KR20110118156A - 입체 3ｄ 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20110118156A
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바딤 엔 사바티브
윌리엄 제이 브라이언
앤서니 제이 피에카르칙
스콧 이 브리검
캐시 엘 하겐
마틴 비 울크
크레이그 알 샤르트
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

3D 입체 관찰은 빠른 스위칭 속도의 LCD 패널, 동적 백라이트 및 저가 안경의 사용에 의해 가능해진다. 시스템은 각각의 채널을 색에 의해 분리하기 위해 파장 선택 안경 및 LED 백라이트를 구비한 LCD 패널을 사용한다. 이 시스템은 LCD 패널 상의 교번하는 좌측 및 우측 이미지 프레임에 기초한다. 좌측 및 우측 프레임은 순차적으로 동기화되는 2개의 약간 상이한 적색-녹색-청색 광원에 의해 조명된다. 광원은 상이한 스펙트럼 조성의 광을 방출하도록 설계된다. 관찰자는 좌측 렌즈 또는 필터가 데이터의 좌측 채널에 사용되는 광의 스펙트럼만을 통과시키고 우측 렌즈 또는 필터가 데이터의 우측 채널에 사용되는 광의 스펙트럼만을 통과시키는 안경을 착용한다.

Description

입체 3Ｄ 디스플레이 장치{STEREOSCOPIC 3D DISPLAY DEVICE}
때때로 3D 또는 3D-비전(vision)으로 불리는 입체 시각(stereovision)을 위해 다수의 기술이 개발되었다. 이들 기술은 2가지 큰 부류, 즉 안경 기반 및 비-안경 기반으로 분류될 수 있다. 비-안경 기반 기술의 이점은 관찰자가 안경을 착용할 필요가 없다는 것이다. 불리한 점은 흔히 머리 움직임의 범위인 "스위트 스폿"(sweet spot)이 약 +/- 5도로 제한된다는 것이다. 모션 비디오(motion video)를 시청하기 위해 안경을 사용하는 것은 두 이미지를 스크린 상에 동시에 또는 순차적으로 투사하는 것에 주로 의존한다.
다음의 것은 더 널리 사용되는 안경 시스템 중의 일부이다. 유럽 시장에서는 셔터 글라스 시스템(shutter glass system), 예를 들어 엑스팬드(Xpand) 브랜드가 널리 보인다. 우측 및 좌측 이미지가 스크린 상에 시간 순차적으로 투사된다. 안경 상의 액정 디스플레이(LCD) 셔터가 투사된 이미지에 동기화되어, 관찰자의 우안이 "우측" 이미지만을 보고 좌안이 "좌측" 이미지만을 보는 것을 보장한다. 편광 안경은 우측 및 좌측 안경에 대한 반대 "방향성"(handedness)의 리얼 D 원형 편광 안경을 포함한다. 이러한 시스템은 아이맥스(IMAX)에 의해 가장 두드러지게 판촉되고, 디즈니(Disney), 드림웍스(DreamWorks) 및 다른 스튜디오에 의해 지원된다. 지오월 컨소시엄(GeoWall Consortium)은 선형 편광 시스템을 사용한다. 컬러 필터 안경은 하기의 것, 즉 적색/시안색 애너글리프(red/cyan anaglyph); 및 돌비 3D(컬러 휠 및 다중 대역통과 필터)를 포함한다.
3D 입체 뷰잉 시스템(viewing system)은 LCD 패널, LCD 패널에 광을 제공하기 위한 백라이트, 및 백라이트와 콘텐츠(content)의 좌측 및 우측 프레임을 동기화시키기 위한 컨트롤러를 포함한다. 백라이트는 발광 다이오드(LED) A, B 및 C를 포함하는 제1 삼원색 세트(trichromatic primary set), 및 LED D, E 및 F를 포함하는 제2 삼원색 세트를 포함하며, 여기서 각각의 LED는 가시광선 스펙트럼의 주로 중첩되지 않는 범위의 광을 방출한다. 이 시스템은 관찰자에 의해 착용되는 안경을 사용한다. 안경은 제1 삼원색 세트의 스펙트럼을 필터링하기 위한 제1 렌즈 및 제2 삼원색 세트의 스펙트럼을 필터링하기 위한 제2 렌즈를 구비한다. 따라서, 관찰자의 좌안 및 우안은 콘텐츠의 교번하는 좌측 및 우측 프레임을 제공받아, 3D 관찰 경험(viewing experience)을 제공한다.
본 발명은 첨부 도면과 관련한 본 발명의 다양한 실시 형태에 대한 이하의 상세한 설명에서 더 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
<도 1>
도 1은 실시예 I에 대한 3D 시스템의 다이어그램.
<도 2>
도 2는 실시예 I에 대한 2가지의 컬러 필터의 디자인을 도시한 다이어그램.
<도 3>
도 3은 실시예 II에 대한 LED의 스펙트럼의 다이어그램.
<도 4a 및 도 4b>
도 4a 및 도 4b는 실시예 II에 대한 투과율 및 투과된 스펙트럼의 다이어그램.
<도 5>
도 5는 실시예 II에 대한 중공 에지 발광형 LCD 백라이트 내에 배치된 LED 광원의 다이어그램.
3D 디스플레이 분야에서, 진정한 입체 이미지 및 비디오 콘텐츠를 표준 LCD 패널 상에 나타낼 필요가 존재한다. 본 발명은 3D 관찰을 가능하게 하기 위해 빠른 스위칭 속도의 LCD 패널, 동적 백라이트, 및 저가 안경의 사용을 수반한다. 특히, 이 시스템은 각각의 채널을 색에 의해 분리하기 위해 파장 선택 안경 및 LED 백라이트를 구비한 LCD 패널을 사용한다. 이 시스템은 랩톱 PC, 모니터 및 TV를 대상으로 하지만, 이는 더 작은 또는 다른 디스플레이에도 사용될 수 있다.
이 시스템은 LCD 패널 상의 교번하는 좌측 및 우측 이미지 프레임에 기초한다. 좌측 및 우측 프레임은 순차적으로 동기화되는 2개의 약간 상이한 광원에 의해 조명된다. 광원은 상이한 스펙트럼 조성의 광(전형적으로 백색)을 방출하도록 제작된다. 특히, 광원은 LED A, B 및 C를 포함하는 제1 삼원색 세트 및 LED D, E 및 F를 포함하는 제2 삼원색 세트를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 LED는 가시광선 스펙트럼의 주로 중첩되지 않는 범위의 광을 방출한다. LED의 세트는 예를 들어 상이한 적색-녹색-청색(RGB) LED를 포함할 수 있다. LED의 대안으로서, 레이저 또는 레이저 다이오드와 같은 다른 광원이 사용될 수 있다. 또한, LED 또는 다른 광원은 선택적으로 스펙트럼 방출 대역을 좁히기 위해 스펙트럼 필터(spectral filter)를 포함할 수 있다.
관찰자는 좌측 렌즈 또는 필터가 데이터의 좌측 채널에 사용되는 광의 스펙트럼만을 통과시키고 우측 렌즈 또는 필터가 데이터의 우측 채널에 사용되는 광의 스펙트럼만을 통과시키는 안경을 착용한다. 따라서, 관찰자의 좌안 및 우안은 콘텐츠의 교번하는 좌측 및 우측 프레임을 제공받아, 3D 관찰 경험을 제공한다.
본 발명은 셔터-글라스 및 컬러-필터 기반 시스템의 몇몇 특징을 조합한다. 우측 및 좌측 이미지는 LCD 또는 다른 디스플레이(예를 들어, 4-6 주 유기 발광 다이오드 또는 4-6 주 플라즈마 디스플레이 패널) 상에 시간 순차적으로 디스플레이된다. 이러한 특징은 셔터 글라스 시스템과 약간의 공통성을 갖는다. 좌측 및 우측 프레임은 바람직하게는 최소한의 스펙트럼 중첩을 갖는 상이한 스펙트럼을 갖도록 설계되는 두 세트의 LED를 사용하는 직시형(direct-view) LCD 백라이트 시스템으로 조명된다. 좌측 및 우측 이미지는 대역통과-차분(bandpass-differential) 안경을 사용하여 디코딩되는데, 이는 다중-대역통과 필터가 사용될 때 색 및 깊이 정보의 개선을 가능하게 한다. 이러한 특징은 애너글리프 및 돌비 입체 시각 시스템과 약간의 공통성을 갖는다.
실시예
다음의 실시예는 하나의 기본 원리를 갖고, 특히 고속 LCD 패널은 인간의 입체 이미지를 모사하기 위해 약간 상이한 각도 하에 좌측 및 우측에 위치된 2개의 카메라로부터 촬영되는 일련의 이미지를 공급받는다. 대안적으로, 이러한 배열을 모사하는 이미지 세트가 컴퓨터 애니메이션 또는 유사한 기법을 사용하여 합성될 수 있다. 우안 및 좌안 이미지는 순차적으로 디스플레이되며, 이는 이들 이미지가 모든 우측-카메라(또는 우안) 프레임이 선행되고 좌측-카메라 프레임이 이어지는 일련의 프레임으로서 기록되는 것을 의미한다. 모든 좌안 이미지가 또한 선행되고 우안 프레임이 이어진다. 상이한 스펙트럼 조성의 두 광원 - 제1 광원은 우안 이미지만을 조명하고 제2 광원은 좌안 이미지만을 조명함 - 은 이미지와 동기화되어 켜지도록 시기 조절된다.
관찰자는 각각의 눈에 대해 상이한 색 필터를 구비한 안경을 착용한다. 좌안 컬러 필터는 인간의 좌안 내로 투과시키도록 설계된다. 좌안 컬러 필터는 또한 우안 이미지 프레임에 시기 조절된 광원에 의한 방출을 차단한다. 우안 컬러 필터는 유사하게는 인간의 우안 내로 투과시키도록 설계된다. 우안 컬러 필터는 또한 좌안 이미지 프레임에 시기 조절된 광원에 의한 방출을 차단한다. 따라서, 관찰자는 우측 카메라에 의해 촬영된 이미지만을 우안 내에 그리고 좌측 카메라로 촬영된 이미지만을 좌안 내에 수용하여 관찰자의 뇌가 입체 이미지 지각을 합성할 수 있게 한다.
실시예 I에 도시된 배열이 완전히 조립되었고 시험되었으며 기능적으로 입체인 이미지를 생성하는 것으로 확인되었다.
실시예 II의 배열은 관찰자 안경에 대한 한 쌍의 다층 광학 필름(MOF) 필터의 설계와 우안 및 좌안 채널에 대한 LED 광 엔진의 정합 설계를 관련시키는 원리를 도시한다.
실시예 III은 아마도 MOF로 제조된, 단일-노치 필터를 포함하는 컬러 필터 및 광 엔진 눈 쌍의 간략화된 설계를 설명한다.
실시예 I
고 휘도 LED의 2개의 광원이 구동 전자 장치에 개별적으로 연결된다. 사용된 LCD 패널은 교번하는 우안 및 좌안 프레임을 연속적으로 디스플레이하기 위해 120 Hz의 높은 리프레시 속도(refresh rate)를 가졌다. 1과 2로 표기된 백색 LED의 2개의 광원이 LCD 패널 상에 디스플레이되는 우안 및 좌안 프레임과 동기화되어 순차적으로 켜진다. 따라서, 좌안 프레임이 LCD 패널 상에 기록될 때, LED 광원(1)이 켜지며; 홀수(ODD) 프레임이 삭제되기 직전에 광원(1)이 꺼지고, 우안 프레임이 LCD 픽셀의 어레이 상에 기록된다. 우안 프레임이 LCD 패널 상에 기록된 후, LED 광원(2)이 켜지고; 광원(2)은 우안 프레임이 삭제되기 직전에 꺼진다.
사용된 광원은 시티즌 일렉트로닉스 컴퍼니, 리미티드(Citizen Electronics Co., Ltd.)에 의해 제작된 CL-L102-C3N LED였다. 각각의 광원은 직렬 연결된 3개의 LED를 포함하였다. 백색 LED의 각각의 광원은 컬러 필터를 통해 방출되었다. 도 1에 CF 1 및 CF 2로 표기된 2개의 컬러 필터(CF)는 중첩되지 않는 스펙트럼 대역을 투과시키도록 설계된다.
실험에서, 컬러 필터는 광의 2개의 대역을 투과시키거나, 반사시키거나 또는 흡수하도록 설계하였다. CF 1은 짙은 청색, 에메랄드 그린(emerald green), 및 황색-주황색 스펙트럼 대역을 투과시킨다. CF 2는 도 2에 도시된 바와 같이 시안색, 황록색 및 짙은 적색을 투과시킨다.
2개의 빔을 LCD 패널 후방에 배치된 확산 플레이트 상에 투사시키도록 광학 소자가 사용된다. 이 특정 광학 배열이 예시된 원리에 필수적인 것은 아니다. 이 실험에서, 25 센티미터(㎝) 길이의 구멍(aperture)은 빔을 시준하기 위해 사용하였고, 빔을 확산기 상으로 편향 및 지향시키기 위해 5 ㎝ × 7.5 ㎝의 평평한 거울을 사용하였다. 관찰자는 안경을 통해 이미지를 관찰한다. CF 1 및 CF 2와 동일한 컬러 필터는 그 우측 및 좌측 "렌즈"로서 사용한다. 따라서, LCD 패널 상에 디스플레이되는 홀수 및 짝수(EVEN) 프레임은 중첩되지 않는 스펙트럼 조성의 광 플래시에 의한 백라이팅에 그 시기가 맞춰진다. 이어서, 홀수 및 짝수 프레임의 이미지가 안경에 의해 필터링되고 우안 및 좌안 내로 향한다. 우측 카메라에 의해 촬영된 정보만이 관찰자의 우안 내로 투사되고, 좌측-카메라 이미지만이 관찰자의 좌안 내로 투사된다. 이러한 실험에서, 다수의 관찰자가 확실한 3D 이미지를 관찰하였다.
실시예 II
이 실시예에서는 2가지 상이한 유형의 LED 광원이 사용된다. 관찰자는 2개의 상이한 컬러 필터, 즉 CF1 및 CF2를 구비한 안경을 사용한다.
도 3은 실시예 II를 설계하는 데 사용되는 룩세온 레벨(Luxeon Rebel) LED의 스펙트럼을 도시한다. 도 3의 다이어그램은 모델링을 위해 사용되는 룩세온 레벨 LED의 실제 컬러 빈(color bin)을 나타낸다 (빈 정의에 대한 필립스 루미레즈 라이팅 컴퍼니(Philips Lumileds Lighting Co.)로부터의 간행물 DS56 참조): 감청색(rBlue) (빈 3); 청색 (빈 5); 시안색 (빈 6); 녹색 (빈 6); 호박색 (빈 7) 및 적색 (빈 5). 더 넓은 트레이스(trace)는 명소 시감도 곡선(photopic visibility curve)(V-플롯)을 나타낸다.
각각의 광원은 3가지 상이한 색의 LED로 구성된다. 이 실시예에서, 광원(S1)은 청색, 녹색 및 적색 LED로 구성되고, 광원(S2)은 감청색, 시안색 및 황색 LED로 구성되는 것으로 가정된다 (도 3 참조). 사용되는 색 이름 및 스펙트럼은 이 실시예에서 예시를 위해 룩세온 레벨 데이터 시트로부터의 것이었다. 상이한 제조업자 및 색 명명법으로부터의 일부의 혼합을 비롯하여 상이한 공급업자로부터의 상이한 색 세트 및 LED가 사용될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 하나의 색 필터(CF 1)는 제1 광원(S1) 내의 모든 LED로부터의 광을 투과시키고 제2 광원(S2) 내의 모든 LED로부터의 광 대역을 투과시키지 않도록 설계된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 다른 컬러 필터(CF 2)는 제2 뱅크(bank; S2) 내의 모든 LED로부터의 광을 투과시키고 LED의 제1 광원(S1) 내의 모든 LED로부터의 광 대역을 투과시키지 않도록 설계된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 시스템 전자 장치는 일련의 인터레이싱된(interlaced) 이미지를 LCD 패널로 투과시키며, 여기서 좌측 카메라에 의해 촬영된 각각의 프레임이 선행되고 우측 카메라에 의해 촬영된 이미지가 이어지며, 그 역도 또한 가능하다.
좌측 카메라로 촬영된 이미지가 LCD 패널 상에 디스플레이될 때, LED의 제1 광원이 켜지고, 안경 내의 좌측 글라스(CF1)가 제1 광원(S1)으로부터의 광을 투과시키기 때문에 제2 광원이 꺼진다. 좌측 이미지가 관찰자의 좌안 내로 투과된다. 안경 내의 우측 글라스(CF2)가 제1 광원(S1)으로부터의 광을 투과시키지 않기 때문에, 좌측 이미지는 관찰자의 우안 내로 투과되지 않는다. 따라서, 좌측 카메라에 의해 촬영된 이미지는 관찰자의 우안 내로는 투사되지 않고 관찰자의 좌안 내로 투사된다.
우측 카메라로 촬영된 이미지가 LCD 패널 상에 디스플레이될 때, LED의 제2 광원(S2)이 켜지고, 안경 내의 우측 글라스(CF2)가 제2 광원(S2)으로부터의 광을 투과시키기 때문에 제1 광원이 꺼진다. 우측 이미지가 관찰자의 우안 내로 투과된다. 안경 내의 좌측 글라스(CF1)가 제2 광원(S2)으로부터의 광을 투과시키지 않기 때문에, 우측 이미지는 관찰자의 좌안 내로 투과되지 않는다. 따라서, 우측 카메라에 의해 촬영된 이미지는 관찰자의 좌안 내로는 투사되지 않고 관찰자의 우안 내로 투사된다.
실시예 II에 대한 시스템 설계 공간은 하기의 것을 포함하지만 그로 제한되지 않는 몇 가지 변형예를 포함한다. 컬러 필터(CF1, CF2)는 광을 필터링하거나, 이를 후방으로 반사시키거나, 효과적인 시야를 위해 축으로부터 관찰자의 눈 내로 편향시키거나, 광을 흡수하거나, 이들의 조합을 위해 다양한 기본 광학 원리를 사용할 수 있다. 특히, CF1 및 CF2는 특정 투과 파라미터를 갖는 다층 광학 필름으로서 설계될 수 있다. LED 및 컬러 필터의 세트는 각각의 채널과 컬러 필터 내의 각각의 투과 대역 수에 대해 더 많은 방출 대역을 포함하도록 설계될 수 있다. 중실형 또는 중공형, 에지형, 직하형(direct-lit)의 LCD 백라이트가 사용될 수 있다. 시스템은 규소 상 액정(liquid crystal on silicon) 또는 다른 마이크로-어레이로서 이미지 형성 소자를 구비한, 전방 프로젝션 또는 후방 프로젝션의 프로젝션 시스템으로서 설계될 수 있다. 우측 및 좌측 이미지와 관련된 컬러 필터 및 LED 광원 쌍의 색 및 조성은 치환가능하다.
실시예 III
백색점(white point)에서 평형된 LED의 RGB 또는 rBCyY 군으로부터의 대부분의 시각적으로 인지가능한 광은 LED 광원의 "중간" 부재, 즉 명소 곡선의 중간 부분에 집중된 방출 스펙트럼을 갖는 녹색 또는 시안색 LED에 의해 전달된다 (도 3의 더 넓은 트레이스 참조). 따라서, 실시예 II에서와 같은 모든 3색 성분의 완전한 분리에 의해서가 아니라 단지 우측 및 좌측 이미지에 대해 루멘-지배적(lumen-dominant) 성분을 분리시킴으로써 3D 효과가 달성될 수 있다.
그러한 시스템은 하기의 LED의 2개의 광원: 적색, 녹색 1 및 청색 LED로 구성되는 제1 광원; 및 적색, 녹색 2 및 청색 LED로 구성되는 제2 광원을 구비할 것이다.
관찰자는 상이한 컬러 필터를 구비한 안경을 우안 및 좌안 상에 사용할 것이다 (치환가능함). 하나의 컬러 필터는 녹색 2 LED가 방출하는 스펙트럼 부분은 투과시키지 않고 청색, 적색 및 녹색 1 LED에 의해 방출되는 광을 투과시키도록 설계될 것이다. 제2 컬러 필터는 녹색 3 LED가 방출하는 스펙트럼 부분은 투과시키지 않고 청색, 적색 및 녹색 2 LED에 의해 방출되는 광을 투과시키도록 설계될 것이다. 그러한 컬러 필터는 예를 들어 단일 노치 대역을 갖는 다층 노치 필터 광학 스택으로서 생성될 수 있다.

Claims (3)

  1. LCD 패널;
    LED A, B 및 C를 포함하는 제1 삼원색 세트, 및
    LED D, E 및 F를 포함하는 제2 삼원색 세트 - 여기서, 각각의 LED는 가시광선 스펙트럼의 주로 중첩되지 않는 범위의 광을 방출함 - 를 포함하는, LCD 패널에 광을 제공하는 백라이트;
    LCD 패널로 투과된 콘텐츠의 좌측 및 우측 프레임과 백라이트를 동기화시키는 컨트롤러; 및
    3D 관찰 경험을 위해 관찰자의 좌안 및 우안이 콘텐츠의 교번하는 좌측 및 우측 프레임을 제공받도록 제1 삼원색 세트의 스펙트럼을 필터링하는 제1 렌즈와 제2 삼원색 세트의 스펙트럼을 필터링하는 제2 렌즈를 갖는, 관찰자에 의해 착용되는 안경을 포함하는 3D 입체 뷰잉 시스템(viewing system).
  2. 제1항에 있어서, LED 각각의 스펙트럼 방출 대역을 좁히기 위해 스펙트럼 필터를 추가로 포함하는 3D 입체 뷰잉 시스템.
  3. LCD 패널;
    각각 적색, 녹색 및 청색 스펙트럼의 제1 범위를 갖는 적색, 녹색 및 청색 LED의 제1 세트, 및 각각 적색, 녹색 및 청색 스펙트럼의 제2 범위를 갖는 적색, 녹색 및 청색 LED의 제2 세트 - 여기서, 제1 범위는 제2 범위와 상이함 - 를 포함하는, LCD 패널에 광을 제공하는 백라이트;
    LCD 패널로 투과된 콘텐츠의 좌측 및 우측 프레임과 백라이트를 동기화시키는 컨트롤러; 및
    3D 관찰 경험을 위해 관찰자의 좌안 및 우안이 콘텐츠의 교번하는 좌측 및 우측 프레임을 제공받도록 적색, 녹색 및 청색 스펙트럼의 제1 범위를 필터링하는 제1 렌즈와 적색, 녹색 및 청색 스펙트럼의 제2 범위를 필터링하는 제2 렌즈를 갖는, 관찰자에 의해 착용되는 안경을 포함하는 3D 입체 뷰잉 시스템.
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