CN107765438B - 影像显示装置及影像显示方法 - Google Patents

Abstract

一种影像显示装置，包括一图像显示装置及一透镜数组层。图像显示装置具有显示面及图像演算单元，图像显示装置能通过图像演算单元于显示面显示尚未重建的图像。透镜数组层设置于图像显示装置的显示面上，透镜数组层包含一基部及多个透镜，该显示面所显示尚未重建的图像能通过该透镜数组层重组，重新组合成集成式影像，以形成立体影像。借此，可提供漂浮显示的效果，能让观赏者在斜向的角度观看立体影像。

Description

影像显示装置及影像显示方法

技术领域

本发明涉及一种影像显示装置及影像显示方法，尤其涉及一种为显示目的使用，主要领域为3D立体显示，采用3D裸视技术，使用上较为简易方便的影像显示装置及显示方法。

背景技术

按，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，皆让观赏者在正对显示装置的角度观看，抑或影像深度不能远离显示平面太多。然而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

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种影像显示装置及影像显示方法，可提供漂浮显示的效果，能让观赏者在斜向的角度观看立体影像。

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种影像显示装置，用于显现漂浮于空中的立体影像，且能在斜向的视角观赏，包括：一图像显示装置，其具有显示面及图像演算单元，该图像显示装置能通过该图像演算单元于该显示面显示尚未重建的图像；以及一透镜数组层，其设置于该图像显示装置的显示面上，该透镜数组层包含一基部及多个透镜，该些透镜设置于该基部的一面，该显示面所显示尚未重建的图像能通过该透镜数组层重组，重新组合成集成式影像，以形成立体影像。

优选地，每相邻两列的透镜呈相对的排列或交错的排列。

优选地，该些透镜呈柱状体。

优选地，该些透镜使用光线的波长范围为300nm至1100nm，该些透镜直径为100um到5mm，该些透镜符合透镜焦距公式：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。

优选地，该图像显示装置为一种具有人眼追踪的立体显示器。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种影像显示方法，包括步骤：提供一影像显示装置，该影像显示装置包括一图像显示装置及一透镜数组层，该图像显示装置具有显示面及图像演算单元，该透镜数组层设置于该图像显示装置的显示面上，该透镜数组层包含一基部及多个透镜，该些透镜设置于该基部的一面；进行坐标定义，设定硬件的相对位置，包括该透镜数组层上的每一个透镜的相对位置，以及该透镜数组层相对该图像显示装置的距离和像素大小的搭配，而后在该图像演算单元的演算中放入将要显示的三维对象的数据，且设定该三维对象显示的斜向角度，再经过光线追迹，在该图像显示装置的显示面显示尚未重建的图像数据；以及该图像显示装置的显示面所显示尚未重建的图像通过该透镜数组层重组，重新组合成集成式影像，以形成立体影像。

优选地，每相邻两列的透镜呈相对的排列或交错的排列。

优选地，该些透镜使用光线的波长范围为300nm至1100nm，该些透镜直径为100um到5mm，该些透镜符合透镜焦距公式：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。

优选地，在该图像显示装置两端皆有观赏者，分别观看从对面而来的显示数据，并利用有指向性的背光源模块，且搭配预先计算好演算图像，以提供给两端的观赏者同一立体对象的正面和背面影像。

优选地，该图像显示装置为一种具有人眼追踪的立体显示器，能利用感测组件追踪画面中人眼的位置，再依照所追踪的位置区域计算相对应观赏者面对该图像显示装置的角度方向，再探测人眼对于该图像显示装置的相对角度后，再配合此角度演算提供画面，以给予人眼移动时相对应的立体影像画面。

本发明的有益效果：

本发明在硬件特点上，不需要其它光学膜片，只要一图像显示装置及一透镜数组层，极其简单的装置，就可以达到悬浮图像的效果。本发明的显示方法，有别于一般集成式影像计算演算法，可以对斜向的观赏角度，直接给于此角度相对应的演算图像。

漂浮的立体影像，在于观看立体影像的悬浮感。而斜向的观看视角，有助于观赏者判别空间内影像的相对应深度及位置感知，而达到悬浮观赏的效果。

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者。

附图说明

图1为本发明影像显示装置的立体示意图。

图2为本发明影像显示装置正向观赏的平面示意图。

图3为本发明影像显示装置斜向观赏的平面示意图(一)。

图4为本发明影像显示装置斜向观赏的平面示意图(二)。

图5为本发明影像显示方法的流程图。

图6为本发明演算法搭配显示硬件控制的示意图。

图7为本发明显示装置透镜数组相对排列的示意图。

图8为本发明显示装置透镜数组交错排列的示意图。

图9为本发明显示装置单一透镜聚焦情形的示意图。

图10为本发明影像显示装置另一实施例使用状态的示意图。

图11为本发明显示装置透镜数组为柱状结构的立体示意图。

图12为本发明显示装置透镜数组为柱状结构的平面示意图。

具体实施方式

[第一实施例]

本发明提供一种影像显示装置，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，该影像显示装置可应用于主动式或被动式三维立体显示器，并不予以限制。

如图1所示，该显示装置包括一图像显示装置1及一透镜数组层2，可以通过显示图像的改变，更改观赏者5角度位置所看到的立体影像画面，让观赏者5可以在其它视角位置观赏立体影像。本实施例结构分为两层构造，此装置可以设置在任意平面的位置，例如桌上、墙上或天花板等平面空间摆放。

图像显示装置1具有显示面11，可用于显示图像。透镜数组层2设置于图像显示装置1的显示面11上，亦即透镜数组层2设置于图像显示装置1的上方。透镜数组层2可接触图像显示装置1的显示面11，透镜数组层2也可与图像显示装置1的显示面11形成间隔设置，或是在图像显示装置1的显示面11与透镜数组层2之间设置中间层。

图像显示装置1设置于第一层(下层)，其负责显示尚未经过光线重现的平面图像，此平面图像可以通过透镜数组层2的透镜数组达到光线重新分配和组合，进而显示重组的三维立体影像。第一层的图像显示装置1只需显示目标图像，因此可以是任意的硬件构造，包括手机、平板或平面屏幕，抑或是印刷、刻印等图像，也可以是投影显示类型等，该图像显示装置1的型式及构造并不限制。

透镜数组层2设置于第二层(上层)，该透镜数组层2具有调控光场的技术效果，透镜数组层2可以调控立体对象的光线角度，让原本尚未重组的平面影像进行重新分配和组合，进而让观赏者5看到三维立体影像。单一透镜曲率将由透镜的材料本质决定，并配合与第一层的图像显示装置1的结合，决定立体影像的高度、可视角度范围及清晰度等三维影像内容。

在本实施例中，该透镜数组层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，该透镜数组层2的材质并不限制。该透镜数组层2包含一基部21及多个透镜22，该些透镜22设置于基部21的一面，亦即该些透镜22设置于基部21远离图像显示装置1的一面，该透镜数组层2的排列及构造并不限制，该些透镜22具有聚焦功能。

本发明最大的特点在于斜向观赏三维立体影像，所谓斜向观赏的方式是指观赏者5并非正对图像显示装置1，但也能看到立体影像。在传统的裸眼式三维立体显示中，绝大多数有观赏视角的问题，而让观赏者5不能在斜向的角度看到。在本发明中，斜向观赏反而是一大特点，如图2所示，观赏者5在正对图像显示装置1的方向上(zero order viewingzone)，而左右分别有一段可观赏的视角限制，一旦超出此视角，则观赏者看到的将不是相对应所在角度应该看到的立体信息。

为达到斜向观赏立体影像，可以如图3及图4所显示的方式，不再采用0阶(正向)的显示方式，而是采用斜向角度的显示方式，将光路径汇聚到斜向的方向上，而让观赏者5可以在该斜向的方向上观赏立体影像。图3及图4分别显示设定为第一阶显示区(first orderviewing zone)及设定为第二阶显示区(second order viewing zone)，亦即斜度愈大表示其阶数愈大，当然也可设定为第三阶或第四阶等显示区。同时尚未经过重组的平面影像也需要随之调整，演算法方式由第二实施例说明。配合同阶数的图像，观赏者5可以在不同的斜向角度观赏立体影像。斜向显示影像的方式可以使用在许多特殊的应用场合，例如需要将显示装置隐藏时，或者是观赏者5情境为非正式角度观赏皆可。

[第二实施例]

本发明的图像显示装置1可以为任意规格，只要能让演算法则适用，亦即图像显示装置1具有一图像演算单元12，使用于图像显示装置1的图像需要经过图像演算法的计算，此计算搭配透镜数组的架构，预知其光线行走的各种路径，而计算图像相对位置。图5为本发明影像显示方法的流程图，包括步骤如下：

首先，提供一影像显示装置，该影像显示装置包括一图像显示装置1及一透镜数组层2(如图1所示)，该图像显示装置1具有显示面11及图像演算单元12，透镜数组层2设置于图像显示装置1的显示面11上，透镜数组层2包含一基部21及多个透镜22，该些透镜22设置于基部21的一面；

而后进行坐标定义(Coordinate definition)，设定硬件的相对位置，包括透镜数组层2上的每一个透镜22的相对位置，以及透镜数组层2相对图像显示装置1的距离和像素大小的搭配，而后在图像演算单元12的演算中放入将要显示的三维对象的数据，且设定该三维对象显示的斜向角度，再经过光线追迹(ray tracing)，而后在该图像显示装置1的显示面11显示尚未重建的图像数据。

最后，如图6所示，经由图像显示装置1搭配已计算过后的图像，可以经由透镜数组层2再度将三维立体对象重组，以重新组合成集成式影像(integral image)13，形成立体影像。由于斜向观赏，因此所计算的图像略有些微不同，如图2、图3及图4所示，三者的三维对象来源皆为同一对象，但由于观赏角度不同，因此在演算法上配合不同角度的显示设定，导致最后产生的图像也有些略不同。本发明配合两层结构的搭配，光线可以由图像显示装置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，以符合人体工学的视角。

[第三实施例]

本发明的透镜数组层2对显示的效果有非常重要的关联，如图7及图8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，亦即每相邻两列的透镜22可呈相对的排列(如图7所示)或交错的排列(如图8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，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9所示，符合透镜焦距公式：

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100um到5mm适用不同显示装置的像素大小。

[第四实施例]

请参阅图10，本实施例为一种斜向角度观赏的应用方式，在图像显示装置1两端皆有观赏者5、5’，可以分别观看从对面而来的显示数据，并利用有指向性的背光源模块，且搭配预先计算好演算图像，便可以提供给两端的观赏者5、5’同一立体对象的正面和背面影像，从而达到多视角观赏者5、5’的立体显示影像。指向性的背光源是为了提供特定角度的光线，以避免过多的发散角度而产生影像干扰的情况。而演算的图像需预先计算好提供角度的立体影像的显示区域。这种方式可以解决传统裸视显示器的观赏角度不足的问题。

[第五实施例]

请参阅图11及图12，透镜数组层2的透镜22也可以为柱状结构，亦即该些透镜22呈柱状体，因此只有在一个维度方向具有透镜的特性，而另一方向没有。

[第六实施例]

另，本发明的图像显示装置1也可为一种具有人眼追踪的立体显示器，本发明应用于此实施例给予单人观赏者更大的观赏视角，能利用感测组件追踪画面中人眼的位置，再依照所追踪的位置区域计算相对应观赏者面对图像显示装置1的角度方向，再探测人眼对于图像显示装置1的相对角度后，再配合此角度演算提供画面，以给予人眼移动时相对应的立体影像画面。如此可以根据观赏者的位置移动给予相对应立体影像，可以解决传统裸眼立体显示装置的视角不足的问题。

是以，本发明提出一种可以适用于斜向观赏角度的影像显示装置及显示方法，配合硬件设置，可控制装置中各个位置像素经过光学组件的光线行进方向。本发明硬件系统为简易光学组件，包括图像显示装置及透镜数组层，可封装成一个套件，通过设计好的像素大小、系统间隙、透镜大小及焦距，利用集成式影像原理，搭配经过特殊演算法的屏幕输出画面信号，可以使其呈现实像在立体空间之中。

本发明在硬件特点上，不需要其它光学膜片，只要一图像显示装置及一透镜数组层，极其简单的装置，就可以达到悬浮图像的效果。本发明的显示方法，有别于一般集成式影像计算演算法，可以对斜向的观赏角度，直接给于此角度相对应的演算图像。

而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)

1.一种影像显示装置，其特征在于，用于显现漂浮于空中的立体影像，且能在斜向的视角观赏，包括：

一图像显示装置，其具有显示面及图像演算单元，在该图像演算单元的演算中放入要显示的三维对象的数据，且设定该三维对象显示的斜向角度，再经过光线追迹，使该图像显示装置能通过该图像演算单元于该显示面显示尚未重建的图像；以及

一透镜数组层，其设置于该图像显示装置的显示面上，该透镜数组层包含一基部及多个透镜，该些透镜设置于该基部的一面，该些透镜使用光线的波长范围为300nm至1100nm，该显示面所显示尚未重建的图像能通过该透镜数组层重组，重新组合成集成式影像，以形成立体影像；

其中观赏者能在正对该图像显示装置的方向上采用0阶的显示方式观赏立体影像，且观赏者在斜向的视角观赏时，不再采用0阶的显示方式，而采用斜向角度的显示方式，将光路径汇聚到斜向的方向上，分别显示至少设定为第一阶显示区及设定为第二阶显示区，斜度愈大表示阶数愈大，配合同阶数的图像，观赏者能在不同的斜向角度观赏立体影像。

2.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于，每相邻两列的透镜呈相对的排列或交错的排列。

3.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于，该些透镜呈柱状体。

4.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于，该些透镜使用光线的波长范围为300nm至1100nm，该些透镜直径为100um到5mm，该些透镜符合透镜焦距公式：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。

5.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于，该图像显示装置为一种具有人眼追踪的立体显示器。

6.一种影像显示方法，其特征在于，包括步骤：

提供一影像显示装置，该影像显示装置包括一图像显示装置及一透镜数组层，该图像显示装置具有显示面及图像演算单元，该透镜数组层设置于该图像显示装置的显示面上，该透镜数组层包含一基部及多个透镜，该些透镜设置于该基部的一面，该些透镜使用光线的波长范围为300nm至1100nm；

进行坐标定义，设定硬件的相对位置，包括该透镜数组层上的每一个透镜的相对位置，以及该透镜数组层相对该图像显示装置的距离和像素大小的搭配，而后在该图像演算单元的演算中放入将要显示的三维对象的数据，且设定该三维对象显示的斜向角度，再经过光线追迹，在该图像显示装置的显示面显示尚未重建的图像数据；以及

该图像显示装置的显示面所显示尚未重建的图像通过该透镜数组层重组，重新组合成集成式影像，以形成立体影像；

当观赏者并非正对该影像显示装置时，该影像显示装置所传出的光线能通过设定硬件的相对位置，而被汇聚至斜向方向上，以让观赏者能在该斜向方向上观赏漂浮于空中的立体影像；

其中观赏者能在正对该图像显示装置的方向上采用0阶的显示方式观赏立体影像，且观赏者在斜向的视角观赏时，不再采用0阶的显示方式，而采用斜向角度的显示方式，将光路径汇聚到斜向的方向上，分别显示至少设定为第一阶显示区及设定为第二阶显示区，斜度愈大表示阶数愈大，配合同阶数的图像，观赏者能在不同的斜向角度观赏立体影像。

7.如权利要求6所述的影像显示方法，其特征在于，每相邻两列的透镜呈相对的排列或交错的排列。

8.如权利要求6所述的影像显示方法，其特征在于，该些透镜使用光线的波长范围为300nm至1100nm，该些透镜直径为100um到5mm，该些透镜符合透镜焦距公式：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。

9.如权利要求6所述的影像显示方法，其特征在于，在该图像显示装置两端皆有观赏者，分别观看从对面而来的显示数据，并利用有指向性的背光源模块，且搭配预先计算好演算图像，以提供给两端的观赏者同一立体对象的正面和背面影像。

10.如权利要求6所述的影像显示方法，其特征在于，该图像显示装置为一种具有人眼追踪的立体显示器，能利用感测组件追踪画面中人眼的位置，再依照所追踪的位置区域计算相对应观赏者面对该图像显示装置的角度方向，再探测人眼对于该图像显示装置的相对角度后，再配合此角度演算提供画面，以给予人眼移动时相对应的立体影像画面。

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