CN104062766B - 立体图像显示装置及立体图像显示方法 - Google Patents

Abstract

立体图像显示装置及立体图像显示方法。该立体图像显示装置包含图像投影单元，用以投射第一图像；第一偏振单元，设置在该第一图像的投射路径上，用以将该第一图像转换为具有第一线性偏振方向的第一图像；透镜阵列，设置在该第一图像的投射路径上，用以对具有第二线性偏振方向的图像进行折射，且该第二线性偏振方向相异于该第一线性偏振方向；第一四分之一波长板，设置在该第一图像的投射路径上，用以在线性偏振方向及圆形偏振方向之间转换图像的偏振方向；以及反射单元，设置在该第一图像的投射路径上，用以反射该第一四分之一波长板传来的第一图像回至该第一四分之一波长板。

Description

立体图像显示装置及立体图像显示方法

技术领域

本发明涉及一种立体图像显示装置及立体图像显示方法，尤其涉及一种可减少光学元件厚度及改善立体图像成像质量的立体图像显示装置，及立体图像显示方法。

背景技术

请参考图1，图1为已知立体图像显示装置的示意图。如图1所示，已知立体图像显示装置100包含图像投影单元110，散射元件120及光学元件130。图像投影单元110用以投射多个具有不同视角的子图像I1、I2、I3于散射元件120上，而光学元件130上形成有透镜阵列132，用以将多个具有不同视角的子图像I1、I2、I3分别折射至相对应的显示方向，以让使用者能在不同的观看角度看到相对应视角的子图像，进而形成立体图像。

透镜阵列132和散射元件120之间的距离大约等于透镜阵列132的焦距。透镜阵列132的焦距和不同视角子图像I1、I2、I3之间的重叠程度相关，当透镜阵列132的焦距较短时，不同视角子图像I1、I2、I3之间的重叠部分会越多，进而降低立体图像的成像质量。为了改善立体图像的成像质量而将透镜阵列132的焦距增加时，光学元件130的厚度必须相对应地增加，进而导致立体图像显示装置100较厚重。已知立体图像显示装置100无法同时减少光学元件厚度并改善立体图像的成像质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立体图像显示装置及立体图像显示方法。

本发明立体图像显示装置，包含图像投影单元，第一偏振单元，透镜阵列，第一四分之一波长板，以及一反射单元。该图像投影单元用以投射第一图像。该第一偏振单元设置在该第一图像的投射路径上，用以将该第一图像转换为具有第一线性偏振方向的第一图像。该透镜阵列设置在该第一图像的投射路径上，该透镜阵列用以对具有第二线性偏振方向的图像进行折射，且该第二线性偏振方向相异于该第一线性偏振方向。该第一四分之一波长板，设置在该第一图像的投射路径上，用以在线性偏振方向及圆形偏振方向之间转换图像的偏振方向。该反射单元设置在该第一图像的投射路径上，用以反射该第一四分之一波长板传来的第一图像回至该第一四分之一波长板。其中该第一图像依序通过该第一偏振单元、该透镜阵列、该第一四分之一波长板及该反射单元，且该第一四分之一波长板将该反射单元反射回来的第一图像转换为具有该第二线性偏振方向的第一图像，以使具有该第二线性偏振方向的第一图像通过该透镜阵列。

本发明立体图像显示方法包含沿投射路径投射第一图像；将该第一图像转换为具有第一线性偏振方向的第一图像；将具有该第一线性偏振方向的第一图像转换为具有第一圆形偏振方向的第一图像；反射单元反射具有该第一圆形偏振方向的第一图像，以使该具有第一圆形偏振方向的第一图像的偏振方向转换为第二圆形偏振方向；将具有该第二圆形偏振方向的第一图像转换为具有第二线性偏振方向的第一图像，该第二线性偏振方向相异于该第一线性偏振方向；及透镜阵列对具有该第二线性偏振方向的第一图像进行折射。

本发明实施例的另一种立体图像显示装置，包含图像产生单元，用以产生第一图像；透镜阵列，设置在第一图像的投射路径上，透镜阵列用以对第一图像进行折射以产生立体图像；其中第一图像的实像的像素满足以下算式：tan(b)×d>a；其中a为第一图像的实像的像素宽度，b为该像素的发光角度，d为像素的光线从该第一图像的实像的成像位置至透镜阵列的等效空气行进距离。

相较于现有技术，本发明立体图像显示装置可以减少光学元件的总厚度，并改善立体图像的成像质量。另外，本发明立体图像显示装置可以根据使用者需求在立体显示模式及平面显示模式之间切换，且在立体显示模式中显示较大解析度的立体图像。

附图说明

图1为已知立体图像显示装置的示意图。

图2为本发明立体图像显示装置的第一实施例的示意图。

图3为图2光学元件转换第一图像的偏振方向的示意图。

图4为本发明立体图像显示装置的第二实施例的示意图。

图5为图4光学元件转换第二图像的偏振方向的一实施例的示意图。

图6为图4光学元件转换第二图像的偏振方向的另一实施例的示意图。

图7为图4光学元件转换第二图像的偏振方向的另一实施例的示意图。

图8为本发明立体图像显示装置的第三实施例的示意图。

图9为本发明立体图像显示装置的第四实施例的示意图。

图10为上述各实施例第二图像的像素和透镜阵列之间的几何关系的示意图。

图11为本发明立体图像显示方法的流程图。

【符号说明】

100、200、300、400、500 立体图像显示装置

110 图像投影单元

120 散射元件

130 光学元件

132 透镜阵列

210、210’ 图像投影单元

220 第一偏振单元

230 透镜阵列

240 第一四分之一波长板

250 反射单元

260 散射单元

310 平面显示装置

320 第二偏振单元

330 第二四分之一波长板

340 可切换式二分之一波长板

I1、I2、I3 子图像

IM1、IM1a、IM1b、IM1c、IM1d 第一图像

IM2、IM2a、IM2b、IM2c、IM2d 第二图像

P 投射路径

Pix 像素

U 使用者

700 流程图

710～760 步骤

具体实施方式

请同时参考图2及图3。图2为本发明立体图像显示装置的第一实施例的示意图。图3为图2光学元件转换第一图像的偏振方向的示意图。如图所示，本发明立体图像显示装置200包含图像投影单元210、第一偏振单元220、透镜阵列230、第一四分之一波长板240以及反射单元250。图像投影单元210用以沿投射路径P投射第一图像IM1，第一图像IM1的实像是形成于投射路径P上反射单元250之前，第一图像IM1包含多个具有不同视角的子图像，每一子图像对应于立体图像于特定视角的画面。第一偏振单元220设置于图像投影单元210前方，且位于第一图像的投射路径P上，用以将第一图像IM1转换为具有第一线性偏振方向(例如Y轴方向)的第一图像IM1a。透镜阵列230设置在第一图像的投射路径P上，透镜阵列230用以对具有第二线性偏振方向(例如Z轴方向)的图像进行折射，且第二线性偏振方向相异于第一线性偏振方向，如此当具有第一线性偏振方向的第一图像IM1’通过透镜阵列230时，具有第一线性偏振方向的第一图像IM1a仍会沿着投射路径P前进而不会被透镜阵列230折射。

第一四分之一波长板240设置在第一图像的投射路径P上，第一四分之一波长板240的慢轴方向和第一线性偏振方向的夹角为45度或135度，用以在线性偏振方向及圆形偏振方向之间转换图像的偏振方向。举例来说，当具有线性偏振方向的图像通过第一四分之一波长板240时，第一四分之一波长板240会将具有线性偏振方向的图像转换为具有圆形偏振方向的图像，而当具有圆形偏振方向的图像通过第一四分之一波长板240时，第一四分之一波长板240会将具有圆形偏振方向的图像转换为具有线性偏振方向的图像。因此当具有第一线性偏振方向的第一图像IM1a沿着投射路径P通过第一四分之一波长板240时，具有第一线性偏振方向的第一图像IM1a会被第一四分之一波长板240转换为具有第一圆形偏振方向的第一图像IM1b。反射单元250亦设置在第一图像的投射路径P上，用以反射第一四分之一波长板240传来的第一图像IM1b回至第一四分之一波长板240。

当第一图像依序通过第一偏振单元220、透镜阵列230、第一四分之一波长板240及反射单元250时，被反射单元250反射回第一四分之一波长板240的第一图像IM1c具有第二圆形偏振方向，而当具有第二圆形偏振方向的第一图像IM1c再次通过第一四分之一波长板240时，由于第一四分之一波长板240的慢轴方向和第一线性偏振方向的夹角为45度或135度，第一四分之一波长板240会将反射单元250反射回来的第一图像IM1c转换为具有第二线性偏振方向的第一图像IM1d。第二线性偏振方向可以与第一线性偏振方向夹90度。

也就是说，第一图像IM1a的线性偏振方向被偏转90度，以使具有第二线性偏振方向的第一图像IM1d通过透镜阵列230。当具有第二线性偏振方向的第一图像IM1d通过透镜阵列230时，透镜阵列230会将第一图像中多个具不同视角的子图像分别折射至相对应的显示方向，以让使用者能在不同的观看角度看到相对应视角的子图像，进而形成立体图像。

依据上述配置，由于第一图像IM1的实像形成位置至第二次通过透镜阵列230前之间的等效空气行进距离大约等于透镜阵列230的焦距，且第一图像IM1被反射单元250反射一次，因此，透镜阵列230和反射单元250之间的距离可以小于透镜阵列230的焦距，也就是说，透镜阵列230及反射单元250之间所有光学元件的总厚度会小于透镜阵列230的焦距。所以透镜阵列230的焦距可以跟据设计需求适当地增加，以改善立体图像的成像质量，而不会大幅增加透镜阵列230及反射单元250之间所有光学元件的总厚度。

另外，在上述实施例中，当透镜阵列230为一维透镜阵列，用以使光线通过后沿水平方向进行折射时，立体图像显示装置200可还包含一散射单元260设置在透镜阵列230与反射单元250之间，散射单元260可以例如为一维散射单元，用以使光线通过后沿垂直方向进行散射(举例而言，散射单元260的散射方向是垂直于透镜阵列230的折射方向)，如此当使用者U观看立体图像显示装置200的第一图像IM1时，第一图像在垂直方向上的亮度会较均匀，亦即不同高度的使用者看到第一图像的亮度大致相同。而当使用者沿着水平方向移动时，使用者在不同的观看角度会看到相对应视角的立体图像。但本发明并不以上述实施例为限，透镜阵列230也可以二维透镜阵列。

另一方面，透镜阵列230可以焦距可调式透镜阵列，例如液晶透镜阵列，当要显示立体图像时，透镜阵列230可调整焦距以成为凸透镜阵列，而当要显示平面图像时，透镜阵列230可调整焦距以成为凹透镜阵列。

请参考图4，图4为本发明立体图像显示装置的第二实施例的示意图。如图4所示，除了上述图像投影单元210、第一偏振单元220、透镜阵列230、第一四分之一波长板240以及反射单元250之外，本发明立体图像显示装置300还包含平面显示装置310、第二偏振单元320以及第二四分之一波长板330。平面显示装置310与透镜阵列230分别设置在反射单元250的相对两侧。平面显示装置310用以产生第二图像IM2。第二图像IM2的实像是形成于平面显示装置310的屏幕上。第二偏振单元320设置在平面显示装置310及反射单元250之间，用以将第二图像IM2转换为具有第三线性偏振方向的第二图像。第二四分之一波长板330设置在第二偏振单元320及反射单元250之间，用以在线性偏振方向及圆形偏振方向之间转换图像的偏振方向。在本发明立体图像显示装置的第二实施例中，反射单元250为半穿透半反射式的反射单元，也就是说，图像投影单元210投射的第一图像IM1会被反射单元250反射，而平面显示装置310产生的第二图像IM2会通过反射单元250。

请参考图5，并一并参考图4。图5为图4光学元件转换第二图像的偏振方向的一实施例的示意图。如图5所示，当第一线性偏振方向与第三线性偏振方向平行，且第一四分之一波长板240的慢轴方向与第二四分之一波长板330的慢轴方向平行时，具有第三线性偏振方向(Y轴方向)的第二图像IM2a会被第二四分之一波长板330转换为具有第二圆形偏振方向的第二图像IM2b，且第二圆形偏振方向与第一圆形偏振方向相异。当具有第二圆形偏振方向的第二图像IM2b通过反射单元250后，具有第二圆形偏振方向的第二图像IM2b会被第一四分之一波长板240转换为具有第二线性偏振方向(Z轴方向)的第二图像IM2c。当具有第二线性偏振方向的第二图像IM2c通过透镜阵列230时，透镜阵列230会将第二图像中多个具有不同视角的子图像分别折射至相对应的显示方向，以让使用者能在不同的观看角度看到相对应视角的子图像，进而形成立体图像。

在图5的实施例中，第二图像IM2可以是第一图像IM1的辅助图像，以显示立体图像其他不同视角的画面。如此，本发明立体图像显示装置300可以利用较小解析度的显示元件显示较大解析度的立体图像。

另一方面，本发明立体图像显示装置300可在立体显示模式中利用图像投影单元210显示立体图像，并在平面显示模式中利用平面显示装置310显示平面图像。举例来说，请参考图6，并一并参考图4。图6为图4光学元件转换第二图像的偏振方向的另一实施例的示意图。如图6所示，当第一线性偏振方向与第三线性偏振方向垂直，且第一四分之一波长板240的慢轴方向与第二四分之一波长板330的慢轴方向平行时，具有第三线性偏振方向(Z轴方向)的第二图像IM2c会被第二四分之一波长板330转换为具有第一圆形偏振方向的第二图像IM2d。当具有第一圆形偏振方向的第二图像IM2d通过反射单元250后，具有第一圆形偏振方向的第二图像IM2d会被第一四分之一波长板240转换为具有第一线性偏振方向的第二图像IM2a。当具有第一线性偏振方向的第二图像IM2a通过透镜阵列230时，透镜阵列230不会对第二图像IM2a进行折射。

如此，本发明立体图像显示装置300可根据使用者需求选择开启图像投影单元210或平面显示装置310来显示图像，以在立体显示模式及平面显示模式之间切换。

另外，请参考图7，并一并参考图4。图7为图4光学元件转换第二图像的偏振方向的另一实施例的示意图。本发明立体图像显示装置300可还包含可切换式二分之一波长板340，设置在第二偏振单元320及第二四分之一波长板330之间。当可切换式二分之一波长板340被开启时，可切换式二分之一波长板340会将第二图像IM2的线性偏振方向偏转90度，而当可切换式二分之一波长板340被关闭时，可切换式二分之一波长板340不会偏转第二图像IM2的线性偏振方向。如此，本发明立体图像显示装置300可利用可切换式二分之一波长板340来控制平面显示装置310的显示模式，举例来说，在图7的实施例中，当可切换式二分之一波长板340被开启时，平面显示装置310可配合图像投影单元210一起显示立体图像，而当可切换式二分之一波长板340被关闭时，平面显示装置310可用以显示平面图像。

依据上述配置，本发明立体图像显示装置300除了可以在立体显示模式及平面显示模式之间切换之外，本发明立体图像显示装置300可以在立体显示模式中显示较大解析度的立体图像。

请参考图8，图8为本发明立体图像显示装置的第三实施例的示意图。如图8所示，本发明立体图像显示装置400可包含二台图像投影单元210、210’设置在透镜阵列230的左右两侧，二台图像投影单元210、210’所投影的图像的视角相异，如此可增加立体图像的视角，以弥补视角不足的问题。

请参考图9，图9为本发明立体图像显示装置的第四实施例的示意图。如图9所示，本发明立体图像显示装置500可包含二台图像投影单元210、210’，用以投影成像距离相异的实像，举例来说，图像投影单元210投影的第一图像IM1的实像和透镜阵列230之间的距离较图像投影单元210’投影的第二图像IM2的实像和透镜阵列230之间的距离远，如此第一图像IM1所形成的立体图像为从反射单元250向外突出的立体图像，而第二图像IM2所形成的立体图像为从反射单元250向内凹入的立体图像，因此本发明立体图像显示装置500可同时显示从反射单元250向外突出及从反射单元向内凹入的立体图像。

另外，请参考图10，图10为上述各实施例第二图像IM2的像素和透镜阵列230之间的几何关系的示意图。如图10所示，假设第二图像IM2的实像的像素Pix的宽度(具体地说，例如为一个次像素的水平的宽度)为a，像素Pix的发光角度为b(具体地说，例如为一个次像素的水平的发光角度)，而像素Pix的光线从实像的成像位置通过透镜阵列230后再经反射单元250反射至透镜阵列230的等效空气行进距离为d(d＝m+n)，为了使从反射单元250向内凹入的立体图像更加清晰，第二图像IM2的实像的像素Pix可满足以下算式(1)：

tan(b)×d>a 算式(1)

当第二图像IM2的实像的像素Pix满足算式(1)的条件时，第二图像IM2所形成从反射单元250向内凹入的立体图像将会更清晰。另一方面，当本发明立体图像显示装置只包含一图像投影单元210，且图像投影单元210的第一图像IM1用来形成从反射单元250向内凹入的立体图像时，第一图像IM1的实像的像素也可满足算式(1)的条件，以使立体图像更清晰。也就是说b的正切函数值(tan(b))乘以d的之后的数值大小，会大于a的数值大小的话立体图像更清晰。

另一方面，上述算式(1)并不限定应用于前投影式立体图像显示装置，算式(1)也可应用于一般平面式立体图像显示装置或背投影式立体图像显示装置。举例来说，当算式(1)应用于平面式立体图像显示装置时，算式(1)中的d代表平面式立体图像显示装置的实像的成像位置(屏幕表面)至透镜阵列230的等效空气行进距离。当平面式立体图像显示装置的实像的像素满足算式(1)的条件时，平面式立体图像显示装置显示向内凹入的立体图像将会更清晰；而当算式(1)应用于背投影式立体图像显示装置时，算式(1)中的d代表背投影式立体图像显示装置的实像的成像位置至透镜阵列230的等效空气行进距离。当背投影式立体图像显示装置的实像的像素满足算式(1)的条件时，背投影式立体图像显示装置显示向内凹入的立体图像将会更清晰。

请参考图11，图11为本发明立体图像显示方法的流程图700。本发明立体图像显示方法的流程如下列步骤：

步骤710：沿投射路径投射第一图像；

步骤720：将该第一图像转换为具有第一线性偏振方向的第一图像；

步骤730：将具有该第一线性偏振方向的第一图像转换为具有第一圆形偏振方向的第一图像；

步骤740：反射单元反射具有该第一圆形偏振方向的第一图像，以使该第一图像转换为第二圆形偏振方向；

步骤750：将具有该第二圆形偏振方向的第一图像转换为具有第二线性偏振方向的第一图像，该第二线性偏振方向相异于该第一线性偏振方向；及

步骤760：透镜阵列对具有该第二线性偏振方向的第一图像进行折射。

相较于现有技术，本发明立体图像显示装置可以减少光学元件的总厚度，并改善立体图像的成像质量。另外，本发明立体图像显示装置可以根据使用者需求在立体显示模式及平面显示模式之间切换，且在立体显示模式中显示较大解析度的立体图像。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种立体图像显示装置，包含：

图像投影单元，用以投射第一图像；

第一偏振单元，设置在该第一图像的投射路径上，用以将该第一图像转换为具有第一线性偏振方向的第一图像；

透镜阵列，设置在该第一图像的投射路径上，该透镜阵列用以对具有第二线性偏振方向的图像进行折射，且该第二线性偏振方向相异于该第一线性偏振方向；

第一四分之一波长板，设置在该第一图像的投射路径上，用以在线性偏振方向及圆形偏振方向之间转换图像的偏振方向；以及

反射单元，设置在该第一图像的投射路径上，用以反射该第一四分之一波长板传来的第一图像回至该第一四分之一波长板；

其中该第一图像依序通过该第一偏振单元、该透镜阵列、该第一四分之一波长板及该反射单元，且该第一四分之一波长板用以将该反射单元反射回来的第一图像转换为具有该第二线性偏振方向的第一图像，以使具有该第二线性偏振方向的第一图像通过该透镜阵列。

2.如权利要求1所述的立体图像显示装置，其中该第一四分之一波长板的慢轴方向和该第一线性偏振方向的夹角为45度或135度。

3.如权利要求1所述的立体图像显示装置，其中该透镜阵列为一维透镜阵列，用以使光线通过后沿一水平方向进行折射，该立体图像显示装置还包含散射单元，设置在该透镜阵列与该反射单元之间，用以使光线通过后沿一垂直方向进行散射。

4.如权利要求1至3项任一所述的立体图像显示装置，其中该反射单元为半穿透半反射元件，该立体图像显示装置还包含：

平面显示装置，该平面显示装置与该透镜阵列分别设置在该反射单元的相对两侧，该平面显示装置用以产生第二图像；

第二偏振单元，设置在该平面显示装置及该反射单元之间，用以将该第二图像转换为具有一第三线性偏振方向的第二图像；以及

第二四分之一波长板，设置在该第二偏振单元及该反射单元之间，用以在线性偏振方向及圆形偏振方向之间转换图像的偏振方向；

其中该反射单元为半穿透半反射式的反射单元，该平面显示装置产生的该第二图像通过该反射单元。

5.如权利要求4所述的立体图像显示装置，其中该第一线性偏振方向与该第三线性偏振方向垂直，且该第一四分之一波长板的慢轴方向与该第二四分之一波长板的慢轴方向平行。

6.如权利要求4所述的立体图像显示装置，其中该第一线性偏振方向与该第三线性偏振方向平行，且该第一四分之一波长板的慢轴方向与该第二四分之一波长板的慢轴方向平行。

7.如权利要求4所述的立体图像显示装置，还包含可切换式二分之一波长板，设置在该第二偏振单元及该第二四分之一波长板之间。

8.如权利要求1至3项任一所述的立体图像显示装置，其中该第一图像的实像的像素满足以下算式：

tan(b)×d>a；

其中a为该第一图像的实像的像素宽度，b为该像素的发光角度，d为该像素的光线从该第一图像的实像的成像位置通过该透镜阵列后再经该反射单元反射至该透镜阵列的等效空气行进距离。

9.一种立体图像显示方法，包含：

沿一投射路径投射第一图像；

将该第一图像转换为具有第一线性偏振方向的第一图像，并使该具有第一线性偏振方向的第一图像以不折射的方式通过透镜阵列；

将该具有第一线性偏振方向的第一图像转换为具有第一圆形偏振方向的第一图像；

反射单元反射具有该第一圆形偏振方向的第一图像，并使该具有第一圆形偏振方向的第一图像的偏振方向转换为第二圆形偏振方向；

将该具有第二圆形偏振方向的第一图像转换为具有第二线性偏振方向的第一图像，该第二线性偏振方向相异于该第一线性偏振方向；及

该透镜阵列对具有该第二线性偏振方向的第一图像进行折射。

10.如权利要求9所述的立体图像显示方法，还包含：

产生第二图像；

将该第二图像转换为具有第三线性偏振方向的第二图像；

将具有该第三线性偏振方向的第二图像转换为具有第三圆形偏振方向的第二图像；及

将具有该第三圆形偏振方向的第二图像通过该反射单元。

11.如权利要求10所述的立体图像显示方法，其中该第三圆形偏振方向与该第二圆形偏振反向。

12.如权利要求9至11项任一所述的立体图像显示方法，其中该第一图像的实像的像素满足以下算式：

tan(b)×d>a；

其中a为该第一图像的实像的像素宽度，b为该像素的发光角度，d为该像素的光线从该第一图像的实像的成像位置通过该透镜阵列后再经该反射单元反射至该透镜阵列的等效空气行进距离。