KR20080088803A - 안경식 3차원 영상표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 영상표시장치로서, 순차적으로 하부기판, 중간기판 및 상부기판; 상기 하부기판과 상기 중간기판의 사이에 개재되는 한쌍의 하부 투명전극층; 상기 한쌍의 하부 투명전극층 사이에 개재되는 제1 액정층; 상기 투명전극상에 적층된 필터; 상기 하부기판상에 적층된 제1 편광판; 상기 중간기판상에 적층된 제2 편광판; 상기 중간기판과 상기 상부기판의 사이에 개재되는 한쌍의 상부 투명전극층; 및 상기 한쌍의 상부 투명전극층 사이에 개재되는 제2 액정층을 구비하는 액정표시부(110)와, 상기 하부 투명전극층에 휘도조절신호를 인가하고, 상기 상부 투명전극층에 상기 하부 투명전극층을 통과한 빛의 편광의 위상조절신호를 인가하는 구동부(30)와, 서로 직교니콜을 이루는 한 쌍의 편광알을 구비하여, 상기 하부 투명전극층 및 상기 상부 투명전극층을 통과한 편광을 수신하는 편광안경(70)을 포함한다.

본 발명에 의하면, 종래에 LCD 두장을 앞뒤로 겹쳐서 만들어진 안경식 LCD 입체영상 표시장치에서 발생하는 픽셀 사이의 높이차에 의한 모아레 무늬, 뒤쪽 픽셀을 통과한 광이 펴짐에 따른 영상의 세기 겹침, 유리기판과 컬러 필터에 의한 휘도 약화 등의 문제점이 해결될 수 있다.

Description

안경식 3차원 영상표시장치{monitor for displaying glasses-typed 3-dimensional image display system}

도 1은 일반적인 LCD 의 광학판 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 안경식 LCD 입체영상 표시장치에 포함되는 영상표시용 모니터 및 구동 그래픽 카드를 포함한 PC를 나타내는 도면이다.

도 3은 편광안경을 이용하여 입체영상을 볼 수 있는 원리를 도시한 것이다.

도 4는 안경식 LCD 입체영상 표시장치의 좌영상과 우영상에 대한 상부 LCD 패널과 하부 LCD 패널에 출력되는 화면을 나타낸 것이다.

도 5는 안경식 LCD 입체영상 표시장치용 모니터의 광학판 구성을 나타내는 도면이다.

도 6는 본 발명의 안경식 LCD 입체영상 표시장치용 모니터의 광학판 구성을 나타내는 도면이다.

도 7은 LCD를 구성하는 광학판의 광 투과도를 나타내는 도면이다.

입체영상 표시장치는 크게 안경식, 무안경식으로 분류할 수 있으며, 무안경식은 렌티큘라 (lenticular), 시차장벽(parallax barrier), IP(Integral Photography) 등을 이용한 공간분할(spatial multiplexing) 형태와 고속 수평 주파수용 표시장치 (주로 CRT)와 공간 셔터로 이루어진 시간분할 형태이다. 무안경식은 안경을 쓰지 않고 입체영상을 볼 수 있는 장점을 가지고 있으나 그에 상응하는 제약이 있다. 공간분할 방식은 시점수에 따른 공간해상도 저하가 일어나 2차원 영상에 비해 화질이 떨어지는 단점을 가지고 있고 시간분할 형태는 시스템의 크기를 LCD 만큼 줄이기 어려운 단점을 가진다. 현재 상용화되는 안경식은 CRT 모니터와 편광안경 또는 셔터안경을 이용하는 방식이다. 좌우영상을 시간적으로 번갈아 디스플레이하고 좌안(또는 우안)에 대응되는 영상이 디스플레이 될 때마다 우안(또는 좌안)을 가려주는 안경을 이용하여 좌우 영상의 잔상으로 입체영상을 볼 수 있도록 고안된 것으로 깜빡임(flickering)을 없애기 위하여 수평 주파수가 120 Hz 정도의 CRT 모니터가 이용되었다. 현재 2차원 표시장치는 박막형으로 가고 있는 추세로 시간분할 형태의 무안경식은 시스템의 크기를 줄여야하는 단점으로 인해 상용화에 어려움이 있을 것으로 예상하며, 공간분할 형태의 무안경식은 해상도가 떨어져 화질을 개선해야하는 근본적인 어려움 때문에 상용화가 어려울 것이다. 안경식으로 CRT 모니터가 아니라 현재 추세에 맞는 LCD 모니터를 대신하여 사용하려면 수평 주파수 120Hz를 갖는 LCD 모니터가 필요한데 현재 상용화된 LCD 모니터의 수평주파가 최대 75Hz로 단순히 CRT 모니터를 LCD 모니터로 바꾸는 방법은 가능하지 않다. 상기 수평주파수의 문제를 해결하여 깜빡임을 없애고 2차원 평면 LCD 모니터의 공간 해상 도를 유지할 수 있는 입체영상표시장치에 관한 특허가 출원되어 있다. (출원번호: 10-2005-0009321)

상기 출원된 특허에 따르면 안경식 LCD 입체영상 표시장치로 두 대의 LCD 모니터로 구성된 입체영상 표시를 위한 모니터와 일반적으로 상용화되는 듀얼 그래픽 카드가 장착된 PC와 구동 소프트웨어로 구성되어 있다. 상기 출원된 특허의 입체영상 표시를 위한 모니터는 LCD 두장을 앞뒤로 겹쳐서 만든 것으로 뒤쪽 LCD는 일반적인 LCD 모니터이며 앞쪽 LCD는 편광판만이 제거된 패널이다.

두개의 LCD 모니터를 단지 편광판만을 제거하여 겹치기 때문에 앞쪽 LCD에 있는 칼라 필터 와 두개의 LCD가 겹치는 유리기판이 이중으로 겹쳐있어서 앞뒤 LCD 각각의 대응되는 픽셀 사이의 높이차가 생기게 된다. 따라서 모아레 무늬가 발생하는 문제, 뒤쪽 픽셀을 통과한 광이 펴짐에 따른 영상의 세기 겹침, 또한 유리기판과 컬러 필터에 의한 휘도 약화 등이 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 3차원 영상표시장치의 이중의 액정패널 사이에 발생하는 높이차를 감소시켜 모아레 무늬 및 광의 퍼짐 현상을 해결하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 3차원 영상표시장치의 이중의 액정패널구조에 의하여 발생하는 휘도 약화 현상을 개선하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 3차원 영상표시장치는,

순차적으로 하부기판, 중간기판 및 상부기판; 상기 하부기판과 상기 중간기판의 사이에 개재되는 한쌍의 하부 투명전극층; 상기 한쌍의 하부 투명전극층 사이에 개재되는 제1 액정층; 상기 투명전극상에 적층된 필터; 상기 하부기판상에 적층된 제1 편광판; 상기 중간기판상에 적층된 제2 편광판; 상기 중간기판과 상기 상부기판의 사이에 개재되는 한쌍의 상부 투명전극층; 및 상기 한쌍의 상부 투명전극층 사이에 개재되는 제2 액정층;을 구비하는 액정표시부(110)와,

상기 하부 투명전극층에 휘도조절신호를 인가하고, 상기 상부 투명전극층에 상기 하부 투명전극층을 통과한 빛의 편광의 위상조절신호를 인가하는 구동부(30)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 3차원 영상표시장치는, 서로 직교니콜을 이루는 한 쌍의 편광알을 구비하여, 상기 하부 투명전극층 및 상기 상부 투명전극층을 통과한 편광을 수신하는 편광안경(70)을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 필터는 상기 제1 액정층과 상기 제2 액정층의 사이에 개재된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 제2 편광판은 상기 제2 액정층의 하부측에 배치된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 제1 편광판, 상기 하부기판, 상기 한쌍의 하부 투명전극과 그 사이에 개재된 상기 제1 액정층, 상기 필터, 상기 중간기판, 상기 제2 편광판, 상기 한쌍의 상부 투명전극과 그 사이에 개재된 상기 제2 액정층, 및 상기 상부기판은, 순차적으로 하부측부터 상부측을 향하여 적층된 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 제1 액정층은 액정의 성질에 따라서, 하부 투명전극층 사이에 구동전압이 인가되어 빛의 편광의 방향이 바뀐다. 또한, 일실시예에 있어서, 제2 액정층은 액정의 성질에 따라서, 상부 투명전극층 사이에 구동전압이 인가됨으로써 액정배열이 회전되어 빛의 편광의 방향이 바뀐다. 구동전압 없이 액정배열이 회전되는 경우에는, 구동전압이 인가되면 액정배열이 회전되지 않는 액정을 사용한다. 제1 액정층은 하부 LCD 패널을 구성하고, 제2 액정층은 상부 LCD 패널을 구성한다.

입체영상이 편광안경을 착용한 관찰자의 육안에 도달하기 위해서는, 관찰자의 좌우의 육안에 편광안경의 니콜에 소정의 위상차를 가진 편광성을 가진 빛이 도달해야 한다. 서로 다른 2개의 프레임 화면이 표시되어야 하므로, 화상 프레임을 표시하기 위하여 각 픽셀의 제1 액정층 뿐 아니라 제2 액정층에서도 제1 액정층으로부터의 빛이 통과되어야 한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 제1 편광판과 상기 제2 편광판은 서로 직교니콜을 이룰 수 있다. 일례로, 제1 액정층에 있어서 하부 투명전극층 사이에 휘도조절용 구동전압이 인가됨으로써 액정배열이 90도 회전되는 경우, 제1 편광판과 제2 편광판은 서로 직교니콜을 이루므로 하부 투명전극층 사이에 구동전압, 즉 휘도조절신호가 인가되면 제1 액정층에 빛이 통과될 수 있다.

또한, 제2 액정층에 있어서 상부 투명전극층 사이에 위상조절용 구동전압이 인가됨으로써 액정배열이 소정의 각도로 회전한다. 따라서, 제1 액정층을 통과한 빛은 상부 투명전극층까지 통과하면서 소정의 위상으로 변위되어 관찰자의 육안에 도달할 수 있다.

그리고, 하부 투명전극층 사이에 휘도조절용 구동전압이 인가되지 않아 액정배열이 회전되지 않으면 상호 직교니콜을 이루는 제1 편광판과 제2 편광판의 작용에 의해 제1 액정층으로부터는 화상이 표현되지 않는다.

여기서, 관찰자에 인식되기 위한 좌우영상의 한 픽셀에서 좌영상의 밝기를 I₁ 우영상의 세기를 I₂라 할 때,

상기 휘도조절신호는 제1 투명전극층을 통과한 픽셀에서의 밝기 I를,

로 출력하고,

상기 위상조절신호는 상기 제2 투명전극층을 통과한 픽셀에서의 밝기를 구현하기 위한 위상 P를,

로 결정한다.

일반적인 LCD 구조는 도 1과 같으며 여기서 광원은 BLU(Back light unit)에서 만들어져 그림과 같이 뒤쪽에서 일정한 분포로 LCD의 각각의 픽셀로 입사하게 된다. LCD는 픽셀로 구성되어 있으며 각각의 픽셀에 RGB(Red, Green, Blue) 필터인 컬러 필터가 공간적으로 분리되어 있다. 또한 편광판이 서로 수직된 편광형태로 액정 앞뒤쪽에 위치해 있다. LCD에 사용되는 편광필름은 여러종류가 있으며 구조는 여러 층으로 이루어져 있다. 입사광을 편광시키는 고분자 편광 매질을 중심으로 지지체 TAC(Tri-acetyl-cellulose)를 편광 매질의 양쪽에 사용하고 접착층은 편광 Film을 보호필름에 접착시키기 위하여 사용한다. 그리고 상측 표면에는 저반사층인 AG(Anti-Glare) 혹은 AR (Anti-Reflection) 코팅층과 보호막이 있다.

발명의 명칭이 "실시간 입체영상 입출력 장치" (출원번호: 10-2005-0009321)로 출원된 특허에서 발명의 개략도를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보듯이 두 대의 LCD 모니터(10,20)로 구성된 입체영상 표시를 위한 모니터(110)와 일반적으로 상용화되는 듀얼 그래픽 카드(40)를 가진 PC(30)로 구동하는 소프트웨어로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 3차원 영상표시장치의 동일 픽셀에 있어서는, 하부 액정패널에서는 밝기 I를 조절하고, 상부 액정패널에서는 위상을 조절한다. 편광안경(70)을 착용한 관찰자의 육안에는 좌측 안경알의 편광방향(80)에 대응하는 휘도의 영상과 우측 안경알의 편광방향(90)에 대응하는 휘도의 영상이 각각 별도로 인식되므로, 관찰자는 입체영상을 인식할 수 있게 된다. 따라서, 각각의 화상 프레임은 좌측 안경알의 편광방향(80)과 우측 안경알의 편광방향(90)에 대응하여 인식되는 입체영상이 이루어지도록 구성되어야 한다.

이를 위하여, 3차원 영상표시장치에 사용되는 화상 프레임은 좌측 안경알의 편광방향(80)과 우측 안경알의 편광방향(90)에 대응하여 인식되는 입체영상이 이루어질 수 있는 화상 프레임이 소프트웨어에 의해 만들어져야 한다.

도 2에 입체영상 표시를 위한 모니터(110)는 LCD 두장(10, 20)을 겹쳐서 만 든 것으로 뒤쪽 LCD(20)은 일반적인 LCD 모니터이며 앞쪽 LCD(10)는 편광판이 없는 단지 액정만으로 된 패널이다. 이를 구동하기 위하여 구동부인 PC(30)안에 일반적인 dual graphic card를 장착하고 상기 모니터(110)에 적합한 소프트웨어를 만들었다. 한 frame의 입체영상을 제작하기 위하여 최소 두개의 영상이 필요하며 이 최소 영상을 좌우영상이라 한다. 상기 소프트웨어는 좌우 영상을 조작하여 하나의 영상은 뒤쪽 LCD(20)에 뿌려주고 다른 하나의 영상은 앞쪽 LCD(10)에 뿌려준다. 입체영상을 보기 위해서 시자가 편광안경(70)을 껴야하며 도 3에서 보듯이 좌측 안경알의 편광방향(80)과 우측 안경알의 편광방향(90)이 서로 수직하여야 한다. 입체영상 표시를 위한 모니터(110) 상의 한 픽셀(50)에서의 편광방향 및 크기(60)를 다음과 같이 얻을 수 있다.

하나의 영상 프레임에 있어서, 좌우영상의 한 픽셀(50)에서 좌영상의 밝기를 I₁ 우영상의 세기를 I₂라 한다면,

하부(뒤쪽) LCD상의 픽셀(50)에서의 밝기 I는

과 같으며,

상부(앞쪽) LCD 상의 픽셀(50)에서의 밝기 I'는

와 같은 값에 비례하여 결정된다.

여기서, P는 위상으로서, 편광에 대한 위상차를 말한다.

일예로 픽셀(50)에서 RGB 각각의 세기값은 식(2)로부터 얻은 RGB 값에 각각 2 x 256/3.14를 곱한 값이다.

따라서 구동 소프트웨어는 좌우영상을 식(1)과 식(2)를 이용하여 앞쪽 LCD(10)와 뒤쪽 LCD(20) 각각에 입력할 조작 영상을 제공할 수 있도록 되어 있다.

도 4는 안경식 LCD 입체영상 표시장치의 좌영상과 우영상에 대한 상부 LCD 패널과 하부 LCD 패널에 출력되는 화면을 나타낸 것이다. 좌상의 사진은 카메라에 의해 촬영된 좌영상, 우상의 사진은 카메라에 의해 촬영된 우영상, 좌하의 사진은 상부 LCD 패널에 도시되는 화면이고, 우하의 사진은 하부 LCD 패널에 도시되는 화면이다.

구동부(30)는 서로 다른 시각의 카메라에 의해 촬영된 좌영상과 우영상의 각 픽셀에 대해, 상기 수학식 1과 수학식 2에 의해 결정된 휘도 및 위상에 따라, 상부 액정층을 구동하기 위한 휘도조절신호와 하부 액정층을 구동하기 위한 위상조절신호를 발생시키고, 이에 따라 상부 LCD 패널에서는 각 픽셀에 대응하는 휘도를 가진 화상 프레임이 표시되고 하부 LCD 패널에서는 각 픽셀에 대응하는 위상을 가진 화상 프레임이 표시된다. 이러한 과정을 거쳐 표시된, 액정표시장치(110)로부터의 화상 프레임이 관찰자의 편광안경(70)에 도달하면, 다시 원래의 좌영상과 우영상이 구현되는 것이다.

발명의 명칭이 "실시간 입체영상 입출력 장치" (출원번호: 10-2005-0009321)로 출원된 특허에서 고안된 입체영상 표시를 위한 모니터는 도 1과 같은 LCD에서 뒤쪽 편광판 과 앞쪽의 편광판을 제거하여 상부 액정패널이 만들어졌고, 하부 액정패널은 일반적인 LCD를 이용하여 서로의 픽셀이 일치하도록 제작되어 있으며, 도 5와 같이 배치된다.

도 5와 같이 두개의 LCD 모니터를 단지 편광판만을 제거하여 겹치기 때문에 앞쪽 LCD에 있는 칼라 필터와 두개의 LCD가 겹치는 유리기판이 이중으로 겹쳐있어서 앞뒤 LCD 각각의 대응되는 픽셀 사이의 높이차가 생기게 된다. 따라서 모아레 무늬가 발생하는 문제, 뒤쪽 픽셀을 통과한 광이 펴짐에따른 영상의 세기 겹침, 또한 유리기판과 컬러 필터에의한 휘도 약화등이 발생하게 된다. 따라서 본 발명에서는 두개의 LCD를 겹칠 때 앞쪽 하나의 LCD에서 편광판, 한쪽 유리기판 그리고 컬러 필터를 제거하여 만드는 것이다.

본 특허에서 발명한 안경식 LCD 3차원 표시장치의 구성을 도 6에 나타내었다. 도면에서 보듯이 앞쪽 LCD에서 편광판, 한쪽 유리기판과 컬러 필터가 제거된 구성으로 앞뒤 LCD 각각의 대응되는 픽셀 사이의 높이차가 감소하게 되어 모아레 현상의 감소 및 뒤쪽 LCD의 픽셀을 통과한 광이 앞쪽 LCD에 대응되는 픽셀이 아니라 이웃하는 픽셀들로 퍼지는 양이 적어지고 또한 컬러 필터에의한 휘도 감소가 없다.

도 7에 LCD를 구성하는 각각의 광학판들의 투과도를 나타내었다. 그림 6에서 보듯이 컬러 필터의 투과율이 27%로 LCD 모니터의 디스플레이 휘도 감소에 가장 큰 원인을 제공하는 부분이다. 도 6처럼 안경식 LCD 3차원 표시장치용 모니터 구성하는 경우에 도 5처럼 모니터를 구성하는 경우보다 약 4배의 휘도가 커지게 된다.

이상, 도면을 참조한 명세서에서 최적의 실시예들이 특정 용어를 사용하여 개시되었으나 이는 본 발명을 쉽게 이해하기 위한 것이다. 즉, 본 발명이 이상에서 설명된 실시예들 및 도면들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 한다. 또한, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 목적 및 구성으로부터 치환, 소거, 병합 등에 의하여 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 도출하는 것이 가능하지만, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다는 점을 이해할 것이다.

본 발명에 의한 3차원 영상표시장치에 따르면, 3차원 표시장치용 모니터를 구성하는 앞쪽 LCD에서 편광판, 한쪽 유리기판과 컬러 필터가 제거된 구성으로 앞뒤 LCD 각각의 대응되는 픽셀 사이의 높이차가 감소하게 되어 모아레 현상의 감소 및 뒤쪽 LCD의 픽셀을 통과한 광이 앞쪽 LCD에 대응되는 픽셀이 아니라 이웃하는 픽셀들로 퍼지는 양이 적어지고 또한 컬러 필터에의한 휘도 감소가 없다. 특히 기존의 LCD 두장을 겹쳐서 사용하는 것에 비해 휘도가 약 4배로 커진다.

Claims (7)

1. 순차적으로 하부기판, 중간기판 및 상부기판; 상기 하부기판과 상기 중간기판의 사이에 개재되는 한쌍의 하부 투명전극층; 상기 한쌍의 하부 투명전극층 사이에 개재되는 제1 액정층; 상기 투명전극상에 적층된 필터; 상기 하부기판상에 적층된 제1 편광판; 상기 중간기판상에 적층된 제2 편광판; 상기 중간기판과 상기 상부기판의 사이에 개재되는 한쌍의 상부 투명전극층; 및 상기 한쌍의 상부 투명전극층 사이에 개재되는 제2 액정층을 구비하는 액정표시부와,

   상기 하부 투명전극층에 휘도조절신호를 인가하고, 상기 상부 투명전극층에 상기 하부 투명전극층을 통과한 빛의 편광의 위상조절신호를 인가하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상표시장치.
2. 제1항에 있어서,

   서로 직교니콜을 이루는 한 쌍의 편광알을 구비하여, 상기 하부 투명전극층 및 상기 상부 투명전극층을 통과한 편광을 수신하는 편광안경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상표시장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 필터는 상기 제1 액정층과 상기 제2 액정층의 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상표시장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 편광판은 상기 제2 액정층의 하부측에 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상표시장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 편광판, 상기 하부기판, 상기 한쌍의 하부 투명전극과 그 사이에 개재된 상기 제1 액정층, 상기 필터, 상기 중간기판, 상기 제2 편광판, 상기 한쌍의 상부 투명전극과 그 사이에 개재된 상기 제2 액정층, 및 상기 상부기판은,

   순차적으로 하부측부터 상부측을 향하여 적층된 것을 특징으로 하는 3차원 영상표시장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제1 편광판과 상기 제2 편광판은 서로 직교니콜을 이루는 것을 특징으로 하는 3차원 영상표시장치.
7. 제2항에 있어서,

   상기 편광안경에 대응하는 좌우영상의 한 픽셀에서 좌영상의 밝기를 I₁ 우영상의 세기를 I₂라 할 때,

   상기 휘도조절신호는 제1 투명전극층을 통과한 픽셀에서의 밝기 I를,

   

   로 출력하고,

   상기 위상조절신호는 상기 제2 투명전극층을 통과한 픽셀에서의 밝기를 구현하기 위한 위상 P를,

   

   로 결정하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상표시장치.

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