KR20120095212A

KR20120095212A - 입체영상표시장치

Info

Publication number: KR20120095212A
Application number: KR1020110014741A
Authority: KR
Inventors: 방형석; 이근식; 정호영
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-08-28
Also published as: KR101749978B1

Abstract

본 발명의 입체영상표시장치는 집적영상방식의 표시패널을 협시야각의 분할된 영역으로 나누어 구동하고 포커싱(focusing) 렌즈와 위치추적(tracking)을 이용하여 각각의 영역들의 요소영상(elementary image)을 사용자의 위치에 전달함으로써 고해상도의 3D 영상을 구현하기 위한 것으로, 다수의 화소로 이루어진 다수의 요소영상이 정의되어 여러 방향에서 바라본 대상물에 대응되는 영상을 표시하는 표시패널; 상기 표시패널과 사용자 사이에 배치되며, 상기 다수의 화소로부터 방출된 빛을 집광하여 공간상의 특정위치에 상기 대상물에 대응되는 협시야각을 가진 영상을 표시하는 렌즈 어레이; 상기 렌즈 어레이 전면에 배치되어 상기 협시야각의 영상을 시청거리 만큼 떨어진 위치에 표시패널의 중앙방향으로 향하게 하는 포커싱 렌즈; 및 상기 포커싱 렌즈 전면에 배치되어 상기 포커싱 렌즈를 통과한 협시야각의 영상을 사용자의 위치로 향하게 하는 영상조향 유닛을 포함한다.
또한, 상기 본 발명의 입체영상표시장치는 상기 위치추적 유닛과 영상조향(image steering) 유닛을 이용하여 사용자의 위치를 파악한 후 시청 위치에 맞는 영상을 제공함으로써 운동시차를 제공하는 한편, 시분할(field sequential) 방식으로 각각의 사용자에게 순차적으로 영상을 제공함으로서 다수의 사용자에게 3D 영상을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

입체영상표시장치{STEREOSCOPIC 3D DISPLAY DEVICE}

본 발명은 입체영상표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집적영상(integral imaging)방식으로 3차원 영상을 시청할 수 있는 입체영상표시장치에 관한 것이다.

3D 디스플레이(display)란 간단히 정의를 내리자면 "인위적으로 3D 영상을 재생시켜 주는 시스템의 총체"라고 할 수 있다.

여기서, 시스템이란 3D로 보여질 수 있는 소프트웨어적인 기술과 그 소프트웨어적 기술로 만든 컨텐츠를 실제로 3D로 구현해내는 하드웨어를 동시에 포함한다. 소프트웨어 영역까지 포함시키는 이유는 3D 디스플레이 하드웨어의 경우 각각의 입체 구현방식마다 별도의 소프트웨어적 방식으로 구성된 컨텐츠가 따로 필요하기 때문이다.

이 중, 가상 3D 디스플레이는 사람이 입체감을 느끼는 여러 요인 중 우리 눈이 가로방향으로 약 65mm 떨어져 있어서 나타나는 양안시차(binocular disparity)를 이용하여 평면적인 디스플레이 하드웨어에서 말 그대로 가상적으로 입체감을 느낄 수 있게 하는 시스템의 총체이다. 다시 말해 우리의 눈은 양안시차 때문에 똑같은 사물을 바라보더라도 각각 약간은(정확히 말하면 좌우의 공간적 정보를 약간씩 나눠 가지고 있는) 다른 화상을 보게 되고, 이 두 화상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이를 정확히 서로 융합시킴으로써 우리가 입체감을 느낄 수 있게 되는데, 그것을 이용하여 2D 디스플레이 장치에서 좌우 화상 2개를 동시에 표시하여 각각의 눈으로 보내는 설계를 통해 가상적인 입체감을 만들어 내는 것이 바로 가상 3D 디스플레이인 것이다.

이러한 가상 3D 디스플레이 하드웨어 장치에서 하나의 화면으로 두 채널의 화상을 나타내기 위해서는 대부분의 경우 하나의 화면에서 가로나 세로의 한쪽 방향으로 줄을 한 줄씩 바꿔가며 한 채널씩 출력하게 된다. 그렇게 동시에 두 채널의 화상이 하나의 디스플레이 장치에서 출력되면 하드웨어적 구조상 무안경 방식의 경우에는 오른쪽 화상은 그대로 오른쪽 눈으로 들어가고, 왼쪽 화상은 왼쪽 눈으로만 들어가게 된다. 또한, 안경을 착용하는 방식의 경우에는 각각의 방식에 맞는 특수한 안경을 통하여 오른쪽 화상은 왼쪽 눈이 볼 수 없게 가려주고, 왼쪽 화상은 오른쪽 눈이 볼 수 없게 각각 가려주는 방법을 사용한다.

이와 같이 사람이 입체감과 깊이감을 느끼는 요인으로 가장 중요하게는 두 눈 사이의 간격에 의한 양안시차를 들 수 있지만, 이외에도 심리적, 기억적 요인에도 깊은 관계가 있고, 이에 따라 입체 구현방식 역시 관찰자에게 어느 정도의 3D 영상정보를 제공할 수 있는지를 기준으로 통상 부피표현방식(volumetric type), 3D표현방식(holographic type), 입체감표현방식(stereoscopic type)으로 구분된다.

또한, 실사(real) 3D 디스플레이는 빛의 회절 또는 굴절을 이용하여 공간상에 영상을 형성하는 형태의 디스플레이를 의미하며, 기존의 양안시차 방식과는 다르게 실사 3D 방식이라는 점에서 차세대 3D 방식으로 각광을 받고 있으나, 구현의 어려움과 많은 데이터 량 등의 난제로 인해 상용화가 쉽게 이루어지고 있지는 않다.

현재 실사 3D 방식은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 즉, 집적영상(integral imaging)방식과 부피표현방식, 그리고 홀로그래피(holography)방식이 그것인데, 이중 부피표현방식은 평판 디스플레이가 아니라는 점을 감안하고 보면, 집적영상방식과 홀로그래피방식이 차세대 실사 3D 디스플레이 방식이라고 할 수 있다.

상기 집적영상방식은 시차 배리어로서 곤충의 복안(複眼)과 닮은 렌즈를 이용하여 각각의 렌즈에 대응하는 요소영상(elemental image)을 렌즈의 배후에 배열하여 표시하는 방식이며, 플리핑(flipping)이 없이 완전히 연속적인 운동시차로 되어 수평, 수직, 경사방향 모두 실물에 가까운 영상을 재현할 수 있다. 요소영상은 유한한 사이즈로 이산(離散)적인 화소로 나누어져 있지 않고 연속적인 것이 바람직하지만, 요소영상을 액정표시소자와 같은 이산적인 화소의 집합에 의해 구성할 경우에도 화소 피치의 정밀도를 높이면 실용상 문제없을 정도의 레벨의 연속적인 운동시차를 얻을 수 있다.

상기 집적영상방식은 대상물의 3D 정보를 획득하는 픽업 단계와 픽업 단계에서 얻어진 정보를 다시 3D 영상으로 재현하는 디스플레이 단계로 나누어진다.

이하, 상기 집적영상방식의 입체영상표시장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 일반적인 집적영상방식의 입체영상표시장치의 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 집적영상방식의 3D 영상촬영장치는 촬영용 렌즈 어레이(20')와 촬영패널(30')로 이루어진다.

상기 촬영용 렌즈 어레이(20')는 매트릭스 형태로 배치된 다수의 볼록렌즈를 포함하고, 상기 촬영패널(30')은 정지영상일 경우 사진 필름이 사용되고, 동영상일 경우 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)가 사용되며, 다수의 화소(미도시)가 정의된다.

집적영상방식 3D 영상촬영장치의 촬영용 렌즈 어레이(20') 전방에 대상물(10')이 배치되어 있을 경우, 대상물(10')은 촬영용 렌즈 어레이(20')로 다수의 빛을 발산하고 다수의 빛은 촬영용 렌즈 어레이(20')에서 집광되어 촬영패널(30')의 각 화소에 기록된다.

이때, 상기 촬영패널(30')의 각 화소에는 촬영용 렌즈 어레이(20')의 각 볼록렌즈에서 바라본 대상물(10')에 대응되는 영상(15')들이 기록되므로, 집적영상방식 3D 영상촬영장치는 대상물(10')을 공간상의 여러 방향에서 바라본 영상 데이터를 얻게 된다.

이와 같이 픽업 단계에서 얻어진 영상 데이터를 전체 요소영상이라 하며, 촬영용 렌즈 어레이(20')의 각 볼록렌즈에서 대상물(10')을 바라본 단일 요소영상(15')들이 기록되게 된다.

이러한 영상 데이터는 집적영상방식의 입체영상표시장치에서 표시되고 사용자에 의하여 합성되어 3D 영상을 구현하게 된다.

상기 집적영상방식의 입체영상표시장치는 크게 표시패널(30)과 표시용 렌즈 어레이(20)로 이루어진다.

표시패널(30)은 정지영상일 경우는 사진이 사용되고, 동영상일 경우 평판표시장치(Flat Panel Display; FPD)가 사용되며, 다수의 화소(미도시)가 정의된다. 또한, 표시용 렌즈 어레이(20)는 촬영용 렌즈 어레이(20')와 동일하게 매트릭스 형태로 배치된 다수의 볼록렌즈를 포함한다.

표시패널(30)은 집적영상방식의 3D 영상촬영장치에 기록된 영상 데이터를 표시하는데, 이에 따라 표시패널(30)의 각 화소는 여러 방향에서 바라본 영상(15')에 대응되는 영상(15)을 표시하고, 다수의 화소에서 출사된 빛은 표시용 렌즈 어레이(20)의 볼록렌즈에 의하여 집광된다.

볼록렌즈에 의하여 생성되는 빛들은 공간상에서 다수의 입체화소(voxel)를 이루고, 다수의 입체화소에 표시되는 부분 영상들은 한 점에 집적되어 공간상의 특정위치에 대상물(10')에 대응되는 영상(10)을 이룬다.

이와 같이 전체 요소영상의 단일 요소영상(15')들은 표시용 렌즈 어레이(20)의 볼록렌즈를 통해 원래 대상물이 있던 위치에 집적되게 되어 픽업 단계에서 이용한 대상물(10')과 동일한 모습의 3D 영상(10)으로 재현되게 된다.

즉, 사용자는 공간상의 영상(10)을 보면서 실제 대상물(10')을 보는 것과 같이 느끼게 되어, 집적영상방식의 입체영상표시장치는 실제 대상물(10')과 동일한 3D 영상(10)을 표시하게 된다.

이러한 집적영상방식의 입체영상표시장치는 공간상에 3D 영상을 형성하므로 일정한 시야각 내에서는 연속적인 수평, 수직 시차를 제공하여, 혼자 혹은 다수의 사용자가 특수한 안경 없이 자유롭게 3D 영상을 관측할 수 있지만, 기본적으로 요소영상과 렌즈 어레이의 조합으로 시스템이 구성되며, 이에 따라 해상도, 시야각, 깊이감이 서로 상충관계(trade off)에 있어 현재 수준의 일반적인 표시패널을 가지고는 사용자에게 만족할만한 영상을 제공할 수 없었다.

집적영상방식을 이용한 디스플레이의 구현방식에는 실사 모드(real mode), 가상 모드(virtual mode), 그리고 집중 모드(focused mode) 등 3개의 방식이 있다. 이 중, 깊이감 표현이 자유로운 집중 모드의 경우 실사 3D 화소 크기가 표시용 렌즈 어레이의 렌즈 크기와 같기 때문에 해상도 저하가 심각하여 현재 수준의 요소영상과 일반적인 표시패널 구조로는 적절한 수준의 해상도의 3D 영상을 만드는 것이 불가능하고, 실사 모드 또는 가상 모드의 집적영상방식은 깊이감 표현에 심각한 제약이 있다.

따라서, 원리적으로 한계가 있는 표시패널의 이용을 극대화하기 위해서는 기존과 다른 접근 방법이 요구된다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 집적영상방식에 있어 고해상도의 3D 영상을 구현하도록 한 입체영상표시장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 입체영상표시장치는 다수의 화소로 이루어진 다수의 요소영상이 정의되어 여러 방향에서 바라본 대상물에 대응되는 영상을 표시하는 표시패널; 상기 표시패널과 사용자 사이에 배치되며, 상기 다수의 화소로부터 방출된 빛을 집광하여 공간상의 특정위치에 상기 대상물에 대응되는 협시야각을 가진 영상을 표시하는 렌즈 어레이; 상기 렌즈 어레이 전면에 배치되어 상기 협시야각의 영상을 시청거리 만큼 떨어진 위치에 표시패널의 중앙방향으로 향하게 하는 포커싱 렌즈; 및 상기 포커싱 렌즈 전면에 배치되어 상기 포커싱 렌즈를 통과한 협시야각의 영상을 사용자의 위치로 향하게 하는 영상조향 유닛을 포함한다.

이때, 상기 표시패널은 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기발광표시장치(Organic Light Emitting Diode Display; OLED), 전계발광표시장치(Field Emission Display; FED), 플라즈마영상표시장치(Plasma Display Panel; PDP), 전기발광표시장치(Electroluminescent Display; EL) 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈 어레이는 구면 렌즈, 프레넬(Fresnel) 타입 렌즈 또는 액정전계렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 다수의 화소로 이루어진 하나의 요소영상은 하나의 액정전계렌즈에 대응하는 것을 특징으로 한다.

상기 액정전계렌즈는 500㎛ ~ 2mm의 직경을 가짐에 따라 협시야각을 가지는 영상을 제공하는 것을 특징으로 한다.

사용자가 표시패널의 중앙에서 벗어날 경우 사용자의 위치를 추적하여 이를 상기 영상조향 유닛에 전달하는 위치추적 유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 영상조향 유닛은 1D의 액정전계 프리즘으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 1D의 액정전계 프리즘은 상부 기판과 하부 기판; 상기 상부 기판과 하부 기판 사이에 형성된 액정층; 및 상기 하부 기판에 형성된 2층의 전극 패턴으로 이루어지며, 상기 전극 패턴 각각에 서로 다른 전압을 인가하여 액정의 굴절률 분포를 프리즘 형태로 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 영상조향 유닛은 사용자가 운동시차를 느끼게 하기 위해 사용자의 위치 정보를 바탕으로 그 위치에 맞는 영상을 제공하는 것을 특징으로 한다.

다수의 사용자가 존재할 경우, 사용자들의 위치를 파악하여 상기 영상조향 유닛을 통해 각각의 사용자의 방향으로 60Hz이상의 영상을 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기 포커싱 렌즈는 불가변의 렌즈 또는 액정전계렌즈와 같은 초점가변 렌즈가 이용되는 것을 특징으로 한다.

상기 포커싱 렌즈는 구면렌즈, 프레넬(Fresnel) 타입 렌즈 등의 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈 어레이와 포커싱 렌즈는 하나의 통합된 패널 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 포커싱 렌즈와 영상조향 유닛은 하나의 통합된 액정제어패널로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈 어레이와 포커싱 렌즈 및 영상조향 유닛은 하나의 통합된 액정전계패널로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 입체영상표시장치는 표시패널을 협시야각의 분할된 영역으로 나누어 구동하고 포커싱(focusing) 렌즈와 위치추적(tracking) 유닛을 이용하여 각각의 영역들의 요소영상(elementary image)을 사용자의 위치에 전달함으로써 기존의 집적영상방식의 단점인 낮은 화질을 극복하고 높은 화질의 영상을 제공하는 효과를 가진다.

또한, 본 발명에 따른 입체영상표시장치는 표시용 렌즈 어레이를 액정전계렌즈로 구성할 경우 2D 모드 및 3D 모드 사이에 전환이 자유로워 2D 및 3D 콘텐츠(contents) 이용이 용이한 효과를 가진다.

또한, 본 발명에 따른 입체영상표시장치는 위치추적 유닛과 영상조향(image steering) 유닛을 이용하여 사용자의 위치를 파악한 후 시청 위치에 맞는 영상을 제공함으로써 사용자에게 운동시차를 제공하는 한편, 시분할(field sequential) 방식으로 각각의 사용자에게 순차적으로 영상을 제공함으로서 다수의 사용자에게 3D 영상을 제공하는 효과를 가진다.

도 1은 일반적인 집적영상방식의 입체영상표시장치의 개념을 개략적으로 나타내는 도면.
도 2a 및 도 2b는 집적영상방식의 입체영상표시장치에 있어, 시야각을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입체영상표시장치의 구성을 개략적으로 나타내는 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입체영상표시장치에 있어, 협시야각과 고해상도를 갖는 영상재생 시스템의 개념을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 5a 및 도 5b는 영상조향 유닛의 구조 및 구동방법을 예를 들어 나타내는 단면도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 입체영상표시장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 집적영상방식에 있어 극단적으로 좁은 시야각과 고해상도를 갖는 집적영상을 구현하여 정해진 방향에서 고화질의 실사 3D 영상을 얻는 한편, 사용자의 위치를 추적하는 위치추적(tracking) 유닛과 영상을 이동시키는 영상조향(image steering) 유닛을 이용하여 사용자에게 운동시차를 제공하고, 다수의 사용자에게 3D 영상을 제공하는 것을 특징으로 한다.

우선, 표시패널을 구성하는 전체의 요소영역들이 극단적으로 좁은 시야각을 갖는 집적영상을 구현하는 방법을 설명한다.

도 2a 및 도 2b는 집적영상방식의 입체영상표시장치에 있어, 시야각을 나타내는 단면도이다.

이때, 도 2a는 집적영상방식의 입체영상표시장치에 있어, 일반적인 시야각을 나타내고 있으며, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 협시야각을 갖는 방식을 예를 들어 나타내고 있다.

상기 도 2a를 참조하면, 집적영상방식의 입체영상표시장치에 있어, 일반적으로 시야각(Ω')은 렌즈 어레이(120')와 표시패널(130') 사이의 거리(배면거리)(g') 및 요소영상(135')의 피치(P')와 관련이 있으며, 이는 다음의 수학식으로 나타낼 수 있다.

[수학식]

이와 같이 집적영상방식의 입체영상표시장치는 요소영상(135')의 피치(P')가 증가할수록 시야각(Ω')이 증가하게 되는데, 이때 상기 요소영상(135')의 피치(P')의 증가에 따라 해상도는 저하되게 되어 상기 시야각(Ω')과 해상도는 상충관계를 가지고 있다.

상기 도 2b를 참조하면, 본 발명의 경우에는 요소영상(135)의 피치(P)를 감소시키는 동시에 렌즈 어레이(120)와 표시패널(130) 사이의 거리(g)를 증가시킴으로써 표시패널(130)을 구성하는 전체의 요소영상(135)들이 극단적으로 좁은 시야각(Ω)을 가지도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 각각의 요소영상(135)들이 극단적으로 좁은 시야각(Ω)을 가짐에 따라 반대급부로서 높은 3D 해상도를 갖게 된다.

이때, 상기 각각의 극단적으로 좁은 시야각(Ω)을 갖는 요소영상(135)들로부터 나오는 영상들은 포커싱 렌즈와 영상조향 유닛을 통해 사용자의 방향으로 모아지며 사용자는 자신의 위치에서 전체 표시패널(130)의 영상을 시청할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입체영상표시장치의 구성을 개략적으로 나타내는 예시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 입체영상표시장치는 협시야각을 갖도록 구성된 영상재생 시스템, 즉 렌즈 어레이(120)와 표시패널(130), 상기 렌즈 어레이(120) 전면에 배치된 포커싱 렌즈(150)와 영상조향 유닛(160) 및 사용자의 위치를 추적하는 위치추적 유닛(170)으로 구성되며, 각 구성요소의 역할은 다음과 같다.

우선, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입체영상표시장치에 있어, 협시야각과 고해상도를 갖는 영상재생 시스템의 개념을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

상기 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 본 발명의 실시예에 따른 영상재생 시스템은 다수의 화소(136)로 이루어진 다수의 요소영상이 정의되어 여러 방향에서 바라본 대상물에 대응되는 영상을 표시하는 표시패널(130) 및 상기 표시패널(130)과 사용자(미도시) 사이에 위치하며, 상기 다수의 화소에서 출사된 빛을 집광하여 공간상의 특정위치에 상기 대상물에 대응되는 영상(147)을 표시하는 렌즈 어레이(120)로 이루어진다.

상기 표시패널(130)은 표시면 내에 위치가 정해진 화소가 평면적으로 매트릭스 형태로 배치되어 있는 것이면, 직시형이나 투영형의 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기발광표시장치(Organic Light Emitting Diode Display; OLED), 전계발광표시장치(Field Emission Display; FED), 플라즈마영상표시장치(Plasma Display Panel; PDP), 전기발광표시장치(Electroluminescent Display; EL) 중 하나로 이루어질 수 있으며, 집적영상방식을 위해 다수의 요소영상이 정의된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 렌즈 어레이(120)는 표시패널(130)의 요소영상을 공간상에 형성시키는 역할을 하며, 예를 들어 액정에 서로 다른 전압을 인가해 굴절률을 변화시켜 렌즈의 역할을 하는 다수의 액정전계렌즈(140)로 이루어질 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 렌즈 어레이(120)는 일반 구면 렌즈, 프레넬(Fresnel) 타입 렌즈 또는 기타 동일 목적의 렌즈로 이루어질 수 있다.

상기 액정전계렌즈(140)는 수평 방향으로 주기 구조를 갖는 스트라이프 형태로 배열되거나 수평, 수직방향으로 주기 구조를 갖는 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 이때, 상기 다수의 화소(136)로 이루어진 하나의 요소영상은 하나의 액정전계렌즈(140)에 대응될 수 있다.

이때, 전술한 바와 같이 상기 본 발명의 실시예에 따른 입체영상표시장치는 극단적으로 좁은 시야각과 높은 3D 해상도를 구현하기 위해 배면거리(g)를 증가시키는 동시에 요소영상의 피치, 즉 액정전계렌즈(140)의 크기를 감소시키게 되는데, 예를 들어 500㎛ ~ 2mm의 직경을 가진 액정전계렌즈(140)를 이용할 수 있다. 이 경우 상기 표시패널(130)의 요소영상들은 렌즈 어레이(120)의 액정전계렌즈(140)를 통해 각각의 3D 요소영상을 형성하게 되며, 이때 상기 3D 요소영상은 극단적으로 좁은 시야각과 높은 3D 해상도를 가질 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 집적영상방식에 있어 극단적으로 좁은 시야각과 고해상도를 갖는 집적영상을 구현하여 정해진 방향에서 고화질의 실사 3D 영상(110)을 얻는 한편, 사용자의 위치를 추적하는 위치추적 유닛(170)과 영상을 이동시키는 영상조향 유닛(160)을 이용하여 사용자에게 운동시차를 제공하고, 다수의 사용자에게 3D 영상(110)을 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기 포커싱 렌즈(150)는 표시패널(130) 전체를 덮고 있는 소자로서 (사용자가 표시패널(130)의 중앙에 위치한다는 가정 하에) 표시패널(130)에 분포된 각각의 요소영상으로부터 방출된 빛들이 시청거리 만큼 떨어진 위치에 표시패널(130)의 중앙방향으로 향하게 하는 역할을 한다.

상기 포커싱 렌즈(150)로는 일반적인 불가변의 렌즈 또는 액정전계렌즈와 같은 초점가변 렌즈가 이용될 수 있다. 또한, 구면렌즈, 프레넬 타입 렌즈 또는 기타 목적에 맞는 렌즈가 이용될 수 있다.

이때, 포커싱 렌즈(150)가 포함되지 않은 경우에는 각각의 요소영상으로부터 방출된 빛을 이용하여 3D 영상(110)을 만들 수 있으나, 전체 표시패널(130)에서 방출되는 빛의 일부는 사용자를 향하지 않아 사용자는 표시패널(130)의 일부 영상(110)만을 볼 수 있다.

반면, 포커싱 렌즈(150)가 포함된 경우에는 포커싱 렌즈(150)가 전체 표시패널(130)에 분포된 요소영상들로부터 방출되는 빛을 사용자의 방향으로 향하게 하며, 이렇게 함으로써 사용자는 전체 표시패널(130)에 걸친 3D 영상(110)을 볼 수 있다.

한편, 사용자가 표시패널(130)의 중앙에서 벗어날 경우 사용자의 위치로 영상(110)을 향하게 하기 위해서는 위치추적 유닛(170)을 이용하여 사용자의 위치를 추적하고 영상조향 유닛(160)을 이용하여 사용자의 위치로 영상(110)을 전달하여야 한다. 또한, 다수의 사용자들을 위해서는 시분할(field sequential) 방식으로 각각의 사용자에게 순차적으로 영상(110)을 전달하여야 한다.

이를 위해 사용자 위치추적 유닛(170)은 사용자의 동공의 움직임이나 사용자의 머리의 이동을 실시간으로 추적(eye-tracking 또는 head-tracking)하고, 추적된 사용자의 동공 또는 머리의 움직임을 계산하며, 이에 대한 움직임을 이동 정보로 변환하여 저장하며, 이를 영상조향 유닛(160)으로 전달하게 된다.

상기 영상조향 유닛(160)은 포커싱 렌즈(150)를 통과한 빛을 액정전계 프리즘 등의 장치를 이용하여 사용자의 방향으로 향하게 하는 역할을 하는데, 도 5a 및 도 5b는 액정전계 프리즘을 이용한 영상조향 유닛의 구조 및 구동방법을 예를 들어 나타내고 있다.

상기 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 영상조향 유닛(160)은 사용자 위치추적 유닛으로부터 사용자의 위치 정보를 전달받아 표시패널의 중앙방향을 향하고 있는 집적영상을 사용자의 방향으로 향하게 하는 역할을 하며, 1D의 액정전계 프리즘으로 구성될 수 있다.

이때, 상기 1D의 액정전계 프리즘은 상부 기판(164)과 하부 기판(161) 및 그들 사이에 형성된 액정층으로 이루어지며, 상기 하부 기판(161)에 미세 전극 패턴(163a, 163b)을 2층으로 구성하고, 이렇게 구성된 전극 패턴(163a, 163b) 각각에 서로 다른 전압을 인가하여 액정(165)의 굴절률 분포를 프리즘 형태로 제어하게 되면 상기 도 5a에 도시된 바와 같이 액정전계 프리즘을 통해 빛의 진행방향을 제어할 수 있게 된다.

또한, 전극 패턴(163a, 163b)에 모두 동일하게 0V를 인가하면, 상기 도 5b에 도시된 바와 같이 액정(165)의 유효 굴절률이 모두 동일하게 되어 프리즘으로서의 역할을 할 수 없게 된다.

참고로, 도면부호 162a, 162b는 절연층을 나타낸다.

상기 본 발명의 실시예에 따른 입체영상표시장치는 사용자가 움직일 경우 상기 영상조향 유닛을 통해 사용자의 방향으로 영상을 제공하게 되는데, 사용자가 운동시차를 느끼게 하기 위해서는 사용자의 위치 정보를 바탕으로 그 위치에 맞는 영상을 제공하여야 한다.

그리고, 다수의 사용자가 존재할 경우 고속의 영상조향 유닛은 시분할 방식으로 각각의 사용자에게 영상을 제공하는데, 이때 사용자들의 위치를 파악하여 각각의 사용자의 방향으로 적어도 60Hz이상의 속도로 제공된 영상을 전달하게 된다.

한편, 본 발명의 렌즈 어레이와 포커싱 렌즈는 하나의 통합된 패널 형태로 구성될 수 있으며, 또한 상기 포커싱 렌즈와 영상조향 유닛은 하나의 통합된 액정제어패널로 구성될 수 있다.

또한, 1D 집적영상 시스템을 구현할 경우, 상기 렌즈 어레이와 포커싱 렌즈 및 영상조향 유닛은 하나의 통합된 액정전계패널로 구성될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 입체영상표시장치는 집적영상방식의 영상재생 시스템에 사용자 위치추적 유닛 및 영상조향 유닛을 결합함으로써 사용자에게 고화질의 3D 영상을 제공할 뿐만 아니라 사용자에게 고화질의 실사 3D 영상으로서 운동시차를 제공하고, 다수의 사용자에게 3D 영상을 제공할 수 있게 된다.

또한, 상기 본 발명의 실시예에 따른 입체영상표시장치는 액정전계렌즈로 렌즈 어레이를 구성할 경우 2D 모드 및 3D 모드 사이에 전환이 자유로워 2D 및 3D 콘텐츠 이용이 용이한 효과를 가진다.

상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.

120 : 렌즈 어레이 130 : 표시패널
140 : 액정전계렌즈 150 : 포커싱 렌즈
160 : 영상조향 유닛 170 : 위치추적 유닛

Claims

다수의 화소로 이루어진 다수의 요소영상(elemental image)이 정의되어 여러 방향에서 바라본 대상물에 대응되는 영상을 표시하는 표시패널;
상기 표시패널과 사용자 사이에 배치되며, 상기 다수의 화소로부터 방출된 빛을 집광하여 공간상의 특정위치에 상기 대상물에 대응되는 협시야각을 가진 영상을 표시하는 렌즈 어레이;
상기 렌즈 어레이 전면에 배치되어 상기 협시야각의 영상을 시청거리 만큼 떨어진 위치에 표시패널의 중앙방향으로 향하게 하는 포커싱 렌즈; 및
상기 포커싱 렌즈 전면에 배치되어 상기 포커싱 렌즈를 통과한 협시야각의 영상을 사용자의 위치로 향하게 하는 영상조향 유닛을 포함하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 표시패널은 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기발광표시장치(Organic Light Emitting Diode Display; OLED), 전계발광표시장치(Field Emission Display; FED), 플라즈마영상표시장치(Plasma Display Panel; PDP), 전기발광표시장치(Electroluminescent Display; EL) 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 렌즈 어레이는 구면 렌즈, 프레넬(Fresnel) 타입 렌즈 또는 액정전계렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 3 항에 있어서, 상기 다수의 화소로 이루어진 하나의 요소영상은 하나의 액정전계렌즈에 대응하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 액정전계렌즈는 500㎛ ~ 2mm의 직경을 가짐에 따라 협시야각을 가지는 영상을 제공하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 사용자가 표시패널의 중앙에서 벗어날 경우 사용자의 위치를 추적하여 이를 상기 영상조향 유닛에 전달하는 위치추적 유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 6 항에 있어서, 상기 영상조향 유닛은 1D의 액정전계 프리즘으로 구성되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 7 항에 있어서, 상기 1D의 액정전계 프리즘은
상부 기판과 하부 기판;
상기 상부 기판과 하부 기판 사이에 형성된 액정층; 및
상기 하부 기판에 형성된 2층의 전극 패턴으로 이루어지며, 상기 전극 패턴 각각에 서로 다른 전압을 인가하여 액정의 굴절률 분포를 프리즘 형태로 제어하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 영상조향 유닛은 사용자가 운동시차를 느끼게 하기 위해 사용자의 위치 정보를 바탕으로 그 위치에 맞는 영상을 제공하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 다수의 사용자가 존재할 경우, 사용자들의 위치를 파악하여 상기 영상조향 유닛을 통해 각각의 사용자의 방향으로 60Hz이상의 영상을 제공하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 포커싱 렌즈는 불가변의 렌즈 또는 액정전계렌즈와 같은 초점가변 렌즈가 이용되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 포커싱 렌즈는 구면렌즈, 프레넬(Fresnel) 타입 렌즈 등의 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 렌즈 어레이와 포커싱 렌즈는 하나의 통합된 패널 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 포커싱 렌즈와 영상조향 유닛은 하나의 통합된 액정제어패널로 구성되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 렌즈 어레이와 포커싱 렌즈 및 영상조향 유닛은 하나의 통합된 액정전계패널로 구성되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.