위치 추적 기능을 가진 오토스테레오스코픽 다중 사용자디스플레이 document_id A220623030891

EP 0 881 844 A2에는, 광원 추적 기능을 가진 단일 유저 디스플레이가 개시되어 있다. 이 디스플레이는 시퀀스 모드에서 동작한다. 광원쌍의 2개의 인접하는 세그먼트가 관찰자의 좌측 눈과 우측 눈에 제공된다. 좌측 눈의 세그먼트가 이 세그먼트의 제1 렌티큘러 오브젝트 위에서 확산기 플레이트 상으로 다수의 이미지를 향하게 한다. 이후, 이 확산기 플레이트가 제2 광원으로 기능하는데, 이는 확산기 플레이트의 확산 특성에 의해 우측 이미지와 함께 이미지 디스플레이 매트릭스가 제2 렌티큘러 오브젝트의 모든 렌즈를 투과하여, 이에 의해, 광이 관찰자의 우측 눈에 포커싱되기 때문이다. 후속하는 이미지에서는, 광원쌍이 좌측 눈에 대한 세그먼트로 전환되어, 이미지 매트릭스가 좌측 이미지로 전환된다. 관찰자가 세테레오 영역 밖으로 움직이는 경우, 제2 광원쌍이 턴온되어, 현재의 구역과 통신하게 된다. 그러나, 복수의 제2 광원쌍을 가진 확산기 플레이트가 제2 렌티큘러 오브젝트를 통하여 주기적이고 연속적으로 표현되기 때문에, 일반적으로 다중 사용자 동작을 방해하므로 하나의 확산기 플레이트를 이용해야 하는 단점을 가진다. WO 03/019952 A1에는, 2D 및 3D 표현 및 추적 시스템을 가진 복수의 관찰자에 대한 솔루션이 개시되어 있다. 관찰자에 보여지는 이미지 표시 매트릭스 상에서는, 한 명 또는 여러 명의 관찰자의 눈에 각각의 이미지 픽셀을 개별적으로 포커싱하기 위하여, 디스플레이가 셔터를 포함하는 2개의 렌즈 어레이와 함께 제어형 지향 유닛(directing unit)을 조정한다. 각각의 렌즈 어레이는 이미지 매트릭스의 각각의 픽셀 마다 별개의 렌즈 소자를 포함하며, 이 렌즈 소자는 셔터 상에 픽셀의 변조 광을 포커싱시킨다. 셔터는 관찰자의 눈의 위치에 따라서, 각각의 관찰자에 대하여 렌즈 소자마다 하나의 세그먼트를 개방할 수 있도록 픽셀마다 복수의 미세한 세그먼트 개구부를 갖고 있다. 세그먼트들은 셔터의 뒤에 배치된 제2 렌즈 어레이의 대응하는 제2 렌즈 소자를 통하여 관찰자의 눈 상에 프로젝션된다. 픽셀이 눈에 포커싱되는 상태를 유지하기 위하여, 관찰자가 움직이게 되면, 위치 검출기는 관찰자의 새로운 위치에 대한 정보를 전송하여 이 위치에 대응하는 셔터 세그먼트만을 개방시킨다. 시간 멀티플렉스 방법을 이용하는 스테레오스코픽 동작시, 우측 이미지와 좌측 이미지가 각각의 눈에 차례로 전달된다. 복수의 관찰자가 있는 경우에는, 복수의 세그먼트가 활성화된다. 모노스코픽 동작시, 모든 셔터 세그먼트가 개방된다. 이러한 다중 사용자 디스플레이에서는, 고분해능의 셔터가 요구되기 때문에 실제 구현이 다소 어렵다. 예를 들어, 100여개의 가능한 관찰자 각도 위치를 갖고 있는 상기 공개 공보의 일 실시형태에서는, 통상 픽셀 피치가 0.25 mm인 것으로 가정한 경우 2.5 ㎛인 세그먼트 폭이 요구된다. 1,600 개의 컬럼이 있다고 가정할 경우, 라인당 160,000 개의 세그먼트를 가진 셔터가 요구된다. 또한, 구성 요소를 제조하거나 어셈블리시 이들 구성 요소를 정렬하는 경우, 렌즈 소자, 셔터 개구부 및 이미지 매트릭스의 픽셀을 매칭시키기 위해서는 정교한 위치 결정이 요구된다. 픽셀 또는 세그먼트 크기에 이미 작은 편차가 있거나 미소한 양의 부정합이 있을 경우, 기능적 결함이 발생할 수 있다. 또한, 온도 변동이나 진동과 같은 주변 환경에 대하여 어셈블리된 디스플레가 큰 저항력을 가질 것이 요구된다. 또 다른 주요 단점으로는, 디스플레이 구성 요소를 개별적으로 교체할 수 없다는 점에 있다. 이미지 디스플레이 매트릭스, 렌즈 어레이, 및 셔터는 그들의 기하 구조, 분해능, 제조 허용 오차를 정밀하게 조정할 수 있어야 한다. WO 03/053072 A1에는, 3D 추적 시스템을 갖춘 다중 사용자 디스플레이와 스테레오스코픽 이미지에 대한 순차적 재현 방식을 개시하고 있다. 이 디바이스에는, 앞에서부터 뒤로 순서대로, 3차원적으로 주소지정 가능한 백라이트, 단일하고 대면적이며 대용적인 퍼커싱용 이미지 렌즈, 및 이미지 디스플레이 매트릭스로서 기능하는 공간 광 변조기가 설치되어 있다. 백라이트는 관찰자와 디스플레이 간의 거리에 대하여 또한 추적하는 기능을 갖고 있다. 포커싱된 광이 이미지 디스플레이 매트릭스를 통과하면, 관찰자의 각각의 눈에 대하여 좌측 이미지와 우측 이미지가 교번 변조된다. 이 디바이스의 단점은, 전체 이미지를 조사(illuminate)하는데 국부적으로 선택가능한 점광원의 광만을 이용하기 때문에 휘도가 낮고 이미지 렌즈가 크며, 3 차원 백라이트에 의해 디스플레이가 깊은 심도를 갖는다는 점이다. 광학축 외부에 이러한 대형 렌즈의 수차를 제한하기 위해서는, 초점 거리가 충분히 커야 하는데, 이에 의해 설비가 매우 깊어지게 된다. 또한, 3차원 백라이트는 그 제조가 매우 어렵다. 많은 특허 공개 공보에서는, 프로젝션 시스템에 할당되는 부가적인 필드 렌즈를 특징으로 하고 있는데, 상기 렌즈는 광학 경로에서 여러 위치에 배치되며, 이에 따라 여러 기능을 갖게 된다. 본 출원의 출원일까지 공개된 것은 아니지만 본 출원인이 출원한 종래 기술인 WO 2005/027534에서는 다중 사용자 디스플레이가 개시되어 있다. 이 디스플레이는 스위트-스폿 유닛, 추적 및 이미지 제어용 디바이스, 및 눈의 위치에 따라서 스위트-스폿을 추적하는 방법을 포함하고 있다. 도 1은 동작 원리를 설명한 평면도로서, 전체의 광학 소자를 나타내지도 비율에 맞추어 도시하지는 않았다. 이미징 수단(110)의 복수의 렌즈 소자(111-114)는 조사 매트릭스(120)의 전환가능 포인트 조사 소자(11-46)를 관찰자의 눈(ER, EL) 상에 이미징한다. 대면적 광원(130)에 의해 조사받으면, 조사 매트릭스(120)가렌즈 소자와 관찰자에 대하여 하나 이상의 광선 번들(B1-B4)을 발생시키며, 추적 및 이미지 제어기(160)에 의한 조사 소자(11-46)의 선택적 활성화로 인해 상기 광선 번들은 중첩하여 2차원 스위트-스폿(SR)을 관찰자 눈의 위치에 형성하며, 이미지 수단(110), 조사 매트릭스(120) 및 백라이트원(130)은 지향된 백라이트광을 발생시켜 시야 공간에서의 특정 스폿 위치들로부터 가시가능한 투과형 LCD 이미지 디스플레이 매트릭스(140)의 이미지를 렌더링하는 제어가능 스위트-스폿 유닛을 형성하며, 상기 특정 스폿 위치들은 추적 및 이미지 제어기(160)에 의해 결정된다. 실제로, 보다 많은 렌즈 소자(111-114)와 조사 소자들이 제공된다. LCD 매트릭스의 서브 픽셀을 조사 소자로서 바람직하게 이용한다. 관찰자에 대한 이들 경로에서는, 광선 번들(B1-B4)이 이미지 디스플레이 매트릭스(140)의 대면적부를 투과하는데, 다른 방법으로는 매트릭스가 이미지 신호 PSS의 스테레오스코픽 이미지 시퀀스의 한 이미지만을 포함할 수도 있다. 위치 검출기(150)는 디스플레이 앞에 있는 관측자의 수와 이들의 눈의 위치(ER, EL)를 판정한다. 이후, (도시된 예에서) 눈 위치(ER)로부터 가시가능한 스테레오스코픽 이미지 시퀀스의 현재 이미지를 렌더링하기 위하여, 추적 및 이미지 제어기(160)가 조사 소자(13, 24, 35 및 46)를 활성화시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 조사 소자(13, 24, 35 및 46)는 렌즈 소자의 광축과 관련하여 개별적으로 위치결정된다. 관찰자가 이동하는 경우, 추적 및 이미지 제어기(160)는 눈의 변위가 발생하면 스위트-스폿 번들을 추적하도록 그 외의 조사 소자들을 활성화시킨다. 스테레오 이미지를 표현하는 다른 방식에서는, 추적 및 이미지 제어기(160)가 (이미지 매트릭스에서의) 각각의 이미지 변화에 동기하여 조사 소자들을 전환시킴으로써 하나 또는 모든 관찰자의 개개의 눈에 대하여 가시가능한 후속하는 이미지를 렌더링한다. 그 외 다른 눈은 소위 다크 스폿의 위치에 있기 때문에 그 다른 눈은 이 기간 동안에 그 이미지를 가시할 수 없다. 이미지 디스플레이 매트릭스와 개개의 눈에 대한 동기화된 프로젝션에 의해 제공되는 좌측 및 우측 눈에 대한 이미지 시퀀스가 충분히 높은 주파수에서 교번하는 경우, 이 눈은 자신들에게 제시되는 개개의 이미지를 구분할 수 없다. 양쪽 눈은 크로스토크 효과없이 스테레오 표현으로서 이미지 시퀀스를 인식한다. 실제로, 광선 번들(B1-B4)은 모든 활성화 상태인 조사 소자(13, 24, 35 및 46)가 수 mm 이상 확대되어 눈의 위치(ER 또는 EL)의 평면 상에 프로젝션되는 방식으로 전파된다. 동작 원리의 설명을 보다 간략히 하기 위하여, 이 특허 문헌의 모든 도면에서, 스위트-스폿은 조준된 광선 번들에 의해 형성된다. 그러나, 실제로는, 이 조준된 광선으로부터 미소하게 전파가 빗나가게 된다. 어떤 경우에도, 각각의 광선 번들(B1-B4)이 스위트-스폿 영역의 확장부분을 적어도 커버할 수 있도록 스위트-스폿 유닛이 배치되어야 한다. 스위트-스폿 영역은 적어도 관찰자의 눈 정도의 크기인 것이 바람직하다. 이는 관찰자가 수 cm를 이동한 경우에도 추적을 시작할 필요없이 균일하고 왜곡없이 이미지 디스플레이 매트릭스의 전체 디스플레이 영역을 가시할 수 있게 한다. 또한, 정밀도, 기능 응답 시간에 관하여 추적 및 이미지 제어기(160)에 대한 부담을 크게 완화시킨다. 상술한 WO 2005/027534에 따른 스위트-스폿 유닛의 주요 이점은 제조시, 소자(111-114)의 폭을 이미지 디스플레이 매트릭스(140)의 픽셀 크기와 무관하게 선택할 수 있기 때문에, 각각의 관찰자의 N개의 상이한 시야 위치에 대하여 하나의 스위트-스폿을 발생시키기 위하여, 각각의 렌즈 소자가 적어도 횡방향으로 N개의 조사 소자(11-16)를 커버할 수 있다. 보다 구체적인 설명을 위하여, 이 실시형태에서는 개수 N이 6으로 되어 있다. 실제로는, 각각의 렌즈 소자가 횡방향으로 더 많은 개수의 조사 소자를 커버할 수 있다. 조사 소자(11-46)의 주어진 단면에서는, 렌즈 소자(111-114)의 특정 단면을 선택하여, 복수의 가능한 눈의 위치들을 규정할 수 있다. 따라서, 렌즈 소자(111-114)의 폭을 쉽고 증가시키는 것으로도 충분하기 때문에 보다 많은 개수의 가능한 눈의 위치들을 얻기 위하여 조사 매트릭스(130)의 구성을 불가피하게 세분할 필요가 없게 된다.　 이미징 수단(110)은 하나 또는 수개의 렌티큘러의 조합으로 바람직하게 구성되며 이 렌즈 소자(111-114)는 원통형 렌즈이다. 일반적으로, 원통형 렌즈는 종방향으로 이미지 디스플레이 매트릭스(140)의 전체 높이 이상으로 연장되어 있기 때문에, 각각의 렌즈 소자는 조사 매트릭스(120)의 수백개의 조사 소자를 커버한다. 스위트 소자는 우측 눈과 좌측 눈 사이를 교대로 전환만되기 때문에, 보다 구체적인 설명을 위하여, 이러한 소자가 광선 번들(B1-B4)의 수평 배향에 영향을 주는 것만을 고려한다. 이 조사 매트릭스는 컬럼마다 전환한다. 이 개시된 특허의 설명에서는, 얼마나 많은 조사 소자가 종방향으로 원통형 렌즈에 의해 커버되는지와는 상관없다. 이 특허 공개 공보에 따르면, 추적 및 이미지 제어기(160)는 종방향으로 스위트-스폿을 추적할 수도 있다. 횡방향 추적에 대해서도 유사하게, 2차원 확장 프로젝션 시스템의 종방향에서의 각각의 조사 소자를 선택함으로써 스위트-스폿을 추적한다. 바람직하게는, 이미지 휘도와 스위트-스폿 폭을 증가시키기 위하여, 수개의 인접하는 조사 소자가 각각의 광선 번들(B1-B4)을 동시에 활성화시킬 수 있다. 이 특허 공개 공보에 기재된 방법의 또 다른 이점은 이미지 매트릭스를 교체할 경우, 스위트-스폿 유닛을 변경할 필요가 없다는 점이다. [기술적 문제] 이미지 디스플레이 매트릭스(140)를 전체적으로 가시가능하기 위해서는, 각각의 렌즈 소자(111-114)와 눈의 위치에 대하여 라인 마다 하나 이상의 조사 소자가 활성화되어야 한다. 또한, 대응하는 광선 번들(B1-B4)이 방향(D1-D4)으로 개개의 눈의 위치 (ER, EL)를 향하여 배향되어 있는 조사 소자는 활성화되어야 한다. 도1에 도시한 바와 같이, DE 103 39 076에서의 스위트-스폿 유닛에서는, 추적 및 이미지 제어기(160)에 의해 방향(D1-D4)에 따라서 렌즈 소자들에 대응하는 조사 소자들을 활성화시킴으로써 구현될 수 있다. 이 예에서, 활성화된 제3 조사 소자(13)가 방향(D1)으로 구현되는 한편, 활성화된 제6 조사 소자(46)는 방향(D4)으로 구현된다. 이는 특히, 조사 매트릭스(120)의 가장자리부를 향하는 경우에, 실제 이용가능한 분해능에 역효과를 주는데, 이 가장자리부는 제어가능한 위치들의 개수를 감소시킨다. 이러한 효과는 관찰자가 전체 이미지를 가시할 수 있는 시야각을 상당히 한정시키기 때문에, 추적 및 이미지 제어기(160)에 대하여 이용가능한 기하적 추적 범위를 상당히 한정시킨다. 넓은 시야 공간 및 이에 따른 추적 및 이미지 제어기(160)에 대한 넓은 범위는 2이상의 관찰자가 디스플레이 앞에 있는 경우에 바람직하게 얻어지기 때문에, 상술한 점은 오토스테레오스코픽 다중 사용자 디스플레이의 기능에 대하여 상당한 단점으로 된다. 또한, 관찰자가 중앙에 위치한 경우에도, 도 1의 조사 소자(46)와 렌즈 소자(114)의 예에서 볼 수 있는 바와 같이, 조사 소자들과 렌즈 소자들이 큰 각도로 배열된다. 이러한 렌즈는 수차를 일으키는데, 이 수차는 후에 이미지 디스플레이 매트릭스(40)를 통한 프로젝션의 균일성을 교란시킨다. 이하, 이미징 수단(110)의 가장자리부에 배치되어 있는 렌즈 소자(111 및 114)를 예로 들어 이러한 문제를 보다 자세히 설명한다. 렌즈 소자(111)에 대한 조사 소자(11-13)를 활성화시키는 것을 감지할 수 있는 한편, 광선 번들(B1*)은 조사 소자(14)가 활성화되었을 경우 거의 감지할 수 없는 위치(S0)로 보내진다. 렌즈 소자(114)에 대응하는 최외각의 조사 소자(46)는 이미 활성화되어 있기 때문에, 렌즈 소자(114)는 스폿 위치(S0)에 도달하는데 이용할 수 없다. 실제로, 이미지 디스플레이 매트릭스(140)는 위치(S0)에서 광선 번들(B4)의 기여 없이 가시가능할 수 있다. 상술한 예에서, 조사 소자(15, 16, 26, 41, 42 및 43)의 실험은 유사한 결과를 보여준다. 이러한 효율 저하는 위치(S0)에 대하여 나머지 조사 소자를 추가함으로써 치유될 수 있으나, 이는 이미징 수단(110)을 확대하는 것이고, 이미징 수단(110)의 중앙에 보다 가까운 렌즈 소자(112, 113)에 대응하는 추가 조사 소자를 추가하는 것은 불가능하기 때문에, 일반적으로 문제를 해결하지 못한다. 조사 소자들의 거리는 항상 렌즈 소자들의 거리보다 크기 때문에, 이미징 수단(110)의 가장자리부에 특히 큰 각도가 발생하여 현저한 수차를 발생시키고 이미지 디스플레이 매트릭스(140)의 균일한 조사를 교란시켜 버린다.