KR20060074863A - 공간상 형성장치 및 공간상 표시장치 - Google Patents

공간상 형성장치 및 공간상 표시장치 Download PDF

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KR20060074863A
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다카히로 하시모토
마코토 이케다
히로유키 네모토
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닛폰 이타가라스 가부시키가이샤
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Abstract

공간상 형성 장치(stereoimage formation apparatus)는 광축 및 정점을 가지는 마이크로렌즈를 각각 포함하는 2개의 렌즈 어레이 플레이트를 포함한다. 마이크로렌즈의 광축은 서로 평행하다. 하나의 렌즈 어레이 플레이트에 있어서의 마이크로렌즈의 광축은 또 다른 렌즈 어레이 플레이트에 있어서의 마이크로렌즈의 광축과 일치된다. 하나의 렌즈 어레이 플레이트에 있어서의 마이크로렌즈의 정점은 또 다른 렌즈 어레이 플레이트에 있어서의 마이크로렌즈의 정점과 접촉하거나 또는 가깝게 인접되어 위치된다. 각각의 렌즈 어레이 플레이트의 마이크로렌즈는 소정의 최소 구면수차보다 큰 소정의 구면수차를 가진다.
공간상, 형성, 광축, 정점, 마이크로렌즈, 렌즈 어레이, 구면수차

Description

공간상 형성장치 및 공간상 표시장치{STEREOIMAGE FORMATION APPARATUS AND STEREOIMAGE DISPLAY UNIT}
도 1은 종래기술에 있어서의 정립-등배 렌즈를 이용한 결상을 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 정립-등배 렌즈 모듈을 나타내는 사시도,
도 3은 도 2의 정립-등배 렌즈 모듈의 단면도,
도 4는 렌즈 어레이 플레이트를 나타내는 평면도,
도 5는 차광막을 나타내는 평면도,
도 6은 상기 제1 실시형태에 있어서의 렌즈 모듈을 이용한 결상을 나타내는 개략도,
도 7은 전측 작동거리가 변할 때 변화하는 결상을 나타내는 도면,
도 8은 실시예 1에 있어서의 정립-등배 렌즈 모듈의 후측 작동거리와 해상도의 관계를 나타내는 그래프,
도 9는 종래의 정립-등배 렌즈 모듈과 실시예 2에 있어서의 정립-등배 렌즈 모듈의 두께와 해상도의 관계를 나타내는 그래프,
도 10은 실시예 3 및 4에 있어서의 정립-등배 렌즈 모듈의 후측 작동거리와 해상도 사이의 관계를 나타내는 그래프,
도 11은 제1 실시형태의 정립-등배 렌즈 모듈을 이용한 공간상 디스플레이 장치의 개략도,
도 12는 제1 실시형태의 정립-등배 렌즈 모듈을 이용한 공간상 디스플레이 장치의 단면도,
도 13은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 공간상 형성장치의 단면도,
도 14는 도 13의 디스플레이부를 나타내는 분해 사시도,
도 15는 도 14의 디스플레이부를 나타내는 상면 확대도,
도 16은 도 14의 렌즈 어레이 플레이트를 나타내는 상면도,
도 17은 도 13에 도시된 렌즈 어레이 플레이트의 단면도,
도 18은 디스플레이부와 중첩된 정립-등배 렌즈 모듈의 평면도,
도 19는 정립-등배 렌즈 모듈의 해상도에 대한 디스플레이부의 화상 표시면과 정립-등배 렌즈 모듈 사이의 거리 Lz를 나타내는 그래프,
도 20은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 공간상 형성장치를 설명하기 위한 도면,
도 21은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 공간상 형성장치를 설명하기 위한 도면,
도 22 내지 도 27은 본 발명의 변형예를 나타내는 평면도이다.
본 발명은 정립 등배 공간상(an erect and unmagnified stereoimage)을 형성하기 위한 공간상 형성장치 및 정립 등배 공간상을 표시하기 위한 공간상 표시장치에 관한 것이다.
일본 특허 제 3195249 호에는 2차원적으로 배열된 마이크로렌즈를 가지는 정립-등배 광학 시스템을 포함하는 디스플레이 유닛이 개시되어 있다. 이 정립-등배 광학 시스템의 일측에는 액정 디스플레이(LCD)가 배열된다. 이 정립-등배 광학 시스템은, LCD가 배열된 측에 대향되는 측에, 표시되는 화상의 정립 등배 공간상을 형성한다. 이 정립 등배 공간상은 천공 컬러판을 통하여 표시되는 흐릿한 배경보다 선명하다. 관찰자에 의해 양쪽 눈으로 관찰될 때, 이 정립 등배 공간상은 떠 보이게 된다.
일본 공개특허공보 제 64-88502 호에는 스캐너 또는 복사기에서 사용되는 종래의 정립-등배 광학 시스템이 개시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 정립-등배 광학 시스템은 2개의 렌즈 어레이 플레이트(103)를 포함한다. 각각의 렌즈 어레이 플레이트(103)는 광축이 서로 평행한 방식으로 배열되는 복수개의 마이크로렌즈(103a)를 가진다. 하나의 렌즈 어레이 플레이트(103)의 마이크로렌즈(103a)의 광축은 또 다른 렌즈 어레이 플레이트(103)의 마이크로렌즈(103a)의 광축과 일치된다. 하나의 렌즈 어레이 플레이트(103)의 마이크로렌즈(103a)의 정점은 또 다른 렌즈 어레이 플레이트(103)의 마이크로렌즈(103a)의 정점과 접촉된다. 마이크로렌즈(103a)가 각각 형성되는 정립-등배 광학 시스템은 작은 구상수차를 가지 며 고해상도의 화상을 만들어낸다.
고해상도의 화상을 만들어내기 위해서, 종래의 정립-등배 광학 시스템의 마이크로렌즈는 각각 작은 구상수차를 가지도록 형성된다. 종래의 정립-등배 광학 시스템에 있어서, 물체(15)(LCD 스크린 상의 화상)와 마이크로렌즈(103a) 사이의 거리가 약간만 변화하더라도 화상(15a)은 많이 흐려지게 된다. 따라서, 종래의 정립-등배 광학 시스템과 물체(15) 사이의 위치관계는 변화될 수 없다.
일본 특허 제 3195249 호에 개시된 디스플레이 유닛은 무아레(moire; 물결무늬)가 생길 수 있다는 단점이 있다. 무아레는 일정한 줄무늬 패턴으로서, 마이크로렌즈와 LCD의 픽셀 사이에서 간섭에 의해 생기며, 정립 등배 화상과 함께 표시된다. 무아레는 화상의 질을 저하시킨다.
알. 로너(R. Rorner)의 "디스플레이 20 (1999)"에는 무아레를 억제하여 정립상(erect image)을 표시하기 위한 장치가 개시되어 있다. 이 종래의 장치는 복수개의 원통형 렌즈가 배열된 렌즈형상 쉬트 상에 정립상을 표시한다. 렌즈형상 쉬트 상에 배열된 원통형 렌즈는 고해상도를 이루기 위해서 화소 단위가 아니라 서브픽셀 단위로 형성된다. 각각의 원통형 렌즈는 빨강, 초록 및 파랑 중 하나의 단색광을 방사한다. 이러한 구조는 색상 무아레를 억제한다. 그렇지만, 화소보다 작은 치수를 가지는 원통형 렌즈를 제조하는 것은 어렵다. 특히, 상기 렌즈형상 쉬트를 위한 몰드를 제조하는 것은 매우 어렵다.
일본 공개특허공보 제 2004-1184140 호에는 무아레가 억제된 정립상을 표시하기 위한 장치가 개시되어 있다. 이 정립상 표시장치는 평평한 디스플레이부와 스크린을 포함한다. 평평한 디스플레이부는 3개의 서브 픽셀을 각각 포함하는 복수개의 화소를 가진다. 스크린은 각각의 서프 픽셀로부터 방사된 광의 진행방향을 제한함으로써 화상을 디스패리티 상들(disparity images)로 나눈다. 이 디스패리티 상들은 정립상으로서 관찰자에게 관찰된다. 무아레를 억제하기 위해서, 스크린은, 화소 피치의 정수배의 수치와 서브 픽셀 피치의 정수배의 수치의 총 수의 간격으로 배열되는 스크린 소자를 포함한다. 이러한 구조로, 무아레는 관찰되기에 너무나 작아지게 된다. 그렇지만, 이러한 구조는 평평한 디스플레이부가 스크린으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 있을 때에만 무아레를 억제한다. 이러한 구조는 평평한 디스플레이부와 스크린 사이의 거리가 변경되는 것을 허용하지 않는다.
본 발명의 목적은, 물체로부터의 거리가 변경될 때에도 물체의 공간상이 형성될 수 있도록 하는 공간상 형성장치를 제공하고자 하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 물체로부터의 거리가 변경될 때에도 무아레를 야기시키지 않고 물체의 공간상이 형성될 수 있도록 하는 공간상 형성장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트를 포함하는 공간상 형성장치가 제공되며, 각각의 렌즈 어레이 플레이트는 광축 및 정점을 각각 가지는 복수개의 마이크로렌즈를 포함한다. 마이크로렌즈의 광축은 서로 평행하다. 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 광축은 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 다른 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 광축과 일치 된다. 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 정점은 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 다른 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 정점과 접촉되거나 가깝게 위치된다. 각각의 렌즈 어레이 플레이트의 마이크로렌즈는 소정의 최소 구상수차보다 큰 소정의 구상수차를 각각 가진다.
본 발명의 또 다른 측면 및 장점들은 본 발명의 원리를 예를 들어 설명하는, 첨부된 도면을 참조하여 취해진 이어지는 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은, 그 목적 및 장점들과 함께, 첨부된 도면과 함께 이어지는 바람직한 실시형태의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
(바람직한 실시형태의 상세한 설명)
본 명세서에서 사용되는 용어는 다음과 같이 정의된다.
"각각의 마이크로렌즈의 구상수차를 감소시키기 위한 두께 설계값" 이란, 렌즈 모듈로부터 소정의 작동거리에 배열되는 물체(15)의 화상을, 물체(15)에 대향되는 방향으로 소정의 작동거리만큼 렌즈 모듈로부터 이격된 위치에 고해상도의 공간상(15a)으로서 형성하기 위해 설계되는 렌즈 모듈의 두께이다.
단위 "lp/mm" 는, 밀리미터당 직선 쌍(line pairs)을 나타내며, 밀리미터당 몇 쌍의 흑백 직선이 존재하는가를 보여주기 위해서 이용된다.
이하, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 공간상 형성장치가 설명된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 공간상 형성장치로서 기능하는 정립-등배 렌즈 모 듈(2)은 얇은 장방형의 단일 플레이트로 형성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 렌즈 모듈(2)은 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)를 통합함으로써 형성된다. 이 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)는, 예를 들어, 플레이트(3)를 서로 접착하거나 지그에 의해 플레이트(3)를 서로 고정함으로써 통합된다.
2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 동일한 구조를 가진다. 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 기판(4) 및 복수개의 마이크로렌즈(3a)를 포함한다. 마이크로렌즈(3a)는 기판(4)의 2개의 메인 표면 상에 형성된다. 마이크로렌즈(3a)는 구형 또는 비-구형 표면을 가진다. 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3) 상에 형성된 마이크로렌즈(3a)의 광축은 서로 평행하다. 마이크로렌즈(3a)는 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3) 상에 2차원적으로 배열된다. 도 4는 엇갈리게 배열되는 마이크로렌즈(3a)를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 내측 표면에 형성된 마이크로렌즈(3a)의 정점은 또 다른 렌즈 어레이 플레이트(3)의 내측 표면에 형성된 마이크로렌트(3a)의 정점과 접촉된다.
각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)에 배열된 마이크로렌즈(3a)는 렌즈 어레이 플레이트(3)의 측부 가장자리(림)에 근접되는 외측 마이크로렌즈 및 이 외측 마이크로렌즈에 의해 둘러싸이는 내측 마이크로렌즈를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 내측 마이크로렌즈(3a)는 육각형이다. 각각의 외측 마이크로렌즈(3a)는 렌즈 어레이 플레이트(3)의 측부 가장자리에 인접한 위치에서 원형 주위부(3b)를 가진다. 각각의 외측 마이크로렌즈(3a)의 원형 주위부(3b)는 다른 어떠한 마이크로렌즈(3a)와도 접촉되지 않는다. 마이크로렌즈(3a)는 그들 사이에 간격이 형성되지 않도록 서로 접촉되게 배열된다.
하나의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 마이크로렌즈(3a)의 광축은 또 다른 렌즈 어레이 플레이트(3)의 마이크로렌즈(3a)의 광축과 일치된다. 하나의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 마이크로렌즈(3a)의 정점은 또 다른 렌즈 어레이 플레이트(3)의 마이크로렌즈(3a)의 정점과 접촉된다. 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 마이크로렌즈(3a)는 동일한 렌즈 성능을 가진다. 각각의 마이크로렌즈(3a)는 소정의 구상수차를 가진다. 마이크로렌즈의 구상수차는 마이크로렌즈의 표면(렌즈 표면)의 곡률 또는 광축 방향으로의 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 총 두께(t)(도 3 참조)에 의해 결정된다.
2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 총 두께(t)는 각각의 마이크로렌즈(3a)의 구상수차(종래기술에서의 두께(t1)(도 1 참조))를 감소시키기 위한 두께 설계값보다 작다. 본 발명의 마이크로렌즈(3a)는 소정의 구상수차를 가지도록 형성된다. 예를 들어, 마이크로렌즈(3a)는 상대적으로 큰 구상수차를 가지도록 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 물체(15)는 렌즈 모듈(2)을 향하도록 배열된다. 물체(15)로부터의 광선은 각각의 마이크로렌즈(3a)의 렌즈 표면을 통과한다. 렌즈 모듈(2)은 물체(15)의 대향되는 쪽에서 물체(15)의 화상(15a)을 형성한다. 도 6에서, 전측(물체측) 작동거리(WD1)는 물체(15)와 렌즈 모듈(2) 사이의 거리이고, 후측(화상측) 작동거리(WD2)는 렌즈 모듈(2)과 화상(15a) 사이의 거리이다.
도 7은 전측 작동거리(WD1)가 짧을 때와 전측 작동거리(WD1)가 길 때의 2가 지 경우에서 광선의 광 경로를 나타낸다. 물체(15)가 렌즈 모듈(2)에 가까울 때(전측 작동거리(WD1)가 짧을 때), 물체(15)로부터의 광선은 상대적으로 마이크로렌즈(3a)의 외측 부위를 통하여 진행한 후. 즉 마이크로렌즈(3a)의 중심선으로부터 떨어진 위치를 통하여 진행한 후 집중된다. 물체(15)가 렌즈 모듈(2)로부터 떨어져 있을 때(전측 작동거리(WD1)가 길 때), 물체(15)로부터의 광선은 상대적으로 마이크로렌즈(3a)의 내측 부위를 통하여 진행한 후. 즉 마이크로렌즈(3a)의 중심선으로부터 가까운 위치를 통하여 진행한 후 집중된다. 광선이 마이크로렌즈(3a)의 렌즈 표면을 통과하는 위치는 전측 작동거리(WD1)가 가변되면 변화한다. 다시 말해서, 물체(15)로부터의 광선은 전측 작동거리(WD1)에 따라서 마이크로렌즈(3a)의 렌즈 표면의 최적 위치를 통과한다. 마이크로렌즈(3a)의 최적 위치를 통과한 광선은 후측 작동거리(WD2)만큼 이격된 위치에서 집중되어 공간상(15a)을 형성한다.
렌즈 모듈(2)은 인간의 눈으로 관찰하였을 때 흐릿함 없이 충분히 선명하게 화상(15a)을 형성하도록 설계된다. 더욱 상세하게는, 렌즈 모듈(2)은 후술하는 광학적 특성을 가진다. 1 lp/mm에서 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 해상도(MTF; modulation transfer function)는 10% 이상이며, 후측 작동거리(WD2)가 5 내지 150 mm의 범위 내에 있을 때, 더욱 바람직하게는 5 내지 100 mm의 범위 내에 있을 때 MTF 변화율은 0%/mm 이상이고 2%/mm 이하이다. 1 lp/mm에서의 MTF가 대략 10% 보다 클 때, 화상은 인간의 눈으로 흐릿함 없이 관찰된다. 따라서, 후측 작동거리(WD2)가 상기 범위(결상범위) 내에 있을 때 화상은 인간의 눈으로 흐릿함 없이 관찰된다. 바람직하게는 1 lp/mm에서의 MTF가 20% 이상이면 화상(15a)의 선명도가 더욱 증가된다.
후측 작동거리(WD2)가 이 범위를 벗어나면 화상(15a)이 선명하게 관찰되지 않기 때문에 후측 작동거리(WD2)는 5 내지 150 mm의 범위 내에서 설정된다.
각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 투명 수지로 만들어진다. 렌즈 모듈(2)은 수지로 만들어진다.
도 5에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 외측 마이크로렌즈(3a)의 원형 주위부(3b)를 덮도록 배열되는 차광막(5)을 가진다.
제1 실시형태는 이하의 장점을 가진다.
각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 마이크로렌즈(3a)는 소정의 구상수차를 가지도록 형성된다. 이것은 전측 작동거리(WD1)가 가변될 수 있도록 한다. 예를 들어, 전측 작동거리(WD1)가 가변 되더라도, 렌즈 모듈(2)은 물체(15)의 정립 등배 공간상(15a)을, 물체(15)에 대향하는 방향으로 전측 작동거리(WD1)와 동일한 후측 작동거리(WD2)만큼 이격된 위치에서 인간의 눈으로 관찰하여 흐릿함 없이 선명한 화상으로서 형성한다. 정립 등배 공간상은 전측 작동거리(WD1)를 가변함으로써 떠오른 상이나 가라앉은 상으로 관찰될 수 있다. 이러한 구조는 렌즈 모듈(2)과 물체(15) 사이의 위치 관계가 가변될 수 있도록 허용한다.
렌즈 어레이 플레이트(3)와 화상(15) 사이의 거리는 자유롭게 가변될 수 있다. 이것은 렌즈 모듈(2)에 의해 형성되는 공간상의 깊이 치수를 가변시킬 수 있게 한다.
2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 마이크로렌즈(3a)는 모두 동일한 렌즈 성능을 가진다. 따라서, 렌즈 모듈(2)은 고성능을 가진다.
광축 방향에 있어서의 렌즈 모듈(2)의 두께(t), 즉 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 총 두께(t)는, 상기 두께 설계값보다 작다. 이것은 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 마이크로렌즈(3a)가 상대적으로 큰 구상수차를 가지도록 형성될 수 있게 한다.
렌즈 모듈(2)은 얇은 장방형 플레이트로서 형성된다. 따라서, 렌즈 모듈(2)은 취급이 용이하며, 공간상 표시장치 내로 용이하게 조립될 수 있다.
물체(15)로부터의 광선이 통과하는 렌즈 영역은 실질적으로 균일하며, 광선의 투과량은 전측 작동거리(WD1)가 가변 되더라도 실질적으로 균일하다. 이것은 전측 작동거리(WD1)가 가변 되더라도 양호한 공간상(15a)이 형성될 수 있도록 한다.
후측 작동거리(WD2)가 5 내지 150 mm의 범위 내에 있을 때, 더욱 바람직하게는 5 내지 100 mm의 범위 내에 있을 때, 1 lp/mm 에서의 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 해상도(MTF)는 10% 이상이며, 렌즈 모듈(2)의 MTF 변화율은 0%/mm 이상이고 2%/mm 이하이다. 이것은, 렌즈 모듈(2)(렌즈 어레이 플레이트(3))과 물체(15) 사이의 거리(WD1)가 가변 되더라도 상기 범위 내에 있는 후측 작동거리(WD2)만큼 이격된 위치에서 렌즈 모듈(2)이 화상(15a)을 흐릿함 없이 형성할 수 있도록 한다. 이러한 구조는 렌즈 모듈(2)과 물체(15) 사이의 위치 관계가 가변될 수 있도록 허용한다.
각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 기판(4)의 2개의 메인 표면 상에 배열되는 구형이나 비 구형 표면을 갖는 마이크로렌즈(3a)를 포함하는 평판 마이크로렌즈 어레이이다. 이러한 구조는, 평판 마이크로렌즈 어레이에 의해 형성된 렌즈 어레이 플레이트(3)와 물체(15) 사이의 거리가 가변 되더라도 5 내지 150 mm의 범위 내에 있는 후측 작동거리(WD2)만큼 이격된 위치에서 렌즈 모듈(2)이 화상(15a)을 흐릿함 없이 형성할 수 있도록 한다.
투명 수지로 만들어진 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 저비용으로 형성된다. 따라서, 렌즈 모듈(2)은 저비용으로 형성된다.
적어도 하나의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 외측 마이크로렌즈(3a)의 원형 주위부(3b)를 덮는 차광막(5)을 포함한다. 이러한 구조는 렌즈 어레이 플레이트(3)에서 야기되는 미광(stray light)이 렌즈 모듈(2)로부터 화상(15a)을 향하여 방사되는 것을 방지한다. 이것은 렌즈 모듈(2)이 높은 대비의 공간상을 형성할 수 있도록 한다.
이하, 실시예 1의 렌즈 모듈(2)이 도 8을 참조하여 설명된다. 도 8에서의 곡선(130)은 후측 작동거리(WD2)와 실시예 1의 렌즈 모듈(2)의 해상도(MTF) 사이의 관계를 나타낸다.
실시예 1에 있어서, 후측 작동거리(WD2)가 10 내지 70 mm의 범위 내에 있을 때, 1 lp/mm 에서의 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 해상도(MTF)는 10% 이상이며, MTF 변화율은 0%/mm 이상이고 2%/mm 이하이다. 각각의 마이크로렌즈(3a)의 개 구각(angular aperture)은 12도 이다. 각각의 마이크로렌즈(3a)의 곡률반경은 0.567 mm 이다. 마이크로렌즈(3a)의 피치는 0.499 mm 이다. 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 두께(기판(4)의 두께)는 1.63 mm 이다.
투명 수지로 만들어진 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 2개의 금형을 이용하여 사출성형 됨으로써 형성된다. 각각의 금형은 그 배열상태, 곡률, 및 직경에 있어서 마이크로렌즈(3a)에 상응하는 복수개의 오목부를 갖는다. 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 2개의 금형 사이에 투명 수지를 주입함으로써 형성된다. 마이크로렌즈(3a)에 적합한 특성(투명성, 강도 등)을 갖는 어떠한 투명 수지라도 사용될 수 있다.
이하, 실시예 2의 렌즈 모듈(2)이 도 9를 참조하여 설명된다.
도 9에 있어서, 곡선(131)은 후측 작동거리(WD2)와 스캐너 또는 복사기에서 사용되는 종래기술(도 1 참조)의 정립-등배 렌즈 모듈의 해상도(MTF) 사이의 관계를 나타낸다. 종래예의 정립-등배 렌즈 모듈은 작은 구상수차를 가지도록 각각 설계된 복수개의 마이크로렌즈를 가진다. 렌즈 모듈의 두께(t1), 즉 2개의 렌즈 어레이 플레이트(103)의 총 두께는 1.69 mm 이었다.
도 9에 있어서, 곡선(132)은 후측 작동거리(WD2)와 실시예 2의 렌즈 모듈(2)의 해상도(MTF) 사이의 관계를 나타낸다. 렌즈 모듈(2)(도 3 및 7 참조)의 두께(t)는 1.66 mm 이었다. 실시예 2의 렌즈 모듈(2)은 종래예의 렌즈 모듈보다 30 ㎛ 만큼 얇다.
도 9에 있어서의 곡선(131 및 132)으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 2의 렌즈 모듈(2)은 렌즈 모듈(2)이 움직일 수 있는 범위, 즉 후측 작동거리(WD2)가 가변될 수 있는 범위(25 내지 70 mm) 내에서 낮은 해상도를 가지며, 흐릿하게 관찰되지 않은 화상을 형성한다. 다시 말해서, 실시예 2의 렌즈 모듈(2)은 전측 작동거리(WD1)가 짧더라도 상대적으로 낮은 해상도를 갖는 화상을 형성하도록 설계된다. 따라서, 전측 작동거리(WD1)가 가변될 때 야기되는 화상의 흐릿함은 보다 덜 두드러진다.
종래의 렌즈 모듈과 비교하여, 실시예 2의 렌즈 모듈(2)은 거리(WD)(후측 작동거리(WD2))가 길 때 심하게 흐릿한 화상을 형성한다. 그렇지만, 곡선(131)의 기울기(MTF/WD)가 작으면, 거리(WD)가 가변될 때 야기되는 화상의 흐릿함은 보다 덜 두드러진다.
이하, 실시예 3 및 4의 렌즈 모듈(2)은 도 10을 참조하여 설명된다. 곡선(133 및 134)은 후측 작동거리(WD2)와 실시예 3 및 4의 렌즈 모듈(2)의 해상도(MTF) 사이의 관계를 나타낸다.
실시예 3의 렌즈 모듈(2)에 있어서, 후측 작동거리(WD2)가 10 내지 160 mm의 범위 내에 있을 때, 1 lp/mm에서의 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 해상도(MTF)는 10% 이상이며, MTF 변화율은 0%/mm 이상이고 2%/mm 이하이다.
실시예 3의 렌즈 모듈(2)에 있어서, 각각의 마이크로렌즈(3a)의 곡률반경은 0.576 mm 이었고, 렌즈 모듈(2)의 두께, 즉 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 총 두께(t)는 1.68 mm 이었고, 마이크로렌즈(3a)의 피치는 0.499 mm 이고, 각각의 마이크로렌즈(3a)의 반경은 0.3 mm 이었다.
실시예 4의 렌즈 모듈(2)에 있어서, 후측 작동거리(WD2)가 10 내지 90 mm의 범위 내에 있을 때, 1 lp/mm에서의 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 해상도(MTF)는 10% 이상이며, MTF 변화율은 0%/mm 이상이고 2%/mm 이하이다.
실시예 4의 렌즈 모듈(2)에 있어서, 각각의 마이크로렌즈(3a)의 곡률반경은 0.582 mm 이었고, 렌즈 모듈(2)의 두께, 즉 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 총 두께(t)는 1.68 mm 이었고, 마이크로렌즈(3a)의 피치는 0.499 mm 이고, 각각의 마이크로렌즈(3a)의 반경은 0.3 mm 이었다.
도 10에 있어서의 곡선(133)으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 3의 렌즈 모듈(2)은 후측 작동거리(WD2)가 10 내지 160 mm의 범위 내에 있을 때 1 lp/mm 에서 10% 보다 큰 해상도(MTF)를 가지며, 해상도(MTF)는 적절하게 가변된다. 도 10에 있어서 곡선(134)으로부터 명백한 바와 같이, 실시예 4의 렌즈 모듈(2)은 후측 작동거리(WD2)가 10 내지 90 mm의 범위 내에 있을 때 1 lp/mm 에서 10% 보다 큰 해상도(MTF)를 가지며, 해상도(MTF)는 보다 급격하게 가변된다. 실시예 3의 렌즈 모듈(2)은 실시예 4의 렌즈 모듈(2)보다 더욱 바람직하다.
도 11은 제1 실시형태의 렌즈 모듈(2)을 이용한 공간상 표시장치의 일 실시예를 나타낸다. 공간상 표시장치는 균질의 매질(40)을 수용하는 챔버 및 렌즈 모듈(2)을 포함한다. 균질의 매질(40)은 투명하다. 렌즈 모듈(2)은 매질(40) 내에 물체(15)의 화상(15a)을 형성한다. 결상 거리(후측 작동거리(WD2))는 매질(40)의 굴절률에 따라서 길어진다. 매질(40)은 공기와 같은 기체, 물과 같은 액체, 또는 투명 수지와 같은 고체일 수 있다. 결상 거리는 매질(40)의 굴절률에 따라서 가변된다. 예를 들어, 매질(40)이 물일 때, 결상 거리는 매질(40)이 공기일 때의 결상 거리보다 1.5배 길다. 매질(40)이 물일 때, 물체(15), 마이크로렌즈(3a), 및 화상(15a)의 위치에 대한 설계 자유도는 더욱 커진다.
이하, 렌즈 모듈(2)을 이용한 공간상 표시장치(1)가 도 12를 참조하여 설명된다. 공간상 표시장치(1)는 예를 들어 차량 네비게이션 시스템용 디스플레이 유닛, 핸드폰용 디스플레이 유닛, 광고매체, 혹은 오락 또는 게임기로서 사용된다.
표시장치(1)는 렌즈 모듈(2), 표시 대상물로서 기능하는 디스플레이 장치(10), 기단측 하우징(11), 및 말단측 하우징(12)을 포함한다. 기단측 하우징(11) 및 말단측 하우징(12)은 렌즈 모듈(2) 및 디스플레이 장치(10)를 수용한다. 디스플레이 장치(10)는, 예를 들어, LCD(액정 디스플레이)일 수 있다. 디스플레이 장치(10)는 상응하는 스위칭 소자를 경유하여 매트릭스 내에 배열되는 복수개의 화소에 대하여 화상 신호를 연속적으로 제공함으로써 디스플레이 스크린 상에 화상(15)을 표시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 렌즈 모듈(2)은 말단측 하우징(12) 내의 공간에 디스플레이 장치(10)의 화상(15)의 공간상(15a)을 형성한다.
말단측 하우징(12)은 광축 방향으로 이동 가능한 방식으로 기단측 하우징(11)에 지지된다. 말단측 하우징(12)은 창(12a)을 가진다. 렌즈 모듈(2)에 의해 형성되는 공간상(15a)은 하우징(12)의 외측으로부터 창(12a)을 통하여 관찰될 수 있다. 예를 들어, 투명한 유리판이 창(12a)에 끼워진다.
2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 마이크로렌즈(3a)의 광축 방향으로 이동 가능한 방식으로 기단측 하우징(11)의 내측 표면에 지지된다.
표시장치(1)는 이하의 장점을 가진다.
후측 작동거리(WD2)가 5 내지 150 mm 일 때 1 lp/mm에서의 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 해상도(MTF)는 10% 이상이며, MTF 변화율은 0%/mm 이상이고 2%/mm 이하이다. 표시장치(1)는 렌즈 어레이 플레이트(3)와 디스플레이 장치(10)(물체(15)) 사이의 거리가 가변 되더라도 5 내지 150 mm의 범위 내에 있는 후측 작동거리(WD2)만큼 이격된 위치에서 흐릿함 없이 화상(15a)을 형성한다. 이러한 구조는 렌즈 어레이 플레이트(3)와 화상(15a) 사이의 거리를 가변하도록 허용한다.
렌즈 어레이 플레이트(3)와 화상(15a) 사이의 거리는 공간상의 두께를 가변시키기 위해서 변경될 수 있다. 예를 들어, 렌즈 어레이 플레이트(3)가 디스플레이 장치(10)로부터 멀리 이동할 때, 말단측 하우징(12) 내에 형성된 화상(15a)은 관찰자에게 떠오르는 화상으로 관찰된다.
렌즈 어레이 플레이트(3)와 디스플레이 장치(10) 사이의 거리는 디스플레이 장치(10) 및 렌즈 어레이 플레이트(3) 중 하나 또는 양쪽 모두를 움직임으로써 가변될 수 있다.
표시장치(1)는, 렌즈 어레이 플레이트(3)와 디스플레이 장치(10)(물체(15)) 사이의 거리가 가변 되더라도, 5 내지 15 mm의 범위 내에 있는 후측 작동거리만큼 이격된 위치에서 흐릿함 없이 공간상을 형성한다.
렌즈 어레이 플레이트(3)는 저가의 투명 수지로 만들어진다. 따라서, 렌즈 어레이 플레이트(3)는 저가로 형성된다.
표시장치(1)는 렌즈 모듈(2)과 디스플레이 장치(10) 사이의 거리(전측 작동거리(WD1))가 가변 되더라도 흐릿함 없이 공간상을 형성한다. 따라서, 표시장치(1)는 렌즈 모듈(2)과 화상 사이의 거리를 가변함으로써 공간상의 깊이치수를 변경할 수 있다.
표시장치(1)는 디스플레이 장치(10)에 제공되는 화상 신호에 따라서 공간상을 표시한다.
이하, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 공간상 형성장치(50)가 설명된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 공간상 형성장치(50)는 실질적으로 박스 형상인 케이스(51)를 포함한다. 창(W에는 투명 유리(WG)가 배열된다. 케이스(51)는 디스플레이 장치(10), 유리판(53), 및 정립-등배 렌즈 모듈(2)을 수용한다.
디스플레이 장치(10)는 케이스(51)의 후방벽(51b)에 고정된다. 디스플레이 장치(10)는, 예를 들어, 공지의 풀 컬러 LCD(full coler LCD)이다. 디스플레이 장치(10)는 디스플레이 패널(22), 컬러 필터(23), 및 백라이트(55)를 포함한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 디스플레이 패널(22)은 광을 투과시키는 기판(25)(예를 들어, 유리 기판)을 포함한다. 복수개의 서브 픽셀 영역(26)은 유리 기 판(25) 상에 규칙적으로 일정 간격으로(매트릭스로) 배치된다.
각각의 서브 픽셀 영역(26)은 도시하지 않은 화소 전극 및 각종 전자 소자를 포함한다. 각각의 서브 픽셀 영역(26) 내의 화소 전극은 외부장치(도시 생략)로부터 데이터 신호를 제공받는다. 공통 전극이 유리 기판(25) 상에 형성된다. 액정은 서브 픽셀 영역(26)의 화소 전극과 공통 전극 사이에 배열된다.
하나의 서브 픽셀 영역(26) 내의 화소 전극이 데이터 신호를 제공받으면, 화소 전극과 공통 전극 사이에 이 데이터 신호에 따른 전위차가 야기된다. 이 전위차는 서브 픽셀 영역 내에 배열된 액정의 배향을 제어한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(23)는 적색 변환층(28R), 녹색 변환층(28G), 및 청색 변환층(28B)을 포함한다. 각각의 서브 픽셀 영역(26)은 변환층(28R, 28G, 28B) 중 하나와 대면한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 변환층(28R, 28G, 및 28B)은 적색 변환층(28R), 녹색 변환층(28G), 청색 변환층(28B), 적색 변환층(28R), 녹색 변환층(28G), 청색 변환층(28B), 등의 순서로 X축 방향으로 배열된다. 변환층(28R, 28G, 및 28B)은 Y축 방향으로 연장된다.
도 15에 도시된 바와 같이, 3개의 서브 픽셀 영역(26) 및 대향하는 3개의 색 변환층(28R, 28G, 28B)은 각각 3개의 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)을 형성한다. 이 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)은 각각 적색, 녹색 및 청색의 3가지 색상에 상응한다. X축 방향으로 인접되는 3가지 색상의 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)은 하나의 픽셀(30)을 형성한다.
서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)은 X축 방향으로 고정 피치(q)를 두고 배열된 다. 픽셀(30)은 X축 방향으로 고정 피치(PD)를 두고 배열된다. 동일한 색상의 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)은 Y축 방향으로 일직선으로 배열되어 각각의 열이 동일한 색상의 서브 픽셀로 형성되도록 한다. 컬러 필터(23)는 동일한 컬러의 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)의 열에 의해 형성된 세로 스트라이프를 가진다.
도 13에 도시된 바와 같이, 백라이트(55)는 디스플레이 패널(22)을 향하여 소정 범위의 파장을 가지는 광을 방사한다. 백라이트(55)의 광은 디스플레이 패널(22)에 형성된 서브 픽셀 영역(26) 상의 액정을 통과한다. 결과적으로 소망하는 화상은 컬러 필터(23)의 표면, 즉 화상 표시면(M) 상에 형성된다.
유리판(53)은 케이스(51)의 상부 벽(51c) 및 하부 벽(51d)에 고정되어 디스플레이 장치(10)를 대면하게 된다. 유리판(53)은 실질적으로 사각형이다. 유리판(53)은 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 디스플레이 장치(10) 사이에 배열된다.
정립-등배 렌즈 모듈(2)은 물체의 정립 등배 화상을 형성한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 정립-등배 모듈(2)은 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)를 통합함으로써 형성된다. 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 동일한 구조를 가진다. 도 16 및 17에 도시된 바와 같이, 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 기판(4) 및 복수개의 마이크로렌즈(3a)를 포함한다. 마이크로렌즈(3a)는 구형 또는 비 구형 표면을 가지며, 기판(4)의 2개의 메인 표면 상에 고정된 간격으로 균일하게 배열된다. 마이크로렌즈(3a)는 제1 실시형태와 동일한 형상을 가진다.
마이크로렌즈(3a)의 광축은 서로 평행하다. 도 17에 도시된 바와 같이, 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 대향하는 마이크로렌즈(3a)의 정점이 서로 접촉되도 록 통합된다. 마이크로렌즈(3a)는 고정된 피치(PL)를 두고 배열된다. 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 광축 방향으로 두께(t)를 가진다. 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 투명 수지로 만들어진다.
이하, 함께 연결된 정립-등배 렌즈 모듈(2) 및 디스플레이 장치(10)가 도 18을 참조하여 설명된다.
디스플레이 장치(10)는 측방향(도 18에서 DA 방향)을 가진다. 화소(30)는 DA 방향으로 연장되는 열을 형성한다. 정립-등배 렌즈 모듈(2)은 측방향(도 18에서 DB 방향)을 가진다. 마이크로렌즈(3a)는 DB 방향으로 지그재그 방식으로 연장된 열을 형성한다. 정립-등배 렌즈 모듈(2) 및 디스플레이 방치(10)는 DA 방향과 DB 방향 사이의 각도 θ 가 0 이 되도록 배열된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 렌즈 고정 스테이지(61)는 렌즈 어레이 플레이트(3)의 상단부 및 하단부를 지지한다. 상부 및 하부 이동 스테이지(65)는 케이스(51)의 상부 및 하부 벽(51c 및 51d)에 각각 고정된다. 상부 및 하부 이동 스테이지(65)는 디스플레이 장치(10)와 유리판(53) 사이에서 이동 가능한 방식으로 상부 및 하부 렌즈 고정 스테이지(61)를 지지한다. 이동 스테이지(65)는 렌즈 어레이 플레이트(3)와 디스플레이 장치(10) 사이의 거리 및 렌즈 어레이 플레이트(3)와 유리판(53) 사이의 거리를 가변시킬 수 있도록 되어 있다.
직선이동 기구는 렌즈 고정 스테이지(61) 및 이동 스테이지(65)를 위해 사용된다. 직선이동 기구의 예로서는 직선이동 스크루 기구를 들 수 있다. 직선이동 스크루 기구는 이동 스테이지(65)에 부착되어 Z축 방향으로 연장되는 스크루 축(구동축), 스크루 축이 위치되는 가이드 홈, 및 스크루 축과 결합되는 볼 너트를 포함한다. 스크루 축은 스텝 모터와 같은 Z축 모터에 연결된다. Z축 모터는 소정의 스텝 수에 관련한 구동신호에 따라 정역 회전한다. 렌즈 고정 스테이지(61)는 Z축 모터에 의해 야기되는 회전에 따라서 소정량만큼 소정 속도로 Z축 방향으로 이동 스테이지(65)에 대하여 이동한다. 렌즈 고정 스테이지(61)의 이동은 소정 범위 내에서의 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)(도 13 참조)를 가변시킨다.
이하, 정립-등배 렌즈 모듈(2)이 설명된다.
렌즈 어레이 플레이트(3)는 소정의 구상수차를 각각 갖는 마이크로렌즈(3a)를 포함한다. 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)의 총 두께(t)는 각각의 마이크로렌즈의 구상수차를 최소화하는 두께 설계값(t1: 도 1)보다 작다. 마이크로렌즈(3a)는 상대적으로 얇게 정립-등배 렌즈 모듈(2)을 형성함으로써 소정의 구상수차를 가지도록 형성된다.
물체(15)로부터의 광선은 거리 Lz에 따라서 마이크로렌즈(3a)의 렌즈 표면에서 최적 위치를 통과한다(도 13 참조). 결과적으로 케이스(51)의 내측이 관찰자에 의해 창(W)을 통하여 관찰될 때, 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 상에 표시되는 화상은 관찰자의 쌍안시차(binocular disparity)로 인하여 떠보이는 공간상으로서 관찰된다.
실험자는 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도(MTF)가 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 사이의 거리(Lz)에 따른다는 것을 확인하였다. 도 19는 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도(MTF)와 거리(Lz) 사이의 관계를 나타낸다.
도 19에 도시된 바와 같이, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도(MTF)는 거리(Lz)가 대략 20 mm 일 때 가장 높아진다. 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도는 거리 Lz가 대략 20 mm에서 늘어나거나 줄어듦에 따라서 점진적으로 감소된다. 제2 실시형태에 있어서, 정립-등배 렌즈 모듈(2)이 렌즈 고정 스테이지(61) 상에 설정되는 위치는, 해상도(MTF)가 적어도 10% 의 값을 유지하고 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 화상 표시면(M) 사이의 거리(Lz)가 이동가능한 범위 내에서 최소값일 때 정립등배 렌즈 모듈(2)의 해상도가 이동가능한 범위 내에서 가장 높아지게 되도록 결정된다. 도 19의 실시예에 있어서, 렌즈 고정 스테이지(61) 및 이동 스테이지(65)의 설정 위치와 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 이동 가능한 범위는, 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 화상 표시면(M) 사이의 거리(Lz)가 20 mm가 되도록 결정된다.
제2 실시형태는 다음과 같은 장점을 가진다.
(1) 정립-등배 렌즈 모듈(2)은 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M)을 대면하는 위치에 배열된다. 케이스(51)의 내측이 창(W)을 통하여 관찰자에게 관찰될 때, 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 상에 표시된 화상은 케이스(51) 내에서 떠보이는 공간상으로서 관찰된다.
(2) 정립-등배 렌즈 모듈(2)은 렌즈 고정 스테이지(61)를 갖춘 이동 스테이지(65) 상에 배열된다. 이러한 구조는 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 사이의 거리(Lz)를 소정 범위 내에서 가변시킬 수 있도록 한다. 결과적으로, 정립-등배 렌즈 모듈의 해상도는 거리(Lz)를 가변함으로써 소정 범위 내에서 변경된다. 또, 케이스(51) 내에 형성된 공간상의 위치는 거리(Lz)를 가변함으로써 변경된다.
(3) 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도는 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 디스플레이 장치(10) 사이의 거리(Lz)를 증가시킴으로써 낮아진다. 등립-정배 렌즈 모듈(2)의 해상도가 낮아지더라도, 이 낮아진 해상도는 화상을 인간의 눈으로 흐릿함 없이 관찰될 수 있도록 하는 일정 수준에 있다. 이러한 구조로, 무아레 주름이 발생되더라도, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 낮아진 해상도는 무아레 주름을 감소시킨다. 그러한 광의 무아레 주름은 보다 덜 두드러진다. 결과적으로, 무아레 주름이 실질적으로 관찰자에게 관찰되지 않는 고화질의 공간상이 표시된다.
(4) 정립-등배 렌즈 모듈(2)은, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도(MTF)가 적어도 10% 의 값을 유지하고, 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 화상 표시면(M) 사이의 거리(Lz)가 이동가능한 범위 내에서 최소일 때 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도가 이동가능한 범위 내에서 가장 높아지게 되도록 배열된다. 결과적으로, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도는, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리가 가변됨에 의해 1 lp/mm 에서의 해상도(MTF)가 10% 보다 큰 범위 내에서 변경된다. 결과적으로, 공간상은 정립-등배 렌즈 모듈(2)이 화상 표시면에 대하여 이동 되도록 허용되는 범위 전체에 걸쳐서 인간의 눈으로 흐릿함 없이 관찰되기에 충분히 선명한 화상으로서 표시된다.
(5) 디스플레이 장치(10)는 세로 스트라이프로 배열되어 있는 화소(30)를 가진다. 정립-등배 렌즈 모듈(2)은 육각형상으로 배열되는 마이크로렌즈(3a)를 갖는다. 육각형상으로 배열된 마이크로렌즈(3a)를 갖는 정립-등배 렌즈 모듈(2)은 세로 스트라이프로 배열되어 있는 화소(30)를 갖는 디스플레이 장치(10)에 의해 표시되는 화상의 공간상을 형성하며, 정립-등배 렌즈 모듈(2)에 의해 형성된 공간상에 야기되는 무아레 주름은 감소된다.
(6) 각각의 화소(30)는 유리판(25) 상에 고정된 간격으로 배열되는 3가지 색상의 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)을 포함한다. 동일한 색상의 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)은 열을 형성하도록 유리 기판(25)의 세로 방향으로 배열된다. 이러한 구조는 디스플레이 장치(10)로서 공지의 풀 컬러 LCD를 이용할 수 있도록 하여, 저비용으로 공간상 형성장치(50)를 제작할 수 있도록 한다.
이하, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 공간상 형성장치(50)를 도 20을 참조하여 설명한다. 제3 실시형태는 공간상 형성장치(50) 내에 포함된 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 마이크로렌즈(3a)가 보정된 렌즈 피치(PLo)를 두고 배열되어 있다는 점에서 제2 실시형태와 상이하다.
도 19의 실시예에 있어서, 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 화상 표시면(M) 사이의 거리(Lz)가 이동가능한 범위 내에서 가장 작을 때, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상 도(MTF)는 가장 크다. 이러한 상태에서, 공간상에 야기된 무아레 주름은 인간의 눈에 가장 두드러진다. 제3 실시형태에 있어서, 정립-등배 렌즈 모듈(2)은 관찰자의 시점과 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 사이의 거리(LA)와 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 화상 표시면(M) 사이의 거리(Lz)의 비율에 근거하여 보정된 렌즈 피치(PLo)를 갖는다.
도 20의 실시예에 있어서, 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 화상 표시면(M) 사이의 거리(Lz)가 이동가능한 범위 내에서 최소일 때, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 렌즈 피치(PL)에 대한 보정 렌즈 피치(PLo)의 비율(PLo/PD)은 다음 식을 만족한다.
(1.20 + n * 1.50) ≤ PLo/PD ≤ (1.70 + n * 1.50)
여기에서, n = 0, 1, 2, 3, ....
보정 렌즈 피치(PLo)는 다음 식으로 표현된다.
PLo = PL/a
정수 a는 다음 식으로 정의된다.
a = {LA - (L + Z/2)} / {LA - (2L + Z)}
보정 렌즈 피치(PLo)는, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 최소일 때 비율(PLo/PD)이 상기 식을 만족하도록 설정된다. 이러한 방 식으로 보정 렌즈 피치(PLo)를 설정하는 것은 공간상 내에 야기되는 무아레 주름의 간격을 충분히 감소시킨다.
제3 실시형태는 다음과 같은 장점을 가진다.
정립-등배 렌즈 모듈(2)의 렌즈 피치(PL)는, 관찰자의 시점과 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 사이의 거리(LA)와 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 화상 표시면(M) 사이의 거리(Lz)의 비율에 근거하여 보정된다. 이러한 보정은 공간상 내에 야기되는 무아레 주름의 간격을 충분히 감소시킨다. 그러한 무아레 주름은 보다 덜 두드러진다. 결과적으로, 공간상 형성장치는, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 가변될 수 있는 범위 전체에 걸쳐서 고화질의 공간상을 표시한다.
이하, 제3 실시형태의 실시예들이 설명된다.
(실시예 5)
표 1은 실시예 5의 공간상 형성장치(50)의 해상도 및 공간상 화질을 나타낸다.
LA(mm) 500 500 500
PD(mm) 0.321 0.321 0.321
Lz(mm) 20 45 70
PL(mm) 0.499 0.499 0.499
PLo(mm) 0.476 0.448 0.415
해상도(%) 65 60 12
PLo/PD 1.48 1.39 1.29
각도 θ 0 0 0
화질 ◎ ◎ ◎
실시예 5에 있어서, 6.5인치의 대각선 크기 및 0.321 mm * 0.321 mm의 화소 피치(PD)(0.321 mm * 0.107 mm의 서브 픽셀 피치(q))를 가지며 동일한 색상의 화소가 세로 방향으로 연속적으로 배열되어 있는 세로 스트라이프 배열을 갖는 풀 컬러 LCD(99 mm * 132 mm)가 디스플레이 장치(10)로서 사용되었다. 실시예 5에 있어서, 정립-등배 렌즈 모듈(2)은 6.5인치의 대각선 크기를 가지며, 20 mm의 촛점거리, 1.66 mm의 렌즈 두께(t), 그리고 0.499 mm의 렌즈 피치(PL)를 갖는 마이크로렌즈(3a)를 포함한다. 각각의 마이크로렌즈(3a)는 육각형이었다. 마이크로렌즈(3a)는 육각형상으로 배열되었다.
관찰자와 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 사이의 거리(LA)가 500 mm이고, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 20 mm 일 때, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.476 mm 이다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.48 이다. 또, 해상도는 65% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 공간상 내에서 나안으로는 관찰되지 않는다.
화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 45 mm 로 변경되면, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.448 mm 가 된다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.39 이다. 또, 해상도는 30% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 공간상 내에서 나안으로는 관찰되지 않는다.
화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 70 mm 로 변경되면, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.415 mm 가 된다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.29 이다. 또, 해상도는 12% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성된 공간상 내에서 나안으로는 관찰되지 않는다.
(비교예)
표 2는 비교예에 있어서의 공간상 형성장치의 해상도 및 공간상 화질을 나타낸다.
LA(mm) 500 500 500 500
PD(mm) 0.255 0.255 0.255 0.255
Lz(mm) 20 40 60 80
PL(mm) 0.499 0.499 0.499 0.499
PLo(mm) 0.476 0.454 0.429 0.402
해상도(%) 65 38 19 11
PLo/PD 1.87 1.68 1.68 1.58
각도 θ 0 0 0 0
화질 × × × ○
비교예에 있어서, 15인치의 대각선 크기 및 0.255 mm * 0.255 mm의 화소 피치(PD)(0.255 mm * 0.099 mm의 서브 픽셀 피치(q))를 가지며 동일한 색상의 화소가 세로 방향으로 연속적으로 배열되어 있는 세로 스트라이프 배열을 갖는 풀 컬러 LCD(229 mm * 305 mm)가 디스플레이 장치(10)로서 사용되었다. 비교예에 있어서, 실시예 5에서 사용된 정립-등배 렌즈 모듈(2)이 사용되었다.
관찰자와 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 사이의 거리(LA)가 500 mm이고, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 20 mm 일 때, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.476 mm 이다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.87 이다. 또, 해상도는 65% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 40 mm 로 변경되면, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.454 mm 이다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.68 이다. 또, 해상도는 38% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 60 mm 로 변경되면, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.429 mm 이다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.68 이다. 또, 해상도는 19% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
또, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 80 mm 로 변경되면, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.402 mm 이다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.58 이다. 또, 해상도는 11% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름이 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 야기되더라도, 이 무아레 주름은 매우 작아 나안으로는 관찰할 수 없다.
(실시예 6)
표 3은 실시예 6의 공간상 형성장치(50)의 해상도 및 공간상 화질을 나타낸다.
LA(mm) 500 500 500 500
PD(mm) 0.297 0.297 0.297 0.297
Lz(mm) 20 40 60 80
PL(mm) 0.499 0.499 0.499 0.499
PLo(mm) 0.476 0.454 0.429 0.402
해상도(%) 65 38 19 11
PLo/PD 1.6 1.53 1.44 1.35
각도 θ 0 0 0 0
화질 × ○ ◎ ◎
실시예 6에 있어서, 20인치의 대각선 크기 및 0.297 mm * 0.297 mm의 화소 피치(PD)(0.297 mm * 0.085 mm의 서브 픽셀 피치(q))를 가지며 동일한 색상의 화소가 세로 방향으로 연속적으로 배열되어 있는 세로 스트라이프 배열을 갖는 풀 컬러 LCD(305 mm * 407 mm)가 디스플레이 장치(10)로서 사용되었다. 실시예 6에 있어서, 실시예 5에서 사용된 정립-등배 렌즈 모듈(2)이 사용되었다.
관찰자와 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 사이의 거리(LA)가 500 mm이고, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 20 mm 일 때, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.476 mm 이다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.60 이다. 또, 해상도는 65% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 40 mm 로 변경되면, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.454 mm 이다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.53 이다. 또, 해상도는 38% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름이 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 야기되더라도, 이 무아레 주름은 매우 작아 나안으로는 관찰할 수 없다.
화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 60 mm 로 변경되면, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.429 mm 가 된다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.44 이다. 또, 해상도는 19% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성된 공간상 내에서 나안으로는 관찰되지 않는다.
또, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 80 mm 로 변경되면, 보정 렌즈 피치(PLo)는 0.402 mm 가 된다. 이러한 경우에 있어서, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은 1.35 이다. 또, 해상도는 11% 이다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성된 공간상 내에서 나안으로는 관찰되지 않는다.
(실시예 7)
표 4 및 5는 실시예 7의 공간상 형성장치(50)의 해상도 및 공간상 화질을 나타낸다.
Lz(mm) 30 30 30 30 30 30 30 30 30
LA(mm) 500 500 500 500 500 500 500 500 500
PD(mm) 0.297 0.297 0.255 0.321 0.255 0.297 0.297 0.255 0.255
PL(mm) 0.38 0.41 0.38 0.499 0.41 0.499 0.55 0.499 0.55
PLo/PD 1.19 1.29 1.39 1.45 1.5 1.57 1.73 1.82 2.01
화질 × ○ ◎ ◎ ◎ ○ × × ×
Lz(mm) 30 30 30 30 30 30
LA(mm) 500 500 500 500 500 500
PD(mm) 0.297 0.264 0.264 0.255 0.255 0.255
PL(mm) 0.85 0.8 0.85 0.85 0.9 0.95
PLo/PD 2.67 2.83 3 3.11 3.29 3.47
화질 × ○ ◎ ○ ○ ×
실시예 7에 있어서, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도(MTF)와 거리(Lz)는 도 20에 도시된 관계를 가진다. 더욱 상세하게는, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 해상도(MTF)는 거리(Lz)가 대략 30 mm 일 때 가장 높으며, 거리(Lz)가 대략 30 mm 에서 늘어나거나 줄어듦에 따라 점진적으로 감소된다.
표 4 및 5에 나타난 바와 같이, 관찰자와 디스플레이 장치(10)의 화상 표시면(M) 사이의 거리(LA)가 500 mm이고, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 30 mm 일 때, 보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.297 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.38 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 1.19로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.297 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.41 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 1.29로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름이 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 야기되더라도, 이 무아레 주름은 매우 작아 나안으로는 관찰할 수 없다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.255 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.38 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 1.39로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 나안으로는 관찰할 수 없다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.321 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.499 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 1.45로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 나안으로는 관찰할 수 없다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.255 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.41 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 1.50으로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름이 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 야기되더라도, 이 무아레 주름은 매우 작아 나안으로는 관찰할 수 없다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.297 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.55 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 1.73으로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.255 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.499 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 1.82로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.255 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.55 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 2.01로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.297 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.85 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 2.67로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.264 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.8 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 2.83으로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름이 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 야기되더라도, 이 무아레 주름은 매우 작아 나안으로는 관찰할 수 없다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.264 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.85 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 3.00으로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 나안으로는 관찰할 수 없다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.255 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.85 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 3.11로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름이 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 야기되더라도, 이 무아레 주름은 매우 작아 나안으로는 관찰할 수 없다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.255 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.9 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 3.29로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름이 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 야기되더라도, 이 무아레 주름은 매우 작아 나안으로는 관찰할 수 없다.
보정 렌즈 피치(PLo)와 디스플레이 장치(10)의 화소 피치(PD)의 비율은, 0.255 mm 로 화소 픽셀(PD)을 설정하고 0.95 mm 로 렌즈 피치(PL)를 설정함으로써 3.47로 설정된다. 이러한 경우에, 무아레 주름은 케이스(51) 내에 형성되는 공간상 내에서 선명하게 관찰된다.
표 1 내지 5에 있어서, 이중원 표시는 화상이 최고 화질을 가지며 무아레 주름이 화상에 야기되지 않는다는 것을 나타내고, 단일원 표시는 화상이 고화질을 가지며 화상에 야기된 무아레 주름이 극히 작아 나안으로는 관찰될 수 없다는 것을 나타내고, 엑스 표시는 화상이 낮은 화질을 가지며 화상에 야기된 무아레 주름이 선명하게 관찰된다는 것을 나타낸다.
이하, 본 발명의 제4 실시형태에 따른 공간상 형성장치(50)가 도 22를 참조하여 설명된다. 제4 실시형태는 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 디스플레이 장치(10)의 배열에 있어서만 제2 실시형태와 상이하다.
도 22에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(10)의 측방향(DA)은 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 측방향(DB)에 대하여 기울어진다. 화살표 DA와 DB 사이의 각도 θ는 90도 이다.
각도 θ가 90도인 상태에서, 디스플레이 장치(10)(LCD)의 화소(30)의 배열 패턴 및 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 마이크로렌즈(3a)의 배열 패턴은 서로 간섭되지 않는다.
정립-등배 렌즈 모듈(2)의 기울기는 보정 렌즈 피치(PLo)를 더욱 많이 보정한다. 제2 보정 렌즈 피치(PLoa)는 다음 식을 만족하도록 정해진다.
(1.20 + n * 1.50) ≤ PLoa/PD ≤ (1.70 + n * 1.50)
여기에서, n = 0, 1, 2, 3, ....
제2 보정 렌즈 피치(PLoa) 및 보정 렌즈 피치(PLo)는 다음 식을 만족한다.
PLoa(x) = cos θ * PLo(x), 그리고
PLoa(y) = PLo(y) / cos θ
보정 렌즈 피치 PLo(x)는 X축 방향으로의 보정 렌즈 피치이고, 보정렌즈 피치 PLo(y)는 Y축 방향으로의 보정 렌즈 피치이다.
정립-등배 렌즈 모듈(2)이 화소의 육각형상 배열을 가지면, PLo(x) 및 PLo(y)는 다음 식을 만족한다.
PLo(y) = √2 * PLo(x) / 3
여기에서, - 30° ≤ θ - (60° * n) ≤ 30°; n은 정수
정립-등배 렌즈 모듈(2)이 화소의 정방형상 배열을 가질 때, PLo(x) 및 PLo(y)는 다음 식을 만족한다.
PLo(y) = PLo(x)
여기에서, - 45° ≤ θ - (90° * n) ≤ 45°; n은 정수
제4 실시형태는 다음과 같은 장점을 가진다.
디스플레이 장치(10)의 측방향(DA)과 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 측방향(DB) 사이의 각도 θ는 90도 이다. 이러한 경우에, 마이크로렌즈(3a)의 배열 패턴의 변은 화소(30)의 배열 패턴의 변과 동일한 방향으로 연장되지 않는다. 디스플레이 장치(10)의 화소(30)의 배열 패턴과 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 마이크로렌즈(3a)의 배열 패턴은 서로 간섭되지 않는다. 이러한 구조는 무아레 주름을 더욱 확실하게 감소시켜, 고화질을 갖는 공간상의 표시를 가능하게 한다.
제4 실시형태에 있어서, 디스플레이 장치(10)의 측방향(DA)과 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 측방향(DB) 사이의 각도 θ는 90도가 아닌 각도일 수 있다. 그러한 경우에 있어서도, 마이크로렌즈(3a)의 배열 패턴의 변은 화소(30)의 배열 패턴의 변과 동일한 방향으로 연장되지 않는다. 이러한 구조는 무아레 주름을 더욱 감소시켜, 더욱 높은 화질을 갖는 공간상의 표시를 가능하게 한다. 예를 들어, 정립-등배 렌즈 모듈(2)은, 디스플레이 장치(10)의 화소 배열의 측방향과 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 마이크로렌즈 배열의 측방향 사이의 각도 θ가 15도로 되도록 디스플레이 장치(10)에 대하여 기울어질 수 있다(도 25 참조).
도 23 내지 25는 제4 실시형태의 변형예를 나타낸다. 도 25의 실시예에 있어서, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 측방향과 디스플레이 장치(10)의 측방향 사이의 각도 θ는 5도 이다. 표 6 및 7은 도 25에 도시된 예의 해상도 및 공간상 화질을 나타낸다.
표 6의 실시예에 있어서, 15인치의 대각선 크기 및 0.255 mm * 0.255 mm의 화소 피치(PD)(0.255 mm * 0.099 mm의 서브 픽셀 피치(q))를 가지며 동일한 색상의 화소가 세로 방향으로 연속적으로 배열되어 있는 세로 스트라이프 배열을 갖는 풀 컬러 LCD가 디스플레이 장치(10)로서 사용되었다. 표 6의 실시예에 있어서, 실시예 5에서 사용된 정립-등배 렌즈 모듈(2)이 사용되었다.
LA(mm) 500 500 500 500
PD(mm) 0.255 0.255 0.255 0.255
Lz(mm) 20 40 60 80
PL(mm) 0.499 0.499 0.499 0.499
PLo(mm) 0.476 0.454 0.429 0.402
해상도(%) 65 38 19 11
PLo/PD 1.87 1.78 1.68 1.58
각도 θ 15 15 15 15
화질 ○ ○ ○ ◎
LA(mm) 500 500 500 500
PD(mm) 0.297 0.297 0.297 0.297
Lz(mm) 20 40 60 80
PL(mm) 0.499 0.499 0.499 0.499
PLo(mm) 0.476 0.454 0.429 0.402
해상도(%) 65 38 19 11
PLo/PD 1.6 1.53 1.44 1.35
각도 θ 15 15 15 15
화질 ○ ◎ ◎ ◎
표 2 및 6에 나타난 바와 같이, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 20 mm 내지 60 mm의 범위 내에 있을 때, 실시예 6에 있어서는 무아레 주름이 선명하게 관찰될 수 있는 반면, 표 6의 실시예에 있어서는 무아레 주름이 극히 작아 나안으로는 관찰될 수 없다. 또, 거리(Lz)가 80 mm 일 때, 실시예 6에 있어서는 무아레 주름이 극히 작아 나안으로는 관찰될 수 없는 반면, 표 6의 실시예에 있어서는 무아레 주름이 야기되지 않는다.
표 7의 실시예에 있어서, 20인치의 대각선 크기 및 0.297 mm * 0.297 mm의 화소 피치(PD)(0.297 mm * 0.085 mm의 서브 픽셀 피치(q))를 가지며 동일한 색상의 화소가 세로 방향으로 연속적으로 배열되어 있는 세로 스트라이프 배열을 갖는 풀 컬러 LCD(305 * 407 mm)가 디스플레이 장치(10)로서 사용되었다. 표 7의 실시예에 있어서, 실시예 5에서 사용된 정립-등배 렌즈 모듈(2)이 사용되었다.
표 3 및 7에 나타난 바와 같이, 화상 표시면(M)과 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 거리(Lz)가 20 mm 일 때, 실시예 6에 있어서는 무아레 주름이 선명하게 관찰될 수 있는 반면, 표 7의 실시예에 있어서는 무아레 주름이 극히 작아 나안으로는 관찰될 수 없다. 또, 거리(Lz)가 40 mm 일 때, 실시예 6에 있어서는 무아레 주름이 극히 작아 나안으로는 관찰될 수 없는 반면, 표 7의 실시예에 있어서는 무아레 주름이 야기되지 않는다.
본 발명이 본 발명의 정신 또는 범위로부터 벗어남 없이 많은 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 것은 당해 분야의 기술자에게 명백한 것이다. 특히, 본 발명은 다음의 형태로 구체화될 수 있다.
제2 내지 제4 실시형태에 있어서, 디스플레이 장치(10)의 화소(30)를 형성하기 위하여 3가지 색상의 적색, 녹색 및 청색 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)은, 동일한 색상의 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)이 동일한 방향으로 배열된 스트라이프 구조로 배열된다. 그렇지만, 본 발명은 이러한 구조로 한정되지 않는다. 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)은 3가지 색상의 적색, 녹색 및 청색 서브 픽셀(25R, 25G, 및 25B)이 서로 삼각의 각 정점에 배치되도록 배열된 델타 구조일 수 있다.
디스플레이 장치(10)가 델타 구조를 가질 때, 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 마이크로렌즈(3a)는 사각형 배열일 수 있다. 도 26은 디스플레이 장치(10)와 사각형 배열의 마이크로렌즈(3a)를 갖는 정립-등배 렌즈 모듈(2) 사이의 배열 관계를 나타낸다. 이러한 경우에, 제2 및 제3 실시형태에서 설명한 것과 동일한 장점이 얻어진다.
정립-등배 렌즈 구조(2)와 디스플레이 장치(10)가 도 26에 도시된 배열 관계를 가질 때, 컬러 필터(23)의 변환층(28R, 28G, 및 28B)의 변과 사각형 배열인 마이크로렌즈(3a)의 Y축 방향 변은 동일한 방향(Y축 방향)으로 연장된다. 이러한 경우에, 디스플레이 장치(10)의 화소(30)의 배열 패턴과 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 마이크로렌즈(3a)의 배열 패턴은 서로 간섭될 수 있다. 그러한 간섭은 무아레 주름을 야기시킬 수 있다.
이러한 경우에, 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 디스플레이 장치(10)는, 컬러 필터(23)의 변환층(28R, 28G, 및 28B)의 변과 사각형 배열인 마이크로렌즈(3a)의 Y축 방향 변이 도 27a, 27b 및 27c에 도시된 바와 같이 동일한 방향(Y축 방향)으로 연장되지 않도록 배열될 필요가 있다. 더욱 상세하게는, 정립-등배 렌즈 모듈(2)과 디스플레이 장치(10)는, 화소(30)의 배열의 측방향(도 26에서 DA 방향)과 마이크로렌즈(3a)의 배열의 측방향(도 26에서 DB 방향) 사이의 각도 θ가 0도가 되지 않도록, 소정의 각도로 서로에 대하여 기울어지게 배열된다. 이러한 경우에, 화소(30)의 배열 패턴과 정립-등배 렌즈 모듈(2)의 마이크로렌즈(3a)의 배열 패턴은 서로 간섭되지 않는다. 결과적으로, 마이크로렌즈(3a)의 배열 패턴의 변은 화소(30)의 배열 패턴의 변과 동일한 방향으로 연장되지 않는다. 이러한 구조는 무아레 주름을 감소시켜 보다 높은 화질을 갖는 공간상의 표시를 가능하게 한다.
렌즈 모듈(2)은 3개 이상의 렌즈 어레이 플레이트(3)로 형성될 수 있다.
마이크로렌즈(3a)의 형태 및 배열은 인접한 마이크로렌즈(3a) 사이에 간격이 형성되지 않도록 결정된다. 예를 들어, 각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 사각형 배열인 마이크로렌즈(3a)를 가질 수 있다. 각각의 마이크로렌즈(3a)는 사각형일 수 있다. 그렇지만, 각각의 외측 마이크로렌즈(3a)는 원형 주위부(3b)를 가지는 것이 바람직하다.
각각의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 기판(4)의 하나의 메인 표면 상에 배열되는 구형 또는 비 구형 표면을 갖는 마이크로렌즈(3a)의 평평한 플레이트 마이크로렌즈 어레이일 수 있다.
표시장치(1)(도 12 및 13 참조)에 있어서, 반사광을 감소시키기 위하여 반사 저감 필터가 렌즈 어레이 플레이트(3)의 전방측(화상측)에 배열될 수 있다. 반사 저감 필터는 색유리판과 같이 반사광을 감소시키는 특성을 가지는 어떠한 재료로도 만들어질 수 있다.
디스플레이 장치(10)는 LCD만으로 한정되는 것이 아니라, 유기 EL(electro luminescence) 디스플레이나 플라즈마 디스플레이와 같은 또 다른 디스플레이일 수 있다.
서로 이격된 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)가 서로 접촉되도록 배열된 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)와 동일한 광학성능을 가진다면, 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)는 서로 이격되어 있을 수 있다.
본 실시예들과 실시형태들은 제한하기 위한 것이 아니라 예시로서 간주되어야 하며, 본 발명은 여기에 주어진 상세한 설명으로 한정되는 것이 아니라 첨부된 청구항의 범위 및 그 동등물 내에서 변경될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일측면에 따르면, 물체로부터의 거리가 변경될 때에도 물체의 공간상이 형성될 수 있도록 하는 공간상 형성장치가 제공된다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 물체로부터의 거리가 변경될 때에도 무아레를 야기시키지 않고 물체의 공간상이 형성될 수 있도록 하는 공간상 형성장치가 제공된다.

Claims (20)

  1. 각각의 렌즈 어레이 플레이트가 광축 및 정점을 각각 가지는 복수개의 마이크로렌즈(3a)를 포함하고 있는 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)를 포함하여 이루어지는 공간상 형성장치(2; stereoimage formation apparatus)로서:
    마이크로렌즈의 광축은 서로 평행하며;
    적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 광축은 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 다른 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 광축과 일치하며;
    적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 정점은 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 다른 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 정점에 접촉되거나 근접 위치되며;
    각각의 렌즈 어레이 플레이트의 마이크로렌즈는 소정의 최소 구상수차보다 큰 소정의 구상수차를 각각 가지는 것을 특징으로 하는 공간상 형성장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트의 마이크로렌즈는 동일한 렌즈 성능을 각각 가지는 것을 특징으로 하는 공간상 형성장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공간상 형성장치는 광축의 방향으로 두께(t)를 가지며, 이 두께는 각각의 마이크로렌즈의 구상수차를 최소화하는 두께 설계값(t1)보다 작은 것을 특징으로 하는 공간상 형성장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트는 단일의 정립-등배 렌즈 모듈을 형성하도록 통합되는 것을 특징으로 하는 공간상 형성장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트가 전측 작동거리만큼 물체(1)로부터 떨어져 있을 때, 물체로부터 제공되는 광선은 각각의 마이크로렌즈의 표면에 있어서의 한 지점을 통과하며,
    상기 전측 작동거리가 가변될 때, 상기 광선은 각각의 마이크로렌즈의 표면에 있어서의 다른 지점을 통과하는 것을 특징으로 하는 공간상 형성장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 각각의 렌즈 어레이 플레이트는 5 내지 150 mm 의 범위 내에서 후측 작동거리를 가지며, 해상도는 1 직선 쌍(line pairs)/mm 에서 10% 이상이며 해상도 변경률은 0%/mm 이상이고 2%/mm 이하인 것을 특징으로 하는 공간상 형성장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 각각의 렌즈 어레이 플레이트는,
    2개의 메인 표면을 갖는 기판; 및
    기판의 상기 2개의 메인 표면 중 하나나 양쪽 모두에 배열된 구형 또는 비- 구형 표면을 갖는 복수개의 마이크로렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간상 형성장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 각각의 렌즈 어레이 플레이트는 투명 수지로 만들어지는 것을 특징을 하는 공간상 형성장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 각각의 렌즈 어레이 플레이트는 측부 가장자리를 가지며, 각각의 렌즈 어레이 플레이트의 마이크로렌즈는 2차원 영역에서 서로 근접 배열되고 렌즈 어레이 플레이트의 측부 가장자리 근처에 배열되는 복수개의 외측 마이크로렌즈를 포함하며, 또한 각각의 외측 마이크로렌즈는 렌즈 어레이 플레이트의 측부 가장자리에 가까운 쪽을 따라서 연장되는 원형 주위부(3b)를 가지는 공간상 형성장치로서, 상기 공간상 형성장치는,
    상기 외측 마이크로렌즈의 원형 주위부를 덮기 위하여, 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 상에 배열되는 차광막(5)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공간상 형성장치.
  10. 제 1 항에 따른 공간상 형성장치;
    표시 대상물(10); 및
    공간상 형성장치와 표시 대상물을 수용하기 위한 케이스(11, 12)를 포함하는 공간상 표시장치로서,
    상기 케이스는 균질의 매질을 수용하기 위한 내부 챔버를 포함하며, 상기 공간상 형성장치는 케이스의 내부 챔버 내에 표시 대상물의 화상을 형성하기 위해서 표시 대상물과 내부 챔버 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 표시 대상물은 2차원 화상(15)을 표시하기 위한 디스플레이 장치인 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  12. 고정된 피치(PT)를 두고 균일하게 배열되어 있고, 초점거리를 가지고 있는 복수개의 마이크로렌즈(3a)를 포함하는 정립-등배 렌즈 모듈(2); 및
    상기 초점거리만큼 정립-등배 렌즈 모듈로부터 이격되어 있으며 화상(15)을 표시하는 화상 표시면과, 고정된 피치(PD)를 두고 균일하게 배열되는 복수개의 화소(30)를 포함하는 디스플레이 장치(10)를 포함하여 이루어지는 공간상 표시장치(50)로서,
    상기 정립-등배 렌즈 모듈은, 쌍안시차(binocular disparity)로 인하여 떠보이는 화상으로서 나타나는 공간상을 형성하기 위해서 화상 표시면 상에 표시되는 화상을 이용하며;
    정립-등배 렌즈 모듈의 해상도(MTF)는, 거리(Lz)가 소정 범위 내에서 가변될 때 변경되며;
    정립-등배 렌즈 모듈의 해상도는, 정립-등배 렌즈 모듈과 화상 표시면 사이의 거리가 소정 범위 내에 있을 때 인간의 눈으로 흐릿함이 관찰될 수 있는 최대값 보다 큰 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 정립-등배 렌즈 모듈은,
    각각의 렌즈 어레이 플레이트가 광축과 정점을 각각 가지는 복수개의 마이크로렌즈(3a)를 포함하는 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트(3)를 포함하고 있으며, 여기에서:
    마이크로렌즈의 광축은 서로 평행하며;
    적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 광축은 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 다른 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 광축과 일치하며;
    적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 정점은 적어도 2개의 렌즈 어레이 플레이트 중 다른 하나에 있어서의 마이크로렌즈의 정점에 접촉되거나 근접 위치되며;
    각각의 렌즈 어레이 플레이트의 마이크로렌즈는 소정의 최소 구상수차보다 큰 소정의 구상수차를 각각 가지는 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  14. 제 13 항에 있어서, PD가 복수개의 화소의 화소 피치를 나타내고, PL이 고정된 피치를 두고 균일하게 배열된 마이크로렌즈의 렌즈 피치를 나타내고, LA가 시점과 화상 표시면 사이의 거리를 나타내고, LB가 공간상과 시점 사이의 거리를 나타내고, Lz가 정립-등배 렌즈 모듈과 화상 표시면 사이의 거리를 나타내고, PLo가 거 리 LA, LB, 및 Lz에 따라 렌즈 피치(PL)를 보정함으로써 얻어진 보정 렌즈 피치를 나타낸다면, 거리 Lz가 최소일 때, 상기 보정 렌즈 피치(PLo)는 다음 식
    (1.20 + n * 1.50) ≤ PLo/PD ≤ (1.70 + n * 1.50)
    여기에서, n = 0, 1, 2, 3, ....
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 렌즈 모듈은, 정립-등배 렌즈 모듈과 화상 표시면 사이의 거리가 소정의 범위 내에 있을 때 1 직선 쌍(line pairs)/mm 에서 10% 보다 큰 해상도를 가지며, 정립-등배 렌즈 모듈 사이의 거리가 소정의 범위 내에서 최소값일 때 최대 해상도를 가지는 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  16. 제 13 항에 있어서, 복수개의 화소는 세로 스트라이프로 배열되며, 복수개의 마이크로렌즈는 육각형상이나 사각형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  17. 제 13 항에 있어서, 복수개의 화소는 델타형상으로 배열되며, 복수개의 마이크로렌즈는 육각형상이나 사각형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  18. 제 13 항에 있어서, 복수개의 화소는 열을 형성하며, 복수개의 마이크로렌즈 는 열을 형성하며, 화소의 열은 마이크로렌즈의 열에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  19. 제 16 항에 있어서, 각각의 화소는 고정된 피치를 두고 배열되고 복수개의 색상에 상응하는 복수개의 서브 픽셀에 의해 형성되며, 상기 복수개의 서브 픽셀은 각각 동일한 색상의 서브 픽셀이 세로 방향으로 연속적으로 배열되는 세로 스트라이프 배열을 형성하는 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
  20. 제 16 항에 있어서, 각각의 마이크로렌즈는 육각형상이며, 일부의 화소는 열을 형성하고 일부의 마이크로렌즈는 열을 형성하며, 화소에 의해 형성된 열은 마이크로렌즈에 의해 형성된 열에 대하여 90도의 각도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 공간상 표시장치.
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