KR100420924B1

KR100420924B1 - 3차원 입체영상표시장치

Info

Publication number: KR100420924B1
Application number: KR10-2001-0085832A
Authority: KR
Inventors: 신상훈
Original assignee: 유니보스아이젠텍 주식회사
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2004-03-02
Also published as: KR20030055756A

Abstract

상기와 같이 본 발명은 두 개의 프레넬 렌즈와 반사경, 그리고 영상원을 사용하여, 제1 프레넬 렌즈와 반사경 사이의 거리와 반사경과 제2 프레넬 렌즈사이의 거리의 합을 두 개의 프레넬 렌즈의 초점거리와의 관계를 통해서 한정함으로써 영상의 왜곡을 피할 수 있으며, 또한 저가의 프레넬 렌즈를 사용함으로써 낮은 비용으로 대량생산할 수 있는 3차원 입체영상표시장치를 제공한다. 또한 본 발명은 상기 반사경으로 반투명 거울을 사용하고, 제2 프레넬 렌즈와 반사경 사이의 거리를 조절하여 원근감을 가지는 영상을 제공할 수 있다.

Description

3차원 입체영상표시장치{3-Dimensional Display System}

본 발명은 공간에 입체상이 떠있는 상태로 존재하는 것과 같은 효과를 주어 입체적인 광고효과를 줄 수 있는 입체영상표시장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 실물이나 일반적인 디스플레이장치의 영상을 프레넬 렌즈 및 반사경을 사용하여 영상을 공간상에 떠 있는 대화면으로 만들어낼 수 있는 입체영상표시장치에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 입체영상표시장치는 편광 방식 또는 렌티큘라 방식으로서, 양안이 방향각에 따른 두 영상을 각각 좌안과 우안에 보내어 각 안구에 맺히는 영상의 시차로 인하여 입체감을 얻는 방식을 사용하였다. 이러한 방식의 입체 영상표시장치를 사용하기 위해서는 각 안구에 서로 다른 두 영상을 각각 보게 해주는 안경을 착용해야 하는 불편함이 있었다.

위의 문제점을 해결한 것이 도 4와 같이 오목거울을 이용하는 것으로, 오목거울에 의해 반사된 영상이 오목거울의 전방 허공에 입체적으로 나타나도록 하였다. 도 5에서 나타낸 바와 같이 오목거울에 의한 결상은 광학적으로 다음의 원리에 따른다.

물체의 S1과 V를 광축이라 할 때 물체의 S2를 지나 광축과 평행한 광선(2)은 반드시 초점(F)를 지난다. 또한 물체의 S2를 지나 초점(F)을 지난 광선(3)은 반사되어 광축과 평행하게 진행한다. 그리고 물체의 S2를 지나 오목거울 구의 중심(C)을 지나는 광선(1)은 거울에서 반사되어 다시 원래 진행방향으로 되돌아간다. 이들 광선(1,2,3)은 결국 한점(P2)에서 만나게 되며 여기서 실상이 결상하게 된다. 이러한 원리를 이용한 종래장치는 도 4와 같이 영상모니터(4), 오목거울(5) 및 실상투영구(6)로 구성되어 있으며, 영상모니터의 영상이 오목거울을 통해서 반사되어 실상투영구에 결상되면 공간상에 떠 있는 영상을 만들어 낼 수 있다.

하지만, 오목거울을 이용하는 경우에는 오목거울의 곡면 형태로 인하여 근본적으로 영상 왜곡이 발생하며, 영상을 대화면으로 크게 확대하는 효과를 낼 수 있도록 할 경우에는 대형의 오목거울을 사용하기 때문에 제작비용이 높아지는 단점이 있다.

또한, 일반적으로 렌즈나 반사거울 1개만을 사용하여 상을 표시하는 경우에는 렌즈나 반사거울의 고유의 형상에 의해 굴절되거나 반사되는 상에 왜곡이 발생하게된다. 이를 방지하기 위해서 적어도 두 개 이상의 렌즈를 사용하여 상의 왜곡을 조절할 수 있다는 것은 이미 알려진 사실이며, 특히 미국 특허 제706650호(1902.8.12 공고)를 참조하면 두 개의 렌즈가 광학적으로 대칭적인(symmetrical) 형태를 가지고 있으면 코마(coma), 디스토션(distortion), 레이터럴 컬러(lateral color)가 극소화되는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 두 개의 프레넬 렌즈와 반사거울, 그리고 영상원을 구비하고, 두 개의 프레넬 렌즈를 통과하는 광의 직선 거리를 두 개의 프레넬 렌즈의 초점거리와의 관계를 통해서 한정함으로써 영상의 왜곡을 피할 수 있으며, 또한 저가의 프레넬 렌즈를 사용함으로써 낮은 비용으로 대량생산이 가능한 영상표시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 두 개의 프레넬 렌즈의 초점거리를 각각 다르게 조절함으로써, 투영되는 영상이 원영상에 비해서 확대될 수 있도록 하는 영상표시장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 영상원이 실물인 경우에도 투영될 수 있는 영상표시장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 반사경으로 반투명 거울을 사용하며 반투명거울 후면에 배경화면을 설치하고, 제2 프레넬 렌즈와 반사경사이의 거리를 조절하여 영상이 배경화면에 대해서 원근감을 가지도록 하는 영상표시장치를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따르는 제1 실시예를 나타내는 구성도이며;

도 2는 본 발명에 따르는 제1 실시예의 작용을 나타내며;

도 3은 본 발명에 따르는 제2 실시예의 구성 및 작용을 나타내며;

도 4는 종래기술에 대한 구성도이며; 그리고

도 5는 오목거울의 반사원리를 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 영상원 11 : 제1 프레넬 렌즈

12 : 제2 프레넬 렌즈 13 : 반사경

13' : 반투명거울 14 : 배경화면

15 : 조명장치

d : 제1 프레넬 렌즈와 반사경 사이의 거리

d' : 반사경과 제2 프레넬 렌즈 사이의 거리

f, f' : 제1 및 제2 프레넬 렌즈의 초점거리

상기 목적을 이루기 위해서, 본 발명은 영상원의 상부에 설치되는 초점거리가 f인 제1 프레넬 렌즈, 상기 제1 프레넬 렌즈의 상부에 설치되어 상기 제1 프레넬 렌즈를 통과한 영상을 반사시키는 반사경, 그리고 상기 반사경의 측면에 설치되어 상기 반사경에 의해 반사된 영상을 굴절시켜 확대하는 초첨거리가 f'인 제2 프레넬 렌즈를 포함하며, 제1 프레넬 렌즈와 반사경 사이의 거리(d)와 반사경과 제2 프레넬 렌즈사이의 거리(d')의 합이 f+0.5f'≤d+d'≤f+f'의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 영상표시장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 제2 프레넬 렌즈의 초점거리(f')와 제1 프레넬 렌즈의 초점거리(f)가 f' = Cf (여기서, C는 1보다 큰 실계수)의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 영상표시장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 영상원 실물인 것을 특징으로 하는 영상표시장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 반사경으로 반투명거울을 사용하며 반투명거울의 후면에 배경화면을 설치하고, 상기 제2 프레넬 렌즈와 반투명거울 사이의 거리(d')와 제2 프레넬 렌즈의 초점거리(f')사이에 d'<f'의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 영상표시장치를 제공한다.

이하, 상기의 구성에 대해서 첨부한 도면을 참고로 하여 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따르는 제1 실시예에 대한 구성도를 나타낸다. 본 발명의 제1 실시예에 따르는 영상표시장치는 2개의 프레넬 렌즈와 반사경으로 구성하였다. 도 1에 나타낸 것과 같이 영상원(10)이 몸체(20)의 내부 하부에 위치하고 있다. 몸체(20)는 내부면을 검게 하여 빛이 반사되는 것을 방지하도록 하였다. 영상원은 일반적으로 CRT, LCD 모니터 등 다양한 디스플레이 장치를 사용할 수 있으며, 또한 입체형상을 가진 물체를 그대로 사용하는 것도 가능하다. 입체형상의 실물을 사용하는 경우에는 몸체(20)의 하부에 조명장치(미도시)를 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 렌즈는 평볼록렌즈를 굴절에 필요한 부분을 남겨두고 불필요한 부분을 제거하여 렌즈의 부피 및 무게를 줄이면서 굴절의 효과는 평 볼록렌즈와 동일하게 하여 화면을 확대해주는 프레넬 렌즈로 주로 등대의 반사경이나 TV 또는 OHP에 사용되는 렌즈를 사용하고 있다.

영상원(10)의 상부에는 제1 프레넬 렌즈(11)를 위치시켜 영상원(10)으로부터의 영상을 굴절시키는 작용을 한다. 제1 프레넬 렌즈(11)의 상부에 직선적으로 거리(d)만큼 떨어진 위치에 반사경(13)을 설치하여 굴절된 영상을 입사각과 동일한 각도로 반사시켜 제2 프레넬 렌즈(12)로 입사되도록 한다. 제2 프레넬 렌즈(12)는반사경(13)의 측면에 설치되며, 반사경(13)에 의해 반사되어 제2 프레넬 렌즈(12)로 입사된 영상은 제2 프레넬 렌즈(12)에 의해 굴절되어 출구에서 영상이 맺히도록 한다. 이때, 반사경(13)과 제2 프레넬 렌즈(12)와는 직선적으로 거리(d')만큼 떨어져 위치되도록 한다.

상기와 같이, 제1 및 제2 프레넬 렌즈(11, 12)는 광학적으로 대칭적인 형태로 구성되어 있으므로 디스토션이 극히 작아져 배럴(barrel)이나 핀쿠션(pincushion) 형태의 상이 아니라 원래 모양의 평면상을 얻을 수 있다. 또한 레이터럴 컬러가 극소화되므로 색수차가 거의 없어 원하는 컬러 화상을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르는 제1 실시예에서 발명자는 상기 제1 프레넬 렌즈(11)와 반사경(13)까지의 직선거리(d)와 반사경(13)과 제2 프레넬 렌즈(12) 사이의 직선거리(d')는 다음과 같은 식으로 표현되는 관계를 가질 때 원영상을 왜곡이 없는 상태로 표시할 수 있다는 것을 알았다.

(식1) f+0.5f'≤d+d'≤f+f'

여기서, f는 제1 프레넬 렌즈의 초점거리, f'는 제2 프레넬 렌즈의 초점거리이다.

도 2는 d+d'=f+f'인 경우에 대해서 즉, d=f 및 d'=f'인 경우에 대해서 본 발명의 제1 실시예의 작용을 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 영상원(10)에 나타낸 영상(o)(양방향 화살표)의 양측에서 나온 광선(L1, L2)가 제1 프레넬 렌즈(11)를 통과하게 된다. 통과된 광선(L1, L2)은 제1 프레넬 렌즈(11)에 의해서 굴절되어 반사경(13)에 각각 α 및 β의 입사각을 가지고 입사하게 된다. 입사된 광선은 반사경(13)에 의해 입사된 각도와 동일한 각도 α' 및 β'의 반사각을 가지고 반사되게 된다. 여기서, 각각의 입사각과 반사각은 반사경의 종류에 따라 달라질 수 있으나, 본 실시예에서는 동일한 것으로 하였다. 반사된 광선(L'1, L'2)은 다시 제2 프레넬 렌즈(12)를 통과하면서 굴절하게되고, 따라서 o'와 같은 영상을 출구의 공간상에 떠 있는 상태로 표시할 수 있도록 한다.

본 실시예에서는 제2 프레넬 렌즈(12)의 초점거리(f')는 제1 프레넬 렌즈(11)의 초점거리(f)와 다른 초점거리를 가질 수 있으며, 다음의 식과 같이 제1 프레넬 렌즈의 초점거리의 배수가 될 수 있도록 구성하여 영상을 대화면으로 확대시킬 수 있다.

(식2) f' = Cf

여기서, C는 1보다 큰 실계수이다.

따라서, 출구에서 나타나는 영상은 원영상보다 가로 방향 및 세로 방향으로 C배 만큼 확대되어 나타나고 결과적으로 전체 화면은 원영상보다 C²으로 확대될 수 있어 대화면으로 나타내는 것이 가능하다.

도 3은 본 발명에 따르는 제2 실시예에 따르는 구성을 나타낸다. 제1 실시예의 구성과 비교하면 반사경(13)의 구성 및 반사경(13)과 제2 프레넬 렌즈(12) 사이의 거리(d')에서 차이가 있다.

제2 실시예에서는 반사경(13) 대신에 반투명거울(13')을 사용하며, 반투명거울(13')의 뒷면에는 배경화면(14)이 되는 영상이 제공될 수 있도록 한다. 배경화면(14)의 뒤로 조명장치(15)가 설치되며, 배경화면(14)을 제공하는 영상은 정지 영상 또는 동영상일 수 있다. 반투명거울(13')의 투과율은 20%에서 50%사이이며, 반사율은 80%에서 50%사이인 것이 바람직하다. 배경화면(14)은 반투명거울(13')에 의해 투과되어 출구부를 통해서 보여지게 되며, 이와 동시에 하부면에 위치한 영상원(10)을 통한 영상(o')이 도 2에서 나타낸 원리에 의해서 출구에 표시되게 된다. 따라서, 출구에서 바라볼 때 배경화면(14)은 멀리 보이게 되고 영상원(10)으로부터의 영상(o')은 가깝게 보여서 원근의 대비가 나타나게 된다. 따라서, 배경화면(14)과 영상원의 영상이 원근감있게 나타나 보다 입체적으로 표시할 수 있도록 할 수 있다.

상기와 같이 배경화면과 영상원으로부터의 영상이 원근감을 가지도록 하여 보다 입체적인 영상을 얻기 위해 실험한 결과 발명자는 반투명거울과 제2 프레넬 렌즈(12)사이의 거리(d')가 제2 프레넬 렌즈(12)의 초점거리(f')와 다음과 같은 관계에 있어야 한다는 것을 알았다.

(식3) d'<f'

즉, 배경화면(14)은 제2 프레넬 렌즈(12)의 초점거리보다 가깝게 위치하고 있으므로 허상으로 도 3의 제2 프레넬 렌즈(12)의 좌측에 나타나게 되며, 영상원으로부터의 영상(o')은 제2 프레넬 렌즈(12)의 우측에 위치하게 되어 출구에서 바라볼 때 배경화면은 허상으로 멀리 보이게 되며 영상은 실상으로 가깝게 보이게 되어 양자가 원근감을 가지고 나타나게 된다.

상기와 같이 본 발명은 두 개의 프레넬 렌즈와 반사경, 그리고 영상원을 사용하여, 제1 프레넬 렌즈와 반사경 사이의 거리와 반사경과 제2 프레넬 렌즈사이의 거리의 합을 두 개의 프레넬 렌즈의 초점거리와의 관계를 통해서 한정함으로써 영상의 왜곡을 피할 수 있으며, 또한 저가의 프레넬 렌즈를 사용함으로써 낮은 비용으로 대량생산할 수 있다. 또한 본 발명은 상기 반사경으로 반투명 거울을 사용하고, 제2 프레넬 렌즈와 반사경 사이의 거리를 조절하여 원근감을 가지는 영상을 제공할 수 있다.

Claims

영상원의 상부에 설치되는 초점거리가 f인 제1 프레넬 렌즈, 상기 제1 프레넬 렌즈의 상부에 설치되어 상기 제1 프레넬 렌즈를 통과한 영상을 반사시키는 반사경, 그리고 상기 반사경의 측면에 설치되어 상기 반사경에 의해 반사된 영상을 굴절시켜 확대하는 초첨거리가 f'인 제2 프레넬 렌즈를 포함하며, 제1 프레넬 렌즈와 반사경 사이의 거리(d)와 반사경과 제2 프레넬 렌즈사이의 거리(d')의 합이 f+0.5f'≤d+d'≤f+f'의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 영상표시장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 프레넬 렌즈의 초점거리(f')와 상기 제1 프레넬 렌즈의 초점거리(f)가 f' = Cf (여기서, C는 1보다 큰 실계수)의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 영상표시장치.
제1항에 있어서,

상기 반사경은 반투명거울이며, 상기 반투명거울의 후면에 배경화면이 설치되고 상기 제2 프레넬 렌즈와 반투명거울 사이의 거리(d')와 제2 프레넬 렌즈의 초점거리(f') 사이에 d'<f'의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 영상표시장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 영상원은 실제 입체적인 물체인 것을 특징으로 하는 영상표시장치.