KR100658669B1 - 입체 영상 디스플레이 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입체 영상 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 이차원 영상을 구현하는 프로젝션 엔진과, 상기 엔진으로부터 투사된 영상을 스크린으로 투사시키기 위한 광학계, 상기 스크린 및 광학계를 일정 속도로 회전시키기 위한 구동부를 포함하며, 상기 프로젝션 엔진이 백터스캐닝을 지원하는 음극선관으로 이루어진다.

음극선관, 비축렌즈, 반사거울, 스캔방식

Description

입체 영상 디스플레이 시스템 {3D DISPLAY SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 디스플레이 시스템을 도시한 개략적인 측단면도,

도 2는 본 발명의 실시에에 따른 입체 영상 디스플레이 시스템을 도시한 개략적인 평단면도이다.

본 발명은 입체 영상 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극선관을 이용한 백터 스캔 방식을 통해 입체 영상을 구현할 수 있도록 된 입체 영상 디스플레이 시스템에 관한 것이다.

근래 들어 음극선관(CRT)에서 엘씨디(LCD), 유기 이엘(EL), 피디피(PDP), 그리고 디엠디(DMD) 등 새로운 이차원 디스플레이 시스템 또는 프로젝션 시스템에서 벗어나 미국 특허번호 제5,703,606호에 개시된 바와 같이, 스크린을 일정 속도로 회전시키면서 입체 영상을 구현하는 3차원 방식의 프로젝션 디스플레이 시스템이 개발되고 있다.

통상 3차원 디스플레이 시스템은 이차원 영상을 구현하는 프로젝션 엔진과, 엔진으로부터 투사된 영상을 스크린으로 투사시키기 위한 광학계, 상기 스크린 및 광학계를 일정 속도로 회전시키기 위한 구동부를 포함하여 이루어진다.

따라서 엔진에서 투사된 영상은 광학계를 통해 스크린에 투사되고, 구동부에 의해 상기 스크린이 고속 회전됨에 따라 사람 눈의 잔상 효과에 의해 입체 영상이 구현되는 것이다.

그러나 상기한 방식으로 입체 영상을 구현하기 위해서는 프로젝션 엔진으로부터 투사되는 영상을 빠르게 스캐닝해야하며 밝기와 해상도가 높아야 하는 데, 종래의 프로젝션 엔진으로 사용되는 이차원 디스플레이 시스템은 매트릭스 어드레싱을 사용함에 따라 3차원의 이미지를 표한하는 데 너무 느린 단점이 있다. 즉, 3차원 영상의 단면은 2차원 화면의 전부를 사용하지 않고 임의의 곡선만을 사용하기 때문에 상기 매트릭스 어드레싱 방식을 사용하게 되면 시간을 많이 허비하게 되어 느려지게 되는 것이다. 또한 이를 피하기 위해서는 다이렉트 어드레싱을 사용해야 하는 데 그것은 실질적으로 어려운 점이 있다.

또한, 1960년대에 시도된 고선명 음극선관을 사용한 시스템은 밝기의 미흡으로 성공하지 못했고, 이 문제를 해결하기 위하여 형광판을 진공 안에서 돌려 거기에다 전자를 쏘아 발광시키려는 시도가 있었으나 이 경우 밝기 문제는 해결되었으나 진공 안에서 형광판을 돌리는 기게적 어려움이 대두되었다.

그리고 레이저와 헬리컬 스크린을 사용하는 시스템의 경우 밝기 문제는 없으나 해상도 문제가 발생된다. 그 이유는 레이저를 빠른 속도로 스캔 할 수 있는 방법 중 가장 효율적인 것이 AO(acousto-optic) 모듈레이터인데 이 모듈레이터의 속 도가 한계가 있기 때문에 해상도를 높이는 데 문제가 있다. 따라서 이 문제를 해소하기 위하여 레이저를 퍼트린 다음 Ferroelectric LC shutter를 쓰는 방법이 제안됐으나 이 경우 밝기의 문제가 다시 대두되었다.

또한 미국특허 제6,208,318호는 프로젝션 엔진으로 DMD(digital micromirror device)를 사용하는 매우 높은 성능의 시스템을 개시하고 있는 데, 상기 DMD의 구동 방식 또한 다른 이차원 디스플레이 시스템과 마찬가지로 매트릭스 방식으로 높은 해상도를 유지하기 위해 계조 표현에 한계가 주어지는 단점이 있고, 화면 재생속도가 늦어 이로인한 플리커(flicker)현상이 발생하며, DMD 자체의 가격이 비싸 전체적인 시스템의 단가를 높이는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 스캔 방식이 용이한 음극선관을 3차원 디스플레이 시스템의 프로젝션 시스템으로 이용할 수 있도록 하여 색과 색상도를 높일 수 있도록 된 입체 영상 디스플레이 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 음극선관으로부터 투사되는 영상을 3차원 시스템에 맞춰 최적의 상태로 편향시킴으로서 상의 왜곡현상을 방지할 수 있도록 된 입체 영상 디스플레이 시스템을 제공함에 또다른 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 음극선관을 사용하여 백터스캐닝한 영상을 만들고 이 영상을 광학계를 통하여 고속으로 회전하는 스크린 에 투사함으로써 입체 영상을 만드는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여 본 발명은 이차원 영상을 구현하는 프로젝션 엔진과,

엔진으로부터 투사된 영상을 스크린으로 투사시키기 위한 광학계,

상기 스크린 및 광학계를 일정 속도로 회전시키기 위한 구동부를 포함하며,

상기 프로젝션 엔진이 백터스캐닝을 지원하는 음극선관으로 이루어지고,

상기 광학계는 상기 음극선관에서 생성된 단면 영상을 스크린 상에 왜곡없이 투사시키기 위한 비축렌즈를 포함하는 입체 영상 디스플레이 시스템을 제공한다.

여기서 상기 스크린은 전투과 특성을 지니며 투과된 빛의 발산각에 따른 밀도 분포가 0。에서 180。에 걸쳐서 균일한 것을 사용한다.

또한, 상기 광학계는 상기 음극선관으로부터 생선된 영상신호를 스크린으로 투사시키기 위한 다수개의 반사 거울과, 일측 반사거울 사이에 설치되어 반사거울을 거치면서 발생되는 수차왜곡을 방지하기 위한 비축렌즈, 비축렌즈로 입사광을 모으기 위한 프레넬 렌즈를 포함한다.

상기 비축렌즈가 사용되는 이유에 대해 살펴보면, 스크린으로 최종 입사광을 반사시키기 위한 마지박 반사거울은 반사거울이 스크린을 가려 영상을 보는 데 지장을 주지 않기 위하여 스크린의 축과는 다른 축으로 놓여지게 되는 데, 이와같이 반사거울과 스크린이 평행하게 마주보지 않는 상태에서는 반사거울을 통해 반사된 영상이 스크린에 맺힐 때 수차에 의한 왜곡이 발생하기 때문이다.

상기 구동부는 본체를 이루는 하우징 상부에 회전가능하게 설치되고 상부 중앙에는 수직으로 스크린이 설치되며 영상을 반사시키기 위한 다수의 거울이 구비된 회전체와, 회전체 중심 하부에 설치되어 하우징에 축결합되고 내부에는 영상을 상기 거울로 투사시키기 위한 비축렌즈가 설치되는 회전축, 상기 회전축에 연결되어 회전체를 일정속도로 회전시키기 위한 구동모터를 포함한다.

여기서 상기 음극선관의 단면 영상은 스크린의 회전위치에 동기되어 만들어져야 되며 이를 위해 바람직하게는 회전축에 감지센서가 설치되어 회전량을 감지하여 단면영상 생서에 동기신호로 줄 수 있도록 한다.

이하, 첨부도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 디스플레이 시스템을 도시한 개략적인 측단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시에에 따른 입체 영상 디스플레이 시스템을 도시한 개략적인 평단면도이다.

상기 도면에 의하면, 본 발명의 입체 영상 디스플레이 시스템은 본체를 이루는 하우징(10)과, 하우징(10) 중앙에 베어링을 매개로 회전가능하게 축결합되어 수직설치되는 회전축(11), 회전축(11) 상단에 고정설치되어 회전가능하게 놓여지는 회전체(12), 회전체(12) 중앙에 수직설치되는 스크린(13), 상기 하우징(10) 내에 설치되어 회전체(12)를 회전시키기 위한 구동모터(14), 구동모터(14)의 구동축과 회전축(11)에 각각 설치되는 풀리(15)와 풀리(15)를 연결하여 동력을 전달하기 위한 밸트(16), 하우징(10) 내부에 설치되어 백터 스캔방식을 통해 영상을 출력하는 음극선관(17), 음극선관(17)의 영상을 반사시켜 상기 회전축(11) 내부 공간을 통해 전달하기 위한 제1,2,3반사거울(18,19.20), 상기 회전체(12) 상부에 설치되어 회전 축(11)을 통해 입사된 영상을 상기 스크린(13)으로 투사시키기 위한 제4,5반사거울(21,22), 상기 회전축(11) 내부에 설치되어 영상의 수차왜곡을 보정하기 위한 비축렌즈(23), 상기 회전축(11) 하단에 설치되어 영상을 상기 비축렌즈(23)로 모으기 위한 제1프레넬렌즈(24), 상기 스크린(13)에 부착되어 스크린(13)으로 입사되는 빛을 평행하게 진행시키기 위한 제2프레넬렌즈(25)를 포함하여 이루어진다.

따라서 백터 스캔에 의해 구현된 영상은 제1프레넬렌즈(24)를 통해 비축렌즈(23)로 투사되고 제5반사거울(22)에 반사되어 스크린(13)에 맺히게 되며, 비축렌즈(23)는 빔 경로를 인위적으로 변경시켜 제5반사거울(22)과 스크린(13)과의 수차에 의한 왜곡을 상쇄시킴으로서 왜곡없는 상을 스크린(13)에 맺히게 한다.

미설명된 도면 부호 (27)은 하우징(10)은 상부에 설치되어 스크린(13)을 덮는 반구형태의 돔이고, 도면 부호 (26)은 음극선관(17)에서 만들어지는 상을 집속시키기 위하여 음극선관(17) 전면에 설치되는 집속렌즈이다.

본 발명에 따른 광학계를 좀더 상세히 설펴보면, 상기 집속렌즈(26)는 통상의 프로젝션용 음극선관(17)에 사용되는 렌즈로 음극선관(17) 형광체에서 발광되는 빛을 모아주는 역할을 한다.

상기 제1프레넬렌즈(24)는 음극선관(17)에서 나오는 빛이 최초 결상되며 여기서 맺혀진 상은 제1프레넬렌즈(24)를 통과하면서 아주 작은 반경의 빔으로 모이게 되는 데, 이는 회전축(11)의 중심에 설치된 비축렌즈(23)를 통과해야 하기 때문이다.

상기 제2프레넬렌즈(25)는 스크린(13)과 붙어 있으며 제5반사거울(22)을 거쳐 넓게 퍼져 들어오는 빛을 평행하게 하는 역할을 하게 된다.

그리고 상기 스크린(13)은 전투과 특성을 지니며 투과된 빛의 발산각에 따른 밀도분포가 0。에서 180。에 걸쳐서 균일한 렌티큘라렌즈가 사용된다. 바람직하게는 수직방향으로 시야각을 주기 위해 디퓨저(diffuser)를 집어넣는다.

여기서 180도의 시야각이 필요한 이유에 대해 설명하면, 2차원과는 달리 3차원 시스템에서는 관측자의 시선과 스크린(13)이 이루는 각도가 0도에서 180도까지 모두 가능하기 때문이다.

음극선관(17)과 각 반사거울의 배치에 관해서 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이 음극선관(17)은 하우징(10)의 바닥면에 평행하게 놓여짐에 따라 음극선관(17)의 상을 하우징(10)의 중심부로 반사시키는 데 두 개의 반사거울이 필요하며 이에 따라 제1반사거울(18)은 음극선관(17)에 대해 그리고 제2반사거울(19)은 제1반사거울(18)에 대해 각각 45도 각도로 배치된다. 그리고 제3반사거울(20)은 회전축(11) 바로 하부에서 하우징(10) 바닥면에 대해 45도 각도로 설치되어 제2반사거울(19)을 통해 반사된 상을 수직방향으로 반사시키도록 되어 있다.

여기서 상기 반사거울의 개수는 음극선관(17)의 배치 상태와 관계되는 데, 상기 음극선관(17)의 전면이 하우징(10)의 중심부를 향하는 경우에는 음극선관(17)의 상을 제3반사거울로 유도하기 위한 제1,2반사거울(18,19)을 생략할 수 있다. 그러나 이 경우 음극선관(17)이 하우징(10) 중심을 향해 길이방향으로 배치됨에 따라 하우징(10)의 전체 크기가 커질 우려가 있다.

그리고 상기 제3반사거울을 통해 반사된 상은 비축렌즈(23)를 거쳐 비축렌즈(23) 바로 위에 위치하고 있는 수직으로 놓여있는 스크린(13)에 맺혀져야 하므로, 빛의 경로를 바꿔 상을 스크린(13)으로 투사시키기 위한 두 개의 반사거울이 필요하며, 제4반사거울(21)은 회전축(11) 바로 상부에 일정각도로 설치되어 상을 수평방향으로 반사시키고, 제5반사거울(22)은 회전체(12) 외주부쪽에 일정각도로 설치되어 제4반사거울(21)을 통해 반사된 상을 스크린(13)으로 투사시키게 된다.

이때, 관측자가 상기 제5반사거울(22)에 의해 스크린(13)이 가려지는 것을 방지하기 위하여 상기 제5반사거울(22)은 스크린(13)보다 최대한 아래쪽에 위치시키게 되며, 이때 제5반사거울(22)과 스크린(13)이 평행하게 놓여지지 않음에 따라 발생되는 상의 왜곡은 이미 언급한 바와 같이 비축렌즈(23)에 의해 방지될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 상기 음극선관(17)은 백터 스캔방식의 영상을 만들게 되는 데, 백터 스캔이란 음극선관(17)의 단면영상에서 단면궤적만을 스캔하여 그려내는 것을 일컫는다.

즉, 통상 음극선관(17)에서 스크린(13)에 투사할 단면영상을 만들 때 스크린(13)이 일회전할 때 필요한 단면영상 수를 300개로 한다면 1초에 20회전을 하므로 음극선관(17)의 화면복원 주파수는 30 ×20 = 6000Hz가 된다. 자계 편향으로 래스터(raster) 스캔하는 음극선관(17)의 화면복원 주파수는 고성능 편향요크를 사용한다 하더라도 200Hz 정도밖에 되지 않아서 필요로 하는 6000Hz에 미치지 못한 다. 따라서 팩터 스캔방식으로 단면궤적만을 스캔하여 단면영상을 빠르게 만들게 되면 래스터 스캔의 수평주사 시간 정도만으로 단면영상의 표현이 가능하게 되어 6000Hz의 화면을 만들 수 있게 되는 것이다.

이하 본 발명의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

음극선관(17)에 의해 백터스캔방식으로 구현된 영상은 집속렌즈(26)를 통해 투사되고 투사된 빔은 제1반사거울(18)과 제2반사거울(19)을 통해 반사되어 회전축(11)의 바로 하부에 위치한 제3반사거울(20)에 의해 수직방향으로 반사된다.

제3반사거울(20)에 의해 반사된 빔은 회전축(11) 하단에 설치된 제1프레넬렌즈(24)에 결상되고 여기서 맺혀진 상은 제1프레넬렌즈(24)를 통과하면서 모아지게 되고 이렇게 모아진 작은 반경은 빔은 회전축(11) 내에 설치된 비축렌즈(23)를 통과하게 된다.

비축렌즈(23)를 거친 빔은 회전체(12)에 설치된 제4반사거울(21)과 제5반사거울(22)을 통해 최종 반사되어 회전체(12) 중앙에 수직설치된 스크린(13)에 영상을 투영시키게 된다. 이때 상기 스크린(13) 전면에는 제2프레넬렌즈(25)가 부착되어 제5반사거울(22)을 통해 퍼지는 상태로 입사되는 빔을 평행하게 스크린(13)에 진행시키게 된다.

따라서 최초 음극선관(17)에서 만들어진 백터스캔방식의 영상이 회전체(12)에 설치된 스크린(13)에 재현될 수 있는 것이다. 물론 위에서 이미 언급한 바와 같이 스크린(13) 스크린(13)에 상을 맺을 때 발생되는 수차의 왜곡은 빔이 비축렌즈(23)를 통과하면서 경로가 수정됨으로써 해소된다.

한편, 상기 회전체(12)는 구동모터(14)의 작동에 따라 고속으로 회전하게 되는 데, 구동모터(14)의 회전력은 풀리(15)와 밸트(16)를 매개로 회전축(11)으로 전달되어 회전축(11)과 함께 회전축(11)에 고정설치되어 있는 회전체(12)를 고속으로 회전시키게 된다.

이에 따라 회전축(11)에 설치된 제1프레넬렌즈와 비축렌즈(23) 그리고 회전체(12)에 설치된 제4,5반사거울과 스크린(13)은 고속으로 회전하게 되는 데, 스크린(13)에 맺혀지는 단면영상이 스크린(13)의 회전에 따라 계속 표시되고 관측자는 눈의 잔상효과에 의해 단면영상이 연속되어 보이면서 입체적인 영상을 느끼게 되는 것이다.

이때 음극선관(17)에서 만드는 단면영상은 스크린(13)의 회전위치에 동기되어 만들어져야 하는 데, 이는 회전체(12)의 회전량을 센서(도시되지 않음)로 감지하여 상기 센서의 신호를 동기신호로 하여 음극선관(17)의 단면영상을 생성함으로서 달성된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 입체 영상 디스플레이 시스템에 의하면, 높은 해상도의 음극선관을 프로젝션 엔진으로 사용함으로서 구현할 수 있는 색 을 늘리면서 해상도 또한 높일 수 있게 되어 양질의 3차원 이미지를 제공할 수 있게 된다.

또한, 스크린에 비춰지는 영상의 수차 왜곡현상을 없애 영상의 품질을 높일 수 있게 된다.

또한, 종래 사용되는 DMD에 비해 가격이 저렴한 음극선관이 사용됨으로서 제품의 원가를 낮춰 가격경쟁력을 높일 수 있는 잇점이 있다.

Claims (8)

1. 이차원 영상을 구현하는 프로젝션 엔진과,

   상기 엔진으로부터 투사된 영상을 스크린으로 투사시키기 위한 광학계,

   상기 스크린을 일정 속도로 회전시키기 위한 구동부를 포함하며,

   상기 프로젝션 엔진이 백터스캐닝을 지원하는 음극선관으로 이루어진 입체 영상 디스플레이 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 광학계는 상기 음극선관과 상기 스크린 사이에 배치되어 상기 구동부에 대해 상기 스크린과 함께 회전하는 프레넬렌즈, 비축렌즈 및 적어도 하나의 회전 반사거울을 포함하는 입체 영상 디스플레이 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 광학계는 상기 음극선관과 프레넬렌즈 사이에 소정의 각도를 두고 경사져 고정배치되는 적어도 하나의 고정 반사거울을 더욱 포함하는 입체 영상 디스플레이 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 스크린은 전투과 특성을 지니며 투과된 빛의 발산각에 따른 밀도 분포 가 0。에서 180。에 걸쳐서 균일한 입체 영상 디스플레이 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동부는 본체를 이루는 하우징 상부에 회전가능하게 설치되고 상부 중앙에는 수직으로 상기 스크린이 설치된 회전체와, 이 회전체 중심 하부에 설치되어 상기 하우징에 축결합되는 회전축; 및 상기 회전축에 연결되어 회전체를 일정속도로 회전시키기 위한 구동모터를 포함하는 입체 영상 디스플레이 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 시스템 일측에 스크린의 회전량을 감지하기 위한 감지센서가 설치되고 이 감지센서의 신호는 음극선관의 단면영상 생성에 동기신호로 인가되어, 음극선관의 단면 영상이 스크린의 회전위치에 동기되도록 한 입체 영상 디스플레이 시스템.
7. 본체를 이루는 하우징과, 하우징 중앙에 베어링을 매개로 회전가능하게 축결합되어 수직설치되는 회전축, 회전축 상단에 고정설치되어 회전가능하게 놓여지는 회전체, 회전체 중앙에 수직설치되는 스크린, 상기 하우징 내에 설치되어 회전체를 회전시키기 위한 구동모터, 구동모터의 구동축과 회전축에 각각 설치되는 풀리와 풀리를 연결하여 동력을 전달하기 위한 밸트, 하우징 내부에 설치되어 백터 스캔방식을 통해 영상을 출력하는 음극선관, 음극선관의 영상을 반사시켜 상기 회전축 내부 공간을 통해 전달하기 위한 제1,2,3반사거울, 상기 회전체 상부에 설치되어 회 전축을 통해 입사된 영상을 상기 스크린으로 투사시키기 위한 제4,5반사거울, 상기 회전축 내부에 설치되어 영상의 수차왜곡을 보정하기 위한 비축렌즈, 상기 회전축 하단에 설치되어 영상을 상기 비축렌즈로 모으기 위한 제1프레넬렌즈, 상기 스크린에 부착되어 스크린으로 입사되는 빛을 평행하게 진행시키기 위한 제2프레넬렌즈를 포함하는 입체 영상 디스플레이 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 시스템 일측에 스크린의 회전량을 감지하기 위한 감지센서가 설치되고 이 감지센서의 신호는 음극선관의 단면영상 생성에 동기신호로 인가되어, 음극선관의 단면 영상이 스크린의 회전위치에 동기되도록 한 입체 영상 디스플레이 시스템.

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