KR100786860B1 - Autostereoscopic display appratus having varifocal lens - Google Patents
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Abstract
각 화소에 대응하는 렌즈의 초점거리 변화를 통해 각 화소의 깊이감에 차이를 부여하여 보다 자연스러운 3차원 입체 영상을 구현하는 입체 영상 디스플레이 장치에 관한 것으로서,The present invention relates to a stereoscopic image display apparatus that realizes a more natural three-dimensional stereoscopic image by providing a difference in depth of each pixel by changing a focal length of a lens corresponding to each pixel.
입체 영상 디스플레이 장치는 좌, 우안 이미지를 시분할 구동하는 평면 디스플레이와; 평면 디스플레이와 소정의 간격을 두고 평면 디스플레이 전면에 배치되며, 각자의 액정층과 전극이 내장된 수직 렌티큘라 렌즈와 수평 렌티큘라 렌즈를 조합한 다수의 가변초점 렌즈를 구비하여 각 화소에 대응하는 가변초점 렌즈의 초점거리를 변화시키는 가변초점 렌즈부와; 가변초점 렌즈부 전면에 배치되며, 평면 디스플레이와 동기되어 좌, 우안 이미지를 각각 시청자의 좌, 우안 방향으로 분리시키는 액정 프리즘을 포함한다.The stereoscopic image display device includes a flat panel display for time-divisionally driving left and right eye images; It is disposed on the front of the flat display at a predetermined distance from the flat display, and includes a plurality of variable focus lenses combining a vertical lenticular lens and a horizontal lenticular lens in which a liquid crystal layer and electrodes are built, and correspondingly corresponding to each pixel. A variable focus lens unit for changing a focal length of the focus lens; It is disposed in front of the variable focus lens unit, and includes a liquid crystal prism that separates the left and right eye images in the left and right eye directions, respectively, in synchronization with the flat panel display.
입체영상, 가변초점, 평면디스플레이, 렌티큘라렌즈, 액정, 초점거리, 프리즘, 프레넬렌즈Stereoscopic image, variable focus, flat panel display, lenticular lens, liquid crystal, focal length, prism, fresnel lens
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 디스플레이 장치의 사시도.1 is a perspective view of a stereoscopic image display apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시한 입체 영상 디스플레이 장치의 분해 사시도.FIG. 2 is an exploded perspective view of the stereoscopic image display device shown in FIG. 1. FIG.
도 3은 가변초점 렌즈부의 부분 분해 사시도.3 is a partially exploded perspective view of a variable focus lens unit;
도 4는 가변초점 렌즈에 의한 초점거리 변화 과정을 설명하기 위한 개략도.4 is a schematic diagram for explaining a process of changing a focal length by a variable focus lens;
도 5는 액정 프리즘의 부분 분해 사시도.5 is a partially exploded perspective view of a liquid crystal prism.
도 6은 프레넬 렌즈의 부분 확대 단면도.6 is a partially enlarged cross-sectional view of a Fresnel lens.
도 7은 단안 조절과 수렴각의 불일치 현상을 설명하기 위한 개략도.7 is a schematic diagram for explaining the phenomenon of inconsistency between monocular adjustment and convergence angle.
본 발명은 입체 영상 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각 화소에 대응하는 렌즈의 초점거리를 가변하여 각 화소의 깊이감에 차이를 부여하는 입체 영상 디스플레이 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a stereoscopic image display apparatus, and more particularly, to a stereoscopic image display apparatus which varies a focal length of a lens corresponding to each pixel to give a difference in depth of each pixel.
일반적으로 입체 영상 디스플레이 장치는 시청자가 좌안과 우안으로 서로 다른 이미지를 보게 하여 시청자가 보는 영상에 거리감과 입체감을 느끼도록 하는 장 치로서, 디스플레이 장치에서 구현된 좌, 우안 이미지를 렌티큘라 렌즈를 통해 시청자의 좌, 우안으로 공간 분할하는 오토-스테레오스코피(auto-stereoscopy) 장치가 잘 알려져 있다.In general, a stereoscopic image display device is a device that allows viewers to see different images with the left and right eyes so that the viewer can feel a sense of distance and a three-dimensional feeling in the image viewed by the viewer. Auto-stereoscopy devices that divide the viewer's left and right eyes are well known.
그러나 종래의 오토-스테레오스코피 장치는 단안 조절(accomodation)과 수렴각(vergence)의 불일치에 의해 부자연스러운 3차원 영상을 구현하게 되고, 이러한 3차원 영상을 장시간 시청하는 경우, 눈이 쉽게 피로해지는 단점을 안고 있다.However, the conventional auto-stereoscopic device realizes an unnatural 3D image due to a mismatch between monocular accomodation and convergence angle, and eyes are easily tired when watching the 3D image for a long time. Is holding.
도 7은 단안 조절과 수렴각의 불일치 현상을 설명하기 위한 개략도로서, 한 눈에 맺히는 이미지를 형성하는 빛의 근원은 평면 디스플레이(1) 위에 존재하여 시청자의 좌, 우안은 거기에 물체가 있는 것처럼 느끼지만(두개의 단안 조절, A1, A2), 두 눈의 입체시(stereopsis)에 의한 거리감은 두 선이 만나는 곳(수렴각, B)에 존재하므로, 3점이 불일치하게 되는 것이다.Fig. 7 is a schematic diagram for explaining the mismatch between monocular adjustment and convergence angle, where a light source forming an image at a glance exists on the flat panel display 1 such that the left and right eyes of the viewer are located there. Although it feels (two monocular adjustments, A1, A2), the sense of distance from the stereopsis of the two eyes is where the two lines meet (convergence angle, B), so the three points are inconsistent.
따라서 전술한 입체 영상의 부자연스러움을 해결하기 위해 전자적-홀로그램(electro-hologram) 방법과 볼류메트릭(volumetric) 방법이 고안되었으나, 현재의 기술로는 이들 방법을 구현하는데 어려움이 있다.Therefore, the electro-hologram method and the volumetric method have been devised to solve the unnaturalness of the stereoscopic image described above. However, current methods have difficulty in implementing these methods.
즉, 전자적-홀로그램 방법은 각 화소에 빛의 세기에 관한 정보만을 제공하여 이미지를 구현하는 2차원 디스플레이 장치에 비해, 3차원 대상으로부터 각 화소를 통과하는 모든 빛의 간섭 패턴을 각 화소마다 제공해야 하기 때문에, 지금의 시스템으로는 많은 양의 데이터를 처리할 수 없어 실현 가능성이 낮은 실정이다.That is, the electronic hologram method has to provide each pixel with an interference pattern of all the light passing through each pixel from the three-dimensional object, as compared to a two-dimensional display device that provides only the information about the light intensity to each pixel to implement an image. As a result, current systems are unable to process large amounts of data, and thus are unlikely to be implemented.
또한, 상기 볼류메트릭 방법은 2차원 스크린을 회전시키는 경우, 스크린 회전에 따른 기계적인 문제가 발생하고, 3차원 공간을 고속으로 스캔하는 방법을 마 련해야 하는 등의 한계가 있다.In addition, when the volumetric method rotates a two-dimensional screen, there is a mechanical problem due to the screen rotation, there is a limitation that a method of scanning a three-dimensional space at high speed should be prepared.
이로서 전술한 전자적-홀로그램 방법과 볼류메트릭 방법 모두 전술한 오토-스테레오스코피 장치의 부자연스러운 입체 영상을 단기간에 해결하는데 많은 어려움이 있다.As a result, both the above-described electronic hologram method and the volumetric method have a lot of difficulties in solving the unnatural stereoscopic image of the aforementioned auto-stereoscopy device in a short time.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전기적-홀로그램 방법과 볼류메트릭 방법보다 단순한 구성을 채용하면서도 종래의 오토-스테레오스코피 장치보다 자연스러운 3차원 입체 영상을 구현하는 입체 영상 디스플레이 장치를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to adopt a simpler configuration than an electro-hologram method and a volumetric method, and to implement a three-dimensional image that is more natural than a conventional auto-stereoscopic device. It is to provide a display device.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,
좌, 우안 이미지를 시분할 구동하는 평면 디스플레이와, 평면 디스플레이와 소정의 간격을 두고 평면 디스플레이 전면에 배치되며, 각자의 액정층과 전극이 내장된 수직 렌티큘라 렌즈와 수평 렌티큘라 렌즈를 조합한 다수의 가변초점 렌즈를 구비하여 각 화소에 대응하는 가변초점 렌즈의 초점거리를 변화시키는 가변초점 렌즈부와, 가변초점 렌즈부 전면에 배치되며, 상기 평면 디스플레이와 동기되어 좌, 우안 이미지를 각각 시청자의 좌, 우안 방향으로 분리시키는 액정 프리즘을 포함하는 입체 영상 디스플레이 장치를 제공한다.A plurality of flat panel displays that time-divisionally drive left and right images, and are disposed in front of the flat display at predetermined intervals from the flat display, and each of which combines a vertical lenticular lens and a horizontal lenticular lens with a liquid crystal layer and electrodes embedded therein. A variable focus lens unit having a variable focus lens to change the focal length of the variable focus lens corresponding to each pixel, and disposed in front of the variable focus lens unit, and left and right eye images are respectively synchronized with the flat panel display. The present invention provides a stereoscopic image display device including a liquid crystal prism separating in the right eye direction.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 디스플레이 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 입체 영상 디스플레이 장치의 분해 사시도이다.1 is a perspective view of a stereoscopic image display apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view of the stereoscopic image display apparatus shown in FIG.
도시한 바와 같이, 입체 영상 디스플레이 장치(2)는 좌, 우안 이미지를 시분할 구동하는 평면 디스플레이(10)와, 각자의 액정층과 전극이 내장된 수직 렌티큘라 렌즈판과 수평 렌티큘라 렌즈판을 조합한 다수의 가변초점 렌즈를 구비하여 각 화소에 대응하는 렌즈의 초점거리를 변화시키는 가변초점 렌즈부(20)와, 가변초점 렌즈부(20) 다음에 배치되는 액정 프리즘(40) 및 프레넬 렌즈(50)를 포함한다.As shown, the stereoscopic
상기 평면 디스플레이(10)는 디스플레이 화면으로부터 실질적으로 수직하게 빛을 방출하는 프로젝션 디스플레이 또는 액정 디스플레이가 바람직하며, 특히 편광판을 구비하여 특정 편광 방향의 빛을 방출하는 액정 디스플레이가 더욱 바람직하다.The
이는 평면 디스플레이(10) 다음에 배치되는 가변초점 렌즈부(20)가 액정의 배열 상태에 따라 각 화소에 대응하는 렌즈의 초점거리를 변화시키므로, 평면 디스플레이(10)가 방출하는 영상의 편광 방향과 액정의 배열이 이루는 각도가 일정해야 초점거리를 용이하게 변화시킬 수 있기 때문이다.This is because the variable
상기한 평면 디스플레이(10)는 좌, 우안 영상 신호를 제공받아 좌, 우안 이미지를 시분할 구동하며, 평면 디스플레이(10)와 일정한 간격을 두고 평면 디스플레이(10) 전면에 가변초점 렌즈부(20)가 배치된다.The
도 3은 가변초점 렌즈부의 부분 분해 사시도이고, 도 4는 가변초점 렌즈에 의한 초점거리 변화 과정을 설명하기 위한 개략도이다. 3 is a partially exploded perspective view of the variable focus lens unit, and FIG. 4 is a schematic diagram for describing a process of changing a focal length by the variable focus lens.
상기 가변초점 렌즈부(20)는 제 1액정층(27)과 수직 렌티큘라 렌즈(23)를 구비한 수직 렌티큘라 렌즈판(21)과, 제 2액정층(30)과 수평 렌티큘라 렌즈(24)를 구비한 수평 렌티큘라 렌즈판(22)을 수직으로 교차시킨 것으로서, 수직 및 수평 렌티큘라 렌즈(23, 24)의 교차 지점이 평면 디스플레이(10)의 각 화소에 대응하도록 배치되어 이 교차 지점이 전술한 가변초점 렌즈(25)로 기능한다.The variable
보다 구체적으로, 상기 수직 렌티큘라 렌즈판(21)은 임의의 간격을 두고 대향 배치되는 투명한 제 1, 2기판(26a, 26b)과, 제 1기판(26a)에 대향하는 내면에 화면의 단축 방향(도면의 Y축)을 따라 배열된 다수의 반원주형 오목부(23a)를 구비하는 수직 렌티큘라 렌즈(23)와, 제 1기판(26a)과 수직 렌티큘라 렌즈(23) 사이에 봉입되는 제 1액정층(27)을 포함한다. 이 때, 화면의 장축 방향(도면의 X축)에 따른 반원주형 오목부(23a)의 폭(W1)은 화면의 장축 방향(도면의 X축)에 따른 화소의 폭과 동일하게 이루어진다.More specifically, the vertical
그리고 제 1기판(26a)의 내면에는 화면의 단축 방향(도면의 Y축)을 따라 다수의 제 1전극(28a)이 스트라이프 패턴으로 형성되고, 제 2기판(26b)의 내면에는 화면의 장축 방향(도면의 X축)을 따라 다수의 제 2전극(28b)이 스트라이프 패턴으로 형성되어 제 1전극(28a)과 수직으로 교차한다.On the inner surface of the
상기 제 1액정층(27)은 전압 무인가시(도면에서 OFF로 표시한 우측 부분 참고), 각 액정 분자의 장축이 화면의 단축 방향(도면의 Y축)을 따라 일정하게 배열하고, 제 1액정층(27)에 전기장이 형성되면(도면에서 ON으로 표시한 좌측 부분 참고), 각 액정 분자의 장축이 화면의 단축(도면의 Y축)으로부터 임의 각도로 회전하 여 액정의 배열 상태가 변화하게 된다.In the first
그리고 상기 수평 렌티큘라 렌즈판(22)은 수직 렌티큘라 렌즈판(21)을 90°각도로 회전시킨 구성으로서, 보다 구체적으로 수평 렌티큘라 렌즈판(22)은 임의의 간격을 두고 대향 배치되는 투명한 제 3, 4기판(29a, 29b)과, 제 3기판(29a)에 대향하는 내면에 화면의 장축 방향(도면의 X축)을 따라 배열된 다수의 반원주형 오목부(24a)를 구비하는 수평 렌티큘라 렌즈(24)와, 제 3기판(29a)과 수평 렌티큘라 렌즈(24) 사이에 봉입되는 제 2액정층(30)을 포함하며, 화면의 단축 방향(도면의 Y축)에 따른 반원주형 오목부(24a)의 폭(W2)은 화면의 단축 방향(도면의 Y축)에 따른 화소의 폭과 동일하게 이루어진다.The horizontal
그리고 제 3기판(29a)의 내면에는 화면의 장축 방향(도면의 X축)을 따라 다수의 제 3전극(31a)이 스트라이프 패턴으로 형성되고, 제 4기판(29b)의 내면에는 화면의 단축 방향(도면의 Y축)을 따라 다수의 제 4전극(31b)이 스트라이프 패턴으로 형성되어 제 3전극(31a)과 수직으로 교차한다.In addition, a plurality of
상기 제 2액정층(30) 또한 전압 무인가시(도면에서 OFF로 표시한 상측 부분 참고), 각 액정 분자의 장축이 화면의 장축 방향(도면의 X축)을 따라 일정하게 배열하고, 제 2액정층(30)에 전기장이 형성되면(도면에서 ON으로 표시한 하측 부분 참고), 각 액정 분자의 장축이 화면의 장축(도면의 X축)으로부터 임의 각도로 회전하여 액정의 배열 상태가 변화하게 된다.When the second
상기 구성에 의해, 어느 하나의 가변초점 렌즈(25)를 예로 하면, 이 가변초점 렌즈(25)에 해당하는 제 1, 2전극(28a, 28b) 및 제 3, 4전극(31a, 31b)에 전압 을 인가하지 않아 제 1, 2액정층(27, 30)에 전기장을 형성하지 않으면, 해당 가변초점 렌즈(25)는 수직 렌티큘라 렌즈(23)와 수평 렌티큘라 렌즈(24)의 광학적인 조합에 의한 고정된 초점거리를 갖게 된다.According to the above configuration, taking any one variable focusing
반면, 제 1, 2전극(28a, 28b) 및 제 3, 4전극(31a, 31b)에 전압을 인가하여 제 1, 2액정층(27, 30)에 전기장을 형성하면, 액정 분자들의 배열 상태가 변화하면서 해당 가변초점 렌즈(25)를 통과하는 빛의 굴절률을 변화시키며, 그 결과 가변초점 렌즈(25)는 액정의 배열 상태에 따라 초점거리가 변화하여 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈로 기능하게 된다.On the other hand, when an electric field is formed in the first and second
따라서 도 4에 도시한 바와 같이, 평면 디스플레이 상의 A 화소에서 발생한 영상은 가변초점 렌즈(25)에 의해 초점거리가 가변되어, 시청자는 A 화소에서 발생한 영상을 마치 B 화소에서 발생한 영상으로 인식하게 되는 것이다.Therefore, as shown in FIG. 4, the focal length of the image generated in the A pixel on the flat panel display is changed by the
이와 같이 가변초점 렌즈(25)의 초점거리는 액정의 배열 상태에 따라 변화하므로, 제 1, 2전극(28a, 28b) 및 제 3, 4전극(31a, 31b) 사이의 전압 차를 조절하여 각 화소별로 가변초점 렌즈(25)의 초점거리를 다양하게 변화시키며, 각 화소의 깊이감에 차이를 부여하여 보다 자연스러운 3차원 입체 영상을 용이하게 구현한다.As described above, since the focal length of the
다음으로, 도 5는 액정 프리즘의 부분 분해 사시도로서, 가변초점 렌즈부(20) 다음에 배치되는 액정 프리즘(40)은 평면 디스플레이(10)가 구현한 좌, 우안 이미지를 시청자의 좌, 우안 방향으로 공간 분할하는 역할을 한다.Next, FIG. 5 is a partially exploded perspective view of the liquid crystal prism, and the
보다 구체적으로, 상기 액정 프리즘(40)은 임의의 간격을 두고 대향 배치되는 투명한 제 5, 6기판(41, 42)과, 제 5, 6기판(41, 42)의 내면에 각각 형성되는 투명한 제 5, 6전극(43, 44)과, 제 5, 6기판(41, 42) 사이에서 화면의 단축 방향(도면의 Y축)을 따라 배열되는 다수의 톱니형 프리즘(45)과, 톱니형 프리즘(45)과 제 5기판(41) 사이에 봉입되는 제 3액정층(46)을 포함한다.More specifically, the
상기 톱니형 프리즘(45)은 화면의 장축 방향(도면의 X축)에 따른 폭(W3)이 전술한 수직 렌티큘라 렌즈(23)를 구성하는 반원주형 오목부(23a)의 폭과 동일하게 이루어져 각자의 톱니형 프리즘(45)이 평면 디스플레이(10)의 화소에 대응 배치된다.The
그리고 제 5, 6전극(43, 44)은 일례로 제 5, 6기판(41, 42)의 전면에 형성되는 면 전극으로서, 어느 하나의 전극, 일례로 제 6전극(44)에는 그라운드 전압이 인가되고, 제 5전극(43)에는 선택 전압이 인가되어 제 5전극(43)에 인가되는 전압에 따라 제 3액정층(46)을 구성하는 액정 분자들의 배열 상태를 변화시킨다.In addition, the fifth and
또한, 톱니형 프리즘(45)과 제 5전극(43) 사이에 봉입되는 제 3액정층(46)은 전압 무인가시(도면에서 OFF로 표시한 우측 부분 참고), 각 액정 분자의 장축이 화면의 단축 방향(도면의 Y축)을 따라 평행하게 배열되고, 제 3액정층(46)에 전기장이 형성되면(도면에서 ON으로 표시한 좌측 부분 참고), 각 액정 분자의 장축이 화면의 단축(도면의 Y축)과 임의의 각도로 회전하게 된다.In addition, the third
상기 구성에 의해, 제 6전극(44)에 그라운드 전압을 인가한 상태에서, 제 5전극(43)에 선택 전압을 인가하면, 제 3액정층(46)의 굴절률이 주위보다 낮아지게 되므로 액정 프리즘(40)에 제공된 이미지는 시청자의 우안 방향으로 굴절되고, 제 5전극(43)과 제 6전극(44) 모두에 그라운드 전압을 인가하면, 제 3액정층(46)의 굴 절률이 주위보다 높아지게 되므로 액정 프리즘(40)에 제공된 이미지는 시청자의 좌안 방향으로 굴절된다.According to the above configuration, when the selection voltage is applied to the
따라서 액정 프리즘(40)은 평면 디스플레이(10)의 시분할 신호와 동기되어 평면 디스플레이(10)가 좌안 이미지를 구현할 때에는 제 5전극(43)에 그라운드 전압이 인가되고, 평면 디스플레이(10)가 우안 이미지를 구현할 때에는 제 5전극(43)에 선택 전압이 인가된다. 그 결과 액정 프리즘(40)은 평면 디스플레이(10)가 구현한 좌, 우안 이미지를 각각 시청자의 좌, 우안 방향으로 분리시킨다.Therefore, the
다음으로 액정 프리즘(40) 다음에 배치되는 프레넬 렌즈(50)는 도 6에 도시한 바와 같이, 액정 프리즘(40)에 대향하는 일면에 다수의 띠모양 톱니부(51)를 동심원상으로 배열하여 각자의 톱니부(51)가 프리즘 작용을 하게 된다. 따라서 프레넬 렌즈(50)는 집광 렌즈로 기능하여 액정 프리즘(40)을 통과한 빛을 시청자에게 모아주는 역할을 한다.Next, as shown in FIG. 6, in the
이 때, 상기 가변초점 렌즈부(20) 다음에 프레넬 렌즈(50)가 배치되고, 프레넬 렌즈(50) 다음에 액정 프리즘(40)이 배열되는 구성도 가능하다.In this case, a configuration in which the
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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the range of.
이와 같이 본 발명에 의한 입체 영상 디스플레이 장치는 각 화소에 대응하는 가변초점 렌즈의 초점거리를 변화시킴에 따라, 전술한 단안 조절과 수렴각의 불일치 문제를 해결하며, 시야각이 한정된 홀로그램과 같은 효과를 구현하므로, 종래의 전자적-홀로그램 및 볼류메트릭 방식보다 단순한 구성으로도 종래의 오토-스테레오스코피 장치보다 자연스러운 3차원 입체 영상을 구현할 수 있다.
As described above, the stereoscopic image display device according to the present invention changes the focal length of the variable focus lens corresponding to each pixel, thereby solving the above-described problems of monocular adjustment and convergence angle, and has an effect such as a hologram with a limited viewing angle. As a result, a three-dimensional stereoscopic image may be more natural than a conventional auto-stereoscopic device even with a simpler configuration than a conventional electronic hologram and volumetric method.
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