3차원 영상 생성 방법 및 장치 document_id A220623044392

상기한 인용 문헌 WO 01/88598에서 설명되어 있는 이유로, 상기 문헌에 개시된 장치는 스크린에 투과되거나 또는 스크린으로부터 반사되는 방사 광빔에 방사 발산을 제공하는 수단을 더 포함한다. 방사 발산의 측정치는 광학적으로 이웃하는 모듈과 관련된 이웃하는 발광 방향 간의 각도에 실질적으로 대응한다. 방사 발산의 용도는 관찰자에 의해 인지된 3D 영상에서의 실질적으로 연속적인 움직임 변위(motion parallax)를 제공하기 위한 것이다. 즉, 인지된 3D 영상의 실질적으로 연속적인 변경을 보장하기 위한 것이다. 본 발명의 장치를 이용하여 3D 영상을 생성하는 원리는 WO 01/88598에서 설명되어 있는 원리와 유사하며, 상기 특허출원의 교시는 잘 알려져 있어 본 발명의 이해에는 무리가 없는 것으로 생각되기는 하지만, 상기 특허출원의 교시 내용에 대하여 도 1 내지 도 7을 참조하여 간략하게 설명할 것이다. 3D 디스플레이 장치는 3차원 영상, 즉 관찰자에 대해 공간감을 갖도록 하는 영상을 제공한다. 공간감은 관찰자가 물체를 상이한 방향에서 바라볼 때에 물체의 상이한 화면을 인지하는 경우에 획득될 것이다. 따라서, 방출되는 각도에 따라 상이한 광빔을 방출할 수 있는 장치가 요망된다. 이러한 장치에 대한 요구는 도 1 및 도 2에 도시된 작동 원리를 갖는 장치에 의해 달성될 것이다. 이 장치는 도 3을 참조하여 아래에 설명된 바와 같이 실제로 상이한 광빔을 상이한 방출 방향으로 방출할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 장치는 광을 선택적인 방향으로 투과 및/또는 반사하는 스크린(20)을 갖는다. 스크린(20)의 방향 선택성에 의해, 스크린(20)에 도달하는 투사 광빔 Ld의 입사각에 좌우되어 방사 광빔 Le이 스크린(20)을 빠져나오게 된다. 즉, 우수하게 조절된 방출 각도는 소정의 입사각에 관련된다. 환언하면, 입사 광빔 Ld의 방향은, 광빔의 입사 후 다른 광빔이 상대적으로 넓은 공간으로 빠져나오고 입사 방사 빔의 방향이 소정의 방향으로 방사하고 있는 광으로부터 결정될 수 없는 확산 스크린과는 달리, 방사 광빔 Le의 방향을 명확하게 결정한다. 스크린(20)에는, 반드시 물리적으로 구분되지는 않는, 즉 그들의 위치가 소정의 경우에서의 입사 및 방출 광빔에 의해 결정되는 스크린 포인트(screen point) P가 존재한다. 그러나, 스크린 포인트 P의 위치가 또한 예컨대 스크린(20)에 적절한 개구와 함께 물리적으로 고정되는 것도 실현 가능하다. 이러한 경우, 스크린 포인트 P는 또한 도 3에 도시된 바와 같이 스크린 포인트 P 사이의 경계선(21)에 의해 물리적으로 분리될 수도 있다. 대부분의 경우, 도 1 내지 도 6에 예시된 예에서와 같이, 스크린(20)이 스크린 포인트 P에 도달하는 광빔 Ld를 그들의 방향을 변경하지 않고서도 투과하도록 스크린(20)의 방향 선택성이 구현되지만, 다른 구현 또한 가능하다. 예컨대, 스크린(20)은 미러 또는 역반사체처럼 광빔 Ld를 반사할 수도 있다. 이러한 실시예 또한 WO 01/88598에 개시되어 있다. 스크린(20)의 스크린 포인트 P는 상이한 강도 및/또는 컬러의 광빔을 상이한 방향으로 방출할 수 있다. 스크린(20)의 이러한 특징은 3차원 디스플레이와 같은 장치의 동작을 용이하게 한다. 도 1 내지 도 3은, 광빔 Ld가 스크린(20)을 투과할 때에 자신의 방향을 변경하지 못하고 방출 각도 범위 α 내에서의 광빔 Le 로서 빠져나오는 실시예를 예시하고 있다. 도 1 내지 도 7, 특히 도 7의 내용에 대한 설명을 위해 다음의 주석에 대한 정의가 이용된다. 이 장치에서는 q개의 모듈이 존재하는 것으로 가정하며, 임의의 모듈을 1 내지 q개의 모듈 중 하나인 중간 첨자 j로 표기한다. 모듈은 광빔을 상이한 방향으로 방출할 수 있으며, 임의의 중간 방향은 i, m 또는 g인 것으로 한다. 스크린(20)에는 p개의 스크린 포인트 P가 존재하고, 중간 첨자는 k인 것으로 한다. 광은 스크린 포인트 P로부터 n* 방출 방향으로 발생할 수 있고, 이로써 n* 방출 방향이 스크린 포인트 P에 관련될 수 있으며, 그에 따라 전체 스크린(20)에도 관련될 수 있다. 여기에서 사용되는 중간 첨자는 i*, m* 또는 g*이다. 광빔의 경우, 아래첨자(s,c,d,e)는 광학 시스템에서의 광빔의 기능을 지칭하며, 여기서 Ls는 광원에 의해 방출된 광빔을 나타내고, Lc는 시준된(collimated) 광빔을 나타내며, Ld는 편향 관빔을 나타내고, Le는 관찰자를 향해 스크린(20)으로부터 최종적으로 방출된 광빔을 나타낸다. 위첨자들은 라인 내의 모듈, 그 모듈에 관련된 방출 방향, 및 스크린의 관련된 스크린 포인트 P를 지칭한다. 따라서, 광빔 Lcj,g,k+1은 광빔이 스크린(20)으로부터 빠져나와 모듈 j로부터 g 방향으로 방출되고 k+1번째의 스크린 포인트 P를 터치(이 경우, k+1번째의 스크린 포인트 P로부터 방사)한다는 것을 나타낸다. 광빔은 본 장치 내의 조사 시스템에 의해 생성된다. 이 조사 시스템은 편향 광빔 Ld 및 간접적으로는 방출 광빔 Le를 생성하는 모듈을 포함한다. 광빔 Le는 스크린(20)의 복수의 상이한 포인트에 관련되며, 또한 스크린 포인트 P의 상이한 방출 방향 E에도 관련된다. 예컨대, 도 3의 실시예에서, 모듈(45)은 광원(70)을 포함하며, j번째 모듈(45j)에 의해 방출된 광빔 Ldl-Ldn은 스크린(20)의 상이한 스크린 포인트 Pk-2,...,Pk+2를 통과한다. 또한, 모든 편향 광빔 Ldl-Ldn에 연속하여, 방출 광빔 Lej,l,k-2, Lej,i,k-1, Lej,m,k, Lej,g,k+1, Lej,n,k+2가 스크린(20)으로부터 빠져나와 상이한 El-En* 방출 방향으로 전파하는 것을 볼 수 있다. 이와 동시에, 광은 다른 모듈로부터 동일한 스크린 포인트 P에 도달한다. 예컨대 도 3에서 j-l번째 모듈(45j-l)로부터 방사하는 광빔 Ldl 또한 스크린 포인트 Pk+1에 도달하고, j번째 모듈(45j)로부터 유래되는 광빔 Ldg와는 상이한 방향으로 방사한다는 것을 알 수 있다. 광원(70)은 공통 말단부(76)를 갖는 광 도파로(75)을 통해 광을 광원에 대해 분산시키는 단일 발광체(80)로 구현될 수도 있다. 모듈(45)은 적합한 시준 광학장치(60) 및 집속 광학장치(40)를 포함할 수도 있다. 개개의 모듈은 하술된 원리에 따른 적합한 제어 시스템에 의해 제어된다. 모듈(45)의 기능은 광을 스크린(20)의 스크린 포인트 P을 향해 방출 각도 범위 α 내의 상이한 방출 방향으로 투사하기 위한 것이며, 상이한 방출 방향을 향하는 소정의 스크린 포인트 P로부터의 적합한 강도 및/또는 컬러를 갖는다면, 광원 S가 광을 각도 범위 β로 방출하는 것을 구현할 수 있다(도 1 및 도 2 참조). 이 각도 범위 β는 스크린(20)의 방출 각도 범위 α에 필연적으로 대응한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광원 S1, S2, S3,...,Sn은 광빔 Ld를 스크린 포인트 P3로 방출하며, 스크린 포인트 P3로부터 방사되는 광빔 Le의 방향은 개개의 광원 S1∼Sn과 스크린 포인트 P3의 상호 위치에 의해 결정될 것이다. WO 01/88598호에 개시된 장치는, 스크린 포인트 P를 향해 정밀하게 지향될 수 있는 이상적으로는 제로 폭을 갖는 복수의 편향 광빔 Ld를 생성하기 위해, 이상적으로는 제로 폭을 갖는 복수의 광원 S를 시뮬레이션할 수 있는 광학적인 배열을 제공하기 위한 것이다. WO 01/88598에 개시된 장치에서는, 개개의 스크린 포인트 P로부터의 상이한 El∼En* 방출 방향에 관련되고 개개의 장치의 스크린(20)의 몇몇의 상이한 스크린 포인트 P에 관련되는 화면을 생성하는 광빔 Le가 다음의 방식으로 생성된다. 2차원 디스플레이, 즉 개개의 모듈(45)에서 50 마이크로디스플레이가 존재한다. 렌즈는 이미지의 화소 Cd가 스크린(20)에 동시에 상을 맺도록 한다. 이 이미지가 디스플레이(50)에 의해 디스플레이된다. 2차원 디스플레이(50)에서, 화소 Cd는 상이한 스크린 포인트 P에 관련되며, 이 화소는 또한 스크린(20)의 상이한 방출 방향 El∼En*에도 관련된다. 개개의 방출 방향 E는 실제로 모듈(45)로부터 방사되는 광빔 Ld의 편향 방향 D에 의해 결정된다. 광학 시스템은 디스플레이(50)를 광학 렌즈(40)의 포인트까지 광빔 Lc로 투사한다. 광빔 Lc는 합성 영상의 화소 Cd로 인코딩된 정보에 의해 변조되며, 이 합성 영상은 디스플레이(50)에 의해 생생된다. 그러므로, 디스플레이(50)에 의해 생성된 이미지의 개개의 화소로 부호화된 정보에 의해(즉, 화소에 의해 운반된 정보에 의해) 광빔 Ld가 변조된다. 모듈(45)은 서로에 대해 그리고 스크린(20)과 관련하여 광학적으로 동등하거나 대칭의 위치로 주기적으로 시프트되어 위치된다. 광학 렌즈(40)가 입사하는 실질적으로 시준된 광빔 Lc을 입사 좌표에 의거하여 소정의 각도로 편향시키는 것을 상정해볼 수 있다. 예컨대, 도 3에 예시된 바와 같이, 50j SLM의 좌측 가장자리에서 화소 Cdj,l을 통과하는 광빔 Lcl은, 50j SLM의 중간 부분에서 화소 Cdj,m을 통과하는 광빔 Lcm의 편향 방향 Dm과는 상이한 편향 방향 Dl으로 편향될 것이다. 광빔 Ldm은 Em 방출 방향이 Dm 편향 방향에 의해 결정된다는 사실에 따라 Em 방출 방향으로 스크린(20)을 통과한다. 또한, 상이한 편향 방향 때문에, 공통 40j 광학 렌즈에 의해 상이한 편향 방향 Dl∼Dn으로 편향된 광빔 Ld가 상이한 스크린 포인트 P를 통과한다는 것은 도 3(또한 도 1 및 도 2)으로부터 명백하다. 방출 방향 E에 의해 결정되는 방출 각도 범위 α 내에서, 광은 실제로는 모든 방향으로 방출된다. 따라서, 이 영역으로부터 스크린(20)을 볼 때, 광빔은 모든 스크린 포인트 P로부터 관찰자의 눈에 도달한다(또한, 도 5를 참조). 그러므로, 방출 각도 범위 α는 완전한 관찰 각도 영역, 즉 스크린 포인트 P로부터의 광빔이 스크린(20)을 바라보는 관찰자의 눈에 도달하게 되는 각도 영역, 또는 보다 간략하게는 관찰자가 스크린(20) 상의 몇몇 종류의 영상을 인지할 수 있는 영역과 실질적으로는 동일하다. 이하에서는 3D 영상화의 원리를 보다 구체적으로 설명한다. 방출 각도 범위 α에서, 개개의 광빔 Lc은 정밀하게 결정된 방출 방향 E으로 전파한다. 이 방출 방향 E와 반대의 방향으로부터 스크린(20)을 바라보면, 개개의 스크린 포인트 P를 출발하는 광빔이 보이게 될 것이며, 그에 따라 스크린 포인트 P로 구성되는 완전한 영상이 스크린(20) 전체에서 인지된다. 관찰자에게 보여지는 영상에서, 스크린(20)의 외면과 스크린 포인트 P 자체가 반드시 인지되지는 않을 수도 있으며, 인지된 영상이 관찰자에게 2차원 투사 화면으로서 보여지지 않고, 관찰자가 실제 공간의 느낌을 경험하게 될 것이다. 도 4에는, 스크린(20)의 뒤에 다수의 모듈(45)이 존재할 수도 있음을 예시하고 있다. 스크린의 발산으로, 광빔이 각각의 스크린 포인트 P에서 모든 방향으로부터 관찰자의 눈에 도달할 수 있게 되며, 이로써 관찰자가 각도 영역 내의 연속적인 영상을 인지할 수 있게 된다. 도 4의 우측편 상에 별도로 도시되어 있는 바와 같이, 시준된 비발산 빔으로서 스크린(20)에 도달하는 광빔 Leg-1, Leg, Leg+1은 상이한 방향으로 스크린 포인트 P에 도달한다. 이들 빔은 이들 빔을 다소 발산하게 만드는 각도 δx로 스크린(20)에 의해 분산된다. 동일한 효과가 도 5에 상세하게 도시되어 있다. 이로써, 광빔 Leg-1, Leg 양자의 방향이 원래 관찰자의 눈에서 벗어나 있는 경우에도, 광은 관찰자의 눈(E2L)에 도달하게 된다. 도 4에서는, 관찰자의 눈(E2L)에 도달하는 광빔 Leδg이, 2개의 모듈(45) 사이에서 출발하여 스크린 포인트 P를 통과하는 것으로 보이는 가상의 광빔 Leδg'의 연속인 것으로 보일 수도 있다. 이로써, 광빔 Leg-1, Leg, Leg+1 사이에 "갭"이 존재하지 않게 되며, 시각적으로 인지된 영상이 비조명 부분(unlit part)에 의해 갈라지지 않게 되고, 시청 영역이 연속적으로 커버된다. 즉, 연속적인 움직임 변위가 달성된다. 방출된 광빔 Le의 이러한 발산은 WO 01/88598호에 개시된 장치에서의 확산 스크린(diffuser screen)에 의해 달성된다. 본 발명은 이러한 확산 스크린의 사용여부에 상관없이 3D 영상의 화질을 향상시키는 방법 및 장치를 제안한다. 개개의 관찰 방향에 관련된 완전한 화면이 하나의 모듈에 의해 생성되지 않고 여러 개의 모듈에 의해 생성되는 것을, 특히 도 4의 좌측편을 참조하여 명확히 알 수 있다. 이러한 영상 장치는, 관찰자가 위치를 변경하고 그 관찰자의 관찰 지점이 예컨대 화살표 F의 방향으로 이동함으로써 변경된다면, 모듈(45)에 의해 방출된 광빔 Ldg-1, Ldg, Ldg+1 및 인지된 광빔 Leg-1, Leg, Leg+1 또한 연속적으로 변경되어, 관찰자이 눈(E2L)에 의해 인지된 영상을 생성하고, 그 위치가 연속적으로 변화하게 된다(도 4의 우측편 참조). 이러한 방식으로, Ldg-1, Ldg, Ldg+1 광빔이 상이한 모듈(45)에 의해 생성된다는 사실에 따라, 연속적으로 변화하는 영상이 생성된다(도 4 참조). 또한, 상이한 모듈(45)로부터의 빔이 개개의 스크린 포인트 Pk-1, Pk, Pk+1, Pk+2 등으로부터 관찰자의 우측 눈(ER) 및 좌측 눈(EL)에 도달한다는 것이 명백하게 도시되어 있다. 이것은 기본적으로 동일한 스크린 포인트가 좌측 눈 및 우측 눈에 대해 상이한 정보를 전달한다는 것을 의미한다. 동일한 효과가 도 5에 보다 구체적인 형태로 나타내어져 있다. 도 5에서는, 본 발명에 따른 장치가 상이한 3차원 물체의 공간적인 포인트를 어떻게 디스플레이하는지를 보여주고 있다. 예로서, 도 5에서, 본 발명의 장치는 상이한 위치에 있는 2명의 관찰자에 대해 3차원 공간에 현수되어 있는 것으로서 인지되는 2개의 어두운 포인트 물체 O1 및 O2와, 2개의 밝은 포인트 물체 O3 및 O4를 디스플레이한다. 이해를 보다 용이하게 하기 위해, 관찰자의 눈에 실제로 도달한 모듈(45)의 광빔을 주로 나타내었지만, 모든 방출 방향으로 모든 모듈을 떠나는 광빔이 있음이 강조되어 있다. 따라서, 본 장치는 관찰자의 위치에 독립적이며, 관찰자에게 착용되는 특수 안경 또는 기타 하드웨어를 사용하지 않고서도 시야 내에서의 어떠한 방향으로부터 관찰될 때에도 3D 영상을 제공한다. 도 5에서는, 예컨대, 제1 관찰자가 양쪽의 눈 E1R 및 E1L으로 어두운 물체 O1을 인지하지만, 이를 달성하기 위해서는 모듈(45i-8)이 우측 눈 E1R에 광빔을 전송하는 한편 모듈(45i)이 좌측 눈 E1L에 광빔을 전송한다는 것을 보여주고 있다. 이로써, 관찰자는 물체로부터의 광이 상이한 각도에서 그 관찰자의 양쪽의 눈에 도달한다는 것을 명확하게 인지할 것이며, 그 관찰자는 또한 물체 O1로부터의 거리를 인지할 것이다. 제1 관찰자는 마찬가지로 물체 O2를 인지할뿐만 아니라, 관찰자가 좌측 눈 E1L의 방향에 있는 모듈(45i-2)에 의해 전달된 광에 의해 자신의 좌측 눈 E1L을 통해 물체 O2에 대한 정보를 수신하기 때문에, 물체 O2가 물체 O1의 뒤에 있다는 것을 인지할 수도 있다. 이와 동시에, 제2 관찰자에 대해서는, 물체 O1 및 O2는 모듈(45i+17, 45i+16) 및 모듈(45i+8)로부터 그 관찰자의 양쪽 눈 E2R 및 E2L에 도달하는 광빔에 따라 2개의 서로 다른 물체로서 보이게 될 것이다. 제2 관찰자의 좌측 눈 E2L은 물체 O1의 방향으로부터 도달하는 광빔이 어떠한 모듈에 의해서도 생성될 수 없기 때문에 물체 O1을 관찰할 수 없다. 한편, 동일한 원리에 기초하여, 양자의 관찰자는 물체 O3 및 O4를 보게 될 것이다. 한편, 동일한 원리에 근거하여, 관찰자 양자는 포인트 물체(point object) O3 및 O4를 관찰할 것이다. 예컨대, 포인트 물체 O4는 모듈 45i+3 및 45i와 모듈 45i-8 및 45i-11을 빠져나오는 광에 기초하여 제1 관찰자의 양쪽 눈에 의해 인지될 것이다. 상이한 방향으로 상기한 강도를 가지고 방출될 수도 있는 광빔으로 인해, 예컨대 동일한 모듈(45i)이 제1 관찰자의 우측 눈 E1R 및 좌측 눈 E1L에 대해 상이한 컬러 물체를 디스플레이할 수 있다. 제2 관찰자의 우측 눈 E2R은 물체 O4가 물체 O2에 의해 가려지기 때문에 물체 O4를 관찰하지 못한다. 제2 관찰자는 자신의 좌측 눈 E2L으로만 물체 O4를 인지할 수 있다. 본 장치는 이러한 종류의 임의의 수의 포인트 물체를 디스플레이할 수 있으며, 이로써 이들 물체가 포인트의 세트로서 디스플레이될 것이기 때문에, 한정된 치수의 물체를 디스플레이하는데 적합하다. 또한, 스크린(20)의 앞과 뒤의 물체가 본 장치의 지원에 의해 동등하게 디스플레이될 수 있다. 본 장치에 의해 생성된 광빔은, 이들 광빔이 디스플레이될 물체로부터 개시되고 있고 투사 장치가 관찰자의 위치를 고려하지 않는 것처럼, 정확히 동일한 것이 된다. 관찰자의 위치에 무관하게, 실물 그대로의 영상이 방출 각도 범위 내에서 모든 방향으로 디스플레이된다. 본 명세서에서는 본 장치가 관찰자가 전혀 없는 방향으로 광빔을 연속적으로 방출하고 있음을 강조하고 있다. 이러한 광빔은 도 5에 광빔 Le로서 나타내어져 있다. 전술한 바와 같이, 양호한 시각적 화질을 갖는 3D 물체의 인지는 방출 광빔 Le가 스크린(20)을 떠날 때에 특정의 발산을 갖도록 요구한다. 예컨대, 이것은 홀로그래픽 확산 스크린을 적용함으로써 달성될 수도 있다. 스크린(20)의 확산 특성은 실질적으로 시준된 출력 빔이 최대치가 수 도(few degree)인 발산 각도 δx로 스크린 포인트 P를 출발하도록 하여, 모듈(45)로부터 도달하는 광빔 Ldi과 Ldi+1 간에 중첩이 존재하게 된다. 도 7a에 도시된 경우에, 편향 광빔 Ldi과 Ldi+1 의 방향은 실질적으로 방출 광빔 Lei과 Lei+1 의 방향과 동일하며, 이들은 또한 인접 방출 방향으로 나타내진다. 발산 각도 δx가 방출 광빔 간의 각도 γ와 동일할 때에, 중첩, 즉 인접 광빔 Lei과 Lei+1 의 밀착 접촉은 적합하다는 것은 명백하다. 그러나, 방출 광빔 Le의 필요한 발산 각도 δx가 도 6a에서의 단일의 편광 광빔 및 단일 모듈(45)에 대해 도시된 바와 같이 확산 스크린으로 달성되는 방식에는 문제점이 있다. 이 경우, 방출 광빔 Le의 강도 분포는 도 6c에 도시된 각도 강도 분포와 유사하다. 즉, 그 강도 분포는 대체적으로 중심 영역에서는 강하고 가장자리쪽을 향해서는 낮아지는 가우시안 분포를 보이고 있다. 그 결과, 몇몇의 이웃 방출 광빔 Le의 합성 강도 분포는 도 7c의 곡선을 따를 것이다. 발산 각도 δx에 따라서는, 영상에 역효과가 나타나게 된다. 발산 각도 δx가 작은 경우, 관찰자는 강도의 변동, 즉 영상의 불균일성을 인지할 것이다. 발산 각도 δx가 강도 불균일성을 보상하기에 충분한 경우에는, 관찰자는 이웃하고 있는 광빔이 중첩하는 영역(5)에서 누화에 의해 초래된 시각적 노이즈를 인지할 것이다. 관찰자에 대하여, 이것은 인지된 영상이 선명하지 못하게 보여질 것이고, 그 주변의 화면이 3차원 영상으로 동시에 제공될 것이므로, 선명한 윤곽을 갖는 영상을 보여줄 수 없다는 것을 의미한다. 스크린 확산 특성은 이러한 시스템에서 중요한 요소이며, 불행히도 이러한 가우시안 강도 분포는 홀로그래픽 확산 스크린의 모든 실질적인 확산기에서도 근본적으로 나타난다. 도 7c에 도시된 고르지 못한 전체 강도 또는 바람직하지 않은 누화는 이들이 서로 상충하는 요건이기 때문에 실제적으로는 회피할 수 없는 것이다. 이것은 이러한 시스템의 성능을 크게 제한하며, 고품질 3D 디스플레이의 제조를 불가능하게 한다. 이러한 단점은 무색수차(achromatic) 홀로그래픽 확산 스크린을 갖는 시스템에 대해서는 사실로 판명되었으며, 홀로그래픽 확산 스크린이 아닌 다른 분산 요소, 예컨대 렌티큘러 렌즈 시스템을 사용하는 경우, 이상적인 확산 특성을 구현하는 것이 곤란하고(도 6b 및 도 7b 참조), 심각한 오정렬 및 컬러 분포 문제가 발생하여, 역시 인지된 영상의 저하를 초래한다.