CN1992914B - 自动立体图像显示装置 - Google Patents

Abstract

一种自动立体图像显示装置，包括多个微型投影装置，用以输出图像。每一个上述这些微型投影装置产生该图像的一部分图像。该部分图像含有对应多个视域的多个视域部分图像。图像导引单元具有多个微图像输出端，根据设定的阵列次序而排列，用以导引上述这些微型投影装置所输出的该图像。立体图像分离屏幕与该图像导引单元连接，使该图像穿过该立体图像分离屏幕的多个列(column)穿透区域，以产生该图像对应不同的上述这些视域的多个视域图像。该图像导引单元例如是光纤阵列单元或是阵列式光波导单元。

Description

自动立体图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种立体图像显示技术，且特别涉及一种自动立体图像显示装置，以允许使用者在一定的视角范围内，仅通过裸眼即可观赏到立体图像。

背景技术

图像是传递信息的一种有效率的方式。而图像除了通过印制在纸张上的方式以外，随着科技的进步，很多图像是以数字化方式显示在显示器上。由于显示器的显示面是由像素阵列所构成的平面结构，一般不具有立体显示的效果。

然而，根据人眼的视觉特性，当左右眼分别观察相同的图像内容但是具有不同视差的两个图像时，会构成立体图像。较早的立体显示技术，是利用偏极的效应，将两个图像输出，而使用者戴上偏极化眼镜，以造成立体效果。这种立体显示方式，在使用上并不方便。

接着，配合数字化的显示技术，可以自动立体显示(autostereoscopic display)的技术也被发展出来。然而，目前自动立体显示的技术的最主要瓶颈在于无法兼顾显示分辨率和观赏位置的自由度。大多数的技术是将显示器上的像素分成多组，且分别导向不同方向，以形成多个视域(viewing zone)，让使用者从不同方向看到不同图像。通过使用者的双眼观察在不同视域的图像时，会得到立体效应的显示。然而，当双眼不是处在适当的特定位置，就观察不到立体图像。为了让使用者可以在任意位置都可以看到立体图像，前述像素分成多组的数量，则必须增加。如此，针对显示器的硬件像素数量为固定数量下，其势必要牺牲图像的分辨率。例如，当像素分成二组时，分辨率大致上就要减半。换句话说，像素分成多组的数量愈多，图像分辨率就会愈差。

又，如果为了维持图像分辨率，以及有更多的视域，则势必要增加更多硬件空间与导引结构，造成显示装置的体积增加。

因此，如何兼顾显示分辨率和观赏位置的自由度的问题，是制造业者或是设计者所面临的问题。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种自动立体图像显示装置，可同时具有高显示分辨率和观赏位置的自由度，以增加立体图像的显示质量。

本发明提出一种自动立体图像显示装置，包括多个微型投影装置，用以输出图像。每一个上述这些微型投影装置产生该图像的一部分图像。该部分图像含有对应多个视域的多个视域部分图像。图像导引单元具有多个微图像输出端，根据设定的阵列次序而排列，用以导引上述这些微型投影装置所输出的该图像。立体图像分离屏幕与该图像导引单元连接，使该图像穿过该立体图像分离屏幕的多个列(column)穿透区域，以产生该图像对应不同的上述这些视域的多个视域图像。

依据本发明一实施例，在前述自动立体图像显示装置中，该图像导引单元例如是光纤阵列单元或是阵列式光波导单元。

依据本发明一实施例，在前述自动立体图像显示装置中，该立体图像分离屏幕是透明基板，在该透明基板设置有多个透光条状区域与多个不透光条状区域，交互排列而成，其中上述这些透光条状区域的宽度比上述这些不透光条状区域的宽度小。

依据本发明一实施例，在前述自动立体图像显示装置中，其中该图像导引单元的每一个上述这些微图像输出端，设置有一个微透镜，用以聚集由每一个上述这些微图像输出端输出的微光束。又例如，每一个上述这些微图像输出端的中心位置与对应的该微透镜的中心位置之间有距离，该距离用以调整被聚集的该微光束，更趋于在该立体图像分离屏幕上所对应的该视域的方向射出。

依据本发明一实施例，在前述自动立体图像显示装置中，上述这些微图像输出端的排列是一个规则的阵列，或是一个错位的阵列。错位的阵列可以增加上述这些微图像输出端的彼此间距，使该图像导引单元较易制造。

依据本发明一实施例，在前述自动立体图像显示装置中，属于同一像素列(pixel column)的上述这些微图像输出端，都是属于立体图像分离屏幕中相同的列穿透区域，或是分布于至少两个相连续的列穿透区域。

依据本发明一实施例，前述自动立体图像显示装置中还包括：第一微偏极膜结构层，设置在该图像导引单元的输出面上，使每一个上述这些微图像输出端具有预定的光偏极态。又，第二微偏极膜结构层设置在该立体图像分离屏幕上，使该图像的多个像素的每一个都具有预定的光偏极态。其是由对应上述这些微图像输出端的该光偏极态所设定，以减少上述这些像素的相邻两个水平像素的相互干扰(crosstalk)。

依据本发明一实施例，在前述自动立体图像显示装置中，其第一微偏极膜结构层与第二微偏极膜结构层的至少其中的一层是微偏极膜层(micro-polarizer)，且此微偏极膜层是由多个第一偏极区域与多个第二偏极区域组合而成。

依据本发明一实施例，在前述自动立体图像显示装置中，其第一微偏极膜结构层与第二微偏极膜结构层的至少其中的一个结构层，包括偏极层，具有偏极态；微相位延迟层(micro-retarder)，设置于该偏极层的一边。其中该微延迟层由多个第一相位延迟区域与多个第二相位延迟区域混合所组成。光经过偏极层后再经过第一相位微延迟区域与经过第二相位微延迟区域造成的二偏极态互相垂直。

为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为依据本发明实施例的自动立体图像显示装置的结构透视示意图。

图2为视域、立体图像分离屏幕、与光纤束之间的显示机制的俯视示意图。

图3为在图1中的输出面105上的图像输出端。

图4为本发明自动立体图像显示装置的外型。

图5为依据本发明一实施例的进一步增加显示质量的结构。

图6为依据本发明一实施例的光纤束以错位排列方式的结构式示意图。

图7A～7B为依据本发明一实施例的显示装置的进一步变化结构示意图。

图8A～8D为依据本发明一实施例的偏极结构示意图。

主要元件标记说明

100：立体图像分离屏幕    800：微偏极膜层

102：微型投影装置        802、804：微偏极片

104：光纤阵列单元        806：偏极层

104a～104j：光纤         808：微相位延迟片

105：输出面              810：相位微延迟区域

106：装置细部结构        812：相位微延迟区域

108：图像分离层

110i～110j：视域

112、114：像素数据

122：输出面

124：透镜中心

126：透镜

128：距离

130：光路径

132、134：间距

104a’、104a”、104a

：像素

140：透镜条

具体实施方式

本发明提出一种自动立体图像显示装置，主要配合紧密的光信号导引结构，以及具有高效率图像分离的立体图像分离屏幕。如此，本发明可以同时具有高显示分辨率和观赏位置的自由度，以增加立体图像的显示质量。而硬件设施的体积也能维持在可接受的范围，不会大量增加装置的体积。以下举一些实施例作为本发明的描述，但是本发明不受限于所举的实施例。

图1为依据本发明实施例的自动立体图像显示装置的结构透视示意图。参照图1，本发明的自动立体图像显示装置，大致上包括立体图像分离屏幕100、图像导引单元104、以及多个微型投影装置102。其中以圆圈标示的细部结构106，表示于右下方。微型投影装置102，例如根据整个使用系统的操作，用以输出要显示的图像。每一个微型投影装置102会产生该图像的一部分图像。完整的图像，是由这些微型投影装置102个别产生的多个部分图像所组合而成。对于每一个微型投影装置102产生的部分图像，都含有对应多个视域的多个视域部分图像。这些视域部分图像针对使用者的双眼，可以产生立体效果。

图像导引单元104连接于微型投影装置102与立体图像分离屏幕100之间，以导引由微型投影装置102输出的像素图像通过立体图像分离屏幕100，进而到达使用者的双眼。在图像导引单元104的输出面105上，具有多个微图像输出端，例如是由光纤阵列所构成的圆形输出端，根据设定的阵列次序而排列。每一个光纤输出端，会输出对应特定视域的像素数据。又，图像导引单元104也可以是阵列式光波导，会后述于图4。

立体图像分离屏幕100与图像导引单元104连接，使该图像穿过该立体图像分离屏幕的多个列(column)穿透区域，以产生该图像对应不同的上述这些视域的多个视域图像。立体图像分离屏幕100，例如是透明基板。在该透明基板的一面，例如是面对使用者的表面，设置有多个条状挡光层108，以构成透光条状区域与多个不透光条状区域，交互排列而成。挡光层108例如是印制的黑色材料层。这些透光条状区域的宽度比上述这些不透光条状区域的宽度小。透光条状区域的数量是小于该图像所有视域总合的水平分辨率数量，等于单一视域的水平分辨率数量。换句话说，一条透光条状区域，例如允许属于像素列(pixel column)的通过。

以下，较详细描述本发明的显示机制。图2为视域、立体图像分离屏幕、与光纤束之间的显示机制的俯视示意图。图像导引单元104例如是由光纤束(Fiber Bundle)所组成的光纤阵列为例做说明。从俯视方向而言，立体图像分离屏幕100的一面与图像导引单元104的多个输出端连接。挡光层108的结构则位于立体图像分离屏幕100的另一面。图像导引单元104的光纤束，就以像素列(pixel column)的最上面像素而言(以两个像素为例)，会有水平分布的光纤层，以断线表示。如果图像例如要产生10个视域110a～110j，以构成立体图像为例，一个像素数据112会以分别由光纤104a～104j导入立体图像分离屏幕100的一对的垂直穿透区域，又称为列(column)穿透区域。换句话说，像素数据112对应10个视域110a～110j会有10个对应的视域像素数据，通过光纤104a～104j导入，且通过挡光层108的作用，使两个像素112、114的光信号能进入对应的视域。于此实施例，属于相同像素列的所有像素数据，都穿过相同的列穿透区域，而进入对应的视域110a～110j。图中，光纤104a的光数据，会进入视域110j。

可了解地，一个图像是由多个像素列与多个像素行所排成的。图2是属于像素行的两个像素数据112、114。也就是说，在垂直于附图的方向会有其他像素行的数据，其机制相似，不重复描述。图3为在图1中的输出面105上的图像输出端。图像输出端在此实施例就是光纤的输出端。每一个像素有10个对应不同视域的次像素。又，如果显示装置是彩色显示，则一个像素会有三个颜色次像素对应红、绿、蓝的数据。当双眼处于不同视域的时候，会产生立体图像。而视域的分布范围愈广，则代表视角范围更大。而立体图像分离屏幕100的厚度，也会改变视角范围。

由于图像导引单元104是利用光纤束达成，其横截面积可以紧密排列，因此在有限的面积下，可容许更多组数的视域图像，紧密组合在一起。再通过立体图像分离屏幕100的作用，有效地将各视域的图像分离。因此，本发明可以同时具有高显示分辨率和观赏位置的自由度，以增加立体图像的显示质量。

图4为本发明自动立体图像显示装置的外型。当考虑实际组装的体积时，由于光纤104是可弯曲的，因此，可以将其适当弯曲，减少显示装置的整体厚度。又，配合阵列式光波导的制造，也可以将光纤束104以阵列式光波导结构120取代，使进一步减少厚度。当然，光纤束也可以由其他可能的对等结构取代。

接着，图5为依据本发明一实施例的进一步增加显示质量的结构。参照图5，对于图像导引单元104的输出端面122而言，以光纤束104的多个输出端，对应输出端面122的位置是固定的情形为例，可以在每个输出端设置透镜126。透镜126可以将发散的光聚集。又，通过透镜126的中心轴124与光纤104设定有一距离128。通过此距离128的预先调整，使得射出的光路径130，会尽量趋于所对应的列穿透区域行进，因此，可以提高显示质量，不浪费光信号。距离128的调整方式例如是，对准对应的列穿透区域中间输出端，为零距离。离对应的列穿透区域愈远，距离128的值愈大。距离128也会随其他因素而变化，例如透镜的曲面曲率，然而这些都是光学的设计变化，不是本发明唯一的选择。

又，为了减少输出面105(见图1)的面积，光纤也可以用错位的方式排列。图6为依据本发明一实施例的光纤束以错位排列方式的结构式示意图。参照图6，光纤有一定的直径。然而光纤的截面是圆形，因此，在水平方向的间距132与在垂直方向的间距134，都可以小于光纤的直径。当光纤束以错位排列方式组合时，可以省去更多使用面积。要注意的是，图6所示的错位排列也仅是一实施例，不是本发明的唯一选择。

于上述的那些实施例，对于属于相同像素列的所有像素，都会设计使通过相同的列穿透区域，即是相邻两个挡光层108之间的区域，如图1与图2所示。然而，如果要增加视角范围，对于属于相同像素列的像素也可以设计使分布于相邻的三个或更多个列穿透区域。图7A-7B为依据本发明一实施例的显示装置的进一步变化结构示意图。于图7A，例如像素104a’会通过主要的列穿透区域，而像素104a”与像素104a

会分别会通过与主要列穿透区域相邻的次要列穿透区域。较佳地，其会分布于两个或三个相邻的列穿透区域，然而也可以大于三个。三个像素104’、104a”、104a

也不一定是相邻的安排，但是可依相同的原则做其他方式的设定，以达到增加视角范围的特性。又，图7B与图7A是相同机制，然而立体图像分离屏幕100是通过多条的透镜条140，以平行排列所构成的透镜片(lenticular plate)。

接着，为了减少相邻两个像素列的干扰(crosstalk)或鬼影，可以通过偏极的特性达成。一般而言，参照图2，例如，微偏极膜结构层，可以设置在图像导引单元104的输出面上，使每一个上述这些微图像输出端具有预定的光偏极态。又，另一微偏极膜结构层，可以设置在该立体图像分离屏幕100上，对应档光层108之间的列穿透区域设置。如此，使图像的多个像素的每一个都具有预定的光偏极态，其是由对应微图像输出端(例如光纤输出端)的光偏极态所设定，以减少上述这些像素的相邻互为平行的两个像素列的相互干扰(crosstalk)。

图8A～8D为依据本发明一实施例的偏极结构示意图。较详细而言，所要的偏极效果可以例如图8A所示。针对立体图像分离屏幕100，对应挡光层108的结构而言，如果挡光层108是在最外面，则其内面可以设置微偏极膜层(micro-polarizer)800。此微偏极膜层800例如是由多个第一微偏极区域802与多个第二微偏极区域804混合所组成。第一微偏极区域的偏极方向垂直于第二微偏极区域的偏极方向。如此，可通过微偏极区域802的光，就不会同过微偏极区域804，反之亦是。

又参照图8B，微偏极膜层800也可以由偏极层806与微相位延迟片(micro-retarder)808所组成。例如偏极层806位于微相位延迟片808与挡光层108之间。其中，微相位延迟片808包括多个第一相位微延迟区域810与多个第二相位微延迟区域812所混合所组成。光线经过偏极层806之后再经过第一相位微延迟区域与经过第二相位微延迟区域所造成的两个偏极态互为垂直。例如，第一相位延迟区域810与上述这些第二相位延迟区域812的其中一个是零相位延迟，而另外一个是半波长相位延迟。

又，图8A与图8B的偏极结构也可以互换，如图8C与图8D所示。换句话说，本发明不限制在8A～8D的设置，其他达到相同偏极效果的设置也可适用。又，如上述的偏极方式，可以设置在立体图像分离屏幕100与图像导引单元104连接的一面，以达到效果。如此，例如像素112(参照图2)的偏极态与在立体图像分离屏幕100上的对应的列穿透区域，有相同偏极态，因此可以通过。然而，像素112的偏极态与在立体图像分离屏幕100上的相邻不对应的列穿透区域，有不同偏极态，因此不会通过。如此，可以减少相互的干扰。

根据前述本发明的设置，可以同时具有高显示分辨率和观赏位置的自由度，以增加立体图像的显示质量。而硬件设施的体积也能维持在可接受的范围，不会大量增加装置的体积。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改动，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (18)

1.一种自动立体图像显示装置，其特征是包括：

多个微型投影装置，用以输出图像，其中每一个上述这些微型投影装置产生该图像的一部分图像，其中该部分图像含有对应多个视域的多个视域部分图像；

图像导引单元，具有多个微图像输出端，根据设定的阵列次序而排列，用以导引上述这些微型投影装置所输出的该图像；以及

立体图像分离屏幕，与该图像导引单元连接，使该图像穿过该立体图像分离屏幕的多个列穿透区域，以产生该图像对应不同的上述这些视域的多个视域图像；

属于同一像素列的上述微图像输出端，被导向在上述立体图像分离屏幕中连续分布于上述列穿透区域的至少两个。

2.根据权利要求1所述的自动立体图像显示装置，其特征是该图像导引单元是光纤阵列单元。

3.根据权利要求2所述的自动立体图像显示装置，其特征是该光纤阵列单元的多条光纤，依该图像显示装置所要的厚度而弯折，以导引上述这些微型投影装置所输出的该图像。

4.根据权利要求1所述的自动立体图像显示装置，其特征是该图像导引单元是阵列式光波导单元。

5.根据权利要求1所述的自动立体图像显示装置，其特征是该立体图像分离屏幕是透明基板，在该透明基板设置有多个透光条状区域与多个不透光条状区域，交互排列而成，其中上述这些透光条状区域的宽度比上述这些不透光条状区域的宽度小。

6.根据权利要求5所述的自动立体图像显示装置，其特征是上述这些不透光条状区域设置有挡光层。 

7.根据权利要求5所述的自动立体图像显示装置，其特征是上述这些透光条状区域的数量是等于该图像单一视域的水平分辨率数量。

8.根据权利要求1所述的自动立体图像显示装置，其特征是该图像导引单元的每一个上述这些微图像输出端，设置有微透镜，用以聚集由每一个上述这些微图像输出端输出的微光束。

9.根据权利要求8所述的自动立体图像显示装置，其特征是每一个上述微图像输出端的中心位置与对应的该微透镜的中心轴之间有一个距离，该距离用以调整被聚集的该微光束，更趋于在该立体图像分离屏幕上所对应的该视域的方向射出。

10.根据权利要求1所述的自动立体图像显示装置，其特征是上述这些微图像输出端的排列是规则的阵列。

11.根据权利要求1所述的自动立体图像显示装置，其特征是上述这些微图像输出端的排列是错位的阵列。

12.根据权利要求1所述的自动立体图像显示装置，其特征是在上述这些微图像输出端的该阵列次序中，属于同一像素列的上述这些微图像输出端，都是被导向在该立体图像分离屏幕中相同的上述这些列穿透区域中的一个。

13.根据权利要求1所述的自动立体图像显示装置，其特征是该立体图像分离屏幕，配合上述这些微图像输出端所产生的是上述这些视域，设置有多条挡光层，以在上述这些挡光层之间构成多条透光区域。

14.根据权利要求1所述的自动立体图像显示装置，其特征是该立体图像分离屏幕，配合上述这些微图像输出端所产生的是上述这些视域，设置有一透镜片，该透镜片由多个条状透镜相邻平行连接所构成。

15.根据权利要求11所述的自动立体图像显示装置，其特征是还包括： 

第一微偏极膜结构层，设置在该图像导引单元的输出面上，使每一个上述这些微图像输出端具有预定的光偏极态；以及

第二微偏极膜结构层，设置在该立体图像分离屏幕上，使该图像的多个像素的每一个都具有预定的光偏极态，由对应上述这些微图像输出端的该光偏极态所设定，以减少上述这些像素的相邻互为平行的两个像素列的相互干扰。

16.根据权利要求15所述的自动立体图像显示装置，其特征是该第一微偏极膜结构层与该第二微偏极膜结构层的至少其中的一层是微偏极膜层，其中该微偏极膜层是由多个第一微偏极区域与多个第二微偏极区域混合所组成，上述这些第一微偏极区域的偏极方向垂直于上述这些第二微偏极区域的偏极方向。

17.根据权利要求15所述的自动立体图像显示装置，其特征是该第一微偏极膜结构层与该第二微偏极膜结构层的至少其中的一层包括：

偏极层，具有偏极态；以及

微相位延迟片，设置于该偏极层的一边，其中该微相位延迟片包括多个第一相位微延迟区域与多个第二相位微延迟区域混合所组成，其中光线经过偏极层之后再经过上述这些第一相位微延迟区域与经过上述这些第二相位微延迟区域所造成的二偏极态互相垂直。

18.根据权利要求17所述的自动立体图像显示装置，其特征是第一相位微延迟区域与上述这些第二相位微延迟区域中的一个是零相位延迟，而另外一个是半波长相位延迟。 

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