KR20080093789A - 3차원 입체영상을 구현하기 위한 광학시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입체영상을 구현하는 광학시트에 있어서, 광학시트용 투명기판의 평면상에 디스플레이 패널의 각 두 픽셀에 대응하도록 규칙적으로 배열되고, 단면이 반구형상을 갖는 렌즈를 포함하되, 상기 렌즈의 피치는 50㎛에서 2mm이내이고, 상기 렌즈의 곡률반경은 300㎛에서 65mm이내인 것을 특징으로 하는 광학시트를 제공한다.

본 발명에 따르면 3차원 입체영상을 즐기기 위하여 안경을 써야 하는 불편함이 없고, 피치가 50㎛에서 2mm이내이고 곡률반경이 300㎛에서 65mm이내인 단면이 반구형인 렌즈들이 배열됨으로써 장시간 보아도 어지러움이 발생하지 않고 동시에 선명한 입체영상을 즐길 수 있는 이점이 있다.

렌티큘러 렌즈, 입체영상, 디스플레이 장치, 광학시트

Description

3차원 입체영상을 구현하기 위한 광학시트{Optical sheet for generating stereo scopic images}

도 1a는, 전면으로 나오는 입체감을 설명하기 위한 모식도이다.

도 1b는, 후면으로 들어간 입체감을 설명하기 위한 모식도이다.

도 2a는, 페러렉스 베리어 방식의 3차원 입체영상 구현을 나타내는 모식도이다.

도 2b는, 렌티큘러 렌즈 방식의 3차원 입체영상 구현을 나타내는 모식도이다.

도 3은, 단면의 형상이 반구형인 렌즈에 의한 초점거리를 나타낸 모식도이다.

도 4는, 본 발명에 따른 3차원 입체영상을 구현하는 광학시트를 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

P : 렌즈의 피치 R : 렌즈의 곡률 반경

50 : 렌티큘러 렌즈 100 : 투명기판

본 발명은 2차원 입체영상을 3차원 입체영상으로 구현할 수 있는 광학 시트 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 선명하면서도 장시간 입체영상을 보아도 어지러움을 최소화 할 수 있는 특정한 피치와 곡률반경을 가진 렌즈가 구비된 광학시트에 관한 것이다.

3차원 입체영상은 특정한 영상 재생 방식을 통하여 기존의 일정한 평면만을 나타내는 방식에서 벗어나 평면의 디스플레이 장치를 통하여 전면으로 사물이 튀어나오게 보이거나 후면으로 들어가게 보이는 입체감을 가지게 하는 것이다.

이러한3차원 입체영상을 구현하는 방식에는 홀로그램을 사용하는 방식이 있으나, 이는 입체영상의 제작이 어렵고 입체영상 디스플레이 시스템의 부피가 커서 사용하는 데에 많은 제약이 있다.

따라서 일반적으로 3차원을 표현하는 입체 영상은 두 눈을 통한 스테레오 시각의 원리를 이용하여 평면적인 디스플레이에서 가상적인 입체감을 느끼게 하는 방식이 사용된다.

상기 스테레오 시각의 원리란, 두 눈의 시차 즉, 두 눈이 약 65mm정도 떨어져서 존재하기 때문에 나타나게 되는 양안시차에 의해서, 좌우의 눈은 각각 서로 다른 2차원 화상을 보게 되고, 이 두 화상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이를 정확히 서로 융합하여 본래 3차원 영상의 깊이감과 실제감을 재생하는 것이다. 이 러한 능력을 통상 스테레오 그라피(stereography)라 한다. 위와 같은 양안시차는 입체감을 느끼는 가장 중요한 요소라 할 수 있다.

도 1a는 전면으로 나오는 입체감을 설명하기 위한 모식도이다.

도 1b는 후면으로 들어간 입체감을 설명하기 위한 모식도이다.

광학적으로 렌즈의 특성을 고려하지 않고 입체감을 도1a및 도 1b를 참조하여 식으로 나타내면,

S = Sf + Sb 이고,

Sf = (XD) / (65mm + X)

Sb = (XD) / (65mm + X) 이다.

여기서 S는 입체감을 뜻하는데 이는 나오는 입체감(Sf)과 들어간 입체감(Sb)의 합으로 나타낸다.

또 X는 화상의 시차를 나타낸 것이고, D는 렌즈와 관찰자간의 거리를 나타낸다. 이때 X(화상의 시차)가 작으면 입체영상을 나타내는 디스플레이 장치의 제작이 용이하고 영상의 모서리가 흐려지는 현상을 줄 일수 있다.

그러나, 도 1a 및 도 1b에서 도시한 바와 같이 X(화상의 시차)가 작아지면 관찰자 앞으로 나오는 입체감(Sf)와 들어간 입체감(Sb)의 합이 작아져 상대적으로 입체감이 떨어진다.

그러므로 3차원 입체 영상의 입체감을 확인하기 위해서는 관찰자의 앞에 전면으로 튀어나오는 입체감의 깊이(Sf)와 후면으로 들어가는 입체감의 깊이(Sb)가 충분히 차이를 두고 형성되어야 하기 때문에 렌즈에 의한 초점거리와 관찰자와의 거리등이 고품질의 3차원 입체영상을 구현하는 중요한 요소가 된다.

한편, 이러한 양안시차를 이용한 입체영상 표시장치는 별도의 안경착용 여부에 따라 안경식(stereoscopic)의 편광 방식, 시분할 방식과 비안경방식(autostereoscopic)의 페러렉스 베리어(Parallex barrier)방식, 렌티큘러(Lenticular)방식등이 있다.

안경식의 경우에는 많은 인원이 입체영상을 즐길수 있고 안경을 착용하기만 하면 어느 위치에서든지 입체영상을 즐길 수 있는 장점은 있으나 별도의 안경을 착용해야 하므로 일상적으로 입체영상을 즐기는데 에는 불편함이 따른다.

이에 반하여 비안경식의 경우에는 안경을 별도로 착용하지 않아도 입체영상을 즐길 수 있는 편의성이 있어 현재 다양한 방식으로 개발이 진행되고 있다.

도 2a는 페러렉스 베리어 방식의 3차원 입체영상 구현을 나타내는 모식도이다.

도 2b는 렌티큘러 렌즈 방식의 3차원 입체영상 구현을 나타내는 모식도이다.

도 2a에서 도시한 바와 같이, 페러렉스 방식의 3차원 입체영상의 구현은 좌안과 우안이 서로 다른 영상을 보게 하기 위하여 검은색의 페러렉스 베리어(1)를 디스플레이 장치(2) 전면에 위치시킨다. 때문에 디스플레이 장치(2)에서 나오는 모든 빛이 눈으로 들어오지 않아 2차원의 평면영상을 동일한 디스플레이장치에서 구현 할 때 보다 상대적으로 어두운 단점이 있다.

한편 렌티큘러 렌즈는 투명의 플라스틱제로 하나하나의 단위가 반원형을 하고 있는 미세한 렌즈의 집합체로 아랫부분은 평평하고 표면은 파형의 형태를 하고 있는 광학렌즈의 일종으로 이를 이용한 렌티큘러 방식의 3차원 입체현상 구현은 도2b에서 도시한 바와 같이 좌,우의 영상이 디스플레이 될 수 있는 이미지앞에 하나의 좌,우간격에 해당하는 렌티큘러 렌즈(3)를 접착하여 좌,우 각각의 눈에 좌우에 해당하는 영상만이 보이도록 함으로서 입체를 느끼게 하는 방식이다.

이러한 방식은 상기 페러렉스 베리어 방식보다 밝기면에서 유리하다.

그러나 렌티큘러 방식의 3차원 입체영상의 구현을 위해서는 디스플레이 장치(4)의 전면에 렌티큘러 렌즈(3)를 위치시키는데 이미 만들어진 디스플레이 장치(4)와 상기 디스플레이 장치(4)에 대한 고려 없이 일방적으로 만들어진 렌티큘러 렌즈(3)는 정확한 3차원 입체영상을 구현하는데 한계가 있어 선명한 영상을 구현하는데 어려움이 있고 장기간 볼 경우 어지러움을 유발 할 수 있다.

따라서 이를 해결하기 위하여 제조되는 디스플레이 장치마다 렌티큘러 렌즈를 제작하여 입체영상을 구현할 수 있는데 이는 시간적, 경제적으로 한계가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 선명하고 어지러움을 최소화 할 수 있는 3차원 입체영상을 구현하는 곡률반경을 가지는 반구형 형상의 렌즈를 구비한 광학시트 및 이를 포함하는 입체영상 디스플레이 장치를 개발하는 것을 목적으로 한다.

앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 목적들은, 입체영상을 구현하는 광학시트에 있어서, 광학시트용 투명기판의 평면상에 디스플레이 패널의 각 두 픽셀에 대응하도록 규칙적으로 배열되고, 단면이 반구형상을 갖는 렌즈를 포함하되, 상기 렌즈의 피치는 50㎛에서 2mm이내이고, 상기 렌즈의 곡률반경은 300㎛에서 65mm이내인 것을 특징으로 하는 광학시트에 의해 실현된다.

본 발명에 따른 광학시트는 관찰자의 눈과 렌즈 사이의 거리와 단면이 반구형상을 갖는 렌즈의 피치와의 상대비율을 바탕으로 장시간 보아도 어지러움이 발생하지 않는 렌즈의 피치를 한정하고, 동시에 선명한 입체 영상이 구현 될 수 있는 렌즈의 곡률반경을 한정하기 위한 것으로 피치가 50㎛에서 2mm이내이고 곡률반경이 300㎛에서 65mm이내인 단면이 반구 형상을 갖는 렌즈로 구성된 것을 특징으로 한다.

이때 렌즈는 일반적으로 유리, PMMA, PC등의 재질을 사용하므로 보통 굴절율은 1.35에서 1.65이내이고 , 상기 광학시트는 반원의 원통형 형상의 렌티큘러 렌즈이거나 마이크로 렌즈로 구성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 3은 단면의 형상이 반구형인 렌즈에 의한 초점거리를 나타낸 모식도이다.

도 3에서 도시한 바와 같이, 단면의 형상이 반구형인 렌즈들이 구비된 광학시트를 사용하여 3차원 입체영상을 구현하고자 할 때, 하나의 렌즈(10)에서 나온 영상은 두개의 서로 다른 영상(A,B)을 포함하여 렌즈의 단면에서 우측영상(A)은 관찰자의 좌측 눈(EL)에 상이 맺히게 되고, 좌측영상(B)은 관찰자의 우측 눈(ER)에 상이 맺히게 된다.

이때 렌즈(10)의 곡률반경 때문에 그 곡률반경에 따른 일정한 초점거리(F)를 갖게 되는데 이 초점거리(F)에서 빛이 모아졌다가 관찰자의 눈에 들어온다.

도 3에서 도시한 바와 같이 하나의 렌즈(10) 형상 안에는 서로 다른 두 개의

영상(A,B)을 가지게 되므로 하나의 입체영상을 형성하기 위해서는 둘 이상의 픽셀(20a,20b)이 필요하다. 도 3에서 나타낸 바와 같이 상기 픽셀의 폭을 a라 하면 상기 렌즈(10)의 피치(P)는 a의 두 배가 된다.

한편, 3 차원 입체영상을 15분 이상을 지속한 경우 관찰자의 눈과 렌즈 사이의 거리(I)와 3차원 입체영상을 구현하는 렌티큘러 렌즈의 피치(P)와의 상대비율(Z)을 바탕으로 관찰자들에게 어지러움 발생유무를 측정한 결과는 다음과 같다.

< 표 1 >

관찰자의 눈과 렌즈 사이의 거리와 렌즈의 피치와의 상대비율(Z)은

Z = 관찰자의 눈과 렌즈 사이의 거리(I) / 렌티큘러 렌즈의 피치(P)로 나타낸다.

상기 <표1>에 기재된 결과는 19인치 모니터에 328㎛ 피치의 렌티큘러 렌즈를 사용하여 얻은 결과이다.

상기 <표 1>에 기재된 바와 같이 관찰자의 눈과 렌즈 사이의 거리(I)는 렌티큘러 렌즈 피치(P)의 2,500배에서 4,000배 이내에 해당되어야 관찰자가 일반적으로 어지러움을 느끼지 않고 3차원 영상을 즐길 수 있다.

따라서 일반적으로 3차원 입체영상을 보는 관찰자의 눈과 렌티큘러 렌즈 사이의 거리(I)는 보통 20cm에서 5m이내라고 볼 때, 렌티큘러 렌즈의 피치(P)가 50㎛에서 2mm이내인 것이 3차원 입체영상을 볼 때 어지러움을 없애는데 있어서 가장 바람직하다.

한편, 렌티큘러 렌즈는 곡률반경을 가지고 있기 때문에 각각의 곡률반경에 따라 일정한 거리에 초점거리를 가지게 된다. 그러나 이러한 초점거리가 일정한 거리이상을 떨어지게 되면 선명한 3차원 입체영상을 즐기기가 힘들다.

이 초점거리 F라하고 렌즈의 곡률 반경을 R이라 한다면 이 초점거리 F는 렌즈 형상의 각각의 곡률반경에 의하여 결정됨으로 초점거리 F와 렌즈의 곡률반경 R은 다음과 같은 관계로 표현된다.

F = (n1*R) / (n2-n1)

여기서 n1은 공기의 굴절률에 해당하고, n2는 렌즈를 구성하고 있는 물질의 굴절율에 해당한다. 이때 일반적인 3차원 입체영상을 구현하는 장소는 대기 중이므로 n1값을 1로 하면 ,

F = R / (n2-1) ----------- (식1)

로 표현된다.

위와 같은 렌티큘러 렌즈의 곡률반경과 초점거리와의 관계를 바탕으로 선명한 3차원 입체영상을 구현 할 수 있는지 여부를 관찰자 A~E를 통하여 측정한 결과는 다음과 같다. 이때 19인치 모니터에 328㎛의 피치를 가지며 , 굴절률이 1.54인 아크릴 수지(acryl resin)로 이루어진 렌티큘러 렌즈를 사용한다.

<표2>

상기 <표 2>의 결과를 볼 때 초점거리가 10cm이내에서 형성되어야 선명한 3차원 입체영상을 구현 할 수 있음을 알 수 있다.

일반적으로 렌즈에 사용되는 재질의 굴절률의 경우 1.35에서1.65이내이므로

초점거리가 10cm이내에 형성되기 위한 렌티큘러 렌즈의 곡률반경은 상기 <식1>을 이용하여 계산해보면 6.5cm이내가 되어야 한다는 것을 알 수 있다.

따라서 일반적으로 50㎛에서 2mm이내의 피치를 갖는 렌즈는 300㎛ 에서 65mm이내의 곡률반경을 가질 때 어지러움이 발생하지 않음과 동시에 선명한 입체영상을 구현할 수 있다.

한편 상기 렌즈의 경우 그 형상이 볼록하거나 오목한 경우라도 동일한 초점거리를 갖는 것이라면 어느 것이라도 사용해도 무방하다.

그리고 상기 렌즈는 마이크로 렌즈 등 다양한 형태의 단면이 반구형인 렌즈에도 적용이 가능하다.

도 4는 본 발명에 따른 3차원 입체영상을 구현하는 광학시트를 나타낸 단면도이다.

도 4에서 도시 한 바와 같이 위와 같이 선명하고 어지러움이 발생하지 않는 피치(P)와 곡률반경(R)을 가지는 렌즈(50)들을 투명기판(100)에 규칙적으로 배열시키거나 형성시켜 광학시트를 제조한다.

이러한 상기 광학시트는 표시 패널 위에 형성되어 3차원 입체영상을 구현하는 다양한 디스플레이 장치에 활용 될 수 있다.

이상에서 본 고안에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술 분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 입체영상을 구현하는 광학시트는 3차원 입체영상을 즐기기 위하여 안경을 써야 하는 불편함이 없고, 피치가 50㎛에서 2mm이내이고 곡률반경이300㎛에서 65mm이내인 단면이 반구형인 렌즈들이 배열됨으로써 장시간 보아도 어지러움이 발생하지 않고 동시에 선명한 입체영상을 즐길 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 입체영상을 구현하는 광학시트에 있어서,

   광학시트용 투명기판의 평면상에 디스플레이 패널의 각 두 픽셀에 대응하도록 규칙적으로 배열되고, 단면이 반구형상을 갖는 렌즈를 포함하되,

   상기 렌즈의 피치는 50㎛에서 2mm이내이고, 상기 렌즈의 곡률반경은 300㎛에서 65mm이내인 것을 특징으로 하는 광학시트.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 렌즈의 굴절율은 1.35에서 1.65이내인 것을 특징으로 하는 광학시트.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 렌즈는 오목 또는 볼록한 형상중 어느 한가지 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광학시트.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 렌즈는 반원통 형상의 렌티큘러 렌즈 또는 마이크로 렌즈인 것을 특징 으로 하는 광학시트.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 광학시트를 포함하여 3차원 입체영상을 구현하는 디스플레이 장치.

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