KR20230153483A - 시간 다중화 방식을 사용하여 통합 이미징 기반 광 필드 디스플레이의 성능을 향상시키기 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents

시간 다중화 방식을 사용하여 통합 이미징 기반 광 필드 디스플레이의 성능을 향상시키기 위한 디바이스 및 방법 Download PDF

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슈안 왕
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아리조나 보드 오브 리전츠 온 비해프 오브 더 유니버시티 오브 아리조나
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Abstract

시간 다중화 방식을 사용하는 통합 이미징 기반 광 필드 디스플레이가 개시된다.

Description

시간 다중화 방식을 사용하여 통합 이미징 기반 광 필드 디스플레이의 성능을 향상시키기 위한 디바이스 및 방법
관련 출원
본 출원은 2021년 3월 9일에 출원된 미국 가출원 제63/158,707호의 우선권의 이익을 주장하며, 이 출원(들)의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 통합된다.
본 발명은 일반적으로 광 필드 디스플레이에 관한 것이며, 더 구체적으로는 시간 다중화 방식을 사용하는 통합 이미징 기반 광 필드 디스플레이(integral imaging based light field display)에 관한 것이지만 이것에 배타적이지는 않는다.
통합 이미징(integral imaging; InI) 기반 광 필드 디스플레이는 알려진 수렴-조절 불일치(vergence-accommodation conflict)를 완화하기 위해 올바른 초점 단서를 사용하여 진정한 3D 장면을 달성하기 위한 좋은 기회를 제공한다. 그러나 여전히 해결되어야 할 하나의 주요 과제는 공간 해상도와 깊이 해상도 간의 균형이다. 깊이 해상도를 증가시키려면 3D 장면을 렌더링하기 위해 뷰 수(view number)라고 하는 개별 뷰의 수를 증가시켜야 하며, 한편 뷰 수를 증가시키면 종종 장면의 공간 해상도가 희생된다. 본 개시내용에서, 우리는 높은 공간 해상도를 유지하면서 뷰잉 수를 증가시켜 깊이 해상도를 잠재적으로 증가시킬 수 있는 본 발명에 따른 시간 다중화 InI 기반 광 필드 디스플레이의 설계를 설명한다.
양안 시차 및 기타 화상 깊이 단서를 가진 각 눈에 하나씩 한 쌍의 2차원(2D) 투시 이미지(perspective image)를 통해 3D 장면을 인식할 수 있는 종래의 입체 디스플레이는 일반적으로 올바른 망막 흐림 효과를 렌더링하고 자연스러운 눈 조절 반응을 자극하는 능력이 부족하여 잘 알려진 수렴-조절 불일치(VAC) 문제가 발생한다. 잠재적으로 초점 단서를 렌더링하고 VAC 문제를 극복할 수 있는, 체적 디스플레이, 홀로그램 디스플레이, 다중 초점 평면 디스플레이, 맥스웰 뷰 디스플레이 및 광 필드 디스플레이를 포함한 여러 디스플레이 방법이 실증되었다. 이 모든 방법 중에서, 통합 이미징 기반(InI 기반) 광 필드 디스플레이는 3D 장면의 상이한 깊이의 3D 지점에 의해 명백하게 방출되는 지향성 광선을 재생함으로써 3D 장면을 재구성할 수 있으므로 자연스러운 뷰잉 장면과 유사한 정확한 초점 단서를 렌더링 할 수 있다.
도 1은 마이크로 디스플레이, 마이크로 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 접안렌즈로 이루어진 일반적인 InI 기반 머리 착용 디스플레이(head mounted display; HMD) 시스템의 구성을 예시한다. 3D 장면의 상이한 투시 뷰를 포함하는 요소 이미지(elemental image; EI)의 세트가 마이크로 디스플레이 상에 디스플레이된다. MLA의 각 렌즈릿은 마이크로 디스플레이 상의 EI에 해당하며 중앙 깊이 평면(central depth plane; CDP) 상에서 EI의 공액 이미지를 형성하여 재구성된 3D 장면의 하나의 지향성 샘플을 생성한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, CDP는 MLA를 가로지르는 마이크로 디스플레이의 평면에 광학적으로 공액인 평면인 것으로 구체적으로 정의된 것을 지칭한다. 재구성된 3D 장면은 적절한 깊이 정보를 제공하는 접안렌즈를 통해 관찰자에 의해 뷰잉 창(접안렌즈의 출사동이라고도 알려짐)에서 보여진다. 종래의 2D 디스플레이와 대조되는 광 필드 3D 디스플레이의 뚜렷한 특징은, 3D 장면 지점(예컨대, P)을 렌더링하는 다수의 개별 요소 뷰가 뷰잉 창에 눈의 동공을 배치하여 관찰된다는 것이다; 이러한 뷰는 3D 장면의 망막 이미지 인식을 통합적으로 형성한다.
관찰자의 눈의 조절된 상태(accommodated status)는 지각된 이미지에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 도 1은 해당 요소 이미지에서 3개의 상이한 픽셀(O1, O2, 및 O3)을 통해 3D 지점 O를 렌더링하는 것을 예시한다. 3개의 해당 마이크로 렌즈에 의해 이미징된, 상이한 EI 상의 해당 지점(픽셀)으로부터의 광선 다발은 지점 O으로 수렴되고 접안렌즈를 통해 동공에 추가로 투사된다. 눈이 재구성된 3D 장면의 재구성 지점 O의 깊이에서 조절되면, 도 1에서 예시된 바와 같이, 상이한 EI의 해당 지점(픽셀)으로부터의 광선 다발은 망막 상의 포커싱된 이미지 O'로 수렴될 것이다. 다른 깊이에 있는 재구성된 지점(예컨대, 지점 P)의 경우, 개별 픽셀의 이미지가 망막 상에서 서로 공간적으로 변위되어 망막 흐림을 생성할 것이다. 망막 흐림의 수준은 재구성 깊이와 우리가 현실 세계를 인식하는 방식과 유사한 눈 조절 사이의 차이에 따라 달라진다.
연구는 이미 몰입형 가상현실(virtual reality; VR)과 광학 시스루 증강 또는 혼합 현실(augmented or mixed reality; AR/MR) 애플리케이션 모두를 위한 HMD 설계에 그러한 광 필드 렌더링 접근법을 적응했다. 예를 들어, Lanman과 Luebke는 뷰어의 눈 앞에 마이크로 디스플레이와 마이크로 렌즈 어레이(MLA)를 배치하여 근안 몰입형 광 필드 디스플레이를 실증했다; Hua와 Javidi는 시스루 자유형 확대 접안렌즈(see-through freeform magnifying eyepiece)와 마이크로-InI 유닛을 결합하여 광학 시스루 LF-HMD 시스템을 실증했다(도 2a). 최근에 Huang과 Hua는 3 디옵터가 넘는 확장된 필드 깊이에서 약 3 아크 분의 높은 공간 해상도를 제공하는 광학 시스루 LF-HMD 시스템을 실증했다(도 2b). 이러한 연구는 초점 단서를 렌더링하기 위한 LF-HMD 시스템의 잠재적인 능력을 성공적으로 실증했고 종래의 입체 디스플레이의 잘 알려진 VAC 문제를 해결했지만, 기존의 LF-HMD 프로토타입 중 어느 것도 최첨단 마이크로 디스플레이 기술을 사용하여 인간의 시각에 필적할 만큼 충분히 높은 공간 해상도를 제공할 수 없다. 본 발명자는 재구성된 3D 장면의 공간 해상도가 적절한 뷰 밀도 및 합리적인 아이박스(eyebox)를 달성하기 위해 절충되어야 한다는 것이 주요 과제라는 것을 인식했다.
위에 개시된 것과 같은 그러한 충족되지 않은 필요에 응답하여, 다른 고려사항과 함께, 본 개시내용에서, 우리는 높은 공간 해상도를 유지하면서 뷰잉 수를 증가시켜 깊이 해상도를 증가시킬 수 있는 시간 다중화 InI 기반 광 필드 디스플레이의 예시적인 설계를 설명한다. 본 발명의 양상들 중 하나에서, 본 발명은, (예컨대, 셔터 어레이 또는 스위칭 가능 광원 어레이와 같은) 고속 프로그램 가능 스위칭 가능 어레이를 포함할 수 있고, 디스플레이 상의 다수의 요소 이미지 세트의 렌더링을 시간 다중화 방식으로 동작하는 프로그램 가능 어레이와 동기화시킨다. 그렇게 함으로써, 본 발명의 예시적인 디바이스 및 방법은 약간 상이한 뷰잉 투시로부터 3D 장면을 렌더링하는 다수의 세트의 요소 이미지 중에서 신속하게 스위칭할 수 있다. 결과적으로 공간 해상도를 희생하지 않고도 뷰 수와 뷰잉 밀도가 크게 증가될 수 있다. 본 발명의 또 다른 양상에서, 본 발명은 뷰잉 밀도 및 아이박스 크기를 양보(compromise)하지 않으면서 공간 해상도를 향상시키기 위한 디바이스 및 방법을 제공할 수 있으며, 이러한 몇몇 예시적인 디바이스 및 방법은 본 명세서에 추가로 개시된 바와 같이 구현되고 실험적으로 검증되었다. 우리의 계산에 따르면, 인간의 시각과 필적할 수 있는 높은 공간 해상도 시스템은 본 발명에 따른 InI 시스템의 체계적 매개변수를 적절하게 선택함으로써 달성될 수 있다. 개념 증명 시스템이 구축되었고 제안된 방법의 유효성을 실증했다.
따라서, 본 발명의 양상들 중 하나에서, 본 발명은 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이를 제공할 수 있으며, 이 디스플레이는, 각각의 요소 이미지가 3D 장면의 상이한 투시 뷰를 제공하는 요소 이미지의 세트를 렌더링하도록 구성된 복수의 픽셀을 포함하는 마이크로 디스플레이; 마이크로 디스플레이의 요소 이미지로부터 광을 수신하기 위해 마이크로 디스플레이로부터의 선택된 거리에서 마이크로 디스플레이와 광학적으로 도통하도록 배치된 마이크로 렌즈 어레이로서, 마이크로 렌즈 어레이는 마이크로 렌즈 어레이를 가로지르는 마이크로 디스플레이에 광학적으로 공액인, 마이크로 디스플레이와 연관된 중앙 깊이 평면을 가지며, 마이크로 렌즈 어레이는 요소 이미지로부터 광선 다발을 수신하여 중앙 깊이 평면 주위의 대응 재구성 지점에 통합 이미지를 생성하여 3D 장면의 광 필드를 재구성하도록 구성되는 것인, 마이크로 렌즈 어레이; 및 마이크로 렌즈 어레이와 광학적으로 도통하게 배치되고, 마이크로 렌즈 어레이에 의해 투과된 광을 수신하고 수신된 광을 3D 장면의 광 필드로 투과시키도록 구성된 스위칭 가능 어레이를 포함한다. 스위칭 가능 어레이는 스위칭 가능 어레이를 관통해 요소 이미지 중 선택된 것으로부터의 광을 중앙 깊이 평면으로 선택적으로 지향시키도록 구성될 수 있고, 그리고/또는 마이크로 디스플레이는 마이크로 디스플레이 상의 요소 이미지의 렌더링을 스위칭 가능 어레이의 스위칭과 동기화하여 동기화된 시간 다중화 방식으로 마이크로 디스플레이와 스위칭 가능 어레이를 동작시키도록 구성될 수 있다. 마이크로 렌즈의 어레이는 동일한 초점 길이를 갖는 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
추가 양상에서, 스위칭 가능 어레이는 마이크로 렌즈 어레이와 중앙 깊이 평면 사이의 위치에 배치될 수 있고 그리고/또는 마이크로 렌즈 어레이와 마이크로 디스플레이 사이의 위치에 배치될 수 있다. 스위칭 가능 어레이는 마이크로 렌즈 어레이로부터의 광선이 통과하도록 턴온될 수 있거나 광선이 통과하는 것을 차단하기 위해 턴오프될 수 있는 스위칭 가능 요소를 포함할 수 있다. 프로그램 가능 스위칭 가능 어레이는 셔터 어레이 및/또는 스위칭 가능 광원 어레이를 포함할 수 있다. 마이크로 디스플레이는 자기 발광형(self emissive) 또는 투과형일 수 있고 그리고/또는 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 스위칭 가능 어레이의 각 스위칭 가능 요소의 개구 크기는 마이크로 렌즈 어레이의 각 렌즈릿의 개구보다 작아서, 각 렌즈릿이 스위칭 가능 어레이의 하나보다 많은 요소를 덮는다. 스위칭 가능 어레이는 각각의 스위칭 가능 요소의 개구 크기보다 크기가 더 작은 복수의 픽셀화된 요소를 포함할 수 있다. 배리어 어레이는 광학적으로 도통하는 마이크로 디스플레이와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 3D 장면의 광 필드로부터 광을 수신하기 위해 중앙 깊이 평면으로부터 거리(z0)에 배치된 접안렌즈를 포함할 수 있다. 개구 어레이는 광학적으로 도통하는 마이크로 디스플레이와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 배치될 수 있다. 마이크로 디스플레이에서 개구 어레이까지의 거리는 a로 표시될 수 있고, 개구 어레이의 개구 개방의 직경은 d A 로 표시될 수 있고,
p EI 는 요소 이미지의 치수이고, g는 마이크로 디스플레이에서 마이크로 렌즈 어레이까지의 거리이며, p MLA 는 MLA의 피치이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 대한 전술한 요약 및 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더 이해될 수 있다.
도 1은 통합 이미징에 기초한 머리 착용 광 필드 디스플레이를 개략적으로 예시한다.
도 2a 및 2b는 광학 시스루 머리 착용 통합 이미징 기반 광 필드 디스플레이의 광학 레이아웃을 개략적으로 예시한다.
도 3a는 본 발명에 따른 예시적인 시간 다중화 InI 기반 광 필드 디스플레이(예컨대, 도면의 4x4 요소 뷰 및 4-단계 시간 다중화)를 개략적으로 예시한다.
도 3b는 도 3a의 2D 셔터 어레이의 레이아웃을 개략적으로 예시한다.
도 3c는 도 3a의 시간 다중화 방식에 의해 렌더링된 2D 뷰잉 창의 레이아웃을 개략적으로 예시한다.
도 4는 도 3a의 디바이스의 디스플레이 사이클의 단계 1의 상태에 대한 시간 다중화된 InI 기반 광 필드 디스플레이(예컨대, 도면에서 2x2 EI 및 4-단계(phase) 시간 다중화)의 작동 원리를 개략적으로 예시한다.
도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 단계 1의 중요한 평면에서의 구성 요소 및 풋프린트의 상태를 개략적으로 예시하는데, 여기서 도 5a는 마이크로 디스플레이 상의 요소 이미지를 개략적으로 예시하고, 도 5b는 셔터 어레이의 상태를 개략적으로 예시하고, 도 5c는 중앙 깊이 평면 상의 중간 이미지를 개략적으로 예시하며, 도 5d는 뷰잉 창에서의 요소 뷰 분포를 개략적으로 예시한다.
도 6은 본 발명에 따른 4-위상 시간 다중화 InI 기반 광 필드 디스플레이에서 디스플레이 사이클의 단계 2의 상태를 개략적으로 예시한다.
도 7a 내지 7d는 본 발명에 따른 단계 2의 중요한 평면에서의 구성 요소 및 풋프린트의 상태를 개략적으로 예시하는데, 여기서 도 7a는 마이크로 디스플레이 상의 요소 이미지를 개략적으로 예시하고, 도 7b는 셔터 어레이의 상태를 개략적으로 예시하고, 도 7c는 중앙 깊이 평면 상의 중간 이미지를 개략적으로 예시하며, 도 7d는 뷰잉 창에서의 요소 뷰 분포를 개략적으로 예시한다.
도 8은, MLA의 형상과 배열에 따라 뷰잉 창의 요소 뷰 분포가 또한 도시되면서, 3D 지점이 중앙 깊이 평면(CDP)에서 렌더링되고(예컨대, 도면의 2x2 요소 뷰) 재구성되는 종래의 InI 시스템의 레이아웃을 개략적으로 예시한다.
도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 시간 다중화 하에서 작은 픽셀 요소로 구성된 셔터 어레이의 하위 개구의 레이아웃을 개략적으로 예시하는데, 여기서 도 9a는 단계 1 동안 켜진 셔터 세트 S1을 개략적으로 예시하고, 도 9b는 단계 1 동안 켜진 셔터 세트 S2를 개략적으로 예시한다.
도 10a 및 10b는 본 발명에 따라 뷰 충전율을 향상시키기 위한 예시적인 시간 다중화 InI 기반 광 필드 디스플레이를 개략적으로 예시하는데, 도 10a는 디스플레이 사이클의 단계 1의 상태를 개략적으로 예시하고, 도 10b는 디스플레이 사이클의 단계 2의 상태를 개략적으로 예시한다.
도 11은 본 발명에 따른 2x2 뷰 4-단계 시간 다중화 InI 시스템을 개략적으로 예시한다.
도 12는 개구 어레이를 사용하여 누화 문제를 완화하기 위한 본 발명에 따른 예시적인 디바이스를 개략적으로 예시한다.
도 13a 및 13b는 지향성 마이크로 디스플레이가 활용되는 본 발명에 따른 예시적인 시간 다중화 InI 디스플레이 시스템의 레이아웃을 개략적으로 예시하는데(예컨대, 도면에서 4x4 요소 뷰 및 4-단계 시간 다중화), 도 13a는 디스플레이 사이클의 단계 1의 상태를 개략적으로 예시하고, 도 13b는 디스플레이 사이클의 단계 2의 상태를 개략적으로 예시한다.
도 14는 마이크로 렌즈 어레이와 함께 마이크로 디스플레이를 사용하여 도 13a 및 13b의 지향성 후면 조명 방식의 매개변수를 개략적으로 예시한다.
도 15a 및 15b는 본 발명에 따른 광원 셀에서 다수의 광원 요소를 갖는 광원 어레이를 활용함으로써 충전율을 개략적으로 예시하며, 각 광원 셀은 8x8 광원 요소를 포함하고, 상이한 단계 사이의 조명된 영역의 중첩은 충전율이 1보다 클 수 있도록 한다.
도 16은 본 발명에 따른 예시적인 시간 다중화 InI 기반 광 필드 시스템으로 구성된 프로토타입을 예시한다.
이제 유사한 요소는 전체적으로 동일하게 번호가 매겨져 있는 도면을 참조하면, 도 3은 마이크로 디스플레이(102), 마이크로 렌즈 어레이(MLA)(104), 스위칭 가능 셔터 어레이(shutter array; SA)(106)와 같은 고속 프로그램 가능 스위칭 가능 어레이, 및 접안렌즈 광학계(108)를 포함할 수 있는 본 발명에 따른 예시적인 시간 다중화 InI 기반 3D 광 필드 디스플레이(100)의 개략도를 도시한다. 마이크로 디스플레이(102)는 광을 방출하는 유기 발광 디스플레이(organic light-emitting display; OLED)와 같은 자기 발광형 디스플레이 또는 액정 디스플레이(liquid-crystal display; LCD)와 같은 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM) 또는 조명원을 변조하는 디지털 미러 디바이스(digital mirror device; DMD)일 수 있다. SLM의 경우, 마이크로 디스플레이(102)는 조명원을 투과하거나 반사하여 2D 이미지 패턴을 생성함으로써 투과 또는 반사 모드에서 기능할 수 있다.
마이크로 디스플레이(102)는 각각이 3D 장면의 투시 뷰를 제공하는 상이한 세트의 요소 이미지(EI)(101)를 렌더링할 수 있다. 마이크로 디스플레이(102)는 MLA(104)로부터 거리 g만큼 떨어져 배치될 수 있다. MLA(104)는 동일한 초점 길이를 갖는 마이크로 렌즈(105)의 어레이를 포함할 수 있다. 마이크로 디스플레이(102) 상에 렌더링된 요소 이미지(101) 각각은 MLA(104)의 대응하는 마이크로 렌즈를 통해 중앙 깊이 평면(CDP)(109) 상으로 이미징될 수 있다. 마이크로 렌즈(105)의 가로 배율에 따라 요소 이미지(101)의 공액 이미지가 CDP(109) 상에 중첩될 수 있다. MLA(104)는 3D 광 필드의 지향성 샘플링을 생성하는 데 도움이 된다. EI(101)로부터의 광선 다발은 해당 마이크로 렌즈(105)에 들어가고 해당 재구성 지점(예컨대, 지점 P)에서 통합되어 3D 장면의 광 필드를 재구성한다. 각 EI(101)의 투시 내용을 변경하면 상이한 깊이의 객체가 렌더링될 수 있다. 스위칭 가능 셔터 어레이(106)는 마이크로 디스플레이(102)로부터의 광선이 통과하도록 턴온될 수 있거나 광선 통과를 차단하기 위해 턴오프될 수 있는 스위칭 가능 요소의 어레이를 포함할 수 있다(도 3a). 셔터 어레이(106)는 MLA(104)의 어느 한 측부(예컨대, 앞 또는 뒤)에 인접하게 배치될 수 있다. 셔터 어레이(106)와 MLA(104) 사이의 간격은 아티팩트를 감소시키기 위해 최소화될 수 있다. 셔터 어레이(106)는, 마이크로 디스플레이(102) 상에 상이한 세트의 EI(101)가 렌더링될 수 있고, 선택된 개구 세트의 온 상태 및 오프 상태에 동기화된 상이한 세트의 EI(101)의 렌더링과 함께 시간 다중화 방식으로 MLA(104)에 의해 이미징될 수 있도록 MLA(104)를 통해 (예컨대, 도 3a의 흰색 음영 경로와 회색 음영 경로를 통해) 상이한 광선 경로 사이에서 신속한 스위칭을 제공할 수 있다. 시간 다중화된 EI(101) 세트는 재구성된 3D 장면에 대해 렌더링되는 투시 뷰의 수를 효과적으로 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 재구성 지점 P에 대한 뷰 수는 도 3a에 예시된 바와 같이 두 세트의 EI(101)와 SA(106)의 두 상태를 단순히 시간 다중화함으로써 두 배가 된다.
CDP(109)로부터 거리 z0만큼 떨어져 배치될 수 있는 접안렌즈(108)는 (마이크로 디스플레이(102) 및 MLA(104)를 포함하는) 통합 이미징 유닛에 의해 형성된 재구성된 3D 장면을 확대하고 재구성된 3D 장면을 시각적 공간으로 이미징할 수 있다. 접안렌즈(108)는 단일체 또는 이중체, 전통적인 회전 대칭 렌즈 그룹, 또는 단일체 자유형 프리즘과 같은 임의의 적합한 구성으로 제공될 수 있다. 접안렌즈(108)는 재구성된 3D 장면으로부터의 광선 다발을 관찰자가 확대된 가상 3D 장면을 관찰하기 위해 자신의 눈의 동공을 배치할 수 있는 뷰잉 창(110) 상으로 투사할 수 있다. 요소 뷰로부터 각 광선 다발의 풋프린트는 개념적으로 도 3a의 작은 정사각형에 의해 예시된다. 뷰잉 창(110) 상의 광선 풋프린트의 실제 형상은 주로 마이크로 렌즈(105) 개구의 형상에 따라 달라진다. 예를 들어, 마이크로 렌즈(105) 개구의 형상이 원형이라면, 광선 풋프린트도 원형일 것이다.
도 3b는 2D 셔터 어레이(106)의 개략적인 레이아웃을 예시하는 반면, 도 3c는 시간 다중화 방식에 의해 렌더링된 2D 뷰잉 창(110)의 개략적인 레이아웃을 예시한다. 각각의 스위칭 가능 요소의 개구 크기(d SA )는 바람직하게는 렌즈릿(105)의 개구(d MLA )보다 작아서, 각 렌즈릿(105)은 셔터 어레이(106)의 하나보다 많은 요소를 덮는다. 각각의 렌즈릿(105) 아래의 상이한 셔터 요소를 턴온하거나 턴오프하는 것에 의해, 렌즈릿(105)의 상이한 부분이 선택되어 상이한 EI(101) 세트의 픽셀로부터 광선 다발이 이미징될 수 있게 된다. 예를 들어, 도 3a 및 3b에서, 셔터 어레이(106)의 흰색 요소(S1)를 스위칭 온함으로써, 각 렌즈릿(105)의 상단 절반이 선택되고, 제1 EI(101) 세트(도 3a에서 실선으로 예시됨)에 의해 렌더링된 픽셀로부터의 광선은 3D 장면의 광 필드의 일부(예컨대, 지점 P)를 재구성하기 위해 이미징된다. 유사하게, 셔터 어레이(106)의 회색 요소가 스위칭 온되면, 각 렌즈릿(105)의 하단 절반이 선택되고 제2 EI(101) 세트(도 3a에서 점선과 회색 음영에 의해 예시됨)에 의해 렌더링된 픽셀로부터의 광선은 3D 장면의 광 필드의 두 번째 부분(예컨대, 지점 P)을 재구성하기 위해 이미징된다. 렌즈릿(105)의 상이한 부분을 통해 상이한 세트의 요소 이미지(101)에 의해 렌더링된 광선 다발은 뷰잉 창(110) 상의 상이한 위치에 투사되어 뷰어의 동공 상에 독특한 뷰 진입 위치를 형성한다. 제안된 시간 다중화 방법은 마이크로 렌즈 어레이 피치에 대한 셔터 크기의 비율에 따라 뷰 수와 뷰잉 밀도를 증가시킬 수 있다.
셔터 어레이(106)는 기존의 공간 광 변조기(SLM) 기술로부터 적응될 수 있다. 그러나 낮은 픽셀 충전율을 갖는 일반적인 SLM의 픽셀 구조로 인해 심각한 회절 효과가 발생할 수 있다. 픽셀화된 개구 구조의 회절 효과를 최소화하려면 85%보다 큰 픽셀 충전율이 필요하지만, 상업적으로 이용 가능한 투과형 액정 디스플레이의 충전율은 이 요건보다 훨씬 낮다. 그러나 실리콘 액정 표시 장치(liquid crystal on silicon; LCoS) 기술과 같이 상업적으로 이용 가능한 여러 반사형 공간 광 변조기의 충전율 및 스위칭 속도는 요건을 충족할 수 있다. 그러나 LCoS의 반사 특성으로 인해 LCoS를 MLA 개구 평면에 이미징하려면 릴레이 광학계가 필요하므로 시스템 체적이 크게 늘어난다.
도 4 내지 도 7d는 본 발명에 따른 예시적인 4-단계 시간 다중화 InI 기반 광 필드 디스플레이(100)의 작동 원리를 추가로 예시하며, 여기서는 예시를 위해 2 x 2 요소 이미지(101)만 도시되어 있다. 이 예시에서, 셔터 어레이(106)의 개구 크기는 렌즈릿(105) 피치의 절반일 수 있어서, MLA(104)의 각 렌즈릿(105)은 4-단계 시간 다중화 사이클의 단계에 각각 대응하는 4개의 하위 개구로 분할되고, 대응하는 EI(101) 세트는 각 하위 개구 또는 단계에 대해 렌더링된다. 도 4와 도 6은 각각 전체 디스플레이 사이클의 두 개의 상이한 단계를 도시한다. 각 단계에서, 광선이 렌즈릿(105)의 대응하는 하위 개구를 통과할 수 있도록 한 세트의 셔터(예컨대, 단계 1에 대해 S 1 과 단계 2에 대해 S 2 )만 스위치 온되었다. 한편, 개방 셔터 세트에 대응하는 우측 투시 뷰를 갖는 한 세트의 EI(101)가 마이크로 디스플레이(102) 상에 디스플레이된다. 예를 들어, P 1,1 , P 1,2 , P 1,3 및 P 1,4 는 3D 지점 P를 재구성하기 위해 마이크로 디스플레이(102) 상에 디스플레이된 EI(101) 세트 1의 4개의 인접한 요소 이미지(101) 상의 픽셀을 나타낸다(도 5a). 마이크로-디스플레이(102) 상의 이들 4개의 지점은 마이크로 렌즈릿(105)의 대응하는 하위 개구에 의해 이미징되고, CDP(109) 상에 각각 4개의 이미지(P' 1,1 , P' 1,2 , P' 1,3 및 P' 1,4 )를 형성한다. 이 네 지점으로부터 방출된 광선은 해당 개방 셔터 세트를 통과하여 재구성된 지점 P로 수렴되고, 그런 다음, 접안렌즈(108)에 의해 뷰잉 창(110)에 4개의 요소 뷰를 형성한다(도 4). i) 마이크로 디스플레이(102) 상에 렌더링된 픽셀, ii) 대응하는 개방 셔터 세트, iii) CDP(109) 상의 픽셀의 투사, 및 iv) 단계 1에 대한 뷰잉 창 평면(110) 상의 그것들의 광선 풋프린트가 각각 도 5a 내지 5d에 실선 윤곽으로 예시되어 있다. 이들 도면에서는 다른 단계의 픽셀 렌더링 및 광선 풋프린트도 도시되지만 점선 윤곽을 사용한다. 첫 번째 아래 첨자는 디스플레이 사이클의 4개 단계 중의 단계 번호(1, 2, 3 또는 4)를 나타내고 두 번째 아래 첨자는 뷰 번호를 나타낸다. 예를 들어, 디스플레이 사이클의 단계 1에서는 셔터 세트 S 1 이 스위칭 온되고 P 1,1 , P 1,2 , P 1,3 및 P 1,4 를 포함하는 EI(101)의 세트가 디스플레이된다(도 5a). 4개의 중간 이미지(P' 1,1 , P' 1,2 , P' 1,3 및 P' 1,4 )가 CDP(109) 상에 형성되고(도 5c), 광선은 각각 4개의 요소 뷰(V 1,1 , V 1,2 , V 1,3 및 V 1,4 )에 대응하는 4개의 하위 창으로 구성된 뷰잉 영역(V1)만을 통과할 수 있다(도 5d). 도 7a 내지 7d는 i) 마이크로 디스플레이(102) 평면 상의 픽셀, ii) 개방 셔터 세트, iii) CDP(109) 상의 이미지, 및 iv) 단계 2에 대한 뷰잉 창(110) 평면 상의 광선 풋프린트의 상태를 각각 도시한다. 각 단계에서, 개방 셔터 세트에 대응하는 요소 뷰만 렌더링되며, 이는 도 4 및 도 6의 뷰잉 창(110)에 흰색 뷰잉 영역(V 1 및 V 2 )으로서 도시된다. 셔터 어레이(106)와 상이한 세트의 요소 이미지(101)를 시간 다중화 방식으로 결합함으로써, 모든 요소 뷰는 전체 디스플레이 사이클 동안 인간의 눈에 의해 통합적으로 수신될 수 있다. 마이크로 렌즈(105) 피치에 대한 셔터 크기의 비율은 디스플레이 사이클의 단계 수에 따라 달라진다. 전체 디스플레이 사이클이 4개의 단계를 포함할 수 있는 도 4 및 6에 도시된 경우에서, 셔터 개구의 크기는 마이크로 렌즈(105) 피치의 절반과 같다. MLA(104) 렌즈 피치에 대한 셔터 크기의 다른 비율이 본 발명에 따라 다른 뷰 분포를 달성하기 위해 선택될 수 있다는 것이 명백하다.
도 4 내지 7d에 설명된 방식은 M이 1보다 큰 M-단계 시간 다중화에 쉽게 적용할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있다. 셔터 어레이(106)의 개구 요소가 하나보다 많은 픽셀화된 요소를 포함할 수 있다는 점은 추가로 주목할 가치가 있다. 예를 들어, 작은 픽셀을 포함하는 공간 광 변조기는 프로그램 가능한 셔터 어레이(106)로서 채택될 수 있고, 따라서 개구 요소 각각은 다수의 픽셀 요소를 포함할 수 있다. 이러한 픽셀화된 개구 요소는 하위 개구가 큰 면적을 갖고 상이한 세트의 픽셀 요소를 그룹화함으로써 서로 중첩되는 것을 가능하게 한다. 이러한 하위 개구의 중첩은 시간 다중화된 하위 뷰잉 창(110)의 중첩을 초래할 수 있으며, 이는 공간 해상도 및 깊이 해상도에 대한 잠재적인 개선을 제공한다. 그 효과는 아래에서 더 자세히 실증될 것이다.
제안된 시간 다중화 InI 기반 광 필드 디스플레이가 본 발명에 따라 다양한 구성에서 디스플레이 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 실증하기 위해, 먼저 도 8에 도시된 것처럼 셔터 어레이(106)가 없는 단일 세트의 요소 이미지(101)에 대한 종래의 InI 기반 광 필드 디스플레이의 개략적인 레이아웃(800)을 사용하여 주요 매개변수 관계를 도출한다. MLA(804)는 동일한 초점 길이(f MLA )를 갖는 마이크로 렌즈(805)의 어레이를 포함할 수 있다. 마이크로 디스플레이(802)와 MLA(804) 사이의 간격은 g로 표시되고, MLA(804)에서 CDP(809)까지의 거리는 l CDP 로서 표시된다(도 8). 재구성된 장면의 CDP(809)와 접안렌즈(808) 사이의 거리는 z 0 이고, 뷰잉 창(810)은 접안렌즈(808)로부터 거리(Z XP )만큼 위치된다. 간격(g)이 초점 길이(f MLA )와 같거나 작을 때, 마이크로 디스플레이(802)의 좌측에 가상 CDP(809)가 형성되고 렌즈릿을 떠나는 광선 다발은 발산하는 것처럼 보인다. 도 8에 예시된 바와 같이, 간격(g)이 초점 길이(f MLA )보다 큰 경우, 실제 CDP(809)는 마이크로 디스플레이(802)의 우측에 형성되고, 렌즈릿을 떠나는 광선 다발은 CDP(809) 쪽으로 수렴되는 것처럼 보인다.
CDP(809)가 MLA(804)를 통한 마이크로 디스플레이(802)의 광학적 공액 이미지라고 가정하면, 그 위치는
에 의해 주어지고, 여기서 m MLA 는 MLA(804)의 가로 배율이고 m MLA 는:
에 의해 주어진다.
도 8에 예시된 바와 같이, 뷰잉 창(810) 상의 요소 뷰의 광선 풋프린트 및 뷰잉 창(810) 상의 모든 요소 뷰(801)의 분포는 MLA(804)의 형상과 배열에 따라 달라진다. MLA(804)의 피치는 pMLA로서 표시되고, 마이크로 렌즈의 직경은 d MLA 로서 표시된다. 그런 다음, 뷰잉 창(810) 평면 상의 요소 뷰의 풋프린트 크기 d는:
로서 표현될 수 있고, 여기서 f 접안렌즈 는 접안렌즈의 초점 길이이다.
2개의 인접한 요소 뷰 사이의 측방향 변위 또는 뷰잉 창(810) 상의 요소 뷰 분포의 피치 s는:
로서 표현될 수 있다.
요소 뷰의 풋프린트 충전율 α는 두 인접한 뷰의 풋프린트들 사이의 피치 s에 대한 요소 뷰의 광선 풋프린트 크기 d의 비율로서 정의된다:
도 8의 예에서 도시된 바와 같이, 충전율 α는 MLA(804)의 물리적 배열과 마이크로 디스플레이(802)로부터의 광선 다발의 개구수(numerical aperture; NA)에 의해 제한되기 때문에 일반적으로 0부터 8까지의 범위에 있다. 충전율이 낮으면 큰 회절 효과와 뷰잉 불연속성 아티팩트를 도입할 수 있다는 것에 주목한다.
InI 기반 광 필드 디스플레이의 뷰 샘플링 특성은 단위 영역당 뷰 수로서 정의되는 뷰 밀도(σ 뷰 )를 특징으로 할 수 있다. 이는 뷰 창 상의 요소 뷰의 피치에 의해 정의된 영역의 역수를 계산하여 얻어질 수 있다. 간단히 하기 위해, 여기서 우리는 요소 뷰가 직사각형 어레이의 뷰잉 창(110) 상에 균일하게 분포되어 있고, 각 요소 뷰의 광선 풋프린트는 또한 도 5a 내지 5d에 도시된 바와 같이 완전한 정사각형이라고 가정한다. 원형 개구 렌즈릿 어레이 또는 또 다른 원형 개구 어레이가 활용된다면 광선 풋프린트는 도 8에 예시된 바와 같이 원형일 수 있다. 그러면, 뷰 밀도는
에 의해 표현될 수 있다.
재구성된 3D 장면을 렌더링하는 모든 요소 뷰의 풋프린트 치수의 합산은 3D 재구성된 장면의 광 필드가 관찰될 수 있는 D 아이박스 로서 표시되는 디스플레이의 뷰잉 윈도우(110) 또는 아이박스의 치수를 정의한다. 수평 또는 수직 방향의 아이박스의 전체 크기는 CDP(109) 상의 재구성된 지점에 대응하는 상이한 EI(101)로부터의 광선 다발을 통합하여 대략적으로 얻어질 수 있고
로서 추정되며, 여기서 N은 3D 지점을 재구성하는 데 사용되는 수평 방향 또는 수직 방향의 뷰 수이며, 이는 CDP(109) 상의 MLA(104)의 가로 배율(m MLA )과 동일하다.
회절에 의한 이미지 열화 영향을 고려하지 않고, 뷰잉 창(110)에서 관찰되는 재구성된 3D 장면의 각도 해상도는
로서 표현될 수 있으며, 여기서 p는 마이크로 디스플레이(102)의 픽셀 크기이다. 높은 공간 해상도를 제공하는 디스플레이를 달성하기 위해 β의 작은 값이 필요하다.
InI 기반 광 필드 디스플레이의 경우, 잘 알려진 수렴-조절 불일치(VAC) 문제를 완화하기 위한 필드의 큰 깊이, 높은 종단 깊이 해상도, 낮은 이미지 아티팩트, 및 정확한 조절 단서를 갖는 3D 장면을 렌더링할 수 있는 광 필드 디스플레이를 달성하기 위해서는 높은 뷰잉 밀도(σ 뷰 )가 필요하다. 뷰잉 밀도와 이러한 디스플레이 성능 지표 사이의 분석적 관계는 Huang과 Hua에 의해 철저하게 조사되었다. 수학식 6에 의해 실증된 바와 같이, 뷰잉 밀도(σ 뷰 )는 요소 뷰 분포의 피치(s)의 제곱에 반비례한다. 높은 뷰잉 밀도를 달성하려면 인접한 요소 뷰들 사이에 작은 피치가 필요하다. 반면에, 수학식 4에 의해 제안된 바와 같이, 2개의 인접한 요소 뷰 사이의 광선 풋프린트의 피치(s)는 MLA(104)의 광학 배율(m MLA )에 반비례하고, MLA(104)의 피치(p MLA )에 비례한다. 그러므로, 높은 뷰잉 밀도를 달성하기 위해서는 렌즈릿에 의한 낮은 광학 배율이 바람직할 것이다. 하지만, 수학식 7에 의해 제안된 바와 같이, 아이박스 크기(D 아이박스 )는 뷰잉 창(110) 상의 요소 뷰의 광선 풋프린트 피치에 정비례하며, 이는 렌즈릿의 낮은 광학 배율이 선택될 때 작은 아이박스가 생성된다는 것을 암시한다. 더 나아가, 수학식 8에 의해 암시된 바와 같이. MLA(104)의 큰 배율은 픽셀 당 각도 해상도의 큰 값으로 이어질 것이며, 이는 디스플레이로서 빈약한 공간 해상도와 낮은 이미지 품질을 생성한다.
도 3a에 예시된 바와 같이 본 발명에 따라 3D 광 필드를 렌더링하기 위해 제안된 시간 다중화 시스템 및 방법에 대해 유사한 매개변수 관계가 도출될 수 있다. 그러나 도 8에 예시된 종래의 InI 기반 디스플레이 방법과는 달리 3차원 장면을 렌더링하기 위한 요소 뷰는 동시에 렌더링되지 않고 시간 다중화 방식으로 렌더링된다. 도 3a에 예시된 바와 같이, 4 x 4 개별 요소 뷰를 통해 3D 이미지 지점 P를 재구성하기 위해 이러한 16개 요소 뷰는 4개의 세트의 요소 이미지(101)로 분할되고 각 세트의 요소 이미지(101)는 4개의 요소 뷰를 포함한다. 4개의 세트의 요소 이미지(101)는 도 4 내지 7d에 설명된 바와 같이 4-단계 시간 다중화 방식으로 렌더링된다.
일반화된 구성에서는 시간 다중화된 광 필드의 모든 요소 뷰를 렌더링하기 위해 상이한 단계에 대한 상이한 세트의 요소 뷰가 서로 인터레이스된다. 도 3a 내지 7d에 예시된 바와 같이, 주어진 단계에서 스위칭 온된 인접한 셔터 요소들 사이의 피치(예컨대, 도 4의 S1)는 pSA로서 표시된다. 그것은 동일한 단계에서 렌더링되는 요소 뷰의 피치를 결정한다. 그러나 시간 다중화 방식을 통해 인터레이스된 요소 뷰의 유효 피치는 훨씬 더 작다. 그것은 수평 방향 및 수직 방향으로 각각 단일 단계에 의해 렌더링된 인접한 뷰들 사이에 인터레이스될 단계 수(MH 및 MV)에 따라 달라진다. 필요한 총 단계 M은 M=MH*MV로서 제공된다. 일반성을 잃지 않고 동일한 수의 뷰가 수평 방향 및 수직 방향으로 인터레이스된다고 가정한다(예컨대, MH=MV). M －단계 시간 다중화 시스템에서， 셔터　상의 인접한 인터레이스된 하위 개구의 유효 피치는
로서 표현될 수 있다.
도　3a에　도시된　바와　같이，인터레이스된 요소 뷰들 간에 균일한 분포를 보장하기　위해，우리는　수평 방향　및 수직 방향으로 각각 두 개의 후속 단계에서 스위칭　온된　셔터 요소들 사이의 측방향　변위(Δd SA-H 및 Δd SA-V )를 신중하게 선택해야 한다. 일반성을 잃지 않고 수평 방향　및 수직 방향으로 동일한 측방향　변위를 가정해 본다(즉，Δd SA-H =Δd SA-V = Δd SA ). 상이한 단계(예컨대, 도 4의 S1과 S2)에서 스위칭 온되는 인접한 셔터 요소들사이의 측방향 변위(Δd SA )는 다음 관계를 충족해야 한다:
이 경우, 도 3c에 도시된 바와 같이, 뷰잉 창(110) 상의 각 요소 뷰의 광선 풋프린트 크기(d TM )는 렌즈릿의 개구 크기(d MLA ) 대신 셔터 요소의 개구 크기(d SA )에 따라 달라진다. 마찬가지로 뷰잉 창(110) 상에 인터레이스된 2개의 인접한 요소 뷰 사이의 광선 풋프린트 피치(s TM )는 MLA(104)의 렌즈릿 피치(p MLA ) 대신 셔터 개구의 유효 피치(p SA,eff )에 따라 달라진다. 뷰잉 창(110) 상의 광선 풋프린트 크기(d TM )와 시간 다중화 InI 시스템에서 동일한 마이크로 렌즈에 대응하는 두 개의 인접한 요소 뷰 사이의 측방향 변위(Δd TM )는
로서 표현될 수 있다.
수학식 11 및 12와 유사하게, 시간 다중화 InI 시스템에 대한 뷰잉 창(110)에서의 요소 뷰의 유효 피치(s TM )는 셔터 상의 인접한 인터레이스된 하위 개구의 유효 피치에 따라 달라질 것이며,
로서 표현될 수 있다.
시간 다중화 시스템에서 요소 뷰의 충전율은
로서 표현된다.
종래의 시스템과 달리, 요소 뷰의 충전율은 MLA(104)의 충전율 대신 셔터 어레이(106)의 충전율에 따라 달라진다. 이는 우리가 이전에 언급하고 후속 구현 및 실시예에서 논의한 것처럼 하위 개구가 서로 중첩될 수 있기 때문에 요소 뷰의 넓은 범위의 충전율을 허용한다. 이는 1보다 큰 충전율을 가능하게 하고 MLA(104)의 물리적 충전율 제한을 극복하며 잠재적으로 InI 시스템의 구현을 확장한다.
시간 다중화 렌더링 방법에서, 각 마이크로 렌즈는 M개의 단계의 M개의 세트의 요소 뷰를 렌더링하는 데 사용될 것이다. 이는 3D 지점을 재구성하는 데 사용되는 뷰 수가 더 이상 MLA(104)의 가로 배율(m MLA )과 동일하지 않음을 의미한다. 따라서, 시간 다중화 시스템에 대한 수평 방향 또는 수직 방향의 뷰잉 창(110) 또는 아이박스의 치수는
로서 표현된다.
회절 효과를 고려하지 않고, 시간 다중화 시스템에 대해 뷰잉 창(110)에서 관찰되는 재구성된 장면의 각도 해상도는 수학식 8에 의해 표현될 수 있다.
수학식 1 내지 15에 의해 특징지어지는 매개변수 관계에 기초해, 상이한 애플리케이션의 요구에 따라 전체 디스플레이 품질에 대한 상이한 양상의 개선을 달성하기 위해 본 발명에 따라 제안된 시간 다중화 방식의 실시예를 구현하기 위한 몇 가지 상이한 방식이 있다.
예시적인 구현 1: 뷰 밀도 우선 방식
위에서 설명된 매개변수 관계에 기초하여, 시간 다중화 광 필드 시스템의 본 발명에 따른 한 가지 가능한 구현은 아이박스의 주어진 크기를 유지하고 동일한 피치 및 동일한 광학 배율의 렌즈릿을 사용하면서 요소 뷰의 수와 뷰 밀도를 증가시키는 것이다. 뷰 밀도를 향상시키기 위한 4-단계 시간 다중화 시스템(100)에 대한 개략적인 레이아웃이 도 3a에 예시되어 있다. 수학식 9에 의해 보여진 바와 같이, 시간 다중화 방식에 의해 렌더링될 수 있는 전체 뷰 수는 셔터 어레이(106)의 유효 피치(p SA,eff )에 대한 MLA(104) 피치(p MLA )의 비율에 따라 달라진다. 주어진 MLA(104)에 대해, 더 작은 유효 셔터 피치 크기를 선택하는 것은 더 많은 요소 뷰(101)를 제공할 것이지만, 셔터 어레이(106) 및 마이크로 디스플레이가 M개의 세트의 요소 뷰(101)를 충분히 빠르게 렌더링할 수 있도록 더 높은 재생률을 필요로 하여, 눈이 깜박임의 영향을 받지 않고 시간 다중화 방식으로 그러한 요소 뷰를 볼 수 있다. 최첨단 디스플레이 기술의 재생률 제한을 고려하면 도 3a에 예시된 대로 4-단계 렌더링 프로세스에 대해 2의 비율이 권장된다.
뷰 밀도 향상 방식에서 MLA(104), 접안렌즈(108)에 대한 광학 사양 및 상대적 간격은 도 8에 도시된 대로 종래의 비다중화 방식에 대한 것과 동일하도록 선택되어야 한다. 결과적으로, M-단계 다중화 시스템에 대한 수학식 8에 의한 공간 해상도뿐만 아니라 수학식 15에 의해 주어진 전체 아이박스 크기는 비다중화 시스템의 그러한 매개변수와 동일할 것이다. 그러나 다중화 시스템의 총 뷰 수는 비다중화 시스템의 M배이다. 수학식 13에 의해 주어진 인접한 요소 뷰(101)의 광선 풋프린트 피치는 실질적으로 더 작을 것이며 해당 뷰 밀도는 비다중화 시스템보다 시간 다중화 시스템에 대해 실질적으로 더 높을 것이다.
비교를 위해 표 1은 도 3a에 도시된 바와 같은 4-단계 시간 다중화 방식의 광학 사양을 나열하고 동일한 광학 사양이 셔터 어레이(106) 없이 도 8에 도시된 비시간 다중화 방식에도 적용될 것이다. 이 설계 예에서, 마이크로 디스플레이의 픽셀 피치 p는 8um이다. MLA(104)의 모든 마이크로 렌즈는 3mm의 동일한 초점 길이를 갖다. MLA(104)의 마이크로 렌즈 직경(d MLA ) 및 렌즈릿 피치는 모두 1mm이다. 접안렌즈(108)의 초점 길이는 18mm이고 CDP(109)와 접안렌즈(108) 사이의 거리는 18mm이다. 뷰잉 창(110)은 접안렌즈(108)의 후방 24mm에 위치된다. 시간 다중화 방법에 대해 셔터 어레이(106)의 피치(p SA )는 1mm이고 셔터 어레이(106) 시스템의 개구 크기(d SA )는 0.5mm이다.
사양 값
픽셀 피치 (p) 8um
MLA의 초점 길이 (f MLA ) 3mm
MLA의 피치 (p MLA ) 1 mm
마이크로 렌즈의 직경 (d MLA ) 1mm
마이크로 디스플레이와 MLA 사이의 거리 (g) 4.5mm
MLA와 CDP 사이의 거리 (l CDP ) 9mm
CDP와 접안렌즈 사이의 거리 (z 0 ) 18mm
접안렌즈의 초점 길이 (f 접안렌즈 ) 18mm
접안렌즈와 뷰잉 창 사이의 거리 (z XP ) 18mm
셔터 어레이의 피치 (p SA ) 1mm
셔터 어레이의 개구 크기 (d SA ) 0.5mm
4-단계 시간 다중화 InI 시스템의 광학 사양
표 2는 도 3a의 본 발명에 따른 뷰 밀도 우선 시간 다중화 InI 시스템(100)과 도 8의 종래의 InI 디스플레이 시스템(800) 간의 뷰잉 매개변수의 비교를 도시한다. 우리는 본 발명의 시간 다중화 InI 시스템(100)이 종래의 비다중화 시스템과 동일한 아이박스 크기 및 각도 해상도를 갖는 반면, 그 뷰 수 및 뷰잉 밀도가 본 발명에 따른 시간 다중화 시스템에 대한 뷰 수 및 뷰잉 밀도의 4배임을 알 수 있다.
시간 다중화 InI 종래의 InI
아이박스 ( D 아이박스 ) 4mm x 4mm 4mm x 4mm
뷰 수 ( N ) 4x4 2x2
뷰잉 밀도 ( σ 뷰 ) 1mm -2 0.25mm -2
충전율 ( α ) 1 1
각도 해상도 ( β ) 3.06 각분 3.06 각분
뷰 밀도 우선 시간 다중화 InI 시스템과 종래의 InI 디스플레이 시스템 간의 뷰잉 특성 비교
예시적인 구현 2: 뷰잉 충전율 우선 방식
요소 뷰의 충전율은 공간 해상도와 광 필드 디스플레이의 시각적 외관 모두에서 매우 중요한 역할을 할 수 있다. 종래의 InI 기반 디스플레이에서, 수학식 5에 의해 제안된 것처럼, 요소 뷰의 충전율은 마이크로 렌즈 배열의 물리적 제약에 의해 제한되며 일반적으로 0과 1 사이이다. 위에서 설명된 매개변수 관계에 기초하여, 시간 다중화 광 필드 시스템의 또 다른 대안적인 구성은 총 뷰 수 또는 아이박스 크기 및 공간 해상도와 같은 주어진 세트의 뷰잉 매개변수를 유지하면서 요소 뷰의 충전율을 향상시키기 위한 다중화 방식을 적응시키는 것이다. 수학식 14에 의해 제안된 바와 같이, 시간 다중화 시스템의 뷰 충전율은 하위 개구 크기(d SA )와 유효 하위 개구 피치(p SA,eff ) 간의 비율에 의해 정의된다. 도 9a 및 9b에 의해 예시된 바와 같이, 도 3a의 셔터 어레이(106)는 액정 디스플레이 어레이 또는 디지털 미러 디바이스 어레이와 같은 작은 프로그램 가능 픽셀형 요소로 제조될 수 있다. 이러한 픽셀화된 디바이스를 사용하면 개별 픽셀의 온 또는 오프 상태가 독립적으로 주소 지정 가능할 수 있다. 이러한 경우, 시간 다중화 시스템의 충전율이 1보다 클 수 있도록 하위 개구 크기(d SA )가 다른 픽셀 그룹화에 의해 유효 하위 개구 피치(p SA,eff )보다 크게 되어질 수 있어, 인접한 요소 뷰의 광선 풋프린트 중첩을 허용하여 뷰 불연속으로 인한 이미지 아티팩트를 최소화할 수 있다. 시간 다중화된 하위 뷰잉 창을 중첩하는 것도 공간 해상도와 깊이 해상도를 잠재적으로 향상시킬 수 있다. 제1 개구 세트로부터의 제2 하위 개구 세트의 측방향 변위(Δd SA )가 하위 개구의 크기(d SA )보다 작을 때, 시간 다중화 방식으로 두 개의 하위 개구 세트에 의해 렌더링된 해당 요소 뷰의 광선 풋프린트가 뷰잉 창 상에서 중첩되어 충전율이 1보다 커진다. 제1 개구 세트로부터의 제2 하위 개구 세트의 측방향 변위(Δd SA )가 하위 개구의 크기(d SA )보다 클 때, 해당 요소 뷰의 광선 풋프린트는 뷰잉 창 상에서 중첩되지 않을 것이므로 충전율이 1보다 작아진다.
도 10a 및 10b는 본 발명에 따른 광 필드 디스플레이의 뷰 충전율을 향상시키기 위한 4-단계 시간 다중화 시스템(1000)의 예시적인 개략 레이아웃을 도시한다. 도 10a는 제1 단계에 대한 광선 경로 및 제1 능동 하위 개구 세트(S 1 )의 대응하는 배열을 예시하는 반면, 도 10b는 제2 단계에 대한 광선 경로 및 제2 능동 하위 개구 세트(S 2 )의 대응하는 배열을 예시한다. 여기서는 작은 주소 지정 가능 픽셀로 구성된 프로그램 가능 셔터 어레이(1006)가 활용되어 개방된 하위 개구의 크기(d SA ) 및 유효 피치(p SA,eff )가 디지털 방식으로 제어될 수 있다. 도 10a 및 10b에 도시된 것처럼 각 요소 뷰에 대한 광선 다발 크기가 증가되도록 더 많은 제어 가능한 픽셀을 그룹화함으로써 큰 하위 개구 크기가 획득될 수 있다.
예를 들어, 뷰잉 충전율과 따라서 뷰잉 밀도를 향상시키기 위한 4-단계 시간 다중화 방식의 경우, 우리는 투과형 LC 기반 픽셀 어레이(1006)가 셔터 어레이(106)로서 사용된다는 점을 제외하면 비시간 다중화 방식에 대해 표 1에 나열된 것과 동일한 광학 사양을 사용한다. LC 픽셀 어레이(1006)는 125um의 픽셀 피치를 가지며 전체 치수가 MLA(1004)의 크기와 호환되도록 적절한 픽셀 해상도를 갖다. 마이크로 렌즈의 각 1mm 개구 아래에는 총 8 x 8 픽셀 요소가 있다. 도 9a 및 9b는 각각 제1 세트의 하위 개구(S 1 )와 제2 세트의 하위 개구(S 2 )에 대한 설계 매개변수를 예시한다. 셔터의 각 하위 개구의 크기(d SA )는 6개의 픽셀이 되도록 설정되고 동일한 마이크로 렌즈에 해당하는 인접한 하위 개구들 사이의 측방향 변위(Δd SA1 )는 2개의 픽셀이 되도록 설정된다. 전체적으로, 제1 세트의 하위 개구(S 1 )는 제2 세트의 하위 개구와 4개의 픽셀만큼 중첩된다. 이 경우 유효 셔터 피치(p SA,eff )는 4개의 픽셀이다. 제1 세트의 하위 개구에 의해 렌더링된 요소 뷰의 광선 풋프린트는 제2 세트의 하위 개구에 의해 렌더링된 것과 33%만큼 중복되어 유효 뷰 충전율이 1.5가 된다. 표 3은 이 시간 다중화 방식의 뷰잉 매개변수와 공간 해상도를 보여준다.
시간 다중화 InI
아이박스 ( D 아이박스 ) 4mm x 4mm
뷰 수 ( N ) 4x4
뷰잉 밀도 ( σ 뷰 ) 1mm -2
충전율 ( α ) 1.5
각도 해상도 ( β ) 3.06 각분
뷰잉 특성 뷰잉 충전율 시간 다중화된 InI 시스템
예시적인 구현 3: 공간 해상도 우선 방식
전술된 매개변수 관계에 기초하여, 본 발명에 따른 시간 다중화 광 필드 시스템의 추가 예시적인 대안 구성은 총 뷰 수 및 뷰잉 밀도와 같은 주어진 세트의 뷰잉 매개변수를 유지하면서 재구성된 3D 장면의 공간 해상도를 향상시키기 위한 다중화 방식을 적응하는 것이다. 수학식 8에 의해 제안된 것처럼, 재구성된 3D 장면의 픽셀 당 각도 해상도는 MLA의 광학 배율(m MLA )에 정비례한다. MLA의 광학 배율(m MLA )이 낮을수록 픽셀 당 각도 해상도 값이 작아져 디스플레이로서 높은 공간 해상도와 우수한 이미지 품질을 얻을 수 있다. 수학식 8은 또한 접안렌즈와 뷰잉 창 평면 사이의 거리(z XP )뿐만 아니라 마이크로 디스플레이 픽셀 피치(p), CDP와 접안렌즈 사이의 거리(z 0 ), 접안렌즈의 초점 길이(f 접안렌즈 )에 대한 각도 해상도의 의존성을 제시한다. 따라서 총 뷰 수 및 아이박스와 같은 주어진 세트의 뷰잉 매개변수 사양에 대해, 우리는 시간 다중화 시스템의 광학 사양을 비다중화 시스템과는 다르게 최적화하여 동일한 뷰잉 매개변수를 생성하면서 공간 해상도의 수율을 향상시킬 수 있다.
도 11은 재구성된 3D 장면에 대한 총 2x2 뷰를 유지하면서 광 필드 디스플레이의 공간 해상도를 향상시키기 위한 4-단계 시간 다중화 시스템(1100)의 개략적인 레이아웃을 도시한다. 비교를 위해, 도 9a 및 9b는 동일한 2x2 뷰를 생성하는 다중화 없이 종래의 InI 기반 디스플레이 방식의 개략적인 레이아웃을 도시한다. 두 시스템 모두에서 총 2x2 뷰를 달성하기 위해, 4-단계 다중화 방식에 대한 MLA의 광학 배율(m MLA )은 종래의 비다중화 시스템에 대한 광학 배율의 절반으로 선택된다. 수학식 2에 의해 제안된 바와 같이, MLA(104)의 광학 배율의 제어는 마이크로 디스플레이와 MLA(104) 사이의 간격을 조정하거나 MLA(104)의 초점 길이를 조정하거나 둘 다를 조정함으로써 달성될 수 있다. 비교의 편의를 위해, 도 11에 도시된 예는 비다중화 시스템에 의해 사용되는 MLA(104)의 경우와 같이 초점 길이, 피치 및 마이크로 렌즈 직경과 같은 MLA(104)에 대한 동일한 광학 사양을 사용하면서 마이크로 디스플레이와 MLA(104) 사이의 간격을 조정하였다. 그러나 도 11의 시간 다중화 시스템은 도 9a 및 9b의 비다중화 방법보다 2배 더 나은 공간 해상도를 제공한다. M-단계 시간 다중화 방식에 의해 렌더링되는 해상도 개선 정도는 MLA(104)의 피치(p MLA )와 셔터 어레이의 유효 피치(p SA,eff )의 비율에 따라 달라진다. 더 많은 수의 단계는 셔터 어레이와 마이크로 디스플레이가 M개의 세트의 요소 뷰를 충분히 빠르게 렌더링할 수 있도록 더 높은 재생률을 필요로 하므로 눈이 깜박임의 영향을 받지 않고 시간 다중화 방식으로 그 요소 뷰를 볼 수 있다. 최첨단 디스플레이 기술의 재생률 제한을 고려하면 4배의 해상도 향상을 위해 2의 비율이 권장된다.
앞서 논의된 바와 같이, 수학식 8은 접안렌즈(108)와 뷰 창 평면(110) 사이의 거리(z XP )뿐만 아니라 마이크로 디스플레이 픽셀 피치(p), MLA(104) 광학 배율, CDP(109)와 접안렌즈(108) 사이의 거리(z 0 ), 접안렌즈(108)의 초점 길이(f 접안렌즈 )에 대한 각도 해상도의 의존성을 제안한다. 그러므로, 해상도 향상 방식 하에서, MLA(104), 접안렌즈(108) 및 이들의 상대적 간격에 대한 광학 사양은 수학식 9 내지 수학식 15에 의해 주어진 뷰잉 매개변수뿐만 아니라 수학식 8에 의해 주어진 공간 해상도 사이의 균형을 얻기 위해 함께 최적화되어야 한다. 그러므로 해상도 우선 방식에 대한 가능한 실시예는 도 11에 도시된 예에 제한되지 않을 것이다. 마이크로 디스플레이(102)에 대한 동일한 픽셀 피치를 가정하면, 도 9a, 9b 및 11에 도시된 두 시스템 모두 각각 총 2x2 뷰를 렌더링할 수 있다.
시간 다중화 InI
예시 1 		시간 다중화 InI
예시 2
픽셀 피치 ( p ) 8um 8um
MLA의 초점 길이 ( f MLA ) 3mm 2.57mm
MLA의 피치 ( p MLA ) 1mm 1 mm
마이크로 렌즈의 직경 ( d MLA ) 1mm 1mm
마이크로 디스플레이와 MLA 사이의 거리 ( g ) 6mm 4.5mm
MLA와 CDP 사이의 거리 ( l CDP ) 6mm 6mm
CDP와 접안렌즈 사이의 거리 ( z 0 ) 18mm 24mm
접안렌즈의 초점 길이 ( f 접안렌즈 ) 18mm 24mm
접안렌즈와 뷰잉 창 사이의 거리 ( z XP ) 18mm 24mm
셔터 어레이의 피치 ( p SA ) 1mm 1mm
셔터 어레이의 개구 크기 ( d SA ) 0.5mm 0.5mm
2x2 뷰를 렌더링하는 2개의 4-단계 시간 다중화 InI 시스템의 광학 사양
비교를 위해 표 4는 4-단계 시간 다중화 방식의 두 세트의 광학 사양을 나열한다. 제1 세트(예 1)는 마이크로 디스플레이(102)를 채택하고 다른 물체-이미지 관계를 제외하고는 비시간 다중화 방식에 대해 표 1에 나열된 것과 동일한 광학 사양을 채택하는 도 11에 도시된 예에 해당한다. 마이크로 디스플레이(102)와 MLA(104) 사이의 간격(g)은 4.5mm 대신 6mm로 사용되었으며, 이에 따라 MLA(104)와 CDP(109) 사이의 거리는 9mm에서 6mm로 변경되었다. 표 4의 제2 예(예 2)는 도 9a 및 9b의 비다중화 방법의 제1 예와 동일한 공간 해상도 및 뷰잉 수를 생성하지만 동일한 뷰잉 밀도 및 아이박스 크기를 생성하는 시스템 사양에 해당한다. 제2 설계 예에서, 마이크로 디스플레이(102)의 픽셀 피치(p)는 제1 예와 동일하게 8um이다. MLA(104)의 모든 마이크로 렌즈(105)는 2.57mm의 동일한 초점 길이를 갖는다. MLA(104)의 마이크로 렌즈 직경(d MLA ) 및 렌즈릿 피치는 모두 1mm이다. 접안렌즈(108)의 초점 길이는 24mm이고 CDP(109)와 접안렌즈(108) 사이의 거리는 24mm이다. 뷰잉 창은 접안렌즈(108)의 후방 24mm에 위치된다. 셔터 어레이(106)의 피치(p SA )는 1mm이고, 셔터 어레이(106)의 개구 크기(d SA )는 0.5mm이다. 표 5는 두 개의 상이한 시간 다중화 구성 간의 뷰잉 매개변수와 공간 해상도의 비교를 보여 준다. 비다중화 시스템에 대한 비교 데이터는 표 5에서 발견될 수 있다.
시간 다중화 InI
예시 1 		시간 다중화 InI
예시 2
아이박스 ( D 아이박스 ) 3mm x 3mm 4mm x 4mm
뷰 수 ( N ) 2x2 2x2
뷰잉 밀도 ( σ 뷰 ) 0.444mm -2 0.25mm -2
충전율 ( α ) 1 1
각도 해상도 ( β ) 1.53 각분 1.53 각분
해상도 우선 시간 다중화 InI 시스템과 종래의 InI 디스플레이 시스템 간의 뷰잉 특성 비교
예시적인 구현 4: 뷰 누화 완화를 사용한 시간 다중화 방식
이전에 보여진 모든 예시적인 구현 중에서, MLA(1204)와 동일한 피치를 갖는 광선 제한 광학 개구의 어레이를 포함하는 개구 어레이(1207)가 마이크로 디스플레이(1202)와 MLA(1204) 사이에 삽입되어 누화 문제를 완화할 수 있다. 도 12에 개략적으로 예시된 바와 같이, 각 마이크로 렌즈(1205)에 대응하는 개구는 원하는 광선만 전파하여 아이박스에 도달하도록 허용하지만 인접한 요소 이미지(1201)로부터의 원하지 않는 광선은 대응하는 마이크로 렌즈(1205)에 도달하는 것을 차단한다. 예를 들어, EI1과 EI2 사이의 개구 어레이(1207)(검은색 단색으로 예시됨)의 불투명 부분은 요소 이미지(EI1)로부터 유래된 점선의 광선이 마이크로 렌즈(ML1)에 인접한 마이크로 렌즈(ML2)에 도달하는 것을 방지한다. 이러한 차단된 광선은 InI 디스플레이 시스템에서 일반적으로 관찰되는 누화 및 고스트 이미지의 주요 원인이다. 마이크로 디스플레이(1202)로부터 개구 어레이(1207)까지의 거리는 a로 표시되고 개구 개방의 직경은 d A 로서 표시된다. 누화를 완화하려면, 이러한 매개변수가 다음 제약
을 충족해야 하고, 여기서 p EI 는 요소 이미지의 치수이고 p MLA 는 MLA의 피치이다. 개구 어레이(1207)는 인쇄된 고정 개구 어레이(1207) 또는 공간 광 변조기일 수 있다.
예시적인 구현 5: 제어 가능한 지향성 광원을 통한 시간 다중화 방식
도 3a에 도시된 InI 기반 광 필드 디스플레이(100)에 대한 시간 다중화 방식은 MLA(104)에 인접하게 배치된 스위칭 가능 셔터 어레이(106)를 활용한다. 각 마이크로 렌즈(105) 아래의 상이한 셔터 요소를 턴온하거나 턴오프하는 것은 렌즈릿(1005)의 상이한 부분을 통해 상이한 광선 경로 중에서 빠르게 스위칭하는 것을 허용하고 상이한 세트의 요소 이미지(101)의 픽셀로부터의 광선 다발이 마이크로 디스플레이(102) 상에 렌더링되고 MLA(104)에 의해 시간 다중화 방식으로 이미징되도록 허용한다. 스위칭 가능 셔터 어레이(1207)의 사용은 셔터 어레이의 잠재적으로 제한된 투과율 또는 반사율로 인해 잠재적으로 광 손실을 초래할 수 있다(도 12). 자기 발광형 마이크로 디스플레이(102)가 활용되는 경우, 스위칭 가능 셔터 어레이(106)가 도 3a의 예시적인 구성(100)에 사용된다. 마이크로 디스플레이(102)는 조명원을 변조하는 액정 디스플레이(LCD) 디바이스(반사형 또는 투과형) 또는 디지털 미러 디바이스(DMD)와 같은 비자기 발광(non-self-emissive) SLM형 디스플레이 기술에 기초할 수 있다. 이러한 비발광 디스플레이 기술은 모두, 예를 들어, 반사형 SLM에 대해 전면 조명된, 그리고 투과형 SLM에 대해 후면 조명된 조명원을 필요로 한다. 이러한 비발광 디스플레이 기술을 채택한 구성에서, 상이한 광선 경로 중에 빠르게 스위칭하기 위한 메커니즘으로서 스위칭 가능 셔터 어레이(106)를 사용하는 것이 여전히 실행 가능하다. 본 발명에 따른 대안적인 구성은 MLA(104)의 마이크로 렌즈 개구의 상이한 부분 쪽으로 선택적으로 광선을 출력하거나 "방출"할 수 있는 마이크로 디스플레이를 생성하는 것인데, 이는 후에 "지향성 마이크로 디스플레이"로 지칭된다. 본 발명에 따른 이러한 지향성 마이크로 디스플레이는 MLA(104)와 함께 작동할 수 있으며 MLA(104)를 통해 상이한 광선 경로 중에서 빠르게 스위칭하여 스위칭 가능한 개구 어레이(106)를 사용하는 것과 동일한 광학 기능을 달성할 수 있다.
예를 들어, 도 13a 내지 도 13b는 도 3a 내지 도 3c에 예시된 시간 다중화의 유사한 기능을 달성하기 위해 전술된 바와 같이 지향성 조명을 생성하는 지향성 마이크로 디스플레이(1302)를 활용하여 본 발명에 따른 4-단계 시간 다중화 InI-기반 광 필드 시스템(1300)의 예시적인 광학 레이아웃을 실증한다. 본 발명에 따른 지향성 마이크로 디스플레이는 스위칭 가능한 광원 어레이(1310)(예컨대, LED 어레이), 배리어 어레이(1312), MLA(1304), 및 공간 광 변조기(SLM(1314))를 포함할 수 있다(도 13a　및　13b). 통합 이미징 목적에 필요한 메인 MLA(1304)와 구별하기 위해 도 13a 및 13b의 MLA(1304)가 "MLA2"로 라벨　표기되어 있다는 점은 주목할 가치가 있다. 더욱이, 마이크로 디스플레이(1302)에 대한 개략적인 레이아웃은 후면 조명 광원을 요구하는 투과형 SLM(1314)의 사용을 가정한다. 레이아웃은 전면 조명 광원이 필요한 반사형 SLM(1314)에 대해 쉽게 수정될 수 있다. 광원 어레이(1310)는 각각 동일한 치수(d 셀 )를 갖고, 광원 셀(1316)의 피치(p 셀 )가 요소 이미지의 피치(p EI )와 동일한 다수의 광원 셀(1316)을 포함할 수 있다. 각 셀(1316)은 요소 광원 셀(1316)로서 간주될 수 있으며 SLM(1314)의 일부 상에 디스플레이되는 해당 요소 이미지에 필요한 후면　조명을　제공한다. 각각의 셀(1316)은 도 13a 및　도 13b에서 광원 어레이(1310)　상에 직사각형 형상으로서 도시된 광원 셀(1316)의 어레이(1310)를 포함할 수 있다. 이들 광원 셀(1316)은 예를 들어，개별 발광 다이오드(LED)와 같이 개별적으로 제어 가능할 수 있다. 각각의 광원 셀(1316)은 동일한 셀(1316)의 다른 유닛과 독립적으로 스위칭　온되거나　스위칭　오프될　수 있다. 각 광원 셀(1316)에 부착된 배리어 어레이(1312)가 제공되어 인접한 셀들(1316) 사이의 누화를 방지하고 마이크로 렌즈 어레이(1313)에 대한 기계적 마운트를 제공한다. 마이크로 렌즈 어레이(1313)의 각 마이크로 렌즈릿은 광원으로부터의 광을 변조하여 SLM(1314)　상에 렌더링된 대응 요소 이미지에 대해 지향성 후면 조명을 생성할 수 있다. SLM(1314)은 광원 셀(1316)로부터의 광을 변조하고 통합 이미징을 위해 요소 이미지를 렌더링한다. 도 13a 및 13b에 예시된 바와 같이, 우리는 광원 셀(1316) 내의 광원 셀(1316)을 스위칭 온하거나 오프함으로써 도 3a의 셔터 어레이와 유사하게 메인 MLA(1304)를 통해 광선 경로를 선택하는 기능성을 생성할 수 있다. 예를 들어, 도 13a 및 도 13b에서, 4-단계 시간 다중화 지향성 마이크로 디스플레이(1302)를 생성하기 위해, 각각의 광원 셀(1316)은 각각 4-단계 시간 다중화 사이클의 한 단계 및 렌더링될 대응하는 EI 세트에 대응하는 2x2 광원 셀(1316)을 포함할 수 있다. 도 13a 및 13b는 전체 디스플레이 사이클의 두 개의 상이한 단계를 도시한다. 각 단계에서, 광원 어레이(1310) 내의 광원 셀(1316) 중 한 세트만이 스위치 온되고 해당 세트에 의해 방출된 광은 마이크로 렌즈 어레이(1313)의 광학 특성에 의해 제어되는 원하는 방향의 광선으로 SLM(1314)을 조명한다. 이러한 원하는 광선은 메인 MLA(1304)의 마이크로 렌즈 개구의 선택 부분 쪽으로 계속해서 전파된다. 광원 유닛의 온-오프 상태는 타겟 3D 장면을 재구성하기 위한 우측 투시 뷰를 나타내는 대응하는 세트의 요소 이미지의 렌더링과 동기화될 수 있다. 예를 들어, 도 13a에서 광원의 상단 유닛(흰색 직사각형 형상으로 도시됨)에 의해 생성된 광선은 SLM(1314) 상에 렌더링된 제1 세트의 요소 이미지에 의해 변조된다. SLM(1314)에 의해 변조된 광선은 요소 뷰(V 1 )를 생성하기 위해 마이크로 렌즈 개구의 하단 부분 쪽으로 전파된다. 도 13b에서, 광원의 하단 유닛에 의해 생성된 광선은 SLM(1314) 상에 렌더링된 제2 세트의 요소 이미지에 의해 변조된다. SLM(1314)에 의해 변조된 광선은 요소 뷰(V 2 )를 생성하기 위해 마이크로 렌즈 개구의 상단 부분 쪽으로 전파된다. 이 실시예에서, 광원 어레이(1310)의 광원 셀(1316)의 수는 디스플레이 사이클의 단계 수를 결정한다. 예를 들어, 도 14는 4-단계 시간 다중화 시스템을 예시한다. 광원 셀(1316) 각각은 이미징 MLA(1304)의 마이크로 렌즈 각각 상에 대응하는 하위 개구를 생성한다.
도 14는 메인 이미징 MLA(1304)와 함께 지향성 마이크로 디스플레이(1302)의 매개변수를 도시한다. 광원 셀(1316)과 마이크로 렌즈 어레이(1313) 사이의 거리는 l BL 로서 표시된다. 광원 셀(1316)은 마이크로 렌즈 어레이(1313)에 의해 이미징되어 메인 이미징 MLA(1304)의 평면에 광학적으로 공액이 되는 것이 바람직하다. 그러므로 거리(l BL )는
을 만족시키는 것이 바람직하고, 여기서, m MLA2 는 마이크로 렌즈 어레이(1313)의 가로 배율이며
로서 표현될 수 있다.
뷰잉 창 평면 상에 투사된 요소 뷰의 충전율은 각 광원 유닛의 물리적 크기 및 인접한 광원 셀들(1316) 사이의 피치에 따라 달라질 것이다:
누화 없는 시스템을 가능케하려면 광원 셀(1316)의 이미지가
로서 표현되는 바와 같이, MLA(1304)의 크기보다 크지 않아야 한다.
시스템을 누화가 없게 유지하면서 뷰잉 충전율 1을 달성하려면, 마이크로 렌즈 어레이(1313)의 초점 길이를 잘 선택하여 각 광원 셀(1316)의 이미지가 메인 이미징 MLA(1304)의 피치와 정확히 동일하게 되도록 해야 한다. 따라서, MLA(1304)의 초점 길이와 광원 어레이(1310)로부터 마이크로 렌즈 어레이(1313)까지의 거리는 수학식 17 내지 20에 따라 신중하게 선택되어야 한다.
또한, 도 14에 도시된 광원 셀(1316) 각각은 픽셀화된 셔터 어레이의 픽셀과 유사한 하나보다 많은 발광 요소를 포함할 수 있다는 점에 추가로 주목할 가치가 있다. 발광 요소 각각은 개별적으로 턴온되거나 오프될 수 있다. 도 15a 및 15b는 본 발명에 따른 2 x 2 광원 셀(1316)을 포함하는 광원 어레이(1510)의 설계를 예시한다. 셀(1316) 각각은 SLM(1314)의 대응하는 하나의 부분을 조명하여 요소 이미지 패턴을 렌더링한다. 4개의 셀은 본 발명에 따라 시간 다중화된 InI의 4개 단계에서 3D 광 필드를 재구성하기 위해 2 x 2 요소 뷰를 렌더링하기 위한 SLM(1314) 상의 조명 영역에 해당한다. 광원 셀(1316)의 치수는 d 셀 로서 표시된다. 광원 셀(1316) 각각은 개별적으로 제어 가능한 발광 요소의 2D 어레이(예컨대, 도 15a 및 도 15b에서 작은 정사각형으로 도시된 LED 요소의 8×8 어레이)를 포함할 수 있다. 이 어레이 형식에서, 도 9a 및 9b의 하위 개구와 동일한 유효 발광 영역을 정의하기 위해 각 셀(1316)에 있는 상이한 수의 광원 요소를 그룹화하여 발광 유닛의 크기(d 유닛 )를 제어할 수 있다. 우리는 인접한 광원 셀들(1316) 사이의 측방향 분리를 간격을 조정하여 발광원의 피치(p 셀 )를 제어할 수도 있다. 마지막으로, 우리는 셀(1316) 내의 인접한 광원 셀들(1316) 사이의 측방향 변위(Δd 유닛 )를 조정하여 뷰 충전율을 제어할 수 있다. 도 15a 내지 도 15b에 도시된 예에서, 각 발광 유닛(1316)은 6 x 6 발광 요소의 어레이를 포함할 수 있는 반면, 각 셀(1316)은 8 x 8 요소를 포함할 수 있다. 도 15a는 제1 세트의 요소 이미지를 렌더링하기 위한 발광 셀의 배열을 도시하는 한편, 광원 셀들(1316) 사이의 피치는 p 셀 이다. 도 15b는 제2 세트의 요소 이미지를 렌더링하기 위한 발광 셀(1316)의 배열을 도시하며, 여기서 발광 유닛은 제1 세트의 요소 이미지를 렌더링하기 위해 제1 대응 발광 유닛으로부터 2개의 요소만큼 이동된다. 우리는 상이한 단계들 사이에 조명된 영역의 중첩을 쉽게 볼 수 있다. 이러한 중첩을 통해 시스템은 1.5의 뷰 충전율을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 15a 및 15b의 예시적인 구성은 도 9a 및 9b에 도시된 것과 유사한 효과를 생성한다.
실험적 프로토타입
도 3a의 개략도에 기초해, 우리는 도 16에 도시된 것처럼 시간 다중화 InI 기반 광 필드 시스템(1600)에 대한 개념 증명 프로토타입을 구현했다. 우리의 프로토타입에 활용된 마이크로 디스플레이(1602)는 8μm 컬러 픽셀 피치와 1920x1080의 픽셀 해상도를 갖춘, 소니로부터의 0.7인치 유기 발광 디스플레이(organic light emitting display; OLED)(ECX335b)였다. 우리가 사용한 MLA(1604)는 Fresnel Technologies(https://www.fresneltech.com/)로부터의 MLA630이었다. 그것은 3.3mm의 초점 길이와 1mm의 렌즈 피치를 가졌다. 셔터 어레이(1606)는 JHDLCM Electronics Company로부터의 투과형 LCD(JHD12864)로부터 적응되었다. 그것은 128 x 64 픽셀을 가졌고 픽셀 피치는 0.5mm였다. 이렇게 큰 픽셀 크기를 사용하면 LCD 상의 한 픽셀이 하나의 셔터에 대응하므로 시스템은 픽셀화된 구조의 회절에 영향을 받지 않았다. 전체 이미지 사이클은 4개의 단계를 포함할 수 있다. MLA(1604)의 측방향 배율은 2로 설정되어 총 4x4 요소 뷰가 렌더링되었다. 접안렌즈(1608)는 초점 길이가 27mm인 기성품 접안렌즈(1608)였다. 전반적으로, 프로토타입 시스템(1600)은 약 6mm x 6mm의 뷰잉 창 크기를 달성하도록 설계되었으며 총 4 x 4 뷰가 재구성된 3D 장면의 각 지점에 대해 시스템에 의해 렌더링되었다. 뷰 밀도는 약 0.44mm-2였으며 이는 뷰잉 창에서 1.5mm의 요소 뷰 피치에 해당한다. 초점 길이가 27mm인 접안렌즈(1608)와 결합되면, 디스플레이 픽셀당 각도 해상도는 시각적 공간에서 약 2.04 각분이었다.
본 발명의 이러한 이점 및 다른 이점은 전술한 명세서로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 당업자는 본 발명의 넓은 발명적 개념을 벗어나지 않고 전술한 실시예에 대한 변경 또는 수정이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 따라서 본 발명은 여기에 설명된 특정 실시예에 제한되지 않고 청구범위에 설명된 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 모든 변경 및 수정을 포함하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다.
참고 문헌
다음 참고 문헌은 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다.
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4. G. Li, D. Lee, Y. Jeong, J. Cho, and B. Lee, "Holographic display for see-through augmented reality using mirror-lens holographic optical element," Opt. Letters 41(11), 2486-2489 (2016).
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12. B. Liu, X. Sang, X. Yu, X. Gao, L. Liu, C. Gao, P. Wang, Y. Le, and J. Du, "Time-multiplexed light field display with 120-degree wide viewing angle". Opt. Express 27(24), pp.35728-35739 (2019).
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15. J. H. Park, S. W. Min, S. Jung, and B. Lee. "Analysis of viewing parameters for two display methods based on integral photography." Applied Optics 40, no. 29 5217-5232 (2001).
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Claims (19)

  1. 시간 다중화 통합 이미징(integral imaging; InI) 광 필드 디스플레이에 있어서,
    각각의 요소 이미지가 3D 장면의 상이한 투시 뷰를 제공하는 상기 요소 이미지의 세트를 렌더링하도록 구성된 복수의 픽셀을 포함하는 마이크로 디스플레이;
    상기 마이크로 디스플레이의 상기 요소 이미지로부터 광을 수신하기 위해 상기 마이크로 디스플레이로부터의 선택된 거리에서 상기 마이크로 디스플레이와 광학적으로 도통하도록 배치된 마이크로 렌즈 어레이로서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 마이크로 렌즈 어레이를 가로지르는 상기 마이크로 디스플레이에 광학적으로 공액인, 상기 마이크로 디스플레이와 연관된 중앙 깊이 평면을 가지며, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 요소 이미지로부터 광선 다발을 수신하여 상기 중앙 깊이 평면 주위의 대응 재구성 지점에 통합 이미지를 생성하여 상기 3D 장면의 광 필드를 재구성하도록 구성되는 것인, 상기 마이크로 렌즈 어레이; 및
    상기 마이크로 렌즈 어레이와 광학적으로 도통하게 배치되고, 상기 마이크로 렌즈 어레이에 의해 투과된 광을 수신하고 상기 수신된 광을 상기 3D 장면의 광 필드로 투과시키도록 구성된 스위칭 가능 어레이
    를 포함하는, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 가능 어레이는, 상기 스위칭 가능 어레이를 관통해 상기 요소 이미지 중 선택된 요소 이미지로부터의 광을 선택적으로 상기 중앙 깊이 평면으로 지향시키도록 구성되는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이는 상기 마이크로 디스플레이 상의 상기 요소 이미지의 상기 렌더링을 상기 스위칭 가능 어레이의 상기 스위칭과 동기화하여 동기화된 시간 다중화 방식으로 상기 마이크로 디스플레이와 상기 스위칭 가능 어레이를 동작시키도록 구성되는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  4. 제1항에 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 동일한 초점 길이를 갖는 마이크로 렌즈의 어레이를 포함하는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 가능 어레이는 상기 마이크로 렌즈 어레이와 상기 중앙 깊이 평면 사이의 위치에 배치되는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 가능 어레이는 상기 마이크로 렌즈 어레이와 상기 마이크로 디스플레이 사이의 위치에 배치되는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 가능 어레이는, 상기 마이크로 렌즈 어레이로부터의 광선이 통과하도록 허용하기 위해 턴온될 수 있거나 광선이 통과하는 것을 차단하기 위해 턴오프될 수 있는 스위칭 가능 요소를 포함하는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로그램 가능 스위칭 가능 어레이는 셔터 어레이를 포함하는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로그램 가능 스위칭 가능 어레이는 스위칭 가능 광원 어레이를 포함하는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이는 자기 발광형인 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이는 투과형인 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이는 공간 광 변조기를 포함하는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  13. 제1항에 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이는 액정 디스플레이 및 디지털 미러 디바이스 중 하나 이상을 포함하는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3D 장면의 상기 광 필드로부터 광을 수신하기 위해 상기 중앙 깊이 평면으로부터 거리(z0)에 배치된 접안렌즈를 포함하는, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 가능 어레이의 각 스위칭 가능 요소의 개구 크기는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 각 렌즈릿의 개구보다 작아서, 각 렌즈릿이 상기 스위칭 가능 어레이의 하나보다 많은 요소를 덮는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  16. 제15항에 있어서, 상기 스위칭 가능 어레이는 각각의 스위칭 가능 요소의 상기 개구 크기보다 크기가 더 작은 복수의 픽셀화된 요소를 포함하는 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 광학적으로 도통하는 상기 마이크로 디스플레이와 상기 마이크로 렌즈 어레이 사이에 배치된 배리어 어레이를 포함하는, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  18. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 광학적으로 도통하는 상기 마이크로 디스플레이와 상기 마이크로 렌즈 어레이 사이에 배치된 개구 어레이를 포함하는, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
  19. 제18항에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이로부터 상기 개구 어레이까지의 거리는 a로 표시되고, 상기 개구 어레이의 개구 개방의 직경은 d A 로 표시되고,

    이며,
    p EI 는 상기 요소 이미지의 치수이고, g는 상기 마이크로 디스플레이로부터 상기 마이크로 렌즈 어레이까지의 거리이며, p MLA 는 상기 MLA의 피치인 것인, 시간 다중화 통합 이미징(InI) 광 필드 디스플레이.
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