[논문]액정 전계 렌즈 기반 3차원 디스플레이 장치의 엄정한 시청영역 분석

김태현; 김봉식; 박우상

doi:10.4313/jkem.2016.29.8.494

액정 전계 렌즈 기반 3차원 디스플레이 장치의 엄정한 시청영역 분석
Rigorous Analysis of Viewing Zone for 3D Display with Electric-field-driven Liquid Crystal Lens 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.8, 2016년, pp.494 - 498

김태현 (인하대학교 전자공학과) , 김봉식 (인하대학교 전자공학과) , 박우상 (인하대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed the 3-dimenstional (3D) analysis for calculating the optical characteristics of an autostereoscopic display with electric field driven liquid crystal (ELC) lens. From 3D analysis considering the slanting of lens, we calculate the cross-talk of each images and the distortion of viewing zone. Using geometric opics and extended Jones matrix method (EJMM), phase retardation of ELC lens according to position is calcuated and then optical path difference in 3D space considering tilt and azimuth angle of incident light is gotten. Then, intensity distribution is presented in the space. Through camparing the intensity distribution using ideal lens with the ELC lens, we identify the noise and image distortion of ELC lens. As a result, this analysis is expected to provide optimum design conditions for realistic and rigorous 3D display with ELC lens.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 17.1인치 9 view 3D LCD를 이용하여 2D/3D 모드의 전환이 가능한 액정 전계 렌즈의 3차원 해석 방법을 제안하고 2차원 해석에서는 확인할수 없었던 각 영상 간의 혼선과 렌즈의 기울임 각도로 인한 시청영역의 왜곡에 대하여 확인하였다.
본 연구에서는 액정 전계 렌즈의 3차원적 해석방법을 제안한다. 이를 통해, 기존의 2차원 해석에서는 계산할 수 없었던 렌즈의 기울임 각도로 인한 시청영역에서의 출력 영상 왜곡을 볼 수 있었다.

제안 방법

Erickson-Leslie의 운동방정식과 유한차분법을 이용하여 얻은 액정의 분자 배열 분포에 EJMM을 적용하여 투과광의 편광상태를 얻고, 이로부터 렌즈를 통과한 빛이 겪은 총 위상지연 크기를 계산하였다. 위상지연 값을 이용하여 액정의 경사각과 방위각을 모두 고려한광경로 차를 계산하고 이를 이용하여 렌즈를 통과한 투과파의 파면을 얻었으며, 각 영상이 공간상에 분포되는 양상을 계산하였다. 이상적인 단일 렌즈의 결과와의비교를 통하여 액정 전계 렌즈에서 발생하는 영상의 노이즈와 왜곡을 확인하였다.
화소 전극들과 공통전극의 전압차를 이용함으로써렌즈의 가장자리에서 액정을 최대한 일어서게 만들고,중앙에서는 최대한 액정이 초기상태로 유지되게 설계하였다. 굴절률이 클수록 빛의 전파속도가 느려지게 되는데, 렌즈의 중앙으로 갈수록 액정의 장축의 굴절률을 겪게 되고, 가장자리로 갈수록 장축의 굴절률보다 작은단축의 굴절률을 겪게 되므로 빛이 한 점으로 모이는 렌즈의 특성을 갖게 할 수 있다.

이론/모형

Erickson-Leslie의 운동방정식과 유한차분법을 이용하여 얻은 액정의 분자 배열 분포에 EJMM을 적용하여 투과광의 편광상태를 얻고, 이로부터 렌즈를 통과한 빛이 겪은 총 위상지연 크기를 계산하였다. 위상지연 값을 이용하여 액정의 경사각과 방위각을 모두 고려한광경로 차를 계산하고 이를 이용하여 렌즈를 통과한 투과파의 파면을 얻었으며, 각 영상이 공간상에 분포되는 양상을 계산하였다.
액정은 3개의 화소 전극과 1개의 공통전극을 통해 거동된다. 렌즈에서 액정의 배열은 de Gennes의 차원 텐서와 Erickson- Leslie운동방정식을 적용하여 구하였다 [5].
시뮬레이션은 표 2에 나타낸 특성을 갖는 LCD패널에 9 view 입체영상을 적용하여 MATLAB tool에서 수행하였다.
액정 전계 렌즈의 액정 층을 통과한 후의 빛의 편광상태는 EJMM (extended Jones matrix method)를 이용하여 계산할 수 있다 [7]. 계산한 편광상태 값을이용하여 각 위치에서의 위상지연을 확인할 수 있으며,위상지연으로 렌즈를 통과한 빛의 파면을 구할 수 있다.

성능/효과

시뮬레이션 결과로부터, 각 영상이 눈간 거리 65 ㎜간격으로 분리되어 있음을 확인하였고, 각 영상 간의 혼선 정도를 의미하는 CR은 2차원 해석방법을 이용할 경우 2.94%, 3차원 해석방법을 이용할 경우 3.11%로 계산되었으며, 2차원 시뮬레이션만으로는 확인할 수 없었던 렌즈 기울임으로 인한 시청영역에서 3차원 영상의 기울어짐을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구의 해석방법을 이용하여 렌즈의 기울임 정도를 고려한 보다 실제적이고 엄정한 3차원 액정 전계 렌즈 기반 시뮬레이션이 가능하며, 액정 전계 렌즈 기반 2차원/3차원 모드 변환이 가능한 디스플레이의 최적 설계 조건을 제공할 수 있을 것이라 기대된다.
액정 전계 렌즈 설계 시 빛의 수렴을 위해 다층 전극 구조를 이용, 위치별로 위상차를 만들어 액정을 세밀하게 제어했음에도 불구하고 다층 전극 구조에서 존재할 수밖에 없는 횡전계로 인해 액정이 수평거동을 일으켜 빛의 진행에 왜곡이 발생하였다. 왜곡으로 인한 영상의 시청영역 분포를 3차원적으로 확인하여 액정전계 렌즈를 이용한 2D/3D 전환 3차원 디스플레이 최적설계를 할 수 있다.
위상지연 값을 이용하여 액정의 경사각과 방위각을 모두 고려한광경로 차를 계산하고 이를 이용하여 렌즈를 통과한 투과파의 파면을 얻었으며, 각 영상이 공간상에 분포되는 양상을 계산하였다. 이상적인 단일 렌즈의 결과와의비교를 통하여 액정 전계 렌즈에서 발생하는 영상의 노이즈와 왜곡을 확인하였다.

후속연구

11%로 계산되었으며, 2차원 시뮬레이션만으로는 확인할 수 없었던 렌즈 기울임으로 인한 시청영역에서 3차원 영상의 기울어짐을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구의 해석방법을 이용하여 렌즈의 기울임 정도를 고려한 보다 실제적이고 엄정한 3차원 액정 전계 렌즈 기반 시뮬레이션이 가능하며, 액정 전계 렌즈 기반 2차원/3차원 모드 변환이 가능한 디스플레이의 최적 설계 조건을 제공할 수 있을 것이라 기대된다.
또한, 영상이섞이지 않고 정확히 분리되는 정도를 평가하는 혼선율(cross-talk ratio) 분석에서 2차원에서는 고려되지 않은 방향으로의 수치를 확인할 수 있었다 [4]. 따라서렌즈의 기울임 정도를 고려한 실제적인 3차원 디스플레이 설계가 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3차원 디스플레이에는 무엇이 있는가?	3차원 디스플레이에는 안경식과 무안경식, 스테레오스코픽 디스플레이와 홀로그래픽 디스플레이 등이 있다. 현재 가장 보편화되어 양산되고 있는 것은 안경방식이다.
	편광필름을 안경에 사용하여 양안에서 보이는 영상을 분리 시켜주는 수동방식의 단점은?	안경방식의 경우 편광필름을 안경에 사용하여 양안에서 보이는 영상을 분리 시켜주는 수동방식이 있고,패널과 동기화된 신호를 이용하여 열고 닫히는 안경으로 영상을 시분할 시켜주는 능동방식이 있다. 수동방식에서 사용하는 안경은 능동방식의 안경보다 가볍고 저렴하지만, 화면의 밝기가 저하되는 단점이 있다. 궁극적으로 자연스러운 입체영상 시청과 높은 임장감에 구현에 있어서 안경방식보다는 무안경방식이 요구되고있다 [1].
	안경방식에는 어떤 방식이 있는가?	안경방식의 경우 편광필름을 안경에 사용하여 양안에서 보이는 영상을 분리 시켜주는 수동방식이 있고,패널과 동기화된 신호를 이용하여 열고 닫히는 안경으로 영상을 시분할 시켜주는 능동방식이 있다. 수동방식에서 사용하는 안경은 능동방식의 안경보다 가볍고 저렴하지만, 화면의 밝기가 저하되는 단점이 있다.

참고문헌 (8)

S. A Beton, ed., SID 08, 39, 348 (2008). [DOI: http://dx.doi.org/10.1889/1.3069666]
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상세보기
H. K. Hong, S. M. Jung, B. J. Lee, H. J. Im, and H. H. Shin, SID '08 Dig., 39, 348 (2008). [DOI: http://dx.doi.org/10.1889/1.3069666]
G. J. Woodgate, J. Harrold, A. M. S. Jacobs, R. R. Moseley, and D. Ezra, Proc. SPIE, 3957, 153 (2000). [DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.384438]
M. Kitamura, SID '95 Dig, 26, 540 (1995).
C. van Berkel and J. A. Clarke, Proc. SPIE, 3012, 179 (1997). [DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.274456]
P. Yeh, J. Opt. Soc. Am., 72, 507 (1982). [DOI: http://dx.doi.org/10.1364/JOSA.72.000507]

상세보기
B. S. Kim, S. C. Lee, and W. S. Park, J. Korean Phys. Soc., 65, 392 (2014). [DOI: http://dx.doi.org/10.3938/jkps.65.392]

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