KR100433278B1 - 반사형 입체 디스플레이 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반사형 입체 디스플레이 시스템을 제공한다.
본 발명은 기초 영상을 제공하는 영상 제공 수단; 상기 기초 영상을 표시하는 영상 표시 수단; 상기 영상 표시 수단과 동일축 상에 위치되어 있는 투영 렌즈계; 및 상기 투영 렌즈계와 동일축 상에 위치되어 있는 오목 거울 어레이를 포함하며, 상기 투영 렌즈계는 상기 영상 표시 수단을 통해 표시되는 영상을 상기 오목 거울 어레이로 투영시키며, 상기 오목 거울 어레이는 상기 투영되는 영상을 반사시키면서 집합하여 입체 영상으로 표시한다.
이러한 본 발명에 따르면, 상대적으로 제작이 용이한 대형 오목 거울 어레이에 기초 영상 재생 부분이 투영 렌즈계를 이용하여 투영되기 때문에, 대화면의 3차원 영상을 용이하게 디스플레이할 수 있다.

Description

반사형 입체 디스플레이 시스템{REFLECTING THREE-DIMENSIONAL DISPLAY DEVICE}
본 발명은 입체 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 반사형 입체 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 3차원 화상을 구현하는 기술 중 렌즈 어레이를 사용하는 IP(Integral Photography) 방식은 1908년 리프만(Lippmann)에 의해 처음 제안된 후 점차 개선되었으나, 그 동안 촬영 소자나 디스플레이 소자 기술의 한계로 인해 크게 주목을 받지 못하다가 고분해능 촬영 소자와 고해상도 디스플레이 소자의 개발과 함께 최근 연구가 활발해지고 있다.
도 1에 IP 방식의 기본적인 원리가 도시되어 있다. IP 방식은 도 1과 같이, 전체 시스템이 크게 두개의 기능부(촬영/표시)로 구성된다. 먼저 촬영 부분에서는 렌즈 어레이를 구성하는 기초 렌즈들에 의해 생성되는 3 차원 물체의 여러 방향에서의 기초 영상이 촬영 소자에 저장된다. 표시 부분에서는 촬영 부분의 역 과정으로 저장된 기초 영상들이 표시 장치에 의해 표시되고, 다시 이 기초 영상들이 렌즈 어레이를 통과하면서 합쳐져서 원래 3차원 물체가 있었던 위치에서 3차원 영상으로 재생된다.
도 2에 IP 방식에서의 영상이 재생되는 원리가 보다 자세하게 도시되어 있다. 도 2의 (a)의 표시 장치에 기초 영상들이 표시되면 그 기초 영상들은 (b)에 있는 각각의 기초 렌즈들을 통해 (c)부분에 상으로 맺힌다.
그러므로 기초 영상들의 간격의 변화에 따라 표시되는 상의 깊이감이 조절되어 입체 영상을 만들 수 있게 되는 것이다.
종래의 IP 시스템에서는 촬영 장치와 표시 장치로 사진 필름이 이용되어 왔었기 때문에 동영상이 불가능했었지만 최근에는CCD(charge coupled device) 카메라 및 디스플레이 장치를 이용하여 동영상도 입체적으로 표시할 수 있게 되었다. 도 3에 종래의 동영상을 입체적으로 디스플레이하는 IP 시스템의 구조가 도시되어 있으며, 도 3에서와 같이 촬영 장치로 CCD 카메라를 사용하고, 디스플레이 장치로 LCD(liquid crystal device) 패널을 사용하는 방법으로 3차원 동영상의 표시가 가능하도록 하였다.
이러한 IP 방식을 이용한 입체 디스플레이 시스템은 특별한 안경 없이 3차원 영상을 비교적 여러 시점에서 볼 수 있다는 장점이 있는 반면, 대형으로 제작하기 어려운 렌즈 어레이를 이용해야 하기 때문에 대형화하기 힘들다는 등의 단점이 있다.
그러므로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 IP 방식으로 3차원 디스플레이가 가능하면서도 대형화가 용이한 반사형 입체 디스플레이 시스템을 제공하고자 하는데 있다.
도 1은 일반적인 입체 디스플레이를 위한 IP(Integral Photography)의 기본 개념도이다.
도 2는 IP의 재생 원리를 나타낸 도이다.
도 3은 종래의 동영상을 입체적으로 디스플레이 하는 IP 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 일반적인 볼록 렌즈와 오목 거울의 특성을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반사형 입체 디스플레이 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반사형 입체 디스플레이 시스템에서의 영상 재생 원리를 나타낸 도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 오목 거울 어레이의 일례를 나타낸 도이다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 특징에 따른 반사형 입체 디스플레이 시스템은,
기초 영상을 제공하는 영상 제공 수단; 상기 기초 영상을 표시하는 영상 표시 수단; 상기 영상 표시 수단과 동일축 상에 위치되어 있는 투영 렌즈계; 및 상기 투영 렌즈계와 동일축 상에 위치되어 있는 오목 거울 어레이를 포함하며, 상기 투영 렌즈계는 상기 영상 표시 수단을 통해 표시되는 영상을 상기 오목 거울 어레이로 투영시키며, 상기 오목 거울 어레이는 상기 투영되는 영상을 반사시키면서 집합하여 입체 영상으로 표시한다.
여기서, 오목 거울 어레이는 기초 영상의 투사 방향 및 투사 거리에 따라 구면 또는 비구면 오목 거울 형태로 이루어지며, 또한 상기 오목 거울 어레이가 위치하게 되는 어레이면은 기초 영상의 투사 방향 및 투사 거리에 따라 평면 또는 비평면 형태로 이루어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
일반적으로 IP 방식의 입체 디스플레이 시스템의 경우 대형화의 가장 큰 난점들은 렌즈 어레이를 대형화하기 어렵고, 대화면 표시가 용이한 프로젝션 방식의 디스플레이 시스템과 렌즈 어레이의 조합이 어렵다는 것이다. 따라서, 렌즈 어레이를 사용하여 대화면 입체 디스플레이를 구현하려면 디스플레이 자체의 크기가 너무 커지게 된다. 또한 대형 렌즈 어레이를 대형 디스플레이 장치 앞에 완전히 평행하게 위치시키는 일도 용이하지 않다. 따라서, 렌즈 어레이가 표시 장치 앞에 위치하는 방식의 IP 입체 디스플레이 시스템은 대형화하기 힘들다.
한편, 광학적으로 볼 때, 볼록 렌즈와 오목 거울은 광축의 변화를 제외하고 비슷한 특성을 지닌다. 도 4에 일반적인 볼록 렌즈와 오목 거울의 특성이 도시되어 있다.
볼록 렌즈가 도 4의 (a)에서처럼 빛의 진행 방향으로 초점거리 f에 빛을 모으는 반면, 오목 거울은 도 4의 (b)에서처럼 빛이 반사되는 방향으로 초점거리, f'에 빛을 모은다. 다시 말해서, 오목 거울은 빛을 반사시키는 점을 제외하고는 볼록 렌즈와 광학적으로 등가적인 역할을 할 수 있다.
이 점을 이용하여 본 발명의 실시예에서는 기존의 볼록 렌즈 어레이를 통해 구현하던 투과형 IP 방식의 디스플레이 시스템을 반사형 IP 방식의 디스플레이 시스템으로 구현하였다. 반사형 IP 방식은 오목 거울 어레이와 기초 영상 재생 부분이 공간적으로 떨어져서 위치할 수 있기 때문에, 프로젝션 방식으로 구현될 수 있으며, 따라서 SLM(Spatial Light Modulator, 공간 광 변조기)과 같이 작은 디스플레이 장치로도 쉽게 대화면을 구현할 수 있다.
도 5에 이러한 원리를 토대로 하여 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 반사형 입체 디스플레이 시스템의 구조가 도시되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반사형 입체 디스플레이 시스템은 기초 영상을 제공하는 영상 제공부(1), 영상 제공부(1)에서 제공되는 기초 영상을 표시하는 영상 표시부(투사형 디스플레이 장치)(2), 영상 표시부(2)와 동일축 상에 순차적으로 위치되어 있는 투영 렌즈계(3) 및 오목 거울 어레이(4)를 포함한다.
영상 제공부(1)는 일반적인 촬영 시스템으로 예를 들어 피사체를 결상하는 렌즈와, 렌즈에 의하여 결상된 피사체의 영상에 대한 전기적인 신호를 출력하는 촬영 소자, 촬영 소자에서 출력되는 전기적인 신호를 처리(노이즈 제거, 신호 증폭 등)하여 기초 영상을 형성하는 신호 처리부를 포함하는 CCD 카메라일 수 있으며,또한 입력된 정보를 토대로 기초 영상을 계산하여 생성하는 컴퓨터일 수도 있다.
영상 표시부(투사형 디스플레이 장치)(2)는 영상 제공부(1)에서 생성된 기초 영상을 표시하는 장치로서, LCD나 DMD( Deformable Mirror Device)와 같은 공간 광 변조기와, 영상 제공부(1)에서 제공하는 영상에 따라 광 변조기를 구동시키는 구동 드라이버와, 공간 광 변조기에 빛을 투영시키는 광원을 포함한다. 이러한 투사형 디스플레이 장치로 이루어지는 영상 표시부에서 영상이 표시되는 기술은 이미 공지되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
투영 렌즈계(3)는 표시되는 기초 영상을 집광하여 오목 거울 어레이(4)로 투영시키며, 적어도 하나 이상의 투영 렌즈로 이루어진다.
오목 거울 어레이(4)는 도 5와 같이 N×M(여기서 N=M 또는 N≠M)의 행렬로 이루어진 다수의 오목 거울로 이루어진다. 여기서 오목 거울은 기초 영상의 투사 방향 및 투사 거리에 따라 볼록렌즈와 같이 일정한 거리에 상을 맺히는 역할을 하기 위하여 구면 또는 비구면으로 제작된다.
일반적으로 구면 오목 거울은 제작상의 편의성으로 인해 여러 가지 광학적 시스템에 많이 사용되고 있으나 구면 수차를 가지고 있는 단점이 있다. 이러한 단점을 제거하기 위하여 수차를 없앤 것이 비구면 오목 거울이다. 따라서 수차가 없는 비구면 오목 거울로 오목 거울 어레이를 구성하는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있으나 제작이 보다 용이한 구면 오목 거울로 오목 거울 어레이를 형성하여도 본 발명의 효과를 나타내는 데 지장이 없다. 한편, 이렇게 구면 혹은 비구면 오목 거울로 오목 거울을 만들 때 오목 거울 어레이면(각 오목 거울이 위치되어 형성되는 어레이면)을 평면 혹은 비평면 형태로 할 수 있다.
이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 실시예에 따른 반사형 입체 디스플레이 시스템의 작용에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
영상 제공부(1)는 촬영 또는 계산 등에 의하여 기초 영상을 생성하여 영상 표시부(2)로 제공하며, 투사형 디스플레이 장치로 이루어지는 영상 표시부(2)는 기초 영상을 표시한다.
투영 렌즈계(3)는 영상 표시부(2)를 통하여 표시되는 기초 영상을 오목 거울 어레이(4)로 투영시키며, 투영된 기초 영상들은 렌즈 어레이를 통과하면서 집합되는 것과 같이 오목 거울 어레이(4)에 반사되면서 집합되어 입체 영상을 표시하게 된다.
도 6에 본 발명의 실시예에 따른 입체 디스플레이 시스템을 통하여 입체 영상이 재생되는 원리가 보다 상세하게 도시되어 있다.
표시 장치인 투사형 디스플레이 장치 즉, 영상표시부(2)에 기초 영상들이 표시되면, 도 6에서와 같이, 그 기초 영상들은 투영 렌즈계(3)에 의하여 오목 거울 어레이(4)로부터 일정한 거리인 A로 투사된다. 투사된 기초 영상들은 오목 거울 어레이(4)에 의하여 B 위치 근방에서 깊이감을 갖고 맺히게 되어 관찰자는 C 위치에서 입체 영상을 볼 수 있게 된다.
또한 오목 거울 어레이의 어레이면은 반드시 평면일 필요 없이 곡면 형태로 제작 할 수 있다. 도 7a 및 도 7 b에 오목 거울 어레이면이 평면 형태일 경우와 곡면 형태일 경우의 예가 도시되어 있다.
도 7a에서 보듯이, 오목 거울 어레이면이 평면 형태일 경우에는 도 6의 (c)의 위치에서 관측자가 직접적으로 입체 영상을 관측할 수 있기 위해서는 기초 영상이 위치하는 평면에서 기초 영상이 보다 넓게 분포되어 있어야 하고 이 때문에 영상 표시부의 크기 (즉 영상 표시부의 넓이)가 오목 거울 어레이면이 곡면 형태일 경우보다 커야 한다.
오목 거울 어레이면이 도 7b와 같이 곡면 형태로 제작된 경우에는 곡면형의 어레이면이 퍼지는 빛을 모아주는 역할을 하게 되므로, 오목 거울 어레이면이 평면 형태일 경우보다 영상 표시부의 크기가 작아도 되고 투사되는 빛의 퍼짐 때문에 직접적인 관찰이 곤란한 문제를 해결할 수 있다.
여기에서 어레이면의 곡률과 크기는 영상 표시부에 표시된 기초영상들이 투영 렌즈계에 의하여 퍼지는 정도 및 크기에 의해서 정해진다. 따라서 이러한 구조는 대화면 입체 디스플레이 시스템을 구성하고자 할 경우 전체 오목 거울 어레이의 크기와 같은 대형 디스플레이 장치가 필요 없이 빔 프로젝터를 사용하면 되므로 보다 유리하다.
본 발명은 다음의 기술되는 청구 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능하다.
이상에서와 같이 본 발명의 실시예에 따른 입체 디스플레이 시스템에서는 오목 거울 어레이를 사용함으로써, 반사형 IP 방식의 3차원 디스플레이 시스템을 제공하며, 또한, 오목 거울 어레이가 제작이 용이하고, 대화면 구현이 용이한 프로젝션 디스플레이 시스템에 적용되기 쉽기 때문에, 기존의 렌즈 어레이로는 구현하기 힘든 대화면의 3차원 영상을 용이하게 디스플레이할 수 있다.

Claims (4)

  1. 기초 영상을 제공하는 영상 제공부;
    상기 기초 영상을 표시하는 영상 표시부;
    상기 영상 표시 수단과 동일축 상에 위치되어 있는 투영 렌즈계; 및
    상기 투영 렌즈계와 동일축 상에 위치되어 있으며, 적어도 하나 이상의 오목 거울로 이루어지는 오목 거울 어레이
    를 포함하며,
    상기 투영 렌즈계는 상기 영상 표시부를 통해 표시되는 영상을 상기 오목 거울 어레이로 투영시키며, 상기 오목 거울 어레이는 상기 투영되는 영상을 반사시키면서 집합하여 입체 영상으로 표시하는 것을 특징으로 하는 입체 디스플레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오목 거울 어레이의 각 오목 거울은 기초 영상의 투사 방향 및 투사 거리에 따라 구면 또는 비구면 오목 거울 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체 디스플레이 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오목 거울 어레이의 오목 거울이 위치되는 어레이면은 기초 영상의 투사 방향 및 투사 거리에 따라 평면 또는 비평면 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체 디스플레이 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오목 거울 어레이의 어레이면이 곡면 형태인 것을 특징으로 하는 입체 디스플레이 시스템.
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