KR101852271B1 - 시간 다중화를 통해 방향 시차를 갖는 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템 - Google Patents

시간 다중화를 통해 방향 시차를 갖는 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 3차원 디스플레이 시스템은 복수의 영상들을 출력하는 영상출력부; 상기 출력되는 복수의 영상들의 출사 위치를 변경시키는 위치변경부; 및 상기 위치변경부에 의해 변경된 출사 위치와 무관하게 상기 출력되는 복수의 영상들을 스크린의 동일한 영역으로 투사하는 광학계를 포함한다.

Description

시간 다중화를 통해 방향 시차를 갖는 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템{Light Field 3D Display System with Binocular Disparity by Time Multiplexing}
본 발명은 3차원 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시간 다중화를 이용하여 방향 시차가 있는 3D 영상을 제공하는 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
도 1은 프로젝터를 이용한 2차 원 영상의 프로젝션을 나타낸 도면이다. 도 1과 같이 일반적인 2차원 영상의 프로젝션의 경우에는 한 개의 프로젝터(10)로부터 입사된 빛을 사방으로 산란시키는 일반적인 후면 투사 스크린(20)을 사용함으로써 각 픽셀에서 산란되는 정보가 관찰 각도에 따라 동일하기 때문에 라이트필드 데이터를 표현할 수 없다.
라이트필드 3차원 디스플레이를 구현하기 위해서는 2차원 영상이 아닌 3차원 라이트필드 데이터를 디스플레이 할 수 있어야 하고, 이 때 3차원으로 늘어난 요구 정보량을 맞춰주기 위해서 다수의 프로젝터들을 사용하여야 한다.
도 2는 다수의 투사 광학계를 이용한 라이트필드 디스플레이 시스템의 탑뷰(top view)이다. 이 시스템은 도시된 바와 같이 수직 방향으로만 빛을 완전 산란시키고 수평 방향으로는 매우 좁은 각도로만 빛을 산란시키는 비등방성 스크린(25)을 이용한다.
그리고, 비등방성 스크린(25)의 뒤에서 다수의 프로젝터들(11~17)의 개구(aperture)들을 수평 방향으로 일렬로 늘어놓아 스크린상의 하나의 픽셀을 지나는 빛이 각도에 따라 서로 다른 프로젝터들(11~17)에서 투사된 빔에 의해 기여되도록 함으로써 수평 방향 별로 다른 정보를 제공할 수 있게 되고, 결과적으로 수평방향 시차를 갖는 라이트필드 데이터를 표현할 수 있도록 할 수 있다.
하지만, 도 2와 같은 구성을 구현하기 위해서는, 연속한 프로젝터들(11~17)의 개구들이 수평 방향으로 최대한 가까이 밀착되어야 하는데, 실제 프로젝터의 개구는 프로젝터의 몸체보다 매우 작기 때문에 현실적으로 좌우로 나란히 붙여놓을 수가 없다.
따라서, 수직 방향으로만 완전히 산란을 시키는 비등방성 스크린(25)을 사용하는 시스템에서는 키스톤 조정이나 렌즈 쉬프트 등을 이용하여 비등방성 스크린(25) 상의 동일 영역에 영상을 투영할 수 있다면, 이상적으로 도 3과 같이 관찰자의 입장에서 프로젝터(11~13)의 수직 방향 위치는 보여지는 영상에 영향을 미치지 못한다.
이에, 다수의 프로젝터들을 이용한 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템은, 도 4와 같이 프로젝터들(11~16)을 약간씩 어긋나게 층층이 쌓는 방식을 사용하여, 프로젝터들(11~16)의 개구(혹은 출사렌즈)가 수평적 위치만 볼 때 최대한 밀착하여 일렬로 놓여질 수 있도록 구현하고 있다.
하지만, 이와 같이 다수의 프로젝터들(11~16)을 사용하는 시스템의 경우, 다수의 프로젝터들(11~16)을 사용함에 따라 전체적인 시스템의 크기가 매우 커지고, 프로젝터 사양에 따라 렌즈 쉬프트나 키스톤 조정에 한계가 있는 등 설계상 여러 가지 어려움들이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 하나의 공간 광변조기(Spatial Light Modulator : SLM)에서의 영상정보를 시간 다중화하여, 방향이 서로 다른 영상을 보여줄 수 있는 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예들을 통하여 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 디스플레이 시스템은 복수의 영상들을 출력하는 영상출력부; 상기 출력되는 복수의 영상들의 출사 위치를 변경시키는 위치변경부; 및 상기 위치변경부에 의해 변경된 출사 위치와 무관하게 상기 출력되는 복수의 영상들을 스크린의 동일한 영역으로 투사하는 광학계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 영상출력부는, 상기 출사 위치에 상응하여 상이한 방향 시차를 갖는 영상을 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 영상들의 출사 위치는 원형 경로를 갖을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 위치변경부는, 상기 영상출력부에서 출사되는 영상들을 반사하여 광축을 직각으로 변경시키는 제1 거울; 상기 제1 거울과 회전 반경만큼 이격되어 있으며, 상기 제1 거울에서 반사된 영상들을 반사하여 광축을 직각으로 변경시키는 제2 거울; 상기 제2 거울에서 반사된 영상들을 상기 광학계로 전달하는 제1 렌즈; 및 상기 제1 거울의 중심을 관통하는 축을 회전축으로, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울 및 상기 제1 렌즈를 회전시키는 모터;를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 제1 렌즈는, 초점거리가 f인 렌즈이고, 상기 광학계는, 초점거리가 F이고, 상기 제1 렌즈와의 거리가 f+F 인 제2 렌즈일 수 있다.
또한 여기에서, 상기 스크린은, 상기 제2 렌즈와의 거리가 F일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈는, 초점거리가 f인 렌즈이고, 상기 광학계는, 초점거리가 F1이고, 상기 제1 렌즈와의 거리가 f+F1 인 오목거울일 수 있다.
여기에서, 상기 스크린은, 상기 오목거울과의 거리가 F1일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스크린은, 제1 방향으로는 제한된 각도로 빛을 산란시키고, 제2 방향으로는 모든 각도로 빛을 산란시키는 비등방성 스크린일 수 있다.
여기에서, 상기 제1 방향은, 관찰자를 기준으로 수평 방향이고, 상기 제2 방향은, 상기 관찰자를 기준으로 수직 방향일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 디스플레이 방법은 복수의 영상들을 출력하는 단계; 상기 출력되는 복수의 영상들의 출사 위치를 변경시키는 단계; 및 상기 변경된 출사 위치와 무관하게 상기 출력되는 복수의 영상들을 스크린의 동일한 영역으로 투사하는 단계를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 하나의 공간 광변조기에서의 영상정보를 시간 다중화하여 수평 또는 수직 방향의 시차를 갖는 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템 구현이 가능하여, 시스템 크기를 획기적으로 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 저비용으로 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 구현할 수 있고, 설계상의 자유도를 높일 수 있게 된다.
도 1은 프로젝터를 이용한 2차원 영상의 프로젝션을 나타낸 도면이다.
도 2는 다수의 투사 광학계를 이용한 라이트필드 디스플레이 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 프로젝터의 수직 방향 위치와 보여지는 영상의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 다수의 프로젝터들을 사용한 라이트필드 3차원 디스플레이의 프로젝터 정렬 방법을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 도시한 도면이다.
도 7은, 도 6에 도시된 디스플레이 시스템의 회전에 따른 개구의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 8은, 도 6에 도시된 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템에 의해 n번째 개구 위치에 재생되는 라이트필드 정보의 설명에 제공되는 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 구동하기 위한 과정의 설명에 제공되는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 라이트필드 3차원 디스플레이의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템은, 도 5에 도시된 바와 같이, 영상출력부(100), 위치변경부(200), 광학계(300) 및 스크린(30)을 포함한다.
영상출력부(100)는 복수의 영상들을 출력한다. 여기에서, 영상출력부(100)는 영상을 생성하여 출력하는 장치로, 공간 광변조기(Spatial Light Modulator : SLM), LED(Light Emitting Diode) 디스플레이 등 일 수 있고, 공간 광변조기는 음향 광 변조기 (AOM: acoustooptic modulator), 액정 디스플레이(LCD: liquid crystal display), DMD(Digital micromirror display) 등 일 수 있다.
위치변경부(200)는 영상출력부(100)에서 출력되는 복수의 영상들의 출사 위치를 공간적으로 변경시키는 기능을 수행한다. 보다 구체적으로, 위치변경부(200)는 영상출력부(100)로부터 시차가 다른 복수의 영상을 입력 받아 각각의 영상이 공간적으로 서로 다른 위치에서 광학계(300)를 향해 투사되도록 각 영상의 이동 경로를 변경하는 기능을 수행한다. 여기서, 영상들의 출사 위치는 영상출력부(100)에서 영상이 출사되는 지점을 지칭하는 것으로, 출사구 또는 출사점이라 명명될 수 있다. 또한, 영상들의 출사 위치는 원형 경로를 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 위치변경부(200)는 시차가 다른 복수의 영상을 한 지점으로부터 연속적으로 입력 받아 공간적으로 서로 다른 위치에서 광학계(300)를 향해 연속적으로 투사할 수 있기 때문에, 하나의 영상출력부(100)(예를 들어, SLM)를 사용하여 시간 다중화가 구현될 수 있다.
광학계(300)는 위치변경부(200)로부터 출사점이 다른 복수의 영상을 입력 받아 스크린(30)의 동일한 영역에 투사하는 기능을 수행한다. 즉, 광학계(300)로 입력되는 복수의 영상의 입력 위치가 다르더라도 광학계(300)를 경유하여 스크린(30)에 투사되는 각각의 영상은 스크린(30) 상의 동일한 영역에 투사된다.
광학계(300)는 위치변경부(200)에서 출사되는 영상의 변경된 출사 위치와 무관하게 출력되는 복수의 영상들을 스크린(30)의 동일한 영역으로 투사한다. 위치변경부(200)에 의해 변경된 다양한 출사 위치에서 출사되는 영상들은 광학계(300)를 통해 광 경로가 변경되어 스크린(30)의 동일한 영역(영상 영역)으로 투사된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스크린(30)은 제 1방향으로는 제한된 각도로 빛을 산란시키고, 제2 방향으로는 모든 각도로 빛을 산란시키는 비등방성 스크린(130)일 수 있다. 여기에서, 비등방성 스크린(130)은 제2 방향으로의 빛을 모든 각도로 빛을 산란시켜, 시야각을 확장하는 도광판과 같은 효과를 나타낼 수 있으며, 제1 방향으로의 빛은 매우 작은 각도로만 산란시켜 광의 방향성을 일정하게 유지 시킬 수 있다.
여기에서, 제1 방향은 관찰자를 기준으로 수평방향이고, 제2 방향은 관찰자를 기준으로 수직 방향일 수 있다. 이는 수평방향 시차를 제공하는 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 제공하는 일 실시예이며, 제1 방향 및 제2 방향은 필요에 따라 변경될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 도시한 도면이고, 도 7은 복수의 영상들의 출사 위치(개구)가 원형 경로로 변경되는 것을 정면에서 바라보고 도시한 도면이며, 도 7 하부는 복수의 영상들의 출사 위치(개구)를 상부에서 바라보고 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템은, 하나의 공간 광변조기(Spatial Light Modulator : SLM)와 시간 다중화(Time Multiplexing) 기법을 이용하여 수평 방향 시차를 갖는 3차원 영상을 생성/표시한다.
하나의 공간 광변조기(110) 만을 이용하므로, 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템 크기를 획기적으로 줄이고, 저비용이며, 설계상 자유도를 훨씬 높일 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 영상출력부(100)는 공간 광변조기(110)이고, 위치변경부(200)는 회전부(240)이고, 광학계(300)는 렌즈(310)이고, 스크린(30)은 비등방성 스크린(130)일 수 있다. 이때, 회전부(240)는 공간 광변조기(110)에서 출력되는 영상들을 반사하여 광축을 직각으로 변경시키는 제1 거울(210); 제1 거울(210)과 회전 반경만큼 이격되어 있으며, 제1 거울(210)에서 반사된 영상들을 반사하여 광축을 직각으로 변경시키는 제2 거울(220); 제2 거울(220)에서 반사된 영상들을 광학계로 전달하는 제1 렌즈(230); 및 제1 거울(210)의 중심을 관통하는 축을 회전축으로, 제1 거울(210), 제2 거울(220) 및 제1 렌즈(230)를 회전시키는 모터;를 포함할 수 있다.
도 6에서, 광축은 z축이고, 관찰자 입장에서 수평 방향은 x축, 수직 방향은 y축이다. 좌측의 공간 광변조기(110)에 평행광을 광원으로 입사시켜 공간광변조기(110)의 영상 정보가 실린 평행광이 우측으로 진행하며, 두 개의 거울(210, 220)과 초점거리 f의 렌즈(230)로 이루어진 회전부(240)로 입사한다.
회전부(240)에서는 두 개의 거울(210, 220)이 각각 광축과 45도를 이루도록 배치되어 있기 때문에, 두 개의 거울(210, 220)에 의한 반사 이후에 다시 평행광이 광축 방향으로 진행하게 된다.
이 평행광은 이후 초점거리 f의 렌즈(230)를 통과한 후, 초점거리 F의 렌즈(310)로 입사되는데, 이 두 개의 렌즈(230, 310) 사이의 거리를 f+F로 함으로써, 도 6에 도시된 바와 같이 초점거리 F의 렌즈(310)를 통과한 후에 평행광이 된다.
이 때, 초점거리 f의 렌즈(230)를 통과한 광은 F/f의 비율로 렌즈 개구를 확대시켜 초점거리 F의 렌즈(310)에 투사되게 되므로, 초점거리 F의 렌즈(310)는 회전부(240)에 의한 초점거리 f의 렌즈(230)의 중심의 회전 반경 r 및 확대된 렌즈 구경을 커버할 만큼 큰 개구를 가져야 한다.
공간 광변조기(110)의 영상 크기가 (Sx,Sy) 라면 비등방성 스크린(130)에서 영상 영역의 크기는
Figure 112016117667313-pat00001
가 된다. 그리고, 회전부(240)는 광축을 중심으로 회전하고, 비등방성 스크린(130)을 초점거리 F의 렌즈(310)로부터 거리 F 만큼 떨어진 지점에 위치시켜, 초점거리 F의 렌즈(310)를 통과한 평행광의 중심이 비등방성 스크린(130)의 중심에 위치하도록 한다.
또한, 비등방성 스크린(130)은 x방향(관찰자를 기준으로 수평 방향)으로만 제한된 각도로 빛을 산란시키고, y방향(관찰자를 기준으로 수직 방향)으로는 일반적인 후면투사 스크린과 같이 모듣 각도로 빛을 산란시킬 수 있다.
한편, 초점거리 f의 렌즈(230)의 중심의 회전 반경을 r이라 하고, 렌즈(230)의 중심의 (x,y) 좌표가 (r,0)에 위치했을 때를 회전의 시작점으로 설정한다. 그리고, 회전부(240)가 반시계 방향으로 회전하도록 하고, 일정한 회전각
Figure 112016117667313-pat00002
마다 매우 짧은 순간(이상적으로는, infinitesimal 시간) 동안 공간 광변조기(110)가 해당 시점을 갖는 영상을 표시하도록 한다.
회전부(240)의 회전 속도가 충분히 빠르다고 가정할 때, 시간 다중화에 의해 초점거리 f의 렌즈(230)의 개구가 회전 반경을 따라 일정 각도
Figure 112016117667313-pat00003
마다 위치하고 있다고 볼 수 있다.
한편, 비등방성 스크린(130)으로 인해, 개구 간의 수직 위치는 중요하지 않으므로, 도 7과 같이 개구들의 위치를 x축 위에 투사시켜 얻어지는 개구들의 수평적 위치 관계에 의해서 시스템의 라이트필드 재생 성능이 결정된다.
따라서, 도 2의 다수의 프로젝터들을 이용한 시스템과 유사하게 수평적으로 다수의 개구들이 나열되어 있는 시스템을, 도 6에 도시된 디스플레이 시스템에 시간 다중화 기법을 적용하여 구현할 수 있는 것이다.
도 8은 개구가 n번째 위치에 있을 때, 어떠한 라이트필드를 재생하게 되는지 보여주고 있다. n번째 개구는 xy 평면 상에서
Figure 112016117667313-pat00004
에 위치하며, 이 때 도 8에 보여지는 것과 같이 광들의 xz 평면상의 진행 방향은 초점거리 F의 렌즈(310)에 의해 x축에 대해
Figure 112016117667313-pat00005
의 각도를 가지는 평행광이 되게 되고, 따라서 관찰자에게는 비등방성 스크린(130) 상의
Figure 112016117667313-pat00006
의 영역에서
Figure 112016117667313-pat00007
방향의 orthographic view 영상을 보여주게 된다.
따라서, 개구가 n번째 위치에 도달할 때마다 타이밍을 맞추어 공간광변조기(110)에 적절한 orthographic view 영상을 디스플레이하고, 개구의 회전속도가 일반적인 디스플레이의 프레임 레이트 이상 된다면 잔상 효과에 의하여 수평 방향으로 시차를 갖는 라이트필드 기반 3차원 영상을 보여줄 수 있다.
도 9는, 도 6에 도시된 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 구동하기 위한 과정의 설명에 제공되는 흐름도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 먼저 회전부(240)에 마련된 모터를 동작시켜 회전을 시작하고(S410), 공간 광변조기(110)와 셔터를 동작시킨다(S420).
이 때, 셔터는 개구가 n번째 위치에 도달했을 때 최대한 짧은 순간만 영상을 보여주기 위한 역할을 하는 것으로 광경로 상에 실제로 물리적인 셔터를 달아도 되고, DMD(Digital Micro mirror Device) 등의 고속 구동이 가능한 공간 광변조기의 경우 영상이 표시되는 duration time을 조정하여 셔터링의 효과를 얻어도 된다.
또한, 모터는 회전하며 각 n번째 개구의 위치에 도달할 때마다 동기신호를 보낸다.
모터 회전 시작과 함께 n=0 번째 orthographic view 영상을 셔터링을 통해 짧은 순간 보여주고(S430), 셔터를 폐쇄하며(S440), 다음 orthographic view 영상을 준비한다(S450).
그리고, 모터가 그 다음 개구의 위치에 도달하여 동기 신호를 보낼 때까지 대기 및 프로그램 종료 신호를 모니터링 한다(S460, S470). 이후, 모터 동기 신호가 입력되면(S460-Y), 다시 셔터를 개방하여(S420) 해당 orthographic view 영상을 디스플레이 한다(S430).
다음, 셔터를 폐쇄하고(S440), 다음 orthographic view 영상을 준비하고(S450), 다시 모터 동기 신호와 프로그램 종료 신호를 대기하게 된다(S460, S470).
이와 같이 프로그램 종료 신호가 들어오기 전까지 모터 회전에 맞추어 순차적으로 n번째 orthographic view 영상을 보여주게 되며, 프로그램 종료 신호가 들어올 경우(S470-Y), 모터 회전을 멈추며 디스플레이 장치를 종료하게 된다(S480).
도 6 내지 도 8을 통해 설명된 원리와 도 9에 설명된 구동 과정을 이용하여 실제로 구현할 수 있는 3차원 디스플레이 시스템을 도 10에 제시하였다. 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 도시한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 광원으로부터 출사되는 평행광을 빔스플리터(181)를 통해 공간 광변조기(110)에 입사시키고, 광변조기(110)에서 출사되어 빔스플리터(181)를 통과한 영상을 거울(182)로 반사시켜, 두 개의 거울(210, 220)과 초점거리 f의 렌즈(230)로 구성한 회전체에 입사시킨다.
공간 광변조기(110)는 각기 다른 수평 시차를 갖는 영상들을 생성하기 위한 수단으로 다른 타입의 영상 생성 수단으로 대체될 수 있다.
공간 광변조기(110)로부터의 입사되는 영상을 회전시키기 위해 회전체는 중공 모터(250)에 체결되어 회전된다. 중공 모터(250)는 회전 시 안정성을 위해 회전축이 지면과 수직 방향이 되도록 배치하는 것이 좋다. 이 경우, 회전체를 통과하는 광축 역시 지면과 수직하게 된다.
최종적으로 비등방성 스크린(130)에 의해 보여지는 화면은 지면과 수직하도록 회전체에서 출사한 광의 광축을 수평 방향으로 꺾어주기 위해 초점거리 F의 렌즈(310)의 앞 단에 거울(183)을 위치시킨다.
초점거리 F의 렌즈(310)는 회전체에서 출사되는 영상들을 비등방성 스크린(130)의 영상 영역으로 투사하기 위한 광학계이다.
이후, 초점거리 F의 렌즈(310)로부터 F의 거리에, 수직 방향으로는 완전히 산란하고 수평 방향으로는 매우 작은 각도로만 산란을 시키는 비등방성 스크린(130)을 배치한다.
컨트롤러(120)는 회전체의 회전 상태에 따라 공간 광변조기(110)에서 생성/출사되는 영상을 제어한다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 제1 렌즈(230)는 초점거리가 f인 렌즈이고, 광학계(300)는 초점거리가 F1이고 제1 렌즈(230)와의 거리가 f+F1인 오목거울(320)일 수 있으며, 비등방성 스크린(130)과 오목거울(320)과의 거리는 F1일 수 있다.
본 실시예에 따른 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템은 공간 광변조기(110), 두 개의 거울(210, 220)과 초점거리 f의 렌즈(230)를 포함하는 회전부(240), 빔스플리터(330), 초점거리 F1의 오목거울(320) 및 비등방성 스크린(130)을 포함하여 구성된다.
도 11에서, 광축은 z축이고, 관찰자 입장에서 정면으로 입사하는 방향은 x축, 수직 방향은 y축이다. 좌측의 공간 광변조기(110)에 평행광을 광원으로 입사시켜 공간광변조기(110)의 영상 정보가 실린 평행광이 우측으로 진행하며, 두 개의 거울(210, 220)과 초점거리 f의 렌즈(230)로 이루어진 회전부(240)로 입사한다.
회전부(240)에서는 두 개의 거울(210, 220)이 각각 광축과 45도를 이루도록 배치되어 있기 때문에, 두 개의 거울(210, 220)에 의한 반사 이후에 다시 평행광이 광축 방향으로 진행하게 된다.
이 평행광은 이후 초점거리 f의 렌즈(230)를 통과한 후, 빔스플리터(330)로 입사되는데, 평행광의 1/2은 빔스플리터(330)를 통과하고 나머지 1/2는 빔스플리터(330)에 의해 반사되어 광축이 직각으로 변경되어 초점거리 F1의 오목거울(320)로 입사된다.
이 초점거리 f의 렌즈(230)와 초점거리 F1의 오목거울(320) 사이의 거리를 f+F1으로 함으로써, 도 11에 도시된 바와 같이 초점거리 F1의 오목거울(320)에 반사된 후에 평행광이 된다.
이 때, 초점거리 f의 렌즈(230)를 통과한 광은 개구를 확대시켜 초점거리 F1의 오목거울(320)에 입사되게 되므로, 초점거리 F1의 오목거울(320)은 회전부(240)에 의한 초점거리 f의 렌즈(230)의 중심의 회전 반경 r 및 확대된 렌즈 구경을 커버할 만큼 큰 개구를 가져야 한다.
그리고, 회전부(240)는 광축을 중심으로 회전하고, 비등방성 스크린(130)을 초점거리 F1의 오목거울(320)로부터 거리 F1만큼 떨어진 지점에 위치시켜, 초점거리 F1의 오목거울(320)에 반사된 평행광의 중심이 비등방성 스크린(130)의 중심에 위치하도록 한다.
또한, 비등방성 스크린(130)은 x방향으로만 제한된 각도로 빛을 산란시키고, y방향으로는 일반적인 후면투사 스크린과 같이 빛을 산란시킨다.
한편, 초점거리 f의 렌즈(230)의 중심의 회전 반경을 r이라 하고, 렌즈(230)의 중심의 (x, y) 좌표가 (r, 0)에 위치했을 때를 회전의 시작점으로 설정한다. 그리고, 회전부(240)가 반시계 방향으로 회전하도록 하고, 일정한 회전각
Figure 112016117667313-pat00008
마다 매우 짧은 순간(이상적으로, infinitesimal 시간) 동안 공간 광변조기(110)가 해당 시점을 갖는 영상을 표시하도록 한다.
회전부(240)의 회전 속도가 충분히 빠르다고 가정할 때, 시간 다중화에 의해 초점거리 f의 렌즈(230)의 개구가 회전 반경을 따라 일정 각도
Figure 112016117667313-pat00009
마다 위치하고 있다고 볼 수 있다.
한편, 비등방성 스크린(130)으로 인해, 개구 간의 수직 위치는 중요하지 않으므로, 도 7과 같이 개구들의 위치를 x축 위에 투사시켜 얻어지는 개구들의 수평적 위치 관계에 의해서 시스템의 라이트필드 재생 성능이 결정된다.
지금까지, 시간 다중화를 통해 수평 방향 시차를 갖는 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.
위 설명에서, 수평 방향 시차는 설명의 편의를 위한 한정에 불과하다. 수평 방향 시차가 아닌 수직 방향 시차를 갖는 라이트필드 3차원 디스플레이 시스템에 대해서도, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10, 11~17 : 프로젝터 20, 30 : 스크린
25, 130 : 비등방성 스크린 100 : 영상출력부
110 : 공간광변조기(SLM) 120 : 컨트롤러
181, 330 : 빔스플리터 182, 183 : 거울
200 : 위치변경부 210, 220 : 거울
230 : 렌즈(초점거리 f) 240 : 회전부
250 : 중공모터 300 : 광학계
310 : 렌즈(초점거리 F) 320 : 오목렌즈(초점거리 F1)

Claims (11)

  1. 복수의 영상들을 출력하는 영상출력부;
    상기 출력되는 복수의 영상들의 출사 위치를 변경시키는 위치변경부; 및
    상기 위치변경부에 의해 변경된 출사 위치와 무관하게 상기 출력되는 복수의 영상들을 스크린의 동일한 영역으로 투사하는 광학계를 포함하고,
    상기 위치변경부는,
    상기 영상출력부에서 출사되는 영상들을 반사하여 광축을 직각으로 변경시키는 제1 거울;
    상기 제1 거울과 회전 반경만큼 이격되어 있으며, 상기 제1 거울에서 반사된 영상들을 반사하여 광축을 직각으로 변경시키는 제2 거울;
    상기 제2 거울에서 반사된 영상들을 상기 광학계로 전달하는 제1 렌즈; 및
    상기 제1 거울의 중심을 관통하는 축을 회전축으로, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울 및 상기 제1 렌즈를 회전시키는 모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 디스플레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상출력부는,
    상기 출사 위치에 상응하여 상이한 방향 시차를 갖는 영상을 출력하는 것을 특징으로 하는 3차원 디스플레이 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 영상들의 출사 위치는 원형 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 디스플레이 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는, 초점거리가 f인 렌즈이고,
    상기 광학계는, 초점거리가 F이고, 상기 제1 렌즈와의 거리가 f+F 인 제2 렌즈인 것을 특징으로 하는 3차원 디스플레이 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스크린은,
    상기 제2 렌즈와의 거리가 F인 것을 특징으로 하는 3차원 디스플레이 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는, 초점거리가 f인 렌즈이고,
    상기 광학계는, 초점거리가 F1이고, 상기 제1 렌즈와의 거리가 f+F1 인 오목거울인 것을 특징으로 하는 3차원 디스플레이 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스크린은,
    상기 오목거울과의 거리가 F1인 것을 특징으로 하는 3차원 디스플레이 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스크린은,
    제1 방향으로는 제한된 각도로 빛을 산란시키고, 제2 방향으로는 모든 각도로 빛을 산란시키는 비등방성 스크린인 것을 특징으로 하는 3차원 디스플레이 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 방향은, 관찰자를 기준으로 수평 방향이고,
    상기 제2 방향은, 상기 관찰자를 기준으로 수직 방향인 것을 특징으로 하는 3차원 디스플레이 시스템.
  11. 영상출력부를 통해 복수의 영상들을 출력하는 단계;
    위치변경부를 통해 상기 출력되는 복수의 영상들의 출사 위치를 변경시키는 단계; 및
    광학계를 통해 상기 변경된 출사 위치와 무관하게 상기 출력되는 복수의 영상들을 스크린의 동일한 영역으로 투사하는 단계를 포함하고,
    상기 영상들의 출사 위치를 변경시키는 단계는,
    제1 거울을 통해 상기 영상출력부에서 출사되는 영상들을 반사하여 광축을 직각으로 변경시키는 단계;
    상기 제1 거울과 회전 반경만큼 이격되는 제2 거울을 통해 상기 제1 거울에서 반사된 영상들을 반사하여 광축을 직각으로 변경시키는 단계;
    제1 렌즈를 통해 상기 제2 거울에서 반사된 영상들을 상기 광학계로 전달하는 단계; 및
    모터를 통해 상기 제1 거울의 중심을 관통하는 축을 회전축으로, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울 및 상기 제1 렌즈를 회전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 방법.
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