Time-multiplexing은 Multifocal Display를 만드는 데 사용되는 하나의 방법이다. 이 방법은 각각의 콘텐츠 프레임을 시간적으로 여러 개의 하위 프레임으로 나누어 각각 다른 초점 깊이를 가지도록 만드는 것이다. 이러한 방법은 고주사율 디스플레이 패널과 빠른 응답이 가능한 조절가능한 장치가 필요하다. 이러한 방법의 주요 장점은 공간 다중화 설계에서처럼 여러 물리적 디스플레이를 소형화하여 쌓는 어려움을 피하고 컴팩트한 형태를 가진다는 것이다.
Mechanical sweeping
Multifocal display designs enabled by mechanical sweep.
Mechanical sweeping(기계적 스윕)은 Timemultiplexed distance-based method(시간-다중화 거리 기반 방법) 중 하나로, 디스플레이 시스템 내에서 광학 경로 길이를 변경하여 다중초점 디스플레이를 구현한다.
(a) First mechanical sweeping 3D display(Shiwa et al. [56]) (a)는 1996년 Shiwa et al. [56]이 제시한 첫 번째 기계적 스윕 3D 디스플레이로 눈에 대한 각각 다른 이미지 콘텐츠를 표시하는 두 개의 서브 스크린(왼쪽과 오른쪽)으로 CRT 디스플레이를 분할한다. 이 시스템에서는 스텝 모터를 사용해 중계 렌즈를 광학 축을 따라 0.3초내에 4mm 이동시키며, 가상 이미지를 20cm에서 10m까지 스윕할 수 있다.
(b) Holographic see-through projection screen and a movable curved half-mirror combiner(Akşit et al. [58]) (b)는 Holographic see-through projection screen(홀로그래픽 시스루 프로젝션 스크린)과 Movable curved half-mirror combiner(이동 가능한 곡면 하프 미러 컴바이너)를 통해 가변 초점 HMD를 구축하였다. 이 미러 컴바이너는 스크린 앞에 배치되어 있으며, 사용자의 눈과 스크린 사이에는 배치되지 않는다. 이러한 배치 덕분에 디스플레이의 깊이를 변화시킬 때, 눈과 디스플레이 사이의 거리( Eye relief distance)는 그대로 유지될 수 있다. 디스플레이 깊이를 조절하기 위해, 이들은 곡면 빔 콤바이너를 최대 5mm까지 앞뒤로 이동시키며, 이를 통해 1에서 4 디옵의 깊이 범위를 커버할 수 있음을 보여주었다.
(c) Mechanical translation of the display panel(Shibata et al. [59]) (c)는 가변 초점 디스플레이의 또 다른 구현체를 보여주는데, 이 방식에서는 관찰 광학계 대신 디스플레이 패널 자체가 기계적으로 이동한다. 이 구현체에는 6인치 LCD 패널과 맞춤형 설계된 텔레센트릭 광학 시스템(Telecentric optical system)이 포함되어 있다. 텔레센트릭 광학 시스템은 물체의 크기를 고정시키는 특성을 가지고 있어, 따라서 LCD 패널이 기계적으로 이동하여 30cm에서 200cm로 깊이 범위를 제공할 때, 가상 이미지의 크기는 그대로 유지된다. 이러한 시스템은 눈의 추적을 통해 동적인 조절 단서를 제공할 수 있지만, 여러 깊이에서의 가상 이미지를 깜박임 없이 표시해야 하는 데 필요한 진정한 광학적 깊이 흐림 효과는 제공하지 않는다. 이는 고정된 속도로 디스플레이 패널을 이동시키는 한계 때문이다.
이러한 모든 기계적 스윕 방식은 시간 다중화와 결합되어 다양한 깊이에서의 이미지 표시를 가능하게 하며, 광학적인 디스플레이 해결책을 제공한다.
Switchable screen stack
Multifocal display designs with switchable screen stack.
스위핑 스크린의 대안으로, 시간 다중화를 가진 다중 초점 디스플레이를 위한액정(Liquid crystal) 기술을 활용하여 Transparent 상태와 Diffusive 상태 사이를 전환할 수 있는 Active projection screen이 개발되었다. Switchable screen stack(스위치 가능한 스크린 스택)은 움직이는 부품 없이 다중 초점 디스플레이를 만들 수 있다. 스위치 가능한 스크린이나 셔터는 명확한 깊이 간의 Cross-talk을 피하기 위해 두 상태 사이의 높은 대비비를 요구하며, 초고속 전환 시간(Ultra-fast switching time)을 필요로 한다.
(a) direct-view display(Sullivan [61]) (a)는 Sullivan [61]이 개발한 ‘DepthCube’라는 다중 평면 디스플레이를 보여준다. 이 시스템은 맞춤형 3-chip DLP 프로젝터와 LC 산란 셔터의 공기 공간 스택을 결합하여 사용했으며, 이 시스템의 스크린은 Polymer-stabilized cholesteric texture(PSCT: 고분자 안정화 콜레스테릭 텍스처)로 만들어져 산란 상태(투과율 2%)에서 투명 상태(투과율 88%)로 빠르게(0.08ms) 전환될 수 있다. 이 시스템은 50Hz에서 20개의 깊이에 1024×768 해상도의 5비트 풀컬러 2D 이미지를 표시할 수 있게 하지만, 이 시스템의 문제는 프로젝터로부터 멀어질수록 2D 이미지의 강도가 점차 떨어진다는 것이다.
(b) HMD can be constructed by high-speed projectors and switchable screen stacks(Liu et al. [64–66]) (b)는 Liu et al. [64–66]이 개발한 다중 초점 HMD benchtop system이다. 이 시스템은 Polymer-stabilized liquid crystal(PSLC: 고분자 안정화 액정)을 사용해 스크린의 투명 상태와 산란 상태를 빠르게 전환할 수 있다. 첫 번째 데모에서는 30Hz에서 두 개의 초점 평면을 지원하는 단색 듀얼-초점 디스플레이를 보여주었으며, 다음 데모에서는 반전 모드 PSLC 스크린을 이용해 사이클당 네 개의 초점 평면을 지원하고 이를 통해 전력 소비를 줄일 수 있음을 보였다. 마지막 데모에서는 깜박임 없는 60Hz의 리프레시 속도를 달성하기 위해 360Hz의 DMD 프로젝터를 사용한 이중 초점 HMD benchtop 데모를 제작하였다.
Polarization-dependent optical distance
Polarization-dependent optical distance는 광학 경로를 광선의 진행 방향에 따라 다르게 만들어 다른 초점 깊이를 가지도록 만드는 것이다. 이러한 방법은 광선의 진행 방향에 따라 광학 경로를 전환하는 광학 요소를 사용하여 구현되며, 시분할 다중 초점 디스플레이에서 사용됩니다. 이러한 방법은 광학 요소를 더 많이 사용하므로 하드웨어가 더욱 복잡해질 수 있다.
Multifocal display designs based on polarization-dependent optical distances.
(a) A polarizing beam splitter(PBS) separates the paths of two linear polarizations. Then, the difference between the PBS and two mirrors creates the distinct optical distances with quarter-wave plates(QWPs) (Lee et al. [68]) (a)는 2016년에 Lee et al. [68] 연구팀이 제시한 편광에 따라 광학적 거리를 시간 다중화하는 원리를 기반으로 하는 Near-eye display system(근시 디스플레이 시스템)에 대한 내용이다. Broadband twisted-nematic (TN) LC cell(광대역 트위스티드 네매틱(TN) 액정 셀)을 Polarization rotator(편광 회전기)로 사용하였으며, 디스플레이와 광학 사이의 광 경로를 빠르게 전환하는 역할을 한다. 이렇게 하면 두 개 이상의 가상 이미지 평면을 순차적으로 표시할 수 있게 된다. 특히 이 TN LC Cell은 Rising 4.3 ms, Decay 1.0 ms의 반응 시간을 나타내어 빠른 시간 내에 광 경로를 전환할 수 있음을 보여준다. 또한 이 디자인에서는 두 개의 미러를 Polarizing beam splitter(편광 빔 스플리터)로부터 다른 거리에 배치함으로써 광학 경로 차이를 생성하였다. 이로써 동일한 편광 방향의 빛은 서로 다른 경로를 통해 빛의 반사를 달리하여 다중 초점 기능을 실현하게 된다. 이와 같은 방식은 디스플레이 시스템에서 여러 개의 초점 거리를 빠르고 효과적으로 다루는 데 이용될 수 있다.
(b) The modified Savart plate provides different optical distances for ordinary and extraordinary lights(Lee et al. [69]) (b)는 Lee et al.[69]이 이전에 제안한 Temporally multiplexed dual-focal HMD(HMD: Head Mounted Display)의 Prototype으로 디스플레이 빛의 switching the polarization states(편광 상태를 전환함)으로써 이를 달성하였다. 이들은 편광에 의존하는 Savart Plate을 활용하였는데, Savart Plate는 두 개의 Anisotropic crystal plates(이방성 크리스탈 플레이트)로 만들어진 것이며, 디스플레이 패널 앞에 위치하고 있다. 이 Savart Plate는 Ordinary ray(일반 광선)과 Extra-ordinary ray(특별한 광선)의 굴절률을 효과적으로 구별할 수 있다. 따라서, 편광 상태가 다른 빛에 대해, Savart Plate는 다른 광학 경로 길이를 나타낼 것이다. Protytype에서 60Hz의 1666 픽셀 당 인치 micro-OLED는 각각의 두가지 깊이에 대해 30Hz의 고해상도 콘텐츠를 제공하며, 이들은 Eye-box 앞쪽의 230mm와 640mm에 배치될 수 있었다. 한편, 두 개의 평행한 칼라이트 판 사이에 반파 플레이트가 삽입되어, 수정된 Savart 판을 형성하여 난시를 광학적으로 보상한 경우, 또 다른 장점은 액정 Polarization rotator(편광 회전기)의 빠른 응답 시간이며, 이는 540Hz의 리프레시 속도에서 작동하고 충분히 빠른 디스플레이라면 깜빡임 없이 최대 9개의 초점 평면을 지원할 수 있었다.
Savart Plate
Savart Plate는 광학계에서 사용되는 투과형 Polarizer(편광판)이다. 일반적으로 방해석 또는 석영으로 제조되는 매우 유용한 장치로, 매우 약한 편광을 감지하는 데 사용된다. 이것은 두 개의 동일한 두께의 복굴절 재료 판으로 만들어지며, 각각의 광축은 표면 법선에 대해 45°이고 서로에 대해 90°회전한다. 첫 번째 판에 들어가는 빛은 두 가지 구성 편광 상태인 Ordinary(일반) 편광과 Extra-ordinary(특별) 편광 광선으로 나뉘며, Ordinary ray(일반 광선)는 방해받지 않고 전파되지만 Extra-ordinary ray(특별한 광선)는 한쪽 가장자리에 평행하게 변위된다. 두 번째 결정에 들어가면 첫 번째 결정의 Ordinary ray (일반 광선)가 두 번째 결정의 extra-ordinary ray(특별한 광선)이 되고 첫 번째 빔 변위에 수직인 방향으로 변위된다. 각 편광 구성 요소는 자체 전단 간섭계를 효과적으로 통과하여 일련의 직선 줄무늬를 생성한다. Plate 뒤에 분석용 편광판을 추가하면 줄무늬의 상대적 강도와 그에 따른 편광 정도를 측정할 수 있다.
(c) Scattering polarizers only diffuse one linear polarization and transmit the other.(Moon et al. [70]) (c)는 Moon et al. [70]이 구현한 프로젝션 타입의 이중 초점 Prototype이며, Projection screen(투영 스크린)으로서 Polarization-dependent scattering polarizers(편광 의존적인 산란 편광기)를 사용한다. 이 스크린은 선형 편광 상태의 빛을 산란시키고 직교 편광 상태의 빛을 투과시킨다. 이 시스템은 두 개의 스크린과 극히 빠른 30 µs 응답 시간을 가진 Polarization rotator(편광 회전기)와 동기화된 60 Hz 프로젝터로 구성된다. 이 설계의 문제점은 Scattering polarizers의 확산 각이 약 10°정도로, 가상 이미지에서 Apparent vignetting(두드러진 원축오차)가 발생한다는 것이다.
(d) CLC cells with opposite handedness reflect one circular polarization and transmit the orthogonal one. In all configurations, a polarization rotator(PR) is employed to switch the incoming polarization states. A linear polarizer(LP) is usually applied for displays with unpolarized light.(Chen et al. [71]) (d)는 Chen et al. [71]이 제안한 다른 HMD 설계이며, Reflective cholesteric liquid crystal(CLC: 반사형 콜레스테릭 액정) Cell을 사용했는데, 이 셀은 우측과 좌측을 가진 원형광편성(RCP, LCP) 사이의 광학적 거리를 구분하는 역할을 한다. 이때 Polarization rotator(편광 회전기)로는 TN(Twisted Nematic) LC(Liquid Crystal) 셀을 사용했다. 이 디자인은 특정 편광 상태의 빛을 이용하여 다양한 광학적 거리를 구현하는 원리를 활용하지만, 전체 색상 범위를 처리하는 데 있어서는 한계가 있다.
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