KR101934890B1 - 광학 장치 및 광학 장치를 포함하는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스 - Google Patents

광학 장치 및 광학 장치를 포함하는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스 Download PDF

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즈와트 시에베 티. 드
씨. 엠. 크리즌 말세리누스 피.
펫제 피즐만
오스카 에이치. 윌렘센
마틴 지. 에이치. 히딩크
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

오토스테레오스코픽 디스플레이 렌즈 장치는 평행한 렌티큘러 렌즈들(11)의 어레이(9)를 포함하고, 렌즈 어레이는 평평한 기판들 사이에 샌드위치된 상이한 굴절률들(60, 62)의 제 1 및 제 2 물질들을 포함하고, 제 1 및 제 2 물질들의 경계면은 렌즈 표면을 정의한다. 제 1 물질은 굴절률(n1)을 가지며, 렌즈 어레이는 렌즈 피치(p)를 가지며, 렌티큘러 렌즈들은 중심에서 R의 곡선 반경을 가지며, 렌즈들은 n1 (p/2R) > 0.6을 만족한다. 이 장치는, 오토스테레오스코픽 디스플레이에 사용될 때 가파른 각도들로 세기의 손실 및 감소된 밴딩을 제공한다.

Description

광학 장치 및 광학 장치를 포함하는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스{AN OPTICAL ARRANGEMENT AND AN AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAY DEVICE INCORPORATING THE SAME}
본 발명은 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스를 위한 광학 장치 및 광학 장치를 포함하는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
기존의 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스가 도 1에 도시되어 있다. 이 기존의 디바이스(1)는 정적 이미지(static image) 또는 예컨대 비디오와 같은 동적 이미지들(dynamic images)의 형태로 디스플레이를 생성하기 위해 공간 광 변조기(spatial light modulator)로서 동작하는 디스플레이 픽셀들(5)의 행(row) 및 열(column)을 갖는 2차원 액정 디스플레이 패널(LCD)(3)을 포함한다. 명료화를 위해, 단지 적은 수의 디스플레이 픽셀들(5)이 도 1에 도시되어 있다. 실제로는, 디스플레이 패널(3)은 예컨대, 디스플레이 픽셀들(5)의 약 천개의 행들 및 수천개의 열들을 포함할 수 있다.
액정 디스플레이 패널(3)의 구조는 전체적으로 전통적인 것이다. 특히, 그것은 이격된 투명 글래스 기판들의 쌍을 포함하고, 그 사이에, 정렬된 트위스티드 네마틱(aligned twisted nematic) 또는 다른 액정 물질이 제공된다. 기판들은 그들의 면하는 표면들 상에 투명한 ITO(indium tin oxide) 전극들의 패턴들을 전달한다. 또한, 기판들의 외부 표면들 상에는 극성층들(polarizing layers)이 제공된다.
각각의 디스플레이 픽셀(5)은 박막 트랜지스터(TFT) 또는 박막 다이오드(TFD)와 같은, 스위칭 소자와 연관된다. 디스플레이 픽셀들은 어드레싱 신호들(addressing signals)을 스위칭 소자들에 제공함으로써 디스플레이를 생성하도록 동작되고, 적절한 어드레싱 방식들은 기술분야의 당업자에게 알려질 것이다.
디스플레이 패널(3)은, 이 경우에, 디스플레이 픽셀 어레이의 영역 위로 연장하는 평면 백라이트(planar backlight)를 포함하는 광원(7)에 의해 조명된다. 광원(7)으로부터의 광은 디스플레이 패널(3)을 통해 지시(direct)되고, 개별 디스플레이 픽셀들(5)은 광을 변조하고, 디스플레이를 생성하도록 구동된다.
디스플레이 디바이스(1)는 또한, 뷰 형성 기능(view forming function)을 수행하는, 디스플레이 패널(3)의 디스플레이 측 위에 배치된, 렌티큘러 시트(lenticular sheet; 9)의 형태로 렌즈 장치를 포함한다. 렌티큘러 시트(9)는 반원통형 렌티큘러 소자들(11)의 어레이를 포함한다. 각각의 렌티큘러 렌즈(11)는 세로축(10)을 가지며, 렌즈들은 그들의 세로축이 서로 평행하게 지향되도록 연장된다. 하나의 렌즈(11)만이, 명료성을 위해 확대된 크기로 도 1에 도시되어 있다. 그러므로, 서로 평행하게 연장하는 긴 렌티큘러 소자들(11)의 어레이는 디스플레이 픽셀 어레이 위에 놓이고, 디스플레이 픽셀들(5)은 이들 렌티큘러 소자들(11)을 통해 사용자 또는 뷰어에 의해 관찰된다. 렌티큘러 소자들(11)은 디스플레이 패널(3)로부터 디스플레이 디바이스(1)의 정면에 배치된 사용자의 눈들로, 상이한 이미지들 또는 뷰들을 제공하기 위해 광 출력 지시 수단(light output directing means)으로서 동작한다.
상술한 디바이스는, 생성된 디스플레이 또는 이미지가 다수의 뷰들을 포함하면, 효과적인 오토스테레오스코픽 또는 3차원의 디스플레이 디바이스를 제공한다. 이하에서, 이러한 디스플레이 또는 이미지는, 서브-이미지들 각각이 이미지에 의해 디스플레이될 오브젝트의 상이한 뷰를 나타내는 적어도 두 개의 서브-이미지들을 갖는 오토스테레오스코픽 이미지로 나타내어질 것이다. 이어서, 적어도 두 개의 뷰들은, 뷰어가 스테레오, 3D, 또는 오브젝트의 룩 어라운드 임프레션(look around impression)을 인식하도록, 렌즈 장치에 의해 디스플레이된다. 예컨대, 각각의 렌티큘러 소자(11)가 디스플레이 픽셀들(5)의 두 개의 열들과 연관되는 장치에서, 각각의 열에서의 디스플레이 픽셀들(5)이 각각의 2차원 서브 이미지의 수직 슬라이스(vertical slice)를 제공한다. 렌티큘러 시트(9)는, 사용자가 단일의 스테레오스코픽 이미지를 관찰하도록, 이들 두 개의 슬라이스들 및 다른 렌티큘러 소자들(11)과 연관된 디스플레이 픽셀 열들로부터 상기 시트의 정면에 배치된 사용자의 왼쪽 및 오른쪽 눈들로, 대응하는 슬라이스들을 지시한다.
이러한 디바이스의 변형예들에서, 렌티큘러 렌즈들은 디스플레이 패널 또는 오토스테레오스코픽 이미지의 픽셀 열 방향에 대해 경사각으로 경사진 그들의 세로축으로 지향될 수 있다. 상기 변형예는 수평 및 수직 디스플레이 패널 방향들 간에 공유하는 픽셀 해상도 손실에 있어서 이점들을 제공한다. 이것이 본 발명의 주제가 아니므로, 애플리케이션 레퍼런스의 효과들 및 모드에 대한 보다 상세한 설명에 대해서는, US6064424호에 행해져 있다.
본 발명의 목적은, 광학 장치 및 개선된 성능을 갖는 이러한 광학 장치를 포함하는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다.
이 목적은, 독립청구항들에서 정의되는 바와 같은, 광학 장치, 광학 장치를 사용하는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스, 및 광학 장치로 오토스테레오스코픽 이미지를 디스플레이하는 방법으로 달성된다.
종속청구항들은 이로운 실시예들을 정의한다.
본 발명은, 렌즈 모드에 있을 때, 렌티큘러 렌즈들의 어레이를 갖는 렌즈 장치를 갖는 광학 장치를 제공하고, 렌티큘러 렌즈 각각이 그것들이 렌티큘러 렌즈의 한 측을 입력한 후에, 렌티큘러 렌즈를 통해 광선들(rays)을 추적(trace)할 때, 수직으로 렌티큘러 렌즈 표면을 강타하는 적어도 하나의 광선이 존재하는, 특정한 렌즈 표면 모양을 갖는다. 렌즈 모드에서 이러한 광학 장치는, 크게 법선에서 벗어난 뷰잉각들(large off normal viewing angles) 아래에서 그것을 통해 이미지를 뷰잉할 때, 이미지 왜곡이 감소된다는 점에서 최적화된 광학 효과를 제공한다. 그래서, 오토스테레오스코픽 이미지들을 디스플레이하도록 적용될 때, 소위 밴딩 현상(banding phenomenon)에 대해 및/또는 데이라이트 크로스토크(daylight cross-talk) 및/또는 뷰어가 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스 상의 오토스테레오스코픽 이미지를 관찰하는 각도에 대한 오토스테레오스코픽 효과에 대한 의존성에 대해 현저한 개선이 얻어진다.
예컨대 도입부에서 설명된 종래의 디바이스에서와 같은, 원통형 렌티큘러 렌즈들의 사용과 연관된 특성이, 필드 만곡(field curvature)으로 인해, 세기 풋프린트(intensity footprint)가 뷰잉각에 대해 변한다는 점이, 본 발명자들에 의해 밝혀졌다. 세기 풋프린트는, 주어진 각도에서 렌즈를 통과한, 하나의 렌즈 폭을 갖는 평행 빔(parallel beam)으로부터 유도된 조명 영역의 사이즈로 고려될 수 있다. 풋프린트 사이즈는 디스플레이 픽셀면에서 측정된다. 협소한 풋프린트는, 렌즈가 디스플레이 픽셀면에서 초점이 맞는다는 것을 의미하고, 반면에, 보다 큰 풋프린트는, 렌즈가 다른 위치, 대략 디스플레이 픽셀면의 위 또는 아래에서 초점이 맞는다는 것을 의미한다. 큰 풋프린트는 뷰들의 각도 확산에 대응한다.
도 2는 y축(임의의 단위들(a.u.)에서) 상의 세기(I)와, 0°와 50° 사이(도 2의 왼쪽 상의 주석들)의 뷰잉각들(VA)에 대해 이미지에 기여하는 x축(밀리미터) 상의 픽셀면에서의 위치(P) 사이의 관계를 설명하는 그래프이다. 상기 그래프들은 광학적으로 등방성인 렌티큘러 렌즈를 갖는 디스플레이에 대응하고, 그것에 대해, 렌즈와 에어(air)의 굴절률들 사이에서 0.5의 렌즈 표면에서의 굴절률 차이가 존재한다. 도 2에서, 특정 뷰에 기여하는 픽셀들의 x축 상의 위치들이 디스플레이된다. 풋프린트 사이즈가 30°보다 큰 뷰잉각들에 대해 매우 크다는 것을 볼 수 있고, 여기에서, 픽셀들의 큰 물리적인 폭은 뷰에 기여한다. 점선들은, 픽셀 사이즈의 효과 및 렌티큘러들이 픽셀들의 열 방향에 대해 경사지는 경사각을 고려하여 최상급 분배(top-hat distribution)로 콘볼루트(convolute)된 후의 결과들임에 유의하자. 큰 풋프린트 사이즈는, 뷰들 간의 과도한 크로스토크를 생성하여 3D 임프레션을 감소시키는, 뷰들 사이에 과도한 중첩(overlap)을 야기하므로 바람직하지 않다.
큰 뷰잉각들에 대해 위에서 보여진 뷰들의 확대(broadening)에 부가하여, 아티팩트의 모이에 타입(Moire-type)으로서 종종 언급되는 밴딩 효과(banding effect)가 또한, 보다 작은 뷰잉각들에 대해 발생할 수 있다. 이것은, 렌티큘러 렌즈들의 초점이 증가하는 비정상 뷰잉각을 갖는 뷰어쪽으로 시프트(shift)한다는 사실에 의해 야기된다.
본 발명의 광학 장치의 렌즈 장치가 여러 가지 효과들을 감소 및/또는 완화시킨다.
청구범위에서, 용어 '제 1 및 제 2 층'이 반드시 연속층들을 의미하는 것으로서 고려되지는 않는다. 그러므로, 예컨대, 제 1 층은 제 2 굴절률을 갖는 제 2 층에 내장된 제 1 굴절률로 다수의 볼륨들(multiple volumes)로 구성될 수 있다. 이것은 또한, 본 발명에 따른 스위칭가능한 광학 장치들을 고려하는 설명을 참조하여 설명된다.
본 발명의 요구된 이로운 효과들은 청구항 제 1 항에 정의된 곱(product)의 크기를 증가시킴에 따라 증가한다. 그러므로, 예컨대, 그 디바이스에 의해 디스플레이되는 오토스테레오스코픽 이미지가 개선된 품질로 관찰될 수 있는 뷰잉각은 청구항 제 1 항에 정의된 곱를 증가시킴에 따라 증가한다. 그러므로, 바람직하게는, 렌즈 장치는, 곱가 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 또는 심지어 1.1보다 크도록 설계된다. 바람직하게는, 상기 곱는 필요한 물질들에 대해 광학 장치의 제조가능성(manufacturability)과 얻어진 효과 사이에 균형(balance)을 제공한다.
요구된 효과는 렌티큘러 렌즈들의 어레이 내의 렌즈 피치(lens pitch)에 의존한다. 렌즈 피치는 곡률 방향으로 측정된 렌티큘러 렌즈의 폭으로서 고려되는 것이다. 그러므로, 렌즈 피치는 예컨대 렌티큘러 렌즈(11)의 세로축에 수직으로 측정된다. 렌즈의 중심에서 곡률 반경은 렌티큘러 렌즈의 중간에서 측정되는 것으로서 곡률 반경이고, 또는 세로축(10)에 수직으로 취해진 렌티큘러 렌즈의 섹션(section) 내 렌즈 피치의 절반이다.
렌즈 피치는 디스플레이될 오토스테레오스코픽 이미지에 의해 결정되는 최소값으로써 구속될 수 있다. 예를 들어, 렌즈 피치의 보다 낮은 경계(boundary)는 오토스테레오스코픽 이미지의 뷰들의 해상도 또는 수에 의해, 디스플레이 디바이스에서 하나의 렌티큘러 렌즈와 연관되는 디스플레이 패널 픽셀들의 수 및 치수들에 의해 결정될 수 있다. 최소의 적용가능한 렌즈 피치를 사용할 때, 청구항 제 1 항에 정의된 바와 같은 곱는 적절한 곡률 반경 또는 제 1 굴절률을 갖는 렌즈를 설계함으로써 조정될 수 있다.
요구된 이로운 효과는 그것에 의해 투사되거나, 그것을 통해 관찰되는 오토스테레오스코픽 이미지에 대해 렌즈의 배향(orientation)에 의존할 수 있다. 이 의존성은 제 1 굴절률과 제 2 굴절률 사이의 굴절률 차이가 클 때 커질 것이다. 광학 장치 및 그것과 함께, 뷰어 측 및 디스플레이 측을 갖도록 렌즈 장치를 정의할 수 있다. 광학 장치는 바람직하게는, 얻어진 이로운 효과가 가장 크므로, 그것의 뷰어 측으로서 제 1 층을 갖는다.
렌즈 장치의 실시예에서, 제 1 굴절률은 제 1 및 제 2 굴절률들 중 가장 낮은 굴절률이다. 이것은, 특정한 설계를 위해 청구항 제 1 항에 정의된 설계 기준들에 기초하는 요구된 효과가 디스플레이될 오토스테레오스코픽 이미지에 대해 렌즈 장치의 배향에 무관하게 달성된다는 이점을 갖는다.
각각의 물질들의 굴절률들 간의 차이(Δn)가 바람직하게는, 특히 범위 0.05 내지 0.22로, 종래의 렌즈들에서보다 작다. 이것은, 위에서 설명된 배향에 대한 의존성을 줄이고, 그와 함께, 사용 자유도를 만들뿐만 아니라, 이들 굴절들에 의해 야기된 방해(disturbance)가 거의 없는 이미지들의 관찰을 인에이블하여, 굴절이 거의 없는 렌즈 장치를 제공한다. 다른 가능한 굴절률 차이 범위들은 0.05 내지 0.15 및 0.09 내지 0.12이다. 상기 차이는 0.1일 수 있다.
제 1 및 제 2 굴절률들의 가장 높은 굴절률은 그 범위가 1.4 내지 1.65에 있을 수 있다. 이것은, 예컨대 그것이 아크릴 물질 또는 폴리탄산에스테르(polycarbonate)를 포함하도록 적절한 제 1 또는 제 2 층을 제공함으로써 달성될 수 있다. 높은 굴절률이, 높은 곡률 반경이 사용되므로, 보다 구부러진 렌즈들을 제조하기에 보다 용이한 거의 구부러지지 않은 렌즈들을 트랜슬레이팅하는(translating), 제 1 굴절률이면, 높은 굴절률은 요구된 효과에 대해 특히 이롭다.
가장 낮은 굴절률을 갖는 층은, 예컨대 이 굴절률을 갖는 층이 실리콘 물질을 포함하는 것을 제공함으로써, 범위 1.3 내지 1.5에서 굴절률을 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 물질들은 실질적으로 같은 아베 수(Abbe number)를 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 층들은 모든 고체 물질로 만들어질 수 있어, 지지층들(support layers) 또는 기판층들이 필요하지 않다. 대안으로, 층들 중 하나, 예컨대 제 1 층은, 다른 층, 예컨대 제 2 층이 액체 또는 가스인 동안, 고체층일 수 있다. 이후, 하나의 고체층은 청구항 제 1 항의 정의에 따라 요구되는 렌티큘러 렌즈 표면의 모양을 가질 수 있다. 이러한 경우들에서, 지지층들은, 렌즈 장치가 지지층들 사이에 샌드위치되도록 광학 장치에 부가될 수 있다.
제 1 및 제 2 기판들은 바람직하게는, 예컨대, 폴리탄산에스테르 또는 다른 투명 물질들과 같은 평면 글래스(planar glass) 또는 폴리머 물질을 포함한다.
제 1 층은 볼록 렌티큘러 렌즈 모양들을 정의하는 렌즈층을 포함할 수 있고, 복제층(replica layer)을 포함하고, 볼록 렌티큘러 렌즈들 사이의 스페이싱(spacing)을 채우는 제 2 물질보다 높은 굴절률을 갖는다.
광학 장치는 렌즈 모드와 동작의 추가적인 모드 사이에서 스위칭할 수 있는 스위칭가능 장치일 수 있다. 추가적인 모드는 예컨대, 실질적인 렌즈 효과를 갖지 않을 수 있다. 렌즈 효과가 없는 추가적인 모드를 갖는 이러한 광학 장치는, 예컨대 텍스트 디스플레이에 이상적인 고해상도(high resolution)의 이점들을 갖는 추가적인 모드에서 2차원 뷰잉 및 렌즈 모드의 이점들을 갖는 오토스테레오스코픽 뷰잉을 인에이블한다. 스위칭가능 장치는 하나 이상의 전극들 및 하나 이상의 편광판들(polarisers)과 조합하여 액정 물질과 같은 전기-광학 물질 또는 층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따라, 이미지 제공 수단의 정면에 배치된 광학 장치 및 이미지 제공 수단을 포함하는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스가 제공된다. 이미지 제공 수단은 바람직하게는, 오토스테레오스코픽 이미지를 정의하기 위해, 행들 및 열들로 배열되어 있는 디스플레이 픽셀들 또는 이미지 픽셀들의 어레이를 포함한다. 광학 장치는, 광학 장치의 렌즈 모드에서, 디스플레이 픽셀들 또는 이미지의 그룹들의 출력들의 방향이 복수의 뷰들로서 각각 상이한 방향들로 투사되도록 배열된다. 이미지 제공 수단은, 예컨대 오토스테레오스코픽 우편엽서 또는 사진과 같은, 임의 종류의 형태로 정적 이미지(static image)를 제공하는 수단일 수 있다. 대안으로, 이미지 제공 수단은 정적 및/또는 동적 오토스테레오스코픽 이미지들을 제공하는 전자 디스플레이 수단일 수 있다. 이러한 전자 디스플레이 수단은 액정 디스플레이, 플라즈마 디스플레이, 음극선관 디스플레이, 또는 광 방출 다이오드 기반의 디스플레이를 포함하지만 그것에 제한되지 않는다. 오토스테레오스코픽 디스플레이는 앞에서 설명된 바와 같은 이점들로부터 이득을 얻는다. 특히, 렌즈 모드에서, 제 1 층이 광학 장치의 뷰어 측 상에 있을 때, 광학 장치가 위치되는 디스플레이는, 위에서 설명된 바와 같이 얻어진 이점에 대해 이롭다.
광학 장치는 이미지 디스플레이 수단으로부터 수동으로 부착 및/또는 탈착가능할 수 있다.
본 발명에 따라, 본 발명에 따른 렌즈 장치를 통해 오토스테레오스코픽 이미지를 투사하고, 오토스테레오스코픽 이미지를 제공하는 것을 포함하는 오토스테레오스코픽 이미지를 디스플레이하는 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예들이, 첨부된 도면들을 참조하여, 여기에 단순히 예로써 설명될 것이다.
본 발명은 광학 장치 및 개선된 성능을 갖는 이러한 광학 장치를 포함하는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스를 제공한다.
도 1은 기존의 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스의 개략적인 투시도를 도시하는 도면.
도 2는 0°와 50° 사이의 뷰잉각들에 대해 도 1의 디바이스에 의해 생성된 이미지에 관한 픽셀면에서 세기와 위치 사이의 예시적인 관계를 도시하는 그래프도.
도 3은 기존의 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스의 개략적인 단면도.
도 4는 도 4의 기존의 렌즈 구조에 의해 발생할 수 있는 큰 뷰잉각들에서, 뷰 중첩, 뷰 확대, 및 세기 손실을 상세히 도시하는 그래프도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스의 예에 대한 개략적인 단면도.
도 6은 본 발명의 렌즈 장치에 의해 달성되는 큰 뷰잉각들에서 세기의 개선 및 뷰 확대의 감소를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 렌즈 장치에 의해 달성되는 뷰 중첩의 감소를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 렌즈의 성능이 종래의 렌즈와 얼마나 다른지를 보여주는 도면.
도 9는 도 8의 확대된 뷰를 도시하는 도면.
도 10은 렌즈 함수(lens function)가 픽셀 구조를 프로브(probe)하는 함수로서 어떻게 고려될 수 있는지에 대해 나타내는 도면.
도 11은 빔 세기 분포 함수를 도시하는 도면.
도 12는 다른 단면들에서 빔 프로파일 스펙트럼(beam profile spectrum)의 파워 감쇠를 도시하는 도면.
도 13은 입력각들의 범위들의 선명도 교차 범위들(sharpness across ranges)에 대해 본 발명의 렌즈와 종래의 렌즈 사이의 차이를 설명하는데 사용되는 도면.
도 14는 본 발명의 렌즈에 대한 최대 선명도의 플로트(plot)를 도시하는 도면.
도 15는 본 발명의 렌즈가 어떻게 개선된 선명도를 제공하는지를 개략적으로 도시하는 도면.
도 16은 다양한 렌즈 기하학 파라미터들(lens geometrical parameters)을 도시하는데 사용되는 도면.
도 17은 수직의 광 입사(perpendicular light incidence)가 보증되는 영역을 도시하는데 사용되는 도면.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스의 예의 개략적인 단면도.
도면들의 치수들은 스케일에 따르지 않으며, 동일한 도면번호들이 명세서에 걸쳐 동일한 요소들을 나타낸다.
도 3은 전형적인 기존의 오토스테레오스코픽 또는 3D 디스플레이 디바이스(30)를 개략적으로 도시한다. 그것은, 글래스 스페이서 플레이트(glass spacer plate; 32)와 함께, LCD 디스플레이(31)의 형태로 디스플레이 패널로 구성된다. 3D 디스플레이 디바이스는 그것의 광학 장치로서, 예컨대 글래스 기판(34) 위의 아크릴 렌즈(35)를 포함하는 렌즈 장치(33)를 갖는다. 도 3은 렌티큘러 렌즈들의 세로축에 수직인 도 1의 디스플레의 단면도를 도시한다. 렌즈 피치 어레이(p)와 동일한 폭을 갖는 3개의 렌즈들(35)이 도시되어 있다. 이 설계에서, 렌즈 경계, 즉 글래스 기판(34)과 반대인 그것들의 측에서의 렌즈들(35)의 표면에서 굴절률 차이는, 경계면이 예컨대 1.5의 굴절률을 갖는 렌즈층과 에어(air) 사이에 있으므로, 대략 0.5이다.
이 특정한 경우에서, 9개의 디스플레이 픽셀들은 모든 렌티큘러 렌즈(35)와 연관되고, 각각의 렌즈가 9개의 픽셀들의 그룹(36)을 중첩시키고, 그것과 함께, 원리적으로, 각각의 픽셀 이미지가 상이한 방향으로 하나의 중첩하는 렌즈에 전달되므로 9개의 뷰들을 생성한다는 것을 의미한다.
도 4a는 도 3의 형상에 따라 42 인치(107cm)의 제품에 대해 뷰잉각(VA)의 함수로서 광 세기(I)를 도시한다. 곡선들의 보다 작은 세트는, 명확성을 위해, 모두가 도면번호로 나타내지지 않은, 각각의 뷰들(41)을 도시한다. 모든 뷰들에 대해 통합된 전체 세기는 상부 곡선(42)에 도시된다.
0.4 라디안들을 넘어 증가하는 각도들에 대해, 예컨대 1/2 최대에서 풀(full) 대역폭으로서 측정된 뷰어들(41)의 폭은 상당히 증가하고, 이것은 또한, 세기(I)에서 드롭(drop)에 의해 수반된다. 세기의 드롭은 특별히, 0.5 라디안들을 넘는 뷰잉각들에서 뷰들(41)로부터 명백하다. 세기의 드롭은 또한, 도 4a의 그래프에서 아래쪽으로 굽어진 상부 곡선(42)로부터 발견된다. 뷰 폭은 곡선들의 측들이 덜 가파르게 되기 때문에, 증가하는 것으로 보여질 수 있다. 도시된 바와 같이, 도 4b는 뷰잉각(VA)의 함수으로서 이웃하는 뷰들(41) 간의 중첩(O)을 도시한다. 중첩(O)은 도 4c에 정의되어 있다. 정의에 의해, 두 개의 완전히 분리된 뷰들은 제로 중첩을 가지며, 동일한 뷰들은 1과 같은 중첩을 갖는다. 도 4b에서, 중첩의 비교적 가파른 증가는 0.4 라디안을 초과하는 각들에 대해 일어난다. 중첩이 클 수록, 뷰들 사이에서 크로스토크가 더 커진다.
또한, 세기 변화들이 특별히 범위들(43)에서의 뷰잉각들에 대해 예컨대 대략 -0.1 내지 -0.6 또는 0.1 내지 0.6 라이안들의 뷰잉각들 사이에서 일어난다는 것이, 상부 곡선(42)로부터 관찰된다. 이들 변화들은 앞에서 언급된 밴딩(banding)으로서 뷰어들에 의해 감지된다.
본 발명은 그것의 렌즈 모드에서, 두 개의 상이한 물질들의 주름진 경계면(corrugated interface)로 구성되는 렌즈 어레이를 갖는 광학 장치를 제공한다. 렌즈 형상 및 물질 조성은, 본 발명의 이로운 효과를 얻기 위해, 아래에서 추가적으로 설명되는 바와 같이, 렌즈 성능을 최적화하는 방식으로 설계된다.
도 5는 본 발명에 따른 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스(50)의 실시예를 도시한다. 디바이스는 글래스 플레이트(52)와 함께 디스플레이 패널(51)의 형태로 이미지 형성 수단을 갖는다. 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스는 이미지 형성 수단의 상부 상에 본 발명에 따른 광학 장치(53)를 갖는다. 이 특정한 경우에, 상기 장치는 스위칭불가능하고, 영구히 그것의 렌즈 모드에 있다. 실시예는 그것들의 세로축과 평행하게 향해지는 반 원통 렌티큘러 렌즈들(55)의 어레이를 포함한다. 렌즈 어레이는 평면 글래스 기판들(54,57) 사이에 샌드위치된 제 1 층(55A) 및 제 2 층(55B)을 포함한다. 제 1 층(55A)과 제 2 층(55B) 사이의 경계면은 주름진 렌즈 표면(58)을 규정한다. 이 특정한 경우에서, 제 1 및 제 2 층들은 광학적으로 등방성이고, 가시광선 스펙트럼 내에서 방사를 위해 0.05 내지 0.22 사이의 굴절률 차이를 갖는다.
제 1 층(55A)은 볼록 렌티큘러 렌즈 모양들을 규정하는 렌즈층을 포함한다. 본 실시예에서, 이 층은 약 1.5의 굴절률을 갖는 물질, 예컨대 80% 에톡실레이트 비스페놀 A 디아크릴산(Ethoxylated bisphenol A diacrylate)("사르토머 컴퍼니 인크(Sartomer Company, Inc)"의 SR-349) 및 약 1.53의 굴절률을 갖는 20% TMPTA(trimethylolpropane triacrylate)를 포함하는 아크릴 물질을 포함한다. 제 2 층(56)은 실리콘 러버 물질(silicone rubber material)("와커 케미컬스 인크(Wacker chemicals Ins)"의 엘라스토실(Elastosil) RT604)로 만들어지고, 약 1.41의 굴절률을 갖는다.
상기 예가 제 1 및 제 2 층들의 이하에서 언급된 조합으로 설명되지만, 다른 층들의 조합들이, 본 발명의 일반적인 개념 내에서 동일하게 잘 적용될 수 있다. 그러므로, 예를 들어, 제 1 층의 굴절률은, 약 1.59의 굴절률을 갖는 폴리탄산에스테르가 실리콘 러버 물질과 함께 사용될 수 있도록, 1.4 내지 1.6 사이에 있을 수 있다. 또한, 적절한 굴절률들을 갖는 다른 물질들이 본 발명의 효과의 손상 없이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 위에서 정의된 물질들에 대해 굴절률 차이의 범위 또는 굴절률들의 범위들에 제한되지 않는다. 언급된 물질들은, 굴절률의 요구된 차이가 본 발명에 따른 렌즈 표면에 대해 요구된 렌즈 피치 및 곡률 반경에 관하여 얻어지도록 선택된 적절한 굴절률을 갖는 임의의 다른 물질들에 의해 교체될 수 있다. 다양한 변형예들이 기술분야의 당업자에 의해 명백할 것이다.
본 실시예의 아크릴 물질 렌즈 구조는 복제 처리(replication process)에 의해 만들어질 수 있다. 이러한 처리에서, 렌즈, 즉, 예컨대 층(55A)의 모양에 보완적인(complementary) 릴리프 표면(relief surface)을 갖는 몰드(mould)가 제공된다. 복제 스텝에서, 몰드의 릴리프 모양을 취하고, 그 모양으로 고정되도록 몰드와 접촉하여, 층 물질이 주어진다. 결과로서, 렌즈는 예컨대, 몰딩 동안 또는 그 후에 강도(strength)를 제공하기 위해 기판 층(57)에 부착될 수 있다. 기판은, 그것이 단지 복제 처리 동안 렌즈 구조를 유지하는 것이면, 제거될 수 있다. 기판 층과 함께, 또는 가능하다면 기판층이 없이, 복제된 렌즈는 예컨대 글래스 플레이트 또는 플라스틱 플레이트와 같은 지지층에 의해 지지되는 실리콘층에 내장된다. 앞에서 언급된 아크릴 물질은 이러한 처리에 편리하게 사용될 수 있다. 하지만, 이러한 방식에서 몰딩될 수 있는 임의의 다른 물질이, 최종 결과가 다른 층의 굴절률과 비교할 때 적절한 굴절률을 갖는 층이기만 하면, 사용될 수 있다. 대안으로, 실리콘층은 지지층의 응용에 선행하는 복제된 렌즈에 적용된다. 기판층 또는 지지층 중 임의의 하나는 예컨대 글래스(glass)로 만들어질 수 있다. 글래스는 무엇보다, 평평한 표면을 갖는 이점을 가지며, 디스플레이 산업에서 일반적으로 사용된다. 기판층 및/또는 지지층은, 결과적인 구조가 원하지 않은 왜곡들 등으로부터 보호되도록, 제조 스텝들 동안 가능한 조건들에 견딜 수 있어야 한다는 것이 명백해질 것이다.
대안으로, 렌즈 구조는 기계적으로 기계화(machined)될 수 있다. 일반적으로, 이것은 기계화 조건들(machining conditions)(온도 및 압력)에서 단단한 렌즈 물질들을 필요로 한다. 예를 들어, 폴리탄산에스테르 렌즈는 이 방식으로 이롭게 만들어질 수 있다.
도 5의 실시예에서, 렌즈 장치(53)는 본 발명에 따라 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스(50)에 포함된다. 여기에서, 렌즈 장치는 글래스 스페이서 플레이트(32)를 갖는 LCD(31)의 형태로 디스플레이 패널에 부착된다.
도 6은 도 5의 형상에 따른 42인치(107cm) 제품에 대해 뷰잉각(VA)의 함수으로서 광 세기(I)를 도시한다. 도 4에서와 같이, 곡선들(61)(모두 도면번호들로 주석이 달린 것은 아님)의 보다 낮은 세트는 각각의 뷰들을 보여준다. 총 세기는 상부 곡선(62)에서 도시된다.
도 3의 구조에 대한 통상적인 렌즈 반경은 2.212 밀리미터이지만, 도 6에서, 렌즈 반경(R)은 단지 0.519밀리미터이다. 이것은, 초점 거리가 렌즈 표면을 정의하는 층들의 굴절률 차이와 대략 렌즈 반경(R)의 몫(quotient)과 같기 때문이며, 그러므로, 초점 거리 파라미터는 도 3의 기존의 렌즈 구조와 동일한 애플리케이션에 사용되도록 본 발명의 렌즈 구조에 대해 대략 일정하게 유지된다. 정확히 요구되는 반경은 밴딩 세기를 최소화하도록 결정될 수 있고, 이것은 아래에서 설명된다. 감소된 렌즈 반경은, 렌즈가 동일한 영역을 커버하면, 즉 디스플레이 수단의 픽셀들의 동일한 수의 열들을 커버하면, 보다 깊은 렌즈들을 초래한다. 이 경우에, 그것은 도 3 및 도 5의 그룹들(36 또는 56) 각각에서 9개의 픽셀들이다.
도 6은, 낮은 세기 테일(low intensity tail)과 별개로, 뷰들의 확대는 본 발명의 설계와 거의 무관함을 도시한다. 더욱이, 밴딩은 상당히 감소된다. 이것은 부분적으로, 렌즈의 다소 작은 필드 곡선 때문이다. 유사한 형상에 대해, 뷰어쪽으로 향하는 렌즈의 아크릴 부분으로, 유사한 동작들이 관찰되지만, 뷰들의 낮은 세기 테일로, 원점으로부터 이격되어 지향된다.
도 7은 도 4b에 비하여 뷰잉각의 함수으로서 중첩을 도시한다. 본 발명의 렌즈 설계를 위해, 중첩 곡선(overlap-curve)은 매우 평평하다. 설계는 큰 비정상 뷰잉각들(VA) 하에서 뷰잉 경험에서 현저한 향상을 제공한다.
크로스토크 및 밴딩의 감소에 부가하여, 도 5의 설계는 낮은 반사력의 부가적인 평균(additional advantage)을 갖는다. 상부 글래스 플레이트의 상부 평면들은 반굴절 코팅(anti-reflection coating)으로 쉽게 코팅될 수 있다. 낮은 굴절률 차이로 인해, 렌즈 구조 자체는 낮은 반사를 갖는다. 또 다는 이점은, 디스플레이의 외부 표면이 평평하거나 견고하다는 점이다. 렌즈 장치 기판들 중 하나가 이 함수를 제공할 수 있으므로, 디스플레이 정면에서 부가적인 보호 플레이트(additional protective plate)에 대한 필요성이 존재하지 않는다.
그러므로, 본 발명의 렌즈 설계는 각도 의존성 크로스토크의 감소, 밴딩의 감소, 낮은 반사력, 및 상술한 여러 가지 이유들에 대한 이점들을 갖는 견고한 평평한 측들(robust flat sides)로 배치될 수 있는 설계를 제공한다.
위에서 주어진 예들에서, 제 1 및 제 2 층들이 기판층들 사이에 샌드위치되지만, 이것은 강제적인 것이 아니다. 실시예에서, 제 1 층(55A) 및 기판층(57)은 하나 및 동일한 층이다. 따라서, 제 2 층(55B) 및 기판층(54)은 하나 및 동일한 층일 수 있다. 이것은 특별히, 제 1 및 제 2 층들이 기판층들이 필요하지 않도록 충분히 강할(strong)때 일 수 있다.
본 발명에 따른 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스의 대안의 실시예에서, 위에서 주어진 실시예들에서 디스플레이 패널의 일부인 층(52)이 렌즈 장치의 기판층을 형성할 수 있어, 비용 부담 또는 제조 시간을 감소시키는 기회를 가지며, 이들 층들의 함수를 조합한다.
상술한 바와 같이, 렌즈 어레이는 굴절률 차이에 기초할 뿐만 아니라, 렌즈의 형상, 특히 렌즈의 반경(R) 및 렌즈 피치(p)에 기초하여 설계된다.
도 8은, 높은 굴절률 차이 및 작은 곡률(도 8의 상부)을 갖는 렌즈(80)의 성능이 낮은 굴절률 및 큰 곡률(도 8의 하부)을 갖는 렌즈와 어떻게 상이한지를 개략적으로 도시한다. 도 8의 상부는, 경계면들 중 하나에서 에어에 대해 굴절률 차이 0.5를 가지며, 초점 거리의 0.333 배의 렌즈 반경을 갖는 렌즈를 도시한다. 도 8의 하부는 굴절률 차이 0.1 및 초점 길이의 0.067 배의 렌즈 반경을 갖는 렌즈를 도시한다.
왼쪽으로부터 들어오는 렌즈(80)에 광이 입력된다. 높은 굴절률 에어 렌즈는 잘 정의된 초점(81)을 잘 형성된 빔에 제공한다. 낮은 굴절률 차이 렌즈는 보다 큰 곡선을 가지며, 그러므로, 보다 많은 구면 수차들(spherical aberrations)을 갖는다. 렌즈 뒤의 빔은 영역(82)에서 소위 "부식제들(caustics)"을 도시한다. 이 영역에서, 광선(rays)은 서로를 따라붙고(catch up), 국부적인 높은 세기를 제공한다. 초점 거리(f)는 광선들이 축 교점에 근접하는 렌즈 뒤의 거리이다.
도 9는 도 8로부터 보다 낮은 예의 확장된 뷰를 도시한다. 빔을 따라 여러 가지 위치들에서 세기 분배가 도시된다. 부식제들이 발생하는 영역(80)에서, 빔들은 세기 최대(플로트 90 참조)를 갖는 두 개의 궤적들(loci)을 보여준다. 부식제들(플로트 92)의 팁(tip)에서, 두 개의 궤적들은 높은 세기의 한 포인트를 형성하기 위해 일치한다. 이 포인트의 오른쪽에 대해, 세기 분배는 다시 스무드(smooth)하게 된다. 플로트(90)는 렌즈의 "부식제 에지(caustic edge)"로 고려될 수 있고, 플로트(92)는 "부식제 팁"이다.
본 발명은 가장 나쁜 광학 수차들(worst optical aberrations)을 겪는 이 광학 성능이 어떻게 위에서 설명된 바와 같이 개선된 각도 성능을 초래하는지에 대한 이해에 기초한다. 렌즈 설계가 광학 시스템의 성능에 어떻게 영향을 미치는지를 이해하기 위해서, 렌즈 함수는 픽셀 구조를 프로브하는 함수으로서 고려될 수 있다. 이것은, 도 10에 개략적으로 설명된다. 왼쪽 부분은, 픽셀 어레이(110)의 픽셀들과 연관된 광을 변조하는, 도시되지 않은 렌즈에 의해 생성된, 빔 프로파일(100)을 도시한다. 이것은, 도 10의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 저역통과 필터 콘볼루션 함수(low pass filter convolution function)이다.
콘볼루션 함수는, 정보 엔트로피(용어, 정보 엔트로피에 대한 보다 상세한 설명을 위해, 예컨대, 통신에 대한 수학이론에서 씨.이.샤논(C.E.Shannon), 1948년 7월, 10월에 벨 시스템 기술 저널, 볼륨 27, 379 내지 423, 623 내지 656 페이지 참조)의 손실을 야기한다.
도 11a는 값(I(y))로서 빔 세기 분배 함수(100)을 도시하고, 여기에서, y는 중심축으로부터의 변위(displacement)이다.
엔트로피 손실은 함수(100)의 푸리에 변환에 기초한다:
Figure 112015062688640-pat00001
엔트로피 손실은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112015062688640-pat00002
도 11b는 엔트로피 손실을 유도하는데 사용되는 로그 값을 도시한다.
가장 느리게 붕괴하는 로그 함수(즉, 가장 느리게 붕괴하는 파워 스펙트럼)을 갖는 빔 프로파일은 가장 적은 정보 손실(도 11의 곡선과 x축 사이의 가장 작은 영역)을 가지며, 그러므로, 가장 높은 주파수들을 포함한다. 이것은 "선명도" 함수를 나타내도록 고려될 수 있다.
도 12는 오른쪽에서, 상이한 단면들에서 빔 프로파일 스펙트럼 중 파워 스펙트럼의 붕괴를 도시한다. 명백히, 부식제 팁에서 프로파일은 가장 느리게 붕괴하는 파워 스펙트럼을 갖는다. 부식제 팁이 존재하지 않으면, 그것은 렌즈 상의 빔의 입사에 대해 상당히 큰 각도들에서, 부식제 에지에서 프로파일이 차선의 빔 프로파일 스펙트럼을 갖는 경우이다.
위의 분석은, 프로파일의 파워 스펙트럼이 가장 느리게 붕괴하는 포인트로서, 최대 선명도 포인트가 정의되게 한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 낮은 굴절률 차이 렌즈와 종래 렌즈 사이에 명백한 차이가 존재한다.
플로트(130)는, 렌즈의 중심에 가까운 렌즈 표면을 침범하는 인접 광선들의 교점(intersection)(렌즈 표면과 광학축의 교차)으로서 정의되는 초점의 위치이다. 플로트(132)는 빔의 RMS(Root Mean Square) 폭이 가장 작은 포인트의 위치이다. 빔의 단면이 가장 작은 포인트를 상이하게 언급하였다. 상당한 차이는 플로트(134)에 의해 도시된 최대 선명도 포인트이다. 낮은 Δn 렌즈에 대해, 이 곡선은 일반적인 렌즈와 비교할 때, 훨씬 큰 곡률 반경을 갖는다. 이것은, 보다 큰 입사각들에 대해, 최대 선명도 포인트가 원래 초점 평면에 비교적 훨씬 근접하게 된다는 것을 의미한다. 실제로, 낮은 Δn 렌즈에 대한 곡선은 렌즈의 중심 주변을 회전하는 부식제 팁 포인트에 의해 만들어진다(이 경우에, 중심은 렌즈를 형성하는 구(sphere)의 중심을 의미함). 일반적인 렌즈에 대해, 보다 큰 각도들에 대한 곡선은 부식제 에지 영역(팁이 없음) 상의 포인트에 의해 만들어진다.
그러므로, 렌즈가 모든 입사각들을 커버하는 부식제 팁 영역을 제공하도록 설계될 수 있고, 선명도가 개선될 수 있음이 이해될 수 있다. 도 14는 최대 선명도의 플로트를 도시하고, 부식제 팁 영역(140) 및 부식제 에지 영역(142)을 도시한다. 부식제 팁은, 들어오는 광선들 중 하나가 렌즈 표면을 수직으로 강타하는 경우에 존재한다. 이 광선은 렌즈 표면을 정의하는 구의 중심을 통과한다. 광선들의 입사각이 매우 크면(렌즈의 주어진 개구(aperture)에 대해), 팁은 더 이상 존재하지 않는다.
이것은, 렌즈에 대한 설계 파라미터들의 세트가 결정되게 한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 들어오는 광선들은 광학 장치의 제 1 층 내에서 각도 범위를 제한하는, 법선(normal)으로 굽어진다. 렌즈는 충분히 작은 Δn으로 설계될 수 있고, 즉 렌즈가 충분히 만곡하고 있어, 모든 들어오는 각도에 대해(에어에서 풀 각도 범위에 대응함), 적어도 하나의 광선이 렌즈 표면을 수직으로 강타한다. 이어서, 이 설계 규칙은 픽셀면에 근접한 가장 좋은 선명도의 영역을 제공하여, 위에서 약술된 이점들을 제공한다.
디스플레이의 픽셀면은 수직선(150) 근처에 있고, 뷰어는 왼쪽에 있다. 간략화를 위해, 도 15는 뷰어로부터 디스플레이 쪽으로 지향된 광선들을 도시하지만, 분석은 뷰어에게 디스플레이 픽셀들을 통해 지향된 광을 고려할 때 변하지 않는다.
차례로, 위에서 설명된 개선된 선명도를 초래하는, 이 연속적인 부식제 팁을 제공하기 위해 렌즈 설계를 특징으로 하는 많은 방식들이 존재한다.
도 16은 다양한 렌즈 형상 파라미터들을 도시하는데 사용된다.
뷰들의 수는 렌즈 피치(p)에 의해 결정된다. 기본 콘 각(primary cone angle: γ)으로써 정의된, 뷰잉각들의 범위는 렌즈 피치(p), 픽셀면(40)에서 렌즈까지의 거리(d), 및 굴절률(n2)에 의해 결정된다.
p, d, n1 및 n2가 주어지면, 렌즈 반경(R)은 최소 밴딩을 위해 최적화된다. 이 렌즈 반경(R)은, 도시된 예에서 거리(d)보다 약간 큰, 초점 길이(f)를 결정한다. LCD 패널의 검은 마스크층의 이미징 효과를 감소시키기 위해, 초점 거리로부터 픽셀 어레이를 오프셋(offset)하는 것이 알려져 있다.
상술한 낮은 굴절률 차이에 부가하여, 렌즈의 광학 성능은 파라미터(n1)(p/2R)에 의해 특징화될 수 있고, 여기에서, n1, p 및 R의 값들 모두가 도시되고, 도 16을 참조하여 설명된다. 이 무한한 파라미터는 초점 거리뿐만 아니라, 렌즈 곡선을 고려하고, 그것이 렌즈 본체에 들어가므로 광의 휨을 고려한다. 특히, n1은 뷰어 측 상의 렌즈 장치의 일부로서 정의되고, 이것은, 뷰어 측 상의 에어 경계면에서 휨을 고려한다. 이 파라미터는, 만족될 렌즈 표면에 수직으로 광이 입사하도록 하는 필요조건을 인에이블한다.
도 17은, 그늘진 영역으로서 수직 입사가 보장되는 영역을 도시한다. 그늘진 영역의 경사진 왼쪽 경계는 아래 수식에 의해 결정된다:
Figure 112015062688640-pat00003
Figure 112015062688640-pat00004
오른쪽 수직 경계는 아래 수식에 의해 주어진다:
Figure 112015062688640-pat00005
원형 렌즈에 대해, 피치는 반경의 두 배를 초과할 수 없고, 이것은 오른쪽 경계를 결정한다.
도 17에서 영역의 경계는
Figure 112015062688640-pat00006
에 기초하고, 경계 내의 포인트들은
Figure 112015062688640-pat00007
을 만족한다.
본 발명은 보다 일반적으로,
Figure 112015062688640-pat00008
의 값들에 적용된다. 보다 바람직하게는,
Figure 112015062688640-pat00009
이다. 보다 바람직하게는,
Figure 112015062688640-pat00010
이다.
도 17에서, 영역(180)은 실현가능한 렌즈 형상들을 나타내고, 영역(182)은 렌즈 본체(n1=1을 제외)에 대해 현재 가장 쉽게 이용가능한 물질들을 나타낸다. 이것은 현재 이용가능한 물질들에 기초하고, 본 발명의 가장 선호되는 렌즈 설계 파라미터 범위를 만족시키는 영역(184)을 제공한다.
도 8 내지 도 17의 예들은 뷰어에 포인팅(pointing)하는 바깥쪽으로 굽은 렌즈 면들을 갖고 n1<n2를 갖는다. 렌즈들이 예컨대 도 5에 도시된 바와 같이, 역방향으로 포인팅하는 형상에 대해 동일한 관계가 유지된다. 이 경우에, 바깥쪽으로 굽은 렌즈면들은 디스플레이 패널쪽을 가리키고, 포지티브 렌즈(positive lens)를 생성하기 위해 n1>n2를 갖는다.
본 발명은 모든 타입들의 포지티브 렌즈들에 적용가능하고, 모든 타입들의 렌티큘러 렌즈 기반의 오토스테레오스코픽 디스플레이들에서 이로운 효과를 갖는다. 그러므로, 본 발명에 따른 굴절률의 관계, 렌즈 피치, 및 렌즈 표면 곡률이 만족되고, 이로운 효과가 얻어지는 한, 렌즈 경계면을 형성하는 층들 간의 굴절률 차이는, 작을 필요가 없다.
실제로, 렌즈 시스템은 2 또는 3 이상의 미디어, 예컨대 중간 글래스 플레이트들/층들 또는 에어 갭들(air gaps)로 구성될 수 있다.
위의 논의 및 분석은 구형 렌즈들(spherical lenses)에 기초한다. 하지만, 구형 렌즈들이 사용될 수 있다(예컨대, 2개의 효과적인 반경들을 가짐). 위의 분석은 렌즈의 중심에서(중심 광학 축을 따라) 효과적인 렌즈 반경에 기초하는 것으로 고려될 수 있다.
물질의 굴절률은 광의 파장에 의존한다. 이것은 일반적으로, 소위 "아베 수(Abbe number)"에 대해 표현된다. 파장 의존성으로 인해, 렌즈의 초점은 광의 컬러에 의존한다. 굴절률의 작은 차이만을 갖는 두 개의 물질들의 렌즈를 만들 때, 전체로서 렌즈의 컬러 의존성은 대략적으로, (nacrylic-nair)/(nacrylic-nsilicone)
Figure 112015062688640-pat00011
5의 팩터(factor)로 확대하고, 컬러 의존성 밴딩(color dependent banding)을 얻는다. 이를 회피하기 위해, 상이한 물질들의 아베 수가 매칭된다.
아베 수는 아래와 같이 정의된다.
Figure 112015062688640-pat00012
여기에서, nD, nF, nC는 D-, F-, C- 스펙트럼 라인들(각각 589.2nm, 486.1nm, 656.3nm)에서 물질의 굴절률이다.
"가시광선"에서 상술한 굴절률 차이들은 가시 스펙트럼(visible spectrum), 예컨대 587.5618nm에서 D3 헬륨 라인 내의 단일 포인트에서 측정된 것으로 고려될 수 있다.
렌티큘러 렌즈들은 바람직하게는, 디스플레이 픽셀들의 열들에 대해 경사지고, 이것은, 디스플레이 행과 열 방향들 사이의 렌즈 어레이로부터 얻어지는 해상도(resolution)의 손실을 공유하는 기존의 조치이다.
액정 디스플레이의 설계는 상세히 설명되지 않으며, 또한 요구된 다수의 뷰들을 생성하는 필요한 이미지 처리를 상세히 설명하지 않는다. 모든 표준들이 존재하고, 본 발명은 렌즈 설계만의 변경을 제공한다.
위의 예에서, 렌즈층(60)은 아크릴 물질이지만, 그것은 대신에, 폴리탄산에스테르 물질(굴절률 n=1.59 내지1.60)일 수 있고, 이것은 제 2 물질층(62)로서 실리콘 물질과 조합될 수 있다.
도 18a 및 도 18b에 의해 나타내지는 바와 같은 실시예에서, 광학 장치는, 렌즈 표면을 정의하는 층들 간의 경계면이 실질적으로 평평한, 도 18b에 의해 나타내지는 바와 같은 영역(200)을 가질 수 있다. 이 비렌즈(nonlens) 영역은 예컨대 임의의 종류의 2D 데이터를 디스플레이하는데 사용될 수 있다. 이어서, 비렌즈 영역(200)은 렌즈 영역(도 18a)과 같은 굴절률 차이를 가져, 두 개의 영역들 간의 경계가 마스크되고, 즉 낮은 굴절률 차이들을 갖는 렌즈 영역의 층형 구조(layered structure)를 비렌즈 영역이 구비하는 않는 상황에 비해 뷰어에 대해서 거의 눈에 보이지 않는 이점을 갖는다. 그래서, 디스플레이 외관(display appearance)이 개선된다. 다수의 이러한 영역들이 제공될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 렌즈 영역들이 필요에 따라 제공될 수 있다는 것이 명확할 것이다. 이러한 것은, 동시에 3D 데이터 및 2D 데이터를 제공해야 하는 디스플레이 시스템들에 중요할 수 있다. 낮은 굴절률을 갖는 두 개의 층들을 갖는 비렌즈 영역을 갖는 이 장치 및 대응하는 디스플레이는 또한, 설명된 이점의 손실 없이 본 발명에서, '곡률 반경의 2배로서 나누어지는 렌즈 피치와 제 1 굴절률과의 곱이 0.6 이상'인 특징으로써 정의되는 것으로서 렌즈 반경의 요구사항과 무관하게 사용될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 디스플레이들에 사용될 수 있고, 이것은 전자 포토 프레임들(electronic photo frames) 및 다른 디스플레이 출력 디바이스들을 포함한다.
다양한 변형예들이 기술분야의 당업자들에게 명백할 것이다.
바람직하게는, 렌즈 표면을 형성하는 것들과 대향하는 제 1 및 제 2 층들의 표면들 둘 모두는 평평하다. 이들 표면들 중 하나는 통상의 액정 디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이 디바이스의 평평한 표면 상에 렌즈 장치를 용이하게 설치하는 것을 허용하는 반면에, 다른 표면에는 예컨대 반사 방지 코팅들(antireflection coatings) 및/또는 다른 광학 층들 및/또는 반-스크래치(anti-scratch) 및/또는 다른 보호 코팅들(protection coatings)과 같은 추가의 층들이 제공될 수 있다. 그래서, 추가의 층들이 이롭게는, 렌즈 장치와 디스플레이 패널의 표면 사이에 위치하지 않고, 그에 따라 렌즈 장치에 의해 달성되는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스의 광학 효과 또는 광학 출력을 방해하지 않는다.
본 발명은, 특별히, 오토스테레오스코픽 디스플레이용으로 사용될 때, 렌즈 함수를 갖는 모든 광학 장치들에 적용가능하다. 그러므로, 광학 장치는 하나의 모드에서 본 발명에 따른 렌즈 함수 및 추가적인 모드에서 또 다른 광학 함수를 갖는 스위칭가능 장치일 수 있다. 스위칭가능한 광학 장치는 예컨대, WO1998/021620A1에 개시된 바와 같은 것을 구성될 수 있다. 이후, 광학 장치는 전극 구조와 광학 장치의 제 1 또는 제 2 층 중 하나로서 기능하는 액정(LC) 물질을 포함한다. 액정층의 굴절률은 이방성(anisotropic)이고, 액정 분자들(liquid crystal molecules)의 배향에 의존한다. 전극 구조들은 광학 장치의 모드들 중 하나에서 LC 분자들을 정렬하기 위해서 상기 층을 가로지르는 전기장들을 제공하도록 기능한다. 그러므로, 렌즈 모드에서, LC 분자들은, 제 1 층과 제 2 층 사이에 굴절률 차이가 존재하도록 지향되는 반면에, 추가적인 모드에서, 이 굴절률 차이는 LC 분자들의 적절한 재배향(reorientation)으로 인해 실질적으로 존재하지 않고, 그에 따라 LC 층의 다른 굴절률에서 이익을 얻는다.
스위칭가능한 렌즈 장치를 제공하는 다른 원리들은 본 발명에 따른 광학 장치를 준비하는데 사용될 수 있다. 그러므로, 예를 들어, 유동 초점 렌즈들(fluid focus lenses)이 사용될 수 있다.
청구범위에서, 괄호들 사이의 임의의 도면번호들은 청구범위를 제한하는 것으로서 고려되지 않는다. 단어 "포함하는"은 청구범위에서 열거된 것들 이외의 요소들 또는 스텝들의 존재를 배제하지 않는다. 요소 앞에 있는 단어 "a" 또는 "an"은 복수의 이러한 요소들의 존재를 배제하지 않는다. 여러 가지 수단을 열거하는 디바이스 청구항에서, 여러 가지 이들 수단은 하드웨어 및 하드웨어의 동일한 항목에 의해 구현될 수 있다. 임의의 조치가 서로 다른 종속청구항들에서 언급된다는 단순한 사실은, 이들 조치들의 조합이 이롭게 사용될 수 없음을 나타내지는 않는다.
1: 디스플레이 디바이스 3, 51: 디스플레이 패널
5: 디스플레이 픽셀들 7: 광원
9: 렌티큘러 시트 11: 렌티큘러 렌즈
30: 3D 디스플레이 디바이스 31: LCD 디스플레이
32: 글래스 스페이서 플레이트 34, 54, 57: 유리 기판
35, 55: 렌즈 52: 글래스 플레이
100: 빔 프로파일 110: 픽셀 어레이

Claims (19)

  1. 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스에 있어서,
    각각이 이미지에 의해 디스플레이될 오브젝트의 상이한 뷰를 나타내는 적어도 2개의 서브-이미지들을 갖는 3차원 오토스테레오스코픽 이미지를 생성하기 위한 디스플레이 패널(3), 및
    포지티브 렌티큘러 렌즈들(positive lenticular lenses; 11)의 어레이(9)를 포함하는, 상기 디스플레이 패널 앞에 배치된 광학 장치로서, 상기 포지티브 렌티큘러 렌즈들의 각각의 개별적인 렌즈는 렌티큘러 렌즈 표면을 정의하는 서로 간의 경계면을 갖는 제 1 물리층 및 제 2 물리층을 포함하고, 상기 제 1 물리층은 587.5618nm의 D3 헬륨 라인에서 제 1 굴절률을 갖고 상기 제 2 물리층은 상기 제 1 굴절률과는 상이한 587.5618nm의 D3 헬륨 라인에서 제 2 굴절률을 갖고, 상기 렌즈의 어레이는 렌즈 피치(lens pitch)를 갖고 상기 렌티큘러 렌즈 표면들은 그들의 중심에서 곡률 반경을 갖는, 상기 광학 장치를 포함하고,
    각 렌티큘러 렌즈의 렌즈 표면은 충분한 곡률을 갖는 특정한 렌즈 표면 모양을 가져서, 광선들이 상기 렌즈 표면 모양을 갖는 측면에 대향하는 상기 렌티큘러 렌즈의 일측면에 입사한 후 렌티큘러 렌즈를 통해 상기 광선들을 추적할 때, 상기 렌티큘러 렌즈 표면을 수직으로 강타하는, 상기 일측면에 대한 입사각마다, 적어도 하나의 광선이 존재하고,
    상기 곡률 반경의 2배로 나누어지는 상기 렌즈 피치와 상기 제 1 굴절률과의 곱(product)은 0.6보다 크고,
    587.5618nm의 D3 헬륨 라인에서 상기 제 1 굴절률 및 상기 제 2 굴절률 사이의 굴절률 차이의 절대값은 0.05와 0.15 사이에 있는 것을 특징으로 하는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 곱은 0.7보다 큰, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 곱은 1보다 큰, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 곱은 1.1보다 큰, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 디스플레이 측에 대향하는 뷰어 측(viewer side)을 갖고, 상기 제 1 물리층은 상기 광학 장치의 상기 뷰어 측 상에 있는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 디스플레이 측에 대향하는 뷰어 측을 갖고, 상기 제 1 물리층은 상기 광학 장치의 상기 뷰어 측 상에 있는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 디스플레이 측에 대향하는 뷰어 측을 갖고, 상기 제 1 물리층은 상기 광학 장치의 상기 뷰어 측 상에 있는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 디스플레이 측에 대향하는 뷰어 측을 갖고, 상기 제 1 물리층은 상기 광학 장치의 상기 뷰어 측 상에 있는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률은 상기 제 2 굴절률보다 낮은, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률은 상기 제 2 굴절률보다 높은, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률은 1.4 내지 1.65 범위에 있는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 굴절률은 1.4 내지 1.65 범위에 있는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률은 1.3 내지 1.5 범위에 있는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 굴절률은 1.3 내지 1.5 범위에 있는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  15. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 물리층 및 상기 제 2 물리층은 광학적으로 등방성(isotropic)인, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  16. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 물리층 및 상기 제 2 물리층은 실질적으로 같은 아베 수(Abbe number)를 갖는, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  17. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률 및 상기 제 2 굴절률은 동일한, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  18. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 영역을 더 포함하고, 상기 영역에서 상기 제 1 물리층 및 상기 제 2 물리층 사이의 경계면은 실질적으로 평평한, 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스.
  19. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스를 이용하여 다수의 뷰들을 포함하는 이미지를 제공하는 단계 및 상기 이미지를 투사하는 단계를 포함하는, 3차원 오토스테레오스코픽 이미지를 디스플레이하는 방법.
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