KR20190088609A - Foveated Near-Eye Display System for Relieving Vergence-Accommodation Conflict - Google Patents

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Abstract

Provided is a foveated near-eye display system for resolving the problem of vergence-accommodation conflict. According to an embodiment of the present invention, a three-dimensional display system comprises: a three-dimensional display for generating a three-dimensional image which is to be provided at a divergence angle for covering a first region; and a two-dimensional display for generating a two-dimensional image which is to be provided at a divergence angle for covering a second region excluding the first region. Therefore, the number of pixels required for the display device can be minimized while the problem of vergence-accommodation conflict is resolved.

Description

수렴초점 불일치 문제 해결을 위한 포비티드 Near-Eye 디스플레이 시스템{Foveated Near-Eye Display System for Relieving Vergence-Accommodation Conflict}{Foveated Near-Eye Display System for Releving Vergence-Accommodation Conflict}

본 발명은 3차원 디스플레이 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수렴초점 불일치 문제 해결을 위한 포비티드 Near-Eye 디스플레이(Foveated Near-Eye Display) 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional display technology, and more particularly, to a foveated near-eye display system for solving a convergent focus mismatch problem.

기존의 VR/AR 등을 위한 상용화된 Near-Eye 디스플레이의 경우 대부분 3차원 정보를 양안 시차 만을 이용하여 제공하고 있으며, 이에 따라 수렴초점 불일치에 의한 시각 피로 문제가 사용성에 있어 큰 걸림돌이 되고 있다.In the case of commercially available near-eye displays for existing VR / ARs, most of the three-dimensional information is provided using binocular disparity only. Thus, visual fatigue due to convergence focus mismatch is a major obstacle to usability.

이에 따라, 수렴초점 불일치를 해결하고 정확한 초점 정보를 제공할 수 있는 초다시점 조건을 만족시키는 라이트필드(LF) 디스플레이나 디지털 홀로그래픽(DH) 디스플레이가 대안으로 제시되고 있으나, 정확한 accommodation cue를 제공하기 위해서는 요구되는 픽셀의 개수가 현존하는 디스플레이의 스펙을 크게 상회하기 ?문에 아직 가능성을 타진해보는 정도에 머무르고 있다.Accordingly, a light field (LF) display or a digital holographic (DH) display, which satisfies the hyperchip condition that can solve the convergence focus mismatch and provide accurate focus information, is proposed as an alternative, but an accurate accommodation cue is provided The number of pixels required is much higher than the specification of an existing display.

다른 대안으로 Near-Eye 디스플레이를 상정할 수 있다. 하지만, Near-Eye 디스플레이의 경우 넓은 FOV(Field Of View)에 대해 사용자 안구의 동공이 움직이는 영역을 커버하며 accommodation 정보를 제공하기 위해서는, 현재의 2D 디스플레이에 비해 현저히 많은 픽셀 개수가 필요하다는 문제가 있다.Alternatively, a near-eye display can be assumed. However, in the case of the near-eye display, there is a problem that the pupil of the user's eye covers a moving area of a wide field of view (FOV) and requires a significantly larger number of pixels than the current 2D display in order to provide accommodation information .

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 수렴초점 불일치 문제를 해결하면서도 디스플레이 장치에 요구되는 픽셀의 개수를 최소화 할 수 있도록 한 Near-Eye 디스플레이 시스템 및 방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a near-eye display system and method capable of minimizing the number of pixels required for a display device while solving the convergence focus mismatch problem. .

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 3D 디스플레이 시스템은 제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상을 생성하는 3D 디스플레이; 및 제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 생성하는 2D 디스플레이;를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a 3D display system including a 3D display for generating a 3D image to be provided as a divergent angle for covering a first area; And a 2D display for generating a 2D image to be provided as a divergent angle for covering a second area other than the first area.

제1 영역은, 포비티드 영역(Foveated Region)일 수 있다.The first region may be a foveated region.

제2 영역은, 포비티드 영역의 주변 영역일 수 있다.The second region may be a peripheral region of the paved region.

본 발명에 따른 3D 디스플레이 시스템은 3D 디스플레이에서 생성된 3D 영상과 2D 디스플레이에서 생성된 2D 영상을 합성하는 반거울;을 더 포함할 수 있다.The 3D display system according to the present invention may further include a semi-mirror for synthesizing the 3D image generated in the 3D display and the 2D image generated in the 2D display.

본 발명에 따른 3D 디스플레이 시스템은 3D 디스플레이에서 생성된 3D 영상을 가상 스크린으로 전달하는 제1 광학 시스템; 및 2D 디스플레이에서 생성된 2D 영상을 가상 스크린으로 전달하는 제2 광학 시스템;을 더 포함할 수 있다.A 3D display system according to the present invention includes: a first optical system for transmitting a 3D image generated in a 3D display to a virtual screen; And a second optical system for delivering the 2D image generated in the 2D display to the virtual screen.

제1 광학 시스템에 포함된 렌즈들의 초점 거리들은, 제2 광학 시스템에 포함된 렌즈들의 초점 거리들과 상이할 수 있다.The focal lengths of the lenses included in the first optical system may be different from the focal lengths of the lenses included in the second optical system.

본 발명에 따른 3D 디스플레이 시스템은 제1 광학 시스템에 배치되어, 제1 영역을 커버하기 위한 3D 영상의 발산각을 제한하는 제1 공간 필터;를 더 포함할 수 있다.The 3D display system according to the present invention may further include a first spatial filter disposed in the first optical system for limiting a divergent angle of the 3D image for covering the first area.

본 발명에 따른 3D 디스플레이 시스템은 제2 광학 시스템에 배치되어, 제2 영역을 커버하기 위한 2D 영상의 발산각을 제한하는 제2 공간 필터;를 더 포함할 수 있다.The 3D display system according to the present invention may further include a second spatial filter disposed in the second optical system for limiting a divergent angle of the 2D image for covering the second area.

본 발명에 따른 3D 디스플레이 시스템은 가상 스크린의 후단에 위치하는 대안 렌즈;를 더 포함할 수 있다.The 3D display system according to the present invention may further include an alternative lens positioned at the rear end of the virtual screen.

본 발명에 따른 3D 디스플레이 시스템은 3D 디스플레이에서 생성된 3D 영상과 2D 디스플레이에서 생성된 2D 영상을 가상 스크린으로 전달하는 광학 시스템;을 더 포함할 수 있다.The 3D display system according to the present invention may further include an optical system for transmitting the 3D image generated in the 3D display and the 2D image generated in the 2D display to the virtual screen.

본 발명에 따른 3D 디스플레이 시스템은 광학 시스템에 배치되어, 제1 영역을 커버하기 위한 3D 영상의 발산각을 제한하고, 제2 영역을 커버하기 위한 2D 영상의 발산각을 제한하는 공간 필터;를 더 포함할 수 있다.A 3D display system according to the present invention includes a spatial filter disposed in an optical system for limiting a divergence angle of a 3D image for covering a first area and limiting a divergence angle of a 2D image for covering a second area .

공간 필터는, 제1 편광 상태의 3D 영상을 통과시키기 위한 제1 편광판;을 포함할 수 있다.The spatial filter may comprise a first polarizer for passing a 3D image of the first polarization state.

공간 필터는, 제2 편광 상태의 3D 영상을 통과시키기 위한 제2 편광판;을 더 포함할 수 있다.The spatial filter may further comprise a second polarizer for passing the 3D image of the second polarization state.

3D 디스플레이는, 라이트필드 디스플레이 또는 디지털 홀로그래픽 디스플레이일 수 있다.The 3D display may be a light field display or a digital holographic display.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 3D 디스플레이 방법은 제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상을 생성하는 단계; 및 제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 생성하는 단계;를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a 3D display method comprising: generating a 3D image to be provided as a divergent angle for covering a first area; And generating a 2D image to be provided as a divergent angle for covering a second area other than the first area.

한편, 본 발명의 또다른 실시예에 따른, 3D 디스플레이 시스템은 제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상을 생성하는 3D 디스플레이; 및 3D 디스플레이에서 생성된 3D 영상과 제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 합성하는 반거울;을 포함한다.According to another embodiment of the present invention, a 3D display system includes a 3D display for generating a 3D image to provide a divergent angle for covering a first area; And a half mirror for synthesizing the 3D image generated in the 3D display and the 2D image to be provided as the divergence angle for covering the second area other than the first area.

한편, 본 발명의 또다른 실시예에 따른, 3D 디스플레이 방법은 제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상을 생성하는 단계; 및 생성된 3D 영상과 제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 합성하는 단계;를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a 3D display method comprising: generating a 3D image to be provided as a divergent angle for covering a first area; And synthesizing a 2D image to be provided as a divergent angle for covering the generated 3D image and a second area other than the first area.

한편, 본 발명의 또다른 실시예에 따른, 3D 디스플레이 시스템은 제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 생성하는 2D 디스플레이; 및 제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상과 2D 디스플레이에서 생성된 2D 영상을 합성하는 반거울;을 포함한다. According to another embodiment of the present invention, a 3D display system includes a 2D display for generating a 2D image to be provided as a divergent angle for covering a second area other than the first area; And a half mirror for combining the 3D image to be provided with the divergence angle for covering the first area and the 2D image generated in the 2D display.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 수렴초점 불일치 문제를 해결하면서도 디스플레이 장치에 요구되는 픽셀의 개수는 최소화 할 수 있게 된다.As described above, according to the embodiments of the present invention, the number of pixels required for the display device can be minimized while solving the convergence focus mismatch problem.

도 1은 LF 혹은 DH 디스플레이의 픽셀별 발광 특성,
도 2는 포비티드 LF 혹은 DH 디스플레이를 구현하기 위한 기본 개념,
도 3은 Foveated LF 혹은 DH 디스플레이의 픽셀별 광발산 특성,
도 4는 Foveated LF 디스플레이의 관찰 특성,
도 5는 Foveated DH 디스플레이의 관찰 특성,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Foveated LF 혹은 DH 디스플레이를 구현하기 위한 광학 셋업,
도 7과 도 8은, Mutually exclusive spatial filter,
도 9 및 도 10은, Intermediate virtual screen 상의 LF 혹은 DH 디스플레이의 angular range,
도 11은 Intermediate virtual screen 상의 각 픽셀의 발광 특성,
도 12는 하나의 광경로로 이루어진 foveated LF 혹은 DH 디스플레이 시스템의 광학적 구성,
도 13은 Polarization-base mutually exclusive spatial filter,
도 14는 LF 혹은 DH 디스플레이의 픽셀별 발산각을 결정하기 위한 parameterization,
도 15는 LF 혹은 DH 디스플레이의 픽셀별 발산각을 결정하기 위한 parameterization.
FIG. 1 shows the emission characteristics of each pixel of an LF or DH display,
Figure 2 illustrates a basic concept for implementing a paved LF or DH display,
FIG. 3 is a graph illustrating the light-diverging characteristics of the Foveated LF or DH display,
4 shows the observation characteristics of the Foveated LF display,
5 shows the observation characteristics of the Foveated DH display,
FIG. 6 illustrates an optical setup for implementing a Foveated LF or DH display according to an embodiment of the present invention,
FIGS. 7 and 8 illustrate a mutually exclusive spatial filter,
9 and 10 illustrate the angular range of an LF or DH display on an intermediate virtual screen,
11 shows the emission characteristics of each pixel on the intermediate virtual screen,
Figure 12 shows the optical configuration of a foveated LF or DH display system with one optical path,
FIG. 13 illustrates a Polarization-base mutually exclusive spatial filter,
14 illustrates parameterization for determining the divergence angle of each pixel of the LF or DH display,
15 is a parameterization for determining the divergence angle of each pixel of the LF or DH display.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 사용자에게 정확한 accommodation 정보를 전달할 수 있는, 초다시점에 기반한 라이트필드(이하 LF) 디스플레이, 혹은 디지털 홀로그래픽(이하 DH) 디스플레이의 광특성을 보여준다.FIG. 1 shows the optical characteristics of a light field (LF) display or a digital holographic (DH) display based on a hyperchip, which can transmit accurate accommodation information to a user.

LF 디스플레이의 경우 픽셀에서 발산하는 빛이 방향 별로 다른 정보를 주도록 하기 위해서는 그에 비례하여 디스플레이의 해상도를 희생하여야 하며, 해상도의 희생에 한계가 있기 ?문에, 초다시점 조건을 만족할 정도로 라이트 필드의 각도 sampling rate를 높게 할 경우 각 픽셀이 유의미한 정보를 제공하는 각도 범위는 매우 좁게 된다.In the case of the LF display, the resolution of the display must be sacrificed in proportion to the light emitted from the pixels in order to give different information to each direction, and there is a limit to the resolution, so that the light field When the angle sampling rate is increased, the angular range in which each pixel provides meaningful information becomes very narrow.

또한, DH 디스플레이의 경우에도 디스플레이 픽셀의 sampling 간격에 반비례하여 유의미한 회절 각도 범위가 정해지며, 일반적인 디스플레이의 경우 이 회절 각이 매우 좁게 된다. 그 결과, LF 혹은 DH 디스플레이의 각 픽셀에서 유의미한 정보를 제공할 수 있는 각도 범위는 도 1과 같이 제한적이며, 그 각도는 보통 매우 작은 값으로 결정된다.Also, in the case of the DH display, a significant diffraction angle range is determined in inverse proportion to the sampling interval of the display pixel, and in a typical display, this diffraction angle becomes very narrow. As a result, the angular range that can provide meaningful information at each pixel of the LF or DH display is limited as shown in FIG. 1, and the angle is usually determined to be a very small value.

따라서, DH 디스플레이의 space-bandwidth product와 같이, LF 및 DH 디스플레이의 경우 현존하는 디스플레이 시스템의 픽셀 개수로 구현했을 때는 FOV(field of view)가 매우 제한적이던지, 관찰자의 위치가 극단적으로 제한되게 된다.Thus, in the case of LF and DH displays, as in the space-bandwidth product of the DH display, the field of view (FOV) is very limited and the position of the observer is extremely limited when implemented with the number of pixels of the existing display system.

이에, 일반적인 Near-Eye 디스플레이 시스템과 같이 FOV도 넓게 가지면서 사용자 안구의 동공이 움직이는 범위에 대해서 모두 정확한 accommodation 정보를 제공하는 LF 혹은 DH 디스플레이 시스템으로써 기능하기 위해서는 요구되는 픽셀의 개수가 현저히 많게 된다.Accordingly, the number of pixels required to function as an LF or DH display system that provides precise accommodation information on the range of the pupil of the user's eye that has a wide FOV as in a general Near-Eye display system is significantly increased.

특히, LF 혹은 DH 디스플레이의 앞에 eye piece lens를 장착하여 각 픽셀로부터 발산하는 빛의 chief ray들이 모두 동공에 들어오도록 집광시키게 되면 전체 FOV에 대해 LF 혹은 DH 디스플레이로써 기능하게 구현할 수 있으나, 현존하는 픽셀 개수로 설계될 수 있는 시야창의 크기는 동공과 유사하여 관찰자 안구가 움직일 수 있는 여지가 거의 없다.In particular, if an eye piece lens is mounted in front of an LF or DH display and all of the chief rays emitted from each pixel are condensed to enter the pupil, it can be implemented as an LF or DH display for the entire FOV. However, The size of the field of view that can be designed in numbers is similar to the pupil, so there is little room for the observer's eye to move.

반면, 도 2와 같이 eye piece lens에 의해 이미징된 디스플레이 스크린의 각 픽셀의 chief ray들이 eye pupil rotation의 중심에 집광되도록 디스플레이 스크린, eye piece lens, 그리고 사용자의 안구의 위치 관계를 결정하게 되면 각 픽셀의 발산각이 동공의 이동경로(eye pupil trajectory) 전체를 커버할 정도로 크지 않을 경우 사용자의 동공이 trajectory 상의 어디에 위치하더라도 주시하는 방향 및 그 주변 일부분에 대해서 LF 혹은 DH 디스플레이로써 기능하도록 구현할 수 있다.On the other hand, when the display screen, the eye piece lens, and the positional relation of the user's eye are determined so that the chief rays of each pixel of the display screen imaged by the eye piece lens are focused at the center of the eye pupil rotation, Can be implemented to function as an LF or DH display with respect to the direction in which the user's pupil is located on the trajectory and a part of the periphery thereof if the divergence angle of the pupil is not large enough to cover the entire eye pupil trajectory.

보통 안구의 수정체 초점거리는 전체 FOV 중 주시하는 방향 근처의 일부 영역에 의해서 결정이 되기 때문에 정확한 accommodation cue를 제공했을 때 수렴초점 불일치 문제가 일어나지 않는 최소의 영역을 foveated region(포비티드 영역)으로 정하고 그 이상의 넓이에 대해서만 accommodation cue를 제공한다면 수렴초점 불일치 문제가 발생하지 않을 것으로 예상할 수 있다.Since the lens focal length of the eye is usually determined by a part of the entire FOV near the viewing direction, the minimum area where convergence focus mismatch does not occur is defined as a foveated region when an accurate accommodation cue is provided. If accommodation cue is provided only for the above area, it can be expected that convergence focus mismatch problem will not occur.

따라서, 도 2와 같은 시스템을 구성 후, LF 혹은 DH 디스플레이로써 기능하는 image of screen 상 각 픽셀에서 발산하는 빛의 발산각이 관찰자 동공의 입장에서 볼 때 foveated region을 커버할 수 있을 정도 이상만 된다면 발산각이 전체 eye pupil trajectory를 커버하지 못하더라도 수렴초점 불일치 문제를 해결할 수 있을 것으로 생각할 수 있다.Therefore, if the divergence angle of the light emitted from each pixel on the image of the screen functioning as an LF or DH display after the system as shown in Fig. 2 is more than enough to cover the foveated region in view of the viewer's pupil Even if the divergence angle does not cover the entire eye pupil trajectory, it may be possible to solve convergent focus mismatch problem.

하지만, 이 경우 foveated region 이외의 영역에 대해서는 아무런 영상 정보가 제공되지 않는다.However, in this case, no image information is provided for regions other than the foveated region.

본 발명의 실시예에서는, foveated region 이외의 발산각에 대해서는 2D 디스플레이로써의 영상 정보를 제공한다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 virtual screen을 도 2의 image of screen으로 생각하면, 각 픽셀에서 발산하는 빛 중 foveated region을 커버할 만큼의 chief ray 주변의 발산각에 대해서는 accommodation 정보를 제공할 수 있는 LF 혹은 DH 디스플레이로써 기능하고, 그 이외의 발산각에 대해서는 2D 디스플레이로써 기능하는 디스플레이 시스템을 구현한다.In the embodiment of the present invention, image information as a 2D display is provided for divergent angles other than the foveated region. In other words, as shown in FIG. 3, in the embodiment of the present invention, when the virtual screen is assumed to be the image of screen in FIG. 2, the divergence angle around the chief ray, which covers the foveated region, , A display system that functions as an LF or DH display capable of providing accommodation information and functions as a 2D display for other divergence angles.

본 발명의 실시예에 의한 foveated LF 혹은 DH 디스플레이 시스템을 사용자가 관찰하면, 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 주시하는 방향 쪽의 픽셀은 accommodation 정보를 제공해주는 3D 픽셀로써 인지가 되지만, foveated region을 넘어가는 시야각에 있는 픽셀은 accommodation 정보가 없는 2D 픽셀로써 인지가 되며, foveated region이 적절히 설정이 되었다면 FOV 전체가 accommodaton 정보를 제공하지는 않지만, 수렴초점 불일치 문제가 일어나지 않게 된다.When the user observes the foveated LF or DH display system according to the embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 4 and 5, the pixel in the direction of interest is recognized as a 3D pixel providing accommodation information, A pixel at a viewing angle beyond the region is recognized as a 2D pixel without accommodation information. If the foveated region is properly set, the entire FOV does not provide accommodaton information, but the convergence focus mismatch problem does not occur.

도 6은 본 발명 일 실시예에 따른 foveated LF 혹은 DH 디스플레이 시스템을 구현하기 위한 구체적인 광학적인 셋업에 대해서 보여주고 있다.FIG. 6 shows a specific optical setup for implementing a foveated LF or DH display system according to an embodiment of the present invention.

본 발명 실시예에 따른 foveated 디스플레이 시스템은, LF 혹은 DH 디스플레이(110)와 2D 디스플레이(140)를 포함한다. LF 혹은 DH 디스플레이(110)는 f1 및 f2의 초점거리를 갖는 렌즈들로 이루어진 4f 시스템(120)을 거치고, 2D 디스플레이(140)는 f3 및 f4의 초점거리를 갖는 렌즈들로 이루어진 4f 시스템(150)을 거쳐서 반거울(Half Mirror)(170)을 통해 intermediate virtual screen(175)으로 명명된 평면에 겹쳐서 이미징 된다.A foveated display system according to an embodiment of the present invention includes an LF or DH display 110 and a 2D display 140. The LF or DH display 110 passes through a 4f system 120 consisting of lenses with focal lengths f 1 and f 2 and the 2D display 140 is made up of lenses with focal lengths f 3 and f 4 4f system 150 and onto a half mirror (Half Mirror) 170 over a plane named as the intermediate virtual screen 175.

이 때 각각의 4f 시스템의 frequency domain에는 도 7 및 도 8에 각각 제시된 mutually exclusive spatial filter(130,160)가 배치된다. Spatial filter(130,160)는 intermediate virtual screen(175)에서 각 픽셀에서 발산하는 빛의 각도를 결정하게 된다.At this time, mutually exclusive spatial filters 130 and 160 shown in FIGS. 7 and 8 are arranged in the frequency domain of each 4f system. Spatial filters 130 and 160 determine the angle of light emitted from each pixel in the intermediate virtual screen 175.

LF 혹은 DH 디스플레이(110)의 4f 시스템(120)에 위치하는 spatial filter(130)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 포비티드 영역을 커버하기 위한 발산각으로 3D 영상이 제공되도록 제한한다.The spatial filter 130 located in the 4f system 120 of the LF or DH display 110 limits the 3D image to be provided by the divergence angle for covering the paved area as shown in Fig.

그리고, 2D 디스플레이(140)의 4f 시스템(150)에 위치하는 spatial filter(160)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 포비티드 영역의 주변 영역을 커버하기 위한 발산각으로 2D 영상이 제공되도록 제한한다.The spatial filter 160 located in the 4f system 150 of the 2D display 140 is configured to limit the 2D image to a divergent angle for covering the peripheral area of the paved area, do.

intermediate virtual screen(175)의 LF 혹은 DH 디스플레이(110)의 픽셀별 발광 각도를 도 9 및 도 10과 같이 parameterization하면, spatial filter(130)의 좌표와 각도의 관계는 아래의 식으로 결정된다.9 and 10, the relationship between the coordinates of the spatial filter 130 and the angles is determined by the following equation when the LF of the intermediate virtual screen 175 or the light emission angle of each pixel of the DH display 110 is parameterized as shown in FIGS.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

또한, LF 혹은 DH 디스플레이(110)를 위한 4f 시스템(120)과 2D 디스플레이(130)를 위한 4f 시스템(140)이 사용된 렌즈들의 초점거리가 다르기 때문에, 도 8에 나타난 바와 같이 2D 디스플레이 시스템(130)을 위한 spatial filter(160)는 좌표값이 f4/f2의 비율로 scaling 된다.Also, since the focal lengths of the 4f system 120 for the LF or DH display 110 and the lenses used for the 4f system 140 for the 2D display 130 are different, the 2D display system 130) is scaled with a coordinate value of f 4 / f 2 .

이와 같은 시스템 구성을 통해 intermediate virtual screen(175)은 도 11과 같이 각 픽셀에서 발산하는 빛 중 θD 이내의 각도에서는 LF 혹은 DH 디스플레이로써 기능하게 되며, 그 이외의 각도에서는 2D 디스플레이로써 기능하게 된다. 이 때 각 픽셀로부터의 chief ray들은 모두 평행하게 된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이 intermediate virtual screen(175)의 후단으로부터 거리 g 만큼 떨어진 곳에 초점거리 F인 eyepiece lens(대안 렌즈)(180)를 위치시킴으로써 intermediate virtual screen(175)의 이미지로써 virtual screen을 얻게 되고, virtual screen의 각 픽셀의 발광특성은 의도했던 대로 도 3과 같이 된다.Through such a system configuration, the intermediate virtual screen 175 functions as an LF or DH display at an angle within θ D of light emitted from each pixel as shown in FIG. 11, and functions as a 2D display at other angles . In this case, the chief rays from each pixel are all parallel. As shown in FIG. 6, by placing an eyepiece lens 180 having a focal distance F at a distance g from the rear end of the intermediate virtual screen 175, And the luminescence characteristics of each pixel of the virtual screen are as shown in Fig. 3 as intended.

만약, LF 혹은 DH 디스플레이(110)를 위한 4f 시스템(120)과 2D 디스플레이(140)를 위한 4f 시스템(150)이 동일한 초점거리의 렌즈들을 사용한다면, 각각의 광경로를 도 12와 같이 하나의 광경로로 합칠 수 있다.If the 4f system 120 for the LF or DH display 110 and the 4f system 150 for the 2D display 140 use lenses of the same focal length, Can be combined into a sight path.

이 때, polarization-base mutually exclusive spatial filter(220)는 편광 상태에 기반하여 LF 혹은 DH 디스플레이(110)와 2D 디스플레이(140)를 위한 spatial filter들로써 동작하게 된다. 따라서, LF 혹은 DH 디스플레이(110)와 2D 디스플레이(140)는 서로 orthogonal한 편광 상태를 가져야 하며, 이는 광원에 편광 상태를 부여하거나 디스플레이 앞에 편광판을 부착함으로써 가능하다.At this time, the polarization-based mutually exclusive spatial filter 220 operates as a spatial filter for the LF or DH display 110 and the 2D display 140 based on the polarization state. Accordingly, the LF or DH display 110 and the 2D display 140 must have orthogonal polarization states, which can be achieved by imparting a polarization state to the light source or attaching a polarizer to the front of the display.

LF 혹은 DH 디스플레이(110)와 2D 디스플레이(140)는 반거울(170)을 통해 하나의 광경로로 합쳐지며, 각각의 디스플레이가 orthogonal한 편광 상태를 가지므로 polarization beam splitter(PBS)를 이용하여 합쳐주는 것이 광효율 측면에서 유리할 수 있다. 이후에 두가지 디스플레이는 f1 및 f2의 초점거리를 갖는 렌즈들로 이루어진 4f 시스템(210)을 거치게 되고, frequency domain에는 도 13과 같은 편광 기반의 mutually exclusive spatial filter(220)가 위치하게 된다.The LF or DH display 110 and the 2D display 140 are combined into a single optical path through the half mirror 170. Since each display has orthogonal polarization states, the polarization beam splitter (PBS) Giving it may be advantageous in light efficiency. Thereafter, the two displays pass through a 4f system 210 comprising lenses having f 1 and f 2 focal lengths, and the polarization-based mutually exclusive spatial filter 220 as shown in FIG. 13 is located in the frequency domain.

이때. LF 혹은 DH 디스플레이(110)와 orthogonal한 편광 상태를 갖는 편광판에 aperture를 만들고, 그 aperture를 2D 디스플레이(140)와 orthogonal한 편광 상태를 갖는 편광판으로 막아주게 되면, LF 혹은 DH 디스플레이(110)로부터의 광정보는 aperture 부분만을 통과하게 되고, 2D 디스플레이(140)로부터의 광정보는 aperture 부분에 의해서만 block 되게 되어서 각각의 디스플레이에 대해 도 7 및 도 8과 같은 mutually exclusive spatial filter(130,160)로써의 기능을 동시에 구현할 수 있다.At this time. If an aperture is made in a polarizing plate having a polarization state orthogonal to the LF or DH display 110 and the aperture is blocked by a polarizing plate having a polarization state orthogonal to the 2D display 140, The optical information passes only through the aperture portion and the optical information from the 2D display 140 is blocked only by the aperture portion so that it functions as a mutually exclusive spatial filter 130,160 for each display as shown in Figures 7 and 8 Can be implemented simultaneously.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 foveated LF 혹은 DH 디스플레이를 구현하기 위해 사용되는 LF 혹은 DH 디스플레이의 각 픽셀에서의 광정보의 발산각을 결정하기 위한 기본적인 parameterization이다.14 is a basic parameterization for determining the divergence angle of optical information in each pixel of an LF or DH display used to implement a foveated LF or DH display according to an embodiment of the present invention.

Virtual screen은 사용자 안구의 제일 앞쪽에서 zD 만큼 떨어져 있고, 사용자 동공의 회전반경은 r이다. 이 때, 사용자 동공의 회전 중심이 eyepiece lens에서 초점거리인 F 만큼 떨어져 있기 때문에 virtual screen의 각 픽셀에서 발산되는 chief ray들은 모두 사용자 동공 회전의 중심에 모이게 된다.The virtual screen is z D away from the forefront of the user's eye, and the radius of rotation of the user's pupil is r. In this case, since the center of rotation of the user's pupil is distant from the eyepiece lens by the focal distance F, all of the chief rays emitted from each pixel of the virtual screen are collected at the center of the user's pupil rotation.

Virtual screen의 전체 FOV가 θFOV에 의해 결정될 때, foveated region은 그 중 일부인 θfv에 의해 특징 지어진다. 사용자가 virtual screen의 중심을 주시하고 있다고 할 때, virtual screen 상의 LF 혹은 DH 디스플레이의 픽셀별 광정보 발산각의 크기는 foveated region의 boarder pixel에 의해서 결정되게 되며, 동공 회전 중심에서 주시선 대비 boarder pixel을 바라보는 각도는 θB이다. 이때 θB는 다음의 식으로 결정된다. When the total FOV of the virtual screen is determined by θ FOV , the foveated region is characterized by θ fv , which is part of it. When the user observes the center of the virtual screen, the magnitude of the optical information scattering angle per pixel of the LF or DH display on the virtual screen is determined by the boarder pixel of the foveated region, The angle of view is? B. At this time, θ B is determined by the following equation.

Figure pat00003
Figure pat00003

도 15에 도시된 바와 같이, 사용자가 virtual screen의 중심을 주시하고 있을 때, PE의 폭을 가지는 동공의 중심을 Po라고 하고, LF 혹은 DH 디스플레이의 픽셀별 발산각을 θD라고 했을 때, 최외곽 광선이 동공과 만나는 지점을 PD라고 한다. 이 때, LF 혹은 DH 디스플레이의 각 픽셀이 발산하는 광정보가 동공의 어느 정도 이상의 영역을 커버하여야 accommodation response를 유발할지는 상황에 따라 다를 수 있으므로, 이 값을 δA로 놓으면, 동공에 δA 이상의 영역을 커버할 수 있는 픽셀별 발산각 θD를 계산할 수 있다. 이 조건은 다음의 부등식으로 결정된다. As shown in FIG. 15, when the user is watching the center of the virtual screen, the center of the pupil having the width of P E is denoted by P o , and the divergence angle of the LF or DH display per pixel is denoted by θ D , And the point at which the outermost ray meets the pupil is called P D. At this time, LF, or because the optical information of each pixel in the dispersion of the DH display is to be covered to some extent than the area of the pupil may differ depending on the situation which causes the accommodation response, placing the value to δ A, the pupil more δ A It is possible to calculate the per-pixel divergence angle &thetas; D that can cover the area. This condition is determined by the following inequality.

Figure pat00004
Figure pat00004

앞서 구한 θB를 대입하여 정리하면, θD는 아래의 부등식을 만족하도록 결정된다.When the above obtained θ B is rearranged, θ D is determined so as to satisfy the following inequality.

Figure pat00005
Figure pat00005

지금까지, 수렴초점 불일치 문제 해결을 위한 포비티드 Near-Eye 디스플레이 시스템에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.Up to now, a preferred embodiment has been described in detail for a paved near-eye display system for solving convergent focus disparity problems.

구체적으로, 본 발명의 실시예에서는, foveation의 개념을 사용하여 전체 FOV 중 일부분인 foveated region에 대해서만 accommodation 정보를 제공함으로써, 수렴초점 불일치를 해결하기 위한 디스플레이 요구 픽셀 개수를 최소화 함으로써, 현존하는 디스플레이에서 픽셀 개수를 크게 늘리지 않고도 수렴초점 문제가 해결된 near eye 디스플레이를 구현하였다. 이에 의해, 수렴초점 불일치 문제를 해결하면서도 디스플레이 장치에 요구되는 픽셀의 개수는 최소화 할 수 있게 된다.Specifically, in the embodiment of the present invention, accommodation information is provided only for a foveated region, which is a part of the entire FOV, using the concept of foveation, thereby minimizing the number of display request pixels for resolving the convergence focus mismatch. We implemented a near eye display in which the convergence focus problem was solved without increasing the number of pixels significantly. Thereby, the number of pixels required for the display device can be minimized while solving the convergence focus mismatch problem.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention.

110 : LF 혹은 DH 디스플레이
120, 150, 210 : 4f 시스템
130, 160, 220 : spatial filter
140 : 2D 디스플레이
170 : 반거울(Half Mirror)
175 : intermediate virtual screen
180 : eyepiece lens
110: LF or DH display
120, 150, 210: 4f system
130, 160, 220: spatial filter
140: 2D display
170: Half Mirror
175: intermediate virtual screen
180: eyepiece lens

Claims (18)

제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상을 생성하는 3D 디스플레이; 및
제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 생성하는 2D 디스플레이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
A 3D display for generating a 3D image to provide as a divergent angle for covering the first area; And
And a 2D display for generating a 2D image to be provided as a divergent angle for covering a second area other than the first area.
청구항 1에 있어서,
제1 영역은,
포비티드 영역(Foveated Region)인 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method according to claim 1,
In the first region,
Wherein the 3D display system is a Foveated Region.
청구항 2에 있어서,
제2 영역은,
포비티드 영역의 주변 영역인 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 2,
In the second region,
Is a peripheral region of the paved region.
청구항 2에 있어서,
3D 디스플레이에서 생성된 3D 영상과 2D 디스플레이에서 생성된 2D 영상을 합성하는 반거울;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 2,
And a semi-mirror for synthesizing the 3D image generated in the 3D display and the 2D image generated in the 2D display.
청구항 4에 있어서,
3D 디스플레이에서 생성된 3D 영상을 가상 스크린으로 전달하는 제1 광학 시스템; 및
2D 디스플레이에서 생성된 2D 영상을 가상 스크린으로 전달하는 제2 광학 시스템;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 4,
A first optical system for delivering the 3D image generated in the 3D display to the virtual screen; And
And a second optical system for delivering the 2D image generated in the 2D display to the virtual screen.
청구항 5에 있어서,
제1 광학 시스템에 포함된 렌즈들의 초점 거리들은,
제2 광학 시스템에 포함된 렌즈들의 초점 거리들과 상이한 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 5,
The focal lengths of the lenses included in the first optical system,
Wherein the second optical system is different from the focal lengths of the lenses included in the second optical system.
청구항 5에 있어서,
제1 광학 시스템에 배치되어, 제1 영역을 커버하기 위한 3D 영상의 발산각을 제한하는 제1 공간 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 5,
And a first spatial filter disposed in the first optical system for limiting a divergent angle of the 3D image for covering the first area.
청구항 7에 있어서,
제2 광학 시스템에 배치되어, 제2 영역을 커버하기 위한 2D 영상의 발산각을 제한하는 제2 공간 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 7,
And a second spatial filter disposed in the second optical system for limiting a divergent angle of the 2D image for covering the second region.
청구항 8에 있어서,
가상 스크린의 후단에 위치하는 대안 렌즈;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 8,
And an alternative lens positioned at a rear end of the virtual screen.
청구항 4에 있어서,
3D 디스플레이에서 생성된 3D 영상과 2D 디스플레이에서 생성된 2D 영상을 가상 스크린으로 전달하는 광학 시스템;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 4,
And an optical system for transmitting the 3D image generated in the 3D display and the 2D image generated in the 2D display to the virtual screen.
청구항 10에 있어서,
광학 시스템에 배치되어, 제1 영역을 커버하기 위한 3D 영상의 발산각을 제한하고, 제2 영역을 커버하기 위한 2D 영상의 발산각을 제한하는 공간 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 10,
Further comprising a spatial filter disposed in the optical system for limiting divergence angles of the 3D image for covering the first area and limiting divergence angles of the 2D image for covering the second area, system.
청구항 11에 있어서,
공간 필터는,
제1 편광 상태의 3D 영상을 통과시키기 위한 제1 편광판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 11,
The spatial filter,
And a first polarizer for passing the 3D image of the first polarization state.
청구항 12에 있어서,
공간 필터는,
제2 편광 상태의 3D 영상을 통과시키기 위한 제2 편광판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method of claim 12,
The spatial filter,
And a second polarizer for passing the 3D image of the second polarization state.
청구항 1에 있어서,
3D 디스플레이는,
라이트필드 디스플레이 또는 디지털 홀로그래픽 디스플레이인 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
The method according to claim 1,
The 3D display,
A light field display or a digital holographic display.
제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상을 생성하는 단계; 및
제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 방법.
Generating a 3D image to provide as a divergent angle to cover the first area; And
And generating a 2D image to be provided as a divergent angle for covering a second area other than the first area.
제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상을 생성하는 3D 디스플레이; 및
3D 디스플레이에서 생성된 3D 영상과 제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 합성하는 반거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
A 3D display for generating a 3D image to provide as a divergent angle for covering the first area; And
And a half mirror for synthesizing a 3D image generated in the 3D display and a 2D image to be provided as a divergence angle for covering a second area other than the first area.
제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상을 생성하는 단계; 및
생성된 3D 영상과 제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 합성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 방법.
Generating a 3D image to provide as a divergent angle to cover the first area; And
And combining the generated 3D image with a 2D image to be provided as a divergence angle to cover a second area other than the first area.
제1 영역 이외의 제2 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 2D 영상을 생성하는 2D 디스플레이; 및
제1 영역을 커버하기 위한 발산각으로 제공할 3D 영상과 2D 디스플레이에서 생성된 2D 영상을 합성하는 반거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 디스플레이 시스템.
A 2D display for generating a 2D image to be provided as a divergent angle for covering a second area other than the first area; And
And a semi-mirror for synthesizing a 3D image to be provided as a divergence angle for covering the first area and a 2D image generated in the 2D display.
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