CN107024775A - 立体显示装置 - Google Patents

Abstract

一种立体显示装置，包括一平面显示装置、一透镜数组层及一微结构层。平面显示装置具有一显示面。透镜数组层设置于平面显示装置的显示面上，透镜数组层包含一基部及多个具有聚焦功能的透镜，透镜数组层用于调控光场，微结构层设置于透镜数组层上，微结构层包含一基材及多个微结构，该微结构层用于调变光线角度方向。借此，用于显现漂浮于空中的立体影像，且能在斜向的视角观赏。

Description

立体显示装置

技术领域

本发明在于提供一种立体显示装置，尤指一种为显示目的使用，主要领域为3D立体显示，为一种较为简易且可携带的裸视3D立体显示装置，可显现漂浮于空中的立体影像，且符合人体观赏的自然视角。

背景技术

三维立体显示装置，一般主流采用双眼融合影像的技术制成。一般裸视三维立体显示装置，都需要让使用者在面向正对显示装置的方向才可以观赏立体影像，而在非正对显示装置的方向则看不到显示立体影像。在考虑一些情境状况的场合里，例如航空地形模型、建筑模型、医疗3D训练等，显示装置为水平摆放的情况时，观赏者自然的视角为斜向的观看显示装置。此时一般主流的三维显示技术无法提供对观赏者自然的观看角度，造成不便。再者，一般三维立体显示装置，在正面所观看的3D感知，对观赏者来说是只有一个方向的视觉刺激，就像是画面突出或沉入。而无法达到真正让影像脱离平面的感觉，实现漂浮于空中的感觉。

发明内容

本发明在于提供一种立体显示装置，提供观赏者在显示器平面摆放下，以自然斜向的观赏角度，观看浮出于表面的立体影像。本发明的微结构层可以解决传统裸视立体显示器在斜向方面看不到立体影像的问题，可以让使用者在自然的角度下就可以看到摆在水平面上的显示器画面中的飘浮影像。

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种立体显示装置，用于显现漂浮于空中的立体影像，且立体影像能在斜向的视角被观赏，立体显示装置包括：一平面显示装置，一透镜数组层及一微结构层。平面显示装置具有一显示面；透镜数组层设置于平面显示装置的显示面上，透镜数组层包含一基部及多个具有聚焦功能的透镜，多个透镜设置于基部的一面，透镜数组层用于调控光场；微结构层设置于透镜数组层上，微结构层包含一基材及多个微结构，多个微结构设置于基材的一面，微结构层用于调变光线角度方向。

优选地，平面显示装置为一能适用演算法则的平面显示装置，平面显示装置的显示面所显示的画面是依据演算法则及平面显示装置规格将画面重新组合而成的。

优选地，平面显示装置为主动式或被动式显示装置。

优选地，平面显示装置包括反射型和透光型的显示装置。

优选地，多个微结构为等腰三角形或直角三角形。

优选地，多个微结构中的任一个的出光角度范围相对垂直面均为5度至130度。

优选地，定义多个微结构中的任一个的出光角度均为δ，底角均为α，折射率均为n，满足下列关系式条件：δ＝sin^-1〔n sin(180-3α)〕。

优选地，微结构为棱柱状、角锥状结构或圆锥状结构。

优选地，微结构的材质的折射率为1.3至3.0，透光率为70％以上，反射率为25％以下，使用光线的波长范围为300nm至1100nm。

优选地，微结构的顶端形成有一切面，切面平行于微结构的底面。

本发明的有益效果：

漂浮的主要概念呈现就是让使用者在斜向的视角也能看到3D立体影像。因此本发明立体显示装置目的为，改变既往裸视3D立体显示器正向的观赏视角，并变更为斜向观赏立体影像，且立体影像呈现于屏幕的上方，造成漂浮效果。

本发明的技术特点在于微结构层可以将光线引导至偏折的角度。进一步的配合演算法则可以让影像呈现于空中，看起来就像是一个真实物体漂浮于空中的样子。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明立体显示装置第一实施例的平面示意图。

图2为本发明立体显示装置第一实施例算法的流程图。

图3A为本发明立体显示装置第一实施例还未经过演算法则的原始影像的示意图。

图3B为本发明立体显示装置第一实施例经过演算法则重新组合成的集成式影像的示意图。

图4为本发明立体显示装置第一实施例光线由不同的透镜汇聚于空中形成一个带有深度数据的点的示意图。

图5为本发明立体显示装置第一实施例微结构造成光线偏折的示意图。

图6为本发明立体显示装置第一实施例微结构设计底角与出光角度的曲线图。

图7为本发明立体显示装置第一实施例偏折角度77度的亮度变化实验图。

图8为本发明立体显示装置第二实施例的平面示意图。

图9A为本发明立体显示装置第二实施例反射型平面显示装置的示意图。

图9B为本发明立体显示装置第二实施例透光型平面显示装置的示意图。

图10A为本发明立体显示装置第三实施例透镜数组相对排列的示意图。

图10B为本发明立体显示装置第三实施例透镜数组交错排列的示意图。

图11图为本发明立体显示装置第三实施例单一透镜聚焦情形的示意图。

图12A图为本发明立体显示装置第四实施例微结构为棱柱状的示意图。

图12B图为本发明立体显示装置第四实施例微结构为角锥状的示意图。

图12C图为本发明立体显示装置第四实施例微结构为圆锥状的示意图。

图12D图为本发明立体显示装置第四实施例微结构的顶端形成有切面的示意图。

具体实施方式

第一实施例

本发明提供一种立体显示装置，其可应用于光电、医疗、军事、展示、显示器、教育娱乐及消费型电子等产业，立体显示装置可应用于主动式及被动式三维立体显示器。本实施例为主动式漂浮3D显示器，能够在平面显示器上显示3D立体影像于空中，并让使用者可以在自然的斜向角度观赏此3D立体影像。请参阅图1所示，本实施例结构分为三层构造，此装置可以应用在桌上(table top)，也可使用在天花板(ceiling type)、地面等任意平面摆放位置。

立体显示装置包括一平面显示装置1、一透镜数组层2及一微结构层3，平面显示装置1、透镜数组层2及微结构层3由下而上依序排列设置为三层，其中透镜数组层2设置于平面显示装置1的显示面11上，微结构层3设置于透镜数组层2上，即透镜数组层2设置于平面显示装置1的上方，微结构层3设置于透镜数组层2的上方。透镜数组层2较佳但不限制为接触平面显示装置1的显示面11，微结构层3较佳但不限制为接触透镜数组层2。本发明的漂浮式3D立体显示装置包括三层结构，光线将由平面显示装置1显现出集成式影像(integralimage)，通过透镜数组层2，将集成式影像(integral image)重新汇聚在空中呈现立体影像于空中，最后微结构层3会将光场折射到斜向的角度，于是在斜向的使用者4便可以观赏显示位置5处的立体影像。

平面显示装置1设置于第一层(下层)，其负责显示集成式摄影(integralphotography)技术的图案。平面显示装置1可以为任意规格，只要能让演算法则适用，平面显示装置1的显示面11所显示的画面是依据演算法则及平面显示装置1规格将画面重新绘制，演算法则不需经过影像反转的动作，而直接给予深度信息做为演算依据，如图2所示，以配合各种显示面板的规格。演算法则包括坐标定义(Coordinate definition)、取得深度信息(Give depth information)、集成式影像光线轨迹(integral image ray tracing)及重新组合成集成式影像(integral image)等步骤。实行的结果图案如图3A所示，为还未经过演算法则的原始影像，如图3B所示，为经过演算法则重新组合而成的集成式影像(integralimage)。该演算法则一大特点为，其深度信息不需经过反转，不会造成深度反转的问题(orthoscopic and pseudoscopic issue)，以往集成式影像(integral image)技术具有深度反转的问题(orthoscopic and pseudoscopic issue)，通过本发明采用的演算法则，可以避免此问题发生。本发明概念在于直接给予物体在空中飘浮的位置，再进行运算。而主动式平面显示器，举凡如手机、平板、平面屏幕，都可以作为平面显示装置1，平面显示装置1的型式及构造并不限制，其特点在于可以控制立体影像的切换，可以达到动画效果。

平面显示装置1主要目的为显示漂浮3D影像的演算处理画面，称为集成式影像(integral image)，且集成式影像在本发明中采用计算机演算处理。利用色彩图片配合深度图片(RGB+D)四维信息数据，重新演算编码。演算处理效果如图3A及图3B所示。然而显示此集成式影像的方式可以依照显示装置的功能作为区分。第一种为主动式装置，主动式装置代表显示装置本身可以随意的变化集成式影像的画面，且较容易达到全彩的3D影像，举例说明有平面显示器、CRTTV、OLED等。第二种为被动式装置，被动式装置代表其装置本身不能随意更动影像画面，例如为灯箱绘图、光罩刻图、印刷绘图等。

透镜数组层2设置于第二层(中层)，透镜数组层2具有调控光场的功效。聚光透镜可以调控立体对象的光线角度，进而让使用者看到立体影像不同的角度而产生深度的立体感觉。如图4所示，不同的聚光透镜可以给予对象点不同的角度信息，光线由不同的透镜汇聚于空中形成一个带有深度数据的点，指出空间上的一点信息可以被分作不同的光线角度记录在不同透镜的像素之中。聚光透镜曲率将由透镜的材质决定，并配合与第一层的平面显示装置1的结合，决定立体影像的高度、可视角度范围及清晰度。

在本实施例中，透镜数组层2以光学特性良好的材质所制成，例如有机玻璃(PPMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)或玻璃(Glass)等透光材质制成，透镜数组层2的材质并不限制。透镜数组层2包含一基部21及多个透镜22，多个透镜22设置于基部21的一面，即多个透镜22设置于基部21远离平面显示装置1的一面，透镜数组层2的排列及构造并不限制。多个透镜22具有聚焦功能，其曲率搭配透镜材料结合于平面显示装置1，将决定立体影像高度、可视角度、分辨率。

微结构层3设置于第三层(上层)，微结构层3用于调变光线角度方向。本实施例的微结构层3为一种三角形微结构层，如图5所示，为此微结构造成光线偏折示意图，可以将正向的光场偏折到斜向的角度方向。

本发明通过微结构层3的设计，可以让光线偏折到相对于正向的斜向的角度，而可以让使用者不须在正向的视角观赏立体影像。尤其考虑在平面显示装置1为水平摆设的情况下，使用者在正上方或正下方观看平面显示装置1是不自然的。且实际使用一般裸视三维显示器情况下，在斜向的角度是看不到任何东西的。因此通过微结构层3的功用，可以让使用者以更为自然的角度观赏立体影像。

在本实施例中，微结构层3可由聚酯(PET)、聚丙烯(PP)或聚碳酸酯(PC)等材质制成，微结构层3的材质并不限制。微结构层3包含一基材31及多个微结构32，多个微结构32设置于基材31的一面，即多个微结构32设置于基材31远离透镜数组层2的一面。本实施例的微结构32呈三角状，微结构32为等腰三角形或直角三角形，微结构层3的排列及构造并不限制。微结构层3单一的微结构32尺寸为微米等级。

微结构层应用了三角结构的光线偏折特性，三角结构的出光角度δ与三角结构的底角α的关联性如图5所示，可通过改变底角α的设计，达到改变出光角度δ的特性，满足下列关系式条件：δ＝sin^-1〔n sin(180-3α)〕，其中n为微结构32的折射率。

如图6所示，为微结构层设计底角α与出光角度δ的曲线图，微结构为等腰三角形型式。也就是说微结构层通过底角的设计，可以适用于出光角度5度130度的范围，即微结构层的调整角度可以让折射的出光角度δ范围达到相对垂直面5度到130度。于此便可以依造使用情境搭配不一样的微结构层设计达到使用者的适合观赏角度。

如图7所示，为偏折角度77度的亮度变化实验图，微结构的底角α为55度，以偏折角度为77度的微结构层为例，尚未加上光学膜片的正视角度所看见的亮度为100％，在正视角度所观赏的光场亮度为100％，一旦到了斜视角度(尚未加上微结构层)，光场亮度瞬间降低至3％。一旦加上此微结构层3在斜视角的观赏下，可以将亮度提升到75％，大幅增加了在斜视角度所观赏的影像质量。

本发明配合三层结构的搭配，光线可以由平面显示装置1传出并通过透镜数组层2重新汇聚成3D立体影像于空中。再通过微结构层3把可视角度拉至斜向的观赏角度，以符合人体工学的视角。

第二实施例

本发明也可利用图纸或刻印物作为显示主画面，其为一被动式漂浮3D立体显示器，相似于第一实施例，结构分为三层构造，如图8所示，立体显示装置包括一平面显示装置1、一透镜数组层2及一微结构层3，主要差异在于平面显示装置1本身。被动式平面显示装置1可以使用反射型或者透光型的使用方式，通过透镜数组层2，将集成式影像(integralimage)重新汇聚在空中呈现立体影像于空中。最后微结构层3会将光场折射到斜向的角度，于是在斜向的使用者4便可以观赏显示位置5处的立体影像。

被动式的显示装置1不依靠自身发光，而通过外界光源作为显式的光源，可以分作反射型和透光型，如图9A及图9B所示，此装置亦可以应用在桌上(table top)，也可使用在天花板(ceiling type)及地面等任意平面摆放位置。

反射型的平面显示装置1(显示板)，是利用环境光对具有颜色对象的反射原理，将已计算好的集成式影像(integral image)图案刻印或印刷在一不透明的材质板上。通过环境光源反射出所见到的图案，再经过透镜数组层2及微结构层3等，可以让使用者看到静止画面的立体影像。

透光型的平面显示装置1(显示板)，是利用背光源提供给刻印或印刷好的集成式影像(integral image)图案光线，以达到显示目的。通过背光源透射出所见到的图案，再经过透镜数组层2及微结构层3等，同样可以让使用者看到静止画面的立体影像。

同样通过第二层的透镜数组层2及第三层的微结构层3，被动式漂浮3D立体显示装置可以让使用者观赏到一个立体影像漂浮于空中。被动式的特点在于其分辨率能够比平面显示器较高，可以显示较为精致的立体影像。

第三实施例

本发明实现技术部分称为集成式摄影(integral photography)，此类技术的主要原理采用光场成像的方式，光场技术同时记录三维空间和角度信息，一共被描述成五个维度(x,y,z,u,v)。集成式影像(integral image)这项技术，则是利用光学组件-透镜数组层2作为光场角度信息媒介，使空间位置和角度信息都可以被记录在感光组件中。在显示部分，使用者同时可以接收到光线的位置和方向，便可以得知3D影像的深度感知。

透镜数组层2的结构对显示的效果有非常重要的关联，如图10A及图10B表示，透镜数组的排列方式可以为矩形排列或六角形排列的方式，亦即相邻两列的透镜22可呈相对的排列(如图10A所示)或交错的排列(如图10B所示)，皆可以显示3D影像信息。

在透镜数组层2上的微结构为聚焦功能的透镜，此微透镜规格将依照材质折射率n值决定其透镜聚焦能力。材质折射率n值从1.3至3.0皆可，透光度70％以上，反射率25％以下，可使用光线的波长范围为300nm至1100nm。单一的小透镜焦距情形如图11所示，符合造镜者公式：

1/f＝(n-1)(1/R1+1/R2)

其中R1和R2分别为透镜两边的曲率半径，f是透镜焦距，n是透镜折射率。另外透镜直径大小从10um到3cm适用不同的显示器板面大小。

第四实施例

请参阅图12A、图12B及图12C，本发明微结构层的单一微结构32可为棱柱状(如图12A所示)，棱柱状的微结构32可以将光线引导至两个方位。再者，也可将棱柱状的微结构32改为角锥状结构(如图12B所示)，以便将光线引导至四个方位。微结构32也可采用圆锥状结构(如图12C所示)，以便将光场的分布在水平方向上展开，达到水平全方位的视角。微结构32材质上折射率n值将会是出光角度的重要参数。其折射率n值为1.3至3.0，透光率70％以上，反射率25％以下，同样是使用光线的波长范围300nm至1100nm之间。

请参阅图12D，本发明的微结构32亦可变化，原本的结构是给予斜视角度的使用者观赏，在本实施例中，微结构32的顶端形成有一切面321，切面321平行于微结构32的底面，使得微结构32多了一部份直接穿透区域，可以让使用者在正视的角度也观赏得到3D影像。

是以，本发明提出一种可适用于斜向角度观赏的立体漂浮影像显示装置，可控制装置中各个位置画素经过光学组件的光线行进方向。本发明光学组件结构简单，包括平面显示装置1、透镜数组层2及微结构层3，可封装成一光学套件，置放于显示屏幕上组成立体漂浮影像显示装置。借由设计好的画素大小、光学膜间隙、透镜大小及焦距，利用集成式影像原理，搭配经过特殊计算的屏幕输出画面信号，可以使其呈现实像在立体空间之中，最后通过三角微结构光学膜片的设计，将漂浮影像转换成斜向视角，让本发明的立体显示装置更适用于一般显示应用场合之中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，非意欲局限本发明的专利保护范围，故举凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效变化，均同理皆包含于本发明的权利保护范围内，合予陈明。

Claims (10)

1.一种立体显示装置，其特征在于，用于显现漂浮于空中的立体影像，且所述立体影像能在斜向的视角被观赏，所述立体显示装置包括：

一平面显示装置，其具有一显示面；

一透镜数组层，其设置于所述平面显示装置的显示面上，所述透镜数组层包含一基部及多个具有聚焦功能的透镜，所述多个透镜设置于所述基部的一面，所述透镜数组层用于调控光场；以及

一微结构层，其设置于所述透镜数组层上，所述微结构层包含一基材及多个微结构，所述多个微结构设置于所述基材的一面，所述微结构层用于调变光线角度方向。

2.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，所述平面显示装置为一能适用演算法则的平面显示装置，所述平面显示装置的显示面所显示的画面是依据演算法则及所述平面显示装置规格将画面重新组合而成的。

3.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，所述平面显示装置为主动式或被动式显示装置。

4.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，所述平面显示装置包括反射型和透光型的显示装置。

5.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，所述多个微结构为等腰三角形或直角三角形。

6.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，所述多个微结构中的任一个的出光角度范围相对垂直面均为5度至130度。

7.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，定义所述多个微结构中的任一个的出光角度均为δ，底角均为α，折射率均为n，满足下列关系式条件：δ＝sin^-1〔n sin(180-3α)〕。

8.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，所述多个微结构为棱柱状、角锥状结构或圆锥状结构。

9.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，所述多个微结构的材质的折射率为1.3至3.0，透光率为70％以上，反射率为25％以下，使用光线的波长范围为300nm至1100nm。

10.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，所述微结构的顶端形成有一切面，所述切面平行于所述微结构的底面。