KR101186469B1 - 고해상도 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 투사광학계를 이용하여 2차원 및 3차원 영상을 표시하는 투사형 고해상도 영상표시 장치에 관한 것이다. 본 발명의 고해상도 영상 표시 장치는, 광원과 영상 표시 장치를 포함하는 적어도 하나의 영상투사광학계, 영상투사광학계의 전면에 배치된 제1 광학수단, 제1 광학수단 전면에 배치된 스크린을 포함한다.

Description

고해상도 디스플레이 장치{DISPLAYING APPARATUS HAVING HIGH DEFINITION}

본 발명은 디스플레이 장치에 관련된 발명으로, 특히 적어도 하나의 투사광학계를 이용하여 2차원 및 3차원 영상을 표시하는 고해상도 디스플레이 장치에 관한 것이다.

일반적인 투사광학계를 이용하는 디스플레이 장치는 도 1에서 보이는 바와 같이 투사광학계(110)와 스크린(120)을 포함한다. 일반적인 투사광학계(110)는 광원(112)과 집광렌즈인 제1렌즈(114), 집광된 광에 영상정보를 표시하기 위한 영상표시장치(116) 및 스크린(120)상에 영상정보가 선명히 맺히도록 조정하는 제2렌즈(118)를 포함한다. 제1렌즈(114)와 제2렌즈(118)는 하나의 렌즈로 도시되었지만 영상의 화질개선을 위하여 실제로는 다수의 렌즈조합으로 이루어질 수 있다. 영상표시장치(116)에는 액정표시장치(LCD; Liquid Crystal Display) 등이 사용되고 있다. 도 1에서 보이는 바와 같은 투과형 영상표시장치뿐만 아니라 반사형 영상표시장치도 사용가능하다. 스크린(120)상에 영상이 맺어지는 개략적인 원리는 다음과 같다. 영상표시장치(116)에는 수평 및 수직방향으로 단위화소(pixel)들이 배열되어 있다. 도 1에서는 수평방향에서의 영상표시장치(116) 내의 첫째 단위화소(P1), 중간 단위화소(P2), 그리고 마지막 단위화소(P3)만 표시하였다. 영상표시장치(116) 내의 각 위치의 단위화소에 맺혀진 영상정보는 제2렌즈(118)를 통과한 후에 스크린(120)에 상이 맺혀진다. 이때, 최외곽 단위화소가 스크린(120)에 맺혀지는 위치 사이의 거리에 의하여 스크린(120)상의 영상정보의 크기가 결정된다. 상이 확대되는 크기는 대략적으로 Fb/Fa 에 의하여 결정된다. 즉, 영상표시장치(116)와 제2렌즈(118) 사이의 거리에 대한 제2렌즈(118)와 스크린(120) 사이의 거리에 대한 비율로 상이 확대되는 크기를 결정할 수 있다. 일반적인 투사광학계(110)는 2차원 영상정보만을 표시할 수 있다.

본 발명은 적어도 2개의 투사광학계를 이용하여 고해상도의 2차원 및 3차원 영상을 표시할 수 있는 디스플레이 장치에 관한 것이다.

본 발명의 고해상도 영상 표시 장치는, 광원과 영상 표시 장치를 포함하는 적어도 하나의 영상투사광학계; 상기 영상투사광학계의 전면에 배치된 제1 광학수단; 및 상기 제1 광학수단 전면에 배치된 스크린을 포함한다.

본 발명에 따르면, 일반 투사광학계의 화소 상의 형성위치에서 일정거리 이격된 위치에 배치된 제1 광학계에서 각 화소의 영상점들을 집광시킴에 의하여 다시점 3차원 영상정보표시장치로 이용될 시에 하나의 시역내의 균일한 영상 정보를 보여줄 수 있게 하고, 인접 시역간의 크로스토크 효과를 최소화 할 수 있다. 또한 다수의 투사광학계를 사용하여 스크린에 영상정보를 표시하여 2차원 영상정보를 관측할 경우에는 해상도가 증가된 영상을 볼 수 있게 해주고, 다시점 3차원 영상정보를 관측할 경우에는 해상도 감소가 최소화된 영상을 볼 수 있게 한다. 그러므로, 본 발명의 개념을 사용한 다시점 3차원 영상표시장치를 이용하면, 고해상도 투사광학계를 사용하지 않아도 기존의 2차원 영상의 해상도와 동일하거나, 해상도 감소가 적은 다시점 3차원 영상을 구현할 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 영상투사광학계와 스크린을 사용한 투사형 디스플레이 장치를 보이는 예시도.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 영상투사광학계를 사용한 디스플레이 장치를 보이는 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치에서 제1 광학판으로부터 스크린까지의 위치에 따른 영상점의 크기 변화를 보이는 개념도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 영상투사광학계를 사용한 디스플레이 장치에서 시차분리수단으로 렌티큘러 렌즈 판을 사용하는 경우의 시역형성 개념도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 영상투사광학계를 사용한 디스플레이 장치에서 시차분리수단으로 시차장벽 판을 사용하는 경우의 시역형성 개념도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 2대 이상의 영상투사광학계를 포함하는 디스플레이 장치의 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 2대 이상의 영상투시광학계를 사용하여 스크린상에 형성된 영상점의 배치에 대한 개념도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 2대 이상의 영상투사광학계의 배치를 보이는 예시도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 2대 이상의 영상투사광학계를 사용한 다시점 3차원 디스플레이 장치를 보이는 예시도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 시차분리수단으로 시차장벽 판을 사용하는 경우의 다시점 시역형성 원리에 대한 개념도.
도 11은 본 발명의 일 실시예로서 시차분리수단으로 렌티큘러 렌즈 판을 사용하는 경우의 다시점 시역형성 원리에 대한 개념도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 일 실시예는 일반적인 투사광학계, 종래의 스크린 위치(투사광학계의 화소 상의 형성 위치)에서 영상의 화질이 저하되지 않도록 일정거리 이격되어 있는 곳에 배치되어 있는 제1 광학판(마이크로 렌즈 어레이 시트; micro lens array sheet), 상기 제1 광학판의 일면에 배치된 베리어층(barrier layer), 그리고 상기 제1 광학판의 일면에 배치된 스크린(screen)으로 구성된다. 선택적으로 투사광학계의 화소 상의 형성 위치에 제2 광학판이 사용될 수 있다. 상기 제2 광학판은 프레즈넬 렌즈(fresnel lens) 또는 홀로그래픽(holographic) 광학소자 등 각 영상점 위치에서의 중심광의 방향을 스크린에 수직한 방향 쪽으로 변경할 수 있도록 하는 광학소자가 사용될 수 있다. 상기의 실시예에 대해 도 2(a) 내지 도 2(c)를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

일반적인 투사광학계에서 형성되는 영상정보는 투사광학계의 화소 상의 형성 위치(종래의 스크린 위치)에서 선명한 영상을 보여주게 된다. 그러나, 본 발명은 투사광학계의 화소 상의 형성 위치에 스크린을 배치하는 것이 아니고, 그 화소 상의 형성 위치에서 영상의 화질이 저하되지 않도록 일정거리 떨어져서 제1 광학판이 배치되어 있다. 이러한 제1 광학판은 마이크로 렌티큘러렌즈 어레이 시트(lenticular lens array sheet) 또는 마이크로 플라이아이 렌즈 어레이 시트(micro fly-eye lens array sheet)가 될 수 있다(이하, 마이크로 렌즈어레이 시트라 함). 투사광학계 내의 영상표시장치는 수평방향과 수직방향으로 각각 해상도에 따른 복수의 단위 화소들로 이루어져 있다. 일 예로 도 2(a)의 영상표시장치(216)의 중간화소(P2)를 통과한 광은 투사광학계(210)의 화소 상의 형성 위치(종래의 스크린 위치)의 중앙부분에 소정크기(L)로 확대되어 보인다. 영상표시장치(216)의 위쪽끝 화소(P1)와 아래쪽 끝 화소(P3)도 각각 투사광학계(210)의 화소 상의 형성 위치의 양단의 끝부분에서 소정크기로 확대되어 보인다. 이와 같은 방법으로 그 사이에 있는 영상표시장치(216)의 각 화소들은 투사광학계(210)의 화소 상의 형성 위치에서 영상이 맺혀지게 된다. 본 발명에서는 상기의 투사광학계(210)의 화소 상의 형성 위치에 스크린을 없애고, 상기 투사광학계의 화소 상의 형성 위치에서 일정거리 떨어진 제1 광학판(220)을 배치하여 화소 상의 형성 위치에서 맺혀진 각 화소의 영상을 다시 집광시켜 집광된 위치에 스크린(230)을 배치시킨다. 상기 제1 광학판(220)의 마이크로 렌즈어레이의 피치(Pitch)는 투사광학계(210)의 화소 상의 형성 위치에서의 단위화소 영상의 크기에 맞추어 정해지며, 기본적으로 단위화소 영상의 크기보다 마이크로 렌즈어레이의 피치가 제1 광학판(220)의 위치에 의존하여 더 크게 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 단위화소 영상의 끝부분을 지나는 광은 제1 광학판(220)의 인접 렌즈어레이를 통과하게 되어 제1 광학판(220)에서 재집적되어 스크린(230)에 맺혀진 영상정보가 질적으로 저하될 수 있다. 이러한 효과를 방지하기 위하여 제1 광학판(220)의 일면에 인접 마이크로 렌즈 사이에 베리어층(222)이 형성되게 하여 제1 광학판(220)을 통하여 스크린(230)에 맺힌 영상의 화질을 개선시킬 수 있다(도 2(a) 참조).

본 발명의 또 다른 실시예로서 투사광학계의 화소 상의 형성 위치(종래의 스크린 위치)상에 제2 광학판을 배치시킬 수 있다. 이에 대한 개념은 도 2(b) 및 도 2(c)에 표현되어 있다. 제2 광학판(340, 440)은 중앙의 화소 상의 형성 위치에 있는 부분(P2)은 그대로 통과시키나, 그 외의 화소 상의 형성 위치에 있는 부분(P1, P3)은 제1 광학판(320, 420)에 입사각도를 줄여주거나, 수직으로 광이 입사되도록 광의 방향을 꺽어주는 역할을 한다. 이와 같은 소자는 렌티큘라 렌즈, 플라이아이 렌즈, 프레즈넬 렌즈판 또는 홀로그램 광학소자 등이 있다. 도 2(b)는 제2 광학판(340)으로서 마이크로 렌즈어레이 시트를, 도 2(c)는 제2 광학판(440)으로서 프레즈넬 렌즈시트를 사용한 경우에 제1 광학판(320, 420)에 입사되는 광의 각도를 수직에 가깝게 만들어 줄 수 있음을 보여준다. 그리고, 스크린(330, 430)은 제1 광학판(320, 420)으로부터 일정거리 떨어져 스크린(330, 430) 상에 영상이 맺어지도록 배치되어 있다.

도 2(a) 내지 도 2(c)는 스크린(230, 330, 430)의 위치가 제1 광학판(220, 320, 420)의 렌즈를 통과한 후에 최소크기를 갖는 위치로 설정된 경우를 보여주고 있다. 스크린(230, 330, 430)의 위치를 제1 광학판(220, 320, 420)으로부터 조정하게 되면, 각 스크린(230, 330, 430) 위치의 영상점들의 크기를 조절할 수 있게 된다. 일례로 도 3의 제1위치의 스크린(S1)은 제1위치 영상점들(IP1)과 같이 영상점 사이의 영역을 크게 할 수 있고, 제2위치 또는 제3위치의 스크린위치(S2, S3)에서는 제2 또는 제3위치 영상점들(IP2, IP3)과 같이 영상점들 사이영역을 감소시킬 수 있다. 본 발명을 일반적인 2차원 영상표시장치로 사용하게 될 경우에는 스크린의 위치를 제2위치(S2) 또는 제3위치(S3)와 같이 각 영상점들 사이의 간격이 크지 않은 것이 좋지만, 3차원 영상표시장치로 사용될 경우에는 제1위치(S1)에 스크린을 위치시켜 제1위치 영상점들(IP1)과 같이 영상점들 사이의 간격을 크게 하는 것이 시역간의 영상정보의 겹침 형상인 크로스토크를 감소시킬 수 있다는 이점이 있게 된다. 본 일실시예의 디스플레이 장치를 3차원 영상표시장치로 사용하기 위해서는 도 3의 제1위치(S1)에 스크린을 배치시키고, 스크린에 인접한 시차분리수단인 시차장벽판 또는 렌티큘러렌즈 판을 배치시킴에 따라 시역간 겹침이 최소가 되고, 광효율이 극대화된 다시점 3차원 영상정보를 표시할 수 있게 된다. 본 발명의 일실시예에 따른 영상정보표시장치가 시차분리수단인 렌티큘러렌즈판(LLP)과 시차장벽판(PBP)을 추가로 구비하여 3차원 영상정보를 볼 수 있는 시스템에 응용되는 개념에 대한 모식도는 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 본 발명의 일실시예인 투사광학계에서의 영상점의 크기는 각 화소영역의 50% 이하가 될 경우에 보다 효과적으로 크로스토크가 감소된 3차원 영상의 시역을 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예는 도 6에 보여지듯이, 두 대 이상의 투사광학계(510)가 사용된 경우이다. 각각의 투사광학계는 광원, 제1렌즈, 영상표시장치, 그리고 제2렌즈로 구성된다. 제1렌즈와 제2렌즈는 각각 여러개의 렌즈 조합에 의하여 실제로 만들어지며, 본 발명의 실시예에서는 투과형 영상표시장치를 사용하여 표현했지만, 반사형 영상표시장치를 사용하는 투사광학계도 본 발명의 투사광학계로 이용될 수 있다. 두 대 이상의 투사광학계(510)는 제1 광학판(520)의 앞쪽에 화소 상을 형성하고, 복수의 투사광학계(510)의 화소 상의 형성위치에서 일정거리 떨어진 곳의 영상정보가 제1 광학판(520)에 의하여 집적되어 제1 광학판(520)의 일면에 일정거리 떨어져 있는 스크린에 맺히게 된다. 상기의 제1 광학판(520)은 마이크로 렌즈 어레이 시트 또는 렌티큘러 렌즈 어레이 시트가 이용될 수 있다.

추가적으로, 본 발명의 상기 제1 광학판(520)의 각각의 인접렌즈 사이에는 베리어층(522)이 형성될 수 있다. 상기의 베리어층(522)은 복수의 투사광학계(510)로부터 투사된 영상정보가 화소 상의 형성위치를 통과하여 제1 광학판(520)에 들어오면서 인접위치로 들어가게 되는 것을 방지하여 영상의 해상도 저하를 방지하기 위한 기능을 한다.

아울러, 복수의 투사광학계(510)로부터 화소 상의 형성위치에 제2 광학판(540)이 추가로 배치될 수 있다. 상기의 제2 광학판(540)은 제1 광학판(520)에 입사되는 영상정보가 포함된 광이 제1 광학판(520)으로의 입사각도를 감소시키거나, 수직으로 광이 입사되도록 광의 방향을 꺽어주는 역할을 한다. 이와 같은 소자는 렌티큘라 렌즈, 플라이아이 렌즈, 프레즈넬 렌즈판 또는 홀로그램 광학소자 등이 있다.

도 6은 3대의 투사광학계가 사용된 본발명의 실시예를 나타내고, 이때의 스크린(530) 상에 맺혀진 영상점들의 예는 도 7에 보여진다. 제1 광학판(OP)은 단위 렌즈들이 주기적으로 배열되어 있는 구조를 가지고 있고, 단위 렌즈마다 3대의 투사광학계에서 들어온 영상점들이 스크린(S)상에 생기게 되므로, 1대의 투사광학계만을 사용한 영상 정보보다 3배의 영상정보가 스크린(S)상에 표현된다. 그러므로 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치는 일반적인 2차원 영상정보를 표시할 경우에는 사용된 투사광학계 개수에 비례하여 고해상도의 영상정보를 표시할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 사용되는 복수의 투사광학계의 배치는 수평면 상에서 여러 배치가 이용될 수 있다. 도 8을 참조하면, 인접 투사광학계가 서로 평행하게 배치되는 경우(a), 구면상에 배치되는 경우(b), 그리고 일평면상에서 각 투사광학계만 서로 경사지게 배치되는 경우(c) 등이 있다. 뿐만 아니라, 도면에 도시하지는 않았지만 수직면 상에서도 여러 대의 투사광학계를 배치하는 방법도 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예로서 3대의 투사광학계를 사용하는 디스플레이 장치의 개념도는 도 9에 보여진다. 3대의 투사광학계(610)에서 투사되는 각각의 영상정보들은 제1 광학판(620)인 마이크로 렌즈 어레이 또는 렌티큘러 렌즈 어레이에 의하여 스크린 상에 단위화소영역에 3개의 영상점이 형성되고, 시차분리 수단(640)인 시차장벽판에 의하여 관측위치에서 3개의 시역으로 분리된 3차원 영상을 볼 수 있게 된다. 시차분리 수단(640)이 도 9에서와 같이 시차장벽판인 경우에 3개의 시역이 형성됨을 보여주는 개념도는 도 10에 표현되어 있다. 도면에 표시된 부분은 스크린(S)상의 3대의 서로 다른 투사광학계로부터 형성된 3개의 영상점과 3개의 영상점 앞에 형성된 시차장벽판(PBP)과 이로부터 관측위치(VP)에서 시차장벽판(PBP)과 평행한 방향으로 이동하면서 관측할 경우에 관측되는 시역영상정보의 광분포(LS)에 관한 것이다. 상기의 경우는 제1 광학판과 시차분리 수단인 렌티큘러 렌즈나 시차장벽의 주기가 동일한 경우에 해당하는 경우이고, 3대의 투사광학계를 이용하더라도 시차분리수단인 렌티큘러 렌즈나 시차장벽의 주기를 바꿈에 따라 3개 이상의 시역을 형성할 수도 있다.

도 9는 3시점 3차원 디스플레이 장치에 대한 개념도로서 더 많은 투사광학계(610)를 사용하고, 시차장벽판(640)의 투과영역의 면적을 조정하여 3시점 이상의 3차원 디스플레이 장치로서도 응용 가능하다.

본 발명의 다시점 3차원 디스플레이 장치는 시차분리수단으로서 시차장벽판(PBP) 대신에 렌티큘러 렌즈 판(LLP)을 사용할 수도 있다. 이에 대한 개념도는 도 11에 보여진다.

본 발명의 실시예는 비록 스크린 전면부에 시차분리수단을 통하여 사용하는 것으로만 보여졌지만, 투과형 스크린이 아닌 반사형 스크린을 사용하여 반사형 타입의 3차원 디스플레이 장치로도 이용될 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.

110, 210, 310, 410, 510, 610, PO: 투사 광학계
112, 212, 312, 412: 광원 114, 214, 314, 414: 제1 렌즈
116, 216, 316, 416: 영상표시장치 118, 218, 318, 418: 제2 렌즈
120, 230, 330, 430, 530, 630, S, S1, S2, S3: 스크린
220, 320, 420, 520, 620, OP: 제1 광학판
340, 440, 540, 640: 제2 광학판 IP1: 제1 위치 영상점
IP2: 제2 위치 영상점 IP3: 제3 위치 영상점
LLP: 렌티큘러 렌즈 판 PBP: 시차장벽 판
LS: 관측 위치에 따른 시역 영상정보의 광 분포
VP: 관측 위치 P1: 첫째 단위화소
P2: 중간 단위화소 P3: 마지막 단위화소

Claims (15)

1. 디스플레이 장치로서,
   광원과 영상 표시 장치를 포함하는 적어도 하나의 영상투사광학계;
   상기 영상투사광학계의 전면에 화소 상의 형성 위치로부터 일정거리 이격되어 배치된 제1 광학수단; 및
   상기 제1 광학수단 전면에 배치된 스크린을 포함하는 디스플레이 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 광학수단은, 마이크로 렌즈 어레이판(micro lens array) 임을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 광학수단은, 렌티큘러 렌즈 어레이판(lenticulat lens array) 임을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제1 광학수단의 일면의 인접 렌즈 사이에 광의 투과를 막기 위한 베리어 층을 포함하는 디스플레이 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 광학수단은, 상기 영상투사광학계의 전면에 화소 상의 형성 위치로부터 영상의 화질을 저하시키지 않도록 일정거리 이격되어 배치됨을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 스크린은, 상기 제1 광학수단의 화소 상의 형성위치만큼 이격되어 배치됨을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 스크린 전면에 배치된 시차분리수단이 포함되어, 상기 시차분리수단에서 영상의 화질을 저하시키지 않도록 일정거리 이격된 관측위치에서 다시점 3차원 영상의 표시가 가능한 디스플레이 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 시차분리수단은 시차장벽 판임을 특징으로 하는 다시점 3차원 영상의 표시가 가능한 디스플레이 장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 시차분리수단은 렌티큘러렌즈 판임을 특징으로 하는 다시점 3차원 영상의 표시가 가능한 디스플레이 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 영상투사광학계 및 상기 제1 광학수단 사이에 제2 광학수단을 포함하되,
    상기 제2 광학수단은 상기 영상투사광학계에서 투사된 영상이 상기 스크린에 동일한 간격으로 투사되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 광학수단은, 프레즈넬 렌즈 판임을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 광학수단은, 홀로그램 광학소자 판임을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 영상투사광학계 및 상기 제1 광학수단 사이에 제2 광학수단을 포함하되,
    상기 제2 광학수단은 상기 영상투사광학계에서 투사된 영상이 상기 제1 광학수단에 입사되는 광의 폭을 감소시키는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 광학수단은, 렌티큘러 렌즈판 임을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
15. 제13항에 있어서,
    상기 제2 광학수단은, 플라이아이 렌즈판 임을 특징으로 하는 디스플레이 장치.

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