KR20150037012A - 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 무안경식 3차원 영상 표시 장치 - Google Patents

마이크로 렌즈 어레이를 이용한 무안경식 3차원 영상 표시 장치 Download PDF

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경기욱
윤성률
박선택
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명에 따른 무안경식 3차원 영상 표시 장치는, 영상을 표시하는 영상 표시부; 상기 영상 표시부의 상부에 배치되며, 상기 영상 표시부에서 나오는 영상의 초점을 변환시키는 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 마이크로 렌즈 어레이에 도포되며, 전기 신호가 인가됨으로써 상기 마이크로 렌즈 어레이의 변형을 가져오도록 하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 렌즈 어레이를 이용한 무안경식 3차원 영상 표시 장치{Autostereoscopic 3D image display apparatus using micro lens array}
본 발명은 3차원 영상 표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무안경 방식의 3차원 영상 표시 장치에 관한 것이다.
3차원 영상을 구현하는 방법은 여러 가지가 있으나 크게는 안경을 쓰는 방식과 안경을 쓰지 않는 방식으로 구분된다. 안경을 쓰는 방식의 경우 단시점 방식이기 때문에 운동시차를 구현할 수 없어 관찰자들의 눈 위치와는 관계없이 모두 같은 영상이 투영되기 때문에 관찰자의 위치를 바꾸더라도 같은 영상이 보여 실감과 생동감이 많이 떨어지고 또한 안경을 써야만 하는 불편함을 가지고 있다. 반면 무안경 방식의 경우 3차원 영상을 구현하기 위해서 다시점 방식을 사용하며, 주로 패럴렉스 배리어(Parallax Barrier) 방식과 렌티큘러 렌즈(Lenticular lens) 방식을 사용하여 3차원 영상을 구현한다.
패럴렉스 배리어 방식은 1903 년 미국의 F. E. Ives 가 처음 제안한 방식으로, 시차를 주기 위해 투과부와 차단부가 교대로 배열된 배리어를 이용하여 양쪽 눈에서 보이는 각도에 따라 반대쪽 영상을 각각 차단하여 3차원 영상을 구현한다. 나아가, 액정 기술을 이용한 switchable parallax barrier를 이용하여 배리어를 전기적으로 온/오프 시킴으로써 switchable 2D/3D 장치를 구현할 수 있다. 그러나 이러한 패럴렉스 배리어 방식은 디스플레이와 사용자 사이에 배리어가 존재하기 때문에 빛의 상당량이 차단되어 입체 영상의 휘도가 낮다는 문제점을 가지고 있으며, 사용자가 화면으로부터 특정 거리에 있을 때에만 좌우 영상이 분리되기 때문에 사용자가 정해진 위치에서 벗어나는 경우 3차원 영상을 볼 수 없다는 단점을 가지고 있다.
렌티큘러 렌즈 방식은 1932년 H. E. Ives 가 특허를 취득하였으나, 렌티큘러 렌즈의 제작 기술 문제로 1960년대에 이르러 발전하기 시작했다. 렌티큘러 렌즈 방식은 디스플레이 위에 렌티큘러 렌즈를 배치하고 이것의 굴절률 특성을 이용하여 좌우 영상이 눈에 따로 보이도록 하는 방식이다. 이 방식의 경우 초기에는 3차원 영상만 표시하는 것이 가능했으나 최근에 액정의 복굴절 특성을 이용하여 2D/3D의 전환이 가능해졌다. 즉, 액정 렌즈의 내부와 외부의 굴절률이 동일하면 액정이 렌즈 역할을 하지 못하므로 2차원 영상이 제공되고, 내부와 외부의 굴절률을 다르게 하면 3차원 영상이 제공된다. 이러한 렌티큘러 렌즈 방식은 패럴렉스 배리어 방식에 비해 휘도 저하는 없으나 굴절률이 정확히 조절되지 않는 경우 2차원 또는 3차원 영상의 화질이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 휘도 저하 없이 3차원 영상을 제공할 수 있는 무안경식 3차원 영상 표시 장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 취급이 용이하고 제작이 간편한 무안경식 3차원 영상 표시 장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 영상 표시부에서 나오는 영상의 초점을 조정할 수 있는 무안경식 3차원 영상 표시 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 무안경식 3차원 영상 표시 장치는, 영상을 표시하는 영상 표시부; 상기 영상 표시부의 상부에 배치되며, 상기 영상 표시부에서 나오는 영상의 초점을 변환시키는 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 마이크로 렌즈 어레이에 도포되며, 전기 신호가 인가됨으로써 상기 마이크로 렌즈 어레이의 변형을 가져오도록 하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는 폴리머 물질로 이루어질 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는 전기활성고분자 물질로 이루어질 수 있다.
상기 전극은 투명 전극일 수 있다.
상기 전극은 상기 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 렌즈들 각각에 도포될 수 있다.
상기 렌즈들 각각에 도포되는 전극은, 상기 렌즈의 상부에 도포되는 상부 전극과 상기 렌즈의 하부에 도포되는 하부 전극을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극은 상기 렌즈의 상부에 전체적으로 도포될 수 있다.
상기 상부 전극은 상기 렌즈의 상부에 부분적으로 도포될 수 있다.
상기 렌즈의 상부에 부분적으로 도포되는 상기 상부 전극은, 상기 전기 신호가 국부적으로 인가됨으로써 상기 렌즈의 국부적인 변형을 가져오도록 할 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 휘도 저하 없이 3차원 영상을 제공할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 취급이 용이하고 제작이 간편한 무안경식 3차원 영상 표시 장치를 제공할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 영상 표시부에서 나오는 영상의 초점을 조정할 수 있어서 사용자의 위치가 변하더라도 선명한 3차원 영상을 제공할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이 및 전극이 재료가 유연하기 때문에 유연한 3 차원 영상 표시 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치의 구성을 나타낸다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치의 단면 및 그 동작을 나타낸다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치의 단면 및 그 동작을 나타낸다.
도 4는 도 3a 및 3b를 통하여 설명한 3차원 영상 표시 장치에 의하여 3차원 영상이 형성되는 모습을 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치의 구성을 나타낸다. 본 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치는 도시된 바와 같이, 영상 표시부(100), 상기 영상 표시부(100)의 상부에 배치되며 영상 표시부(100)에서 나오는 영상의 초점을 변화시키는 마이크로 렌즈 어레이(102), 그리고 편의상 도시되지는 않았으나 상기 마이크로 렌즈 어레이(102)에 도포되는 전극을 포함한다. 상기 전극에 관하여는 도 2a 내지 도 3b를 참조하여 후술하기로 한다.
영상 표시부(100)는 복수의 화소(101)들을 이용하여 영상을 표시하는 요소로서, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode) 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 통상적으로 영상 표시부(100)의 뒷면에는 광을 발생시키는 백라이트 유닛이 구비된다. 관점에 따라서, 상기 백라이트 유닛은 영상 표시부(100)에 포함되는 요소로 이해될 수도 있다.
마이크로 렌즈 어레이(102)는 도시된 바와 같이 다수의 렌즈들의 배열이며, 영상 표시부(100)의 상부에 배치됨으로써 영상 표시부(100)에서 나오는 영상의 초점을 변화시킬 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(102)를 구성하는 각 렌즈는 도시된 것처럼 영상 표시부(100)의 각 화소마다 배치될 수 있다. 도 1을 참조하면, 화소 하나에 렌즈 하나가 대응되나, 렌즈의 크기에 따라서 둘 이상의 화소에 하나의 렌즈가 대응될 수도 있다.
마이크로 렌즈 어레이(102)를 구성하는 렌즈들은 인가되는 전기 신호에 따라서 형상의 변형이 가능한 모핑 렌즈(morphing lens)이다. 따라서 마이크로 렌즈 어레이(102)에 도포된 전극에 전기 신호를 인가하게 되면 마이크로 렌즈 어레이(102)가 변형되어 영상 표시부(100)에서 나오는 영상의 초점이 변환된다. 마이크로 렌즈 어레이(102)에 도포된 전극은 상부에 도포되는 상부 전극과 하부에 도포되는 하부 전극으로 이루어질 수 있고, 상기 상부 전극과 하부 전극은 투명 전극인 것이 바람직하다. 그러면 영상 표시부(100)에서 발생한 영상은 마이크로 렌즈 어레이(102) 하부의 투명한 하부 전극을 통과하고, 마이크로 렌즈 어레이(102)를 통과한 후 마이크로 렌즈 어레이(102) 상부의 투명한 상부 전극을 통과하여 사용자의 눈에 도달된다. 이처럼 영상이 투명한 마이크로 렌즈 어레이(102)와 그것에 도포된 투명한 상부 전극 및 하부 전극을 통과하기 때문에, 기존의 패럴렉스 배리어 방식이나 렌티큘러 렌즈 방식에 비해 영상의 밝기가 저하되지 않는 선명한 화질의 영상이 제공될 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이(102)는 전기가 가해지는 경우 변형이 가능한 폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시예에서 대표적인 폴리머 물질로 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 전기활성고분자 물질이 사용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 전기활성고분자 물질은 전기가 가해지는 경우 가해진 전기량에 따라 변형이 이루어지므로 이를 이용하여 가변형 마이크로 렌즈 어레이를 제작할 수 있다. 예컨대 렌즈 전체에 전극을 도포하여 전기를 가하는 경우 렌즈가 전체적으로 변형이 이루어진다. 따라서 이 경우 렌즈의 초점 거리만을 변화시키는 가변 초점 렌즈를 구현할 수 있다. 이에 관하여는 도 2a 및 2b를 참조하여 후술한다. 다른 예로, 렌즈에 부분적으로 전극을 도포하여 전극에 국부적으로 전기를 가할 수 있도록 하면 렌즈의 일부만 변형시키거나 렌즈의 부분 별로 변형 양상을 다르게 할 수 있다. 따라서 이 경우 렌즈의 초점 거리 뿐만 아니라 초점의 방향을 변화시킬 수 있어 다시점 렌즈를 구현할 수 있고, 이를 이용하여 3차원 영상을 제공할 수 있다. 이에 관하여는 도 3a 및 3b를 참조하여 후술한다.
마이크로 렌즈 어레이(102)에 도포되는 상부 전극은, 굴곡이 있는 부분에 코팅 또는 도포되어야 하므로, 스프레이 코팅(spray coating)과 같은 방법을 이용하여 생성될 수 있다. 반면 마이크로 렌즈 어레이(102)에 도포되는 하부 전극은, 평평한 부분에 코팅 또는 도포되므로, 스프레이 코팅이나 실크 스크린 프린팅(silk screen printing)과 같은 방법으로 생성될 수 있다. 이러한 상부 전극과 하부 전극으로, 렌즈의 변형에도 그 형상이 깨지거나 특성이 변하지 않는 은나노 와이어(Ag nano wire) 또는 그래핀(Graphene)과 같은 투명 전극이 사용될 수 있다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치의 단면 및 그 동작을 나타낸 것으로, 본 실시예는 렌즈 전체에 전극이 도포된 경우이다. 본 실시예에서, 마이크로 렌즈 어레이(102)를 구성하는 렌즈(103)들 각각은 투명하고 유연한 전기활성고분자 물질로 이루어지며, 전극은 렌즈(103)의 상부에 전체적으로 도포되는 상부 투명 전극(104)와 렌즈(103)의 하부에 도포되는 하부 투명 전극(105)으로 이루어진다. 도 2a는 전극(104, 105)에 전기가 인가되지 않은 상태를 나타내고, 도 2b는 전극(104, 105)에 전기가 인가된 상태를 나타낸다. 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 전극(104, 105)에 전기가 인가되면 전기에 의해 전기활성고분자 물질의 변형이 일어나서, 전기가 인가되지 않은 경우에 비해 렌즈(103)가 전체적으로 수축되고, 이로 인하여 렌즈(103)의 초점 거리가 변하게 된다. 따라서 렌즈(103)는 초점 거리의 조정이 가능한 가변 초점 렌즈로 사용될 수 있다. 다만, 이 경우 초점의 방향은 조정할 수 없으므로 다시점 렌즈로는 사용할 수 없다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 영상 표시 장치의 단면 및 그 동작을 나타낸 것으로, 본 실시예는 렌즈에 부분적으로 전극이 도포되어 렌즈에 전기를 국부적으로 인가할 수 있도록 한 경우이다. 본 실시예에서, 마이크로 렌즈 어레이(102)를 구성하는 렌즈(103)들 각각은 투명하고 유연한 전기활성고분자 물질로 이루어지며, 전극은 렌즈(103)의 상부에 부분적으로 도포되는 상부 투명 전극(106)과 렌즈(103)의 하부에 도포되는 하부 투명 전극(105)으로 이루어진다. 예컨대, 상부 투명 전극(106)은 렌즈(103)의 상부에 부분적으로 도포된 전극들(106a, 106b, 106c)로 이루어진다. 도 3a는 전극(105, 106)에 전기가 인가되지 않은 상태를 나타내고, 도 3b는 전극(105, 106)에 전기가 인가된 상태를 나타낸다. 예컨대 전극들(106a, 106b, 106c) 중 일부에만 전기를 인가하거나, 전극들(106a, 106b, 106c)마다 인가되는 전기량을 달리 하게 되면, 도시된 바와 같이 렌즈(105)의 형상을 비대칭적으로 변형시킬 수 있다. 본 실시예에 의하면 국부적으로 가해지는 전기의 양을 변화시킴으로써 렌즈의 형상을 다양하게 변형시킬 수 있다. 이처럼 렌즈의 형상을 다양하게 변형시킴으로 인해 마이크로 렌즈 어레이(102)는 3차원 영상을 제공할 수 있는 다시점 렌즈로 사용될 수 있다.
도 4는 도 3a 및 3b를 통하여 설명한 3차원 영상 표시 장치에 의하여 3차원 영상이 형성되는 모습을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 마이크로 렌즈 어레이(102)를 구성하는 렌즈 별로 전기의 인가 양상을 달리 함으로써 각 렌즈마다 원하는 초점을 형성하여, 영상 표시부(100)의 각 화소에서(또는 각 부분에서) 나오는 광의 진행 방향을 원하는 곳에 맞출 수 있다. 예컨대, 렌즈들(401, 403, 405, 407)에 대응하는 화소에서 나오는 광은 시청자의 왼쪽 눈에 도달되도록 하고, 렌즈들(402, 404, 406, 408)에 대응하는 화소에서 나오는 광은 시청자의 오른쪽 눈에 도달되도록 렌즈의 형상을 변형할 수 있다. 따라서, 렌즈들(401, 403, 405, 407)에 대응하는 화소로 좌안 영상이 구현되고 렌즈들(402, 404, 406, 408)에 대응하는 화소로 우안 영상이 구현되면 3차원 영상이 제공된다. 나아가, 본 실시예에 따르면 마이크로 렌즈 어레이(102)를 구성하는 렌즈 별로 초점을 조정할 수 있기 때문에, 시청자의 위치가 변하는 경우 그에 따라서 렌즈 별로 초점을 조정하게 되면 시청자의 위치가 변하더라도 선명한 3차원 영상을 제공할 수 있다. 기존의 패럴렉스 배리어 방식이나 렌티큘러 렌즈 방식의 경우 시청자의 위치가 변하면 3차원 영상이 흐려지는 것이 불가피한데, 본 실시예는 이러한 단점을 극복할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 마이크로 렌즈 어레이(102)에 도포된 전극에 전기를 인가하지 않으면 마이크로 렌즈 어레이(102)는 본래의 렌즈 형상으로 돌아가므로, 전기를 인가하거나 인가하지 않음으로써 2차원 영상과 3차원 영상을 선택적으로 제공할 수 있다.
나아가, 마이크로 렌즈 어레이 및 전극이 재료가 유연하기 때문에 유연한 3 차원 영상 표시 장치를 제공할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 영상을 표시하는 영상 표시부;
    상기 영상 표시부의 상부에 배치되며, 상기 영상 표시부에서 나오는 영상의 초점을 변화시키는 마이크로 렌즈 어레이; 및
    상기 마이크로 렌즈 어레이에 도포되며, 전기 신호가 인가됨으로써 상기 마이크로 렌즈 어레이의 변형을 가져오도록 하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 무안경식 3차원 영상 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는 폴리머 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무안경식 3차원 영상 표시 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는 전기활성고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무안경식 3차원 영상 표시 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 투명 전극인 것을 특징으로 하는 무안경식 3차원 영상 표시 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 상기 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 렌즈들 각각에 도포되는 것을 특징으로 하는 무안경식 3차원 영상 표시 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 렌즈들 각각에 도포되는 전극은, 상기 렌즈의 상부에 도포되는 상부 전극과 상기 렌즈의 하부에 도포되는 하부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 무안경식 3차원 영상 표시 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 전극은 상기 렌즈의 상부에 전체적으로 도포되는 것을 특징으로 하는 무안경식 3차원 영상 표시 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 상부 전극은 상기 렌즈의 상부에 부분적으로 도포되는 것을 특징으로 하는 무안경식 3차원 영상 표시 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 렌즈의 상부에 부분적으로 도포되는 상기 상부 전극은, 상기 전기 신호가 국부적으로 인가됨으로써 상기 렌즈의 국부적인 변형을 가져오도록 하는 것을 특징으로 하는 무안경식 3차원 영상 표시 장치.
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