KR20030017969A - 3차원 화상 표시용 방법 및 장치 - Google Patents

3차원 화상 표시용 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

적절한 강도와 선택적으로 적절한 색을 가지는 광 빔들이 서로 다른 관찰 방향으로 투영되어, 3차원 화상을 생성하는, 3차원 화상의 표시용 방법 및 장치가 개시되어 있다. 광 빔들은 주기적으로 어드레스 가능한 광원들(S)을 구비하는 광 방사면(10)에서 형성되어 있다. 표면(10)은 제어가능한 광 전달 또는 반사를 가진 화소들(P)을 구비하는 스크린(20) 뒤에 위치된다. 서로 다른 광원들(S)로부터 방사된 광 빔들은 서로 다른 방향으로부터 개별 화소들(P)을 조명한다. 화소들(P) 및 광원들(S)은, 광원들이 온과 오프로 절환되어, 화소(P)가 단지 하나의 광원에 의하여 한번 조명되나, 각 화소는 적어도 일 주기내에 광원에 의하여 조명되는 방식으로 제어된다. 광원들 또는 화소들은 온과 오프로 절환되어, 각 주기에서 각 화소는 각 관찰 방향에서 적어도 한번 조명된다. 서로 다른 방향으로 투영된 화상들은 화소들의 적절한 제어에 의하여 획득된다. 본 발명에 따르면, 광원들(S) 간의 거리는 화소들(P) 간의 거리보다 크고, 광원들(S)은 화소들로부터 상당히 멀리 떨어져 있어서, 화소들(P)의 수는 하나의 화소(P)를 조명하는 광원들의 수 보다 크다.

Description

3차원 화상 표시용 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE PRESENTATION OF THREE-DIMENSIONAL IMAGES}
평면-2차원-화상이 표면상에 표시되면, 표면의 모든 점은 모든 방향으로 대략 동일한 강도(및 색)로 광을 방사하거나 반사한다. 이는 엽서(반사) 또는 통상의 TV 화상(광 방사)과 같은 통상의 화상의 일 원리이다. 3차원 화상이 표시되는 경우, 방사된 광이 동일한 지점으로부터 방사되어도 다른 방향으로 다른 강도(및 색)를 가진다. 우리는 이러한 방식으로 창 패널 또는 홀로그램을 표시로서 간주한다. 따라서, 3차원 화상을 표시하기 위하여, 단일 화상점(화소)으로부터 방사된 광의 강도(및 색)가 방사각(출사각)의 함수로서 제어될 수 있는, 다시 말해서 다른 방향으로 방사된 광 강도가 제어될 수 있는 광 방사 표면이 필요하다.
공간(입체) 화상을 표시하는 데 적합한 몇몇의 공지된 시스템으로, 2개의 화상이 투사되어, 칼라 필터, 편광 필터, 또는 시순으로 구동되는 대안렌즈에 의하여 서로 분리될 수도 있다. 이들 분리된 화상의 효과는 2개의 화상이 좌우 눈에 의하여 각각 감지될 때 3차원으로서 지각된다. 이들 화상은 화상에 관하여 관찰자의위치와는 상관없이, 동일한 2개의 투시만을 제공하므로, 실제의 3차원 화상이 아니다. 자동 입체 장치(autostereoscopic device)라고 불리는 다른 공지된 장치가 있는데, 이는 또한 원조 수단 없이 입체상을 관찰할 수 있다. 이러한 입체 표시는 다른 것들 중에서 EP 0 721 132 및 EP 0 729 055 에 개시되어 있다.
실제의 또는 현실적인 3차원 화상을 생성하기 위하여, 다수의 광 빔들이 적절한 강도/색으로 공간에서 서로 다른 방향으로 투영되어야 하여, 관찰자가 다른 관찰 지점으로부터 서로 다른 투시를 볼 수 있게 한다. 몇몇 종래의 표시장치에서, 2개의 표면들이 실제 3차원 화상을 표시하기 위하여 사용된다. 제 1 전면은 제어가능한 광 전달 또는 방사를 가지는 면이고, 제 2 후면은 광원을 구비하는 조명면이다. 상기 후면의 하나의 점 및 상기 전면의 하나의 점은 명확하게 방향을 정의한다. 가능한 실시예로써, 화상은 광원의 강도 및/또는 색을 제어함으로써 후면 상에 생성되는 반면, 상기 제 1 면상에는 화상 화소를 온과 오프로 절환시킴으로써 선택된 관찰 방향에 따라 마스킹만 수행된다. 다른 가능한 실시예로써, 후면상의 광원은 연속적으로 온이거나, 단지 온 또는 오프로 절환되는 반면, 화상 정보에 따른 제어는 제 1 면상에서 행해진다. 제어가능한 광 전달 또는 방사를 가지는 화상 화소를 구비하는 제 1 면은 바람직하게는 LCD 표시장치이다.
LCD 표시장치를 이용하는 이러한 방법은 다른 것들 중에서, US 5,318,765, US 5,036,385, WO 99/07161, EP 0 316 465 및 US 5,132,839 에 개시되어 있다. 이들 공지된 방법들에서, 조명 스트립이 LCD 스크린 뒤에 사용되고, 스트립의 광은 LCD 스크린의 제어된 화상 화소에 의하여 전달되거나 차폐된다.
EP 0 316 465에 개시된 방법에서, 모든 쌍의 LCD 화소 칼럼의 뒤에 조명 라인이 존재하고, 상기 라인의 광은 LCD 화소의 제어에 따라 한 칼럼 또는 다른 칼럼을 통하여 통과한다. 이 배열은 2개의 관찰 방향을 가지는 입체상의 표시를 허용하나, LCD-표시장치의 해상도는 낮고, 이는 2개의 LCD 화소들이 화상점에 대하여 필요하기 때문이다. 이 설명은 관찰 방향수를 증가시키기 위하여 하나의 조명 라인에 관련된 LCD-화소의 수를 증가시키도록 제안되나, 이는 또 다른 해상도의 저하를 유발한다.
다른 가능한 실시예로써, 각 LCD-화소 칼럼 뒤의 하나의 조명 라인(광원)을 사용하는 것이 제안되었다. 이 경우에서, 모든 화소는 복수의 광원에 의하여 조명되어, 몇몇의 관찰 방향을 유발하고, 동일한 화상점에서 독립적으로 제어가능한 광 방사를 가진다. 이러한 표시장치는 SPIE Vol. 2409, pp 102-112의 회보에 제이. 에이켄라웁(J. Eichenlaub)에 의한 "A Prototype flat panel hologram-like display that produces multiple perspective views at full resolution" 출판에 개시되어 있다. 이 공지된 방법의 원리는 도 1에 도시되어 있다. 여기서, 광원수는 본질적으로 로우(row)의 화상 화소수와 동일하다. 그러므로, 화상을 허용가능한 해상도로 생성하기 위하여, 다수의 상당히 미소한 광원이 필요하다. 이들 광원은 이들의 작은 크기 및 대용량이 요구되므로, 상당히 비싸다. 광원들은 광학적 방법(예컨대, WO 94/06249 에 개시된 원통형 렌즈 매트릭스)에 의하여 제조될 수도 있으나, 또한 상당히 정밀하고 고가의 기술을 요하며, 조명 각도 또한 제한된다. 이 접근법의 또 다른 단점은 달성될 수도 있는 제한된 강도이다. 유사한 방법이미국 특허 No. 5,036,385에 개시되어 있으나, 단지 입체 표시로서, 즉 관찰자에 대하여 좌우 눈에 대하여 단지 다른 관찰을 가지는 표시장치로서만의 사용을 위한 것이다.
US 5,132,839 는 조명면과 LCD 스크린 사이에 위치된 적절한 광학 시스템이 서로 다른 방향으로, 그러나 서로 평행으로 광 빔들을 생성하는 방법을 교시한다. 이 시스템으로써, LCD 스크린은 다른 방향으로 주기적으로 조명되고, LCD 스크린은 제어되어, 실제 조명된 방향에 대응하는 화상은 대응하는 순간에 LCD 스크린 상에 발생해야 한다. 이 방법은 또한, 미소 광원의 사용을 요하여, 상술된 바와 같이, 저강도를 유발한다. 또한, LCD 표시장치의 평행 조명용 광학 시스템(프레스넬 렌즈, 렌즈 매트릭스)은 장치를 비싸고 복잡하게 한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 원조 수단과 공간적 제한 없이 화상의 표시를 가능하게 하고, 또한 비싼 포커싱 및 편향 광학 소자를 필요로 하지 않는, 실제의 3차원 화상 표시용, 바람직하게는 이동 화상용 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 3차원 화상 표시용의, 자세하게는 이동(비디오) 화상용 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 모든 화상 표시 분야에 적용가능하다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 비제한적인 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명할 것이다.
도 1은 종래의 표시 배열의 평면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 표시 배열의 개략 평면도이고,
도 3은 광 빔들의 수평 확산(발산)을 달성하기 위한 제 1 방법의 개략 단면도이고,
도 4는 광 빔들의 수평 확산(발산)을 달성하기 위한 제 2 방법의 개략 단면도이고,
도 5는 본 발명의 장치에 사용되는 조명 스트립들의 제 1 실시예의 평면도이고,
도 6은 본 발명의 장치에 사용되는 조명 스트립들의 제 2 실시예의 평면도이고,
도 7은 단색 조명 스트립들의 부분의 정면도이고,
도 8은 단색 스트립의 제어의 시간도이고,
도 9는 삼색 조명 스트립들의 일부의 정면도이고,
도 10은 삼색 스트립들의 제어의 시간도이고,
도 11은 스크린까지의 최대 거리에서 광원들을 도시하는 개략 표시 배열의 정면도이고,
도 12는 스크린까지의 최대 거리의 절반에서 광원들을 도시하는 개략 표시 배열의 정면도이고,
도 13은 스크린까지의 최대 거리의 1/4에서 광원들을 도시하는 개략 표시 배열의 정면도이고,
도 14는 본 발명에 따른 장치에 사용되는 제 1 표시 배열의 개략 사시도이고,
도 15는 본 발명에 따른 장치에 사용되는 제 2 표시 배열의 개략 사시도이고,
도 16은 본 발명에 따른 장치에 사용되는 제 3 표시 배열의 개략 사시도이고,
도 17은 도 2에 도시된 것과 유사한, 그러나 반사 구성이 다른 실시예의 표시 배열의 개략 평면도이고,
도 18은 도 17에 도시된 배열의 측면도이고,
도 19는 본 발명의 개념을 채용하는 장치의 다른 실시예의 개략 사시도이고,
도 20은 본 장치의 제 2 실시예에서 광 방사면과 셔터 화소들의 기하학적 배열을 도시하는 개략도이고,
도 21A 내지 21E는 화상 프레임 내의 광원들과 셔터 화소들의 제어 주기를 도시하고,
도 22는 본 장치의 제 2 실시예의 광 방사면에 사용되는 LED의 방사 특성의 개략도이다.
발명의 요약
본 발명의 제 1 태양에 따르면, 3차원 화상 표시용 방법이 제공된다. 이 방법에서, 적절한 강도를 가지고 선택적으로 적절한 색을 가지는 광빔들은 다른 관찰 방향으로 투영되어, 3차원 화상을 생성한다. 제안된 방법에서, 각 독립의 또는 시 일정 각 의존 방사 특성을 가지는 분리하여 제어가능한 광원을 구비하는 광 방사면이 스크린 뒤에 위치하고, 상기 스크린은 제어가능한 광 전달 또는 반사를 가지는화상 화소를 구비한다. 다른 광원들로부터 방사된 광빔들은 다른 방향들로부터 개별 화상 화소들을 조명하고, 또한 개별 화상 화소들로부터 방사된 광빔들의 방향은 광원들에 의하여 방사된 광빔들의 방향에 의하여 결정되어, 실질적으로 방향 변화없이 광원들과 화상 화소들 간에 진행한다. 이 방법에 따르면, 광원들 간의 거리는 화상 화소들 간의 거리 보다 크도록 선택되고, 광원들이 화상 화소들로부터 상당히 멀게 위치되어, 하나의 광원들에 의하여 조명된 화상 화소들의 수는 하나의 화상 화소를 조명하는 광원들 수보다 크다.
제안된 배열은 다수의 이점을 가진다. 첫째로, 보다 대형의 광원들이 사용될 수도 있다. 둘째로, 비교적 작은 수의 광원들이 필요하다.
각 의존 방사 특성은 유효 시계(field of view, FOV)로 광 빔들이 확산하도록 유리하게 설정되어, 휘도를 최대화하고 FOV 외의 측면 효과(side effect)를 최소화한다. 유효 시계는, 관찰자가 하나의 광원에 의하여 조명된 2개의 가장 먼 화소들 간의 각에 의하여 정의된 실제 3차원 화상을 볼 수 있는 시계이다.
광원들 간의 거리는 광원들이 점원(point-source)으로서 간주되지 않을 수 있다면, 광원들의 중심들 간의 거리로서 이해된다. 또한, 화상 화소들의 거리는 화상 화소가 통상적으로 점 대상으로서 간주될 수 없으므로, 화상 화소의 중심들 간의 거리인 것으로 이해된다.
본 방법의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 화상 화소를 조명하는 광원들의 수에 대한 하나의 광원에 의하여 조명되는 화상 화소들의 수의 비는 화상 화소들의 중심들 간의 거리에 대한 광원들의 중심들 간의 거리의 비와 동일하다. 따라서,동일한 해상도를 가지는 화상을 생성하는 데 보다 적은 수의, 그리고 보다 대형의 광원들이 충분하다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 깜박임 없이 연속적인 광 강도를 가지는 3차원 화상을 관찰하기 위하여, 개별 화소들로부터 방사된 광빔들이 3차원 화상의 균일 조명을 위하여 필수적인 발산각으로 수평 및 수직 방향으로 확산되며, 상기 수평 발산각은 2개의 이웃 관찰 방향들 간의 각 크기의 적어도 같은 크기이고, 실습에서 도시되는 바와 같이, 2개의 이웃 관찰 방향간의 각의 2배 보다 크지 않다는 것이 제안되었다. 이 경우, 관찰자는 그/그녀가 스크린에서 보는 각에 독립적으로 연속 화상을 지각할 것이다.
수직인 그리고 수평인 양자 모두의 실제 3차원 화상에 대하여, 화상 화소들은 서로 인접하고 균일한 표면 조명을 가지는 광원들에 의하여 조명되고, 그 크기는 본질적으로 이들 사이의 수평 및 수직 거리에 의하여 결정된다.
수직 패럴랙스(parallax) 정보가 생략된 경우, 화상 화소들로부터 방사된 광의 서로 다른 수평 및 수직 확산은 인접한 수직 광원 스트립에 의하여 획득될 수도 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 점형(point-like) 광원들이 사용되고, 개별 화상 화소들로부터 방사된 광빔들의 서로 다른 수직 및 수평 확산(발산)이 적절한 확산기, 예컨대 렌즈형 렌즈 확산기의 홀로그래픽으로 달성된다.
가장 바람직한 실시예에서, 상기 방법으로 표시된 화상은 스크린 상의 화상 화소들을 화상 정보로 변조시킴으로써 획득된다. 이 경우, 화상 화소들 및 광원들은,
a. 광원들은 개별적으로 또는 그룹으로 온 및 오프로 절환되어, 화상 화소가 단지 하나의 광원에 의하여 한번 조명되고, 동시에 각 화상 화소는 광원에 의하여 조명되고,
b. 광원들은 차례로 주기적으로 또는 순환적으로 온 및 오프로 절환되어, 각 주기 또는 사이클에서 각 화상 화소가 각 관찰 방향에서 적어도 한번 조명되고,
c. 서로 다른 방향에서 투영된 화상들이 화상 화소들을 통하여 전달되거나 상기 화상 화소들로부터 반사된 광의 적절한 강도 및/또는 색 변조에 의하여 획득되는 방식으로 화상 화소들 및 광원들이 제어되는 것으로 예측된다.
이 경우, 그룹들은 조명 광원들로부터 형성되는 반면, 다수의 이웃 광원들은 관찰 방향들이 있을 때 그룹을 구성한다. 광원들의 절환은, 단지 하나의 광원이 각 그룹에서 한번 온으로 절환되며, 바람직하게는 그룹들 내의 유사한 지점에 있는 광원들이 온으로 절환되는 반면, 수직 패럴랙스 정보가 없는, 화소의 칼럼의 3차원 화상의 경우에, 선택된 관찰 방향에 대응하는, 제어가능한 화상 화소들을 구비하는 광 방사 스크린의 이들 화상 화소들은 상기 선택된 관찰 방향에 대응하는 적절한 화사 정보로 제어되는 방식으로 수행된다. 이 후, 현재 온인 광원들은 다음 위치에서의 광원들이 온으로 절환될 때, 각 그룹에서 실질적으로 동시에 오프로 절환되고, 동시에, 제어가능한 화상 화소들의 제어가 다음의 관찰 방향에 대응하여 변한다. LCD 스크린의 해상도가 감소되지 않을 것이나, 제어 주파수가 관찰 방향들의 수에 비례하여 증가할 것이라고 강조된다.
광원들 및 화상 화소들의 제어는 주기적으로 반복되고, 여기서 일 주기는 1/2초, 바람직하게는 1/25초 보다 길지 않은 것으로 제안된다. 일 제어주기 내에, 각 광원이 한번 활성화되는 반면, 일 제어주기 내에 각 화상 화소는 각 관찰 방향에서 한번 제어되고, 즉 일 제어주기 내에 관찰 방향들의 수만큼 제어된다. 이 배열은 스틸 및 비디오 화상은 실질적으로 깜박임 없이 지각되는 것을 보증한다.
그러나, 광원들을 화상 정보로 변조시킴으로써, 그리고 상기 변조된 광원에 단지 적절한 관찰 방향들을 선택하기 위하여 스크린 상에 화소들을 사용함으로써 3차원 화상들을 또한 획득할 수 있다. 이 경우, 화상 화소들은 광 셔터 화소들로서 구현되고, 완성 화상의 일부를 포함하는 구성된 화상이 광원들에 의하여 방사된 광 강도를 변조시킴으로써 광 방사면 상에 생성된다. 또한, 셔터 화소들 및 광원들은,
a. 단일 셔터 화소는 광원들의 그룹에 의하여 한번 조명되고, 상기 그룹의 각 광원들은 관찰 방향에 대응하고, 동시에 상기 그룹 내의 하나의 광원의 광이 단일 셔터 화소만을 통하여 전달되며,
b. 셔터 화소들 및 광원들이 변조되어, 각 화상 주기에서 각 셔터 화소가 각 관찰 방향에서 적어도 한번 광을 전달하거나 반사하며,
c. 서로 다른 방향에서 투영된 완성 화상이 셔터 화소들을 통하여 주기적으로 전달됨으로써 획득되는 방식으로 제어된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 3차원 화상들의 표시용, 구체적으로는 본 발명의 방법 수행용 장치가 또한 제안된다.
본 발명의 장치는, 각 독립의 또는 시일정 각 의존 방사 특성을 가지는 분리하여 제어가능한 광원들이 제공된 광 방사면, 및 제어가능한 광 전달 또는 반사를 가지는 화상 화소들을 가지고 상기 광 방사면 앞에 위치된 스크린을 구비한다. 이 장치에서, 광원들의 광은 본질적으로, 광원들과 화상 화소들 간에 방향을 변화시키지 않고 전진하고, 광원들의 광은 화상 화소들을 통하여 또는 화상 화소들로부터 반사된다. 광원들 및 화상 화소들은, 각 광원이 몇몇 화상 화소들을 조명하고, 하나의 화상 화소는 몇몇 광원들에 의하여 조명되도록 배열된다.
본 발명에 따르면, 광원들의 중심들 간의 거리는 화상 화소들의 중심들 간의 거리보다 크고, 광원들과 화상 화소들간의 거리는, 보다 많은 화상 화소들이 단일 화상 화소를 조명하는 광원들이 있을 때, 하나의 광원에 의하여 조명되도록 선택된다.
상기에 나타낸 바와 같이, 광원들 간의 거리는, 광원들이 점원(point-source)으로서 간주될 수 없다면, 광원들의 중심들 간의 거리로서 이해된다. 또한, 화상 화소들 간의 거리는, 화상 화소들이 통상적으로 점 대상들로서 간주될 수 없으므로, 화상 화소들의 중심들 간의 거리로서 고려된다.
본 발명에 따른 장치의 가장 바람직한 실시예로써, 후면 광 방사면 상의 광원들은 화상 화소들로부터 상당히 멀어서, 단일 화소를 조명하는 광원들의 수에 대한 하나의 광원에 의하여 조명되는 화소들의 수의 비가, 실질적으로 화상 화소들 간의 거리에 대한 광원들 간의 거리의 비와 동일하다. 이 배열로써, 광원들의 수는 3차원 화상의 각 해상도를 희생시키지 않고, 실질적으로 감소될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 광 방사면은 광원들을 구비하는 LED 또는 OLED(Organic Light Emitting Diode) 스크린, 즉 R, G, B LED이다. 화상은 각 LED의 제어에 의하여 또는 스크린 상에 화상 화소들의 연속 회색-스케일 제어에 의하여 생성될 수 있다. 이들은 다른 색일 수도 있다. 스크린, 바람직하게는 LCD 표시장치의 적절한 화상 화소들의 전달 또는 반사는 또한 온과 오프 상태 사이에서만 제어될 수도 있다.
수직으로 그리고 수평으로 모두 구현되는 실제 3차원 화상을 표시하기를 요한다면, 광원들은 수직 및 수평 방향으로 개별 화상 화소들로부터 방사된 광 빔들의 확산을 위한 수단을 제공하기 위하여 소정의 수직 및 수평 크기를 가지는 광원들로서 형성되어, 3차원 화상의 균일한 조명을 보증한다.
수직 패럴랙스 정보 없이 화상을 표시하는 데 충분하다면, 광원들은 각각에 인접하여 위치된 수직 광원 스트립들로서 형성되어, 수직 및 수평 방향으로 개별 화상 화소들로부터 방사된 광 빔들의 다른 확산을 제공한다.
그러나, 실질적으로 점원들인 광원들을 사용하도록 선택된다면, 제어가능한 화상 화소들을 구비하는 스크린은 홀로그래픽 또는 렌즈의 렌즈 매트릭스와 같은 확산기를 구비하여, 수직 및 수평 방향으로 개별 화상 화소들로부터 방사된 광 빔들의 다른 확산(발산)을 제공한다는 것이 제안된다.
또한, 확산 표면 뒤에 서로의 아래에 동일한 간격으로 다수의 광원들이 존재할 수 있다. 색 화상을 표시하기 위하여, 서로의 아래에 위치된 광원들 색이 있는 화상의 표시를 위하여 적합한 기본 색의 방사를 위한 광원들이며, 상기 기본 색들은 규칙적으로 반복된다.
발명을 수행하기 위한 최선의 형태
도 2에 도시된 표시 배열에서, 광 방사면(10) 앞에 위치된, 제어가능한 광 전달 특성을 가지는 스크린(20)이 설치된다.
도 17 및 도 18을 참조하여, 스크린(20)은 화소들의 반사가 제어될 수도 있는 스크린일 수도 있다는 것이 도시된다. 본 발명의 개념의 보다 쉬운 설명과 이해를 위하여, 본 원리는 전달 스크린(20)으로 설명될 것이다.
스크린(20)은 화상 화소(P)를 가지는 LCD 표시장치에 의하여 합체될 수도 있다. 화상 화소들(P)의 중심들은 서로 동일한 거리(Xp)에 있다. 광 방사면(10)은 스크린(20) 까지 거리(D2)에 있고, 광 방사면(10) 상에 광원들(S1...Sn)이 있으며, 상기 광원들(S1...Sn)은 서로 거리(Xs)에 있다. 거리(Xs)는 또한 광원들(S1...Sn)의 중심들 간에 측정된다. 광원들은 서로 개별적으로 제어될 수도 있으나, 이하에 도시되는 바와 같이, 이들 중 몇몇은 실제로 동시에 제어될(변조될) 수도 있다. 이론적으로, 개별 광원(S)은 모든 화상 화소(P) 뒤에 위치될 수도 있고, 따라서 실제의 또는 사실상의 3차원(3D) 화상이 표시될 수도 있고, 이는 수직으로 그리고 수평으로 모두 3D 효과를 나타낸다. 그러나, 이러한 배열은 상당량의 정보의 처리, 저장, 전달 및 표시를 요할 것이고, 현재 경제적으로 구현될 수 없다. 인간의 눈 구조 및 우리가 3D 화상을 인지하는 방법으로 인하여, 다른 수직 관찰이 생략된다면 충분하다. 이 경우, 광원들을 조명 수직 라인들 또는 스트립들로서 구현하는 것이 충분하다. 광 방사면(10)과 스크린(20) 간에 어떠한 편향 광학 소자도 사용되지 않으므로, 광원(S)의 출사각(β)은 스크린(20)의 관찰각(α)과 동일, 즉 α=β이다. 출사각(β), 관찰각(α), 거리(D), 거리(Xp, Xs)간의 관계가 다음과 같이 설명될 수도 있다.
tan(β/2) = tan(α/2) = IsㆍXp/2D = IpㆍXs/2D
여기서, 다음의 명칭이 사용된다
β 출사각(범위)
α 관찰각(범위)
Ip 독립 관찰 방향수, 또한 하나의 화소(P)를 조명하는 광원(S)수
Is 하나의 광원(S)에 의하여 조명되는 화소(P)수
Xp 이웃 화소(P)의 중심들 간의 거리
Xs 이웃 광원(S)의 중심들 간의 거리
D 스크린(20)과 광 방사면(10) 간의 거리
관찰각(α)은 화소(P)로부터 존재하는 광 빔들 간의 최대각으로서 정의된다. 양호한 품질의 3D 화상들과 큰 시계는 60°의 관찰각(α)으로 달성될 수도 있다. 물론, 관찰각(α)은 또한 더 클 수도 있다.
예로써, α=60°로 선택하여, 광 방사면(10)과 스크린(20) 간의 거리(D)는 D = IsㆍXpㆍtan(60°/2) = IsㆍXpㆍ으로서 계산될 수도 있다. 거리(D)의 이 값은 기본 거리로서 정의된다.
Is의 값으로 돌아가서, 2개의 이웃 관찰 방향들 간의 각(γ)이 2°를 초과하지 않는 방식으로 관찰 방향들수를 선택하는 것이 바람직하다. 관찰 방향들 간의이 각(다시 말하면, 각 해상도)은 2개의 광 빔들 간의 각(γ)으로서 정의되고, 2개의 이웃 광원들의 중심들로부터 방사되어 공통 화소를 통하여 진행한다. 외부로부터 보면, 관찰자는 2개의 광빔들이 화소 내의 공통 광원에 의하여 그러나 다른 방향들로 방사되는 것처럼 화소로부터 2개의 광 빔들이 빠져나오는 것을 지각할 것이다. 각(γ)의 값이 작다면 표시장치의 각 해상도는 높고, 관찰자의 3D 지각을 향상시킨다. 명백하게는, 고정된 관찰각(α) 내의 다수의 관찰 방향들의 선택은 각(γ)의 작은 값을 유발할 것이다.
값 α=60° 및 γ=2°를 선택하여, 관찰 방향들수는 Ip = 60/2 = 30일 것이고, 30개의 광원들(S)에 의하여 각 화소(P)가 조명되고, 각 광원(S)은 30개의 화소들(P)을 조명한다는 것을 의미한다. 이 접근법은 공지된 종래의 방법에 의하여 사용되고, 도 1에 개략적으로 도시된다.
화소들(P)의 수는 공지된 표시장치에서와 같이 동일한 크기 순서이도록 선택되어야 하고, 즉 화소들의 수가 적어도 320 x 240, 바람직하게는 640 x 480, 보다 양호한 해상도에 대해서는 800 x 600, 또는 보다 요할 때는 1024 x 768이어야 한다. 12" 모니터를 고려하면, 수직 320 화소 해상도로써 거리 Xp과 Xs 는 0.8mm 일 것이고, 640 화소들에 대해서는 0.4mm, 800 화소들에 대해서는 0.27mm일 것이다. Xp = Xs 라면, 광원들의 크기는 화소들의 크기보다 크지 않다는 것을 의미한다. 이러한 소형의 그리고 다수의 광원들은 고비용을 의미할 것이고, 그 외에 필수적인 광 강도를 달성하기 어렵다.
이 문제점을 극복하기 위하여, 화상 화소들(P) 간의 거리(Xp) 보다 큰 광원들(S) 간의 거리(Xp)를 선택하는 것이 제안되고, 또한 화상 화소들(P)로부터 상당히 떨어지게 광원들(S)을 위치시키는 것이 제안되어, 하나의 광원(S)에 의하여 조명된 화상 화소들수는 하나의 화상 화소를 조명하는 광원들(S)수 보다 커야 한다.
도 2에 도시된 예시적인 예로써, 광 방사면(10)은 적어도 기본 거리(D1)의 2배인 거리(D2)에 위치되고, 이후에 도 1에 도시된다. α=β 관계는 여전히 유효할 것이고, 이는 광원들(S)과 화소들(P) 간에 어떠한 편향 소자들도 적용되지 않기 때문이나, 관계
tan(β/2) = tan(α/2) = IsㆍXp/2D = IpㆍXs/2D
로부터, 광원들(S)은 도 1에 도시된 배열에 비하여 서로 2배 떨어져 있다는 것, 즉 Xs = 2ㆍXp 인 것이 명백하다. 관찰 방향수 Ip = 30이 변하지 않는 반면, 하나의 광원에 의하여 조명된 화소들수는 2배, 즉 Is = 60일 것이다. 이러한 방식으로, 광원들 간의 거리가 두배가 될 뿐 아니라, 유리하게는 필수적인 광원들수는 또한 감소된다.
IsㆍXp = IpㆍXs 의 관계에서 명백한 바와 같이, 제안된 표시장치에서, 다른 화소들을 조명하는 광 빔들수 및 광원들수는, 이들의 결과가 화소로부터 방사된 광원들수(즉, 관찰 방향들의 수)와 화소들수의 결과와 동일하도록 선택된다. 이들은 또한 다음과 같이 공식화될 수도 있다.
Is/Ip = Xs/Xp
다시 말하면, 화상 화소를 조명하는 광원들수에 대한 하나의 광원에 의하여 조명되는 화상 화소들의 수의 비는 화상 화소들의 중심들 간의 거리에 대한 광원들의 중심들 간의 거리의 비와 동일하다.
이 측정은 고 해상도를 가지는 표시장치의 경제적인 제작을 허용하고, 이는 표시장치의 해상도를 정의하는 화소들이 제 1 스크린 상의 큰 수로 제공될 수도 있기 때문인 반면, 3D 효과를 허용하는 관찰 방향들수는 또한 적절히 크게 선택될 수도 있다. 그러나, 보다 큰 크기를 가지는 비교적 작은 수의 광원들, 또는 저 해상도 표시장치들은 제 2 스크린인 광 방사면 상에 충분하다. 광원들의 번호 N은
N = (nㆍIp) + Ip
일 것으로 이해되며, 여기서
N 은 광원들의 총수,
n 은 Dmax/D 곱셈 인자
Ip 는 관찰 방향들수이다.
최대 거리 Dmax는 출사각 β를 가지는 광원(S)이 스크린의 전체 너비 또는 스크린의 크기에 대응하는 표면을 방사하거나 조명하는 거리로서 정의되고, 여기서 광원(S30)은 각(β)으로 스크린을 조명한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 각 화소들로부터 Ip = 30 관찰 방향들을 가지기 위하여, 스크린(20) 상에 수평선에 화소들(P)수에 상관없이, 60개의 광원들만을 사용하는 것이 충분하다. 또한, 광 방사면(10)의 너비는 스크린(20)이 너비의 2배일 것이라고 또한 의미한다. 광 방사면(10)과 스크린(20) 간의 거리(D)는 스크린(20)의 너비의배일 것이다.
표시 장치의 깊이와 광 방사면의 너비의 증가는, 이것이 광 방사면(10)과 스크린(20) 사이에 중간 광학 시스템을 가지는 종래 기술의 방법보다 편평한 배열의결과를 유발하여도, 항상 이 방법을 허용하지는 않을 것이다. 그러나, 거리(D)를 보다 작도록 선택하는 것이 보다 실용적이다. D가 Dmax/2이도록 선택한다면, 단지 90개이 광원들이 필요하고, Ip 는 Ip = 30 으로 남아있다(도 12 참조). 거리(D)가 또한 절반이면, Ip를 30으로 유지하는 것은 N = 150 의 결과를 유발할 것이고, 즉 150개의 광원들이 필요하다(도 13 참조). 광원들수와 스크린의 크기는 거리(D)를 변화시킴으로써 넓은 제한범위 사이에서 변할 수도 있다.
관찰자가 연속 화상을 지각하기 위하여, 개별 화소들을 통하여 통과하는 광원들의 콘들(도 15 및 도 16 참조)은 접촉하거나 약간 중첩되어야 하고, 즉 관찰각 내의 공간의 어떠한 부분도 부분적으로 남거나 완전히 어두워서는 안된다(화소의 일부 또는 모두에 의하여 조명되지 않는)는 것이 필수적이다. 점형 또는 라인형 광원들로써, 수직 및 수평 방향으로 광원들의 어떠한 확산 또는 발산을 제공하는 데 주의를 기울어야 한다. 이러한 배열이 도 3 및 도 14에 도시되어 있고, 홀로그래픽 확산기(30)가 스크린(20) 앞에 위치된다. 본 발명의 장치에 사용되는 확산기는 단일 회절 또는 굴절 광학 소자, 또는 복수의 소자들의 조합이다. 수평 방향으로의 확산기에 의하여 유발된 확산 또는 발산각(δx)은 적어도 2개의 이웃 광빔들 간의 각(γ) 만큼의 크기이나, 2ㆍγ보다 크지 않는 반면, 수직 방향으로의 확산 또는 발산각(δy)은 수평 발산, 최대 180°보다 크다. 발산각(δx)이 실질적으로 각 γ보다 크다면, 예컨대 2ㆍγ라면, 필드의 깊이는 실질적으로 악화되고, 이것은 이웃 광빔들이 너무 많이 중첩될 것이기 때문이며, 지각된 화상에서 깜박임 효과를 유발한다.
다른 실시예가 도 4에 도시되며, 여기서 수직 및 인접 스트립들에 배열된 S 광원들이 점형원들 대신에 도시되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 인접 광원들(Si-1, Si, Si + 1)의 발산각들(δi -1, δi, δi + 1)은 또한 인접하고, 즉 관찰자는 연속적이며, 비간섭된 화상을 지각할 것이다. 수평 발산각(δx) 만이 도 3 및 도 4에 도시되는 반면, 도 14에서는 수평 발산각(δx) 및 수직 발산각(δy)이 동시에 도시되어 있으며, 여기서 δx << δy < 180°이다.
도 4에 개략적으로 도시된 광원들의 몇몇 가능한 실시예들이 도 5, 6, 7, 및 9에 도시된다. 도 5에 따르면, 광 방사면(10)은 그라운드 유리 시트(40) 또는 유사한 재료로 제조되어, 큰 출사각(β)에 적절한 확산 광 방사 특성을 제공한다. 유리 시트(40) 뒤에는, S 광원들이 서로 등간격으로 그리고 유리 시트(40) 뒤에 일정한 거리에 위치되어 있다. 광원들은 각 독립 또는 시일정 각 의존 방사 특성을 가지고, 즉 이들의 광 강도는 다른 출사각들에서 다르게 변조되지는 않을 것이다. 다시 말하면, 광원들의 변조 또는 절환은 모든 출사 방향(출사각)에서 방사광의 동일한 변조 또는 절환을 유발할 것이다.
광원들 간에, 또한 이웃 광원들로부터 등간격으로 나눔판(50)이 있다. 나눔판들 및 광원들의 위치는 출사각(β)을 정의한다. 도 5의 실시예에서, 유리 시트(40)로 들어가는 광빔들 사이는 중첩되지 않는다. 이는 화상의 불균일 조명을 유발할 수도 있다. 그러므로, 이 효과를 보상하기 위하여, 중첩 영역들은 유리 시트(40)로부터 나눔판들을 약간 집어넣음으로써 유리 시트(40)에 형성될 수도 있다.
도 5 및 도 6에서, 광 방사면(10)이 위에서 보는 도면인 반면, 도 7은 전면에서 보는 광 방사면(10)의 일부를 도시한다. 나눔판들(50) 및 광원들(S1, S2, S3)로 형성된 구조는 동일한 기하학으로, 수직으로 그리고 수평으로 반복된다. 서로의 아래에서 광원들을 반복하여, 그라운드 유리 시트(40)의 균일한 조명을 제공하는 것이 유리하다.
다른 배열에서, 서로의 아래의 광원들은 R-G-B 색들을 방사하고, 규칙 패턴으로 반복되며, 통상적으로 색 LED로서 구현되는 서로 다른 색의 광원들일 수도 있다. 이러한 배열은 도 9에 도시되어 있다.
그룹들이 광원들로부터 생성되어, 관찰 방향들수에 따른 번호의 이웃 광원들이 하나의 그룹을 구성하는 것이 예상된다. 광원들의 온 절환이 수행되어, 그룹 내의 단지 하나의 광원, 바람직하게는 다른 그룹들에서 동일한 위치에 있는 광원들이 1회 온으로 절환되는 반면, 스크린(20)의 화소들(P)이 연관된 화소에 의하여 정의된 관찰 방향들에 따라 제어되고, 현재 광원은 온으로 절환되며, 화상은 정의된 관찰 방향들의 각각에 나타난다. 그 후, 광원 또는 광원들의 칼럼이 오프로 절환되고, 동시에 각 그룹에서 그룹 내에 다음 위치의 광원이 온으로 절환된다. 동시에, 화소들의 제어 또한 다양한 관찰 방향에서 화상에 대응하여 변한다. 다시 말하면, 광원들(S)은 주기적으로 어드레스된다. 광원들(S1-S3)에 대한 하나의 어드레싱 주기 내에 제어 신호들은 도 8에 개략적으로 도시되어 있다.
도 11의 배열로써, 광 방사면(10)이 스크린(20)으로부터 최대 거리(Dmax)에 있을 때, 광원들(S30, S60)은 스크린(20)을 완전히 조명하기 위하여 동시에 절환되어야 한다. 광원들(S30, S60)이 오프로 절환되고, 다음 광원들(S1, S31)이 온으로절환되고, 그 후 광원들(S2, S32) 등의 차례이다.
도 12의 배열로써, 광 방사면(10)이 스크린(20)으로부터 떨어져 있으며, 그 거리가 최대 거리(Dmax)의 절반일 때, 광원들(S30, S60, S90)이 동시에 온과 오프로 절환된다. 그 후, S1, S31, S61이 온과 오프로 절환되고, 다음에 S2, S32, S62 등의 차례이다.
도 13의 배열로써, 광 방사면(10)이 스크린(20)으로부터 떨어져 있으며, 그 거리가 최대 거리(Dmax)의 1/4일 때, 광원들(S30, S60, S90, S120)이 동시에 온과 오프로 절환된다. 그 후, S1, S31, S61, S91이 온과 오프로 절환되고, 다음에 S2, S32, S62, S92 등의 차례이다.
스크린(20)의 화소들(P)은 출사 광빔의 방향과 광 빔이 방사되는 화소의 위치에 따라 항상 제어된다. 이 방법으로, LCD 스크린의 해상도는 감소하지 않을 것이고, 제어 주파수는 관찰 방향들수에만 비례하여 증가한다.
색 화상들을 표시하기 위하여, 몇몇 방법들이 예측된다. 제 1 방법으로써, 광원들의 색은 3개의 기본 색(시 시퀀스 색 제어)에 따라 주기적으로 변하는 반면, 스크린(20)의 화소들(P)은 각 화소에 의하여 나타낸 화상점에서 관련 색 성분의 부분에 따라 제어된다. 도 9의 색 광원들(R1-R3, G1-G3, B1-B3)의 주기적 어드레스가 도 10에 개략적으로 도시되어 있다. 제 2 방법으로써, 색 화상들은 백색 광원들 및 색이 있는 스크린으로 표시된다.
광원들(S) 및 화소들(P)의 제어는 적어도 20Hz의 프레임 주파수로, 바람직하게는 적어도 25Hz의 프레임 주파수에서, 바람직하게는 적어도 25 Hz에서 주기적으로 수행된다. 일 프레임 제어 주기동안, 하나의 화상이 각 관찰 방향들에서 투사되어, 일 주기에서 각 광원이 한번 온과 오프 절환되는 반면, 각 화소는 모든 관찰 방향에 대하여 한번 제어되며, 즉 제어 주기 내에서 30회이다. 광원들이 관찰 방향들수에 따른 번호로 함께 그룹화되므로, 제어 주기 내에서 각 광원들이 한번 활성화되어, 화상 프레임 주기 내에 스틸 프레임의 각 관찰 방향들에 대응하는 정보가 나타난다. 그러나, 임의의 주어진 관찰 방향에서 완전한 실제 화상의 실제 화상 정보는 스크린(20) 상에 함께 표시되지 않는다는 것이 주목되어야 한다. 대신, 스크린(20)의 서로 다른 화소들은 화상 프레임 주기 내에 분포된 스틸 프레임의 관찰의 다른 부분들을 나타낼 것이다. 상기로부터, 이 배열로써 스크린(20)의 제어 주파수는 임의의 다른 기하학적 관계 또는 스크린의 크기에 독립적이라는 것이 명백하다. 이 스크린 제어 주파수(또는 화소 제어 주파수)는 프레임 주파수 및 관찰 방향들 수만의 산물이다. 25 Hz 프레임 주파수를 선택하고, Ip = 30 이면, LCD 스크린의 스크린 제어 주파수는 750 Hz일 것이다. 그래서, 스크린 제어 주파수는 공자된 종래 기술의 시스템 보다 클 필요가 없다. 이러한 목적으로 보울더 비선형 시스템(Boulder Nonlinear System)에 의하여 개발된 LCD 표시장치가 적용될 수도 있다. 이 LCD 표시장치는 4000 프레임/들 주파수를 전달할 수 있다.
도 14에서, 개략 사시도에 도시된 배열에서, 점형 광원들(S1...Sn)이 이미 논의된 기하학에 따라, 스크린(20)의 뒤의 수평 라인에 위치된다. 물론, 광원들의 하나의 수평 라인은 단지 하나의 수직 관찰을 허용하고, 즉 생성된 3D 화상은 수직 패럴랙스 정보가 부족하다. 수직 패럴랙스가 생략되면, 스크린(20) 앞에 광학 소자를 제공하여 보다 작은 수평 발산각(δx)과 보다 큰 수직 발산각(δy)으로 입사 광빔들을 확산시키는 것이 유리하다. 이것은, 방사된 광빔들이 실제적으로 관찰자의 눈 높이에 독립적으로 가시적일 것이고, 상기 가시적인 화상은 수직으로 미소한 수평 영역으로 한정되지 않을 것이라는 결과를 유발할 것이다. 그러므로, 스크린(20) 앞에 위치된 확산기(30)가 존재한다. 이 확산기(30)의 광학 편향 기능은 홀로그래픽 광학 소자들, 또는 다른 수직 및 수평 포커스를 가지는 원통형 광학 소자들로서 구현될 수도 있다.
도 15 및 도 16은 확장된 소스들(비점(non-point)원들)의 응용을 나타내고, 추가의 편향 광학기기 없이 필수적인 수직 및 수평 발산각(δx, δy)을 보증한다.
도 15에 도시된 배열에서, 광원들(S11, ...Smn)은 매트릭스에 배열된 균일하게 조명된 인접한 직사각 필드로서 구현되며, 이로써 수직 및 수평 방향 모두에서 실제 사시 관찰을 가지는 3D 화상들의 표시를 허용한다. 다른 방법이 수직 패럴랙스 없이 도 16에 도시되어 있으나, 비교적 큰 수직 발산각(δy)을 가진다. 여기서, 광원들(S1...Sn)은 수직의 균일하게 조명된 인접한 조명 스트립들에 의하여 구성된다. 이러한 스트립들은 또한, 광원들의 칼럼들이 평행 방식으로 제어되는, 도 15의 매트릭스 배열로 대신할 수도 있다.
스크린(20)은 또한 반사 스크린일 수도 있다는 것이 강조되어야 한다. 이 경우, 광원들(S1-Sn)로부터 방사된 광 빔은 광원들이 위치되는 스크린(20)의 동일한 측면을 향하여 다시 반사될 것이다. 이 배열은 도 17 및 도 18에 도시되어 있다. 관찰자들이 스크린(20)을 보도록 하기 위하여, 광 방사면(10)은, 광원들(S1-Sn)로부터 방사된 광빔들은 Y-Z 평면에서 스크린(20)에 수직하지 않으나, 경사진 각이 되도록 위치된다. 이러한 방식으로, 반사 빔들의 관찰은 광 방사면(10)에 의하여 차단되지 않을 것이고, 관찰자는 스크린(20)이 방해받지 않는 것으로 관찰할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로, 스크린(20)은 벽 상에 고정될 수도 있는 반면, 광 방사면(10)은 오버헤드 프로젝터로서 형성될 수도 있다.
본 발명의 개념은 투영면, 보다 자세하게는 지각된 화상들을 생성하는 광빔들이 광 방사 스크린(20) 상에, 그러나 광 방사면(10) 상에 화상 정보로 변조되지 않을 때 동일하게 적용가능하다. 이것은, 3차원 화상의 표시용의 다른 장치의 기본 구조가 도시된 도 19에 도시되어 있다. 이 장치는 또한, 광원들(S)이 제공된 광 방사면(10)을 구비한다. 전과 같이, 광원들(S) 자체는 각 독립 또는 시일정 각 의존 방사 특성을 가진다. 이들 광원들은 개별적으로 어드레스가능한 LEDs(26)로서, 또는 집적된 LED 표시장치로서 구현될 수도 있다.
광원들의 수평 라인들과 이웃 수평 라인들의 셔터 화소들 간의 크로스톡을 방지하기 위하여, LEDs(26)의 방사 특성은, 도 22에 도시된 바와 같이 수직 발산이 거의 없거나 전혀 없어야 하고, 비교적 큰 수평 발산을 가져야 한다. 이는, 광원들은 수평 방향으로 배열된 연관된 셔터 화소들만을, 즉 각 광원들로서 동일한 라인에만 있는 셔터 화소들만을 조명한다는 것을 보증한다. 이러한 목적으로, 물리적 분리가 표면(10)과 스크린(20) 사이에 연장하는 불투명의 수평판의 형태로, 화소들의 이웃하는 수평 라인과 광원들 사이에 제공될 수도 있다. 또는, 도 22에 도시된 방사 특성은 LEDs(26)에 적용된 적절한 빔 형상 광학 소자들(미도시)로서 달성될 수도 있다.
또한, 광 방사면(20) 앞에 스크린(20)이 존재하고, 스크린(20)은 주기적으로 어드레스가능한 셔터 화소들(25)을 구비한다. 셔터 화소들(25)은 제어가능한 광 전달 또는 반사를 가진다. 스크린(20)의 화소들은 여기서 "셔터" 화소들이란 용어로서 사용되며, 이것은 이들이 본질적으로 강도 변조 없이 입사광을 전달(또는 반사)하거나, 광을 완전히 차단하기 때문이다. 또한, 셔터 화소들이 전달된 광을 변조할 수 있다는 것이 예측된다.
도 19에 도시된 실시예에서, 셔터 화소들(25)은 전달 모드에서 동작한다. 광원들(S)의 광은 본질적으로 광원들(S)과 셔터 화소들(25) 사이의 방향을 변화시키지 않고, 그리고 셔터 화소들(25)을 통하여 진행한다. 그러나, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 스크린(20)은 반사 모드에서 또한 동작할 수도 있다.
장치에 의하여 표시되는 화상들의 해상도는, 표시되는 3D 화상은 스크린(20) 상에 셔터 화소들이 존재하는 만큼의 관찰 방향으로의 화상점들을 가질 수 있다는 관점으로, 셔터 화소들의 해상도(밀도)에 의하여 결정된다. 스크린(20)을 관찰하는 사람만이 셔터 화소(25)로부터 발생하는 장치로부터의 광을 받을 수 있으므로, 따라서 지각된 화상의 해상도는 스크린(20)의 해상도에 의하여 결정된다. 동시에, 3D 관찰의 깊이의 필드를 정의하는, 장치의 각 해상도는 광원들(S)의 밀도에 의하여 결정된다. 이하에 도시되는 바와 같이, 높은 각 해상도와 높은 표시 동작 주파수를 선택하거나, 또는 보다 낮은 각 해상도를 가져서 또한 표시 동작 주파수를 가지는 것 중에서 취한다.
각 광원(S)은 몇몇 셔터 화소들(25)을 조명하고, 하나의 셔터 화소는 주기 내에 몇몇 광원들에 의하여 조명된다. 도 19에서, 광원들(Sn4-Sn)의 광은 단일 셔터 화소(Pm-2)를 통하여 통과하며, 이는 "온" 상태, 즉 전달가능 상태인 것으로 보여진다. 동일한 수평 라인에서의 이웃 셔터 화소들은 "오프" 또는 차폐 상태이다.
단일 셔터 화소는 광원들(S)의 그룹에 의하여 1회 조명되고, 예컨대 도 19의 화소(Pm-2)는 광원들(Sn-4, Sn-3, ...Sn)에 의하여 조명된다. 유사하게, 도 21A에서, 광원들(S3, S4, S5)의 광은 단일 셔터 화소(P1+k)를 통하여 통과하는 것이 도시되어 있다. 동시에, 상기 그룹 내의 하나의 광원의 광은 단일 셔터 화소만을 통하여 전달되고, 이는 이웃 셔터 화소들이 오프 상태에 있기 때문이다. 광원들(S)과 셔퍼 화소들(P)은 변조되어, 각 화상 주기에서 각 셔터 화소는 각 관찰 방향으로 적어도 한번 광을 전달하고, 즉 광 빔은 각 화상 주기에서 각 관찰 방향을 향하여 각 셔터 화소로부터 방사될 것이다.
구성된 화상은 광원들(S)을 제어함으로써 광 방사면(10) 상에 생성된다. 이 구성된 화상은 어떠한 실제 화상 또는 실제 관찰, 즉 임의의 방향에서 관찰자가 실제로 본 화상에도 대응하지 않는다. 이 구성된 화상을 생성하는 광원(S)은 화상에 연관된 화상 상세에 따라 변조되고, 이 화상 상세는 단일 오픈 셔터 화소의 위치에서 서로 다른 관찰 방향들로부터 관찰되어야 한다.
셔터 화소들이 온과 오프가 주기적으로 변할 때, 예컨대 도 19에 도시된 칼럼(27)에서 배열될 때, 서로 다른 방향들에서 투사된 화상들은 셔터 화소들을 통하여 주기적으로 광을 전달함으로써 획득된다. 칼럼들(27) 간의 수평 거리는, 임의의 광원들(S)로부터 방사된 광이 단지 하나의 단일 "오픈" 셔터 화소에 도달할 수 있도록 선택되어, 주어진 광원(S)이 투사된 화상의 단일 관찰 방향에 따라 변조될 수도 있으며, 상기 관찰 방향은 광원과 오픈 셔터 화소의 상대 위치에 의하여 결정된다.
광 방사면(10)의 광원들(S)과 스크린(20)의 셔터 화소들(25)은 적절한 제어부(미도시)에 의하여 제어된다.
셔터 화소들과 광원들의 주기적 제어의 원리는 도 20 및 21A-21E에 설명되어 있다. 도 20에 도시된 바와 같이, 광 방사면(10) 상의 모든 광원들(S1-Sn)은 동일한 광 방사 특성을 가지고, 광원들은 도 2에 도시된 광원들과 유사하게, 출사각(β)으로 광을 방사시킬 수 있다. 도 20에서, 모든 셔터 화소들(P1-Pm)은 전달(온) 상태에 있다. 각 셔터 화소는 특정 고정된 광원들수에 의하여 조명된다. 상기에 설명된 바와 같이, 셔터 화소를 조명하는 광원들수는 출사각(β)의 거리, 광원들의 거리, 및 광 방사면(10)과 스크린(20) 간의 거리에 의존한다. 도 20의 개략적md로 설명된 배열에서, 각 셔터 화소는 3개의 이웃 광원들에 의하여 조명되고, 예컨대 화소들(P3, P4)는 광원들(S1, S2, S3)에 의하여 조명된다. 동시에, 단일 광원은 6개의 이웃 셔터 화소들을 조명할 수 있고, 예컨대, 광원(S3)은 화소들(P1-P6)을 조명한다.
도 21A-E는 관찰 주기내에, 실제적으로 대략 1/20 - 1/30의 기간의 화상 프레임 내에, 각 셔터 화소 -3개의 광원들에 의하여 조명되는- 가 온되는 것을 도시한다. 하나의 광원이 6개의 셔터 화소들을 조명하나, 단일 광원의 변조는 단일 화소 만으로부터 보여지는 단일 관찰에 따라 실행될 수 있으므로, 광원들은 각 조명된 화소에 대하여 한번 변조되어야 한다. 이는, 스크린(20)이 도시된 실시예에서 6 x 30 Hz의 속도로 변조되어야 하고, 즉 화상 프레임이 또한 t1-t6으로 표시된, 6개의 시간 슬롯들 또는 간격들로 또한 구분되는 것을 의미한다.
도 21A는 하나의 화상 프레임 내에 제 1 시간 슬롯(t1)에서, 화소들(P1및 P1+k(및 또한 P1+2k, P1+3k, ...등, 이들은 도 20에 도시되지 않음)이 온으로 되는 것을 도시한다. k의 값은 광원의 광이 하나 이상의 오픈 셔터 화소를 통하여 전달되지 않는다는 것을 보증하기 위하여 선택된다. 명백하게는, k의 값은 단일 광원에 의하여 조명된 셔터 화소들수와 동일하고, 즉 도시된 실시예에서 k = 6 이다. 주기에서 절환되는 셔터 화소들수는 또한 Ip *Xs/Xp 로서 계산될 수도 있고, 여기서 Ip는 셔터 화소로부터의 광 방사 방향수이다. 이하에 도시되는 바와 같이, 이 수는 또한 셔터 화소 스크린(20)의 속도를 결정한다.
다음 시간 슬롯(t2)에서, 다음 셔터 화소들(P2및 P2+k(또한, Pw+2k, P2+3k, ...등))이 도 21B에 도시된 바와 같이 온된다. 그 후, 다음 시간 슬롯(t3)에서, 다음 셔터 화소들(P3및 P3+k(또한, P3+2k, P3+3k, ...등))이 도 21C에 도시된 바와 같이 온된다. 도 21D는 시간 슬롯(t4)에서의 위치를 나타내고, 도 21E는 하나의 화상 프레임 내에 최종 시간 슬롯(t6)에서의 위치를 나타낸다.
도면으로부터 이해될 수도 있는 바와 같이, 하나의 화상 프레임 내에, 모든셔터 화소들이 화상 프레임의 일부인 시간 슬롯의 기간 동안 한번 오픈된다. 동시에, 서로 다른 광원들에 의하여 변조된 광은 셔터 화소들로부터 다른 관찰 방향들로부터 방사된다. 적절한 관찰 방향들을 향하여 광을 변조시켜, 서로 다른 화상들이 서로 다른 관찰 방향들을 향하여 투사될 수도 있고, 즉 3차원 화상들이 획득될 수도 있다. 명백하게는, 이는 광원들(S)이 셔터 화소들과 동일한 주파수로 변조된다는 것을 요한다. 다시 말하면, 광 방사면은 빠른 표시장치, 바람직하게는 LED 표시장치 또는 OLED 표시장치로서 구현되어야 한다.
도 20으로부터, 광원들(S)의 중심들 간의 거리는 셔터 화소들(P)의 중심들 간의 거리보다 크다는 것이 명백하다. 상기에 설명된 바와 같이, 광원들과 셔터 화소들간의 거리는, 모드 많은 셔터 화소들이 단일 셔터 화소를 조명하는 광원들이 있을 때, 주기(하나의 화상 프레임) 내에 하나의 광원에 의하여 조명되도록 선택된다.
상기로부터, 광원들(S) 간의 거리는 오히려 클 수도 있으며, 예컨대 광 방사면(10)이 개별 LED로부터 형성된다면, 몇몇 형태의 광원들로 유리할 수도 있어서, 고휘도를 달성한다는 것을 알 수 있다. 이는 또한 공식화될 수도 있어서, 광 방사면(10)의 해상도는 스크린(20)의 해상도보다 낮을 수 있다. 그러나, 이 보다 낮은 해상도는 스크린(20)과 스크린(20)의 광원들 모두의 보다 높은 동작 주파수에 의하여 보상되어야 한다. 스크린(20)과 스크린(10)(즉, 광원들(S))의 주기 주파수(fc)는 fc= fix Ip x k1와 같이 계산될 수도 있다는 것을 보여줄 수 있고, 여기서 fi는표시되는 비디오 화상의 프레임 주파수, 통상적으로 20-30 Hz이고, Ip는 표시장치로 획득되는 서로 다른 관찰 방향들 수, 즉 단일 셔터 화소로부터 광 방사 방향들수이고, k1는 광원들과 셔터 화소들의 거리의 비(Xs/Xp)로서 계산된 상수이다.
다시 말하면, LED 스크린(10)의 해상도는 스크린(20)의 해상도 보다 작다면, 이는 보다 높은 동작 주파수로 보상되어야 하여서 셔터 화소들로부터 생성하는 필수적인 서로 다른 광 빔들수를 생성한다. 고 동작 주파수를 가지는 LED 스크린이 가능한 반면, 스크린(20)의 구현은 고속 LCD 표시장치로 행해질 수도 있다. 그러나, 스크린(20)의 제어는 유리하게는 보다 쉽게 행해지고, 이는 단지 온-오프 변조가 회색-스케일 방법 대신 요구되기 때문이다. 그러므로, 스크린(20)은 화소 구조를 가지는 스크린으로서 뿐만 아니라, 이동 셔터 슬릿을 가지는 스크린으로서도 구현될 수도 있다.
반면, 시스템의 광 효율은 또한 감소하며, 이것은 광원들의 광의 1/k 번째 부분만이 사용되기 때문이다. 그러므로, 일반적으로 광원들을 변조시키는 데는 덜 효율적이다. 대신, 도 2-18을 참조하여 도시된 실시예로써, 화소들의 변조가 바람직하다.
스크린(20)에는 또한 도 3 및 14(도 19에는 미도시)에 도시된 홀로그래픽 확산기(30)와 유사한 기능과 구조를 가지는 회절 스크린이 설치되어 있다. 또한, 도 2-18을 참조하여 설명된 광원들과 화상 화소들의 유리한 실시예의 특징들은 적용가능할 때, 도 19에 도시된 장치에 대하여 동일하게 적용가능하는 것이 예측된다.

Claims (29)

  1. 적절한 강도를 가지고 선택적으로 적절한 색을 가지는 광빔들이 서로 다른 관찰 방향으로 투영되어, 3차원 화상을 생성하는 3차원 화상 표시용 방법으로서,
    각 독립의 또는 시 일정 각 의존 방사 특성을 가지는, 분리하여 제어가능한 광원을 구비하는 광 방사면이 스크린 뒤에 위치하고, 상기 스크린은 제어가능한 광 전달 또는 반사를 가지는 화상 화소를 구비하고,
    다른 광원들로부터 방사된 광빔들은 다른 방향들로부터 개별 화상 화소들을 조명하고,
    상기 개별 화상 화소들로부터 방사된 상기 광빔들의 방향은 상기 광원들에 의하여 방사된 광빔들의 방향에 의하여 결정되어, 실질적으로 방향 변화없이 상기 광원들과 상기 화상 화소들 간에 전진하고,
    상기 광원들 간의 거리는 상기 화상 화소들 간의 거리 보다 크도록 선택되고,
    상기 광원들은 상기 화상 화소들로부터 상당히 멀리 위치되어, 하나의 광원들에 의하여 조명된 화상 화소들의 수는 하나의 화상 화소를 조명하는 광원들 수보다 큰 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    화상 화소들을 조명하는 상기 광원들수에 대한 하나의 광원에 의하여 조명되는 상기 화상 화소들수의 비는 상기 화상 화소들의 중심들 간의 거리에 대한 상기 광원들의 중심들 간의 거리의 비와 동일한 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개별 화상 화소들로부터 방사된 광빔들이 3차원 화상의 시계가 지각될 수 있는 시계의 균일한 조명을 위하여 필수적인 발산각으로 수평 및 수직 방향으로 확산되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수평 발산각은 2개의 이웃 관찰 방향들 사이의 각 크기와 적어도 같은 크기인 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 화상 화소들은 서로 인접하고 균일한 표면 조명을 가지는 광원들에 의하여 조명되고, 상기 광원들의 크기는 이들 사이의 수평 및 수직 거리에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원들은 점형(point-like) 광원들이고, 상기 개별 화상 화소들로부터방사된 광빔들의 서로 다른 수직 및 수평 확산(발산)이 적절한 확산기로 달성되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화상 화소들 및 상기 광원들은,
    a. 상기 광원들은 개별적으로 또는 그룹으로 온 및 오프로 절환되어, 상기 화상 화소가 단지 하나의 광원에 의하여 한번 조명되고, 동시에 각 화상 화소는 광원에 의하여 조명되고,
    b. 상기 광원들은 차례로 주기적으로 또는 순환적으로 온 및 오프로 절환되어, 각 주기 또는 사이클에서 각 화상 화소가 각각의 관찰 방향에서 적어도 한번 조명되고,
    c. 서로 다른 방향들에서 투영된 상기 화상들이 상기 화상 화소들을 통하여 전달되거나 상기 화상 화소들로부터 반사된 광의 적절한 강도 및/또는 색 변조에 의하여 획득되는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    수직 패럴랙스가 없는 화상들이 표시되고, 상기 화상 화소들로부터 방사된 광 빔들의 서로 다른 수평 및 수직 확산(발산)은 인접한 수직 광원 스트립들에 의하여 획득되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  9. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    그룹들이 상기 조명 광원들로부터 형성되는 반면, 다수의 이웃 광원들은 관찰 방향들이 있을 때 그룹을 구성하고, 상기 광원들의 절환은, 단지 하나의 광원이 각 그룹에서 한번 온으로 절환되며, 바람직하게는 유사한 위치에 있는 광원들이 온으로 절환되는 반면, 선택된 관찰 방향에 대응하는 이들 화상 화소들은 상기 선택된 관찰 방향에 대응하는 적절한 화소 정보로 제어되고, 그 후 현재 온인 상기 광원들은 오프로 절환되고, 실질적으로 동시에 각각의 그룹에서 다음 위치에서의 광원들이 온으로 절환되고, 동시에 상기 화상 화소들의 제어가 다음 관찰 방향에 대응하여 변하는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    색 화상들의 표시를 위하여, 상기 광원들의 색은 3개의 기본 색에 따라 절환된 온 상태동안 변하는 반면, 제어가능한 화상 화소들을 구비하는 상기 스크린의 상기 화상 화소들은 대응하는 색 성분의 색 비에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    색 화상들의 표시를 위하여, 백색 광원들과 색이 있는 스크린이 사용되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  12. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    일 제어 주기 또는 제어 사이클은 1/20초, 바람직하게는 1/25초 보다 길지 않으며, 일 제어 주기 내에, 각 광원이 한번 활성화되는 반면, 일 제어 주기 내에 각 화상 화소는 각각의 관찰 방향에서 한번, 일 제어 주기 내에 관찰 방향들의 수만큼의 회수로 제어되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화상 화소들은 광 셔터 화소들로서 구현되고, 완성 화상의 일부를 포함하는 구성된 화상이 상기 광원들에 의하여 방사된 광 강도를 변조시킴으로써 상기 광 방사면 상에 생성되고,
    또한, 상기 셔터 화소들 및 상기 광원들은,
    a. 단일 셔터 화소는 광원들의 그룹에 의하여 한번 조명되고, 상기 그룹의 각 광원들은 관찰 방향에 대응하고, 동시에 상기 그룹 내의 하나의 광원의 상기 광이 단일 셔터 화소만을 통하여 전달되고,
    b. 상기 셔터 화소들 및 상기 광원들이 변조되어, 각각의 화상 주기에서 각각의 셔터 화소가 각각의 관찰 방향에서 적어도 한번 광을 전달하거나 반사하며,
    c. 서로 다른 방향들에서 투영된 상기 완성 화상들이 상기 셔터 화소들을 통하여 주기적으로 상기 광을 전달됨으로써 획득되는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 방법.
  14. 특히 제 1 항에 따른 방법을 수행하기 위한 3차원 화상 표시용 장치로서, 상기 장치는,
    a. 각 독립의 또는 시 일정 각 의존 방사 특성을 가지는, 개별적으로 제어가능한 광원들이 제공된 광 방사면; 및
    b. 제어가능한 광 전달 또는 반사를 가지는 화상 화소들을 구비하고, 상기 광 방사면 앞에 위치된 스크린을 구비하고,
    c. 상기 광원들의 상기 광은 본질적으로 상기 광원들과 상기 화상 화소들 간에 방향을 변화시키지 않고, 상기 화상 화소들을 통하여 또는 상기 화상 화소들로부터 반사되어 전진하고, 각각의 광원은 몇몇 화상 화소들을 조명하고, 하나의 화상 화소는 몇몇 광원들에 의하여 조명되고,
    d. 상기 광원들의 중심들 간의 거리는 상기 화상 화소들의 중심들 간의 거리보다 크고,
    e. 상기 광원들과 상기 화상 화소들의 거리는, 보다 많은 화상 화소들이 단일 화상 화소를 조명하는 광원들이 있을 때 하나의 광원에 의하여 조명되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 방사면 상의 상기 광원들은 상기 화상 화소들로부터 상당히 멀어서, 단일 화소를 조명하는 상기 광원들수에 대한 하나의 광원에 의하여 조명되는 상기 화소들수의 비가, 상기 화상 화소들 간의 거리에 대한 상기 광원들 간의 거리의 비와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 제어가능한 화상 화소들을 구비하는 상기 스크린은 수직 및 수평 방향들로 상기 개별 화상 화소들로부터 방사된 광 빔들의 서로 다른 확산(발산)을 제공하기 위한 확산기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 스크린은 홀로그래픽층 또는 렌즈의 렌즈 매트릭스를 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원들은 LEDs, 특히 LED 어레이의 LEDs, LED 표시장치 또는 OLED 표시장치로서 구현되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어가능한 화상 화소들을 구비하는 상기 스크린은 LCD 표시장치 또는 다른 LCD 패널로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  20. 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원들은 소정의 수직 및 수평 크기를 가진 광원들로서 형성되고, 상기 크기는 수직 및 수평 방향으로 상기 개별 화상 화소들로부터 방사된 상기 광 빔들의 확산을 위한 수단을 제공하기 위하여 결정되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  21. 제 14 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수직 및 수평 방향으로 상기 개별 화상 화소들로부터 방사된 상기 광 빔들의 서로 다른 확산을 제공하도록 상기 광원들은 각각에 인접하여 위치된 수직 광원 스트립들로서 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  22. 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원들은 실질적으로 점원들인 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  23. 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원들은 나눔판들에 의하여 분리되고, 확산면 뒤에 위치된 이산 광원들인 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 확산면은 그라운드 유리로 제조되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 광원들로부터 방사된 상기 광 콘들의 중첩용 공간을 보증하도록, 상기 광원들과 상기 광원들을 분리시키는 상기 나눔판들이 상기 그라운드 유리 뒤에 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  26. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산면 뒤에서 서로의 아래에 동일한 거리로 다수의 광원들을 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  27. 제 14 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    서로의 아래에 위치된 상기 광원들은 색이 있는 화상들의 표시를 위하여 적합한 기본 색들의 방사를 위한 광원들이고, 상기 기본 색들은 규칙적으로 반복되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  28. 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크린의 상기 화상 화소들은 주기적으로 어드레스 가능한 광 셔터 화소들이고, 상기 각 광원은 몇몇 셔터 화소들을 조명하고, 하나의 셔터 화소는 주기내에 몇몇 광원들에 의하여 조명되는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 광원들은 수평 방향으로 배열된 복수의 셔터 화소들을 조명하기 위한 방사 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 화상 표시용 장치.
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