KR20130099969A - 무안경식 3ｄ 디스플레이 - Google Patents

무안경식 3ｄ 디스플레이 Download PDF

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KR20130099969A
KR20130099969A KR1020137009604A KR20137009604A KR20130099969A KR 20130099969 A KR20130099969 A KR 20130099969A KR 1020137009604 A KR1020137009604 A KR 1020137009604A KR 20137009604 A KR20137009604 A KR 20137009604A KR 20130099969 A KR20130099969 A KR 20130099969A
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토마스 팩케
프리드리히-카를 브루더
라이너 하겐
귄터 발체
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바이엘 인텔렉쳐 프로퍼티 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 2개의 광원(3, 4)을 갖는 조명 유닛(2), 광 가이드(5), 회절식 광학적 광 정향 소자로서의 홀로그래픽 광학 소자(6), 투명 디스플레이 패널(7), 및 광원(3, 4)을 디스플레이 패널(7) 상에 표시되는 우측 및 좌측 시차 영상과 각각 교대로 동기화하기 위한 제어 유닛(8)을 포함하는 무안경식 3D 디스플레이(autostereoscopic 3D display)(1)에 관한 것으로, 광원(3, 4)은 다양한 방향들로부터 광 가이드(5) 내로 각각 광을 방출하도록 배향되고, 홀로그래픽 광학 소자(6)와 디스플레이 패널(7)은, 광 가이드에 의해 방출된 광이, 광의 선호되는 방향에 따라 홀로그래픽 광학 소자(6)에 의해 2개의 상이한 방향으로 회절되어 디스플레이 패널(7)을 통과하도록 하는 방식으로 배치되며, 광 가이드(5)의 적어도 한 표면은 굴절 표면(10)을 갖는다.

Description

무안경식 3Ｄ 디스플레이 {AUTOSTEREOSCOPIC 3D DISPLAY}
본 발명은 무안경식 3D 디스플레이(autostereoscopic 3D display)에 관한 것이다.
무안경식 3D 디스플레이 (ASD)는, 입체 영상, 즉, 한 명 이상의 사람에게 3차원으로 보이는 영상을 디스플레이할 수 있는 스크린이다. 3차원 영상은 종래의 2차원 영상에 비해 추가로 깊이 효과(depth effect)를 갖는 영상으로 이해된다. ASD의 경우, 종래의 입체 디스플레이와는 대조적으로, 관찰자는, 안경, 프리즘 뷰어 또는 기타의 광학적 보조물과 같은 보조물을 필요로 하지 않는다.
3차원 느낌을 얻기 위하여, 무안경식 디스플레이에서는, 시차에 의해 각 육안이 상이한 영상을 보게 되도록 하는 방식으로 2개의 영상이 투사된다. 이 경우에, 2개의 상이한 방향에서의 투사는 영상들이 입체 쌍으로서 관찰자의 육안에 도달하도록 이루어져야 한다. 이 경우, 2개의 투사 방향은 대개는 디스플레이의 백라이트 유닛에서 생성된다.
ASD 및 그 개개 부품들의 개발자들은 영상이 가능한 한 사실적인 방식으로 공간적으로 표시될 수 있게 하고, 동시에 관찰자에 대해 높은 수준의 인체공학을 달성하는 것을 목표로 한다. 이 경우, 사실적이고 고품질의 영상을 위한 기본적인 전제조건으로는, 높은 영상 해상도 (공지된 고품질 2D 텔레비전-HDTV가 여기서 추구하는 표준임)와 높은 영상 주파수가 포함된다. 3D 코딩의 요소들이 추가로 포함된다. 우수한 인체공학은, 한 명 이상의 관찰자의 현재 위치에 대해 최적의 입체 효과를 주는 지점, 소위 스위트 스폿(sweet spot)을 조정함으로써 달성된다.
종래 기술에서 주로 이들 목표를 달성하기 위한 2개의 상이한 기술적 해결 접근법이 알려져 있다: 제1 접근법에 따르면, 2개의 투사 방향은, 예를 들어, 개개의 디스플레이 화소들의 광을 스크린으로부터 멀리 상이한 방향으로 편향시키는 렌즈나 프리즘 격자에 의해 달성될 수 있다. 이 경우, 수직 스트라이프 마스크(vertical strip mask)는 방향-선택적 방식으로 동작하는 개개의 수직 화소 스트라이프를 갖는다. 그러나, 이러한 ASD에는 좌측 및 우측 화소 스트라이프가 있기 때문에, 영상 해상도는 종래의 2D 디스플레이에 비해 절반이 된다. 또한, 액정 소자 (LCD)를 이용한 스트라이프 마스크의 대응하는 구성에 의해 원래의 해상도를 갖는 2D 영상을 표현하는 것은 기술적으로 어렵다. 2D 표현에 대한 추가 단점은, 스트라이프 마스크가 광선의 일부를 차단하여 영상을 어둡게 하는 시차 장벽(parallactic barrier)을 구성한다는 점이다.
두 번째 접근법은, 최대 해상도를 유지하면서 시간-오프셋된 진동 영상을 디스플레이하는, 2개의 광원 및 동기화 유닛을 갖는 ASD에 관한 것이다. 이러한 투광성 ASD에서 깜빡임없는 영상을 위한 전제조건은 충분히 높은 교대 주파수이다. 그러나, 이것은 종래 기술에서 이제서야 실현되고 있다. 이 접근법의 구체적인 실시양태들이 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.
US 2006/0164862는, 프리즘식 굴절 편향 구조를 갖는 2개의 별개의 광 도파관을 포함하며, 또한 2개의 광원, 확산 필름, 투과형 디스플레이 패널, 광 흡수기 및 반사기를 포함하는, 무안경식 디스플레이를 개시하고 있다.
이어서 US 2005/0264717은, 프리즘식 굴절 편향 구조를 갖는 광 도파관 상에 2개의 별개의 광원을 가지며, 또한 프리즘식 굴절 편향 구조에서와 같이 제2 광학 필름을 가지며, 또한 투과형 디스플레이 패널을 갖는, 무안경식 디스플레이를 개시하고 있다.
마지막으로, US 2007/0276071은, 광 도파관의 양 측에 배치된 2개의 광원, 이중-프리즘식 굴절 광 소자, 및 투과형 디스플레이 패널을 갖는, 무안경식 디스플레이를 개시하고 있다. 이중-프리즘식 굴절 광 소자는, 광 도파관과 직면하는 삼각형 프리즘식 구조물과, 광 도파관으로부터 마주하지 않는 구면 렌즈 구조물로 구성된다. 2개의 광원은, 투과형 디스플레이 패널이 나타낼 3차원 영상 콘텐츠의 우측 및 좌측 입체 영상을 연속적으로 재생하도록 하는 방식으로, 동기화 유닛에 의해 교대로 구동된다.
전술된 무안경식 디스플레이 각각은 반사성 편향 구조물을 갖는 광 정향 소자(light directing element)를 갖는다. 그러나, 이러한 타입의 소자들이 사용될 때, 영상 품질의 손상이 발생하고, 이것은 굴절 교란 효과(refractive disturbing effects)에 기인한 것이다. 교란 효과는, 특히, 바람직하지 않은 2차 광 경로, 다중 반사, 또는 병렬의 굴절 광 구조물의 상호작용에 의해 초래되는 모아레 효과(Moire effect)에 의해 야기된다. 전체 시스템에서, 교란 효과는, 띠 변색(banding), 해상도 감소 및/또는 전반적 선명도 부족과 함께 3D 표현을 위한 채널들의 불충분한 분리를 야기할 수 있다. 이것은 차례로 관찰자의 육안이 더 큰 피로를 느끼게 할 수 있다. 또한, 시판중인 2D HDTV (고해상도 텔레비전)에 비해 명백한 시각적 품질 차이를 구분할 수 있어서, 이러한 무안경식 디스플레이의 시장 수용성을 저하시킨다.
굴절 편향 구조물로 구성된 복수의 층을 갖는 광 정향 소자를 이용할 때의 추가의 단점은, 개개의 굴절 광학면 소자들의 서로에 관한 필요한 높은 측방향 위치 정확도를 보장하는데 있어서의 곤란성이다. 만일 여기서 극히 작은 편차가 발생하면, 3D 표현을 위한 2개 이상의 채널로의 분리는 크게 손상받는다. 게다가, 이 경우, 예를 들어, 모아레 효과와 같은 아마도 이미 존재하는 광 교란 효과가 더욱 심화된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 설명된 광학적 교란 효과를 갖지 않아 영상 품질에 관해 개선된 3D 표현이 얻어질 수 있는 무안경식 3D 디스플레이를 제공하는 것이다.
이 목적은, 2개의 광원을 갖는 조명 유닛, 광 도파관, 회절식 광학적 광 정향 소자로서의 홀로그래픽 광학 소자, 투명 디스플레이 패널, 및 광원을 각각 교대로 디스플레이 패널 상에 표시되는 우측 및 좌측 시차 영상과 동기화하기 위한 제어 유닛을 포함하는 무안경식 3D 디스플레이에 의해 달성되며, 여기서, 광원들은 상이한 방향으로부터 광 도파관 내로 각각 광을 방사하도록 배향되고, 홀로그래픽 광학 소자와 디스플레이 패널은, 광 도파관으로부터 방출된 광이 선호되는 방향에 따라 홀로그래픽 광학 소자에 의해 2개의 상이한 방향으로 회절되어 디스플레이 패널을 통과하도록 하는 방식으로 배치되며, 여기서 광 도파관의 적어도 한 표면은 굴절 표면을 갖는다.
이 경우, 본 발명에 따른 무안경식 3D 디스플레이는 주로, 육안의 피로 상태의 위험이 상당히 줄어들게 하는 정도까지 굴절 광학 교란 효과를 피하거나 낮추고자 한다. 이것은, 특히, 무안경식에 요구되는 방향-특유의 채널 분할이 보장되게끔 광을 편향시키는 홀로그래픽 광학 소자의 사용을 통해 가능해진다. 이 경우, 채널의 개수는 2보다 크고 짝수이거나 홀수인 것으로 판명될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무안경식 3D 디스플레이의 경우, 광학 소자들의 서로에 관한 측방향 위치 정확도로 이루어진 엄격한 요건을 피할 수 있어서, 이러한 타입의 디스플레이의 상당히 간소화된 생산성으로 이어진다.
광 도파관의 굴절 표면은, 광 도파관으로부터 방출되어 홀로그래픽 광학 소자에 입사되는 광의 각도 대역폭이 좁아지는 효과를 갖는다. 이것은, 홀로그래픽 광학 소자의 회절 효율이 더욱 커지게 되어, 브래그(Bragg) 조건을 만족하는데 요구되는 커플링 각도 부근의 상기 각도 대역폭이 더 좁아지게 되기 때문에 유익하다. 따라서, 먼저, 체적 홀로그램에 기초한 홀로그래픽 광학 소자의 회절 효율이 커질수록, 체적 홀로그램의 층 두께가 더 커진다. 두 번째, 각도 선택성이 증가한다, 즉, 층 두께가 증가함에 따라 체적 홀로그램에 대해 브래그 조건 부근의 허용가능한 각도 대역폭이 감소한다. 따라서, 홀로그래픽 광학 소자에 입사하는 광의 각도 대역폭의 협소화는, 높은 회절 효율을 생성하기 위한 허용가능한 층 두께의 더 넓은 범위를 가능케 하기 때문에 유익하다. 이것이 도 10i 및 도 10ii에 개략적으로 도시되어 있다. 따라서, 도 10i는 방출된 광에 대한 좁은 각도 대역폭을 야기하는 적절한 프리즘 구조물을 갖는 광 도파관을 도시한다. 도 10ii는 대응하는 프리즘 구조물이 없는 광 도파관을 나타낸다. 광은 넓은 각도 대역폭과 함께 이 광 도파관으로부터 방출된다.
굴절 표면은, 특히, 비산란 구조물과의 조합으로 전면적으로 또는 영역적으로 적용된, 선형 변환 불변 프리즘 구조물, 다차원 피라미드 프리즘 구조물, 타원체, 폴리노미얼(polynomial), 원추 세그먼트, 쌍곡선 또는 이들 기본체의 조합에 기초한 선형 변환 불변 렌즈 구조물, 타원체, 폴리노미얼, 원추 섹션, 쌍곡선 또는 이들 기본체의 조합에 기초한 다차원 반구형 렌즈 구조물, 비주기적 산란 표면 구조물을 가질 수 있다.
굴절 표면은, 엠보싱, 습식 엠보싱, 사출 성형, 압출, 프린팅, 레이저 스트럭쳐링 및 기타의 방법들을 통해 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 무안경식 3D 디스플레이에 대해 추가로 적어도 하나의 광학 필름을 갖는 것도 가능하다. 광학 필름은, 특히, 확산 필름, 마이크로렌즈 필름, 프리즘 필름, 렌티큘라(lenticular) 필름 또는 반사 편광 필름일 수 있다. 디스플레이에는 이러한 필름이 복수개 존재할 수 있다는 것을 말할 필요도 없다.
또한, 홀로그래픽 광학 소자가 체적 홀로그램이라면, 특히 바람직하다.
홀로그래픽 광학 소자는, 특히, 시준 또는 발산 각도 분포를 생성하도록 구현될 수 있다. 이러한 홀로그래픽 광학 소자는, 예를 들어, 관찰자의 위치에서 밝기를 증가시키거나, 상이한 관찰자를 어드레싱하거나, 3D 느낌을 강화하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 홀로그래픽 광학 소자가 투과 및/또는 반사 홀로그램 및/또는 투과 및/또는 반사 가장자리-발광(edge-lit) 홀로그램이라면, 더욱 바람직하다.
또한, 홀로그래픽 광학 소자가 서로 접속된 복수의 개별 홀로그램으로부터 구성되는 것이 가능하다. 이 경우, 개별 홀로그램은 특히, 바람직하게는 멀티플렉싱에 의해 얻을 수 있는, 특히 바람직하게는 각도 분할 멀티플렉싱 및/또는 파장 분할 멀티플렉싱에 의해 얻을 수 있는 체적 홀로그램일 수 있다. 이 경우, 개별 홀로그램은 좌측 및 우측 투사의 역할을 할 수 있다. 마찬가지로, 개별 홀로그램은 이 경우, 이들이 3원색, 즉, 적색, 녹색, 및 청색 중 하나의 방사만을 회절시키도록 특별히 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어 4원색 (예를 들어, "적색", "녹색", "청색" 및 "황색")과 같은, 3개보다 많은 원색을 사용하는 것도 가능하다. 마지막으로, 예를 들어, 6개의 개별 홀로그램이 3원색 각각과 2개의 입체시 방향에 대해 이용되도록, 양쪽 효과가 결합될 수 있다.
이러한 체적 홀로그램의 생성이 공지되어 있으며 (문헌 [H. M. Smith in "Principles of Holography", Wiley-Interscience 1969]), 예를 들어, 2개 빔 간섭에 의해 달성될 수 있다 (문헌 [S. Benton, "Holographic Imaging", John Wiley & Sons, 2008]).
반사 체적 홀로그램의 대량 복제를 위한 방법이 US　6,824,929에 설명되어 있으며, 여기서, 마스터 홀로그램 상에는 감광 재료가 놓여지고, 그 다음, 복사를 달성하기 위해 가간섭 광(coherent light)이 사용된다. 투과 홀로그램의 생성도 마찬가지로 알려져 있다. 따라서, 예로서, US　4,973,113은 롤 복제에 의한 방법을 설명하고 있다.
특히, 특정한 노출 지오메트리를 요구하는 가장자리-발광 홀로그램의 생성을 참조해야 한다. 에스. 벤톤(S. Benton)에 의한 소개 (문헌 [S.　Benton, "Holographic Imaging", John Wiley & Sons, 2008, Chapter 18])와 전통적인 2단 및 3단 생성 방법의 개관 (문헌 [Q.　Huang, H. Caulfield, SPIE Vol. 1600, International Symposium on Display Holography (1991), page 182] 참조) 외에도, 가장자리 조명 및 도파 홀로그램(waveguiding hologram)을 설명하고 있는 WO　94/18603을 참조해야 한다. 또한, 특정한 광학적 어댑터 블록에 기초하는 방법을 설명하고 있는 WO 2006/111384에서의 특별 생성 방법을 참조해야 한다.
체적 홀로그램의 생성에 대해 다양한 재료가 적절하다. 노광 후에 습식-화학적 현상 프로세스를 요구하는 미립자 은 할로겐화물 에멀젼 또는 디크로메이트 젤라틴이 적절하다. 또한, 열적 후처리를 요구하는 예를 들어, (듀폰 오브 네이무어스(DuPont of Neymours)으로부터 입수할 수 있는) 옴니덱스(Omnidex)® 광중합체 필름과, 홀로그램의 완전한 현상을 위해 화학적 또는 열적 후처리를 추가로 요구하지 않는 (바이엘 머티리얼사이언스 아게(Bayer MaterialScience AG)로부터 입수할 수 있는) 베이폴(Bayfol)® HX 광중합체 필름과 같은 광중합체가 적절하다. 이상적인 재료는 높은 투명도와 낮은 헤이즈(haze)를 나타낸다. 따라서, 이 응용에 대해서는 광중합체가 바람직하다. 열적 후처리를 요구하지 않는 광중합체가 특히 바람직하다.
홀로그래픽 광학 소자는 바람직하게는, 각도 분할 멀티플렉싱 또는 파장 분할 멀티플렉싱을 통해 노광에 의해 도입된 적어도 2개의 홀로그램을 갖는 한개 층으로 구성되거나, 각각이 적어도 하나의 홀로그램을 갖는 서로 라미네이팅된 적어도 2개의 층으로 구성될 수 있다. 이어서, 각도 분할 멀티플렉싱 또는 파장 분할 멀티플렉싱에 의해 층마다 복수의 홀로그램이 얻어질 수 있다.
균질 조명을 최적화하기 위하여, 홀로그래픽 광학 소자의 폭에 걸쳐 층들 내의 개별 홀로그램의 회절 효율 및/또는 회절 각도를 변동시키는 것이 가능하다. 이러한 회절 효율 및/또는 회절 각도의 변동은 단계적으로 및/또는 지속적으로 달성될 수 있다.
추가의 바람직한 실시양태에 따르면, 광 도파관은 평행육면체이다.
광 도파관은 산업적 종래 방법에 의해 생성될 수 있다. 이 경우에 사출 성형 방법 및 시트 압출은 종래 방식이다. 재료로서 대개는, 폴리메틸 메타크릴레이트 및 폴리카르보네이트와 같은 광학적으로 투명한 플라스틱이 사용된다. 성형은 바람직하게는, 사출 성형 방법의 사출 성형에 의해, 또는 시트 압출 방법의 특정적으로 성형된 롤에 의한 다이 성형 및 아마도 고온 엠보싱 변형에 의해 구현된다.
그러나, 광 도파관이 사면(bevelled edge)을 갖는 것도 역시 가능하다. 이것은 광의 커플링과 이렇게 얻어진 조명 각도의 최적화를 가능케 한다.
광원은, 특히, 가스 방전 램프, 바람직하게는, 저온 가스 방전 램프, 발광 다이오드, 바람직하게는 적색, 녹색, 청색, 황색 및/또는 백색 발광 다이오드 및/또는 레이저 다이오드일 수 있다.
광원에 의해 방출된 광은 넓은 스펙트럼 분포의 파장(백색광) 또는 대역 스펙트럼을 가질 수 있다. 극단적인 경우, 단색광도 포함될 수 있다. 그러나, 광원이 대역 방출 스펙트럼을 갖는 광을 방출한다면 바람직하다.
광원이 평행육면체의 반대되는 두 표면에 배치된다면 바람직하다.
광원은 평행육면체의 측면들 또는 그 부근에 (선형적으로 또는 전면적으로) 직접 접촉할 수 있다.
마찬가지로, 홀로그래픽 광학 소자 내로의 광의 광학적 커플링을 더욱 효율적으로 하고 및/또는 더욱 각도-선택적 또는 주파수-선택적으로 하기 위하여 광 도파관 상의 굴절 또는 회절 광학 소자를 조정하는 것도 가능하다.
따라서, 광 도파관과 동일한(또는 사실상 동일한) 굴절 계수를 갖는 프리즘 구조물도 역시 이 목적에 적합하다. 이 경우, 광원들은, 광이 가능한 한 부분 반사 또는 전반사를 피하는 방식으로 커플링되도록 배치된다. 굴절 광학 소자는 또한 바로 광 도파관 자체의 생성 동안에 부수적으로 생성될 수 있다. 회절 광학 소자는 체적 또는 엠보싱 홀로그램(엠보싱, 습식 엠보싱에 의해, 또는 리소그래피 공정에 의해 생성될 수 있는 얇은 투과 홀로그램)으로서 구현될 수 있다.
한 바람직한 무안경식 3D 디스플레이에서, 홀로그래픽 광학 소자, 광 도파관, 및 디스플레이 패널은 다음과 같은 순서 중 하나로 배치된다고 가정된다: a) 홀로그래픽 광학 소자, 광 도파관, 및 디스플레이 패널, 또는 b) 광 도파관, 홀로그래픽 광학 소자, 디스플레이 패널. 이 경우, 홀로그래픽 광학 소자, 광 도파관, 및 디스플레이는 서로 전면적으로 이어질 수 있다.
그러나, 홀로그래픽 광학 소자는 또한, 광 도파관에 직접 인접하거나, 자체 지지 방식으로 광 도파관으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
마찬가지로, 디스플레이 패널은, 광 도파관에 직접 인접하거나, 자체 지지 방식으로 광 도파관으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명이 도면들을 참조하여 이하에서 상세히 설명된다. 이하의 도면에서:
도 1은 본 발명의 제1 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다,
도 2는 본 발명의 제2 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다,
도 3은 본 발명의 제3 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다,
도 4a는 동작중인 본 발명의 제4 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다,
도 4b는 동작중인 본 발명의 제4 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다,
도 5a는 동작중인 본 발명의 제5 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다,
도 5b는 동작중인 본 발명의 제5 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다,
도 6a는 동작중인 본 발명의 제1 실시양태의 투시도를 도시한다,
도 6b는 동작중인 본 발명의 제1 실시양태의 추가의 투시도를 도시한다,
도 7a는 동작중인 본 발명의 제6 실시양태의 투시도를 도시한다,
도 7b는 동작중인 본 발명의 제6 실시양태의 추가의 투시도를 도시한다,
도 8a는 본 발명의 제7 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다,
도 8b는 본 발명의 제8 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다,
도 9는 본 발명의 제9 실시양태의 개략적 평면도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 무안경식 3D 디스플레이(ASD)의 제1 실시양태를 평면도로 개략적으로 나타낸다. 여기서 도시된 ASD(1)는, 2개의 광원(3 및 4)을 갖는 조명 유닛(2), 평행육면형 광 도파관(5), 회절 광학 소자로서의 홀로그래픽 광학 소자(6), 투명 디스플레이 패널(7), 및 제어 유닛(8)을 포함한다. 디스플레이 패널(7)은, 예를 들어, 종래 기술에 공지된 투광형 LCD 디스플레이일 수 있다. 제어 유닛(8)은 전기 단자(9)를 통해 램프(3 및 4)와 디스플레이 패널(7)에 접속된다. 광원(3 및 4)은, 이들이 각각 상이한 방향으로부터, 즉, 한 번은 좌측으로부터, 그리고 한 번은 우측으로부터, 각각 이들과 마주 놓여 있는 평행육면형 광 도파관(5)의 측 표면 내로 광을 방사하도록 배향 및 배치되어 있다. 홀로그래픽 광학 소자(6)와 디스플레이 패널(7)이, 도면의 평면에서 이 순서대로 차례로, 광 도파관(5) 아래에서 평행하게 배치되어 있다. 홀로그래픽 광학 소자(6)는 여기서는 투과 홀로그램으로서 구현된다. 이러한 타입의 홀로그램은, 예를 들어, 문헌 [P.　Hariharan, Optical Holography, Cambridge Studies in Modern Optics, Cambridge University Press, 1996]에 설명되어 있다.
ASD(1)의 동작 동안에, 광원(3 및 4)은, 제어 유닛(8)에 의해 50 헤르쯔보다 높은 주파수로, 디스플레이 패널(7)에 의해 표시되는 우측 및 좌측 시차 영상과 동기화된다. 제어 유닛에 대한 최적화된 스위칭 사이클은, 예를 들어, WO 2008/003563에 설명되어 있다.
광원(3, 4)으로부터의 광은 광 도파관(5) 내로 들어가서, 도면의 평면의 상부에 나타낸 광 도파관(5)의 계면에서 반사되고, 광 도파관(5)의 반대쪽 밑면에서 커플링되어 나온다. 광 도파관(5)으로부터 홀로그래픽 광학 소자(6)의 방향으로 이렇게 방출된 광은 좌측 광원(3)으로부터 나온 것인지 또는 우측 광원(4)으로부터 나온 것인지에 따라 상이한 선호되는 방향을 가지며, 그 다음, 홀로그래픽 소자에 의해 2개의 상이한 방향으로 대응적으로 회절되어 디스플레이 패널(7) 상으로 정향된다.
이런 방식으로, ASD(1)는 2개의 시차 영상을 교대로 생성하고, 이들 각각은 관찰자의 우안 및 좌안에 의해 각각 인식되어, 그 결과, 상기 관찰자에 대해 풀 해상도의 고품질 3차원 영상이 발생한다.
마찬가지로, 홀로그래픽 광학 소자(6)가, 하나가 다른 하나의 상부에 놓이거나 서로 이격되어 놓인 층들 내에 위치한 복수의 개별 홀로그램으로부터 구성되는 것도 가능하다. 마찬가지로, 각 경우에 한 개 색상의 (즉, 인간에 대한 가시광의 특정 협소화된 주파수 범위의) 광만을 회절시키거나, 각 경우에 한 개 광원으로부터의 광만을 회절시키거나, 또는 한 개 색상 및/또는 한 개 방향으로부터의 광만을 회절시키도록 홀로그래픽 광학 소자(6)가 설계되는 것도 가능하다.
도 2는 도 1로부터의 ASD(1)의 대안적 변형을 평면도로 도시한다. 차이점은, 여기서 홀로그래픽 광학 소자(6)는 광 도파관(5)과 디스플레이 패널(7) 사이가 아니라 도면의 평면에서 광 도파관(5) 위에 배치되어 있으며, 홀로그래픽 광학 소자(16)는 여기서는 투과 홀로그램 대신에 반사 홀로그램이라는 점이다.
이 ASD(11)의 경우, 광 도파관(5)은 자신 내로 방사된 광을 홀로그래픽 광학 소자(6)의 방향으로 방출하고, 그 다음, 광은 광 도파관(5) 내로 다시 회절된다. 광은 광 도파관(5)을 통과한 다음, 디스플레이 패널(7) 상에 입사된다.
도 3은 도 1에 도시된 구성의 역시 또 다른 변형을 도시한다. 여기서, 2개의 홀로그래픽 광학 소자(6a 및 6b)가 존재하며, 홀로그래픽 광학 소자(6a)는 그 배치와 기능에 있어서 도 1의 ASD(1)의 홀로그래픽 광학 소자(6)에 대응하고, 홀로그래픽 광학 소자(6b)는 그 배치와 기능에 있어서 도 2의 ASD(1)의 홀로그래픽 광학 소자(16)에 대응한다. 결과적으로, 도 3의 ASD(21)는 투과 홀로그램(6a)과 반사 홀로그램(6b) 둘 다를 갖는다.
스위칭 사이클에서 도 3의 ASD(21)의 동작 동안에, 먼저 광은 광원(4)으로부터 나오는 반면, 광원(3)은 광을 방출하지 않는다. 광은 광 도파관(5) 내로 들어가서 이 곳으로부터 홀로그래픽 광학 소자(6a) 내로 들어가고, 그 곳에서 디스플레이 패널(7)의 방향으로 회절된다. 이제 제어 유닛(8)은 광원(4)을 오프한 다음, 동시에 또는 약간의 시간적 중복이나 시간적 분리와 함께 광원(3)을 온한다. 광원(3)으로부터 나오는 광은 광 도파관(5)을 경유해 홀로그래픽 광학 소자(6b)를 거쳐 디스플레이 패널(7)의 방향으로 회절되고, 여기서, 광은, 광 도파관(5)과 홀로그래픽 광학 소자(6a)에 의해 편향되지 않거나 별로 편향되지 않는다. 2개의 스위칭 사이클에서, ASD(21)로부터의 광은 각각 관찰자의 좌안 및 우안에 도달한다.
마찬가지로, 홀로그래픽 광학 소자(6a 및 6b)의 광 가이딩 순서를 바꾸는 것도 가능하다. 마찬가지로, 각각의 홀로그래픽 광학 소자(6a 및 6b)가 각 경우에 한 개의 색상만에 대해 또는 복수의 색상에 대해 회절 효과를 갖는 것도 가능하다, 즉, 예를 들어, "적색" 광에 대해서는 홀로그래픽 광학 소자(6a)에 의해, 그리고 "녹색" 및 "청색" 광에 대해서는 홀로그래픽 광학 소자(6b)에 의해 2개의 색상에 대한 광 가이드 순서가 달성된다. 마찬가지로 다른 조합도 가능하다. 여기서, 광원(3 및 4)이, 각각 원색을 방출하고 서로에 관하여 수직으로 약간 상이하게 위치한 상이한 구조의 유닛들로 구성된다면 유익할 수 있다. 또한, 2개의 홀로그래픽 광학 소자(6a 및 6b)가 광원(3 및 4)으로부터 광 도파관(5)을 통해 가이드된 광에 대해 회절 효과를 가지며 2개의 입체시 영상의 각각의 하나를 디스플레이 패널(5)을 통해 관찰자의 각 육안에 투사하는 것도 물론 가능하다. 이 절차는 더 높은 휘도 효율의 이점을 갖는다.
도 4a 및 도 4b는 동작 중인 도 1의 ASD(1)의 변형을 다시 한번 평면도로 도시하고 있다. 이 경우에, 도 4a는 우측 광원(3)이 광 도파관(5) 내에 광을 방출하는 스위칭 상태를 도시하고, 도 4b는 광원(4)이 작동된 상태를 도시한다.
도 1의 ASD(1)와 도 4a 및 도 4b의 장치(31) 사이의 한 차이점은, ASD(31)의 경우, 홀로그래픽 광학 소자(36)가 광 도파관(5)에 직접 전면적으로 접속된다는 것이다. 게다가, ASD(31)의 경우, 홀로그래픽 광학 소자(36)는 투과 가장자리-발광 홀로그램으로서 구현된다.
마찬가지로, 홀로그래픽 광학 소자(36)가, 하나가 다른 하나의 상부에 놓이거나 서로 이격되어 놓인 층들 내에 위치한 복수의 개별 홀로그램으로부터 구성되는 것도 가능하다. 마찬가지로, 홀로그래픽 광학 소자가 각 경우에 한 개 색상의 (즉, 인간에 대한 가시광의 특정 협소화된 주파수 범위의) 광만을 회절시키거나, 각 경우에 한 개 광원으로부터의 광만을 회절시키거나, 또는 한 개 색상 및/또는 한 개 방향으로부터의 광만을 회절시키도록 설계되는 것도 가능하다.
도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b의 ASD(31)의 수정판을 도시한다. 여기서는, 첫 번째, 광원(3 및 4)은 도면의 평면에서 다소 더 위에 배치되어 있고, 두 번째, 방사된 광의 (전) 반사가 내부에서 좀처럼 발생하기 어렵고, 오히려, 상기 광이 직접 광 도파관(45)을 통해 홀로그래픽 광학 소자(46)로 가이드되는 광 도파관(45)이 사용된다. 홀로그래픽 광학 소자(46)(투과 가장자리-방출 홀로그램)는, 광 도파관(45)으로부터 나오는 광을 2개의 상이한 방향 중 선호되는 방향에 따라 다시 한번 회절시키고 광을 디스플레이 패널(7) 상으로 정향시키도록 구현된다.
도 6a 및 도 6b는 동작중인 도 4a 및 도 4b의 ASD(31)의 투시도이다. 도 6a는 작동된 광원(3)을 갖는 ASD(31)의 상태를 도시하고, 도 6b에서는 좌측 광원(4)이 활성이다. 광원 중 하나(3 또는 4)로부터 광 도파관(5)을 통해 홀로그래픽 광학 소자(36)까지의 광 빔의 경로와 홀로그래픽 광학 소자(36)에 의한 디스플레이 패널(7) 상으로의 회절에 의한 경로가 각 경우에 예로서 도시되어 있다. 홀로그래픽 광학 소자(6)는 이 경우에는, 디스플레이 패널(7)의 표면에 법선인 관찰자의 양 육안에 걸쳐 있는 평면에 평행하게 놓여 있는 평면에서 회절이 이루어지도록 설계된다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제6 실시양태로서 동작중인 도 4a 및 도 4b의 ASD(31)의 변형을 투시적으로 나타내고 있다. 차이점은, 여기서, 광원(3 및 4)이 광 도파관(5)과 나란히 우측 및 좌측에 배치되는 것이 아니라 광 도파관의 위와 아래에 배치되어 있다는 것이다. 여기서, 또한, 홀로그래픽 광학 소자(56)는, 디스플레이 패널(7)의 표면에 법선인 관찰자의 양 육안에 걸쳐 있는 평면에 수직으로 놓여 있는 평면에서 회절이 이루어지도록 설계된다.
원칙적으로, 도 6a, 6b 및 도 7a, 7b의 실시양태들의 조합도 역시 가능하다.
도 8a는 본 발명에 따른 ASD의 제7 실시양태를 도시한다. 이 ASD는 하나의 차이를 제외하고는 도 1의 ASD(1)에 대응한다. 유일한 차이점은, 광 도파관(5)에는 도면의 평면에서 위쪽에 굴절 표면 구조(10)가 제공된다는 것이다.
ASD(61)의 동작 동안에, 표면 구조(10)는, 방출되어 들어온 광의 훨씬 많은 부분이 광 도파관(5)에서 반사될 수 있고 그 다음 홀로그래픽 광학 소자(6)의 방향으로 방출될 수 있다는 효과를 갖는다.
또한, 표면 구조(10)는, 예를 들어, ASD(61)의 더 균질한 조명 및/또는 개선된 밝기를 가능케하기 위하여, 예를 들어, 진공 금속화 방법에 의해 반사성으로 코팅되는 것이 유익할 수 있다.
ASD(61)의 경우, 또한, 홀로그래픽 광학 소자(6)가 광 도파관(5)이나 디스플레이 패널(7)에 직접 인접하는 것이 가능하다.
도 8b는 도 8a의 ASD(61)의 변형을 도시하며, 여기서는, 굴절 표면 구조(10)가 도면의 평면에서 광 도파관(5)의 아래쪽에 배치되어 있다. 이것은, 광이 광 도파관(5)으로부터 바깥으로 목표화된 방식으로 더욱 효과적으로 커플링된 다음 홀로그래픽 광학 소자(6)에 의해 편향된다는 효과를 갖는다. 이런 방식으로, ASD(71)의 밝기가 증가되고 ASD의 더 균질한 조명이 발생한다.
마지막으로, 본 발명에 따른 ASD의 제9 실시양태가 도 9에서 평면도로 개략적으로 도시되어 있다. 여기에 나타낸 ASD(81)는 그 구조의 관점에서 도 1의 장치에 기초하고 있다. 그러나, 여기서 2개의 광학 필름(11 및 12)이 추가로 존재하고, 여기서 한 필름은 광 도파관(5)과 홀로그래픽 광학 소자(6) 사이에 배치되고, 다른 한 필름은 홀로그래픽 광학 소자(6)와 디스플레이 패널(7) 사이에 배치되어 있다. 필름(11, 12)은, 서로 독립적으로, 확산 필름, 마이크로렌즈 필름, 프리즘 필름, 렌티큘라 필름, 또는 반사 편광 필름일 수 있다. 또한, ASD(81)의 광 도파관(5)은 도면의 평면에서 위쪽과 아래쪽 모두에서 굴절 표면 구조(10)가 제공된다는 점에서, 도 1의 ASD(1)와는 상이하다.
광학 필름(11 및 12)의 이용과 굴절 표면(10)의 존재는, 휘도 효율의 균질화 또는 개선으로 이어진다.
ASD(1)의 설계와 이로부터 유도된 ASD(31, 41, 51, 61, 71 및 81)의 설계에서, 디스플레이 패널로부터 각각 떨어져 마주하고 있는 광 도파관의 해당 측이 주로 반사성 방식으로 구성되거나 반사성 코팅되는 것이 유익할 수 있다. 이것은 디스플레이 더 높은 밝기와 더 균질의 조명을 실현하는 것을 가능케 한다.
(1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81): ASD
(2): 조명 유닛
(3): 광원
(4): 광원
(5, 45): 광 도파관
(6, 6a, 6b, 16, 36, 46, 56): 홀로그래픽 광학 소자
(7): 디스플레이 패널
(8): 제어 유닛
(9): 전기 단자
(10): 굴절 표면
(11, 12): 광학 필름

Claims (14)

  1. 무안경식 3D 디스플레이(autostereoscopic 3D display)(1)이며, 2개의 광원(3, 4)을 갖는 조명 유닛(2), 광 도파관(5), 회절식 광학적 광 정향 소자(diffractive optical light directing element)로서의 홀로그래픽 광학 소자(6), 투명 디스플레이 패널(7), 및 광원(3, 4)을 각각 교대로 디스플레이 패널(7) 상에 표시되는 우측 및 좌측 시차 영상과 동기화하기 위한 제어 유닛(8)을 포함하고, 광원(3, 4)은 각각 상이한 방향으로부터 광 도파관(5) 내로 광을 방사하도록 배향되고, 홀로그래픽 광학 소자(6) 및 디스플레이 패널(7)은, 광 도파관으로부터 방출된 광이 선호되는 방향에 따라 홀로그래픽 광학 소자(6)에 의해 2개의 상이한 방향으로 회절되어 디스플레이 패널(7)을 통과하도록 하는 방식으로 배치되며, 광 도파관(5)의 적어도 한 표면은 굴절 표면(10)을 갖는 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  2. 제1항에 있어서, 굴절 표면(10)이, 비산란 구조물과의 조합으로 전면적으로 또는 영역적으로 적용된, 선형 변환 불변 프리즘 구조물, 다차원 피라미드 프리즘 구조물, 타원체, 폴리노미얼, 원추 세그먼트, 쌍곡선 또는 이들 기본체의 조합에 기초한 선형 변환 불변 렌즈 구조물, 타원체, 폴리노미얼, 원추 섹션, 쌍곡선 또는 이들 기본체의 조합에 기초한 다차원 반구형 렌즈 구조물, 비주기적 산란 표면 구조물을 갖는 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 광학 필름(11, 12)을 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  4. 제3항에 있어서, 광학 필름(11, 12)이 확산 필름, 마이크로렌즈 필름, 프리즘 필름, 렌티큘라(lenticular) 필름 또는 반사 편광 필름인 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 홀로그래픽 광학 소자(6)가 체적 홀로그램인 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 홀로그래픽 광학 소자(6)가 시준 또는 발산 각도 분포를 생성하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 홀로그래픽 광학 소자(6)가 투과 및/또는 반사 홀로그램, 및/또는 투과 및/또는 반사 가장자리-발광(edge-lit) 홀로그램인 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 홀로그래픽 광학 소자(6)가, 서로 인접하는 방식으로 접속된 복수의 개별 홀로그램으로부터 구성된 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 홀로그래픽 광학 소자(6) 또는 서로 접속된 개별 홀로그램들이, 바람직하게는 멀티플렉싱에 의해 수득가능한, 특히 바람직하게는 각도 분할 멀티플렉싱 및/또는 파장 분할 멀티플렉싱에 의해 수득가능한 체적 홀로그램으로 이루어진 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 광 도파관(5)이 평행육면체인 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 광원(3, 4)이 가스 방전 램프, 바람직하게는, 저온 가스 방전 램프, 발광 다이오드, 바람직하게는 적색, 녹색, 청색, 황색 및/또는 백색 발광 다이오드 및/또는 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 광원(3, 4)이 평행육면체의 반대되는 두 표면에 배치된 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 홀로그래픽 광학 소자(6), 도파관(5) 및 디스플레이 패널(7)이 하기 순서 중 하나, 즉, 홀로그래픽 광학 소자(6), 광 도파관(5) 및 디스플레이 패널(7)의 순서, 또는 광 도파관(5), 홀로그래픽 광학 소자(6) 및 디스플레이 패널(7)의 순서로 배치된 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
  14. 제13항에 있어서, 홀로그래픽 광학 소자(6), 광 도파관(5) 및 디스플레이(7)가 서로 전면적으로 접속된 것을 특징으로 하는 무안경식 3D 디스플레이(1).
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