기 위해, 픽셀에 속하는 광학부재, 즉, 렌즈릿(42)은 픽셀 영역(p) 및 그 주위의 갭(g)의 절반보다 클 수 없다. 광각 광학부재가 소스 영역에 비해, 어안 광학부재와 같이, 큰 경향이 있기 때문에, 광각 광학부재가 설계되어야 한다면, 이러한 크기 제한은 특히 문제가 된다. 넓은 FOV 상에서 복수의 자유롭게 움직이는 뷰어에게 제한 없는 3D 뷰를 제공하기 위해서는, 패널 광학부재(40)는 광각으로 작동해야 한다. 간단한 렌즈 어레이는 단일 엘리먼트 광학 시스템을 나타내며, 이들은 광각 동작이 불가능하고, 이 문제를 해결하기 위해 복수의 광학 표면, 애퍼처, 궁극적으로 확산 기능, 쉐이딩, 광학 코팅 등을 포함하는, 적층 가능한 복수의 광학 층(41)을 패널 광학부재(40)에 적용한다.
각각의 LED 이미터(20)로부터의 광은 수집되고 시준되어야 한다. 선택사항으로서, 이상적인 포인트 형태의 소스의 경우, 시준은 최소 다이버전스(divergence)를 달성하기 위해 무한대에 포커싱하는 것을 의미한다. 이것은 수직으로 편향이 없다 하더라도 수평 방향의 HOP 시스템에도 적용된다. 광 빔의 다이버전스 δ는 활성 광 방출 영역(E) 크기와 관련이 있으며, 광학 시스템은 원거리의 모든 LED 이미터(20)를 분해(resolve)해야 한다. 다시 말해서, 광학 시스템의 각도 해상도는 FOV와 픽셀 내의 LED 이미터(20)의 개수(N)의 몫에서 나오는 값 보다 훨씬 낮아야 한다. 필요한 각도 해상도는 FOV/N보다 작아야 한다. 광각 프로젝션에서 적절한 원거리 스폿 크기를 달성하려면 복수의 엘리먼트 광학부재가 필요하다.
시각적 마크없이 모듈식 3D 디스플레이를 조립하기 위해, 패널(10)은 심리스 타일링되어야 한다. 경사 구조를 배제한 정수 개의 분할되지 않은 픽셀 영역(p)에 속하는 직선 배향의 정수 개의 렌즈릿(42)의 렌즈 어레이(43)는 광학 플레이트(46)를 구성한다. 패널(10)은 독립적이며, 이웃한 패널로부터 빛이 들어올 수 없는데, 이웃한 패널로부터 빛이 들어온다면 패널로부터 방출되는 광선을 잘못된 방향으로 이끌 수 있다. 가장자리에서 상기 기준이 충족되고 자체 픽셀 영역(p)으로부터의 광만이 패널을 떠날 수 있다면, 어두운 마크 또는 고스트 이미지가 결합부에서 나타나지 않을 것이다. 광학 플레이트(46)는 패널(10) 및 LED 백플레인(30)의 크기 및 형상과 정확히 일치하여, 심리스 타일링(때때로 무베젤 타일링이라고도 함)을 허용한다.
LED 패널 광학부재(40)는 복수 층의 렌즈 어레이(43)의 적층된 광학 플레이트(46)로서 실현되며, 플레이트(46)에 배열된 렌즈릿(42)의 크기는 픽셀(P)의 크기를 초과하지 않으며 그 주기는 픽셀 레이아웃에 대응한다. 렌즈릿(42)은 대응하는 픽셀 영역 내에 위치하는 LED 이미터(20)로부터의 시준된 광 빔만을 넓은 각도 범위로 투영하여, 픽셀 영역(p) 내의 상이한 위치에 있는 각각의 LED 이미터(20)는 디스플레이의 FOV 내의 오직 하나의 방출 방향과 관련된다.
유리한 2 층 기본 실시예로서, 빔을 애퍼처로 포커싱함으로써 방향을 생성하는, LED 이미터(20) 위의 주 렌즈 층(411), 기하학적으로 왜곡 된 빔을 걸러내기 위한 애퍼처를 갖는 층 및 빔을 보정하고 재조준하기 위한 보조 렌즈 층(412)을 포함한다. HOP 시스템에 대해서는, 원통형 렌즈 어레이(44)가 수직 애퍼처 스트립과 함께 사용되며, 원통형 렌즈릿(42)은 수평으로만 포커싱하고, 완전 시차(full-parallax)에 대해서는 구형 광학 부재(45) 및 구면 애퍼처가 사용된다. 물론, 원통형 및 구형 대칭 광학 시스템 모두에 대해 비구면 광학 표면이 사용될 수도 있다.
완전 시차 3D 이미징을 위해서는 엄청난 수의 픽셀이 필요하다. 100 뷰 HOP 시스템의 경우에는 100 뷰에 대하여 100x 픽셀이 사용되지만, 동일한 성능의 완전 시차의 경우에는 2D보다 4 자릿수가 더 많은 픽셀인 100x100에 이른다. 즉, 4K 2D 디스플레이 패널로부터 38 x 21(3D) 픽셀(P)의 완전 시차 3D 디스플레이가 생성될 수 있다. 해상도 문제 이외에 크기도 문제이다. 일반적인 디스플레이 패널에서 3D 픽셀(P) 크기는 너무 커진다. 최첨단 700-800ppi 패널의 경우에도, 픽셀(P) 크기는 100 x 100 뷰 시스템에 대하여 3mm이고, ~6인치 대각선 주류 휴대폰 디스플레이 패널에 대하여 25 x 14 픽셀(P)이다.
이론적으로 마이크로 디스플레이는 5 마이크로미터 픽셀 피치(현재까지는 색상을 처리하지 않음)를 갖는 최첨단 기술에 더 나은 옵션을 제공할 수 있지만, 활성 창과 기계식 프레임의 비율은 심리스 타일링에 장애를 준다. 더 큰 화면을 위해 마이크로 디스플레이 픽셀 표면을 확장하기 위해 타일링을 위한 몇 가지 솔루션이 제안되었지만, 오늘날 인공물이 없는 작동 가능한 솔루션은 존재하지 않는다.
제안된 방식을 사용하여, 완전 시차 3D LED 디스플레이 패널(11)은 또한 마이크로 LED 칩(32) 및 TFT 백플레인(33)에 기초하여 실현될 수 있다. 6000ppi의 밀도를 구현할 수 있는 초소형 마이크로 LED 칩(23) 크기는 실제 픽셀(P) 크기를 갖는 고밀도 완전 시차 배열을 위한 실행 가능한 옵션을 나타낸다. 패널(11)은 마이크로 오버레이 칩(23) 또는 광학 오버레이(40)와 함께 조립된 마이크로 LED 어레이를 포함하는 백플레인(33)으로 구성된다. 제어는 모두 다층 제어 보드(3) PCB 상에서 해결된다. 마이크로 LED 칩(23)은 일반적인 픽셀 갭(g) 설정보다 픽셀 영역(p) 주위에 더 큰 비활성 프레임을 필요로 하지 않고, 전체 백플레인(33) 영역에 걸쳐 주기적 패턴으로 분포된 백플레인(33) 상으로 전달될 수 있다.
렌즈릿(42)은 전체 픽셀 영역(p)으로부터의 광을 수용하고 패널(11)의 가장자리까지 픽셀 영역(p)을 정확하게 덮는 광학 표면(41)을 갖는 주기적 구조로 조직화된다. 패널의 가장자리에는, 기계적 공차를 고려하기 위해, 픽셀 사이에서와 마찬가지로, 갭(g)의 절반보다 작은 비활성 경계가 존재한다. 패널(11)은 타일식으로 배열될 수 있고, 2 개의 패널(11) 사이의 갭은 패널(11) 상의 픽셀 사이의 갭(g)과 정확히 동일할 것이며, 따라서 연속적인 픽셀 주기가 얻어질 수 있고, 그 결과 심리스 타일링 3D 디스플레이 표면을 생성할 수 있다.
특히, 대량의 LED 칩(22)이 요구되는 대형 완전 시차 3D LED 디스플레이의 경우, 이러한 모듈식 접근법이 유일하게 실행 가능한 솔루션이다.
이하, 본 발명은 도면에 도시된 바람직한 실시예에 기초하여 설명될 것이다.
도 1 및 도 1b는 멀티뷰와 3D 광 필드 디스플레잉 원리를 비교한다.
도 2는 멀티뷰 시스템의 주요 한계를 보여준다.
도 3은 멀티뷰 시스템에서의 경사진 렌티큘러 렌즈 어레이(400) 및 기본 픽셀 매트릭스를 보여준다.
도 4는 직선형 렌즈 어레이를 갖는 RGB SMD LED 패키지의 LED 칩 방출 영역 별 레이아웃을 보여준다.
도 5는 방출 영역(E) 크기에 따라 LED 칩이 시프트된 LED 칩 레이아웃을 보여준다.
도 6은 PCB에 직접 본딩된, 픽셀 영역(p) 내에 그룹화된 LED 칩을 보여주는 칩온보드(COB) 구조를 도시한다.
도 7은 2 층의 렌즈 어레이 및 애퍼처를 갖는 바람직한 광 실시예를 보여준다.
도 8은 고밀도 픽셀(P) 배열에서 물리적으로 분리되고 다르게 배향된 SMD LED 패키지 내에 인클로징된 SMD LED 패키지 및 광학 활성 LED 칩을 분리하는 예를 도시한다.
도 9는 시프트된 행을 갖는 대안의 고밀도 RGB SMD LED 패키지 픽셀(P) 배열을 보여준다.
도 10a는 TFT 후면 상에 시프트된 마이크로 LED 칩을 갖는 HOP 픽셀의 확대 부분을 보여준다.
도 10b TFT 후면 상에 마이크로 LED 칩의 완전 시차 픽셀 배열을 보여준다.
도 11a는 백플레인(33)상의 마이크로 LED 칩(23) 및 광 오버레이(40)를 갖는 풀 패럴렉스 마이크로 LED 패널(11)을 도시한다.
도 11b는 제어 보드 상의 풀 패럴렉스 마이크로 LED 패널(11)을 도시한다.
도 12a는 원통형 렌즈 어레이를 갖는 패널 광학부재(40)를 갖는 HOP 패널(10)을 보여준다.
도 12b는 제어 보드에 연결된, 후면에 구동 전자기기를 갖는, 광학 층, LED 백플레인을 보여주는 HOP 패널의 측면도이다.
도 13은 제어 보드를 둘러싸는 기계 장치를 갖는 완전히 조립된 패널 캐비닛을 보여준다.
도 14a, 14b 및 14c는 패널 및 3D 광 필드 LED 디스플레이를 구성하는 캐비닛을 갖는 시스템의 전체 모듈식 아키텍처를 보여준다.
도 15는 심리스 타일형 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이를 보여준다.
도 16은 케이블 없는 냉각 장치 및 제어 보드를 통합한 기계 장치를 갖춘, 후면으로부터의 완전한 LED 벽면 디스플레이 조립체를 보여준다.
도 17은 기계적 프레임을 갖는 완전한 심리스 타일형 HOP 3D 광 필드 LED 디스플레이를 보여준다.
도 18은 수평 구성으로 사용되는 완전한 심리스 타일형 완전 시차 3D 광 필드 LED 디스플레이를 보여준다.
상술한 바와 같이, 3D 이미지는 유사한 2D보다 많은 정보를 포함하므로, 3D 디스플레이는 증가된 광학부재 및 처리 능력을 제공하기 위해 더 많은 픽셀 또는 더 고속의 구성 요소를 가져야 하며, 그렇지 않으면 3D 이미지가 손상될 수 있다. 광 필드 디스플레잉 중, 실제 뷰 내에 존재하는 것처럼 광 빔이 재구성된다. 3D 광 필드 디스플레이는 뷰어에 대한 제한 없이 넓은 시야 범위에서 자연스러운 3D 뷰를 제공할 수 있으며 양안(binocular) 뿐만 아니라 모션 시차까지 다양한 깊이 신호를 제공한다. 뷰어는 화면 뒤 또는 앞 모두에서 물체 후면을 볼 수 있다. 광 필드 디스플레잉에서, 전체 FOV에 대한 연속적인 뷰가 존재하며, 화상 점프, 광학적 모순 또는 불편함이 없다. 위치조절, 추적이 불필요하므로, 무제한의 자유롭게 움직이는 뷰어들이 3D 장면을 볼 수 있고, 이는 사회적 경험 및 공동 작업 시나리오를 편안하게 사용할 수 있게 해준다.
고품질 3D 뷰를 구축하려면, 다수의 독립적으로 제어 가능한 광 빔(L1… LN)이 필요하고, 따라서 물리적 수단을 통해 고품질 3D 디스플레잉을 실현하려면 많은 수의 픽셀이 필요하다. 수용 가능한 3D 뷰를 가지려면, 즉, 스크린 크기의 깊이에 대하여 충분한, 단지 100도의 FOV에서, 1도 각도 해상도를 가진 3D를 가지려면, 유사한 2D 해상도에 대해 예상되는 픽셀의 최소 100 배의 픽셀을 가져야 한다. 오늘날 4K 또는 8K 구성요소가 있지만 충분하지 않고, 수십 배 더 많은 픽셀을 사용해야 한다. 이러한 고려 사항을 가지고 미래 지향적인 3D 광 필드 디스플레이 시스템을 만들기 위해 모듈식 접근 방식을 택하였다.
다시 말해, 픽셀 수가 많은 시스템을 구축하기 위해서는, 모듈식 접근 방식이 매우 효과적인 방법인데, 이는 기술 한계를 제거할 뿐만 아니라 실제 시스템을 구성할 때 생산 수율과 같은 또는 추후 이러한 시스템을 사용하는 실제 포인트에서의 유지 보수 또는 고장난 구성 요소의 쉬운 교체와 같은, 실제적 문제를 처리하는데 필수적일 수 있다.
LED 기술은 디스플레이에서 뛰어난 특성을 제공한다. LED는 높은 밝기를 제공하고, 실외 조명 환경과 경쟁할 수 있으며, 생생한 색상을 위한 넓은 색 영역, 탁월한 대비, 전원을 껐을 때의 완전한 흑색, 및 밝기와 전력 소비와 관련한 효율적인 작동을 제공할 수 있다. 이는 LED를 LCD, 프로젝션 또는 심지어 OLED와 같은 다른 디스플레이 기술보다 우수한, 미래 디스플레이에 이상적인 구성 요소로 만든다.
그러나, 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 스타일 디스플레이를 구축하면 문제가 발생한다. 이전의 LED 벽면 디스플레이에서, 각 픽셀은 RGB SMD LED 패키지(21)이거나 또는 3 개의 개별 R, G, B LED 칩(22)으로 구성된다. 이러한 디스플레이의 전형적인 픽셀 피치는 물리적 크기와 간극 한계로 인해 수 mm이다(이것은 10mm에서 1mm로 내려가며, 최신 LED 패널에서는 이것보다 약간 아래이다). 3D 디스플레이에서, 종래의 2D LED 벽면에서와 유사한 해상도를 가지기 위해서는 유사한 수 mm 픽셀(P) 크기가 필요할 것이고, 동시에 3D 기능을 위해서는 동일한 픽셀 영역에 더 많은 수의 LED 이미터(20), 즉, SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22)을 필요로 할 것인데, SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22) 크기(L)와, 또한 그 둘레에 배선 및 간극(c)을 위해 필수적인 기술적 오버헤드를 가지는 것이 불가능하다는 모순이 존재한다.
3D 광 필드 디스플레이를 위해서는, 종래 기술에서 알려진 배열에서의 물리적 치수 제한을 넘어서는 매우 고밀도의 LED 배열이 필요하다. 픽셀 영역(p) 내의 SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22)이 시프트 방향으로 칩의 활성 광학적 광 방출 영역(E)의 확장에 실질적으로 대응하게 시프트된 특정 배열이 설명된다. 이 경우, 주어진 픽셀(P) 크기로부터 방출되는 광 빔의 개수(N)에 대한 최적의 이론적 최대치에 도달한다.
종래 기술의 접근 방식은 패키징된 LED, SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22)을 픽셀로서 고려하여, 그러한 픽셀 및/또는 서브-픽셀 레이아웃을 설계하였다. 새롭게 설명한 배열에서, 단지 칩의 활성 광 방출 영역(E)을 고려하면, SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22)의 외부 물리적 치수(L)로부터 분리된다.
도 5에 도시된 바와 같이, HOP 시스템의 경우, SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22)은 칩의 광 방출 영역(E)의 수평 확장(Ex)에 실질적으로 대응하는 거리만큼 픽셀 영역(p) 내에서 서로에 대해 수평으로 시프트된다. 서로에 대해 그들의 광 방출 영역(E)의 수평 확장(Ex)만큼 시프트된 LED 칩(22)은 픽셀 영역 내에서 그들이 수직으로 위치한다면 어디서든 광학적 이웃이 될 것이다.
한 방향에 속하는 LED 칩(22)은 동일한 SMD LED 패키지(21)에 있지 않아야 한다. 도 8에 도시된 바와 같이, RGB LED 칩(22)은 여전히 하나의 방출 방향을 광학적으로 구성하는 행(1 및 2)으로 물리적으로 분리된 2개의 상이한 배향의 SMD LED 패키지(21) 내에 인크로징되어 있다. 이와 유사하게, 광학적 이웃, 인접 방출 방향과 관련된 LED 칩(22)은 물리적으로 이웃해서는 안 되며, 도 8에 도시된 바와 같이 각각 행 1-2 및 3-4에서 픽셀 영역(p) 내의 전체 상이한 위치에 위치할 수 있다. 중요한 것은 수평 위치뿐이다.
도 9에서 볼 수 있듯이, 일반 SMD LED 패키지(21)에서도, SMD LED 패키지(21)의 Lx 수평 크기 자체가 허용할 수 있는 것보다 광학적으로 더 조밀한 배열에 도달할 수 있다. SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22)을 수직으로, 바람직하게는 복수의 행으로 변위시킴으로써 전체 픽셀 영역(p)을 활용하지만, 이는 LED 이미터(20)로 픽셀 영역(p)을 채우기 위한 벌집 패턴과 같은 임의의 배열일 수 있다.
1:1 종횡비 픽셀을 가정하면, HOP 시스템의 경우, 픽셀(P) 크기는 방출될 광 빔의 개수(N)에 비례하고, 픽셀 영역(p)는 픽셀(P) 크기의 제곱 함수에 비례하므로, 픽셀 영역(p)이 클수록 많은 칩들이 거기에 배치될 수 있다. 간략함을 위해, 실제적인 예로서, 5mm 픽셀(P) 크기 내의 0.5mm 정사각형 칩을 가정하면, 36 방향이 필수 간극(c)과 함께 달성될 수 있고, 8mm 픽셀(P) 피치 디스플레이로부터 100 방향이 동일한 설계 오버헤드로 생성될 수 있는데, 이는 그것을 광 필드 디스플레이에 이상적으로 만든다.
이를 위해, 더 많은 SMD LED 패키지(21) 또는 LED 칩(22)을 픽셀(P)내에 가둘(pen) 수 있더라도, 칩의 개수가 픽셀 크기(px)를 그들의 수평 활성 광 방출 영역(E)으로 나눈 결과보다 큰 경우 임의의 추가 이득을 얻지는 못할 것이다. 픽셀로부터 방출될 수 있는 독립적이고 중첩되지 않는 광 빔의 이론적 최대값은 다음과 같다: N=px/Ex.
이것은 도 9에 도시되어 있는데, 여기서 SMD LED 패키지(21)는 전체 픽셀 영역(p)를 사용하여 안전하게 배열되어 있고, PCB 및 픽 앤 플레이스(pick&placement) 기술에 의해 허용되는 표준 간극(c)을 유지하면서도 여전히 수평으로 시프트, d = Ex를 갖는 최대 광학 밀도에 도달한다.
도 9는 d만큼 시프트된 광학적으로 이웃한 SMD LED 패키지(21)를 도시한다. SMD LED 패키지(21)는 행으로 배열되어 있다. 유리하게도, 행의 개수와 행 내의 SMD LED 패키지(21)의 개수가 유사하므로, 픽셀 영역(p) 내의 SMD LED 패키지(21)의 개수, 즉 뷰의 개수는 일반적으로 제곱수에 가깝다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 광학적 이웃은 반드시 후속 행 내에 있을 필요는 없으며, 다른 행 내의 더 먼 수직 위치에 있을 수도 있다. 이러한 행들은 몇몇 변형에서 서로에 대해 d의 배수만큼 시프트될 수 있다. 도 9는 뷰어가 한 방향에서 이웃 방향으로 이동할 때 픽셀(P) 내에서 어떤 종류의 깜박임을 볼 수 있기 때문에, 한 행에서 다른 행으로 광학적으로 이웃한 LED 이미터(20) 위치에서의 큰 수직 점프를 회피하도록 최적화된 일련의 행을 보여준다.
도 9에 도시된 바와 같이, 시프팅된 SMD LED 패키지(21)에서, 복수의 LED 칩(22), 바람직하게는 R, G, B LED 칩(22)은 방출 방향에 대응하는, 픽셀 영역(p) 내의 동일한 수평 위치에 위치되어, 방향 변위된 색상 효과 없이 올바른 색상의 3D 이미지를 제공한다.
이러한 배열은 LED 이미터(20)의 위치가 픽셀 영역(p)의 경계 및/또는 대응하는 렌즈릿(42) 사이의 직선 배향의 경계를 넘어 연장되지 않도록 만들어진다. 이웃 픽셀(P) 내의 비어 있는 매칭하는 시프트된 영역이 사용된다면, 심리스 타일링은 불가능할 것이다.
이러한 고밀도 LED 이미터 백플레인(30) 배열은 RGB SMD LED 패키지(21)를 LED 보드(31)와 같은 다층 인쇄회로기판(PCB) 상에, 배치하고 솔더링(soldering)함으로써 실현된다. 알려진 LED 공급업체로부터 최소 사용 가능한 RGB SMD LED 패키지(21)가 필요하고 세선, 갭 틈새(c), 레이저 천공식 비아 등과 같은 고급 PCB 기술이 사용되어야 하지만, LED 보드(31)는 상업적으로 이용 가능한 구성 요소 및 실행 가능한 비연구 등급 기술을 통해 제조될 수 있다. 추가적인 이점으로서, 제안된 SMD LED 패키지(21) 배열에 따라, 현재 0.9mm의 최신 기술을 넘어서는 피치 크기를 갖는 2D LED 벽 패널도 제조될 수 있다. LED 구동 전자 장치(34)는 유리하게는 패널을 공통 제어 보드(3)에 연결하기 위한 커넥터(35)와 함께 PCB의 후면에 위치된다. LED 이미터 백플레인(30)의 재료는 유리 또는 실리콘 기반 기판을 포함하는 강성 또는 가요성 PCB 재료, 또는 임의의 표준 TFT 백플레인 재료일 수 있다.
다른 옵션은 칩 온 보드(COB) 기술이며, 여기서 LED 칩(22)은 PCB(32)에 직접 본딩된다. 이것은 몇 가지 장점을 제공하는데, SMD LED 패키지(21) 내부 본딩 패드가 없고 빈 영역 없이 순수한 LED 칩(22)을 가지므로 오버헤드가 적다. 수정된 LED 칩(22)을 PCB(32) 평면상에 직접 배치하여 보다 견고하고 평평한 표면을 가질 수 있다. 한편, 정교한 픽 앤 플레이스 공정이 필요하고 각각의 R, G, B LED 칩(22)은 개별적으로 처리된다. 재고 품목 SMD LED 패키지(21)의 세부사항이 없기 때문에, 시프트가 LED 칩의 활성 광 발출 영역의 각각의 크기와 동일(d = Ex)하도록 시프트된 LED 칩(22)을 통해, 도 5에서와 같이, 규칙적인 최적의 배열을 만드는 것이 용이해진다.
도 6에는 픽셀 영역(p) 내에 그룹화되고, 갭(g)만큼 분리되고, g/2 폭의 주변 빈 영역을 갖도록 PCB(32) 상에 직접 본딩된, 규칙적인 패턴의 LED 칩(22)을 보여주는 칩온보드 배열의 예가 도시되어 있다. COB PCB(32)의 후면은 이전 구성과 유사하게 구동 전자 장치를 보유한다.
훨씬 더 조밀한 배열과 더 작은 픽셀(P) 크기에 도달하기 위해 새롭게 등장한 마이크로 LED(23) 기술이 솔루션을 제공한다. 마이크로 LED는 백플레인(33)으로 전달되는 10 마이크로미터 범위의 매우 작은 크기의 LED 칩이다. 마이크로 LED 칩(23)은 종래의 GaN LED 기술에 기초하며, 다양한 유형에 대해 방출 표면은, 예를 들어, OLED 제품보다 훨씬 높은 총 밝기를 제공하고 lux/W 측면에서 효율이 더 높을 뿐만 아니라 OLED와 같이 수명이 짧지 않은, 나노 와이어와 같은, 특별한 3D 구조를 가질 수 있다. 이 칩들은 픽 앤 플레이스 기술에 의해 박막 트랜지스터(TFT) 백플레인(33)(LTPS, IGZO)으로 전달되거나, 완전한 마이크로 LED 어레이의 전달은 CMOS 백플레인에 부착되도록 하이브리드화(hybridization)라 불리는 하나의 단계에서 수행될 수 있다.
도 10a는 시프트된 패턴의 트랜지스터를 갖는 HOP 3D 광 필드 디스플레이의 마이크로 LED 칩(23) 픽셀(P)을 위한 TFT 백플레인(33)을 도시한다. 마이크로 LED 칩(23)의 크기는 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터의 범위 내에 있어, 작은 픽셀(P) 크기로부터 방출되는 많은 수의 광 빔으로 조밀한 광 필드 디스플레잉이 가능하다.
일반적인 LED 칩(22) 크기에 대하여, HOP 배열이 유일한 현실적인 옵션이지만, 마이크로 LED 칩(23) 이미터 크기에서는, 완전 시차 배열을 위한 매우 높은 밀도의 어레이가 실현 가능해진다. 6000ppi 밀도에서의 4K 마이크로 LED 어레이가 이미 시연되었으며, 이는 0.5mm 미만의 픽셀(P) 크기를 갖는 100 뷰 3D 광 필드 디스플레이를 가능하게 한다.
유사하게, 도 10b에서, 완전 시차 3D 광 필드 마이크로 LED 디스플레이를 위한 TFT 백플레인(33) 픽셀 패턴이 도시되어 있다. 완전 시차 시스템의 경우, 패턴은 도시된 바와 같이 실질적으로 대칭일 수 있지만, 마이크로 LED 칩(23)이 전체 픽셀 영역(p)을 차지하지 않고 백플레인 오버헤드가 칩 사이에 수직으로 배열될 수 있기 때문에, 마이크로 LED 칩(23) 위치 밀도는 수평 및 수직으로 상이할 수 있다. 이것에 의해, 수평 뷰의 개수는 수직 뷰의 개수에 비해 유리하게 증가될 수 있으며, 수직 FOV보다 본질적으로 더 넓은 수평 FOV에 걸쳐 분산된다.
3D 광 필드 디스플레이는 그들의 픽셀(P) 각각으로부터 복수의 개별적으로 제어 가능한 광 빔을 넓은 각도 범위 α로 방출할 수 있다. 픽셀(P)로부터의 광 빔은 연속적으로 이러한 각도 범위 α를 커버한다. 이상적으로 갭 또는 오버랩은 존재하지 않는다. 예컨대, 100도 방출 및 왼쪽에서 오른쪽으로 순차적으로 N = 100 개의 개별적으로 취급 가능한 광 빔(L1 내지 LN)을 갖는 경우, 각 광 빔의 다이버전스 δ는 1 도일 것이고, 도 1b에 도시된 바와 같이 함께 단일 로브를 형성한다. 패널 광학부재(40)의 역할은 각각의 개별적으로 어드레싱 가능한 LED 이미터(20)로부터의 광을 수집하고 픽셀(P) 내의 LED 이미터(20)의 위치에 대응하는 한 방향으로 지향시키는 것이며, 결과적으로 각각의 LED 이미터(20)는 오직 하나의 방향에만 관련된다. 이것은 픽셀(P) 내의 상이한 수평 위치에 있는 LED 이미터(20)로부터의 광을 수평으로 상이한 방향으로 지향시키지만 수직으로는 편향시키지는 않는 원통형 대칭 패널 광학 부재(40)를 갖는 HOP 시스템에도 적용된다. 시준없이, 광 빔은 수직으로 광각으로 확산할 것이고, 이 수직 로브의 프로파일은 3D 디스플레이의 수직 FOV와 관련된 LED 이미터(20)의 일반적인 각 방출 프로파일에 대응할 것이다.
설명한 바와 같이, 광 빔의 다이버전스 δ는 활성 광 방출 영역 크기(E)와 관련이 있으며, 광학 시스템은 원거리의 모든 LED 이미터(20)를 분해해야 한다. 더 넓은 각도 투영에서도 적절한 광학 각도 해상도를 달성하기 위해서는, 단일 광학 시스템에 관한 제한사항(즉, 좁은 출력 각도, FOV의 판정, 스폿 크기, 최종 디스플레이의 각도 해상도의 판정)을 제거할 수 있는 복수의 광학 표면이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 복수 엘리먼트 광학 시스템은 2 층의 렌즈 어레이와 그 사이의 적절한 애퍼처로 실현된다.
도 12a는 원통형 렌즈 광학 층(41)을 갖는 완전한 HOP 패널(10)을 보여준다. 도 12b는 각각의 제 1, 제 2 및 제 3 광학 층(411, 412, 413), 커넥터(35)를 통해 제어 보드(3)에 연결된, 후면상에 구동 전자 장치(34)를 갖는 LED 보드(31)를 보여주는 HOP 패널(10)의 상면도를 도시한다.
도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 패널 광학부재(40)는 복수 층의 렌즈 어레이(43)의 적층된 광학 플레이트(46)로서 실현된다. 원통형 렌즈 어레이(44)의 HOP 시스템 층에 대해서는, 도 12a를 참조하고, 완전 시차 시스템 구면 대칭 렌즈 어레이(45)에 대해서는 도 11a를 참조할 수 있으며, 두 경우 모두 비구면 광학 표면을 포함할 수 있다. 렌즈 어레이(43)는 평면-볼록(plano-convex) 또는 평면-오목(plano-concave) 렌즈릿(42)을 포함하는 하나의 광학 표면을 갖는 단면일 수 있고, 볼록 또는 오목 렌즈릿(42)으로 구성된 2 개의 광학 표면을 갖는 양면일 수도 있다. 광학 플레이트(46)는 도 11a 및 도 12b에 도시된 바와 같이 LED 백플레인(30) 상의 LED 이미터(20) 상에 겹쳐 놓인다. 광학 플레이트(46)의 크기는 도 12a에서와 같이 LED 백플레인(30) 크기와 정확히 동일하고, 렌즈릿(42) 피치는 도 4에 도시된 바와 같이 픽셀(P) 주기와 동일하고, 광 플레이트(46)는 정수 개의 렌즈릿(42)을 포함한다. 연속적인 주기적 구조가 형성되는 동안, 각 픽셀(P)은 렌즈릿(42)에 속하고, HOP 구조에서 원통형 렌즈릿(42)은 칼럼 내의 더 많은 픽셀(P)에 수직으로 속하고, 픽셀(P)에 속하는 광학 층(41)의 일부 및 렌즈릿(42)은 속하는 픽셀 영역(p) 내의 LED 이미터(20)로부터의 광만을 통과시키고 다층 광학 구조물은 다른 픽셀(P)로부터의 광을 차단하도록 구성된다.
광학 플레이트(46)는 유리 또는 유리하게는 PMMA, 폴리카보네이트와 같은 광학 플라스틱으로 만들어질 수 있으며, 이는 디스플레이에 가볍지만 여전히 견고한 광학 표면을 제공한다. 플라스틱 광학 플레이트(46)는 대량 생산되는 광학 구성요소를 위한 최상의 옵션을 나타낸다. 광학 플레이트(46)는 대량 생산 가능한 비용 효율적인 사출 몰딩에 의해 제조될 수 있다. 광학 플레이트(46)는 LED 보드(31)에 시멘트로 접착되고 광학 접착제에 의해 서로 접착될 수 있다.
대량 생산을 위한 유리한 실시예로서, 제 1 렌즈 층(411)을 단일 광학 표면 렌즈로서 실현하는 것이며, 도 11a 및 12b를 참조하여, 제 1 층의 렌즈릿(411)은 LED 보드(31)에 직접 본딩될 수 있다.
제 1 렌즈 층(411)은 하이브리드 인몰드 공정(hybrid in-mould process)에서 LED 보드(31) 상에 직접 오버몰딩될 수 있다. 기성품의 LED 보드(31) 또는 LED 백플레인(30)은 제 1 렌즈 어레이(411)의 광학 마스터로서 광학 인서트를 포함하는 몰드에 넣어지고, 사출 몰딩이 한 단계에서 수행되는데, 즉, 용융된 광학 플라스틱 재료가 렌즈 어레이(43, 411) 표면을 형성하기 위해 LED 보드(31) 상에서 직접 프레싱된다.
또한, 특정 맞춤 파라미터를 위해 광학 3D 프린팅 공정에 의해 렌즈 층(411)을 제조하는 것도 가능하다.
패널 광학부재(40) 내의 복수의 광학 층(41)은 적층된 광학 플레이트(46)로서 실현될 수 있으며, 광학 층(41)은 비구면 표면, 애퍼처, 확산 특성을 갖는 광학 표면, 차광 구조, 페인팅된 형상, 광학 코팅, 반사 방지, 눈부심 방지 층 또는 코팅, 긁힘 방지 보호 층 또는 외부 표면 코팅 등을 포함하는 복수의 광학 표면을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 엘리먼트를 더 포함한다.
도 11a는 완전 시차 패널(11)을 도시한다. 이 패널은 다층 구면 대칭 광학 렌즈 어레이(45) 오버레이로 조립된, 마이크로 LED 칩(23)을 보유하는 TFT 백플레인(33)을 포함한다. 백플레인(33) 및 패널 광학부재(40) 오버레이 크기는 모두 패널(11) 크기와 동일하고 동등하다. 마이크로 LED 칩(23)은 TFT 백플레인(33) 상에서 전달되고, 마이크로 LED 칩(23)은 도 10b에 도시된 바와 같이 그룹으로 배열되어 픽셀(P)을 구성한다. 마이크로 LED 칩(23)은 가장자리 주위에 넓은 비활성 경계부 없이 전체 백플레인(33) 영역에 걸쳐 배열되며, 가장자리 주위의 비활성 영역의 최대 폭은 픽셀 갭(g)의 절반, 즉, g/2보다 작다. 활성 광 방출 영역 주위의 칩 상에 본딩 패드 및 드라이버 구조를 갖는 종래의 마이크로 디스플레이 레이아웃과는 대조적으로, 제안된 배열의 실리콘 기판상의 마이크로 LED 어레이는 주변의 비활성 경계없이 가장자리까지 전체 기판 영역을 덮거나, 기술적 프레임이 단지 g/2의 최대 폭을 갖는다. 마이크로 LED 칩(23)은 전체 픽셀 영역(p)의 일부만을 차지하므로, 열/행 구동 칩은 또한 전면 상에 그 사이에 배치될 수 있다. 가장자리 주위에 구조화된 쓰루 홀(비아) 또는 배선은 TFT 백플레인(33)의 전면과 후면을 연결한다. TFT 백플레인(33)은 패널(11)을 제어 보드(3)에 연결하기 위해 후면에 구성된 연결부를 갖는 미세 구조의 PCB 또는 다른 TFT 기판일 수 있다.
도 11b는 공통 제어 보드(3)에 연결된 완전 시차 마이크로 LED 패널(11)을 도시한다. 제어 보드(3)는 패널(11)의 마이크로 LED 구동 전자 장치를 제어하고, 신호를 분배하며, 패널(11)을 위한 파워 서플라이를 제공한다. 이 구조는 확장 가능하며, 도 11b에 표시된 것처럼 다양한 크기의 조립체를 만들 수 있다.
TV 스타일 완전 시차 3D 마이크로 LED 디스플레이에 대한 바람직한 실시예는 공통 제어 보드(3)를 최종 디스플레이의 크기 이내이도록, 바람직하게는 16:9 종횡비를 갖도록, 그리고 심리스 타일형 완전 시차 패널(11)이 전체 전면을 따라 배치되도록 설정하는 것이다. 모든 필요한 TV 및 디스플레이 관련 입력 및 제어 기능은 제어 보드(3)의 다른 측면에 통합되어 완전한 기능을 갖춘 3D 광 필드 마이크로 LED 디스플레이를 가질 수 있다. 이 유닛은 캐비닛으로 간주될 수 있고, 수 센티미터 두께로 더 큰 표면상에 확장되는 3D 비디오 벽면의 베젤이 없는 구성을 구축할 수 있다.
완전 시차 3D 시스템의 추가 이점으로서, 이들은 수직 및 수평 방향으로 모두 사용될 수 있어, 도 18에 도시된 바와 같이 광범위한 응용 분야가 열린다.
도 13은 완전히 조립된 HOP 패널(10)의 캐비닛(2)을 도시한다. 패널(10)을 더 큰 유닛인 캐비닛(2)으로 조직화하는 것은 더 큰 디스플레이의 실제 조립을 도울 수 있다. 캐비닛(2)은 자립형 유닛이며, 기계 장치(4)가 패널을 유지하여, 기계적 견고성 및 냉각을 제공한다. 기계식 하우징은 정밀한 고정 포드(pod)로 구성되어, 캐비닛(2)이 다른 캐비닛(2)과 심리스 타일링 될 수 있게 한다. 캐비닛(2)은 패널(10)이 연결되는 공통 제어 보드(3)를 더 포함한다. 제어 보드(3)는 패널(10) 전자 장치 내의 LED 구동 칩(34)을 제어하고, 패널(10) 각각에 대응하는 비디오 신호를 분배하고, 패널(10)을 위한 파워 서플라이를 포함한다. 제어 보드(3)는 입력 및 출력 커넥터(5)를 갖는다. 신호 입력/출력은 기가비트 이더넷 또는 HDMI, 디스플레이 포트(DP: Display Port) 또는 이와 유사한 고속 비디오 또는 데이터 연결일 수 있으며, 파워 입력은 유리하게도 230/110AC 또는 저전압 DC일 수 있다. 캐비닛(2)은 도 13에서와 같이 정사각형 형상일 수도 있고, 또는 유사한 종횡비의 디스플레이를 위해 쉽게 타일식으로 배열될 수 있도록 16:9일 수도 있다. 캐비닛은 더 큰 디스플레이 벽면을 더 쉽게 구축할 수 있게 하기 위해 더 많은 패널(10)로 구성된 더 큰 유닛일 수도 있고, 더 적은 패널(10)을 갖는 더 작은 유닛일 수도 있는데, 이는 곡면 디스플레이를 형성하는데 더 유리하다.
전체 시스템 아키텍처는 도 14a, 14b 및 14c에 도시되어 있다.
도 14a는 LED 이미터(20), 복수의 적층된 광학 플레이트(46)를 포함하는 패널 광학부재(40) 및 후면에 LED 구동 전자 장치(34)를 갖는 LED 패널(30)로 이루어진 패널(10)을 보여준다. 동일한 아키텍처가 HOP 또는 완전 시차 패널(10, 11) 각각에 모두 적용된다.
도 14b는 복수의 패널(10), 입력 및 출력 커넥터(5)를 갖는 공통 제어 보드(3), 및 패널(10)과 커넥터(5)를 갖는 제어 보드(3)를 유지하는 자립형 기계 장치(4)를 포함하는 캐비닛(2)을 보여준다. 입력은 기가비트 이더넷 또는 HDMI, 디스플레이 포트(DP) 또는 이와 유사한 고속 비디오 또는 데이터 연결일 수 있다. 캐비닛(2) 자체는 완전한 기능을 갖춘 3D 광 필드 디스플레이 유닛이다.
도 14c는 타일형의 완전한 모듈식 대형 3D 광 필드 디스플레이(1)을 보여준다. 디스플레이(1)는 캐비닛(2)으로 구성되며, 그 구조에 따라 더 큰 심리스 타일형 조립체가 구축될 수 있다. 최종 디스플레이(1) 입력은 동일한 기가비트 이더넷 또는 HDMI 또는 디스플레이 포트(DP) 또는 유사한 고속 비디오 또는 데이터 연결을 통한 캐비닛(2) 중 하나의 입력이다. 캐비닛(2)은 하나의 체인으로 상호 연결되며, 이 링크를 통해 캐비닛은 디스플레이(1) 벽 내의 그들의 위치를 통신하고, 시스템 제어 보드(3)는 그에 따라 비디오 콘텐츠를 분배하고, 캐비닛(2)은 그들 전용의 콘텐츠에 액세스할 것이다.
도 15는 심리스 타일형 3D 광 필드 LED 디스플레이(1) 벽을 도시한다. 이러한 모듈식 구조를 통해, 더 큰 3D 광 필드 LED 디스플레이 조립체를 구축할 수 있다. 이 조립체는 창의적으로 사용 가능한 곡면 디스플레이를 포함한 임의의 크기, 임의의 형태, 임의의 형상일 수 있다. 최종 디스플레이의 종횡비는 TV 표준에 따라 16:9일 수도 있고 또는 3D 시네마 스크린 애플리케이션에 따라 21:9보다 넓을 수도 있다.
도 16은 3D LED 벽면 디스플레이 조립체의 후면을 보여주는데, 캐비닛(2) 기계 장치(4)는 심리스 타일링 가능하게 구성되었고, 강력한 기계적 연결을 갖고, 유리하게도 골이 있는(ribbed) 후면을 가지며, 가볍고 단단하며, 방열판과 같은 형상을 가짐으로써 효과적인 냉각이 가능하다. 기계적 덮개(envelope)는 제어 보드(3), (케이블 없이 도시된) 커넥터(5) 및 피드백 라이트 및 서비스 프로그래밍 커넥터를 위한 선택적인 개구부를 포함한다. 완벽한 디스플레이 기계 장치는 벽에 고정될 수 있고, 스테이를 통해 위에서부터 매달려질 수도 있고, 또는 외부 기계식 프레임 또는 장식 커버에 자립식으로 통합될 수도 있다.
도 17은 수평으로 상이한 광 빔(L1… LN)의 수직 로브를 또한 보여주는 HOP 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이 조립체를 도시한다.
도 18은 수평 방향으로 사용되는 완벽한 심리스 타일형 완전 시차 3D 광 필드 LED 디스플레이를 보여준다.

Claims (17)

  1. 기계적 및 전기적으로 서로 연결되는 균일한 패널(10)로 구성된 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이로서,
    상기 균일한 패널(10) 각각은:
    가장자리들에 의해 구분되는 LED 백플레인(30)으로서, 상기 LED 백플레인(30)은 픽셀 영역(p)을 갖는 픽셀(P)들을 구비하고, 상기 픽셀들은 갭(g)에 의해 서로 분리되며 상기 픽셀들 각각은 복수의 LED 이미터(20)들을 포함하는, 상기 LED 백플레인(30), 및
    복수의 광 빔을 각각의 픽셀로부터 복수의 방향으로 지향시키기 위해 상기 LED 이미터(20) 위에 배치된 광학 수단을 포함하고,
    상기 패널은 LED 구동 전자 장치(34) 및 커넥터(35)를 더 포함하고,
    상기 LED 이미터(20)들은 픽셀 영역(p) 내에 사전 결정된 패턴으로 배열되고 상기 LED 이미터(20)들의 개수는 요구되는 시야 방향의 개수에 상응하여 선택되며, 광학적으로 이웃한 상기 LED 이미터(20)들은 상기 LED 이미터(20)들의 광 방출 영역(E)의 수평 확장(Ex)에 대응되도록 서로에 대하여 수평으로 시프트되고,
    각각의 LED 이미터(20)는 픽셀 영역(p) 내의 LED 이미터(20)의 위치의 함수인 방출된 광 빔(L1…LN)의 한 방향과 관련되고 상기 LED 이미터들은 개별적으로 제어될 수 있고,
    상기 광학 수단은 상기 패널과 동일한 크기 및 형태를 갖고, 복수의 광학 표면을 포함하고, 렌즈 어레이를 형성하고, 직선 가장자리를 갖는 정수 개의 직선 배향의 렌즈릿(42)을 포함하고, 픽셀(P) 배열에 대응하고, 심리스 타일링(seamlessly tile) 가능한 어레이를 형성하는 패널 광학부재(40)로서 실현되고,
    각각의 LED 이미터(20)로부터의 광 빔은 상기 패널 광학부재(40)에 의해 한 방향으로 지향되고, 픽셀(P)로부터 복수 방향으로 방출되는 광 빔(L1…LN)은 단일 로브 내의 연속 각도 범위 α를 커버하기 위한 다이버전스 δ를 갖고,
    모든 픽셀(P)로부터의 복수의 광 빔(L1…LN)은, 자연적인 뷰에서 나타나는 것처럼 실질적으로 동일한 파라미터를 갖는 광 빔을 재현함으로써 연속적인 3D 광 필드를 생성하여 자연스러운 3D 뷰를 제공하는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 이미터(20)는 SMD LED 패키지(21), LED 칩(22), 마이크로 LED 칩(23) 및 마이크로 LED 어레이를 포함하는 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패널(10, 11)은 LED 백플레인(30)을 포함하고, LED 이미터(20)는 상기 LED 백플레인(30)의 가장자리까지 픽셀(P)의 주기적 구조로 배열되고, 가장자리를 따른 비활성 경계는 상기 픽셀들을 분리하는 갭(g)의 절반보다 작은 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 패널 광학부재(40)는 픽셀(P)과 대응하는 치수의 렌즈릿(42)들로 구성된, 타일링 가능 렌즈 어레이(43)를 형성하는 하나 이상의 광학 층(41)을 포함하고, 픽셀과 연관된 상기 광학부재는 연관된 픽셀 영역(p) 내에 위치한 LED 이미터(20)로부터만 실질적으로 시준된 광 빔을 투영하고, 동시에 이웃한 픽셀 영역(p) 내의 LED 이미터(20)로부터의 주 편향 방향의 광을 차단하는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 패널 광학부재(40) 내의 상기 복수의 광학 층(41)은 유리 또는 광학 플라스틱으로 만들어진 적층된 광학 플레이트(46)로서 실현되고, 상기 광학 층(41)은 비구면 표면, 애퍼처, 확산 특성을 갖는 광학 표면, 차광 구조, 페인팅된 형상, 광학 코팅, 반사 방지, 눈부심 방지 층, 및 긁힘 방지 보호 층을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  6. 제 3 항에 있어서,
    구면 렌즈 어레이(45)의 복수 층을 포함하는 패널 광학부재(40)가 광학 플레이트(46)으로서 실현되어 있고, TFT 백플레인(33) 상에 마이크로 LED 칩(23)을 포함하는 완전 시차 3D LED 패널(11)을 포함하고, 상기 TFT 백플레인(33) 및 상기 패널 광학부재(40)의 오버레이 크기는 상기 패널(11) 크기와 실질적으로 동일하고, 상기 마이크로 LED 칩(23)은, 상기 TFT 백플레인(33)의 가장자리의 전체 TFT 백플레인(33) 영역 위에 그룹으로 배열되어 픽셀(P)을 구성하며, 상기 픽셀들을 분리하는 갭(g)의 절반보다 작은 폭을 갖는 가장자리를 따른 비활성 경계를 갖는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  7. 제 6 항에 있어서,
    완전 시차 3D LED 패널(11)을 포함하고, LED 구동 전자 장치(34) 및 커넥터(35)를 포함하는 복수의 마이크로 LED 패널(11)은 서로 심리스 타일링 되고, 기계 장치(4)에서 입력 커넥터(5)를 갖는 공통 제어 보드(3)에 연결되어, 완전한 기능을 갖춘 3D 디스플레이 유닛을 실현하는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패널 광학부재(40)는 광학 플레이트(46)로서 실현되는 원통형 렌즈 어레이(44)의 하나 이상의 광학 층(41)을 포함하고, 상기 LED 백플레인(30)은 SMD LED 패키지(21), 직접 본딩 LED 칩(22) 또는 마이크로 LED 칩(23)을 보유한 TFT 백플레인(33)을 보유하는 다층 인쇄 회로 기판(31, 32)으로서 실현되고, 상기 패널(10)은 LED 구동 전자 장치(34) 및 커넥터(35)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    LED 칩(22), SMD LED 패키지(21), 마이크로 LED 칩(23)을 포함하는 그룹으로부터 선택된, 상기 LED 이미터(20)는 상기 LED 이미터(20)의 광 방출 영역(E)의 수평 확장(Ex)에 실질적으로 대응하는 거리(d)만큼 상기 픽셀 영역(p) 내에서 서로에 대해 수평으로 시프트되고, 이 시프트(d)는 ½ Ex와 10 Ex 사이의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 LED 이미터(20)들은 상기 LED 이미터(20)의 광 방출 영역(E)의 수평 확장(Ex)보다 큰 시프트(d)를 갖도록 배열되고 상기 패널 광학부재(40)는 디포커싱되거나 또는 대응하는 확산 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  11. 제 8 항에 있어서,
    방출 방향에 대응되는 R, G, B LED 칩(22)들이 픽셀 영역(p) 내의 동일한 수평 위치 및 상이한 수직 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 픽셀 영역(p) 내의 LED 이미터(20)는 그들의 물리적 치수(L) 및 필요 간극(c)에 실질적으로 대응하는 주기를 갖고 행으로 배열되고, 상기 픽셀 영역(p)은 복수의 행을 포함하고, 각각의 행은 서로에 대해 Ex만큼 실질적으로 시프트되고, 광학적으로 이웃한 LED 이미터(20)는 후속 행에 배치되거나, 또는 인접 행이 아닌 다른 행에 배치된 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 패널 광학부재(40)는 렌즈릿(42) 사이에 애퍼처를 갖는 원통형 렌즈 어레이(44)를 형성하는 2 개의 렌즈 층(411, 412)을 포함하고, 제 1 렌즈 층(411)은 빔을 대응하는 수직 애퍼처 스트립 내로 수평으로 포커싱하고, 제 2 렌즈 층(412)은 수직 편향없이 광 빔을 최종 방향으로 조준하고, 상기 제 1 렌즈 층(411)은 상기 LED 백플레인(30)에 직접 본딩되거나 오버몰딩되는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이는 적어도 하나의 캐비닛(2)으로 조립되고, 상기 캐비닛(2) 각각은 복수의 균일한 심리스 타일형 패널(10, 11), 입력 및 출력 커넥터(5)를 갖는 제어 보드(3) 및 패널(10, 11)을 유지하기 위한 자립형 기계 장치(4)를 포함하고, 상기 패널(10, 11)은 커넥터(35)를 통해 상기 제어 보드(3)에 연결되고 상기 제어 보드(3)에 의해 제어되고, 상기 제어 보드(3)는 상기 패널(10, 11)의 LED 구동 전자 장치(34)를 제어하고, 상기 패널(10, 11) 각각으로 대응하는 비디오 신호를 분배하고, 상기 패널(10, 11)을 위한 파워 서플라이를 제공하고, 또한, 상기 제어 보드(3)는 입력 및 출력 커넥터(5), 외부 제어 커넥터, 파워 입력 커넥터를 가지고, 상기 캐비닛(2)은 그 자체가 완전한 기능을 갖춘 3D 광 필드 디스플레이 유닛인 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  15. 제 1 항에 있어서,
    캘리브레이션 카메라 또는 센서로부터 획득한 캘리브레이션 데이터를 저장하여 조립된 3D 디스플레이의 형상 및 색상 왜곡을 보정할 수 있는 제어 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈식 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이.
  16. 기계적 및 전기적으로 서로 연결되는 균일한 패널(10)로 구성된 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이 상에 3D 광 필드 이미지를 디스플레이하는 방법으로서, 상기 균일한 패널(10) 각각은,
    가장자리들에 의해 구분되는 LED 백플레인(30)으로서, 상기 LED 백플레인(30)은 픽셀 영역(p)을 갖는 픽셀(P)들을 구비하고, 상기 픽셀들은 갭(g)에 의해 서로 분리되며 상기 픽셀들 각각은 복수의 LED 이미터(20)들을 각각 포함하는, 상기 LED 백플레인(30), 및
    복수의 광 빔을 각각의 픽셀(P)로부터 복수의 방향으로 지향시키기 위해 상기 LED 이미터(20) 위에 배치된 광학 수단을 포함하고,
    상기 패널은 LED 구동 전자 장치(34) 및 커넥터(35)를 더 포함하고,
    상기 방법은:
    LED 이미터(20)들을 각각의 픽셀 영역(p) 내에 배열하는 단계로서, 상기 LED 이미터(20)들의 개수는 요구되는 시야 방향의 개수에 상응하여 선택되며, 광학적으로 이웃한 상기 LED 이미터(20)들은 상기 LED 이미터(20)들의 광 방출 영역(E)의 수평 확장(Ex)에 대응되도록 서로에 대하여 수평으로 시프트되는, 상기 LED 이미터(20)들을 각각의 픽셀 영역(p) 내에 배열하는 단계,
    각각의 픽셀(P) 내의 상기 복수의 LED 이미터(20) 각각을 개별적으로 제어하는 단계,
    상기 광학 수단에 의해 각 LED 이미터(20)로부터의 광 빔을 한 방향으로 지향시킴으로써, 단일 로브 내에서 각 시야를 위한 광 빔(L1…LN)을 형성하고, 상기 단일 로브의 각 빔에 각도 범위 α를 연속적으로 커버하기 위한 다이버전스 δ를 제공하는 단계, 및
    상기 패널(10)을 하나의 조립체로 심리스 타일링(seamlessly tiling)하는 단계를 포함하고, 복수의 패널(10)의 모든 픽셀(P)로부터 방출된 복수의 광 빔(L1… LN)은, 자연스러운 3D 뷰를 제공하기 위해, 자연적인 뷰에서 나타나는 것처럼 실질적으로 동일한 파라미터를 갖는 광 빔을 재현함으로써 연속적인 3D 광 필드를 생성하는 것을 특징으로 하는 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이 상에 3D 광 필드 이미지를 디스플레이하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    전체 픽셀(P) 내에 LED 이미터(20)를 수직 및 수평 위치에 배열하는 단계,
    상기 LED 이미터(20)의 광 방출 영역(E)의 수평 확장(Ex)에 실질적으로 대응하는 거리(d)만큼 수평으로 상기 LED 이미터(20)를 서로에 대해 시프팅하고, 실질적으로 접촉하는 방출 영역(E)을 갖는 수평으로 광학적으로 인접한 LED 이미터(20)들을 생성하는 단계,
    상기 패널 광학부재(40)에 의해 각 LED 이미터(20)들로부터 수신된 광 빔을, 수직으로 편향시키지 않고, 상기 픽셀(P) 내의 상기 LED 이미터(20)의 수평 위치의 함수인 하나의 수평 방향으로 지향시키는 단계,
    상기 수평으로 광학적으로 인접한 LED 이미터(20)들로부터, 상기 픽셀(P)로부터 수평으로 상이한 광 빔(L1… LN)의 다수의 수직으로 연장된 로브를 방출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 광 필드 LED 벽면 디스플레이 상에 3D 광 필드 이미지를 디스플레이하는 방법.
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