Continuous-motion-parallax tabletop three-dimensional display with extended viewing zone : 시청 영역의 확장을 통해 연속적인 시차를 제공하는 테이블탑 3차원 디스플레이

국문 초록 (Abstract)

3차원 디스플레이는 관찰자의 시청 방향에 따라서 변화하는 입체 영상을 제공할 수 있습니다. 과거에는 TV 형태의 3차원 디스플레이에 대해 많이 연구되었지만, 최근에는 테이블탑 디스플레이처럼 도면에 대한 검토, 혹은 미팅을 위한 상황을 고려한 형태의 연구도 활발하게 이루어집니다. 테이블탑 형태의 3차원 디스플레이는 TV 형태의 디스플레이와 달리 3차원 영상이 상영되는 위치와 관찰자의 시청 방향이 이루는 각도가 큽니다. 그러므로 테이블탑 디스플레이에 사용되는 광학계는 큰 각도 영역에서도 성능이 보장되어야 합니다. 3차원 영상을 형성하는 대표적인 광학계인 마이크로 렌즈 어레이 (MLA)를 사용한 방식은 광학계의 개구부와 영상이 재생되는 영역이 일치하는 장점이 있습니다. 기존의 MLA는 낮은 개구수를 갖고 있어 테이블탑 디스플레이에 적용될 만큼 큰 각도에서 성능을 보장할 수 없습니다. 한편 MLA가 아닌 테이블 중심에 영상 정보를 집적하여 3차원 영상을 재생하는 방식이 있습니다. 영상 정보를 집적하는 방식은 투사 광학계의 투사 방향과 테이블탑의 시청 방향을 동일하게 하여 광학계의 낮은 개구수에 대한 문제를 해결합니다. 이러한 방식에서 투사 광학계의 수가 시점의 수와 동일하여, 투사 광학계의 수를 늘리면 시청영역이 확장됩니다. 일반적으로 시청영역을 확장하기 위해서 공간 및 시간 다중화로 디스플레이를 구현하고 있습니다. 본 논문에서는 MLA를 테이블탑 디스플레이에 적용하기 위한 새로운 구조를 제안하고, 세 가지의 영상 정보를 집적하는 방식의 테이블탑 디스플레이 구조를 소개합니다.
챕터 2에서는 테이블탑에 적합한 MLA 구조를 이용한 테이블탑 디스플레이를 제안합니다. 기존의 MLA는 평면과 구면으로 이루어진 단일 렌즈로 배열되어있습니다. 평면과 구면으로 이루어진 단일 렌즈는 자이델의 5대 수차가 보정되지 않아 광축의 근축에서만 성능을 보장할 수 있습니다. 단일 렌즈의 성능적 측면을 고려하지 않더라도 결국 넓은 시야각을 형성하기 위해서 개구수 이상의 영역에서 오는 광선을 굴절시켜야 합니다. 하지만 MLA의 단일 렌즈는 평면이 요소 이미지의 방향에 있고, 구면이 공기 중을 향하고 있습니다. 이 경우 높은 각도에서는 렌즈 표면에서 공기 중으로 전파할 때 전반사 조건에 의해서 빛은 출사하지 못하고 전반사합니다. 그 외에도 MLA는 테이블탑 디스플레이에 적합하기 위해서는 높은 시야각에서 균일한 각도 해상도를 가져야 하지만, 단일 렌즈의 요소 이미지의 위치는 3차원 영상을 재생하는 출력 각도의 탄젠트 값을 갖습니다. 이러한 직선 변환은 높은 시야각을 확보하기 위하여 렌즈의 중심으로부터 더 먼 위치에 있는 요소 이미지의 빛으로부터 만들어지고, 앞서 언급한 전반사 조건이 야기될 가능성이 큽니다. 또한, 시청 위치에서 각 정보가 중복되지 않아야 하므로, 정보의 누화가 발생하지 않아야 합니다. 즉, 테이블탑 디스플레이에 적합한 MLA는 넓은 시야각을 가지면서 균일한 각 해상도 및 낮은 누화를 가져야 합니다. 따라서, 다중 레이어와 반전 렌즈 구조를 이용한 다중 레이어 반전 MLA (MLR-MLA)를 제안합니다. 반전 렌즈 구조는 구면이 요소 이미지를 향하게 배치하여 기존의 MLA와 대비하여 더 먼 거리의 요소 이미지의 빛도 전반사 조건에 부합하지 않습니다. 그리고 다중 레이어 구조는 입력과 출력의 관계를 선형적으로 변환합니다. 이러한 선형적인 관계는 요소 이미지의 균일한 간격의 픽셀값을 각도로 변환하므로, 시청영역 내부에서 균일한 운동 시차를 제공합니다. 결과적으로 제안하는 MLR-MLA를 사용하는 테이블탑 디스플레이는 최대 ±53.8°의 높은 시야각에서도 낮은 누화를 갖는 3차원 영상을 재생합니다.
챕터 3에서는 구형 렌즈와 2축 스캐너를 이용한 완전 시차 테이블탑 디스플레이를 제안합니다. 테이블탑 디스플레이는 인지 요소 중에서 양안 시차를 극대화하기 위해 수평 방향으로 시청영역을 확장하고 있습니다. 하지만 수직 방향으로 시청영역이 확장되지 않는 것은 관찰자에게 평면 영상과 동일한 정보를 전달하므로 시청 거리가 달라짐에 따라 3차원 영상의 정보는 원근 왜곡됩니다. 이러한 원근 왜곡이 없는 3차원 영상을 재생하기 위해서는 3차원 디스플레이가 완전 시차를 형성해야 합니다. 시간 다중화 방식에서 완전 시차를 형성하기 위해서는 2축 스캐너가 필요합니다. 하지만 일반적인 2축 스캐너의 두 가지 방식 중 미세 전기 기계 시스템은 주사를 위한 빔 크기와 주사 각도가 작습니다. 그리고 2개의 1축 스캐너를 교차하는 방식은 거울 간의 간격으로 인하여 수평과 수직 주사의 회전축이 물리적으로 다릅니다. 이 중에서 2개의 1축 스캐너 사이에 주사 광학계를 배치하여 간격으로 인한 회전축 불일치 문제를 해결하였습니다. 그리고 제안하는 디스플레이는 개선된 2축 스캐너와 구형 렌즈를 사용하여 완전 시차를 형성하기 때문에 시청 거리의 변화에도 원근 왜곡이 없습니다.
챕터 4는 240도의 시야각을 갖는 테이블 소품형 디스플레이를 제안합니다. 기존의 테이블탑 디스플레이는 넓은 수평 시야각을 형성하기 위한 광학계로 인하여 디스플레이의 부피가 큽니다. 시간 다중화 방식이 공간 다중화 방식과 대비해 광학계의 수가 적게 필요하며, 굴절 광학계는 반사 광학계보다 물리적으로 광 경로가 점유하는 크기가 큽니다. 디스플레이의 부피를 최소화하기 위해 시간 다중화 방식과 반사 광학계를 다수 사용하였고, 영상 정보를 제공하기 위한 공간 광 변조기와 같은 다수의 광학 장치를 반사 광학계의 개구부 사이에 배치하였습니다. 하지만, 시간 다중화 방식을 이용하여 시청영역을 확보하기 위해서는 높은 구동 속도를 갖는 공간 광 변조기 및 광학 스캐너가 필요합니다. 그리고 충분한 구동 속도를 확보하지 못하면 각 단일 시청영역 간의 간격이 커지거나 시청영역의 크기가 커져야 합니다. 시청영역 간의 간격이 커진다면 각 시청영역 사이에 시청할 수 없는 영역을 만듭니다. 반면 시청영역이 커진다면 관찰자가 시청하는 3차원 영상의 운동 시차가 감소합니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 단일 시점의 3차원 영상은 홀로그램으로 재생되어, 부드러운 운동 시차를 갖습니다. 따라서 제안하는 테이블 소품형 디스플레이는 210 mm3 이내의 부피임에도 240도의 시야각을 갖는 1.5인치의 3차원 영상을 재생할 수 있습니다.
챕터 5는 테이블 소품형 디스플레이의 광학 구조에 기초하여 360도의 시야각 및 풀-컬러 영상을 제공하는 테이블탑 디스플레이를 제안합니다. 테이블 소품형 디스플레이는 수평 시차가 극대화되었지만, 360도의 시야각을 달성하지 못하였습니다. 거기다 시청영역은 수평으로만 확장되어 수직 시야각은 아주 협소합니다. 제안하는 테이블탑 디스플레이는 수직 시청영역을 확장하기 위해 회절을 이용한 복제 시청영역을 형성합니다. 테이블 소품형 디스플레이는 가상 공간 광 변조기가 스캐너의 표면에 위치하지만, 챕터 5의 디스플레이의 가상 공간 광 변조기는 하부 반사 광학계의 표면에 위치합니다. 하부 반사 광학계 표면에 있는 가상 공간 광 변조기는 하부 반사 광학계 표면에 회절격자 무늬에 의해 수직 시청영역이 복제될 수 있도록 합니다. 또한, 스캐너 및 광학 장치의 위치를 반사 광학계의 개구부를 전부 사용할 수 있도록 배치하였습니다. 최종적으로 제안하는 테이블탑 디스플레이는 360도의 수평 시야각 및 20도의 수직 시야각을 갖는 풀-컬러 3차원 영상을 재생할 수 있습니다.
본 논문에서는 다양한 형태의 테이블탑 디스플레이를 제안하였으며, 시청영역의 확장에 대해서 주로 다루었습니다. 첫 번째 디스플레이는 기존의 MLA 구조를 분석하여 테이블탑 디스플레이에 적합한 MLR-MLA를 제안하였습니다. 그리고 영상 집적 방식을 사용하는 세 개의 디스플레이는 테이블탑을 위한 구조를 제안하고, 디스플레이의 광학계를 설계하고 구현 및 실험하였습니다. 각 디스플레이는 독립적인 디스플레이로 볼 수 있지만, 2축 스캐너 기술과 360도 수평 시청영역을 확장하는 기술은 서로 조합될 수 있습니다. 즉, 조합된 기술은 수평으로 360도의 시청영역을 확보하면서도, 수직으로 시청영역이 확대된 디스플레이를 설계할 수 있습니다. 결과적으로 각 디스플레이의 요소 기술들은 테이블탑 디스플레이에 국한되지 않고 다양한 3차원 디스플레이를 연구에 기여될 것으로 기대됩니다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1 Introduction 1
• 1.1 Viewing zone of the tabletop three-dimensional display 1
• 1.2 Continuous motion parallax of the extended viewing zone 6
• CHAPTER 2 Tabletop three-dimensional display with extended viewing zone using multilayer reversed microlens array 9
• 2.1 Motivation 9
• 2.2 MLR-MLA with uniform angular resolution 14
• 2.3 MLR-MLA with low crosstalk 21
• 2.4 Measurement of the misallocation map for compensating image distortion 28
• 2.5 Experimental results 34
• CHAPTER 3 Tabletop three-dimensional display with full parallax viewing zone expansion 39
• 3.1 Motivation 39
• 3.2 Interpretation of the viewing zone using the Wigner distribution function 42
• 3.3 Integrated view of the multiview display 53
• 3.4 Scanning optics for wide-angle high-speed dual-axis scanner 59
• 3.5 Experimental results 65
• CHAPTER 4 Table-props display using electronic holography with an extended viewing zone 71
• 4.1 Motivation 71
• 4.2. Optical design of the table-props display for horizontally extended viewing zone 75
• 4.3. WDF analysis of the optical transmission property in 3-f parabolic mirrors 81
• 4.4. Experimental result 91
• CHAPTER 5 360-degree holographic tabletop display with continuous-time-sequential viewing zone 98
• 5.1 Motivation 98
• 5.2 Optical design for holographic tabletop display 103
• 5.3 Experimental results 106
• CHAPTER 6 Summary 112
• REFERENCES 120