CN103676448B - 时间多工自动立体显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种时间多工自动立体显示系统及方法，其中显示系统包含一投影机、一光传递装置及一光栅阵列。投影机可于不同的时序上，分别投射出不同方向的多个光束；光传递装置光耦合投影机，并接收及传递该些光束；光栅阵列光耦合光传递装置，以被该些光束照射，光栅阵列还具有多个区域，该些区域分别被该些光束照射，该些区域分别具有多个光栅，该些光栅用以依序地开启，以让该些光束的一部分通过。借此，该显示系统于每一次立体虚拟图像输出时，可减少光束的光损失。

Description

时间多工自动立体显示系统及方法

技术领域

本发明涉及一种立体显示系统及方法，特别涉及一种时间多工（time-multiplexed）自动立体显示系统及方法。

背景技术

立体显示近年来被热门地研究，而其主要原理为：一显示装置分别馈送左右眼不同的物体观看角度的图像至观察者的左右眼，根据人眼的视觉特性，于双眼分别观视相同图像内容但具有不同视差（parallax）的二图像时，观测者会感觉所视图像具有深度，故感受到该图像为立体。

实现上述的立体显示的原理的技术有许多种，而其中有一种技术称为“时间多工自动立体显示系统“。

请参阅图1所示，该“时间多工自动立体显示系统“是由剑桥大学(Cambridgeuniversity)的AdrianTravis教授所发明，该显示系统9具有一阴极射线管显示器(CRT)91、二透镜92及一光栅阵列(shutterorslitarray)93。

CRT91可投射出一光束(图像)，然后该光束经由透镜92传递而照射于光栅阵列93上。光栅阵列93具有多个光栅(slit)931，该些光栅931可轮流地开启，而非同时地开启。更详细地说，在一特定时序上，该些光栅931之中只有一个光栅931A会开启，而其余光栅931B会关闭。

光束虽然照射于光栅阵列93的全部光栅931上，但只有一小部分的光束可通过唯一开启的光栅931A，而其余部分的光束会被关闭的光栅931B档住。CRT91会依据开启的光栅931A的位置不同，而调整其每一像素所投射出的光束的强度(即CRT91会调整所显示的图像)。因此当该些光栅93轮流地开启时，CRT91的每一像素会有不同强度及不同方向的光线从光栅阵列93处射出。

借由发射出不同强度及不同方向的光线，显示系统9可模拟出一物体在空间中所散发出的光，以构成该物体的立体虚拟图像(3Dvirtualimage)，供位于光栅阵列93前方的观察者94观看之。

该时间多工自动立体显示系统可应用于医疗上，让医护人员可通过该显示系统来观察到患者的器官的立体图像。该时间多工自动立体显示系统也可应用于视频通话上，让通话者们可看到彼此的立体图像。

该时间多工自动立体显示系统的其中一问题为“所输出的立体图像的亮度不足”，原因为：在每一个时序上，CRT所产生的光束仅有一小部分可通过唯一开启的光栅，其余大部分皆被光栅阵列挡住。若光栅阵列有一百个光栅，则每次仅有百分之一的光束可被显示系统输出，而百分之九十九的光束皆被浪费。

该时间多工自动立体显示系统的另一问题为“非常高的画面更新率(framerate)的需求”，原因为：为了使观察者在观察立体图像时不会感觉到立体图像在闪烁(flickering)，显示系统需至少于一秒内输出六十个立体图像；然而，每输出一个立体图像，CRT需显示对应光栅数目的图像，故于一秒内CRT至少需产生“六十乘以光栅数目”的图像。

若光栅数目为一百个，CRT于一秒内需至少产生六千个图像，而光栅的开启至关闭的时间仅有六千分之一秒。这样对CRT及光栅两者的使用寿命皆有极大的影响。

有鉴于此，提供一种可改善至少一种上述缺失的时间多工自动立体显示系统或方法，乃为此业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种时间多工自动立体显示系统或方法，其可减少立体图像输出时的光损失。

本发明的另一目的在于提供另一种时间多工自动立体显示系统或方法，其可降低画面更新率的需求。

为达上述该些目的的其中之一，本发明所揭露的时间多工自动立体显示系统包含：至少一投影机，具有多个光源，该些光源用以依序地开启，以使得该投影机在不同的时序上分别投射出不同方向的多个光束；一光传递装置，光学地耦合该投影机，用以接收及传递该些光束；以及一光栅阵列(slitarray)，光学地耦合该光传递装置，以被该些光束照射，该光栅阵列具有多个相邻的区域，该些区域分别被该些光束照射，该些区域分别具有多个光栅(slit)，该些光栅用以依序地开启，以让该些光束的一部分通过；其中，该些光源的数目对应该些区域的数目，该些光源各具有一第一开启周期，而该些光栅系分别具有一第二开启周期，该第一开启周期大于该第二开启周期。

为达上述该些目的的其中之一，本发明所揭露的时间多工自动立体显示方法包含步骤：依序地开启至少一投影机的多个光源，以使得该投影机在不同的时序上，分别投射出不同方向的多个光束至一光传递装置；借由该光传递装置来将该些光束分别传递至一光栅阵列的多个相邻的区域，其中该些区域分别具有多个光栅；依序地开启该些光栅，以让该些光束的一部分通过；其中，该些光源的数目对应该些区域的数目，该些光源各具有一第一开启周期，而该些光栅分别具有一第二开启周期，该第一开启周期大于该第二开启周期。

本发明所揭露的时间多工自动立体显示系统及方法，可减少投影机产生的整体光束被光栅阵列挡住的光损失，以使输出的立体图像的亮度提升。另外本发明所揭露的时间多工自动立体显示系统及方法还可降低对画面更新率的需求。

为让上述目的、技术特征及优点能更明显易懂，下文以较佳的实施例配合附图进行详细说明。

附图说明

图1为现有的时间多工自动立体显示系统的示意图。

图2为依据本发明的第一实施例的时间多工自动立体显示系统的立体示意图。

图3为依据本发明的第一实施例的时间多工自动立体显示系统的平面示意图。

图4为图3所示的显示系统的投影机的内部示意图。

图5为图3所示的显示系统的光传递装置与光栅阵列的示意图。

图6为图3所示的显示系统的光栅阵列的示意图。

图7为图3所示的显示系统的光源与光栅的开启周期的比较示意图。

图8为图3所示的显示系统的光源与光栅的开启周期的另一比较示意图。

图9为依据本发明的第二实施例的时间多工自动立体显示系统的立体示意图。

图10为依据本发明的第二实施例的时间多工自动立体显示系统的平面示意图。

图11A为图9所示的显示系统的光束与光栅阵列于第一时序上的示意图。

图11B为图9所示的显示系统的光束与光栅阵列于第二时序上的示意图。

图11C为图9所示的显示系统的光束与光栅阵列于第三时序上的示意图。

图12为依据本发明的第三实施例的时间多工自动立体显示方法的流程示意图。

其中，附图标记说明如下：

[本发明]

1、2时间多工自动立体显示系统

10投影机

11光源

111光束

12光调变器

13投影镜头

20光传递装置

21柱状透镜层

22扩散板

23菲涅耳透镜

30光栅阵列

31区域

311重叠部分

312非重叠部分

32光栅

[现有]

9显示系统

91阴极射线管显示器(CRT)

92透镜

93光栅阵列

931、931A、931B光栅

具体实施方式

请参阅图2及图3所示，分别为依据本发明的第一实施例的时间多工自动立体显示系统的立体示意图及平面示意图。于本发明的第一实施例中，一时间多工自动立体显示系统1被提出，而为了简洁说明之目的，该时间多工自动立体显示系统1以下会时而简称为显示系统1。

显示系统1可包含至少一投影机10、一光传递装置20及一光栅阵列(slitarrayorshutter)30，该些元件的技术内容将依序说明如后。

至少一投影机10意指投影机10的数目可为一个或多个，而于本实施例中，投影机10的数目以一个为例示。请参阅图4所示，为图3所示的显示系统的投影机的内部示意图。投影机10可具有多个光源11、一光调变器12及一投影镜头13。该些光源11的数目于本实施例中，以三个为例示，而每一个光源11各可产生一光束111。

该些光源11于显示系统1运作时会被依序地开启，而不会被同时地开启；换言之，在不同时序上，仅有其中一个光源11会被开启而发出光束111；举例而言，在t1至t2的时序上，仅第一个光源11被开启，在t2至t3的时序上，仅第二个光源11被开启。该些光源11可为一固态光源(例如LED光源或激光光源)，以可被快速地开启及关闭。

该光调变器(lightmodulator)12与该些光源11为互相光学地耦合(opticallycoupled)，且也与该投影镜头13互相光学地耦合。“光学地耦合”泛指两光学元件之间的光线相互传递的情形，因此光调变器12光学地耦合该些光源11是表示该些光源11产生的光束111可传递、照射至光调变器12。

该些光源11所产生的光束111各以不同方向照射于光调变器12，而非以相同的方向；换言之，每一个光束111到达光调变器12的主光路皆为不同。此外，该些光束11不会同时地照射在光调变器12，而是依序地；换言之，该光调变器12于一个时序上仅会被一个光束111照射到。

该些光束111到达光调变器12后，光调变器12会将该些光束111转换成多个内容不同的图像，然后再将带有不同内容图像的该些光束111传递至投影镜头13中。光调变器12较佳地可为一数字微镜器(DMD)或一硅基液晶显示器(LCoS)等反射式光调变器。

由于该些光源11产生的光束111各以不同方向照射于光调变器12，故光调变器12会将该些光束111以不同方向传递至投影镜头13中；也可以说，该些光源11会成像至投影镜头13中的不同处。该投影镜头13尔后再将该些光束111投射出投影机10外，且会将该些光束111以不同方向投射出。

总结地说，投影机10的该些光源11可依序地开启，以使得投影机10在不同的时序上可分别投射出不同方向的多个光束111。

请复参阅图2及图3，显示系统1的光传递装置20是光学地耦合该投影机10，以在不同时序上接收投影机10投射出的该些光束111，然后再将该些光束111传递至光栅阵列30。

光传递装置20可由透镜来组成，而本实施例中，光传递装置20较佳地具有二柱状透镜层（doublelenticularlens）21、一扩散板（diffuser）22及二菲涅耳透镜（Fresnellens）23。该扩散板22位于二柱状透镜层21之间，而二柱状透镜层21位于二菲涅耳透镜23之间。

请参阅图5所示，为图3所示的显示系统的光传递装置与光栅阵列的示意图。较靠近投影机10的菲涅耳透镜23可将该些光束111准直，而较靠近投影机10的柱状透镜层21可将准直后的该些光束111聚集至全向扩散板22上，使得该些光源11通过柱状透镜层21成像至扩散板22；该些光源11在扩散板22中的成像位置不相同，是因为该些光源11在投影镜头13中的成像位置不相同。

接着，该些光束111被较靠近光栅阵列30的柱状透镜层21聚集至较靠近光栅阵列30的菲涅耳透镜23，然后再被该菲涅耳透镜23准直及传递至光栅阵列30上；换言之，该些光源11在扩散板22的成像进一步成像至光栅阵列30上，该些光源11在光栅阵列30上的成像位置不相同。

总结地说，投影机10的光传递装置20可将投影机10投射出的多个光束111传递至光栅阵列30上，并传递至光栅阵列30的不同区域上。

请配合参阅图6所示，为图3所示的显示系统的光栅阵列的示意图。显示系统1的光栅阵列30光学地耦合光传递装置20，以被从光传递装置20发出的该些光束111照射。该光栅阵列30具有多个区域31，而该些区域31的数目与投影机10的光源11的数目对应，因此该些区域31的数目也为三个。

该些区域31可分别地被该些光束111照射，也就是说，一个光束111主要地会照射到一个区域31。区域31的宽度对应光束111的照射范围，当投影机10的光源11数目增加时，每一个光束111照射在光栅阵列30的范围会相对地减少，故光栅阵列30也会被区分成更多数目的区域31。

该些区域31的任意两个可部分地重叠，因此该些区域31各可进一步地被区分成一重叠部分311及一非重叠部分312；该重叠部分311即为区域31的边缘部分。

该些区域31分别具有多个光栅(slit)32，本实施例中，三个区域31的光栅32的总数目为一百个。由于该些区域31有部分地重叠，故该些区域31会共同具有部分的光栅32。举例而言，第25至35个光栅32由第一个与第二个区域31共同地具有。

该些光栅32的每一个皆可被施加电能而开启，以让该些光束111的一部分通过之。本实施例中，该光栅阵列30较佳地为一液晶面板，而该些光栅32各为一排液晶。液晶被施以电能时，即可让特定光线通过。

该些光栅32并非同时地开启，而是依序地开启；换言之，一百个该些光栅32中，一次仅会有一个光栅32被开启。请配合参阅图7所示，为图3所示的显示系统的光源与光栅的开启周期的比较示意图。该些光栅32的开启周期与该些光源11的开启周期不一致，该些光源11分别具有一第一开启周期，而该些光栅32分别具有一第二开启周期，第一开启周期大于第二开启周期。

举例而言，若显示系统1需于一秒内输出六十幅立体图像时，第一开启周期为一百八十分之一(1/180)秒，而第二开启周期仅为六千分之一(1/6000)秒；每个光源11会轮流地开启达一百八十分之一秒，而每个光栅32会轮流地开启达六千分之一秒。

以上为显示系统1的各元件的技术内容的说明。该显示系统1与现有的显示系统9(如图1所示)相比，显示系统1可改善“所输出的立体图像的亮度不足”的缺失，原因为：显示系统1的投影机10仅会让其中一个光源11开启来产生光束111照射到光栅32有开启的区域31，其他的两个光源11并没开启；因此，每一个立体图像的输出，最多有一个光源11所产生的光束111被光栅阵列30挡住而损失，而另外两个光源11没有同时地产生光束111，故另外两个光源11不会有光束损失、浪费的问题。

当投影机10的光源11数目增加时，每一个的立体图像输出所造成的光损失会相对地减少，借此显示系统1所输出的立体图像的亮度可相应地提升。

请复参阅图6，该些光束111照射于光栅阵列30的该些区域31时，光束111的亮度并不是均匀地分布，而是光束的边缘(对应非重叠部分312)的亮度会比中央(对应重叠部分311)的亮度弱。

请配合参阅图8所示，为图3所示的显示系统的光源与光栅的开启周期的另一比较示意图。为了补偿此亮度不均匀分布的缺失，于该些区域31的重叠部分311的光栅32开启时，该些光源11的功率会被调高而使得光束111亮度增加；换言之，光源11启动时的功率会随着时间变化而增减，也就是会随着开启的光栅32的位置变化而增减。

经补偿后，从重叠部分311的光栅32射出的光束111的亮度，与从非重叠部分312的光栅32射出的光束111的亮度，两者会较为一致。

请参阅图9及图10所示，分别为依据本发明的第二实施例的时间多工自动立体显示系统的立体示意图及平面示意图。于本发明的第二实施例中，另一时间多工自动立体显示系统2被提出。显示系统2与显示系统1的差异处在于：显示系统2包含多个投影机10。

本实施例中，投影机10数目以三个为例示。每个投影机10皆具有多个光源11，而本实施例中，光源11数目以三个为例示。如此，显示系统2共有九个光源11，故照射于光栅阵列30上的光束111也对应地为九个。本实施例中，光栅阵列30的光栅32总数为一百个。

请配合参阅图11A至图11C所示，为图9所示的显示系统的光束与光栅阵列于不同时序上的示意图。显示系统2在运作时，每个投影机10的该些光源11会依序地开启。在第一个时序上，每个投影机10的第一个光源11会开启而产生光束111于光栅阵列30上(如图11A所示)；在第二个时序上，每个投影机10的第二个光源11会开启而产生光束111于光栅阵列30上(如图11B所示)；在第三个时序上，每个投影机10的第三个光源11会开启而产生光束111于光栅阵列30上(如图11C所示)。

在每个时序上，光栅阵列30的三个区域(图未标示出)会被来自于不同投影机10的三个光束111照射，且光栅阵列30会同时开启该些区域中的光栅32，以让该些光束111分别穿过之。如此，显示系统2可在一时序上，输出构成一幅立体图像的一百条光线的其中三条光线。

此举可使显示系统2对于“画面更新率的需求”大幅降低，比起传统的显示系统9(如第一图所示)而言。若显示系统2需在一秒内产生六十幅立体图像时，则每个投影机10只需于一秒内产生两千个图像(而非六千个)，每个光栅32的开启周期仅需两千分之一秒(而非六千分之一秒)。

请参阅图12所示，为依据本发明的第三实施例的时间多工自动立体显示方法的流程示意图。于本发明的第三实施例中，一时间多工自动立体显示方法被提出。为了简洁说明之目的，该时间多工自动立体显示方法以下会时而简称为显示方法。

该显示方法可应用于本发明的时间多工自动立体显示系统中，也就是前述的显示系统1及2(如图2及图3所示)。该显示方法也可视为本发明的显示系统的运作方法，故前述的显示系统的技术内容可供该显示方法参照。

该显示方法执行时，首先会执行步骤S301，也就是：依序地开启至少一(即一个或多个)投影机的多个光源，以使得该投影机在不同的时序上，分别投射出不同方向的多个光束至一光传递装置。

接着，执行步骤S303，也就是：借由该光传递装置来将该些光束分别传递至一光栅阵列的多个相邻的区域；该些区域分别具有多个光栅，而该些光源的数目对应该些区域的数目。

尔后，执行步骤S305，也就是：依序地开启该些光栅，以让该些光束的一部分通过；该些光源各具有一第一开启周期，而该些光栅分别具有一第二开启周期，该第一开启周期大于该第二开启周期。

依据上述步骤执行，该显示方法即可产生一立体虚拟图像。另外，光栅阵列的该些区域的任意两个可为部分地重叠，使得该些区域各被区分成一重叠部分及一非重叠部分。显示方法会在该些区域的重叠部分的光栅开启时，将该些光源的功率调高。

综上所述，本发明所揭露的时间多工自动立体显示系统及方法，可减少投影机产生的整体光束被光栅阵列挡住的光损失，以使输出的立体图像的亮度提升。另外本发明所揭露的时间多工自动立体显示系统及方法还可降低对画面更新率的需求。

上述之实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明之保护范畴。任何本领域普通技术人员可轻易完成之改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以权利要求范围为准。

Claims (9)

1.一种时间多工自动立体显示系统，其特征在于，包含：

至少一投影机，具有多个光源，所述多个光源用以依序地开启，以使得该投影机在不同的时序上分别投射出不同方向的多个光束；

一光传递装置，光学地耦合该投影机，用以接收及传递所述多个光束；以及

一光栅阵列，光学地耦合该光传递装置，以被所述多个光束照射，该光栅阵列具有多个区域，所述多个区域分别被所述多个光束照射，所述多个区域分别具有多个光栅，所述多个光栅用以依序地开启，以让所述多个光束的一部分通过；

其中，所述多个光源的数目对应所述多个区域的数目，所述多个光源分别具有一第一开启周期，而所述多个光栅分别具有一第二开启周期，该第一开启周期大于该第二开启周期；

其中，该投影机还具有一光调变器及一投影镜头，该光调变器光学地耦合所述多个光源及该投影镜头，所述多个光源分别用以依序地产生所述多个光束，所述多个光束分别以不同方向照射于该光调变器，该光调变器用以将所述多个光束转换成多个图像，然后传递至该投影镜头，该投影镜头用以将所述多个光束投射出。

2.如权利要求1所述的时间多工自动立体显示系统，其中所述多个区域的任意两个为部分地重叠，使得所述多个区域分别被区分成一重叠部分及一非重叠部分。

3.如权利要求2所述的时间多工自动立体显示系统，其中于所述多个区域的重叠部分的光栅开启时，所述多个光源的功率被调高。

4.如权利要求1所述的时间多工自动立体显示系统，其中该光调变器为一数字微镜器或一硅基液晶显示器。

5.如权利要求1所述的时间多工自动立体显示系统，其中该光传递装置具有二个柱状透镜层及一个扩散板，该扩散板位于所述二个柱状透镜层之间。

6.如权利要求5所述的时间多工自动立体显示系统，其中光传递装置还具有二个菲涅耳透镜，所述二个柱状透镜层位于所述二个菲涅耳透镜之间。

7.如权利要求1所述的时间多工自动立体显示系统，其中该光栅阵列为一液晶面板，所述多个光栅分别为一排液晶。

8.一种时间多工自动立体投影方法，其特征在于，包含步骤：

依序地开启至少一投影机的多个光源，以使得该投影机在不同的时序上分别投射出不同方向的多个光束至一光传递装置；

借由该光传递装置来将所述多个光束分别传递至一光栅阵列的多个区域，其中所述多个区域分别具有多个光栅；

依序地开启所述多个光栅，以让所述多个光束的一部分通过；

其中，所述多个光源的数目对应所述多个区域的数目，所述多个光源分别具有一第一开启周期，而所述多个光栅分别具有一第二开启周期，该第一开启周期大于该第二开启周期；

其中，该投影机还具有一光调变器及一投影镜头，该光调变器光学地耦合所述多个光源及该投影镜头，所述多个光源分别用以依序地产生所述多个光束，所述多个光束分别以不同方向照射于该光调变器，该光调变器用以将所述多个光束转换成多个图像，然后传递至该投影镜头，该投影镜头用以将所述多个光束投射出。

9.如权利要求8所述的时间多工自动立体投影方法，其中所述多个区域的任意两个为部分地重叠，使得所述多个区域分别被区分成一重叠部分及一非重叠部分；于所述多个区域的重叠部分的光栅开启时，所述多个光源的功率被调高。