KR20010113117A

KR20010113117A - 3차원 영상 표시 장치

Info

Publication number: KR20010113117A
Application number: KR1020000033246A
Authority: KR
Inventors: 박철우; 조원석; 박충선; 안남규; 김경용; 이주필
Original assignee: 최재학; 주식회사 디엠에이코리아
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2001-12-28

Abstract

본 발명의 3차원 영상 표시 장치는 물체를 이동시키거나 회전시키는 이동 수단과, 물체로부터 나온 빛의 일부를 투과시키며 나머지는 반사시키는 빔 분할기와, 빔 분할기로부터 반사된 빛이 입사하여 물체의 실상을 결상시키는 비구면 반사경을 포함한다. 이동 수단은 물체를 상기 표시 장치의 광축 방향으로 이동시킴으로써 물체의 실상의 크기와 위치를 변화시킬 수 있으며, 물체를 회전시킴으로써 물체의 실상도 회전시킬 수 있고, 물체를 상기 표시 장치의 광축 방향과 수직한 방향으로 이동시킴으로써 물체의 실상도 광축 방향과 수직한 방향으로 이동시킬 수 있다.

Description

3차원 영상 표시 장치 {Three dimensional image display apparatus}

본 발명은 3차원 영상 표시 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 비구면 반사경 및 빔 분할기(beam splitter)를 이용하여 물체의 상을 허공 중에 맺게 하여 원래의 물체에 존재하는 입체감을 그대로 가지고 있는 3차원 영상을 표시하는 3차원 영상 표시 장치에 관한 것이다.

본 발명은 물체를 3차원적으로 표시하여 사용자가 입체감을 가진 물체를 다양한 시각에서 볼 수 있게 함으로써 제품의 광고, 홍보, 판촉 및 전시 등에 이용할 수 있고, 3차원 게임 등에도 응용할 수 있다.

도 5를 참조하여, 종래의 오목 반사경을 이용한 3차원 영상 표시 장치를 설명하면, 도면 부호 1은 3차원적으로 표시하고자 하는 물체이고, 도면부호 2는 빔 분할기이며, 도면 부호 3을 오목 반사경이다. 도시되지 않은 조명등에 의해 물체에 입사한 빛은 빔 분할기(2)에 입사하여 일부는 통과하고, 나머지는 반사하여 오목 반사경 (3)으로 입사하게 된다. 오목 반사경(3)으로 입사한 빛은 반사되어 다시 빔 분할기(2)를 통과하게 되고 오목 반사경에 의해 결상위치에서 점선으로 표시한 실상(5)을 맺게 된다. 사용자는 결상위치에 맺혀진 실상(5)을 보게 되어 3차원적인 입체감을 그대로 가진 물체를 보게 된다.

그러나 이러한 종래의 3차원 영상 표시 장치는 오목 거울을 사용하여 물체를 결상시킴으로 인해 물체의 일그러짐 현상이 나타나게 된다. 이러한 일그러짐 현상은 도 6에서 오목 반사경(3)에 의해 실상이 맺히는 광학적 원리에 의하여 알 수 있다. 즉, 물체의 높이가 h1+h2 (h1=h2) 일 때 투영된 실상에서는 h1'≠ h2'가 되어 물체의 높이의 비가 임의로 변하여 상이 맺히게 된다.

또한, 오목 반사경에 의해 결상된 실상은 원래의 물체의 깊이도 변하여 일그러짐 현상이 나타난다. 예를 들어, 평면 상의 물체(d=0인 경우)가 오목 반사경(3)에 의해 결상될 때는 깊이(d'≠0)를 가진 상으로 일그러지기 때문에 종래의 장치로는 완전한 3차원 입체 영상을 얻을 수 없었다.

더욱이, 종래의 3차원 영상 표시 장치의 경우에는 물체가 고정되어 있기 때문에 사용자는 고정되어 있는 영상만을 볼 수 있을 뿐이었으며, 또한 물체의 일면에 대한 영상만을 볼 수 있을 뿐이어서 다양한 디스플레이 효과를 얻기도 힘들었다.

따라서, 본 발명의 목적은 물체의 일그러짐 현상이 없이 완벽한 입체감을 가지는 3차원 영상을 표시할 수 있는 3차원 영상 표시 장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 물체를 회전시키거나 이동시켜 물체의 회전, 이동 중에도 3차원적인 입체 영상을 표시하여 다양한 디스플레이 효과를 얻을 수 있는 3차원 영상 표시 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치를 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명의 광학적인 원리를 설명하기 위한 도면이고,

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치를 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치를 도시한 도면이고,

도 5는 종래 기술에 따른 3차원 영상 표시 장치를 도시한 도면이며,

도 6은 종래 기술에 따른 3차원 영상 표시 장치의 광학적인 원리를 설명하기 위한 도면이다.

전술한 본 발명의 목적을 이루기 위한 구성은 물체의 3차원적인 영상을 표시하기 위한 장치에 있어서, 물체에 연결되어, 물체를 이동시키거나 회전시키는 이동 장치과, 물체로부터 나온 빛의 일부를 투과시키며 나머지는 반사시키는 빔 분할기와, 빔 분할기로부터 반사된 빛이 입사하여 물체의 실상을 결상시키는 비구면 반사경을 포함한다.

상기 이동 장치는 물체를 상기 표시 장치의 광축 방향으로 이동시킴으로써 물체의 실상의 크기와 위치를 변화시킬 수 있으며, 물체를 회전시킴으로써 물체의 실상도 회전시킬 수 있고, 물체를 상기 표시 장치의 광축 방향과 수직한 방향으로이동시킴으로써 물체의 실상도 광축 방향과 수직한 방향으로 이동시킬 수 있다.

이하에서, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치를 도시한 도면으로서, 도시된 바와 같이 3차원 영상 표시 장치는 물체(110)로부터 나온 빛의 일부를 투과시키며 나머지는 반사시키는 빔 분할기(120)와, 빔 분할기(120)로부터 반사된 빛이 입사하여 물체의 실상(150)을 결상시키는 비구면 반사경(130)으로 이루어진다.

물체(110)는 이동장치(140)에 연결되어 있으며, 이동장치(140)는 모터(141), 회전체(142), 크랭크(143) 및 슬라이더(144)로 이루어져 있다. 따라서, 모터(141)가 구동하면, 모터(141)에 연결된 회전체(142)가 크랭크(143)를 돌리게 되고, 크랭크(143)는 슬라이더(144)를 직선 왕복 운동을 시키게 되어, 슬라이더(144)에 연결된 물체(110)도 따라서 직선 왕복 운동을 하게 된다.

또한, 물체가 자체로 발광할 수 있는 것이 아닌 경우에는 외부 조명이 필요하며, 이를 위하여 하나 또는 다수의 램프와 같은 조명장치(160)를 물체(110)의 주위에 설치할 수 있다. 조명장치(160)는 바람직하게는 3개 이상 램프로 구성하여 그림자의 발생을 차단시켜 주고 실물감을 살려주기 위하여 백색광을 균일하게 조사할 수 있게 한다.

한편, 대상 물체 이외의 것이 표시되는 것을 차단시켜 주고, 빛의 난반사 등을 막아주기 위해 물체(110)의 뒤편으로 흡광판(170)을 설치할 수 있으며, 외부광의 간섭을 막기 위하여 하우징(180)을 설치할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 동작원리를 살펴보면, 우선 물체가 발광하지 않는 물체인 경우에는 조명장치(160)에서 나온 빛이 물체(110)에 반사되어 광원으로 작용하게 되며, 물체가 발광하는 물체인 경우, 예를 들어 컴퓨터나 텔레비전 모니터에서 나오는 영상물인 경우에는 별도의 조명장치가 필요 없이 모니터에서 나온 빛이 바로 광원으로 작용하게 된다. 따라서, 물체 자체에서 발광하거나 별도의 조명장치에서 나와 물체(110)에서 반사된 빛은 빔 분할기(120)로 입사하여 이 중 일부는 투과하고 나머지는 비구면 반사경(130)쪽으로 반사하게 된다. 비구면 반사경(130)에서 반사된 빛은 다시 빔 분할기를 투과하여 결상 위치에서 물체의 실상(150)을 맺게 된다.

비구면 반사경(13)의 형상은 다음 식으로 나타내어 질 수 있다.

z = cr²/ (1 + (1-(1+k)c²r²)^1/2) + a₄r⁴+ a₆r⁶+ a₈r⁸a₁₀r¹⁰+ …

여기서 z축은 광축과 평행한 축이며, r²= x²+ y²이며, c는 비구면의 곡률, k는 코닉 상수, a₄,a₆,a₈,a₁₀…는 비구면 계수임.

특히, 본 실시예에서의 데이터를 일례로 들면, 물체로부터 비구면 반사경까지의 거리가 1547.659mm, 반사경으로부터 결상위치까지의 거리가 1967.136mm, 배율이 1.27일 때, 사용된 곡률,코닉 상수와 비구면 계수의 값은 다음과 같다.

c = -5.06×10^-4

k = -1.45

a4 = 1.178×10^-10

a6 = 2.112×10^-15

a8 = 1.079×10^-20

a10 = -1.1774×10^-26

코닉 상수, 비구면 계수, 거리 등의 광학적 변수들은 본 장치에 사용되는 물체의 크기 및 배율 등에 따라 달라질 수 있다.

물체가 비구면 반사경(130)에서 반사되어 실상이 결상되는 원리는 도 2에 도시되어 있다. 우선, 반사경의 형상을 비구면으로 함으로써, 결상된 실상의 깊이(d')가 물체의 깊이(d)와 비례하여 변하게 된다. 즉, 도시된 바와 같이 평면 상의 물체(d=0)인 경우에는 실상(d'=0) 또한 평면으로 맺히게 된다. 또한, 실상의 높이도 물체의 높이에 비례하여 변하게 되며, 물체의 높이가 h1+h2 (h1=h2) 일 때 투영된 실상에서 h1'+h2'가 되고, 높이비 또한 h1'= h2'가 되어 물체의 높이비도 동일하게 된 상이 맺히게 된다. 따라서, 비구면 반사경에 의해 물체의 형상이 일그러짐 없이 실상을 맺게 하여 완전한 3차원 입체 영상을 얻을 수 있다.

한편, 물체(110)를 이동장치(140)에 연결하여 상하로 움직이는 경우 결상된 실상(150)의 크기와 위치가 변하게 된다. 즉, 물체(110)가 빔 분할기(120)쪽(도면의 위쪽)으로 이동하면 결상된 실상(150)도 도면의 오른쪽으로 이동하면서 상의 크기는 커지게 되고, 물체(110)가 빔 분할기(120)를 멀어지면 상의 위치는 도면의 왼쪽, 즉 하우징(180)쪽으로 이동하면서 상의 크기는 작아지게 된다. 이러한 이동 동작을 빠르게 하면, 사용자는 실제와 같은 3차원 효과를 극대화하여 느낄 수 있게 된다.

다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 영상 표시를 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이 3차원 영상 표시 장치는 장치의 상부에 물체(310)를 배치하고, 장치의 하부에 물체(310)로부터 나온 빛의 일부를 투과시키며 나머지는 반사시키는 빔 분할기(320)와, 빔 분할기(320)로부터 반사된 빛이 입사하여 물체의 실상(350)을 결상시키는 비구면 반사경(330)을 배치한다.

물체(310)는 이동장치(340)에 매달려 연결되어 있으며, 이동장치는 모터(341), 원판(342), 와이어(343)로 이루어져 있다. 따라서, 모터(341)가 구동하면, 모터(341)에 연결된 원판(342)이 회전하면서 와이어(343)을 감거나 풀어주어 물체의 위치를 이동시키며 직선 왕복 운동을 시키게 된다. 본 실시예에서는 물체(310)를 와이어(343)에 연결시키기 때문에 물체의 무게가 비교적 가벼운 경우에 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 제1 실시예에서와 마찬가지로 물체가 자체로 발광할 수 있는 것이 아닌 경우에는 외부 조명이 필요하며, 이를 위하여 하나 또는 다수의 램프와 같은 조명장치(360)를 물체(310)의 주위에 설치할 수 있고, 대상 물체 이외의 것이 표시되는 것을 차단시켜 주고, 빛의 난반사 등을 막아주기 위해 물체(310)의 뒤편으로 흡광판(370)을 설치할 수 있으며, 외부광의 간섭을 막기 위하여 하우징(380)을 설치할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 동작원리도 제1 실시예와 유사하며, 물체(310)가 와이어(343)에 매달려 직선 왕복 운동을 한다는 점이 다르다.

다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 3차원 영상 표시를 설명한다. 도 4에 도시된 바와 같이 3차원 영상 표시 장치는 물체(410)로부터 나온 빛의 일부를 투과시키며 나머지는 반사시키는 빔 분할기(420)와, 빔 분할기(420)로부터 반사된 빛이 입사하여 물체의 실상(450)을 결상시키는 비구면 반사경(430)을 포함한다.

물체(410)는 이동장치(440)에 연결되어 회전 및 직선으로 이동할 수 있으며, 이동장치는 직선 운동을 위한 제1 모터(443), 피니언 기어(447), 랙기어(448)와, 이동판(444)과, 회전 운동을 위한 제2 모터(446)와, 지지대(449)를 포함한다. 따라서, 제1 모터(443)가 구동하면, 모터(443)에 연결된 피니언 기어(447)가 회전하여 랙기어(448)가 맞물려 이동판(444)을 도면의 좌우 방향으로 이동시키게 된다. 한편 회전 운동을 위한 제2 모터(446)는 이동판(444) 상에 설치되어 있어서 제2 모터의 구동시 물체를 회전시킬 수 있다.

또한, 제1 실시예에서와 마찬가지로 물체가 자체로 발광할 수 있는 것이 아닌 경우에는 외부 조명이 필요하며, 이를 위하여 하나 또는 다수의 램프와 같은 조명장치(460)를 물체(410)의 주위에 설치할 수 있으며, 조명 장치(460)의 광량을 조절하는 것이 가능하다. 이외에 대상 물체 이외의 것이 표시되는 것을 차단시켜 주고, 빛의 난반사 등을 막아주기 위해 물체(410)의 뒤편으로 흡광판(470)을 설치할수 있으며, 외부광의 간섭을 막기 위하여 하우징(480)을 설치할 수 있다.

한편, 스피커와 같은 음향 장치(490)를 하우징(480) 내에 설치하여 음향 효과를 첨부할 수도 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 동작원리도 제1 실시예와 유사하며, 특히 물체(410)는 직선 운동 뿐 아니라 회전 운동도 할 수 있어서 3차원 표시의 효과를 증대시킬 수 있다.

물체의 직선 운동 시, 제1 모터(443)를 구동시켜 이동판(444)을 도면의 좌우 방향으로 이동시키게 되면 비구면 반사경(430)에 의해 결상되는 실상(450)은 도면의 상하방향으로 이동된다. 즉, 물체(410)가 왼쪽으로 이동하면 결상된 실상(450)은 도면의 아래쪽으로 이동하게 되고, 물체(410)가 오른쪽으로 이동하면 결상된 실상(450)은 도면의 위쪽으로 이동하게 되고, 일정 거리 이상으로 이동시켜 영상을 사라지게도 할 수 있다.

또한, 제2 모터(446)를 구동시켜 물체(410)를 회전시키는 경우 실상(450)도 회전하게 되어 사용자는 물체의 모든 면을 3차원 영상으로 볼 수 있게 되고, 영상의 상하 방향 이동과 회전 이동을 결합시켜 다양한 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 이러한 영상의 상하 방향 이동과 회전 이동과 더불어, 물체가 나타날 때, 사라질 때, 또는 그 중간에 조명장치(460)의 광량을 조절하여 3차원 효과를 극대화 할 수도 있다. 또한, 장착된 음향장치(490)를 사용하여 음향 효과를 첨부하여, 물체가 나타날 때, 사라질 때, 또는 그 중간에 음향을 조절하여 효과를 배가시킬 수 있다.

또한, 제1 실시예 또는 제2 실시예의 이동 장치를 제3 실시예의 이동 장치와 결합시켜, 결상된 실상의 크기와 위치가 변하면서, 상하 이동 및 회전이 되도록 할 수 있다. 이와 더불어 도시되지는 않았지만, 도 4의 직선 이동 장치를 도면에 수직한 방향으로도 설치하여 결상된 실상이 도면에 수직한 방향으로 왕복 운동할 수 있도록 장치를 구성할 수도 있다.

이상에서 본원 발명의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다.

이와 같이 본 발명에 따른 3차원 영상 표시 장치는 물체와 동일하면서 왜곡되지 않은 3차원 입체 영상을 표시할 수 있음으로써 실제와 동일한 입체감을 가진 3차원 효과를 느낄 수 있다.

또한, 본 발명의 표시장치는 물체를 다양하게 이동시키거나 회전시킴으로써 결상된 실상도 다양하게 이동, 회전시킬 수 있을 뿐 아니라 조명 장치 및 음향 효과 등을 이용함으로써 3차원 효과를 극대화시킬 수 있다.

Claims

물체의 3차원적인 영상을 표시하기 위한 장치에 있어서,

상기 물체에 연결되어, 물체를 이동시키거나 회전시키는 이동 수단과,

상기 물체로부터 나온 빛의 일부를 투과시키며 나머지는 반사시키는 빔 분할기와,

빔 분할기로부터 반사된 빛이 입사하여 물체의 실상을 결상시키는 비구면 반사경

을 포함하는 3차원 영상 표시 장치.
제1항에 있어서,

상기 이동 수단이 물체를 상기 표시 장치의 광축 방향으로 이동시킴으로써 물체의 실상의 크기와 위치를 변화시키는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 표시 장치.
제2항에 있어서,

상기 이동 수단은 모터와, 모터와 연결되어 모터 구동 시에 회전하는 회전체와, 회전체와 연결된 크랭크와, 크랭크와 연결되어 직선 왕복 운동을 하는 슬라이더를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 표시 장치.
제2항에 있어서,

상기 이동 수단은 모터와, 모터와 연결되어 모터 구동 시에 회전하는 원판과, 원판에 연결되어 원판의 회전에 따라 그 길이가 조절되는 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 표시 장치.
제1항에 있어서,

상기 이동 수단이 물체를 상기 표시 장치의 광축 방향과 수직한 방향으로 이동시킴으로써 물체의 실상도 광축 방향과 수직한 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 표시 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 이동 수단이 물체를 회전시킴으로써 물체의 실상도 회전시키는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 표시 장치.
제1항에 있어서,

상기 물체 주위에 배치되는 조명 장치와,

상기 물체의 뒤쪽에 배치되어 외부광을 차단하며 난반사를 방지하는 흡광판

을 더 포함하는 3차원 영상 표시 장치.
제7항에 있어서,

상기 이동 수단의 동작과 연결되어 상기 조명 장치의 광량을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 표시 장치.
제1항에 있어서,

상기 이동 수단의 동작과 연결되어 음향 효과를 발생시킬 수 있는 음향 장치를 더 포함하는 3차원 영상 표시 장치.