KR20130107953A - 영상 표시 장치 - Google Patents

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KR20130107953A
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KR
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lens
phase distribution
distribution function
display panel
function
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KR1020120030161A
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윤해영
김일주
송진오
정승준
김진환
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삼성디스플레이 주식회사
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    • G—PHYSICS
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    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
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Abstract

한 실시예에 따른 영상 표시 장치는 영상을 표시하는 표시판, 그리고 상기 표시판의 앞쪽에 위치하고 상기 표시판이 표시하는 영상을 3차원 영상으로 인지되도록 하는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 렌즈의 축에 평행하게 입사하여 상기 표시판을 통과하는 복수의 광선을 포함하는 입사광이 상기 표시판 상에서 보여 주는 선퍼짐 함수가 적어도 두 개의 정점을 가진다.

Description

영상 표시 장치{ DISPLAY DEVICE}
3차원 입체 영상을 나타내기 위하여 렌즈를 사용하는 영상 표시 장치에 관한 것이다.
최근에 표시 장치 기술의 발전에 따라서 3차원(3D)의 입체 영상 표시 장치가 관심을 끌고 있으며, 다양한 3차원 영상 표시 방법이 연구되고 있다.
입체 영상을 표시할 때는 좌우 양안 시차(binocular disparity)를 이용하는 것이 일반적이다. 입체를 볼 때 왼쪽 눈에 입사되는 영상과 오른쪽 눈에 입사되는 영상이 다르다는 사실에 착안하여 왼쪽 눈에 들어갈 영상(좌안 영상)과 오른쪽 눈에 들어갈 영상(우안 영상)을 따로 만들어서 각각 관찰자의 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 입사하도록 하는 것이다.
사용자가 안경과 같은 다른 도구를 사용하지 않고 입체 영상을 볼 수 있도록 하기 위해서, 장벽(barrier)이나 원통형 렌즈(cylindrical lens)의 일종인 렌티클 렌즈(lenticular lens)를 사용한다.
장벽을 사용하는 입체 영상 표시 장치는 장벽에 슬릿을 형성하고 이 슬릿을 통해 표시 장치로부터의 영상을 좌안 영상과 우안 영상으로 나누어 관찰자의 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 각각 들어가도록 한다.
렌즈를 사용하는 입체 영상 표시 장치는 좌안 영상과 우안 영상을 각각 표시하고 렌즈를 사용하여 영상의 광경로를 변경함으로써 좌안 영상 및 우안 영상으로 나눈다.
그러나 렌즈를 사용하는 경우에는 명시 거리와 시점 주기 등의 제한 조건과 공정 상의 한계로 인하여 초점 거리가 맞지 않아 영상이 흐리게 보일 수 있다.
본 발명의 목적은 3차원 영상 표시장치의 높은 화질을 제공하는 비구면 렌즈 형상의 영상 표시 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 입사광이 표시판 상에서 보여 주는 선퍼짐 함수가 적어도 두 개의 정점을 가지는 비구면 렌즈 형상의 영상 표시 장치를 제공함에 있다.
한 실시예에 따른 영상 표시 장치는 영상을 표시하는 표시판, 그리고 상기 표시판의 앞쪽에 위치하고 상기 표시판이 표시하는 영상을 3차원 영상으로 인지되도록 하는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 렌즈의 축에 평행하게 입사하여 상기 표시판을 통과하는 복수의 광선을 포함하는 입사광이 상기 표시판 상에서 보여 주는 선퍼짐 함수가 적어도 두 개의 정점을 가진다.
상기 적어도 두 개의 정점은 상기 렌즈의 중심에 대응하는 상기 표시판 상의 위치(앞으로 "원점"이라 함)를 기준으로 대칭을 이룰 수 있다.
상기 복수의 광선 중에서 상기 렌즈의 중심을 기준으로 가장 바깥 쪽 광선과 상기 렌즈의 중심을 통과하는 광선을 제외한 나머지 광선은 상기 원점 양쪽의 두 지점에 집속되어 상기 적어도 두 개의 정점을 이룰 수 있다.
상기 렌즈의 위상 분포 함수는 비구면이며, 상기 렌즈의 위상 분포 함수는 구면을 나타내는 제1 함수와 상기 제1 함수에 더해져서 상기 렌즈의 위상 분포 함수를 비구면으로 만들어 주는 제2 함수의 합으로 표현될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 정점의 크기는 상기 제1 함수만으로 표현되는 구면 위상 분포 함수에 의한 선퍼짐 함수의 최고값보다 2배 이상 클 수 있다.
상기 렌즈의 선퍼짐 함수의 반치 전폭은 상기 구면 위상 분포 함수에 의한 선퍼짐 함수의 반치 전폭보다 좁을 수 있다.
상기 렌즈는 복수의 프레넬 구역을 포함하는 프레넬 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈의 위상 분포 함수는 중심을 기준으로 좌우 대칭이고, 상기 렌즈 중심에서의 위상 분포 함수의 기울기는 0이고, 상기 렌즈 경계에서의 위상 분포 함수의 기울기는 상기 렌즈의 가장 바깥 쪽에 위치하는 프레넬 구역의 너비에 의해 결정되고, 상기 렌즈의 경계를 제외한 지점에서의 위상 분포 함수의 기울기는 상기 경계에서의 위상 분포 함수의 기울기보다 작으며, 상기 렌즈의 위상 분포 함수는 비용 함수의 최소화 방법을 통하여 결정될 수 있다.
상기 비용 함수는 가중 혼선 또는 혼선일 수 있다.
다른 실시예에 따른 영상 표시 장치는, 영상을 표시하는 표시판, 그리고 상기 표시판의 앞쪽에 위치하고 상기 표시판이 표시하는 영상을 3차원 영상으로 인지되도록 하며, 복수의 프레넬 구역을 포함하는 프레넬 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈의 위상 분포 함수는 중심을 기준으로 좌우 대칭이고, 상기 렌즈 중심에서의 위상 분포 함수의 기울기는 0이고, 상기 렌즈 경계에서의 위상 분포 함수의 기울기는 상기 렌즈의 가장 바깥 쪽에 위치하는 프레넬 구역의 너비에 의해 결정되고, 상기 렌즈의 경계를 제외한 지점에서의 위상 분포 함수의 기울기는 상기 경계에서의 위상 분포 함수의 기울기보다 작으며, 상기 렌즈의 위상 분포 함수는 가중 혼선 또는 혼선의 최소화 방법을 통하여 결정된다.
상기 위상 분포 함수는 이차 함수와 코사인 하모닉스의 합으로 주어지며, 상기 코사인 하모닉스의 각 항의 계수는 가중 혼선 또는 혼선을 최소화함으로써 결정될 수 있다.
상기 코사인 하모닉스의 항수는 5개 이상일 수 있다.
상기 프레넬 구역 중 적어도 하나는 0에서 2π 범위를 벗어나는 위상 변조 범위를 가질 수 있다.
상기 프레넬 구역 중 적어도 하나는 -δ-에서부터 약 2π+δ+ (-0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π, -0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π)까지의 위상 변조 범위를 가질 수 있다.
상기 프레넬 렌즈는, 서로 마주하는 제1 기판 및 제2 기판, 상기 제1 기판 위에 위치하며 일정한 간격으로 배치되어 있는 복수의 제1 전극, 상기 제2 기판 위에 위치하는 제2 전극, 그리고 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 개재되어 이는 액정층을 포함하며, 상기 프레넬 구역의 경계는 상기 제1 전극 사이에 위치할 수 있다.
다른 실시예에 따른 영상 표시 장치는, 영상을 표시하는 표시판, 그리고 상기 표시판의 영상을 3차원 영상으로 인지되도록 하며 복수의 프레넬 구역을 포함하는 프레넬 액정 렌즈를 포함한다. 상기 프레넬 구역 중 적어도 하나는 0에서 2π 범위를 벗어나는 위상 변조 범위를 가질 수 있다.
상기 프레넬 구역 중 적어도 하나는 -δ-에서부터 약 2π+δ+ (-0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π, -0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π)까지의 위상 변조 범위를 가질 수 있다.
상기 프레넬 렌즈는, 서로 마주하는 제1 기판 및 제2 기판, 상기 제1 기판 위에 위치하고 일정한 주기로 배치되어 있는 복수의 제1 전극, 상기 제2 기판 위에 위치하는 제2 전극, 그리고 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 개재되어 이는 액정층을 포함하며, 상기 프레넬 구역 사이의 경계는 상기 제1 전극들 사이에 위치한다.
본 발명은 3차원 영상 표시 장치 또는 2차원/3차원 변환 가능한 영상 표시 장치에 있어서, 상기 표시판의 앞쪽에 위치하고 상기 표시판이 표시하는 영상을 3차원 영상으로 인지되도록 하는 렌즈를 포함하여, 상기 렌즈가 상기 렌즈의 축에 평행하게 입사하여 상기 표시판을 통과하는 복수의 광선을 상기 표시판 상에서 보여 주는 선퍼짐 함수가 적어도 두 개의 정점을 가지게 함으로써 고화질의 선명한 3차원 영상을 얻을 수 있는 영상 표시장치를 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 영상 표시 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 영상 표시 장치에서 렌즈의 위상 분포 및 평행광의 진행 경로를 나타낸 도면이다.
도 2는 비교예에 따른 영상 표시 장치에서 렌즈의 위상 분포 및 평행광의 진행 경로를 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 및 비교예에서 평행광의 표시판 상에서의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 영상 표시 장치용 렌즈의 위상 분포 함수를 나타낸 그래프이다.
도 6은 한 실시예에 따른 영상 표시 장치용 액정 렌즈의 개략적인 단면도이다.
도 7은 한 실시예에 따라 구한 원 위상 분포 함수의 한 예를 도시한 그래프이다.
도 8은 한 실시예에 따라 접힌 위상 분포 함수를 구하는 방법을 개략적으로 보여 주는 그래프이다.
도 9은 한 실시예에 따른 원 위상 분포 함수를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 9에 도시한 원 위상 분포 함수에서 점선으로 둘러싸인 X 부분에 대응하는 접힌 위상 분포 함수의 그래프이다.
도 11은 도 10에서 점선으로 둘러싸인 XI 부분을 확대하여 도시한 그래프이다.
도 12는 한 실시예에 따른 액정 렌즈의 전압-위상 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 13은 각각의 조절 전극에 해당하는 위치의 위상 분포와 조절 전극에 인가되는 초기 전압을 나타낸 그래프이다.
도 14는 도 13에서 점선으로 둘러싸인 XIV 부분을 확대하여 도시한 그래프이다.
도 15는 각각의 조절 전극에 인가되는 최종 전압을 나타낸 그래프이다.
도 16, 도 17, 도 18, 도 19 및 도 20은 각각 실험예 및 비교예에 따른 영상 표시 장치의 원 위상 분포 함수, 원 위상 분포 함수의 기울기, 선퍼짐 함수(line spread function), 단시점 상대 휘도 분포(single view profile, SVP) 함수 및 다시점 상대 휘도 분포(multi view profile, MVP)를 도시한 그래프이다.
도 21은 한 실험예 및 비교예에 따른 영상 표시 장치에서 광전파 모의 실험 사진이다.
도 22, 도 23, 도 24, 도 25 및 도 26은 각각 실험예 및 비교예에 따른 영상 표시 장치의 원 위상 분포 함수, 원 위상 분포 함수의 기울기, 선퍼짐 함수, 단시점 상대 휘도 분포 및 다시점 상대 휘도 분포를 도시한 그래프이다.
도 27은 다른 실험예 및 비교예에 따른 영상 표시 장치에서 광전파 모의 실험 사진이다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
먼저 도 1 내지 도 4를 참고하여 한 실시예에 따른 영상 표시 장치에 대하여 상세하게 설명한다. 한 실시예에 따른 영상 표시 장치는 3차원 영상 표시 장치 또는 2차원/3차원 전환 가능한 영상 표시 장치일 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 영상 표시 장치의 개략적인 단면도이고, 도 2는 한 실시예에 따른 영상 표시 장치에서 렌즈의 위상 분포 및 평행광의 진행 경로를 나타낸 도면이고, 도 2는 비교예에 따른 영상 표시 장치에서 렌즈의 위상 분포 및 평행광의 진행 경로를 나타낸 도면이며, 도 4는 실시예 및 비교예에서 평행광의 표시판 상에서의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 영상 표시 장치(100)는 영상을 표시하는 표시판(10) 및 표시판(10)의 전면(前面) 앞에 위치하는 렌즈판(20)을 포함한다.
표시판(10)은 액정 표시 장치(liquid crystal display, LCD), 유기 발광 표시 장치(organic light emitting display, OELD), 플라스마 표시 장치(plasma display panel, PDP) 등과 같은 평판 표시 장치일 수 있다. 표시판(10)은 행렬 형태로 배열되어 있으며 영상을 표시하는 복수의 화소(12)를 포함할 수 있다. 표시판(10)은 우안용 영상, 좌안용 영상 등 여러 시역에 해당하는 영상을 공간 또는 시간 분할 방식으로 교대로 표시할 수 있다. 예를 들어, 표시판(10)은 우안용 영상과 좌안용 영상을 한 열의 화소(12)마다 번갈아 표시할 수 있다. 표시판(10)은 때에 따라서는 2차원 영상도 표시할 수 있다.
렌즈판(20)은 복수의 렌즈(22)를 포함하며 표시판(10)이 표시하는 3차원 영상을 사용자가 3차원 영상으로서 인지되도록 한다. 예를 들면, 렌즈판(20)은 표시판(10)에서 표시된 영상의 시역을 빛의 회절 현상을 이용하여 분리할 수 있다. 즉, 렌즈판(20)은 표시판(10)의 영상을 빛의 회절 현상을 이용하여 굴절시켜 해당하는 시역에 상이 맺히도록 한다.
표시판(10)과 렌즈판(20) 사이의 거리(D1)는 표시판(10)과 렌즈판(20) 사이에 존재하는 매질의 굴절률(n), 명시 거리(optimum viewing distance, OVD)(D2), 시점 주기(interpupilary distance, IPD)(L2), 화소 주기(L1) 등에 의하여 결정되는데, 예를 들면, 다음 관계가 충족될 수 있다.
D1 = nD2/(L2/L1).
여기에서 시점 주기(L2)란 인간의 두 눈 사이의 거리, 정확하게는 두 동공 중심 사이의 거리를 뜻하며, 성인의 경우 통상 약 54 mm 내지 약 66 mm이다. 명시 거리(D2)는 사용자가 영상을 명확하게 볼 수 있을 때의 사용자와 영상 표시 장치(100) 사이의 거리를 의미하며 영상 표시 장치(100)가 설치되는 공간이나 사용자들의 시청 습관이나 등을 고려하여 일정 범위로 정해질 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에서 각각의 렌즈(22)는 입사광에 대하여 비구면 위상 분포(Φ1)를 주며, 이러한 위상 분포(Φ1)는 렌즈(22)의 중심을 기준으로 실질적으로 대칭일 수 있다.
렌즈(22)의 축에 실질적으로 평행하게 입사하는 복수의 광선(ray)(31-39)으로 이루어진 평행광(collimated light)(30)을 고려하자. 렌즈(22)가 입사광(30)에 주는 위상 분포(Φ1)에 의하여 광선(31-39)들은 렌즈(22) 상의 위치에 따라 다른 각도로 굴절되어 표시판(10)을 향한다. 본 실시예에 따르면, 렌즈(22)를 통과한 광선(31-39)들은 표시판(10) 상의 적어도 두 지점(13, 14) 부근에서 높은 밀도로 집속된다.
렌즈(22)의 위상 분포(Φ)가 렌즈(22)의 중심을 기준으로 실질적으로 대칭인 경우, 도 2에서처럼 상하 방향을 x축이라 하고 렌즈(22) 중심에 대응하는 위치를 원점(0)으로 놓을 때, 광선(31-39)의 집속 밀도가 높은 두 지점(13, 14)은 원점에 대하여 대칭인 위치일 수 있다. 구체적으로는 가장 바깥 쪽 광선(38, 39)과 중심 광선(31)을 제외한 광선(32-37)들이 양쪽으로 나뉘어 표시판(10) 상에 집속될 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 실시예와 대비될 수 있는 비교예의 경우 비구면 위상 분포(Φ1)가 아니라 구면 위상 분포(Φ2)를 주는 렌즈(24)가 구비되어 있다. 비교 예에서는 렌즈(24)를 통과하는 평행광(30)의 광선(31-39)들이 표시판(10) 뒤쪽의 한 지점(또는 초점)(19)에 집속되며, 표시판(10) 상에서는 원점을 중심으로 대칭인 두 지점(15, 16) 사이에서 상대적으로 고르게 퍼져 있다. 비교예의 두 지점(15, 16) 사이의 거리는 본 실시예의 피크가 위치하는 두 지점(13, 14) 사이의 거리보다 크다.
표시판(10) 상의 빛의 세기를 나타낸 한 예인 도 4를 참고하면, 구면 위상 분포를 가지는 비교예의 경우에는, 본 실시예에서와 실질적으로 동일한 입사광에 대해서 표시판(10) 원점 근처의 두 지점(15, 16) 사이에서 대체적으로 반원형인 완만한 하나의 포락선(envelope)이 나타난다.
이에 반하여 본 실시예의 경우에는 표시판(10) 원점 근처의 두 지점(13, 14) 부근에 날카로운 한 쌍의 정점(peak)이 나타나는 것을 볼 수 있다. 두 정점은 원점을 중심으로 실질적으로 대칭일 수 있으며, 정점에서의 빛의 세기는 비교 예에서의 빛의 최고 세기에 비하여 2배 이상 높을 수 있다. 또한, 정점 값의 약 1/2인 값을 가지는 지점 사이의 최대 거리(앞으로 "반치 전폭(full width at half maximum)"이라고 함)는 실시예의 경우가 비교예에 비하여 매우 짧다. 일반적으로 단일 피크를 가지는 함수의 경우에는 정점 값의 약 1/2인 값을 가지는 지점 사이의 거리가 반치 전폭으로 정의되지만, 여러 개의 피크를 가지는 경우에는 정점 값의 약 1/2인 값을 가지는 지점이 4 개 이상 나올 수 있으므로, 여기에서는 이 지점들 중에서 가장 멀리 떨어진 지점 사이의 거리를 반치 전폭으로 정의한다.
따라서 본 실시예의 경우가 비교예에 비하여 표시판(10) 상에서의 평행 입사광의 집속도가 높고, 이에 따라 표시판(10)에서 나오는 빛을 사용자가 좀더 명확하게 인식할 수 있다.
그런데 구면 위상 분포(Φ2)를 주는 렌즈(24)를 적용하는 경우 렌즈(24)의 곡률 반경을 작게 하여 렌즈(24)의 초점(19)을 앞으로 당겨줌으로써 초점(19)이 표시판(10) 상에 위치하도록 할 수 있다. 그러나 이와 같이 하는 경우 빛의 산란이 커지는 등 광학적인 문제가 발생할 수 있으며 공정이나 재료의 한계 등으로 인하여 렌즈(24)의 구현이 어려울 수 있다.
다음 도 5 및 도 6을 참고하여 다른 실시예에 따른 영상 표시 장치용 렌즈에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5는 다른 실시예에 따른 영상 표시 장치용 렌즈의 위상 분포 함수를 나타낸 그래프이고, 도 6은 한 실시예에 따른 영상 표시 장치용 액정 렌즈의 개략적인 단면도이다.
도 5를 참고하면 본 실시예의 렌즈(26)는 프레넬 구역(Fresnel zone)이라는 복수의 구역(Z0, Z1, Z2)으로 나뉜 프레넬(Fresnel) 렌즈이며, 각각의 구역(Z0, Z1, Z2)은 위치에 따라 입사광에 대하여 약 0에서 약 2π까지의 위상 분포를 줄 수 있다. 프레넬 렌즈(26)가 주는 위상 분포를 나타내는 함수는 구역(Z0, Z1, Z2)의 경계에서 꺾인 형태를 가질 수 있으며, 앞으로 이를 "접힌 위상 분포 함수(wrapped phase distribution function)"[Ψ(x)]라 한다. 접힌 위상 분포 함수(Ψ)의 값에 2nπ (n은 자연수)를 더하면 대체로 매끈한(smooth) 함수를 얻을 수 있는데, 이를 앞으로 "원 위상 분포 함수(original phase distribution function)"[Φ(x)]라 한다.
이러한 원 위상 분포 함수(Φ)와 접힌 위상 분포 함수(Ψ)가 입사광에 주는 위상 변화는 물리적인 의미에서 실질적으로 동일하기 때문에, 특별히 둘을 구별할 필요가 없는 경우에는 그냥 위상 분포 함수라고 기재한다.
프레넬 렌즈(26)의 예로는 액정 렌즈를 들 수 있다.
도 6을 참고하면, 한 실시예에 따른 렌즈판(40)은 액정 물질을 사용한 액정 렌즈판일 수 있다. 액정 렌즈판(40)은 예를 들어 서로 마주하는 하부 기판(또는 제1 기판)(41) 및 상부 기판(또는 제2 기판)(42)을 포함한다. 하부 및 상부 기판(41, 42)의 서로 마주 보는 면을 "내면"이라 하고 그 반대 쪽 면을 "외면"이라 하면, 하부 기판(41)의 내면 위에는 복수의 조절 전극(또는 제1 전극)(43)이 위치하고 상부 기판(42)의 내면 위에는 공통 전극(또는 제2 전극)(44)이 위치한다. 조절 전극(43) 및 하부 기판(41)의 노출된 표면 위에는 하부 배향막(또는 제1 배향막)(45)이 위치하고, 공통 전극(44) 위에는 상부 배향막(또는 제2 배향막)(46)이 위치한다. 하부 배향막(45)과 상부 배향막(46)의 사이에는 액정층(47)이 위치한다.
하부 및 상부 기판(41, 42)은 유리, 플라스틱 등의 투명 절연 물질을 포함할 수 있으며, 조절 전극(43) 및 공통 전극(44)은 ITO(indium tin oxide) 또는 IZO(indium zinc oxide) 등의 투명한 도전 물질을 포함할 수 있다. 액정층(47)은 양 또는 음의 굴절률 이방성을 가질 수 있으며 수평 배향 또는 수직 배향 등 다양한 배향 상태를 가질 수 있다.
조절 전극(43)과 공통 전극(44)은 외부에서 전압을 인가 받으며, 액정층(47)의 액정 분자(48)들의 배열 방향은 조절 전극(43)과 공통 전극(44)의 전위 차로 인하여 형성된 전기장에 따라 결정될 수 있다. 액정 분자(48)들의 배열이 달라지면 액정층(47)의 굴절률 이방성이 달라질 수 있고 굴절률 이방성이 달라지면 입사광의 위상이 달라질 수 있으므로, 조절 전극(43)에 인가하는 전압의 크기를 조절함으로써 원하는 위상 분포를 얻을 수 있다.
이러한 액정 렌즈판(40)은 복수의 프레넬 렌즈(49)가 연속해서 배열된 형태이며, 하나의 프레넬 렌즈(49)에는 복수, 예를 들면 5개 이상의 조절 전극(43)이 포함될 수 있다. 여기에서 하나의 프레넬 렌즈(49)에 포함되는 조절 전극(43)의 수효를 셀 때는 조절 전극(43) 전체가 아니라 일부만 포함되는 경우에도 하나로 간주한다.
배향막(45, 46)은 액정 분자(48)를 원하는 방향으로 배열시키는 데 도움을 주는 것이며, 때에 따라서는 생략할 수도 있다.
그러면, 한 실시예에 따라 위상 분포 함수를 구하는 방법의 예에 대하여 도 7과 앞서의 도 5 및 도 6을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 7은 한 실시예에 따라 구한 위상 분포 함수의 한 예를 도시한 그래프이다.
한 실시예에 따르면, 소정의 조건을 충족하는 원 위상 분포 함수를 구한 후, 원 위상 분포 함수(Φ)를 소정의 조건에 따라 2nπ만큼 빼서 접힌 위상 분포 함수(Ψ)를 구할 수 있다.
먼저, 원 위상 분포 함수(Φ)는 다음 조건들을 충족한다. 여기에서, x는 렌즈(26)의 중심을 원점으로 하는 좌표이고, -pl/2 ≤ x < +pl/2 (pl은 렌즈 주기)이다.
첫째, 원 위상 분포 함수(Φ)가 렌즈(26)의 중심을 기준으로 좌우 대칭이다. 즉,
Figure pat00001
.
둘째, 렌즈(26) 중심에서의 원 위상 분포 함수(Φ)의 기울기는 약 0이다. 즉,
Figure pat00002
.
단, .
셋째, 렌즈(26) 경계에서의 원 위상 분포 함수(Φ)의 기울기는 최소 구역 너비에 의하여 결정된다. 즉,
Figure pat00004
.
단, wz는 최소 구역 너비를 나타낸다.
넷째, 모든 점에서 원 위상 분포 함수(Φ)의 기울기는 렌즈(26) 경계에서의 기울기 이하이다. 즉,
Figure pat00005
.
여기에서 최소 구역 너비는 각각의 프레넬 구역(Z0, Z1, Z2)이 가질 수 있는 최소 너비를 의미하는 것으로서, 각각의 프레넬 구역(Z0, Z1, Z2)은 적어도 이 최소 구역 너비보다는 넓으며, 가장 바깥 쪽의 프레넬 구역(Z2)의 너비는 예를 들면 최소 구역 너비와 같을 수 있다.
최소 구역 너비는 렌즈(26)의 제작 조건에 의해서 결정될 수 있다. 예를 들어 렌즈(26)가 액정 렌즈(49)인 도 6를 참고하면, 액정층(47)의 굴절률을 변화시키기 위한 조절 전극(43)의 너비가 기술적인 한계 때문에 일정 값 이상일 수 있으며 이에 따라 각 프레넬 구역(Z0, Z1, Z2)의 너비가 제한될 수 있다.
이러한 조건들을 충족하는 함수의 예로 이차함수와 코사인 하모닉스(cosine harmonics)를 조합한 함수를 취할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00006
.
여기에서, 첫 번째 항인 이차함수는 실질적으로 기존의 구면 분포에 사용되는 항이며, 뒤의 항들은 이러한 이차함수를 변형시켜 비구면으로 만들어 주는 항들이다.
예를 들어 M=3이라고 하자. 도 7을 참고하면, wzpl=1.0761498×10-8 (m2), a1=1, a2=2/3, a3=1/2로 하였을 때, [수학식 1]의 첫 번째 항인 이차함수를 나타내는 곡선(C0)과 m=1, 2, 3인 항들을 각각 나타내는 곡선들(C1, C2, C3)을 합하면 곡선(C4)이 된다. 최종 곡선(C4)은 초기 곡선(C0)에 비하여 중심 부근에서 기울기가 급해지는 것으로 나타난다.
여기에서 계수 am은 표시판(10) 면에서의 비용 함수, 예를 들어 "혼선(crosstalk)" 또는 "가중 혼선"을 최소화함으로써 결정될 수 있다.
어떤 시점에서의 "혼선"은 잡음 영상 세기의 총합을 신호 영상 세기로 나눈 값으로 정의하고, "가중 혼선"은 잡음 영상의 세기에 가중치를 곱한 값을 모두 더하고 이를 신호 영상 세기로 나눈 값으로 정의할 수 있다. 이때 가중치는 대체로 거리가 멀수록 높아질 수 있다.
최소화 방법으로는 비선형 최적화, 예를 들어 Nealder-Mead method 등을 이용할 수 있다. 상용화된 툴로는 Matlab의 Nealder-Mead Simlex Method 등이 있다.
구체적인 예를 들면, 먼저 계수의 차수, 즉 M을 결정한다. 그런 다음, a1부터 aM까지의 값을 임의로 정하고 이를 초기값으로 하여 Nealder-Mead Simlex Method를 사용하여 혼선 또는 가중 혼선을 최소화함으로써 a1부터 aM까지의 값을 구한다.
계수를 구하는 시간을 줄이기 위해서는 다음과 같은 방법을 Nealder-Mead Simlex Method에 사용되는 초기값을 구할 수 있다.
먼저, 각 계수(a1-aM)에 대하여 소정의 범위를 정하고 그 범위에서 일정한 간격으로 값을 추출한다. 이렇게 추출한 값을 격자점 값이라 한다. 예를 들어 a1에 대하여 -1 내지 1의 범위를 정하고 0.4의 간격으로 값을 추출해 내면, -1, -0.6, -0.2, +0.2, +6, 1, 이렇게 6개의 값을 얻을 수 있으며 이들이 a1에 대한 격자점 값이 된다.
최저차항의 계수, 즉 a1을 제외한 나머지 계수들을 0으로 놓고 추출한 격자점 값들을 하나씩 넣어 가중 혼선을 계산하고, 가중 혼선을 가장 작게 만드는 격자점 값(앞으로 "최소 격자점 값"이라 함)(a10)을 찾아 낸다.
이어, a1을 최소 격자점 값으로 놓고, a3부터 aM까지는 0으로 놓은 다음, a2에 대한 격자점 값들을 하나씩 넣어 가중 혼선을 계산함으로써 a2에 대한 최소 격자점 값(a20)을 찾아 낸다.
이러한 방법으로, am(m=3, ..., M-1) 대해서는 a1 내지 am -1을 각각 a1 내지 am -1에 대한 최소 격자점 값으로 놓고, am +1 내지 aM까지는 0으로 놓은 다음, am에 대한 격자점 값들을 하나씩 넣어 가중 혼선을 계산함으로써 am에 대한 최소 격자점 값(am0))을 찾아 낸다.
이어, a1부터 aM -1까지를 최소 격자점 값으로 놓고, aM에 대한 격자점 값들을 하나씩 넣어 가중 혼선을 계산함으로써 aM에 대한 최소 격자점 값(aM0)을 찾아 낸다.
이렇게 구한 계수(a1-aM)의 최소 격자점 값으로 이루어진 계수 벡터(a10, ..., aM0)와 그 근방의 벡터들에 대해서 다시 가중 혼선을 계산해 보고 가중 혼선을 가장 작게 만드는 최소 계수 벡터를 찾아낸다. 여기에서 근방의 벡터들은 난수를 발생시키는 방법으로 얻을 수 있다.
이러한 최소 계수 벡터를 초기값으로 하여 Nealder-Mead Simlex Method를 적용하면 임의의 값을 초기값으로 하는 경우보다 좀더 빠른 시간 내에 최소화를 수행할 수 있다.
다음, 원 위상 분포 함수(Φ)를 변형하여 접힌 위상 분포 함수(Ψ)를 구하는 방법의 예에 대하여 도 8 및 앞서의 도 6를 참고하여 상세하게 설명한다.
도 8은 한 실시예에 따라 접힌 위상 분포 함수를 구하는 방법을 개략적으로 보여 주는 그래프이다.
도 8을 참고하면, 원 위상 분포 함수(Φ)의 값이 2π 이상이면 2nπ를 빼서 접힌 위상 분포 함수(Ψ)의 값이 0 이상 2π 미만, 즉 0 ≤ Ψ(x) < 2π가 되도록 한다. 원 위상 분포 함수(Φ)는 연속 함수이고 x=0인 지점까지는 점차 증가하다가 중심, 즉 x=0인 지점을 지나면 점차 감소하므로, 도 8에 도시한 예와 같이 접힌 위상 분포 함수(Ψo)는 원 위상 분포 함수(Φ)가 2nπ인 지점에서 갑자기 0이 되어 꺾인 곡선이 된다. 상세하게 설명하자면, 접힌 위상 분포 함수(Ψo)는 x<0이면 원 위상 분포 함수(Φ)가 2nπ인 지점에서 갑자기 0이 되었다가 다시 점차 증가하고, x>0이면 접힌 위상 분포 함수(Ψo)는 점차 감소하다가 원 위상 분포 함수(Φ)가 2nπ인 지점에서 0이 되고 그 직후에 갑자기 커져서 2π에 근접하게 되었다가 다시 점차 감소한다.
이와 같이 하면 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같은 프레넬 구역(Zoi)(i=1, 2)을 얻을 수 있는데, 프레넬 구역(Zoi)의 경계에서 접힌 위상 분포 함수(Ψo)가 0이며, 프레넬 구역(Zoi)이 변조하는 위상의 범위는 0 이상 2π 미만이 된다.
도 6에 도시한 액정 렌즈판(40)에서 이러한 접힌 위상 분포 함수(Ψo)를 얻기 위해서는 조절 전극(43)의 너비와 간격, 그리고 조절 전극(43)에 인가하는 전압 등을 조절할 수 있다. 조절 전극(43)의 너비는 기술적인 한계 내에서 최소로 고정시키는 것이 미세한 수준까지 원하는 위상 분포를 얻는 데 도움이 될 것이다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 조절 전극(43)의 너비도 변화시킬 수 있다.
그러나 이와 같이 조절 전극(43) 사이의 간격 등을 조절하는 것은 렌즈의 제조 공정을 복잡하게 만들 수 있다. 특히 프레넬 구역(Zoi)의 경계가 조절 전극(43) 상에 위치하는 경우 위상 분포가 왜곡될 가능성이 있기 때문에 이를 피하여 조절 전극(43)의 위치를 정하는 것도 번거로운 작업이다. 즉, 조절 전극(43) 위에서는 전기장이 연속적으로 변화하고 이에 따라 위상 분포 또한 연속적으로 변화하므로 위상 분포가 급격하게 변화하는 구역 경계를 조절 전극(43) 위에 설정하기가 어렵다. 따라서 프레넬 구역(Zoi)의 경계가 조절 전극(43) 위에 오지 않도록 조절 전극(43)의 위치를 조절할 필요가 있으며 이에 따라 조절 전극(43)에 인가하는 전압도 조절해야 하는 등 작업이 번거롭다.
따라서 조절 전극(43)의 간격(d)은 일정하게 정해 두고 프레넬 구역의 경계를 조절하는 방법을 고려할 수 있다.
다시 도 8을 참고하면, 앞에서 정한 프레넬 구역(Zoi)의 경계가 일정한 거리(d)로 배열된 조절 전극(43) 상에 있으면, 소정의 양만큼 왼쪽 또는 오른쪽으로 경계를 이동하여 새로운 프레넬 구역(Zri)(i=1,2)을 정할 수 있다. 이때, 경계의 이동 거리는 각 프레넬 구역(Zri)이 변조하는 위상의 범위가 약 -δ-에서부터 약 2π+δ+ (-0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π, -0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π)까지가 되도록 할 수 있다. 이때 인접한 프레넬 구역(Zri) 사이의 위상 변조량의 차이는 구역 경계에서 2π를 유지할 수 있다.
예를 들어 도 8에서 프레넬 구역(Zr1)의 위상 변조 범위는 약 -δ2에서부터 약 2π+δ1까지이고, 프레넬 구역(Zr2)의 위상 변조 범위는 약 0에서 약 2π+δ2까지이다. δ1과 δ2는 약 -0.3×2π 내지 +0.3×2π의 범위에 속할 수 있다.
도 8에 도시한 위상 분포 함수(Ψo, Ψr), 프레넬 구역(Zoi, Zri), 조절 전극(43)의 수효 및 배치 등은 위상 분포 함수를 구하는 방법을 설명하기 위한 것일 뿐 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 조절 전극(43)은 하나의 프레넬 구역(Zri) 당 2개 이상일 수 있으며, 프레넬 구역(Zri)의 너비는 조절 전극(43) 너비의 정수배로 할 수 있다.
그러면, 도 9 내지 도 15를 참고하여 프레넬 액정 렌즈의 위상 분포를 결정하는 방법의 한 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 9은 한 실시예에 따른 원 위상 분포 함수를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 9에 도시한 원 위상 분포 함수에서 점선으로 둘러싸인 X 부분에 대응하는 접힌 위상 분포 함수의 그래프이고, 도 11은 도 10에서 점선으로 둘러싸인 XI 부분을 확대하여 도시한 그래프이고, 도 12는 한 실시예에 따른 액정 렌즈의 전압-위상 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 13은 각각의 조절 전극에 해당하는 위치의 위상 분포와 조절 전극에 인가되는 초기 전압을 나타낸 그래프이고, 도 14는 도 13에서 점선으로 둘러싸인 XIV 부분을 확대하여 도시한 그래프이며, 도 15는 각각의 조절 전극에 인가되는 최종 전압을 나타낸 그래프이다.
대략 도 6에 도시한 것과 같은 액정 렌즈(40)를 제작하였으며, 조절 전극(43)의 너비는 약 1.5 μm, 주기를 약 3 μm로 설정하였다. 원 위상 분포 함수를 구하는 [수학식 1]에서 M=3, wzpl= 1.031328×10-7 (m2)로 하여 가중 혼선 최소화 과정을 거친 결과, a1= 9.2236, a2= -2.7754, a3= 8.1259 x 10-7인 원 위상 분포 함수를 구하였다. 도 9에 원 위상 분포 함수가 도시되어 있다.
이어 도 10과 같은 접힌 위상 분포 함수를 구하였다. 도 11의 확대도를 참고하면, 프레넬 구역의 너비(W)는 조절 전극(43) 피치의 정수배가 되도록 하였다.
제작한 액정 렌즈(40)는 대략 도 12에 나타나 있는 전압-위상 관계를 나타내는 것으로 확인되었고, 이에 기초하여 도 13에 나타나 있는 바와 같이 각 조절 전극(43)에 인가할 초기 전압을 결정하였다. 도 13 및 도 14에서 곡선은 위상 분포 함수를 나타내는데, 각 조절 전극(43) 위에서의 위상을 찾아 점으로 표시하고 이에 해당하는 전압을 도 12에서 찾아 막대로 표시하였다.
액정 렌즈(40)에 초기 전압을 인가한 다음, 표시판(10)에 영상을 표시하면서 실제 가중 혼선을 측정하였다. 각 조절 전극(43)에 인가되는 전압의 크기를 조금씩 변화시켜 가면서 실제 가중 혼선을 측정하고, 가중 혼선을 최소화하는 전압 값을 찾아 도 15에 도시한 것과 같이 최종 전압을 결정하였다. 이러한 전압 조정 작업을 거치는 이유는 공정 상의 문제 등으로 인하여 액정 렌즈(40)의 실제 구조가 원 위상 분포 함수를 구할 때 가정했던 액정 렌즈(40)의 구조와 다를 수도 있고, 도 12에 도시한 전압-위상 곡선이 실제 액정 렌즈(40)와 다소 차이가 있을 수 있기 때문이다. 예를 들어, 실제 액정 렌즈(40)의 경우 위치(x)에 따라 전압-위상 관계가 달라질 수 있는데 도 12는 전압-위상의 위치 의존성을 고려하지 않은 것일 수 있다. 따라서 이러한 전압 조정 전압을 통하여 더욱 우수한 특성을 가지는 액정 렌즈(40)를 얻을 수 있다.
그러면, 도 16 내지 도 21을 참고하여 한 실험예와 비교예에 따른 영상 표시 장치에 대하여 설명한다.
본 실험예 및 비교예는 도 1과 같은 구조의 영상 표시 장치로서 도 5 및 도 6과 같은 프레넬 렌즈를 포함하는 액정 렌즈판(40)을 렌즈판(20)으로 적용한 것이다. 명시 거리(D2)는 약 3.5 m, 시점 주기는 약 65.0 mm, 렌즈(49)의 주기는 약 1.14600 mm로 하고, 액정 렌즈판(40)의 조절 전극(43)의 너비는 약 1.5 μm, 주기는 약 3 μm로 하였으며, 가장 바깥 쪽 프레넬 구역의 너비는 약 8.25 μm, 바깥에서 두 번째 프레넬 구역의 너비는 약 9.0 μm로 설정하였다.
본 실험예의 경우 액정 렌즈판(40)의 원 위상 분포 함수(Φ)는 계수(am)를 5차항까지 최적화하였다. 각 계수는 대략 다음 [표 1]과 같다.
계수 값 단위
wzpl 1 1.0761498×10-8 m2
a1 9.2307 -
a2 -2.8114 -
a3 9.9597×10-11 -
a4 -0.6899 -
a5 3.8016×10-11 -
비교예의 경우 다른 조건은 모두 동일하나 원 위상 분포 함수를 이차함수만으로, 즉 모든 계수(am)을 0으로 설정하였다. 실험예와 비교예의 원 위상 분포 함수의 최대 기울기는 약 0.761이었다.
혼선의 경우 실험예가 약 1.067로 비교예의 약 1.419에 비하여 매우 낮았으며, 가중 혼선의 경우에도 실험예가 약 0.249로 비교예의 약 0.279에 비하여 낮았다.
도 16, 도 17, 도 18, 도 19 및 도 20은 각각 실험예 및 비교예에 따른 영상 표시 장치의 원 위상 분포 함수, 원 위상 분포 함수의 기울기, 선퍼짐 함수(line spread function), 단시점 상대 휘도 분포(single view profile, SVP) 함수 및 다시점 상대 휘도 분포(multi view profile, MVP)를 도시한 그래프이고, 도 21은 한 실험예 및 비교예에 따른 영상 표시 장치에서 광전파 모의 실험 사진이다.
여기에서 선퍼짐 함수란 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 평행광을 액정 렌즈(22, 24)에 입사시킨 후 표시판(10) 상에서 측정한 빛의 상대 세기를 나타내고, 단시점 상대 휘도 분포는 하나의 화소(12)만을 켰을 때 해당 화소의 전면에 위치한 시점을 원점으로 하는 시야각에 따른 빛의 상대 휘도를 나타내며, 다시점 상대 휘도 분포는 각 시점에서의 그 시점에 해당하는 영상의 시야각에 따른 휘도 분포를 나타낸다. 도 18, 도 19 및 도 20에 도시한 선퍼짐 함수, 단시점 상대 휘도 분포 및 다시점 상대 휘도 분포는 규격화된(normalized) 값으로 나타내었다. 도 18에서 세로축의 단위는 105/mm이고, 도 19에서 세로축의 단위는 8980/°이다.
도 16을 참고하면, 본 실험예에 따른 표시 장치의 원 위상 분포 함수가 렌즈(49)의 중심으로 갈수록 비교예에 비하여 값이 커짐을 알 수 있다.
도 17을 참고하면, 본 실험예에 따른 원 위상 분포 함수의 기울기는 렌즈(49) 중심으로부터 약 0.13 mm 위치까지는 비교예보다 값이 작지만 그로부터 렌즈(49)의 경계까지는 비교예에 비하여 값이 큼을 알 수 있다.
도 18을 참고하면, 본 실험예에 따른 선퍼짐 함수는 표시판(10)의 원점, 즉 렌즈(49)의 중심에 대응하는 위치 부근에 두 개의 날카로운 정점이 나타나며, 비교예의 선퍼짐 함수는 표시판(10)의 원점 부근에서 대체로 사각형인 완만한 포락선이 나타난다. 실시예의 정점에서의 함수값은 비교예의 최고값에 비하여 약 2배 이상이고, 표준 편차는 실험예의 경우가 약 0.206로서 약 0.201인 비교예에 비하여 크며, 반치 전폭은 실험예의 경우가 비교예에 비하여 매우 좁다.
도 19 및 도 20을 참고하면, 단시점 상대 휘도 분포 및 다시점 상대 휘도 분포는 본 실험예의 경우가 비교예의 경우에 비하여 정점값이 높고 반치 전폭이 좁다. 도 19의 단시점 상대 휘도 분포에서 실시예의 표준 편차는 약 2.314로서 비교예의 표준 편차인 약 2.276보다 큰 값을 나타내었다.
도 21은 도 3 및 도 2에 도시한 바와 같이 액정 렌즈(22, 24)에 입사된 평행광의 전파 경로를 보여주는 모의 실험 사진이다. 사진의 오른쪽에 있는 두 개의 세로줄은 표시판(10)의 좌우 경계를 나타내며, 위쪽은 비교예의 경우이고 아래쪽은 실험예의 경우이다. 비교예의 경우에는 표시판(10)의 뒤쪽에서 광선들이 집속하고 표시판(10) 상에서는 상대적으로 긴 거리에 걸쳐 광선들이 비교적 고르게 펼쳐진다. 본 실험예의 경우에는 표시판(10) 상에서 상대적으로 거리가 가까운 두 지점에서 각각 광선들이 집속되며, 표시판(10)의 뒤쪽에서 더 가까이 모였다가 다시 퍼져 나간다.
이와 같이 본 실험예에 따르면 비교예에 비하여 선명한 영상을 얻을 수 있다.
다음, 도 22 내지 도 27을 참고하여 다른 실험예와 비교예에 따른 영상 표시 장치에 대하여 설명한다.
본 실험예 및 비교예는 도 1과 같은 구조의 영상 표시 장치로서 도 5 및 도 6과 같은 프레넬 렌즈를 포함하는 액정 렌즈판(40)을 렌즈판(20)으로 적용한 것이다. 명시 거리(D2)는 약 3.5 m, 시점 주기는 약 65.0 mm, 렌즈(49)의 주기는 약 1.14600 mm로 하고, 액정 렌즈판(40)의 조절 전극(43)의 너비는 약 1.5 μm, 주기는 약 3 μm로 하였으며, 가장 바깥 쪽 프레넬 구역의 너비는 약 8.25 μm, 바깥에서 두 번째 프레넬 구역의 너비는 약 9.0 μm로 설정하였다.
본 실험예의 경우 액정 렌즈판(40)의 원 위상 분포 함수(Φ)는 계수(am)를 9차항까지 최적화하였다. 각 계수는 대략 다음 [표 2]와 같다.
계수 값 단위
wzpl 1.031414572650600×10-8 m2
a1 11.3247808928439 -
a2 -3.06027770690116 -
a3 -8.20642654489219×10-11 -
a4 -0.677307456625128 -
a5 -3.54659984842954×10-12 -
a6 2.97773096581639×10-14 -
a7 2.83219254243165×10-13 -
a8 0 -
a9 0 -
비교예의 경우 다른 조건은 모두 동일하나 원 위상 분포 함수를 이차함수만으로, 즉 모든 계수(am)을 0으로 설정하였다.
원 위상 분포 함수의 최대 기울기, 혼선 및 가중 혼선은 앞의 예에서와 실질적으로 동일한 결과를 나타내었다. 즉, 실험예와 비교예의 원 위상 분포 함수의 최대 기울기는 약 0.761이었고, 실험예에서 혼선과 가중 혼선은 각각 약 1.067, 약 0.249이었고, 비교예에서 혼선과 가중 혼선은 각각 약 1.419, 약 0.279였다.
도 22, 도 23, 도 24, 도 25 및 도 26은 각각 실험예 및 비교예에 따른 영상 표시 장치의 원 위상 분포 함수, 원 위상 분포 함수의 기울기, 선퍼짐 함수, 단시점 상대 휘도 분포 및 다시점 상대 휘도 분포를 도시한 그래프이고, 도 27은 다른 실험예 및 비교예에 따른 영상 표시 장치에서 광전파 모의 실험 사진이다.
도 24, 도 25 및 도 26에 도시한 선퍼짐 함수, 단시점 상대 휘도 분포 및 다시점 상대 휘도 분포는 규격화된 값으로 나타내었다. 도 24에서 세로축의 단위는 105/mm이고, 도 25에서 세로축의 단위는 8980/°이다.
도 22을 참고하면, 본 실험예에 따른 표시 장치의 원 위상 분포 함수가 렌즈(49)의 중심으로 갈수록 비교예에 비하여 값이 커짐을 알 수 있다.
도 23을 참고하면, 본 실험예에 따른 원 위상 분포 함수의 기울기는 렌즈(49) 중심으로부터 약 0.13 mm 위치까지는 비교예보다 값이 작지만 그로부터 렌즈(26, 49)의 경계까지는 비교예에 비하여 값이 큼을 알 수 있다.
도 24를 참고하면, 본 실험예에 따른 선퍼짐 함수는 표시판(10)의 원점, 즉 렌즈(49)의 중심에 대응하는 위치 부근에 두 개의 날카로운 정점이 나타나며, 비교예의 선퍼짐 함수는 표시판(10)의 원점 부근에서 대체로 반원형인 완만한 포락선이 나타난다. 실시예의 정점에서의 함수값은 비교예의 최고값에 비하여 약 2배 이상이고, 표준 편차는 실험예의 경우가 약 0.214로서 약 0.207인 비교예에 비하여 크며, 반치 전폭은 실험예의 경우가 비교예에 비하여 매우 좁다.
도 25 및 도 26을 참고하면, 단시점 상대 휘도 분포 및 다시점 상대 휘도 분포는 본 실험예의 경우가 비교예의 경우에 비하여 정점값이 높고 반치 전폭이 좁다. 도 25의 단시점 상대 휘도 분포에서 실시예의 표준 편차는 약 2.590로서 비교예의 표준 편차인 약 2.521보다 큰 값을 나타내었다.
도 27은 도 3 및 도 2에 도시한 바와 같이 액정 렌즈(22, 24)에 입사된 평행광의 전파 경로를 보여주는 모의 실험 사진이다. 사진의 오른쪽에 있는 두 개의 세로줄은 표시판(10)의 좌우 경계를 나타내며, 위쪽은 비교예의 경우이고 아래쪽은 본 실험예의 경우이다. 비교예의 경우에는 표시판(10)의 뒤쪽에서 광선들이 집속하고 표시판(10) 상에서는 상대적으로 긴 거리에 걸쳐 광선들이 비교적 고르게 펼쳐진다. 본 실험예의 경우에는 표시판(10) 상에서 상대적으로 거리가 가까운 두 지점에서 각각 광선들이 집속되며, 표시판(10)의 뒤쪽에서 더 가까이 모였다가 다시 퍼져 나간다.
이와 같이 본 실험예에 따르면 비교예에 비하여 선명한 영상을 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 표시판
20, 430: 렌즈판
22: 렌즈
41: 하부 기판
42: 상부 기판
43: 조절 전극
44: 공통 전극
45: 하부 배향막
46: 상부 배향막
47: 액정층
48: 액정 분자
49: 프레넬 렌즈
100: 영상 표시 장치

Claims (17)

  1. 영상을 표시하는 표시판, 그리고
    상기 표시판의 앞쪽에 위치하고 상기 표시판이 표시하는 영상을 3차원 영상으로 인지되도록 하는 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈는 상기 렌즈의 축에 평행하게 입사하여 상기 표시판을 통과하는 복수의 광선을 포함하는 입사광이 상기 표시판 상에서 보여 주는 선퍼짐 함수가 적어도 두 개의 정점을 가지는 영상 표시 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 적어도 두 개의 정점은 상기 렌즈의 중심에 대응하는 상기 표시판 상의 위치(앞으로 "원점"이라 함)를 기준으로 대칭을 이루는 영상 표시 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 광선 중에서 상기 렌즈의 중심을 기준으로 가장 바깥 쪽 광선과 상기 렌즈의 중심을 통과하는 광선을 제외한 나머지 광선은 상기 원점 양쪽의 두 지점에 집속되어 상기 적어도 두 개의 정점을 이루는 영상 표시 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 렌즈의 위상 분포 함수는 비구면이며,
    상기 렌즈의 위상 분포 함수는 구면을 나타내는 제1 함수와 상기 제1 함수에 더해져서 상기 렌즈의 위상 분포 함수를 비구면으로 만들어 주는 제2 함수의 합으로 표현되는 영상 표시 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 적어도 두 개의 정점의 크기는 상기 제1 함수만으로 표현되는 구면 위상 분포 함수에 의한 선퍼짐 함수의 최고값보다 2배 이상 큰 영상 표시 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 렌즈의 선퍼짐 함수의 반치 전폭은 상기 구면 위상 분포 함수에 의한 선퍼짐 함수의 반치 전폭보다 좁은 영상 표시 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 렌즈는 복수의 프레넬 구역을 포함하는 프레넬 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈의 위상 분포 함수는 중심을 기준으로 좌우 대칭이고,
    상기 렌즈 중심에서의 위상 분포 함수의 기울기는 0이고,
    상기 렌즈 경계에서의 위상 분포 함수의 기울기는 상기 렌즈의 가장 바깥 쪽에 위치하는 프레넬 구역의 너비에 의해 결정되고,
    상기 렌즈의 경계를 제외한 지점에서의 위상 분포 함수의 기울기는 상기 경계에서의 위상 분포 함수의 기울기보다 작으며,
    상기 렌즈의 위상 분포 함수는 비용 함수의 최소화 방법을 통하여 결정되는 영상 표시 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 비용 함수는 가중 혼선 또는 혼선인 영상 표시 장치.
  9. 영상을 표시하는 표시판, 그리고
    상기 표시판의 앞쪽에 위치하고 상기 표시판이 표시하는 영상을 3차원 영상으로 인지되도록 하며, 복수의 프레넬 구역을 포함하는 프레넬 렌즈
    를 포함하고,
    상기 렌즈의 위상 분포 함수는 중심을 기준으로 좌우 대칭이고,
    상기 렌즈 중심에서의 위상 분포 함수의 기울기는 0이고,
    상기 렌즈 경계에서의 위상 분포 함수의 기울기는 상기 렌즈의 가장 바깥 쪽에 위치하는 프레넬 구역의 너비에 의해 결정되고,
    상기 렌즈의 경계를 제외한 지점에서의 위상 분포 함수의 기울기는 상기 경계에서의 위상 분포 함수의 기울기보다 작으며,
    상기 렌즈의 위상 분포 함수는 가중 혼선 또는 혼선의 최소화 방법을 통하여 결정되는 영상 표시 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 위상 분포 함수는 이차 함수와 코사인 하모닉스의 합으로 주어지며,
    상기 코사인 하모닉스의 각 항의 계수는 가중 혼선 또는 혼선을 최소화함으로써 결정되는 영상 표시 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 코사인 하모닉스의 항수는 5개 이상인 영상 표시 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에서,
    상기 프레넬 구역 중 적어도 하나는 0에서 2π 범위를 벗어나는 위상 변조 범위를 가지는 영상 표시 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 프레넬 구역 중 적어도 하나는 -δ-에서부터 약 2π+δ+ (-0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π, -0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π)까지의 위상 변조 범위를 가지는 영상 표시 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 프레넬 렌즈는
    서로 마주하는 제1 기판 및 제2 기판,
    상기 제1 기판 위에 위치하며 일정한 간격으로 배치되어 있는 복수의 제1 전극,
    상기 제2 기판 위에 위치하는 제2 전극, 그리고
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 개재되어 이는 액정층
    을 포함하며,
    상기 프레넬 구역의 경계는 상기 제1 전극 사이에 위치하는 영상 표시 장치.
  15. 영상을 표시하는 표시판, 그리고
    상기 표시판의 영상을 3차원 영상으로 인지되도록 하며 복수의 프레넬 구역을 포함하는 프레넬 액정 렌즈를 포함하고,
    상기 프레넬 구역 중 적어도 하나는 0에서 2π 범위를 벗어나는 위상 변조 범위를 가지는 영상 표시 장치.
  16. 제15항에서,
    상기 프레넬 구역 중 적어도 하나는 -δ-에서부터 약 2π+δ+ (-0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π, -0.3×2π ≤ δ- ≤ +0.3×2π)까지의 위상 변조 범위를 가지는 영상 표시 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 프레넬 렌즈는
    서로 마주하는 제1 기판 및 제2 기판,
    상기 제1 기판 위에 위치하고 일정한 주기로 배치되어 있는 복수의 제1 전극,
    상기 제2 기판 위에 위치하는 제2 전극, 그리고
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 개재되어 이는 액정층
    을 포함하며,
    상기 프레넬 구역 사이의 경계는 상기 제1 전극들 사이에 위치하는 영상 표시 장치.
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