TW200523579A - Directional display apparatus - Google Patents

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200523579 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種方向性顯示裝置。此一裝置可用作可 切換二維（2D)/三維（3D)自動立體顯示裝置，用於可切換高 亮度反射式顯示裝置，用於多使用者顯示裝置，或用於方 向性發光裝置。此類顯示裝置可用於電腦監視器、電訊手 機、數位相機、筆記型電腦及桌上型電腦、遊戲裝置、自 動及其他行動顯示應用。 【先前技術】 正常人的視覺為立體的，即每隻眼看見稍微不同的物體 影像。大腦融合兩個影像（稱為立體對）以提供深度感覺。三 維立體顯示器對每隻眼睛回放一獨立、大體平面之影像， 其對應於在檢視真實景物時所看見的影像。大腦再次融合 立體對以提供影像深度外觀。 圖la以平面圖顯示顯示平面1之顯示表面。右眼2檢視顯 示平面上之右眼同源影像點3，左眼4檢視顯示平面上之左 眼同源影像點5，以在螢幕平面後方產生使用者觀察到之直 觀影像點6。 圖lb以平面圖顯示顯示平面1之顯示表面。右眼2檢視顯 示平面上之右眼同源影像點7，左眼4檢視顯示平面上之左 眼同源點8 ’以在螢幕平面前方產生直觀影像點9。 圖1 c顯示左眼影像丨〇及右眼影像丨丨之外觀。左眼影像i 〇 内之同源點5位於參考線12上。右眼影像11内之對應同源點 3處於關於參考線12之不同相對位置3。點3與參考線12之分 96371.doc 200523579 離13稱為像差，此情形中對於位於螢幕平面後方的點為正 像差。 對於物内的一般點，圖1 a所示的立體對之每個影像内 具有對應點。該等點稱為同源點。兩個影像間的同源點相 對分離稱為像差，具有零像差之點對應於位於顯示器之深 度平面的點。圖lb顯示具有非交又型像差之點出現於顯示 器後方，圖1c顯示具有交叉型像差之點出現於顯示器前 方。同源點分離之大小、至觀察者之距離以及觀察者兩眼 間之分離提供顯示器上觀察到之深度的數量。 立體型顯示器在先前技術中係眾所周知的，指使用者佩 戴某種檢視辅助物以便實質上分離傳送至左右眼之視圖的 顯示器。例如，檢視輔助物可為編碼影像色彩（例如紅色及 綠色）之彩色濾光器；以正交偏光狀態編碼影像之偏光玻 璃；或將視圖編碼為與玻璃光閘開啟同步之時間影像序列 的光閘玻璃。 自動立體顯示器不用觀察者佩戴檢視輔助物即可操作。 自動立體顯示器中’可從空間内有限區域看見每個視圖， 如圖2所示。 圖2a顯示具有黏接視差光學元件17之顯示元件16。顯示 元件針對右眼通道產生右眼影像18。視差光學元件丨7以箭 頭19所示之方向引導光，以便在顯示器前方區域内產生1 眼檢視視窗20。觀察者將右眼22置於視窗20之位置。顯示 左眼檢視視窗24之位置以供參考。檢視視窗20亦可稱為垂 直延伸光學瞳孔。 96371.doc 200523579 圖2b顯示左眼光學系統。顯示元件1 6針對左眼通道產生 左眼影像26。視差光學元件17以箭頭28所示之方向引導 光’以便在顯示器前方區域内產生左眼檢視視窗3〇。觀察 者將左眼32置於視窗30之位置。顯示右眼檢視視窗2〇之位 置以供參考。 系統包含一顯示器及一光學導引機制。將來自左眼影像 26之光傳送至顯示器前方之有限區域，其稱為檢視視窗 30。若將眼睛32置於檢視視窗30之位置，則觀察者在整個 顯示器16上看見適當影像26。同樣，光學系統將右眼影像 1 8而要之光傳送至分離視窗20。若觀察者將右眼22置於該 視窗内，則會在整個顯示器上看見右眼影像。通常，來自 任一影像之光可視為已被光學導引（即引導）至個別方向性 分佈内。 圖3以平面圖顯示顯示平面34内之顯示元件丨6、丨7，其在 視囪平面42内產生左眼檢視視窗36、3 7、3 8及右眼檢視視 窗39、40、41。視窗平面與顯示器之分離稱為標稱檢視距 離43。關於顯示器的中央位置之視窗37、4〇係在第零瓣料 内。第零瓣44右方之視窗36、39係在+1瓣46内，而第零瓣 左方之視窗38、41係在-1瓣48内。 顯示器之檢視視窗平面42代表使橫向檢視自由度離顯示 器之距離最大。對於不在視窗平面内的點’具有菱形自動 立體檢視區域，如圖3之平面圖所示。圖中可見，來自顯示 器上每個點的光在有限寬度之圓錐内發射至檢視視窗。圓 錐寬度可定義為角寬度。 96371.doc 200523579 若將眼睛置於一對檢視區域之每個檢視區域中，例如 37、40，則會在顯示器之整個區域上看見自動立體影像。 對於第一階，該等檢視區域之長度決定顯示器之縱向檢視 自由度。 圖4顯不關於理想視窗之位置51的顯示器視窗平面上強 度50之變更（構成方向性光分佈的一個確實形式）。圖3内右 眼視窗位置強度分佈52對應於視窗41，強度分佈53對應於 視窗37，強度分佈54對應於視窗40，以及強度分佈乃對應 於視窗36。 圖5顯示用於更現實視窗之位置的示意性強度分佈。圖3 内右眼視窗位置強度分佈56對應於視窗41，強度分佈57對 應於視窗37，強度分佈58對應於視窗40，以及強度分佈59 對應於視窗36。 視窗品質決定影像分離之品質及顯示器橫向及縱向檢視 自由度之範圍’如圖4所示。圖4顯示理想檢視視窗，圖5 係可攸顯示器輸出之實際檢視視窗的示意圖。由於不當視 窗性能可出現數個假像。當左眼看見來自右眼影像之光 時，會出現串音，反之亦然。此係可導致使用者視覺疲勞 之顯著3D影像退化機制。因此，低視窗品質將導致觀察者 之檢視自由度的降低。將光學系統設計成最佳化檢視視窗 之性能。 用於立體顯示器之技術中眾所周知的一種視差光學元件 稱為雙凸透鏡螢幕，其係垂直延伸之圓柱形微透鏡的陣 列。此處使用之術語「圓柱形」於本技術中具有其普通意 96371.doc 200523579 義，不僅包括嚴格之球面透鏡形狀，亦包括非球面透鏡形 狀。/夺透鏡之曲率實質上設定成在視窗平面產生LCD像素 之影像。由於透鏡從像素中收集圓錐内之光並將其分佈至 視窗，雙凸透鏡顯示器具有底座面板之完全亮度。 圖6顯示先前技術雙凸透鏡顯示元件之結構。背光6〇產生 光輸出62其入射至LCD輸入偏光器64上。光透過tft LCD 基板66，並入射至以行及列配置於LCD像素平面”内之像 素重複陣列。紅色像素68、71、74、綠色像素69、72、乃 及藍色像素70、73各包含可個別控制之液晶層，並藉由不 透明光罩（稱為黑色光罩76)區域分離。每個像素包含透射區 域或像素孔徑78。穿過像素之光的相位由Lcd像素平面内 之液晶材料調變，其色彩由位於LCD彩色濾光器基板80上 之彩色濾光器調變。光接著穿過輸出偏光器82。光接著穿 過雙凸透鏡螢幕基板94及透鏡螢幕96,其形成於雙凸透鏡 螢幕基板94之表面上。雙凸透鏡螢幕96用於將來自交替像 素行69、71、73、75之光從像素69引導至右眼，如射線88 所示，並將來自中間行68、70、72、74之光從像素68引導 至左眼，如射線9〇所示。觀察者看見來自下方像素之光照 射雙凸透鏡螢幕96之個別微透鏡98的孔徑。捕獲射線100 顯示捕獲之光錐的範圍。 上述配置中，LCD像素平面用作空間光調變器。此文件 中使用之術語空間光調變器（spatial light modulator ; SLM) 係關於可定址、可調整元件，其包括「光閥」元件（例如液 晶顯示器）以及發射元件（例如電致發光顯示器及LED顯示 96371.doc -10- 200523579 器）。 顯示器之像素配置成由間隙分離之列及行（通常由液晶 顯示器LCD内之黑色光罩定義），其中雙凸透鏡螢幕為間距 接近像素行間距之兩倍的垂直延伸透鏡之陣列。雙凸透鏡 螢幕將來自每個像素行之光引導至處於顯示器前方區域之 個別標稱檢視視窗。像素孔徑之寬度及形狀與雙凸透鏡螢 幕之對準及像差決定顯示器之輸出圓錐的角度。 為將光從每個像料引至檢視視窗，雙凸透鏡螢幕間距 猶小於像素陣列間距之兩倍。此條件稱為「視點校正」。此 一顯示器中，每個立體對影像之解析度為底座lcd之水平 解析度的一半，並建立兩個視圖。 因此，從左檢視視冑可看見來自奇數像素行68、7〇、72、 74之光’從右檢視視窗可看見來自偶數像素行…卜”、 將左眼影像資料置於顯示器之奇數行並將右眼 衫像貝料置於偶數行，則正確「無崎變」位 應融合兩個影像，以便在整個顯示 ：二者 像。 每兄目動立體3D影 兩個視圖間會有光茂漏，因此右眼會看 圖，反之亦麸。此、、龟刀工眼視 …、此&漏稱為影像串音。串音A从、曰， 器時產生視見3d顯示 分之重要機制，其控制係推 即 展的主要因辛。D頌不器發 素對於平板自動立體顯示器 夕 LCD技術者），通當 、疋。之係基於 )通象素之形狀及孔徑比盥井與-μ 決定對視窗性能之_。 〃先^件之品質 在雙凸透鏡勞幕型顯示器中，狹縫 万之仃成像於顯 96371.doc 200523579 示器之第零瓣内的第一對視窗。相鄰像素行亦成像於顯示 器之+ 1及-1瓣内的檢視視窗。因此從圖3可看見，若使用者 橫向移動至無畸變區域外部，則來自錯誤影像之光將傳送 至每隻眼睛。當右眼看見左眼視圖時，或反之，影像稱為 「反立體」，與正確無畸變狀況相對。 為增加顯示器之橫向檢視自由度，每個透鏡下方可放置 兩個以上像素行。例如，四行將建立四個視窗，其中每個 視窗之視圖不同。此一顯示器會隨觀察者之移動提供「環 視」外觀。此一方法亦增加了縱向自由度。然而，此情: 中，顯示器之解析度限於底座面板解析度之四分之一。 、由於格柵關於顯示器像素結構之子像素對準^限的要求 (以便最佳化顯示器之檢視自由度），雙凸透鏡營幕不容易移 除及更換。2D模式為半解析度。 T.〇k〇shi所著「三維成像技術」中說明了雙凸透鏡顯示 器，學術出版社㈣年出版。us_4,959,641 (說日月空氣中非 切換透鏡it件）中說明—種❹空間光調變器的雙凸透鏡 發表於㈣會議文獻庫199時第2653卷第32至39頁的 「多視角3D-LCD」中說明使用關於顯示_素行傾斜之圓 柱形透鏡的雙凸透鏡顯示器。 如上所述，使用視差光學元件 U’多"^顯示器將 母個衫像之解析度限於最多為完全顯W解析戶之一半。 顯示器需要以3D模式使用一段時；，並且需 要一有完全解析度無假像2D模式。 9637I.doc 12 200523579 咖會議文獻庫㈣年第1915卷「立體顯示器及應㈣ (1993)」第177至186頁，「維度技術公司的自動立體技術發 展」揭示-種移除視差光學元件之效果的顯示器。此㈣ 中，用以形成光線之光學系統中放置可切換的擴散器元 件。此-可切換擴散器可為（例如）聚合物分散液晶型，其中 分子排列根據材料上所施加電㈣應用在散射與非散射模 式間切換。3D模式中，擴散器不散射，產生之光線用於建 立後方視差格柵效應。2D模式中，擴散器散射，光線被散 射出去從而建立均句光源效應。依此方式，顯示器之輸 出實貝上為朗伯式’且除去了視窗。觀察者則會看見完全 解析度2D顯示器形式之顯示器。此—顯示器之缺點係犯模 式中的菲淫耳衍射假像，以及擴散器非散射狀態中不合需 要的殘餘散射，其會增加顯示器串音。因此，此一顯示器 可能造成更高程度之視覺疲勞。 在EP-A-0,833，183揭示的另一類型之可切換2D_3D顯示 态中，一第二LCD置於顯示器前方，以用作視差光學元件。 第一杈式中，視差[(：1)不散射，因從不產生視窗，且可看 見2D影像。第二模式中，切換元件以產生視差格柵狹縫。 接著建立輸出視窗，影像以3D方式呈現。由於使用兩個LCd 元件，此一顯示器具有增加的成本及複雜性，以及具有減 小之壳度或具有增加之功率消耗。若用於反射模式3D顯示 系統中’由於在接近及離開顯示器之路徑上之視差格栅的 阻擔區域引起的光衰減，視差格栅導致極低亮度。 在EP-A-0,829,744揭示的另一類型之可切換2D-3]D顯示 96371.doc 13 200523579 器中’視差格栅包含半波減速器元件之圖案化陣列。減速 為元件之圖案對應於格桃狹縫及視差格拇元件内吸收區域 之圖案。在3D操作模式中，新增一偏光器至顯示器中，以 便刀析圖案化減速器之狹縫。依此方式產生吸收視差格 栅。在2D操作模式中，完全移除偏光器，因為操作模式 不包含任何偏光特徵。因此顯示器之輸出係完全解析度及 兀全冗度。一個缺點係此一顯示器使用視差格柵技術，因 此在3D操作模式中限於大約20至30%的亮度。同樣，顯示 器之檢視自由度及串音將受限於格柵孔徑之衍射。 熟知的係為切換光方向目的提供電性可切換雙折射透 鏡。一知的係使用此類透鏡以便在2D操作模式與3d操作模 式間切換顯示器。 例如，1997年5月1 3、1 5至16日的歐洲光學學會專題會議 特刊中L.G. Commander等人所著「用於可調諳微透鏡之電 極没计」第48至5 8頁說明電性可切換雙折射液晶微透鏡。 US-6,069,650及WO-98/21620揭示的另一類型之可切換 2D-3D顯示器中，可切換微透鏡包含以液晶材料填充之雙凸 透鏡螢幕，可用於改變雙凸透鏡螢幕之光學功率。 US-6,069,650及WO-98/21620教導在雙凸透鏡螢幕内使用 光電材料，其折射率可藉由選擇性施加電位在第一值（用於 提供雙凸透鏡構件之光輸出引導動作）與第二值（用於移除 光輸出引導動作）間切換。 SID 97文摘第273至276頁，S.Suyama等人所著的「具有 雙頻液晶變焦透鏡之3D顯示系統」說明包含液晶菲涅耳透 96371.doc 14 200523579 鏡之3D顯示器。 WO-03/015424說明的另一類型之可切換_3D顯示器 中，被動式雙折射微透鏡藉由控制穿過透鏡並到達觀察者 之光的偏光而在2D與3D模式間切換。從此參考文獻亦可知 道在被動式雙折射透鏡中使用扭曲，以便旋轉該輸入偏 光，使得雙折射微透鏡幾何軸平行於透鏡表面之雙折射材 料軸。圖7之平面圖中顯示WO-03/015424說明的一種顯示裝 置，其配置如下。 背光102產生LCD輸入偏光器1〇6之照射1〇4。光穿過薄膜 電晶體（thin film transistor; TFT)基板1〇8並且入射至像素 層no,其包含可個別控制的相位調變像素112至126。像素 按列及行配置並包含像素孔徑128，並可具有分離黑色光罩 130。接著光穿過LCD相對基板132及透鏡載體基板136，其 上形成雙折射微透鏡陣列13 8。雙折射微透鏡陣列13 8包含 等向性透鏡微結構140及具有所標記之光軸方向的對準雙 折射材料142。雙折射透鏡之輸出接著穿過透鏡基板144及 偏光修改元件146。透鏡陣列之每個雙折射透鏡為圓柱形； 透鏡陣列138為雙凸透鏡螢幕，且透鏡幾何軸延伸至頁面 外。此範例中，將透鏡間距配置成實質上為顯示器像素間 距之兩倍，以便產生一雙視角自動立體顯示器。 第一操作模式中，將偏光修改元件146配置成透射具有偏 光狀態之光，其平行於微透鏡陣列雙折射材料之通常軸。 該材料（例如液晶材料）之通常折射率實質上等於等向性材 料140之折射率。因此，透鏡無光學效應，並且顯示器輸出 96371.doc -15 - 200523579 之方向性分佈實:曾 巾貫貝上無變化。此模式中，觀察者每隻眼將 貝不器之全部像素⑴至m，並且會產生2D影像。 弟-操作模式中’將偏光修改元件146配置成透射具有偏 光狀態之光，其平行於雙折射微透鏡陣列之非常轴。該材 液sa材料）之非常折射率實質上不同於等向性材料 斤射率目此，透鏡無光學效應，並且顯示器輸出之 方=性分佈有變化。可用本技術中所熟知方式設定此方向 性刀佈，以便正確位於顯示器前方之觀察者在左眼看見對 應於來自左影像像素112、116、120、124之光的左影像， 在:眼看見對應於右影像像素114、118、122、126之光的 右影像。依此方式，可產生可切換㈣扣自冑立體顯示器。 陣列特別適用於自動立體顯示器，因為其組合了高 光學效率、小光斑之特性及使用熟知微影處理技術製造的 能力。 圖8顯示偏光啟動微透鏡之另一具體實施例，其中未顯示 背光及輸入偏光器。圖7之偏光修改元件146被電性控制偏 光開關取代，其包含額外IT〇層158及158，中間夹入液晶層 6〇輸出基板164及輸出偏光器166。電信號控制器162提 t、ΙΤΟ電極間電場之切換，以便切換液晶材料16〇。此提供 透過輸出偏光器166之偏光狀態的控制，從而控制透鏡功 能，如上所述。 圖9顯示與圖8相似之元件，但輸出偏光器154置於相對基 板132上，並且ιτο電極及LC^158、ι60置於透鏡142、144 與偏光器1 54之間。此一組態提供具有完全影像對比度及亮 96371.doc -16- 200523579 度之透鏡的切換。 圖10顯示一替代組態，其中將電極及液晶開關174放置成 接觸液晶透鏡，其可為固態液晶透鏡。 。圖11顯示圖1〇之顯示器的替代組態，其中增強亮度顯示 器之孔徑取代自動立體顯示器之雙視角像素行。 熟知的係為切換光方向目的提供電性可切換雙折射透 鏡。熟知的係使用此類透鏡以便在2D操作模式與3D操作模 式間切換顯示器。 【發明内容】 依據本么明之第一方面，提供一種方向性顯示裝置，其 包含： μ 一空間光調變器，其包含一像素陣列；以及 透鏡陣列，其具有以—預定間距重複之結構，I中該 方向性顯示I置配置成關於該狀間距之透鏡陣列區段而 排列使侍每個個別區段能夠將光從與該個別區段對準之 個像素引導至至少_個標稱檢視視窗内，並且每個 個別區段亦能夠將光從與鄰近該㈣區段之-區段對準的 夕個相鄰像素引導至該相同的至少—個標稱檢視視窗 :間夕7〇方向性顯示器，例如雙凸透鏡顯示器，用於減 之 性操作模式中影像之橫向光度解析度。光度解析度 加了個別彩色子像素之可見度。綠色像素之光度 色像素時，則像素光度分佈之子結構變得明 〜像開始出現條紋。本發明之透鏡陣列收集來自相鄰 96371.doc 200523579 像素群組之光，通常為相鄰鉍 勺和岫杉色子像素，以便在每個透鏡 之孔徑上混合色彩。因此夫名义 u此本备明之優點係混合引導至第一 檢視視窗且來自相鄰彩芦早使主 色子像素之光，以便減少顯示器上 的光度波動，以及減少佶旦以会山… 尺夕便衫像出現條紋的假像。 有利的係將方向性顯示奘番 1 衷置配置成使得母個個別區段亦 能夠將光從在該個別區段夕士 ^ J匕#又之相反侧面與鄰近該個別區段之 區段對準的相鄰傻音淼& 2丨增y 千Η β料群組引導至該等相同標稱檢視視窗 内。 -類型之具體實施财，將透鏡陣列本身配置成使得每 個個別區夠執行將光從該至少_個相鄰像素群組引導 至該等相同標稱檢視視窗。例如，此可藉由透鏡陣列之每 個個別區段來實現’其具有至少一個透鏡表面，可提供： 至v個第一區域，其能夠將光從與該個別區段對準的該 像素群、、且引導至邊等標稱檢視視窗内；以及至少一個第二 區域，其忐夠將光從該至少一個相鄰像素群組引導至該等 相同標稱檢視視窗内。 5 依據本發明之第二方面，提供一種方向性顯示裝 置’其包含： 一空間光調變器，其包含一像素陣列；以及 一透鏡陣列，其具有以一預定間距重複的一結構， 其中將該透鏡陣列配置成關於該預定間距之透鏡陣列區 4又而排列’使得形成每個個別區段係用以提供： 個第一區域，其能夠將光從與該個別區段對準之 至少一個像素引導至至少一個標稱檢視視窗内；以及 96371.doc -18· 200523579 至少一個第二區域 一區段對準的至少— 稱檢視視窗内。 ’其能夠將光從與鄰近該個別區段之 個相鄰像素引導至該相同至少一個標 和將光從對準像素料至標稱檢 -透鏡陣列相比，此—方向性顯示 == 方向傾斜。因此，弟二區域可按第—區域之相反 移，以減小透鏡厚戶二可攸其在正常透鏡内之位置偏 現之厂卞读丨 小類似於菲淫耳透鏡所實 予又…、’其中偏移透鏡之不同區域以減小厚度，其 係藉由在該等偏移區域中 八 =面相同的成像特性。另一方面，垂直小平面在沿離 之方向成像時可引入錯誤。例如，對於位於未對應 於透鏡非小平面部分的視窗強度結構之視窗平面的觀察 者，小平面可造成串音，或可造成影像強度變更。與菲淫 耳透鏡相比’本發明之上述配置中’藉由第二區域之傾斜 實現第-區域之偏移，或反之’其中第一及第二區域皆具 有所需要之成像特性。因此’透鏡具有大大減小的假像。 有利的係此用於藉由減小影像串音、減小影像條紋及增加 視窗一致性而最大化顯示器之成像品質。 雙折射透鏡可方便地用於在2D模式（其中顯示器具有底 座面板之完全解析度）與方向性模式（例如自動立體扣模 式’其中顯示器產生檢視視窗）間切換功能。液晶材料通常 用於雙折射透鏡，因為其提供易於控制的光學特性並且與 顯示器製造技術相容。 9637l.doc •19- 200523579 然而，折射透鏡陣列，例如用於自動立體顯示器之雙折 射透鏡陣列，具有由材料選擇及顯示器幾何形狀定義的有 限厚度。典型顯示器中，單透鏡之最大透鏡厚度，或下彎 (sag)，在20至70微米之範圍内。此厚度之液晶材料傾向於 散射光。透鏡内之光散射通常不合需要。首先，顯示器表 面上存在散射層會使影像對比度降級，特別係在明亮發光 環境中。此對於用於外部發光狀況之顯示器特別重要7例 如半透射半反射式顯示ϋ。其次，在（例如）圖8所示之顯示 器中，散射會使透射影像之對比度降級，因為會在輸出偏 光㈣前修改來自雙折射材料142之輸出相位。因此兩要 減小來自透鏡之散射數量，以最大化影像品質。 小透鏡内材料之雙折射率或減小透鏡厚度來減少散身二 可猎由分別增加透鏡下彎或藉由增加材料雙折射率 現。可能需要減小材料雙折射率，從而增加透鏡下彎。 本發明之上述配置可藉由、、成丨、杀 糟由減小透鏡内雙折射材料之 同時保持或增加相對於等效單秀 又 鏡之散射。 “透鏡之下Μ減少雙折射透 使用雙折射透鏡有利地進—步減小了__，從 小透鏡成本，而使用控制小平面提供影像品質之最佳化。Ζ 雙折射透鏡可有利地具有實質上 射率相同的等向性材料折射率，牛；之非常折 及平均液晶層厚度，從而养由谁半—”咸小材料消耗 而增加影像品質。㈣由進-步減小透鏡内散射位準 雙折射透鏡具有減小的厚度 u此可猎由將干涉圖 96371.doc -20- 200523579 案曝露於透料列表面所形成之感光材料上，將衍射結構 更方便地，己錄於透鏡表面。衍射結構具有設定成在表面產 生衍射對準的間距。即，液晶分子關於表面凸紋結構對準， 其可由何射構件產生。干涉圖案聚焦深度需要盡可能低， 以便允許高頻衍射圖案形成於其表面上。因此，使用較薄 雙折射結構有利地提供更容易形成的衍射對準結構。從相 w像素實現所而成像之小平面角度有利地傾斜，以便可應 用感光”貝並且比垂直小平面更容易地記錄干涉圖案。 依據本發明之另一方面，提供一種方向性顯示裝置，其 匕a配置成將光引導至第一方向性分佈的一透鏡陣列，其 中透鏡陣列之每個透鏡包含至少兩個成像區域，第一成像 =域配置成將來自第一像素群組之光成像於第一檢視視 窗’第-成像區域置成將來自第二像素群組之光成像於 第彳欢視視固，第一成像區域具有實質上與相鄰透鏡之第 一成像區域相同的成像功能。 透鏡陣列可為配置成將光成像至第—及第：方向性分佈 的雙折射透鏡陣列。此情形中，透鏡可為與偏光開關協作 操作的被動式透鏡，或者透鏡可為主動式透鏡。 雙折射透鏡陣射，等向性折射率可與折射率更高或更 低之雙折射材料實質上相同。 透鏡陣列可將光引導至檢視視窗，以提供許多個不同效 應例如提供自動立體3D顯$或多檢視者顯示。因此根據 本發明之不同類型的方向性顯示裝置可用於： 自動立體顯示構件，其可方便地在第—操作模式中提供 96371.doc 21 200523579 =崎視的移動全彩奶立體影像，以及在第二操作模 式中提供完全解析度2D影像；或 夕仏視者心構件，其可方便地在—㈣作模式令向一 固觀察者提供—個2D影像（其可為移動全彩）以及向至少_ 弟二觀察者提供至少一第二不同2d影像，以及在第二摔作 拉式中提供全部觀察者看見的單—完全解析度2〇影像。 透鏡可作為主動式透鏡操作’其中藉由施加電場修改雙 折射材料之方向。右刹的说士 有利的係本發明可減小雙折射材料之厚 度，從而可減小驅動電壓。 透鏡材料可為非雙折射性，以便透鏡具有永久功能，從 而有利地減小3D顯示器之成本。 本發明之結構可應用於透鏡之控制階段，而非複製階 段。因此’個別元件之成本實質上不受透鏡形狀 影響。 雙折射透鏡在非方向性模式中實質上無可見度，與透鏡 結構無關。因此有利的係額外透鏡結構在興作模式中實 質上無額外可見度。 分離棱鏡元件可用於在透鏡孔徑處產生光射線偏轉。此 一配置不需要產生複雜透鏡表面。 全像片元件可用於在透鏡孔徑處產生光射線偏轉。此— 配置不需要產生複雜透鏡表面 衣面且不需要兩個微結構表面 之複雜對準。 【實施方式】 一些不同具體實施例使用相同元件，為簡潔起見其具有 96371.doc -22- 200523579 相同參考數字，並且其說明不再重複。另外，每項具體實 細例之元件說明同樣適用於其他具體實施例之相同元件以 及已作出必要修正的具有相應效果之元件。同樣，為清楚 起見，說明顯示器之具體實施例的圖式僅顯示顯示器之部 分。事實上，該結構在顯示器之整個區域上重複。 此說明書中，雙折射材料之光軸方向（引導器方向，或非 常軸方向）稱為雙折射光軸。此不應與藉由幾何光學元件以 通常方式定義的透鏡之光軸混淆。 圓柱形透鏡說明一透鏡，其中一邊緣（其具有一曲率半徑 並且可具有其他非球面組件）沿一第一線性方向延伸。幾何 微透鏡軸定義成在第一線性方向上沿透鏡中心延伸的線， 即平行於邊緣延伸之方向。2D_3D型顯示器中，幾何微透鏡 軸係垂直的，以便其平行於顯示器之像素行或與之成小角 度。在本文所述之亮度增強顯示器中，幾何微透鏡軸係水 平的’以便其平行於顯示器之像素列。 圖12顯不用於許多顯示類型中之眾所周知的「帶狀」像 素組態，其包含紅色1228、綠色1234及藍色1238像素行。 為便於說明此文件之圖式，以斷面圖顯示實質上以等於像 素行間距之兩倍的預定間距（事實上對於視點校正稍小）重 複的透鏡陣列1 000，而以平面圖顯示像素。若將圓柱形透 鏡陣列1000置於此像素組態之表面±，則觀察者每隻眼睛 將看見水平像素之-半。圖13說明用於右眼影像之此配 置，其包含紅色1002、藍色1〇〇4及綠色1〇〇6影像像素行。 此情形中，像素間之水平間隙1008實質上為零，因為雙凸 96371.doc -23- 200523579 透鏡螢幕用於在整個透鏡孔徑上分佈來自個別像素之光。 圖14更詳細地顯示雙視角自動立體顯示器内的彩色像素 之使用。透鏡陣列1208之透鏡1214用於覆蓋像素行1228及 1234。行1228包含紅色右眼資料，行1234包含綠色左眼資 料。像素1222藉由透鏡1214成像於右眼，似乎填充透鏡a μ 之孔徑。相鄰透鏡1216中，藍色像素行1238成像於右眼， 紅色行1230成像於左眼。同樣，對於透鏡1218，綠色像素 行1236成像於右眼’藍色行1240成像於左眼。 2D模式中，彩色像素1200由相鄰彩色子像素12〇2、12〇4 及12 0 6形成。然而，3 D影像彩色像素係由具有兩倍間隔之 像素形成，例如1224、1242及1207。 如圖13所示，藉由將視差光學元件（例如雙凸透鏡螢幕或 視差格柵）黏接至傳統帶狀面板所產生之傳統帶狀影像的 水平解析度係完全面板解析度之一半。此方法之缺點為立 體影像可看起來包含混淆非自然信號，例如看起來包含垂 直條帶。 出現該等條帶之一原因可能係由於人類對比敏感度功 能，如圖15所示，引自資訊理論IEEE學報（1974年）第*期第 20卷第525至535頁發表的由j· L· Mann〇s、D】^让洳⑽所 著「視覺保真度標準對影像編碼之影響」中說明的關係。 此曲線圖顯示對比敏感度200之變化對光度函數之空間頻 率202。用於帶狀面板之光度空間頻率定義為紅色、綠色及 藍色彩色子像素三聯體的空間頻率。 對於使用像素間距為80 μΠ1的帶狀面板之典型顯示器， 96371.doc -24- 200523579 從彻mm看，綠色通道之空間頻率（例如）為每度μ週期， 如箭頭204所示。當增加雙凸透鏡螢幕並以扣模式檢視元件 時’則空間頻率減半至每度145週期，如箭頭施所示。此 情形中，對比敏感度功能已從〇2增加至〇8，接近人類對比 敏感度功能之峰值。顯然可藉由增加觀察者與顯示器之距 離減小此值，但影像會較不容易檢視，因而此方法不合需 要。 而 圖16示意性顯示具有RGB帶狀像素圖案之影像内的水平 光度函數217。圖中顯示包含紅色2〇8、、綠色2ι〇及藍色犯 貧料行之像素陣列。組合影像之總體色彩平衡設定為標準 白色。圖式下方顯示三個通道之等效適光光度214對位置 216。由於人類適光功能，該曲線圖顯示從綠色像素觀察到 之光度大於紅色及藍色像素之光度。在高解析度下，I類 視覺系統無法解決RGB像素之分離光度位準，因此無法觀 察到此光度差異且影像看起來很一致。然而，若像素解析 度下降，如在半水平解析度立體影像情形中，則紅色及誌 色像素之光度與綠色像素之光度間的差異可變得明顯。因 此較7C綠色像素行可看成由較暗紅色及藍色行交替，導致 立體影像内出現條帶。無論顯示器上像素形狀如何，均可 看見此一條帶外觀。因此，即使像素間無間隙之「完美 像素在此解析度下亦會顯示條紋。 現在說明作為本發明之具體實施例的方向性顯示裝置。 首先，將參考圖17說明透鏡及像素的示意性配置。方向性 顯示裝置具有與圖14所示之熟知組態相同的配置，除以下 96371.doc -25- 200523579 方面。 方向性顯示裝置包含空間光調變器，其具有像素陣列 1003以及透鏡陣列1〇〇1，透鏡陣列1〇〇丨由實質上以預定間 距重複的透鏡之陣列組成。此說明書中，術語「透鏡」用 於指預定間距的透鏡陣列1001之區段，即透鏡陣列1〇〇1之 結構的重複單位。如以下所詳細說明，透鏡陣列1〇〇1之每 個透鏡具有區域230至238，其具有不同光學效應。 透鏡陣列1001之每個透鏡用於將光從第一像素行1〇〇5引 導至第一（右眼）檢視視窗内，以及從第二像素行1〇〇7引導至 第二（左眼）檢視視窗内。此外，將來自相鄰彩色子像素 之光引導至第一檢視視窗内，並將來自相鄰彩色子像素 loii之光引導至第二檢視視窗内，如圖17所示。圖17之較 高部分示意性顯示透鏡陣列1001，其位於RGB帶狀像素陣 列上，以便提供雙視角自動立體顯示。圖17顯示透鏡陣列 1〇〇1之透鏡的六個透鏡223至228。對於右眼視窗，透鏡223 及224覆蓋綠色像素，透鏡225及226覆蓋藍色像素，透鏡a? 及228覆蓋紅色像素。 透鏡陣列之每個透鏡具有與圖17所示之單一透鏡225相 同的結構。 特定言之，透鏡225具有三個第一區域23〇、232、234， 其用於收集來自與個別透鏡對準之像素的光並將其引導至 第一第零瓣視窗。此與圖14之透鏡1216等效，其將來自像 素行1238之光引導至圖3之右眼第零瓣檢視視窗40。 透鏡225亦具有兩個第二區域236、238，其與第一區域 96371.doc 200523579 230、232、234交替並連續配f，並且其用於將光從在給定 透鏡225之相反側面與透鏡223、227對準之相鄰像素行引導 至相同第零瓣視窗。第二區域236具有成像功能，其與相鄰 透鏡223—個側面上之第一區域實質上相同，該區域與圖14 之透鏡1216 (將光從像素行1228引導至右眼第零瓣視窗仂) 等效。相比之下，在標準透鏡陣列中，透鏡1216實質上將 全部光從像素行1228引導至+1瓣46之視窗39。同樣，第二 區域238具有成像功能，其與相鄰透鏡227相反側面上之第 一區域實質上相同，該區域與圖14之透鏡1216 (將光從像素 行1236引導至弟零瓣檢視視窗4〇)等效。相比之下，在標準 透鏡陣列中，透鏡1216實質上將全部光從像素行1236引導 至-1瓣48之視窗41。箭頭240進一步指示從對準像素至關於 視窗40内觀察者之透鏡區段的資訊之流動。每個相鄰透鏡 用於將來自下方、對準像素行以及來自個別相鄰像素行的 光引導至第零順序瓣。 因此，透鏡225分成個別區域230至238，其中第一區域 230、232、234將光從對準像素行引導至標稱檢視視窗内， 第二區域236、238將光從相鄰像素行引導至相同標稱檢視 視窗内。應注意第一個別區域230、232、234未將來自對準 像素行之光成像於標稱檢視視窗内。由於第一區域230、 232、234與第二區域236、238以不同方式引導光，區域23〇 至238可視為不同「透鏡」，第二區域236、238可視為與相 鄰透鏡之第一區域230、232、234相同的「透鏡」之部分， 但此處術語「透鏡」使用方式不同，指整個透鏡225，即預 96371.doc -27- 200523579 定間距（透鏡陣列225以此間距重複）之透鏡陣列1〇〇ι的區 段。 通常，第二區域236、238及外部第一區域232、234之孔 徑小於中央第一區域23〇之孔徑。因此作為替代方案，第 二區域236、238及外部第一區域232、234 (通常係除中央第 一區域230外的全部第一區域）可形成為無任何彎曲度之平 坦小平面’該情形中其僅將光偏轉至個別檢視視窗内。儘 管原理上缺乏聚焦改變了光斑大小，實際上僅有極少或無 退化的影像品質，因為像素平面内之光斑大小（實質上由孔 徑決定）通常接近所需光斑大小。仍可獲得本發明之優點。 如圖17之曲線圖所示，從而藉由相鄰像素資料修改透鏡 陣列上的能量分佈242。由於相鄰像素行包含不同彩色子像 素，此導致每個透鏡之色彩資料的混合。例如，用於右眼 之透鏡225覆蓋具有光度246之藍色像素。區域咖對透鏡增 加具有光度248之綠色光，區域238增加具有光度25〇之红色 光。由於透鏡内區域之大小小於用於上述顯示器參數之視 覺靈敏度，色彩資料會看起來在透鏡表面混合。此用於增 加顯示器之光度頻率，從而減小影像條紋。 圖18以斷面圖詳細顯示圖17所顯示之方向性顯示裝置之 一形式的結構。 該裝置具有-空間光調變器’其具有與圖7所示之熟知裝 置相同的結構’其包括一包含像素加、⑽⑽之陣列的 像素層1 1 〇。 透鏡陣列具有以實質上等於像素對262、264、266間距的 96371.doc -28- 200523579 兩倍之間距重複，實際上係稍低的間距以提供視點校正。 透鏡陣列包含雙折射材料142及等向性材料140。對於以此 具體實施例之透鏡化模式操作的偏光狀態，透鏡内雙折射 材料142之折射率大於等向性材料14〇之折射率。透鏡表面 252之形狀設定成提供第一區域230、232、234及第二區域 23 6、238。中央第一區域230及第一區域232、234任一側面 包含透鏡表面255之部分。第一區域230至234用於將射線 256從與討論之透鏡對準的像素對262之中心引導至零順序 瓣之中心。由於視點校正，對準像素對262將位於顯示器中 間透鏡的正下方，但從區域内的透鏡光軸向顯示器邊緣偏 移。與任何給定透鏡之第一區域230、232、234交替配置的 係第二區域236、238，其具有實質上與個別相鄰透鏡之第 一區域230、232、234相同的成像功能。因此，第二區域236、 238包含反向傾斜至相鄰第一區域230、232、234的表面。 第二區域因此偏轉光，以便區域236用於將光射線258從相 鄰像素對264引導至零順序瓣之中心，而區域238用於將光 射線260從相鄰像素對266引導至零順序瓣之中心。 假疋對於透鏡表面252’第一及第二區域230至238實質上 鄰接，第一及第二區域230至238間無任何垂直小平面，第 二區域236、238之傾斜使中央第一區域23〇之厚度與透鏡表 面254相比可移除。因此，以類似於菲涅耳透鏡之方式實現 厚度減小，如本技術中所熟知，但無任何垂直小平面。 例如，從圖17可看出此一結構有利地減小了操作中條紋 之可見度。 96371.doc -29- 200523579 特定優點係該結構可具有與具有單—小平面之標準透铲 相同的下彎，但較薄。此情形中，較薄透鏡Μ二“ 射材料U2,因此製造成本更便宜。液晶材料之較薄層亦呈 1相對於單透鏡減少之散射。此意味著透鏡在明亮發光環 境中具有減小的可見度。此外，在如圖8所示之組態中，影 像對比度將增強，因為從顯示器輸出之偏光狀態較少被^ 鏡散射，從而增強所分析的偏光對比度。因此，與標準單 透鏡相比，此一透鏡陣列將具有增強的影像品質。 區域236、238繼續藉由引導來自離轴位置之相鄰像素瓣 的光而起作用。因此，對於移動韓軸檢視視窗的觀察者， 例如圖3之視窗36、39,透鏡將繼續在其寬度上的各種位置 產生夕個焦距。透鏡像差可隨檢視角度變化，以便像素平 面之光斑大小可關於每個小平面改變。透鏡設計可針對中 間離軸檢視位置補償，而非針對中央檢視位置調諧，以便 增加用於離軸檢視位置之平均透鏡性能的範圍。 本I月之另一具體實施例中，透鏡表面可與帶狀面板對 準，Τ狀面板係配置成使得紅色1228、綠色1234及藍色1238 像素列位於每個透鏡536下方。此一組態不會依靠相鄰透鏡 間之色彩混合，因為彩色像素間距由列間距決定，因此在 3D核式中不變。然而，此一組態有利地減小了透鏡厚度， 而透鏡影像之每個部分從個別像素行向正確檢視視窗發 光。因此，不同於先前技術雙凸透鏡陣列，透鏡結構並非 用於貫貝上增加顯示器之串音。 傳統菲〉圼耳透鏡268使用透鏡間實質上垂直的小平面 96371.doc -30- 200523579 2 7 0，如圖1 9所示。此_清於 、、見八有減小軸上成像（例如關於 射線256)之厚度的相同優點。事實上，本發明之透鏡實質 上不同於標準菲〉圼耳透鏡。透鏡（例如圖17之232、跡234) 之轴上區域小於傳統菲料透鏡，且區域236、238更大。 傳統菲淫耳透鏡中，此會不利地減小透鏡效率並在其成像 特性中引入錯誤。然而，在本發明之透鏡中，區域236 238 有利地與透鏡陣列及像素陣列協作工作，以在場角範圍内 對檢視視窗產生適當光成像。傳統菲埋耳透鏡中，本發明 之額外成像透鏡小平面亦用於增加透鏡厚度，因此並不 利菲/圼耳透鏡之離軸性能與用於方向性顯示裝置的本發 明相比較差。沿射線274輸出之光將在小平面表面Μ發生 全内反射。同樣，對於沿射線278輸出之光，光會在表面Μ 發生高角折射。因此射線274及278之原點實質上不同於所 需要之可視資料。此類射線可導致最終影像外觀内的圖案 化，因為其可包含來自錯誤視圖或黑色光罩之資料。此外， 該等高角射線之對比度可相對於抽上射線減小。傳統菲淫 耳透鏡並不用於保持顯示器内之影像品質。小平面之可見 度隨透鏡之觀察角度增加而增加，以便假像看起來隨觀察 者關於顯示器表面橫向移冑而改變。目此，當透鏡用於與 空間光調變器協作以形成方向性顯示時，本發明之第二區 域用於收集與第一區域相同之檢視視窗的光。 透鏡厚度可藉由引入更多小平面而進一步減小，例如圖 20所示，其中總共使用七個主要小平面及五個中間小平面。 每個中間小平面用於將光從相鄰像素行瓣引導至零順序 9637I.doc 31 200523579 瓣。實際上，中間小平面形成相鄰透鏡元件之延伸，因為 其具有共同焦點。由於第一區域23 0至234與第二區域236、 238交替配置，因此相鄰透鏡可視為交錯。因此，透鏡陣列 280可視為具有重疊之透鏡282及284。透鏡282形成聚焦於 像素平面110上像素對262内之射線束286、聚焦於像素對 266上之射線束288以及聚焦於像素對264上之射線束290。 相鄰透鏡284具有聚焦於其零順序瓣266上之射線束292。然 而，射線束288可視為由透鏡284產生，其具有與射線束292 共同之焦點。因此，透鏡282及284可視為交叉或交錯。 透鏡形式可調諧成最佳化系統像差。例如，表面可為非 球面的。小平面之孔徑大小可設定為最小化輸出光斑之衍 射散佈。小平面之高度可設定為最佳化來自透鏡的輸出照 射之相位輪廓，從而最小化像素平面之光斑大小。 透鏡結構可複製至本技術中熟知的聚合物材料内。可將 雙折射材料增加至如WO-03/015424所述之透鏡表面内。 雙折射材料可為向列相位液晶、可聚合液晶、液晶膠或 液晶聚合物複合物。或者，透鏡可為主動式透鏡，其中藉 由（例如）施加電場切換雙折射材料。 透鏡内之散射主要在雙折射材料内產生，而非等向性材 料。有利的係，具有較低平均厚度之透鏡層包含雙折射材 料。此層為用於成像功能之透鏡較低折射率側面。因此， 為最小化透鏡散射，等向性材料應具有實質上與較高雙折 射材料折射率相同的折射率。 有利的係，使用本發明之交叉透鏡結構可使用較高折射 96371.doc -32- 200523579 率材料，同時保持低位準之散射。因此，透鏡功率可增加， 以提供更高數值孔徑元件。此一透鏡對具有增加視角數量 之顯示器特別有用。例如’基於具有5〇 _彩色子像素間 距之面板的雙視角顯示器需要59〇 _的透鏡與像素平面 之乂刀離，以提供5〇〇咖標稱檢視距離及65咖視窗。若 料雙折射率為〇·18,此需要弯曲度大約為90 _之透鏡，從 而提供15 _之下f。對於内部液晶透鏡（其中雙折射材料 在透鏡中〜最厚）平均層厚度為1G _，或對於外部液晶透 鏡（其中雙折射材料在透鏡邊緣最厚）為5 右為增加顯示器之檢視自由度而加倍視角數量，則保持 光斑大小所需之半徑小於透鏡間距之一半。因此，需要提 供增加曲率半徑之更高雙折射率材料，但其增加了透鏡散 射。對於0·24之雙折射率，可接受⑵_之透鏡半徑，以 便對於内部液晶透鏡平均層厚度為3 5 μ m之單態下彎為⑽ μΓΠ，對於外部液晶透鏡為15 μΐη。三個小平面之透鏡將且 有小於26 _之最大厚度，從而提供用於外部雙折射透鏡 結構小於17 _或小於9 _之平均LC厚度。因此，有利的 係，可藉由允許在顯著較薄層内使用較高折射率之材料實 現更高孔徑透鏡。 圖23顯示透鏡結構内之全内反射可產生一些雜散射線。 以大於介質内臨界角之角度入射至區域236的射線31〇將在 表面反射，落至可將其引導至顯示器零順序瓣之區域U 2。 右射線3 10之原點不必來自期望像素，則此可產生串音，或 者關於移動觀察者之不合需要的光度變更。同樣，入射至 96371.doc -33- 200523579 透鏡區域234之射線311可反射並藉由區域238成像。 通常需要該等射線至少不出現在軸上檢視位置。因此， 任何表面之傾斜應小於透鏡之軸上射線方向。例如，在具 有50 μιη像素及59〇 厚度玻璃以及三個小平面之透鏡 之四視角情形中，玻璃内最大射線角度具有12度之等級。 因此，表面應具有與垂直方向至少成12度之傾斜。通常， 表面具有18度或更大的角度，因此表面不應干涉在材料内 離軸6度之輸入光束，其與空氣中9度之檢視自由度或者 +/-80 mm之標稱檢視距離等效。此點後反射率開始接通， 因此假像内能量將增加。然而，中央檢視位置會有利地具 有低位準之假像。 為增加臨界角，需要材料在介面之折射率於特定指數階 段盡可能大。 對於小於臨界角之角度，會在介面發生入射光的一些反 射。入射平面内之偏光狀態通常具有小於垂直於入射平面 之偏光狀態的振幅。因此，需要透鏡化偏光狀態處於入射 平面内此思味者在圖2 3中’材料14 2最好係雙折射性，以 及材料140係等向性，其折射率實質上與雙折射材料之非常 折射率相同。因此，雙折射材料可平行於透鏡結構252之長 軸對準，用於透鏡效應之偏光狀態254處於入射平面内。因 此’表面上之反射振幅相對於替代系統減小。 圖34顯示一種使用球形小平面表面之透鏡的示範性射線 跡線。小平面透鏡表面514包含中央球形部分509以及兩個 小平面表面對511、513。軸上射線517入射至透鏡表面514 96371.doc -34- 200523579 上，並成像於像素平面515之光斑516、518及52〇。軸上光 斑包含來自中央球形部分5〇9以及本申請案其他部分所述 之兩個小平面對511、513中每個之一小平面的光。其他小 平面將光成像於光斑518及520’與相鄰透鏡（未顯示）之中央 光斑一致。此情形中，小平面表面對具有球形表面輪廓， 光斑模糊係由於透鏡内之色差。由於小平面實質上不連 貫，像素平面處之光斑強度可得自每個小平面之光的強度 和〇 亦顯示透鏡用於成像來自第一瓣之中心的光，如射線方 向522所示。此情形中，球形透鏡部分將光成像於光斑52〇， 而小平面表面對將光成像於光斑5丨6、524。此情形中，未 顯示色差效應，因此光斑524看起來小於光斑518。 在小平面表面對5 11、5 13具有平坦表面之情形中，平坦 表面之角度設定為約為等效彎曲表面之傾斜，使得光斑落 在於其他部分所述的像素平面之適當位置。像素平面之光 斑大小實質上可與小平面寬度相同。藉由小平面孔徑處的 何射可產生光斑之略微增加。小平面寬度應有利地具有與 像素平面之透鏡球形部分所成像之眼點相同的大小。此由 圖35之射線跡線說明。軸上光成像於光斑528、， 離軸光成像於光斑534。由於小平面為平面，光斑可有點模 糊’但中央光斑528之總體大小幾乎不變。當小平面之相對 面積相對於中央球形區域較小時尤其如此。 來自透鏡之光斑的大小亦可設定成大於一個像素寬度。 例如，透鏡可具有實質上等於像素寬度之六倍的間距，光 96371.doc -35- 200523579 斑可等於像素寬度之三倍。 準像素。 此情形中的中央像素可視為對 其他衍射對準結構亦可併人透鏡表面。_用 合物透鏡表面上之液晶材料 、皁表 料内形成透鏡結構的相_。衍射 光t衍射結構相同之尺寸。然而，該等結構並不依靠^射 來提供雙折射材料之對準。 丁，

有利的係’本發明使衍射對準層可形成於比具有單一小 平面之透鏡更方便的主工且卜。^·』， + 上可如上所述形成用於透鏡 : I具。光阻層接著可塗敷於主卫具之表面，並以 =栅結構照射，例如藉由雷射光束之干涉，或者藉由透過 :含適當結構的光罩之照射。照射圖案光柵具有有限聚焦 木度由於本發明之結構的厚度小於具有單—小平面之透 鏡，可容易地在照射圖案之聚焦深度内設定表面。因此， 有利的係，光栅對準結構可比具有單一小平面之透鏡更容

易也$成於本發明之透鏡結構上。冑射對準可為雙折射透 鏡提供減小的製造成本，因為其不需要在表面上新增及處 理額外對準層。 菲涅耳透鏡之小平面孔徑將形成用於透射至觀察者之光 的何射孔徑。此可（例如）藉由增加串音位準造成檢視視窗性 能的減小。 透鏡可為主動式透鏡，其中藉由對透明電極312及314 (例 如由氧化銦錫形成）施加如圖24之電場切換雙折射材料 142 °電極可形成於（例如）基板144、156上，電極312可形成 96371.doc -36 - 200523579 於聚合物材料140之表面上，其形狀設定成形成透鏡陣列 280、如圖25所不。此配置之優點係施加電場之介電質的厚 度：小，儘管層厚度之變更可導致不同切換液晶區域，從 k成切換或未切換狀態之旋轉位移。旋轉位移可導致影 月b之退化，例如增加的透鏡散射。有利的係本發明之 主動式透鏡比先前技術透鏡更薄，從而需要施加之電麼低 於具有單-小平面表面之透鏡。此外，可最佳化透鏡形式， 、便最J、化用於位於聚合物與雙折射材料間的電極或用於 4於聚口物及雙折射材料之任一側面的電極之透鏡表面上 的電場變更。此可有利地提供更快及更均勾的主動式透鏡 之㈣。此外，此一透鏡可有利地呈現更少旋轉位移，從 而比單一小平面透鏡提供更高光學品質。 或者，如圖37所不，複製聚合物材料538可另外包含導電 材料’以便可向聚合物直接施加電場’從而減小橫跨雙折 射材料142下降的電場。有利的係本發明之透鏡比具有連續 ^面之透鏡（單-小平面透鏡）更薄，同時最小化顯示器串 0因此’需要使用之材料較少，導電聚合物材料之透射 度可增加。 本發明之透鏡可併人兩個成像表面，（例如）如圖娜 不。雙折射透鏡142可形成於第一 140與第二316等向性材料 之間。小平面透鏡陣列28〇可形成於第—等向性材料上，而 第二表面川可為單態表面。單態表面有利地係可*透鏡之 小平面協作使用。補償小平面角度係考慮到單態表面川， 以便其繼續收集來自相鄰像素瓣之光。此一配置有利的係 96371.doc -37- 200523579 使更多光學功率可併入透鏡，從而可進_步減小透鏡内雙 折射材料之厚度。此外，材料可選擇成減小透鏡之色差。 可（例如）如圖27所示形成此一透鏡。圖…顯示基板144 上第一等向性表面材料140之形成。雙折射材料（例如UV可 固化液晶）與適當對準層一起應用於表面，並與包含第二微 結構表面318之工具接觸後固化。工具亦可包含對準層，例 如衍射對準層，以便適當定位雙折射材料。元件接著可盥 如圖27b所示之基板156對準，間隙可用第二等向性材料316 填充。或者，如圖27c所示’兩個等向性微結構間之間隙可 用雙折射材料142填充。 本發明對於主動式透鏡系統具有特定優點，其中雙折射 材料之減小厚度提供了較低電壓下的操作。此情形中，透 明電極可形成於雙折射與等向性材料（例如氧化銦錫）間的 微結構介面上。亦可藉由導電推雜物為等向性材料提供電 極功能’或者該材料本身可為導電性，例如導電聚人物。 在上述具體實施例中，第二區域内透鏡表面之形狀有效 地將光（由給定透鏡引導至㈣準給定透鏡之像素相同的 =視視窗内）從與鄰近給定透鏡之透鏡對準的相鄰像素偏 轉。本發明之另-具體實施例中，以分離棱鏡元件形式提 供为離光偏轉疋件，(例如)如圖28所示。透鏡結構切包含 折射表面，例如在等向性材料140與雙折射材料⑷間。以 對準透鏡結構的棱鏡結構322配置第二等向性材料32〇。棱 鏡區域内之光射線沿對應於顯示器之相鄰像素瓣内的像素 之方向328傳遞’而視窗平面内之觀察者接收光射線324, 96371.doc -38- 200523579 八看起來已/σ來自像素平面之射線方向傳遞。因此，在 顯示器之棱鏡區域内，影像在相鄰像素間混合。此一組態 有利地不需要小平面透鏡結構，因為偏轉元件係作為分離 =構併入。因此更容易以高精確度控制透鏡。棱鏡結構 可在透鏡表面上包含多個棱鏡。棱鏡可料同於透鏡之材 料形成。然而，若（例如）藉由修改間隙内液晶材料Μ]之方 向（藉由施加電場）或藉由改變透過單元傳播之光的偏光來 切斷透鏡，此具體實施例中顯示之結構有利地被切斷。 圖29說明本發明之另_具體實施例。作為分離光偏轉元 件王像片元件330放置成接近透鏡陣列321之孔徑。全像 片用於將-部分光從㈣視角之相鄰像素行偏轉向觀察 者。因此，來自中央藍色像素338之光穿過全像片，而沿方 向324將來自與像素338相同之可視資料之相鄰像素州的 光334偏轉向觀察者。同樣，沿方向324偏轉來自綠色像素 342之光336。因此，將來自相同可視資料之相鄰像素行之 光偏轉向觀察者。可視資料光之混合將減少顯示器之條 紋。全像片330可包含（例如）體積透射全像片。全像片可包 a用於紅色、綠色及藍色光束之分離偏轉的多個層。全像 片在顯示器區域上可具有實質上相同的偏轉角度。全像片 可在整個透鏡孔徑上操作，或可形成於透鏡孔徑之部分 上。全像片可有利地需要關於透鏡之低容限對準。 、：使用已知製造技術方便地形成透鏡。可用光阻材料形 成後製工具，例如藉由以灰階光罩(例如可從峽谷材料公司 購得之HEBS光罩)曝光光阻層之步驟。或者，光罩可為半 96371.doc -39- 200523579 色調光罩，其下掃描一光 g ’（例如）如圖21所示。光罩294 u a才口柵&域296及孔徑區域 4298。孔徑區域之形狀意味著 在田方向300内，光阻曝 -#^8. . 4、先酼杈向位置改變。圖22顯示此 田配置。精由產生實 照射光罩294。沿關於之丰直之光束3〇4白濱光源搬 層3〇6。 、 向300掃描基板上308之光阻 可藉由如圖3 2所示之書彳繞彡 一]線形成小平面透鏡結構。劃線元 502，盆、雨5〇0 (例如鑽石）將輪廉5〇6切割成材料 移至頁= 如鋼或錄。鑽石沿切財向橫向轉 移至頁面外，如母條切 線或切割圓周末端的箭頭5〇4所 示。 然查而’在（例如）具有單一切割轴之圓柱形透鏡的情形 中’sm工具亦可由複合工具形成，其包含多個切割元件， (例如）如圖33所示。第—切割元件則產生用於透鏡中心之 球形表面輪廓509。第-士π室,丨-从。，Λ 士 弟一切割το件510產生第一對小平面 511 ’第二切割元件512產生第二對小平面Η]。 可將工具508、5 10及5 12併入單一切割頭，以便實質上在 一起加工表面，並具有表面之短縱向偏移，以便實質上同 時切割表面。或者，可依次切割表面，以便對於每個切割 工具，切割頭穿過材料5〇2之表面至少一次。 、私心一311)及512。半 定言之，每個小平面表面對511、513之表面可為球形，^ 可方便地為實質上平坦。平坦表面之優點係其容易使用相 準技術加工成切割工具。 96371.doc -40- 200523579 複製工具可由本技術中熟知的切割工具形成。依此方 式，複製聚合物元件可由具有低成本及良好透鏡結構再現 性之工具形成。 光罩可併入最小化光罩與光阻層間之衍射的部件，以便 最佳化所形成之部件的形狀。此可藉由併入二元光罩形狀 之額外部件以補償衍射來實現。例如，光罩内一些小灰階 部件所建立之孔彳！的—些變跡可減小菲料衍射假像。 灰階光阻結射在化學辅助料束_之記錄後予以修 改’以便可放大結構之部件高度，從而實現所需下彎值。 灰階光阻結構可具有藉由（例如）電鑛形成於其表面上的 複製工具，如本技術中所熟知。 上述配置中，空間光調變器係透射性，但本發明同樣適 用於具有任何其他類型 < 空間光調t器（包括#射式或反 射式SLM)的顯示器。 上述配置中，透鏡陣列將光引導至配置成提供3D自動立 體顯示器之檢視視窗。然而，本發明同樣適用於將光引導 至用於其他目的之檢視視窗的透鏡，例如為提供多使用者 顯示器、控制檢視區域顯示器或增強亮度顯示器，現在說 明其範例。 圖30顯示另一類型之透鏡的結構，其包含多個成像區 域。透鏡包含雙折射材料142及等向性材料14〇。對於以此 具體實施例之透鏡化模式操作的偏光狀態，透鏡142之折射 率大於等向性材料14〇之折射率。透鏡表面252包含三個區 域。中央部分230及側面部分232、234包含透鏡表面254之 96371 .doc -41 - 200523579 部分，其中已移除一厚度，以建立如上所述之透鏡。部分 230至234用於將射線256從像素區域402引導至零順序瓣。 如上所述，像素區域402將位於顯示器中間透鏡的下方，但 從區域内的透鏡光軸向顯示器邊緣偏移。此情形中，像素 區域402、404、406顯示單一像素孔徑，例如在以 WO-03/015424所述之增強亮度模式操作的〇LED顯示器 中〇 圖31與圖30之不同在於像素區域424、422及426現在包含 分離像素孔徑410至418。像素422包含反射式像素孔徑4〇8 及透射式像素孔徑416。像素424包含反射式像素孔徑41〇 及透射式像素孔控414。透射式及反射式孔徑之形狀、相對 比例以及像素内孔徑之數量可依據每個設計變化。此具體 貫施例有利的係以W Ο - 0 3 / 015 4 2 4所述之增強亮度模式使 用。 【圖式簡單說明】 本發明之具體實施例已藉由非限制性範例並參考附圖予 以說明，其中： 圖la顯示用於螢幕平面後方之目標的3£)顯示器内視深之 產生； 圖lb顯不用於螢幕平面前方之目標的3〇顯示器内視深之 產生； 圖lc顯示立體對影像之每個影像上對應同源點的位置； 圖2a示意性顯示自動立體3D顯示器前方右眼檢視視窗之 形成； 96371.doc •42- 200523579 圖2b示意性顯示自動立體3D顯示器前方左眼檢視視窗之 形成； 圖3以平面圖顯示來自3D顯示器之輸出圓錐的檢視區域 之產生； 圖4顯示用於自動立體顯示器之理想視窗輪廓； 圖5顯示來自自動立體3D顯示器之檢視視窗的輸出輪廓 示意圖； 圖6顯示雙凸透鏡螢幕顯示器之結構； 圖7顯示先前技術中啟動偏光之微透鏡顯示器； 圖8顯示先前技術中啟動偏光之微透鏡顯示器； 圖9顯示先前技術中啟動偏光之微透鏡顯示器； 圖1 〇顯示先前技術中啟動偏光之微透鏡顯示器； 圖11顯示先前技術中啟動偏光之微透鏡顯示器； 圖12顯示彩色子像素關於雙凸透鏡螢幕之對準； 圖13顯示圖12的3D影像之一的外觀； 圖14顯示彩色3D像素之產生； 圖15顯示用於觀察到之對比敏感度對空間頻率的已知計 算模式之曲線圖； 圖16顯示更高綠色像素光度對彩色像素化顯示器之空間 光度分佈的影響； 圖1 7顯不本發明之透鏡陣列以及透鏡陣列上的光度變 化； 圖18顯不併入本發明之透鏡陣列的3D顯示器； 圖19顯示先前技術菲涅耳透鏡； 96371.doc -43- 200523579 圖20顯不圖18之透鏡陣列的另一操作； 圖21顯不用於記錄透鏡陣列之光罩的結構； 圖22顯示主透鏡陣列之記錄； 圖23顯示本發明之透鏡陣列内全内反射所產生的錯誤 圖24顯示用於本發明之主動式透鏡的一種電極結構； 圖25顯示用於本發明之主動式透鏡的另一種電極結構 圖26顯示包含多個透鏡表面的本發明之透鏡； 圖27顯示圖26之透鏡的形成； 圖28顯不作為光偏轉元件之分離棱鏡的使用； 圖29顯示作為光偏轉元件之全像片的使用； 圖30顯示另一顯示器； 圖3 1顯示另一顯示器； 圖32顯示一種用於加工工具之鑽石的裝置； 圖33顯不另一種用於加工工具之鑽石的裝置； 圖34顯示併入彎曲透鏡表面之元件的射線跡線； 圖35顯示併入平面透鏡表面之元件的射線跡線； 圖36顯示關於併入透鏡位置按列配置之彩色像素的顯 器之結構；以及 圖37顯示併入導電聚合物之本發明的主動式透鏡。 【主要元件符號說明】 1 顯示平面 2 右眼 3 右眼同源影像點 4 左眼 96371.doc -44- 200523579 5 左眼同源影像點 6 直觀影像點 7 右眼同源影像點 8 左眼同源影像點 9 直觀影像點 10 左眼影像 11 右眼影像 12 參考線 13 分離 14 參考線 15 分離 16 顯示元件 17 視差光學元件 18 右眼影像 19 箭頭 20 右眼檢視視窗 22 右眼 24 左眼檢視視窗 26 左眼影像 28 箭頭 30 左眼檢視視窗 32 左眼 34 顯示平面 36-38 左眼檢視視窗 96371.doc -45 - 200523579 39-41 右眼檢視視窗 42 視窗平面 43 標稱檢視距離 44 第零瓣 46 + 1瓣 48 - 1瓣 50 強度 51 位置 52-59 強度分佈 60 背光 62 光輸出 64 偏光器 66 基板 67 平面 68 紅色像素 69 綠色像素 70 藍色像素 71 紅色像素 72 綠色像素 73 藍色像素 74 紅色像素 75 綠色像素 76 黑色光罩 78 像素孔徑 96371.doc -46 200523579 80 基板 82 偏光器 88 射線 90 射線 94 基板 96 雙凸透鏡螢幕 98 微透鏡 100 捕獲射線 102 背光 104 照射 106 偏光器 108 基板 110 像素層 112-126 像素 128 像素孔徑 130 黑色光罩 132 基板 136 基板 138 雙折射微透鏡陣列 140 等向性材料 142 雙折射材料 144 基板 146 偏光修改元件 154 偏光器 96371.doc -47-

200523579 156 基板 158 ITO層 160 液晶層 162 電信號控制器 164 基板 166 偏光器 174 液晶開關 200 對比敏感度 202 空間頻率 204 箭頭 206 箭頭 208 資料行 210 資料行 212 資料行 214 適光光度 216 位置 217 光度函數 223 透鏡 224 透鏡 225 透鏡 226 透鏡 227 透鏡 228 透鏡 230 區域 96371.doc -48 200523579 232 區域 234 區域 236 區域 238 區域 240 箭頭 242 能量分佈 246 光度 248 光度 250 光度 252 表面 254 偏光狀態 255 表面 256 射線 258 射線 260 射線 262 像素對 264 像素對 266 像素對 268 菲涅耳透鏡 270 小平面 272 表面 274 射線 276 表面 278 射線

96371.doc -49- 200523579 280 陣列 282 透鏡 284 透鏡 286 射線束 288 射線束 290 射線束 292 射線束 294 光罩 296 格棚'區域 298 孔徑區域 300 方向 302 光源 304 光束 306 層 308 基板 310 射線 311 射線 312 電極 314 電極 316 等向性材料 318 表面 320 等向性材料 321 透鏡陣列 322 棱鏡結構 96371.doc 200523579 324 射線方向 326 射線方向 328 射線方向 330 全像片 334 光 336 光 338 像素 340 像素 342 像素 402 像素區域 404 像素區域 406 像素區域 408 反射式像素孔徑 410 反射式像素孔徑 414 透射式像素孔徑 416 透射式像素孔徑 422 像素 424 像素 426 像素 500 工具 502 材料 504 箭頭 506 輪廓 509 表面 96371.doc -51 - 200523579 508 工具 510 工具 512 工具 511 小平面表面 513 小平面表面 514 表面 515 像素平面 516 光斑 517 射線 518 光斑 520 光斑 522 射線 524 光斑 528 光斑 530 光斑 532 光斑 534 光斑 536 透鏡 538 材料 1000 透鏡陣列 1001 透鏡陣列 1002 像素行 1003 像素陣列 1004 像素行

96371.doc -52- 200523579 1005 像素行 1006 像素行 1007 像素行 1008 間隙 1009 彩色子像素 1011 彩色子像素 1200 彩色像素 1202 像素 1204 像素 1206 像素 1207 像素 1208 陣列 1210 色彩 1212 視圖 1214 透鏡 1216 透鏡 1218 透鏡 1220 像素 1222 像素 1224 像素 1226 像素 1228 像素行 1230 像素行 1233 像素行 96371.doc -53 200523579 1234 像素行 1236 像素行 1238 像素行 1240 像素行 1242 像素

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Claims (1)

1. 200523579 、申請專利範圍： 1. 一種方向性顯示裝置，其包含： 空間光調變器，其包含一像素陣列；以及 一透鏡陣列，其具有以一預定間距重複的一結構， 其中該方向性顯示裝置配置成關於該預定間距之該透 鏡陣列的區段而排列，使得每個個別區段能夠將光從與 :亥個：區段對準之至少一個像素引導至至少一個標稱檢 視視囪内’並且每個個別區段亦能夠將光從與鄰近該個 別區段之-區段對準的至少—個相鄰像素引導至該等相 同至少一個標稱檢視視窗内。 2. 如請求項1之方向性顯示裝置，其中該方向性顯示裳置配 置成使得每個個別區段亦能夠在該個別區段之相反側面 另等光*從與鄰近該個 3. j 又之區奴對準的至少一個相鄰像 素引導至該等相同至少一個標稱檢視視窗内。 如睛求項1之方向性 裝其中韻鏡陣列配置成使 付母個個別區鉛 b夠執仃將光從該至少一個相鄰像素引 4. 如 ^ ^目同至少一個標稱檢視視窗内。 口月求項3之方向性 別區段具有至+ M，其中錢鏡陣列之每個個 夕一個透鏡表面，其提供·· 至少一個第一 f # 之該至少一 品域，其能夠將光從與該個別區段對準 以及 固像素引導至該至少-個標稱檢視視窗内； 至少一個第二 素引導至#·，其能夠將光從該至少—個相鄰像 目同至少一個標稱檢視視窗内。 96371.doc 200523579 5, 區域。 /寺弟一區域父替配置的複數個該等第一 6.如請求項5之士丄 在該等第—肖性顯示裝置中該至少一個透鏡表面 與第二區域間無垂直小平面。 7·如請求項1之方向性顯示裝置，其中： 吞亥透鏡陣歹，丨i 該個別區段對準之〉、一個透鏡表面’其能夠將光從與 檢視視窗内^及至少—個像素引導至該至少—個標稱 偏轉來4置進—步包含—偏轉元件，其配置成 部==:段對準之至少-個像素的該光之-該至少_ 、里牙過该透鏡陣列之每個個別區段，使 少-個# Γ透鏡表面將該光從與該相鄰區段對準之該至 8如4臾。引導至該相同至少一個標稱檢視視窗内。 = 方向性顯示裝置，其中該偏轉元件包含-全 9·如請求項7之方向性 鏡元件。 、凌置，其中該偏轉元件包含一棱 I 〇 ·如請求項1之古 段對準”^顯示裝置’其巾與該透料列之—區 II ·如蚋求項i之方向 射透鏡陣列。心農置’其中該透鏡陣列係-雙折 12·如請求項丨丨之方 ”、、員不表置，其中該雙折射透鏡陣列 96371.doc 200523579 係被動式70件，以及該方向性顯示裝置進一步包含一 可切換偏光器，其配罟士、^ ^ 置成4工制牙過該透鏡陣列並從該方 向性顯示裝置輸出之光的偏光成分。 A如請求項U之方向性顯示裝置，其中該雙折射透鏡陣列 係一主動式元件，其可切換以控制該透鏡陣列之效應。 A如請求項13之方向性顯示I置1中該主動式元件包含 等向!·生材# —雙折射材料、在該等向性材料與該雙

   折射材料間的-微結構介面以及形成於該雙折射材料之 相反側面的導電電極。 15· —種方向性顯示裝置，其包含： -空間光調變器，其包含一像素陣列；以及 一透鏡陣列，豆且右眚暂l .、， …、有實夤上以一預定間距重複的一矣 構 其中該透鏡陣列配置成使得在按該間距來形成該透鏡 陣列的每個個別區段，用以提供：

   至v個第一區域，其能夠將光從與該個別區段對準 之至少個像素引導至至少一個標稱檢視視窗内；以及 至夕個第一區域，其能夠將光從與鄰近該個別區段 之一區段對準的至少一個相鄰像素引導至該相同至少一 個標稱檢視視窗内。 16.如，求項15之方向性顯示裝置，其中該透鏡陣列配置成 使得該至少一個第二區域能夠在該個別區段之相反側面 將光從與鄰近該個別區段之區段對準的至少—個相鄰像 素引導至該相同至少一個標稱檢視視窗内。 96371.doc 200523579 17. 18. 19. 20. 月求員15之方向性顯示裝置，其中該透鏡陣列配置成 使仟形成5亥透鏡陣列之每個個別區段，而用以提供與複 數個,亥等第一區域交替配置的複數個該等第一區域。 U貞15之方向性顯示裝置，其巾該透鏡陣列之每個 個別區I又有至少_個透鏡表面，其形狀設定成提供該 等第一及第二區域。 士咕求項18之方向性顯示裝置，其中該至少一個透鏡表 面在該等第-與第二區域間無垂直小平面。 如請求項15之方向性顯示裝置，其中該至少一個第二區 或…有實貝上與5亥相鄰區段之該至少一個第一區域相同 的成像功能。 2 1 ·如5月求項1 5之方向性顧胜 ^ . 注.、、、員不哀置，其中與該透鏡陣列之一 區段對準的該至少一彳金 個像素係一像素群組，並且該至少 -個標稱檢視視窗係標稱檢視視窗之—群組。 22·如請求項15之方向性顧+龊 員不凌置，其中該透鏡陣列係一雙 折射透鏡陣列。 23.如請求項22之方向性顯示裝置，其中該雙折射透鏡陣列 係被動式7〇件，以及該方向性顯示裝置進一步包含一 可切換偏光器’其配置成控制穿過該透鏡陣列並從該方 向性顯不裝置輸出之光的偏光成分。 24·如請求項22之方 係一主動式元件 25.如請求項24之方 一等向性材料、 向性顯不裝置，其中該雙折射透鏡陣列 ，其可切換以控制該透鏡陣列之效應。 向性顯示裝置，其中該主動式元件包含 一雙折射材料、在該等向性材料與該雙 96371.doc 200523579 折射材料間的一微結構介面以及形成於該雙折射材料之 相反側面的導電電極。 26 一種用於控制一空間光調變器之輸出的透鏡陣列，該空 間光調變器包含一顯示裝置内的一像素陣列，該透鏡陣 列具有以一預定間距重複的一結構， 其中在按該間距來形成該透鏡陣列的每個個別區段， 用以提供： 光調變器之至少一個像素引導至至少一 内；以及 至少一個第一區域，當該透鏡陣列與該空間光調變器 串聯配置時’纟能夠冑光從與該個別區段對準的該空間 個標稱檢視視窗 ^田球边鏡陣列與該空間光調變器 串聯配置時，其能夠將光從與鄰近該個別區段之一區二 對準的至少一個相鄰像素彳丨導 °° x 視視窗内。 丨導^㈣至少-個標稱檢 96371.doc