CN105988225A - 立体光场建立装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种立体光场建立装置，用以于一观察平面建立光场，立体光场建立装置包含多个投影机及背投式显示单元，投影机沿着第一轴向呈线性排列，并朝向第二轴向投影影像光束，第二轴向垂直于第一轴向；背投式显示单元包含水平式菲涅尔透镜及垂直式扩散片，水平式菲涅尔透镜设置靠近投影机。水平式菲涅尔透镜及垂直式扩散片配合使每台投影机投影的影像光束在位于背投式显示单元及观察平面间的虚拟平面上形成至少一交点，并于观察平面上建立至少一光场。本公开中的立体光场建立装置不存在有实体狭缝，因此可以有效地避免因实体狭缝切换时所产生之的低亮度问题。

Description

立体光场建立装置

技术领域

本发明涉及一种投影装置技术领域，特别涉及一种立体投影显示装置。

背景技术

人眼感受到立体视觉，主要是由两眼视差(binocular parallax)与移动视差(motion parallax)所造成；经两眼接收到不同影像后，大脑会融合(fuse)两个影像，使形成具有层次景深的立体画面。其中，两眼视差是由于人类的左眼与右眼所在的位置不同，两眼之间的平均距离大约为6至6.5厘米，进而造成两眼在观看物体时的视觉角度略有差别，因此眼睛所接受到的影像也会跟着不同；移动视差则是指当观赏者在移动时观看同一个物体，两眼观看物体的视角会随着观赏者的移动而产生变化，导致眼睛接收到的影像内容也有所改变。

立体光场建立技术的发展起源是依据立体视觉原理，利用各种不同的分光技术使两眼分别接收到不同的影像而形成立体的效果。立体光场建立技术大致可分为两类，一为需戴眼镜的「眼镜式立体光场建立技术」，另一则为不需戴眼镜的「裸眼(autostereoscopic)式立体光场建立技术」。眼镜式立体光场建立技术为最早开始发展的立体光场建立技术，至今已趋近成熟，但眼镜式立体光场建立技术是因其必须佩戴眼镜方能实现立体光场的建立，使得便利度下降，也因此多数厂商纷纷投入开发裸眼式立体光场建立装置。

一种传统的立体光场建立装置是利用多投影机产生代表特定视角的光场，为了建立趋近于真实的虚拟立体实物，必须设置大量的投影机，故此种立体光场建立装置具有体积庞大、校正及设置不易的缺点。

配合参阅图1，为现有的立体光场建立装置的架构图。立体光场建立装置包含投影机10、背投式显示单元12及切换式狭缝14；背投式显示单元12位于投影机10及切换式狭缝14之间，投影机10投影的影像光束通过背投式显示单元12后，在经由切换式狭缝14切换而投影至多个特定位置，所述特定位置为观赏者可视的观察平面16上的多个观察区域160、162及164。

背投式显示单元12包含菲涅尔透镜(Fresnellens)120及扩散片122，在此菲涅尔透镜为轴对称形式的菲涅尔透镜。菲涅尔透镜120设置靠近投影机10。菲涅尔透镜120将投影机10产生的呈发散光束转为平行光束，扩散片122则将平行光束扩散至各角度。

切换式狭缝14为液晶狭缝光栅(liquid crystal barrier)，切换式狭缝14接收通过背投式显示单元12的光束，通过调整切换式狭缝14的透光位置，可以改变光场建立的位置；例如当狭缝S01开启时，即显示对应于观察区域164的画面。通过依序开启狭缝S01至狭缝S61，即可建立完整光场。

另外，通过适当地控制各个狭缝的大小，可以让投影机10所投影的影像光线只进入观赏者的左眼或右眼。观赏者大脑会融合进入左眼及右眼的影像光线并形成具有层次景深的立体画面。

然而，通过背投式显示单元12的光线只会由被开启的狭缝通过，也就是说，切换式狭缝14阻挡了大部分通过背投式显示单元12的光线，致使立体光场建立装置1的光利用率低，且难以大型化。

发明内容

鉴于现有技术所述，本发明的一目的，在于提供一种立体光场建立装置，立体光场建立装置具有高光利用效率的特点。

为达前述目的，本发明的一技术方案提供一种立体光场建立装置，立体光场建立装置用以于观察平面建立光场。立体光场建立装置包含多个投影机及背投式显示单元，投影机沿着第一轴向呈线性排列，并朝向第二轴向投影影像光束，第二轴向垂直于第一轴向；背投式显示单元包含水平式菲涅尔透镜及垂直式扩散片，水平式菲涅尔透镜设置靠近投影机，水平式菲涅尔透镜及垂直式扩散片配合使每台投影机投影的影像光束在位于背投式显示单元及观察平面间的虚拟平面形成至少一交点，并对应于观察平面建立至少一光场。

立体光场建立装置还可以包含一维光学聚焦元件，一维光学聚焦元件包含多个次透镜，在本实施方式中，这些次透镜都是朝向第二轴向凸设，并沿着第一轴向排列。次透镜的数量负相关于投影机的数量，次透镜使每台投影机投影的影像光束在观察平面上建立多个次光场。

水平式菲涅尔透镜的焦距小于投影机至背投式显示单元的距离，或者水平式菲涅尔透镜的焦距大于等于投影机至背投式显示单元的距离。

立体光场建立装置也可以再包含分光棱镜片，设置于水平式菲涅尔透镜及垂直式扩散片之间，分光棱镜片用以建立重复光场，增加视角；分光棱镜片包含多个折光结构，此折光结构包含第一表面，以及邻接于第一表面且对称第一表面设置的第二表面及第三表面，第一表面及第二表面可为平面或曲面。

本发明的另一技术方案提供一种立体光场建立装置，其用以于一观察平面建立光场，立体光场建立装置包含多个投影机及反射式显示单元，投影机沿着第一轴向排列，并朝向第二轴向投影影像光束，第二轴向垂直于该第一轴向；反射式显示单元包含多个凹面镜及多个像素单元，凹面镜以特定弧度排列并面对投影机，像素单元设置于凹面镜上，凹面镜使投影机投影的影像光束在一位于反射式显示单元及观察平面间的虚拟平面形成多个交点，并于该观察平面上建立光场。

像素单元包含第一弧面、第二弧面及第三弧面，第二弧面及第三弧面分别邻接于第一弧面，第一弧面、第二弧面及第三弧面分别面对投影机，用以建立重复光场，增加视角。

本发明实施方式中所提供的立体光场建立装置不存在有实体狭缝，因此可以有效地避免因实体狭缝切换时所产生之的低亮度问题；也就是说，本发明的立体光场建立装置具不但有光利用效率高的特点，且亮度也将依投影机数目等比再倍增。

附图说明

图1绘示现有的立体投影显示装置的架构图。

图2绘示本发明第一实施方式的立体光场建立装置的架构图。

图3绘示本发明第二实施方式的立体光场建立装置的架构图。

图4绘示本发明图3所示的显示单元的局部放大图。

图5绘示本发明第三实施方式的立体光场建立装置的架构图。

图6绘示本发明图5所示的显示单元的局部放大图。

图7绘示本发明第四实施方式的立体光场建立装置的显示面板的局部放大图。

图8绘示分光棱镜片的局部放大图。

图9绘示本发明第五实施方式的立体光场建立装置的架构图。

图10绘示单位像素的上视图。

图11绘示单位像素的立体图。

图12绘示形成在虚拟平面上的虚拟狭缝的大小位置与投影机的镜头的出瞳大小位置呈现的三角形等比关系。

附图标记说明：

10、30、40 投影机

12、32、32’、32” 背投式显示单元

120 菲涅尔透镜

122 扩散片

14 切换式狭缝

16、34、44 观察平面

160、162、164、340、342、344、340a、340b、340c 观察区域

320、420 水平式菲涅尔透镜

322、422 垂直式扩散片

324 分光棱镜片

3240 折光结构

3242 第一表面

3244 第二表面

3246 第三表面

326 一维光学聚焦元件

3260 次透镜

42 反射式显示单元

424 凹面镜

4242 单位像素

4244 第一弧面

4246 第二弧面

4248 第三弧面

S01、S61 狭缝

X 第一轴向

Y 第二轴向

X 第三轴向

具体实施方式

请参考随附图示，本发明公开内容的以上及额外目的、特征及优点将通过本公开内容的较佳实施例的以下阐释性及非限制性详细描叙予以更好地理解。

配合参阅图2，为本发明第一实施方式的立体光场建立装置的架构图。立体光场建立装置包含多个投影机30、背投式显示单元32，投影机30沿着第一轴向X呈线性排列，并朝向垂直于第一轴向X的第二轴向Y投影影像光束。在图2中，绘示三台投影机30以作为说明范例，实际实施时则不以此为限。投影机30投影的影像光束通过背投式显示单元32后在多个特定位置建立光场，所述特定位置为观赏者可视的观察平面34上的多个观察区域340、342及344。

背投式显示单元32包含水平式菲涅尔透镜320及垂直式扩散片322。水平式菲涅尔透镜320设置靠近投影机30，水平式菲涅尔透镜320接收投影机30投影的影像光束，并将影像光束转换为平行光束。垂直式扩散片322用以使传递于其上的影像光束沿着Z轴向扩散，也就是说，垂直式扩散片322不会让通过的影像光束沿着X轴向传播。

水平式菲涅尔透镜320及垂直式扩散片322配合使每台投影机30朝向观察平面34投影的影像光束在背投式显示单元32及观察平面34之间的虚拟平面VP上会聚并产生至少一交点；其中，虚拟平面VP平行于第一轴向X(或垂直于第二轴向Y)。通过虚拟平面VP的影像光束呈发散状地传递至观赏平面34，由于每一台投影机30可以对应产生一光场，因此，就可以得到如同于实体狭缝切换所建立的光场。

换句话说，投影机30所投影的影像光束在通过由水平式菲涅尔透镜320及垂直式扩散片322所组成的背投式显示单元32后，可以在背投式显示单元32及观察平面34之间形成如同现有技术所述的立体投影显示装置的切换式狭缝般限制影像光束的效果，并得到如同实体狭缝切换般建立的光场；也就是说，由水平式菲涅尔透镜320及垂直式扩散片322所构成的背投式显示单元32的使用，让虚拟狭缝形成在背投式显示单元32及观察平面34之间的虚拟平面VP，以重建影像光束的出发位置。

相较于现有技术所述利用实体狭缝以建立光场的立体光场建立装置而言，本发明的立体光场建立装置不存在有实体狭缝，因此可以有效地避免因实体狭缝切换时所产生的低亮度问题；也就是说，本发明的立体光场建立装置具不但有光利用效率高的特点，且亮度也将依投影机数目等比再倍增。

配合参阅图3，为本发明第二实施方式的立体光场建立装置的架构图。立体光场建立装置包含多个投影机30及背投式显示单元32’、背投式显示单元32’包含水平式菲涅尔透镜320、垂直式扩散片322及一维光学聚焦元件326，投影机30沿着第一轴向X呈线性排列，并朝向垂直于第一轴向X的第二轴向Y投影影像光束。投影机30投影的影像光束通过背投式显示显示单元32’投影至多个特定位置，所述特定位置为观赏者可视的观察平面34上的多个观察区域342a、342b及342c。

一维光学聚焦元件326包含多个次透镜3260，如图4所示。在本实施方式中，次透镜3260沿第一轴向X排列且朝向第二轴向Y方向凸设，且次透镜3260的数量负相关于该多个投影机30的数量。然实际实施时，次透镜3260也可以是沿着第一轴向X排列、并朝向相反于第二轴向Y凹设。

每台投影机30投影的影像光束通过每个次透镜3260后，会形成多道收敛影像光束。换言之，单一影像光束通过次透镜3260后会形成多道收敛影像光束，且每一道收敛影像光束都在虚拟平面VP上会聚并形成交点，并于观察平面340的观察区域342a、342b及342c建立次光场，如图4所示。在此要说明的是，建立在观察区域342a、342b及342c的次光场是由单一台投影机30所投影，也就是说，一维光学聚焦元件326的使用，使得每台投影机30投影的单一道影像光束能够在形成虚拟平面VP形成多个交点，以产生如同于实体狭缝群组所建立的光场效果。

由于每台投影机30投影的影像光束在通过次透镜3260后会分别建立多个次光场，故本实施方式的立体光场建立装置可以使用数量少于第一实施方式的立体光场建立装置的投影机30数量，就可以建立立体场景所需的光场。

在图4中，投影机30投影的影像光束在通过相邻的两个次透镜3260间时，因影像光束投影于其上的角度不同，使得光线发散的角度不同，而造成观察平面34上的某些位置无法建立完整光场。为了改善这个问题，必须使水平菲涅尔透镜320的焦距小于投影机30至背投式显示单元32’的距离，以让通过水平菲涅尔透镜320的影像光束由平行光束改变为收敛影像光束，以在观察平面34建立立体场景所需的完整光场，如图5及图6所示，其中图5为本发明第三实施方式的立体光场建立装置的架构图，图6为图5的局部放大图。

配合参阅图7，为本发明第四实施方式的立体光场建立装置的显示面板的局部放大图。本实施方式的立体光场建立装置类似于第一实施方式的立体光场建立装置，且相同的元件标示以相同的符号，其差异之处在于本实施方式的背投式显示单元32”还包含分光棱镜片324。

分光棱镜片324设置于水平式菲涅尔透镜320及垂直式扩散片322之间，分光棱镜片324由多个折光结构3240组成，如图8所示。每个折光结构3240包含第一表面3242及连接于第一表面3242两端呈对称于第一表面3242分布的第二表面3244及第三表面3246，在本实施方式中，第一表面3242平行于第一轴向X(或垂直于第二轴向Y)，且第一表面3242、第二表面3244及第三表面3246皆为平面。因此，单一道光束在通过分光棱镜片324后，是由第一表面3242及第二表面3244折射成为三道光束，藉以建立重复光场，以增加视角。在此要特别说明的是：在实际实施时，折光结构3240的第一表面3240、第二表面3244及第三表面3246也可以设计为曲面。

配合参阅图9，为本发明第五实施方式的立体光场建立装置的架构图。立体光场建立装置包含投影机40及反射式显示单元42，投影机40沿着第一轴向X排列，并朝向第二轴向Y投影影像光束，第二轴向Y垂直于第一轴向X。投影机40投影的影像光束经由显示单元42反射后传递至介于投影机40及显示单元42之间的观察平面44。显示单元42包含多个凹面镜424及多个单位像素4242(如图10及图11所示)，凹面镜424面对投影机40，单位像素4242呈圆弧状排列于凹面镜上424，凹面镜424再以特定弧度排列成显示单元42。。参阅图10及图11，单位像素4242包含第一弧面4244、邻接于第一弧面4244且对称设置的第二弧面4246及第三弧面4248，第一弧面4244、第二弧面4246及第三弧面4248分别用以反射投射于其上的影像光束，使产生重复光场。投影机40朝向第二轴向Y投影的影像光束由凹面镜424反射后并会聚在位于投影机40及反射式显示单元42之间的虚拟平面VP上，并形成交点；并于通过虚拟平面VP后发散并于观察平面44建立光场。换言之，投影机40及反射式显示单元42配合于该观察平面44及反射式显示单元42的虚拟平面上之间形成一虚拟狭缝，并于观察平面44上建立多个光场。

要特别说明的是，由于形成在虚拟平面VP上的虚拟狭缝的大小位置与投影机30的镜头的出瞳大小位置呈现三角形等比关系，如图12所示，因此当出瞳太小或是虚拟狭缝太靠近显示单元32时，每一个虚拟狭缝会变得太小而无法相连建立光场，故第四实施方式的分光棱镜片324的像素结构及第五实施方式的凹面镜424的单位像素4242的平面将需要从平面改为凹面或凸面以让虚拟狭缝变大而能相连。

然以上所述者，仅为本发明的较佳实施方式，当不能限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围意图保护的范畴。

Claims (11)

1.一种立体光场建立装置，用以于一观察平面建立光场，该立体光产建立装置包含：

多个投影机，沿着一第一轴向呈线性排列，并朝向一第二轴向投影影像光束，该第二轴向垂直于该第一轴向；以及

一背投式显示单元，包含一水平式菲涅尔透镜及一垂直式扩散片，该水平式菲涅尔透镜设置靠近该多个投影机，该背投式显示单元使各该投影机投影的影像光束在一位于该背投式显示单元及该观察平面间的一虚拟平面形成至少一交点，并对应于该观察平面建立至少一光场。

2.如权利要求1所述的立体光场建立装置，还包含一一维光学聚焦元件，该一维光学聚焦元件由多个次透镜组成，该多个次透镜沿着该第一轴向排列，该多个次透镜的数量负相关于该多个投影机的数量，各该次透镜使各该投影机投影的影像光束在观察平面上建立多个次光场。

3.如权利要求2所述的立体光场建立装置，其中该多个次透镜朝向第二轴向凸设。

4.如权利要求2所述的立体光场建立装置，其中该水平式菲涅尔透镜的焦距小于该多个投影机至该背投式显示单元的距离。

5.如权利要求2所述的立体光场建立装置，其中该水平式菲涅尔透镜的焦距大于等于该多个投影机至该背投式显示单元的距离。

6.如权利要求2所述的立体光场建立装置，还包含一分光棱镜片，设置于该水平式菲涅尔透镜及该垂直式扩散片之间，该分光棱镜片用以建立重复光场。

7.如权利要求6所述的立体光场建立装置，其中该分光棱镜片包含多个折光结构，各该折光结构包含一第一表面及邻接于该第一表面且对称第一表面设置的一第二表面及一第三表面。

8.如权利要求7所述的立体光场建立装置，其中该第一表面、该第二表面及该第三表面分别为平面。

9.如权利要求6所述的立体光场建立装置，其中该第一表面、该第二表面及该第三表面分别为曲面。

10.一种立体光场建立装置，用以于一观察平面建立光场，该立体光场建立装置包含：

多个投影机，沿着一第一轴向排列，并朝向一第二轴向投影影像光束，该第二轴向垂直于该第一轴向；以及

一反射式显示单元，包含：

多个凹面镜，以特定弧度排列并面对该多个投影机；以及

多个像素单元，设置于各该凹面镜上；

其中，该多个凹面镜使各该投影机投影的影像光束在一位于该反射式显示单元及该观察平面间的一虚拟平面上形成多个交点，并于该观察平面上建立多个光场。

11.如权利要求10所述的立体光场建立装置，其中各该像素单元包含一第一弧面、一第二弧面及一第三弧面，该第二弧面及该第三弧面分别邻接于第一弧面，该第一弧面、该第二弧面及该第三弧面分别面对该多个投影机。