CN110133861B - 三维显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种三维显示装置，包括显示器及光学元件。显示器用于投射影像光束至第一光栏。光学元件配置于影像光束的传递路径上。光学元件包括第二光栏，第二光栏位于第一光栏的一侧，第一光栏位于第二光栏与显示器之间。其中第二光栏的面积近似第一光栏的面积。影像光束通过第一光栏及第二光栏后投射至投射目标。本发明的显示装置可以避免光场影像光束周围的杂光，以避免叠影的产生。

Description

三维显示装置
技术领域
本发明是关于一种显示装置，且特别关于一种显示装置，用于显示3D影像。
背景技术
光场显示装置(Light Field Display)是一种使用光场显示技术产生立体视觉影像的显示装置。光场影像透过微透镜阵列产生实像或者虚像于成像面上，因此观察者可以在特定距离上看到具有深度感受的光场影像。
现有的光场显示装置是采用液晶显示器(LCD，Liquid-Crystal Display)或有机发光二极体(OLED，Organic Light-Emitting Diode)发光。然而LCD或OLED所发射的光线具有一定的发散角度。举例而言，OLED面板(panel)为一亮度分布为朗伯分布(Lambertiandistrbution)的显示面板，因此开启时，部分影像光束进入到微透镜中，部分影像光束则散射至邻近微透镜中，因此会让使用者的眼睛在光轴上观测时，会看到叠影。而当使用者的眼球在移动观测时，还可以在离轴处观测到其他重复且清楚的影像。因此，如何避免显示装置产生叠影及/或杂光，实为本领域相关人员所关注的焦点。
本“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”中所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。此外，在“背景技术”中所揭露的内容并不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种显示装置，可以避免影像光束周围的杂光，以避免叠影的产生。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明之一实施例提供一种显示装置，包括显示器及光学元件。显示器用于投射影像光束至第一光栏。光学元件配置于影像光束的传递路径上。光学元件包括第二光栏，第二光栏位于第一光栏的一侧，第一光栏位于第二光栏与显示器之间。其中第二光栏的面积近似第一光栏的面积。影像光束通过第一光栏及第二光栏后投射至投射目标。
本发明实施例的显示装置透过第一光栏及光学元件的设置，可以避免接收到影像光束周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像光束时产生的叠影及/或杂光，并提升影像的清晰度。
为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一实施例的显示装置的示意图。
图2A是图1所示实施例的显示装置的显示元件的多个微影像单元所分别显示的多个子影像的示意图。
图2B是使用者的眼睛透过图1所示实施例的显示装置所观察到的影像的示意图。
图3是图1所示实施例的显示装置的微透镜阵列的示意图。
图4是本发明另一实施例的显示装置的示意图。
图5是本发明又一实施例的显示装置的示意图。
图6是本发明又一实施例的显示装置的示意图。
图7A与图7B是本发明又一实施例的显示装置的示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1是本发明一实施例的显示装置的示意图。请参照图1，本实施例的显示装置100包括显示器LFD及光学元件101。显示器LFD用于投射影像光束LI至第一光栏106。光学元件101配置于影像光束LI的传递路径上。光学元件101包括第二光栏1011，且第二光栏1011位于第一光栏106的一侧，第一光栏106位于第二光栏1011与显示器LFD之间。其中第一光栏106距离第二光栏1011有一预定距离D，且第二光栏1011的面积小于或等于第一光栏106的面积，此外，第二光栏1011的面积可以近似第一光栏106的面积。在本实施例中，以圆形影像光束的截面积而言，第二光栏1011的直径d2小于或等于第一光栏106的直径d1。在另一实施例中，以椭圆形影像光束的截面积而言，第二光栏1011的长边小于或等于第一光栏106的长边，但不以此为限。显示器LFD投射的影像光束LI通过第一光栏106及第二光栏1011后投射至投射目标EY。
详细地说，显示器LFD包括显示元件105及微透镜阵列104。显示元件105具有多个微影像单元1051，每一微影像单元1051用于提供子影像光束LS。微透镜阵列104设置在显示元件105的一侧，其中微透镜阵列104位于显示元件105与第一光栏106之间。微透镜阵列104具有多个微透镜1041，其中这些微透镜1041分别对应于这些微影像单元1051，且每一子影像光束LS经由对应的微透镜1041投射至第一光栏106以成为影像光束LI。
在本实施例中，显示元件105的每一微影像单元1051例如包含多个画素(未显示于图上)，用于提供子影像光束LS。每一子影像光束LS经由对应的微透镜1041投射后汇聚成影像光束LI，并传递至第一光栏106。光学元件101用于接收影像光束LI，并藉由光学元件101将影像光束LI传递至投射目标EY。在本实施例中，投射目标EY以使用者的眼睛做为举例说明，但本发明并不以此为限制。使用者的眼睛会看到虚像(Virtual image)S0，因此使用者可以看到具有深度感受的影像，也就是可以看到3D影像。本实施例的显示装置100例如可以应用于扩增实境(Augmented Reality)或虚拟实境(Virtual Reality)等。显示元件105例如可以液晶显示器(LCD，Liquid-Crystal Display)、有机发光二极体(OLED，OrganicLight-Emitting Diode)或者微发光二极管(Micro Light-emitting diode)、反射式显示元件例如是液晶覆硅(LCoS，Liquid Crystal On Silicon)显示元件或者数位微型反射镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)也可实现，但本发明并不以此为限制。
在本实施例中，第一光栏106是定义为多个子影像光束LS汇聚的位置，也就是影像光束LI形成的位置。换句话说，这些子影像光束LS汇聚在第一光栏106处的光束具有最小的光束截面面积，并形成影像光束LI。在本实施例中，这些子影像光束LS被微透镜阵列104投射而汇聚之处并不设置实体的光圈，但本发明并不以此为限制。在本发明的其他实施例中，第一光栏106可以设置实体的光圈装置，例如具有开孔的挡片。而实体的光圈装置可阻挡影像光束LI周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像光束LI时产生的叠影和/或杂光。
在本实施例中，第二光栏1011是光学元件101接收影像光束LI的区域。第二光栏1011的面积小于或等于第一光栏106的面积。第二光栏1011的面积可近似第一光栏106的面积。影像光束LI通过第一光栏106之处并不设置实体的光圈，但本发明并不以此为限制。在本发明的其他实施例中，第二光栏1011可以设置实体的光圈装置。第二光栏1011设置实体的光圈装置可阻挡影像光束LI周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像光束LI时产生的叠影和/或杂光。
在本实施例中，第一光栏106距离第二光栏1011间的距离是预定距离D。预定距离D可经由设计以让使用者的眼睛观看影像光束LI时产生的叠影和/或杂光降至最低。并且，预定距离D可以是零，即第一光栏106与第二光栏1011位在同一位置。
请参阅图2A及图2B，图2A是图1所示实施例的显示装置100的显示元件105的多个微影像单元1051所分别产生的多个子影像(elemental image)的示意图，图2B是使用者的眼睛EY透过图1所示实施例的显示装置100所观察到的影像的示意图。图2A所显示的子影像EI0、EI是显示元件105的多个微影像单元1051所提供的多个子影像光束LS的一范例。如图2A所示，在本实施例中，多个微影像单元1051产生一个子影像EI0与多个子影像EI，其中子影像EI0为中心子影像，多个子影像EI围绕中心子影像EI0。在本实施例中，每一个子影像EI0、EI经由对应的微透镜1041投射至第一光栏106，经光学元件101传递至使用者的眼睛EY，而让使用者可观看到如图2B所显示的影像。如此，本实施例的显示装置100透过显示器LFD及光学元件101的设置，让使用者可以看到具有深度感受的影像。然而，图2A中显示元件105产生的子影像EI0、EI仅为一举例说明，并非用以限制本发明。
图3是图1所示实施例的显示装置100的微透镜阵列104的示意图。请参照图3，在本实施例中，微透镜阵列104的多个微透镜1041是以矩阵方式排列做为举例说明，但本发明不以此为限制。在本实施例中，每一微透镜1041的焦距可以是相同的，但也不排除这些微透镜1041的焦距可以是不同的。在正视方向，多个微透镜1041的形状例如为矩形，但在侧面方向上，多个微透镜1041的形状则呈现具有曲面的透镜形状。
图4是本发明另一实施例的显示装置的示意图。请参照图4，本实施例的显示装置200包括显示器LFD及光学元件201。本实施例的显示装置200与图1所示的显示装置100具有相似的结构与功能，本实施例与图1所示的实施例不同之处主要在于：光学元件201还包括光波导元件2013。这些微透镜1041将这些子影像光束LS投射并汇聚而形成影像光束LI，影像光束LI通过第一光栏106及第二光栏2011后入射至光波导元件2013。光波导元件2013传递影像光束LI至投射目标EY。在本实施例中，使用者的眼睛可看到虚像(Virtual image)S0，因此使用者可以看到具有深度感受的影像。
在本实施例中，光波导元件2013是散射式波导元件、全像式波导元件、偏光式波导元件或反射式波导元件的至少其中之一，但本发明并不限制光波导元件2013的种类或型式。本实施例是以一个光波导元件2013做为举例说明，但本发明并不以此为限制。在本发明的其他实施例中，光波导元件2013可以包括至少一个光波导元件。光波导元件2013只要是位于影像光束LI的传递路径上，且能将影像光束LI传递至使用者的眼睛EY即可。透过光波导元件2013的设置，本实施例的显示装置200例如可以应用于扩增实境(AugmentedReality)或虚拟实境(Virtual Reality)等。
在本实施例中，第二光栏2011的面积小于或等于第一光栏106的面积，第二光栏2011可避免接收到影像光束LI周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像光束LI时产生的叠影和/或杂光。在本发明的其他实施例中，第二光栏2011可以设置实体的光圈装置。而实体的光圈装置还可阻挡影像光束LI周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像光束LI时产生的叠影和/或杂光。
图5是本发明又一实施例的显示装置的示意图。请参照图5，本实施例的显示装置300包括显示器LFD及光学元件301。本实施例的显示装置300与图1所示的显示装置100具有相似的结构与功能，本实施例与图1所示的实施例不同之处主要在于：光学元件301还包括透镜组3013，透镜组3013用于将影像光束LI汇聚且投射至投射目标EY。其中，透镜组3013可将影像光束LI转换为虚像。因此，使用者的眼睛可看到虚像S1让使用者可以看到具有深度感受的影像。
本实施例是以透镜组3013包括一个透镜做为举例说明，但本发明并不以此为限制。在本发明的其他实施例中，透镜组3013可以包括多个透镜。透镜组3013只要是位于影像光束LI的传递路径上，且能将影像光束LI传递至使用者的眼睛EY即可。
在本实施例中，第二光栏3011例如可以是透镜组3013具有的等效光圈。由于第二光栏3011的面积小于或等于第一光栏106的面积，第二光栏3011可避免接收到影像光束LI周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像光束LI时产生的叠影和/或杂光。在本发明的其他实施例中，第二光栏3011可以设置实体的光圈装置。而实体的光圈装置更可阻挡影像光束LI周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像光束LI时产生的叠影和/或杂光。
图6是本发明又一实施例的显示装置的示意图。请参照图6，本实施例的显示装置400包括显示器LFD及光学元件401。本实施例的显示装置400与图1所示的显示装置100具有相似的结构与功能，本实施例与图1所示的实施例不同之处主要在于：光学元件401还包括自由曲面棱镜(free-form prism)4013。这些微透镜1041将这些子影像光束LS投射并汇聚而形成影像光束LI，影像光束LI通过第一光栏106及第二光栏4011后入射自由曲面棱镜4013。自由曲面棱镜4013并将影像光束LI投射至投射目标EY。在本实施例中，使用者的眼睛可看到虚像(virtual image)S0，因此使用者可以看到具有深度感受的影像。
本发明并不限制自由曲面棱镜4013的种类或型式。自由曲面棱镜4013只要是位在影像光束LI的传递路径上，且能将影像光束LI传递至使用者的眼睛EY即可。
在本实施例中，第二光栏4011例如可以是自由曲面棱镜4013具有的等效光圈。由于第二光栏4011的面积小于或等于第一光栏106的面积，第二光栏4011可避免接收到影像光束LI周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像光束LI时产生的叠影和/或杂光。在本发明的其他实施例中，第二光栏4011可以设置实体的光圈装置。而实体的光圈装置更可阻挡影像光束LI中周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像光束LI时产生的叠影和/或杂光。
图7A与图7B是本发明又一实施例的显示装置的示意图。请参照图7A与图7B，本实施例的显示装置500包括显示器LFDa、第一光栏106及光学元件101。本实施例的显示装置500与图1所示的显示装置100具有相似的结构与功能，本实施例与图1所示的实施例不同之处主要在于：显示器LFDa的微透镜阵列504是空间光调制器(SLM，Spatial LightModulator)，而这些微透镜5041具有可变焦距，亦即本实施例的微透镜阵列504的每一个微透镜5041都可以调整其焦距。在本实施例中，各微透镜5041例如可以液晶光阀(LCLV)、液态透镜、液晶透镜或其他可调整焦距的光学元件所实现。
在图7A与图7B的实施例中，由于微透镜阵列504可选择性调整每一个微透镜5041的焦距及显示元件105与微透镜阵列504之间的距离，以改变视场角(Field of view)及角解析度(angular resolution)的效果，进而使显示装置500可具有更广的视角调整范围。详细而言，在本实施例中，显示装置500可以包括显示装置，也可以包括不具显示功能的显示装置。举例来说，在图7A的实施例中，微透镜阵列504具有屈光度(refractive power)，而显示装置500可形成具有景深的虚像S0。在图7B的实施例中，微透镜阵列504的焦距例如调整至无限大(即没有屈光度)，而使显示装置500所形成的虚像S01可不具有景深。如此一来，由于显示装置500可透过调整焦距而切换成显示装置或不具显示功能的显示装置，因而可提高使用上的通用性与便利性。
综上所述，本发明之实施例的显示装置透过第一光栏及光学元件的设置，可以避免接收到影像光束周围的杂光，降低使用者的眼睛观看影像时产生的叠影和/或杂光，并提升影像的清晰度
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明书所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或申请专利范围中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (9)

1.一种三维显示装置，其特征在于，所述显示装置包括显示器以及光学元件，
所述显示器用于投射影像光束至第一光栏；
所述光学元件配置于所述影像光束的传递路径上，所述光学元件包括第二光栏，所述第二光栏位于所述第一光栏的一侧，所述第一光栏位于所述第二光栏与所述显示器之间，其中所述第二光栏的面积小于或等于所述第一光栏的面积，所述影像光束通过所述第一光栏及所述第二光栏后投射至投射目标，
其中，所述显示器包括显示元件及微透镜阵列，所述显示元件具有多个微影像单元，每一所述微影像单元用于提供子影像光束，以及所述微透镜阵列设置在所述显示元件的一侧，其中所述微透镜阵列位于所述显示元件与所述第一光栏之间，所述微透镜阵列具有多个微透镜，其中所述多个微透镜分别对应于所述多个微影像单元，每一所述子影像光束经由对应的所述微透镜投射至所述第一光栏以成为所述影像光束，这些子影像光束汇聚在所述第一光栏处的光束具有最小的光束截面面积，所述第一光栏为单一光栏，并且所述第一光栏为非实体光栏。
2.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于所述微透镜阵列是空间光调制器，所述多个微透镜具有可变焦距。
3.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于所述第二光栏设置实体光圈装置。
4.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于所述光学元件还包括至少一光波导元件，所述影像光束通过所述第一光栏及所述第二光栏后入射所述至少一光波导元件，所述至少一光波导元件传递所述影像光束至所述投射目标。
5.如权利要求4所述的三维显示装置，其特征在于所述至少一光波导元件是散射式波导元件、全像式波导元件、偏光式波导元件或反射式波导元件的至少其中之一。
6.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于所述光学元件还包括透镜组，所述透镜组包括至少一透镜，所述透镜组用于将所述影像光束投射至所述投射目标。
7.如权利要求6所述的三维显示装置，其特征在于所述第二光栏设置实体光圈装置，所述透镜组位于所述第二光栏与所述投射目标之间。
8.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于所述光学元件还包括自由曲面棱镜，所述影像光束通过所述第一光栏及所述第二光栏后入射所述自由曲面棱镜，所述自由曲面棱镜将所述影像光束投射至所述投射目标。
9.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于所述第一光栏距离所述第二光栏有预定距离。
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