TW201303368A

TW201303368A - 顯示裝置

Info

Publication number: TW201303368A
Application number: TW100149642A
Authority: TW
Inventors: Yi-Jen Chan; Kuo-Tung Tiao; Chang-Ying Chen; Chy-Lin Wang; Kun-Lung Tseng; Shang-Yi Lin
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2011-07-10
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-01-16
Also published as: CN102879995A; TW201303372A; TWI477815B

Abstract

一種顯示裝置，其包括影像產生器、投影鏡組、偵測使用者位置的一深度偵測模組以及電性連接影像產生器、投影鏡組及深度偵測模組的一控制單元。影像產生器所顯示的影像經由投影鏡組投射出而於投影鏡組與使用者之間產生一漂浮實像。構成漂浮實像的各光束具有光錐角θ。各光束包括主光線以及多個邊緣光線，各邊緣光線與對應之主光線之間具有夾角α，且光錐角θ=2α。影像產生器與投影鏡組依據使用者的位置來調整漂浮實像的位置，漂浮實像的尺寸為L，使用者兩眼之間的距離為W，使用者與漂浮實像之間的距離為D，且光錐角θ滿足關係式：□

Description

顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種具有漂浮實像的顯示裝置。

近年來，隨著顯示技術的不斷進步，使用者對於顯示器之顯示品質(如影像解析度、色彩飽和度等)的要求也越來越高。然而，除了高影像解析度以及高色彩飽和度之外，為了滿足使用者觀看真實影像的需求，亦發展出能夠顯示出立體影像的顯示器。

一般之立體顯示器受限於平面顯示器或投影技術本身的軟硬體的限制，使得使用者在觀賞立體影像時需配戴專用的立體眼鏡。即使是裸眼顯示的技術，亦存在著嚴重的干擾(crosstalk)的問題，造成觀賞者常因觀賞受干擾之立體影像而導致身體不適。因此業界更期待一種能提供使用者較舒服觀賞的立體顯示器。

此外，目前許多觸控控制介面，大多數以手指來碰觸觸控面板而得到相對應之訊息或回饋動作。然而，這樣的操作模式容易使觸控介面因長期被碰觸而沾染細菌。為了杜絕細菌污染使用者的情況，業界更期待一種能漂浮於空間中的虛擬觸控介面的影像來與使用者互動。因此，如何使立體影像擺脫受限於使用者與立體顯示器之間的距離變化，是目前業界亟待解決的問題。

本發明提供一種顯示裝置，其能夠產生一漂浮實像，並可依據使用者的位置來調變漂浮實像的位置與尺寸。

本發明提出一種顯示裝置，適於讓一使用者觀看，顯示裝置包括至少一影像產生器、一投影鏡組、一深度偵測模組以及一控制單元。影像產生器適於顯示至少一影像。投影鏡組位於影像產生器與使用者之間，影像經由投影鏡組投射出而於投影鏡組與使用者之間產生一漂浮實像，其中構成漂浮實像的每一光束具有一光錐角θ，其中各光束包括一主光線(chief ray)以及多個邊緣光線(marginal ray)，各邊緣光線與對應之主光線之間具有一夾角α，且光錐角θ=2α。控制單元與影像產生器、投影鏡組及深度偵測模組電性連接。深度偵測模組偵測使用者的位置，影像產生器與投影鏡組依據使用者的位置來調整漂浮實像的位置，其中漂浮實像的尺寸為L，使用者兩眼之間的距離為W，使用者與漂浮實像之間的距離為D，且光錐角θ滿足下列關係式：

基於前述，本發明之顯示裝置藉由使自投影鏡組出射的光束滿足特定關係，藉此，可於投影鏡組與使用者之間產生一漂浮實像。並且，藉由深度偵測模組來偵測使用者的位置，且藉由與影像產生器、投影鏡組及深度偵測模組電性連接的控制單元，使得影像產生器與投影鏡組可依據使用者的位置來調整漂浮實像的位置，在一些實施例中，此漂浮實像為一立體影像，或者亦可透過立體眼鏡來觀看到立體的漂浮實像。因此，本發明之顯示裝置可提供使用者更栩栩如生的互動與體驗。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明一實施例中之一種顯示裝置的示意圖。請參照圖1，顯示裝置200適於讓一使用者10觀看，顯示裝置200包括至少一影像產生器210、一投影鏡組220、一深度偵測模組240以及一控制單元250。影像產生器210適於顯示至少一影像212，例如第一影像產生器210A顯示影像212A，而第二影像產生器210B顯示影像212B。影像產生器210例如是顯示面板、發光元件、或被光線照射的物體。投影鏡組220位於影像產生器210與使用者10之間，影像212經由投影鏡組220投射出而於投影鏡組220與使用者10之間產生一漂浮實像260。

此外，控制單元250與影像產生器210、投影鏡組220及深度偵測模組240電性連接。深度偵測模組240用以偵測使用者10的位置，而影像產生器210與投影鏡組220可依據使用者10的位置來調整漂浮實像260的位置。具體而言，構成漂浮實像260的每一光束262具有一光錐角θ，其中各光束262包括一主光線262C(chief ray)以及多個邊緣光線262M(marginal ray)，各邊緣光線262M與對應之主光線262C之間具有一夾角α，且光錐角θ=2α。特別的是，漂浮實像260的尺寸為L，使用者10兩眼之間的距離為W，使用者10與漂浮實像260之間的距離為D時，光錐角θ滿足下列關係式：

由於本發明中構成漂浮實像260的每一光束262具有滿足上述關係式的光錐角θ，因此影像產生器210所顯示的影像212通過投影鏡組220後可以讓使用者10觀察到一漂浮實像260。舉例來說，當影像產生器210為一被光線照射的蘋果時，藉由調整通過投影鏡組220後投射出之光束262的光錐角θ滿足關係式：

使用者10即可於投影鏡組220與使用者10之間觀看到一漂浮的蘋果實像260。值得一提的是，當自投影鏡組220投射出之光束262滿足上述關係式時，使用者10觀看該漂浮實像260的可視角不再受限於特定的小範圍內，而是可以較大視角觀看到漂浮實像260。此處所謂之大視角觀看為：即使使用者10左右移動了11公分，都可以看到完整的不失真的漂浮實像260。換言之，本實施例之顯示裝置200可以提供使用者10大於34度視角(正負17度)的漂浮影像。

此外，如圖1所示，本實施例之投影鏡組220包括合光元件222、第一透鏡組224A、第二透鏡組224B以及第三透鏡組224C，第一影像產生器210A所顯示的第一影像212A經由投影鏡組220後產生第一子漂浮實像260aA，第二影像產生器210B所顯示的第二影像212B經由投影鏡組220後產生第二子漂浮實像260aB，而本實施例之第一子漂浮實像260aA與第二子漂浮實像260aB例如是位於不同平面上，可以直接產生立體影像的效果。關於投影鏡組220的其他實施型態、產生立體影像效果的其他實施型態，將於後文說明。

值得一提的是，本發明之顯示裝置200中藉由控制單元250與深度偵測模組240，可以提供使用者10更為人性化的操作與更為身歷其境的互動方式。具體來說，控制單元250依據深度偵測模組240所偵測之使用者10的所在位置資訊來控制影像產生器210的移動，以調整影像產生器210與投影鏡組220的相對位置、漂浮實像260的位置以及漂浮實像260的尺寸。

深度偵測模組240主要用以偵測使用者10的位置，其可以是偵測使用者10人身的位置或者是使用者10之手指觸碰漂浮實像260的位置，有關深度偵測模組240的實施可參照美國專利申請案Co-pending USPA 61475648 Apparatus and Method for Depth Image Capturing，相關的機制將於後文陸續說明。簡言之，深度偵測模組240將其所偵測到之使用者10位置的資訊回授控制單元250，控制單元250可以作簡單的運算後，即可計算出因應使用者的位置、漂浮實像260的位置以及所需漂浮實像260的尺寸，而對應地使影像產生器210或/及投影鏡組220移動相應的距離來達成所需的影像變化效果。

以下將針對本發明之顯示裝置中之投影鏡組的實施型態進行說明，而省略了其他構件。

圖2與圖3分別為本發明一實施例之顯示裝置中一種投影鏡組以及影像產生器的示意圖。在圖2與圖3中，影像產生器210的數量為1個，屬於單光路的設計型態。請先參照圖2，本實施例之投影鏡組220包括二透鏡組224，二透鏡組224位於影像212之投射路徑上，其中各透鏡組至少由一片透鏡組成，其透鏡可以是非球面鏡、球面鏡或是菲涅爾(Fresnel)透鏡，且各透鏡組的總焦距為正值。換言之，請同時參照圖1與圖2，本實施例之控制單元250是依據深度偵測模組240所偵測之使用者10的所在位置資訊來控制投影鏡組220中二透鏡相對於影像產生器210之相對位置，藉以調整漂浮實像260的位置以及漂浮實像260的尺寸。

另一方面，請同時參照圖1與圖3，本實施例之投影鏡組220包括一反射器220R、一第一透鏡組224A以及一第二透鏡組224B，其中反射器220R例如是全反射鏡。反射器220R位於影像212之投射路徑上。第一透鏡組224A位於影像212之投射路徑上，且位於影像產生器210與反射器220R之間。第二透鏡組224B位於影像212之投射路徑上，且位於反射器220R與使用者10之間。換言之，在本實施例中，控制單元250是依據深度偵測模組240所偵測之使用者10的所在位置資訊來控制第一透鏡組224A、第二透鏡組224B或反射器220R之間的相對位置或是調整投影鏡組220相對於影像產生器210之間的相對位置，藉以控制漂浮實像260的位置以及漂浮實像260的尺寸。關於調整位置的方式以及成像位置與尺寸之間的關係將於後說明。

圖4為本發明一實施例之顯示裝置中一種投影鏡組的示意圖，在圖4中，影像產生器210的數量為2個，而屬於雙光路的設計型態。如圖1與圖4所示，在本實施例中，影像產生器210包括第一影像產生器210A與第二影像產生器210B，第一影像產生器210A顯示第一影像212A，而第二影像產生器210B顯示第二影像212B，且投影鏡組220包括合光元件222、第一透鏡組224A、第二透鏡組224B以及第三透鏡組224C，其中合光元件222可以是半反射鏡(half mirror)，也可以是針對不同波長作反射與穿透的選擇的分色鏡(dichroic mirror)。合光元件222位於第一影像212A與第二影像212B之投射路徑上，合光元件222反射第一影像212A並且允許第二影像212B通過。第一透鏡組224A位於第一影像212A之投射路徑上，且位於第一影像產生器210A與合光元件222之間。第二透鏡組224B位於第二影像212B之投射路徑上，且位於第二影像產生器210B與合光元件222之間。第三透鏡組224C位於第一影像212A與第二影像212B之投射路徑上，且位於合光元件222與使用者10之間。換言之，請同參照圖1與圖4，控制單元250是依據深度偵測模組240所偵測之使用者10的所在位置資訊來調整第一透鏡組224A、第二透鏡組224B、第三透鏡組224C或合光元件222之間的相對位置或是調整投影鏡組220相對於各影像產生器210之間的相對位置，藉以控制漂浮實像260的位置以及漂浮實像260的尺寸。關於調整位置的方式以及成像位置與尺寸之間的關係將於後說明。

圖5為本發明一實施例之顯示裝置中一種投影鏡組的示意圖，在圖5中，影像產生器210的數量為3個，而屬於三光路的設計型態。如圖5所示，在本實施例中，影像產生器210包括第一影像產生器210A、第二影像產生器210B與第三影像產生器210C，第一影像產生器210A顯示第一影像212A，第二影像產生器210B顯示第二影像212B，而第三影像產生器210C顯示第三影像212C，且投影鏡組220包括第一合光元件222A、第二合光元件222B、第一透鏡組224A、第二透鏡組224B、第三透鏡組224C以及第四透鏡組224D。第一合光元件222A位於第一影像212A、第二影像212B與第三影像212C之投射路徑上，第一合光元件222A反射第一影像212A與第三影像212C並且允許第二影像212B通過。第二合光元件222B位於第一影像212A與第三影像212C之投射路徑上，第二合光元件222B反射第三影像212C並且允許第一影像212A通過。第一透鏡組224A位於第一影像212A與第三影像212C之投射路徑上，且位於第二合光元件222B與第一合光元件222A之間。第二透鏡組224B位於第二影像212B之投射路徑上，且位於第二影像產生器210B與第一合光元件222A之間。第三透鏡組224C位於第一影像212A、第二影像212B與第三影像212C之投射路徑上，且位於第一合光元件222A與使用者10之間。第四透鏡組224D位於第三影像212C之投射路徑上，且位於第三影像產生器210C與第二合光元件222B之間。換言之，請同時參照圖1與圖5，本實施例之控制單元250是依據深度偵測模組240所偵測之使用者10的所在位置資訊來控制第一透鏡組224A、第二透鏡組224B、第三透鏡組224C、第四透鏡組224D、第一合光元件222A或第二合光元件222B之間的相對位置或是投影鏡組220相對於各影像產生器210之間的相對位置，藉以調整漂浮實像260的位置以及漂浮實像260的尺寸。

以下將輔以圖6A至圖6C以及來說明影像產生器與投影鏡組之相對位置對漂浮實像位置、漂浮實像尺寸的關係。

圖6A至圖6C為本發明一實施例之顯示裝置中影像經由投影鏡組投射出後產生漂浮實像的光路示意圖，而其顯示裝置例如為具有前述圖5之投射鏡組的顯示裝置。換言之，在本實施例中為三光路的設計，且投影鏡組220中的透鏡組可讓兩道光路共用。以下以其中一光路為例進行說明。令投影鏡組220中較接近影像產生器210之透鏡組的焦距為f1，而投影鏡組220中較接近漂浮實像260之透鏡組的焦距為f2，其中f1和f2例如分別是26.2公分和30.3公分。當投影鏡組220中各構件的相對位置固定，藉由調整影像產生器210以及投影鏡組220之間的物距D1，控制漂浮實像260的成像位置及放大倍率。

具體來說，圖6A中影像產生器210至投影鏡組220之間的物距D1短於圖6B中的物距D1，例如圖6A中的物距D1小於透鏡的焦距f1，而圖6B中的物距D1等於透鏡的焦距f1，藉此使得圖6A中所產生之漂浮實像260與投影鏡組220之間的像距D2長於圖6B中的像距D2，且圖6A中所產生之漂浮實像260相對於影像212的放大率大於圖6B中所產生之漂浮實像260相對於影像212的放大率。另一方面，圖6C中影像產生器210至投影鏡組220之間的物距D1長於圖6B中的物距D1，藉此使得圖6C中所產生之漂浮實像260與投影鏡組220之間的像距D2短於圖6B中的像距D2，且圖6C中所產生之漂浮實像260相對於影像212的放大率小於圖6B中所產生之漂浮實像260相對於影像212的放大率。

舉例來說，圖6B中物距D1例如為27.4公分，像距D2為20公分，而放大率為1，換言之，圖6B中的漂浮實像260之尺寸等於影像212之尺寸。圖6A中物距D1為17公分，像距D2為34.2公分，而放大率1.36，亦即圖6A中的漂浮實像260之尺寸大於影像212之尺寸。圖6C中物距D1為60公分，像距D2為2.17公分，而放大率0.54，亦即圖6C中的漂浮實像260之尺寸小於影像212之尺寸。因此藉由上述之物像關係，搭配多種光路之型態(將於後續說明)可使得影像產生器210所顯示之影像212分別成像於使用者10與投影鏡組220之間的任一位置，且漂浮實像260的尺寸亦可以視需求而作變化。

表1與表2為本發明之顯示裝置中投影鏡組的光學設計參數。依照表1與表2之實施例，可使漂浮實像260成像在投影鏡組220前方20公分，並使使用者10位於漂浮實像260前方50公分。此設計為可以較大視角觀看，即使使用者10左右移動了11公分，都可以看到完整的不失真的漂浮實像260。換言之，本實施例之顯示裝置200可以提供使用者10大於34度視角的漂浮影像。

表2為表1中非球面鏡的設計參數，其中非球狀係數(aspheric constants)的參數如下關係式，其對應參數如表2所示：

以下將輔以圖7A與7B來說明調整影像產生器與投影鏡組之相對位置的方式。

圖7A與圖7B為本發明之一實施例中用以調整影像產生器與投影鏡組之相對位置的示意圖。藉由改變影像產生器210至投影鏡組220之間的物距D1，來調變漂浮實像260的最終成像位置的關係示意圖。請先參照圖7A，在一些應用中可藉由致動器270來移動影像產生器210，使影像產生器210相對於投影鏡組220作一軸的移動來調整影像產生器210與投影鏡組220之間的距離，以改變漂浮實像260的成像比例或是成像位置。此處單軸的移動可列舉如圖中所示之M1移動方向、M2移動方向或是M3的旋轉方式，本發明並不以此為限。如圖7A中，當影像產生器210的位置由位置P1移動至位置P2時，其對應之漂浮實像260的成像位置亦由位置P1移動至位置P2。同時，成像的尺寸將變小，亦即漂浮實像260縮小。

當然，也可以藉由致動器270來移動投影鏡組220，以達成改變漂浮實像260之尺寸與位置的效果，如圖7B所示，其中投影鏡組220的移動可如圖中所示之M1移動方向、M2移動方向或是M3的旋轉方式。如圖7B所示，當投影鏡組220的位置由位置P1移動至位置P2時，其對應之漂浮實像260的成像位置亦由位置P1移動至位置P2時，同時，成像的放大率小於1，亦即漂浮實像260縮小。在前述圖7A與圖7B之實施例中為方便說明，均是以單一光路來做說明，當顯示裝置中具有多光路時，亦是同樣的原理，不再贅述。

圖7C為本發明之一實施例中顯示裝置可依據使用者的位置來調整漂浮實像位置的示意圖。如圖7C所示，當使用者10碰觸漂浮實像260的手指深度由位置P1移動至位置P2時，深度偵測模組240偵測使用者10手指的位置變化，並回授至控制單元250(繪示於圖1與圖11)，控制單元250(繪示於圖1與圖11)傳遞移動訊息至影像產生器210，使得影像產生器210對應地由位置P1移動至位置P2。藉此，可使對應之漂浮實像260的成像位置由原始位置P1移動至位置P2。此外，感測使用者10位置的態樣亦可以是利用深度偵測模組240來偵測使用者10的各種肢體變化，或是藉由使用者10所使用的物件(例如觸控筆等)的變化來達成，本發明並不以此為限。

以下將以前述圖2與圖4所示之顯示裝置為例，說明當各顯示裝置欲呈現立體影像時的實施型態。

圖8A與圖8B分別表示當使用者配戴一立體眼鏡觀看具有圖2之投影鏡組的顯示裝置時的示意圖。如圖8A所示，本實施例之顯示裝置300中，影像產生器210例如是顯示面板，而立體眼鏡280例如是一具有掃描頻率的快門眼鏡282。特別的是，當快門眼鏡282的切換速率與影像產生器210的掃描頻率同步時，即可讓使用者10透過快門眼鏡282觀賞到單一顯示面板所顯示出來的虛擬立體的漂浮實像260。舉例而言，顯示面板的顯示頻率例如為120Hz，而快門眼鏡282的切換速率的頻率例如為60Hz。換言之，顯示面板交替顯示1/120秒的左眼影像212L以及1/120秒的右眼影像212R，而快門眼鏡282的左右眼鏡片分別在1/60秒作一次對應之開啟與關閉的切換，藉此即可使使用者10透過快門眼鏡282觀賞到立體的漂浮實像260。此外，藉此所構成具有立體影像的漂浮實像260可以是由多個位於相同平面上之子漂浮實像260a所構成，也可以由多個位於不同平面上之子漂浮實像260a所構成，本發明並不以此為限。換言之，圖8A之顯示裝置300是利用時序的切換來使漂浮實像260呈現立體影像的效果，因此可維持影像的解析度。

另一種實施方式如圖8B所示，本實施例之顯示裝置400中，影像產生器210的掃描頻率可為60Hz，而立體眼鏡280例如是一偏光眼鏡284，其具有不同的偏振方向的二偏光鏡片284R、284L。舉例而言，右眼偏光鏡片284R例如具有垂直偏振方向p，而左眼偏光鏡片284L例如具有水平偏振方向s。顯示面板所顯示的影像212包含了具有垂直偏振方向p的右眼影像212R以及包含了具有水平偏振方向s的左眼影像212L。因此，當使用者10佩戴偏光眼鏡284觀看時，可以觀賞到單一顯示面板所顯示出來的虛擬立體的漂浮實像260。同理，藉此所構成具有立體影像的漂浮實像260可以是由多個位於相同平面上之子漂浮實像260a所構成，也可以由多個位於不同平面上之子漂浮實像260a所構成，本發明並不以此為限。換言之，圖8B之顯示裝置400是利用空間的合成來使漂浮實像呈現立體影像的效果，因此無須加速顯示面板的顯示頻率，可簡化電路上的控制。

圖9A與圖9B分別表示當使用者配戴一立體眼鏡觀看如具有圖4之投影鏡組的顯示裝置時的示意圖。請先參照圖9A，本實施例之顯示裝置500中，影像產生器210例如是兩個顯示面板，而立體眼鏡280例如是一具有掃描頻率的快門眼鏡282。特別的是，當快門眼鏡282的切換速率與影像產生器210的掃描頻率同步時，可讓使用者10透過快門眼鏡282觀賞到由第一影像產生器210A與第二影像產生器210B所顯示出來的虛擬立體的漂浮實像260。舉例而言，第一影像產生器210A與第二影像產生器210B的顯示頻率例如為60Hz，而快門眼鏡282的切換速率的頻率例如為60Hz。換言之，第一影像產生器210A可每1/60秒顯示一左眼影像212L，而第二影像產生器210B可每1/60秒顯示一右眼影像212R，而快門眼鏡282的左右眼鏡片分別在1/60秒作一次開啟與關閉的切換。同理，藉此所構成具有立體影像的漂浮實像260可以是由多個位於相同平面上之子漂浮實像260a所構成，也可以由多個位於不同平面上之子漂浮實像260a所構成，端視顯示效果而定，本發明並不以此為限。換言之，圖9A之顯示裝置500是利用兩個影像產生器210來使漂浮實像260呈現立體影像的效果，因此既可維持影像212的解析度，亦無須加速顯示面板的顯示頻率，可簡化電路上的控制。

另外，如圖9B所示，本實施例之顯示裝置600中，影像產生器210與圖9A相似，影像產生器210例如是兩個顯示面板，而本實施例之立體眼鏡280與圖8B之偏光眼鏡284相似，右眼偏光鏡片284R例如具有垂直偏振方向p，而左眼偏光鏡片284L例如具有水平偏振方向s。本實施例之第一影像產生器210A例如顯示具有水平偏振方向s的左眼影像212L，而第二影像產生器210B例如顯示具有垂直偏振方向p的右眼影像212R。因此，當使用者10佩戴偏光眼鏡284觀看時，可以觀賞到由二顯示面板所顯示出來的虛擬立體的漂浮實像260。同理，藉此所構成具有立體影像的漂浮實像260可以是由多個位於相同平面上之子漂浮實像260a所構成，也可以由多個位於不同平面上之子漂浮實像260a所構成，本發明並不以此為限。換言之，圖9B之顯示裝置500是利用兩個影像產生器210來使漂浮實像260呈現立體影像的效果，因此既可維持影像的解析度，亦無須加速顯示面板的顯示頻率，可簡化電路上的控制。

值得說明的是，在實際應用上，本發明之顯示裝置可快速移動影像產生器或是投影鏡組，並搭配影像產生器的同步顯示，利用人視覺暫留的特性，即得到多層影像疊加的觀賞效果，而產生的立體漂浮影像包括一雙眼視差的漂浮實像、一移動視差的漂浮實像、或二者的組合。。當然，在實際應用上，因為成像位置的不同，成像大小也會因物像關係造成影像縮小或放大，或是因為投影鏡組本身的限制，造成漂浮實像失真時，可進一步搭配顯示部分作前端的影像處理，以達到最佳的顯示效果。此外，當顯示裝置為裸眼式的立體顯示器時，藉由改變物距來調整漂浮實像之位置與尺寸時，可進一步修正影像產生器(顯示面板)的相關設計參數，來使使用者觀賞到最佳的立體效果。具體來說，可藉由調整顯示裝置之投影鏡組中的光學元件，例如可將視差光柵變成液晶式的視差光柵，藉由調整視差光柵的週期，或是可藉由視差光柵來調整其和顯示畫素之間的距離來達成所要呈現的立體效果，避免成像的漂浮實像未因影像產生器的位置改變而失去立體效果的問題。此部分可參考申請人前案Co-pending USPA 61528766 METHOD FOR AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAY。

具體而言，圖10A與圖10B為本發明之顯示裝置中一種利用裸眼3D立體顯示面板取代一般2D平面顯示面板的示意圖。請參照圖10A，裸眼3D立體顯示面板210’經投影鏡組220在成像端形成一立體3D漂浮實像260’，同時會將原本裸眼立體3D顯示面板210’最佳觀賞位置的視域範圍ZA經投影鏡組220在成像端形成漂浮於空中之立體3D漂浮實像260’的最佳觀賞位置的視域範圍ZB，如圖10A所示，此裝置有兩個物像關係，分別是裸眼3D立體顯示面板210’和立體3D漂浮實像260’的物像關係，以及另一個裸眼3D立體顯示面板210’最佳觀賞位置的視域範圍ZA和立體3D漂浮實像260’的最佳觀賞位置的視域範圍ZB的物像關係，必須同時考慮這兩個物像關係其成像位置及放大率。請同時參照圖10A與圖10B，深度偵測模組240可偵測使用者10或立體3D漂浮實像260’的位置及尺寸，藉此回授裸眼3D立體顯示面板210’及投影鏡組220，藉由投影鏡組220的放大率M，可換算出裸眼3D立體顯示面板210’所投射於視區ZA中影像的尺寸為E/M，E為位於視區ZB之影像尺寸，並且裸眼3D立體顯示面板210’所提供之影像的尺寸SS、裸眼3D立體顯示面板210’與視區ZA之間的距離T、裸眼3D立體顯示面板210’所提供影像的尺寸E/M等會滿足下列關係式：

其中，n1與n2分別為視差光柵及顯示面板間與視差光柵及觀賞者間的折射率，n1例如為玻璃1.523，而n2例如為空氣1，P為視差光柵的週期，t為視差光柵及顯示面板的間距，N為立體顯示面板的視域數，△N為觀賞者看到的視域差，例如左右眼分別看到1、3視域，則△N為2，藉此本發明之顯示裝置可基於深度偵測裝置所偵測出來之使用者10的位置或立體3D漂浮實像260’的位置、尺寸，來對應地調整投影鏡組的放大率及成像位置。

圖11為本發明之一實施例中一種顯示裝置的架構示意圖。請參照圖11，本實施例中，第一影像212A產生裝置例如為顯示面板，而第二影像212B產生裝置例如為一具有按鍵的實體。藉由前述的投影鏡組220，可將此按鍵投射至使用者10前方，產生一具有深度感之三維按鍵的漂浮實像260。當使用者10在適當觀賞位置觀看時，此漂浮實像260例如漂浮於投影鏡組220前方20公分處，使用者10可在投影鏡組220前方70公分的位置觀看漂浮實像260。如此一來，使用者10至漂浮影像260距離為50公分，恰為一般民眾手臂碰觸物體的舒服距離。在一種使用情境中，使用者10觸碰任一按鍵時，深度偵測模組240可偵測出使用者10手指觸碰的按鍵位置，並將此觸碰訊息回授至控制單元250，以回應相對的訊息(例如預設的影像或聲音的回饋訊息)給使用者10，如此，即可達到互動式的效果。

此外，本發明之顯示裝置更可利用前述之主動式的深度偵測模組240來使顯示裝置回應使用者。換言之，本發明之顯示裝置不單單只有如圖10A與10B的影像變化，更可藉由主動式的深度偵測模組240來回饋控制顯示裝置的整體系統，達到互動功能。以下針對深度偵測模組240進一步說明。

本案之另一實施例係具有主動式的深度偵測模組240，搭配前述之光學設計，可提供使用者與漂浮於自由空間的實像影像做人機互動，讓觀賞者可以碰觸到漂浮於自然空間的影像，並藉由偵測手指深度的變化回授，產生對應之影像內容，達到互動之效果。

本案所利用之一主動式的深度偵測模組，可參考前案Co-pending USPA 61475648 Apparatus and Method for Depth Image Capturing。藉由主動式光源投射特定圖紋在被測物件上，利用真實影像與虛擬影像比對技術，計算其深度影像資訊。主動式光源投射裝置是由光源及一組經過設計的繞射光學鏡組所組成，可產生分佈不規則的亮點影像，控制入射光束大小並可改變亮點影像之分佈密度。深度影像的計算原則上是以影像比對技術為基礎，除了由兩組同步攝影機同時取得投射圖紋的影像，本案進一步將投影裝置當成虛擬攝影機使用，分別計算每組攝影機與投影裝置的空間對應關係，然後利用這些像差(disparity)影像進行交互驗證，以提升其精確度並補償影像遮蔽的問題。

請參考圖11，本案利用上述之光學架構及顯示影像的搭配，將特殊內容之影像投射於自由空間中，該影像如上所述，包含各種二維及三維的影像，例如將一具有深度感的三維按鍵顯示於空間中，當使用者10在適當觀賞位置觀看，上述之光學設計將影像漂浮於投影鏡組220前20公分，觀賞者可站立在投影鏡組220前70公分的位置觀看影像，如此一來，使用者10至影像距離為50公分，正好約為一般民眾手臂碰觸物體的舒服距離，當使用者10觸碰按鍵(第二子漂浮實像)時，主動式深度偵測模組240將可偵測到手指位在哪個位置輕壓該按鍵；由於只是碰到按鍵而沒有壓下這個動作無法達到一般按按鍵的擬真效果，因此該主動式深度偵測模組可偵測壓下這個輕微的手指深度變化動作，再回授至控制單元250，回應該對應的訊息，包含影像或聲音的回饋訊息，整體架構如圖11所示。

本案主動式深度偵測模組可用於上述之任意光學架構及影像端，配合顯示影像的製作及回饋訊息的產生，可應用於許多公共場合，例如提款機、公共電話、導覽系統等。此外，為了讓擬真的效果更真實，可加上力回饋裝置，增加碰觸漂浮影像的真實感。

主動式深度偵測模組除了上述參考前案Co-pending USPA 61475648 Apparatus and Method for Depth Image Capturing，投射特定圖紋在被測物件上，也可以投射一特定波長光源，大多數使用紅外光源，較不會受到外在可見光的影響，藉由反射的訊號偵測深度。除了採用主動式深度偵測模組外，也可以使用被動式深度偵測模組，如使用雙攝影機取像，經由影像比對方式獲得深度資訊。

除了偵測手指的深度變化，也可利用本案所提出之深度偵測模組去偵測各種使用者的肢體變化，或是物件的變化，例如觸控筆等相關物件。

此外，顯示裝置更可包括一由深度偵測模組以及一力回饋系統所構成的互動模組，力回饋系統與深度偵測模組連接。深度偵測模組可以是一主動式深度偵測模組或一被動式深度偵測模組。具體而言，在一實施例中，主動式偵測模組可以是藉由一台以上的感光元件，將一主動式光源投射特定圖紋在被測物件上，利用真實影像與虛擬影像比對技術，計算其深度影像資訊。在另一實施例中，主動式偵測模組也可以藉由一台感光元件，並主動式發出雷射在被測物件上，利用三角測距法來計算其深度影像資訊。或者，主動式偵測模組還可以是藉由一台超音波接收器，並主動式發射超音波在被測物件上，利用音波來回的時間來計算其深度資訊。另外，深度偵測模組適於偵測使用者之肢體或操作物的空間位置，而與不同深度位置之漂浮實像影像進行互動控制。力回饋系統再將觸碰漂浮實像的碰觸感回饋給使用者，如此可讓使用者與漂浮實像互動。

綜上所述，本發明之顯示裝置藉由使自投影鏡組出射的光束滿足特定關係，藉此，可於投影鏡組與使用者之間產生一漂浮實像。並且，藉由深度偵測模組來偵測使用者的位置，且藉由與影像產生器、投影鏡組及深度偵測模組電性連接的控制單元，使得影像產生器與投影鏡組可依據使用者的位置來調整漂浮實像的位置，在一些實施例中，此漂浮實像為一立體影像，或者亦可透過立體眼鏡來觀看到立體的漂浮實像。因此，本發明之顯示裝置可提供使用者更栩栩如生的互動與體驗。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．使用者

200、300、400、500、600．．．顯示裝置

210．．．影像產生器

210’．．．裸眼3D立體顯示面板

210A．．．第一影像產生器

210B．．．第二影像產生器

210C．．．第三影像產生器

212．．．影像

212A．．．第一影像

212B．．．第二影像

212L．．．左眼影像

212R．．．右眼影像

220．．．投影鏡組

220R．．．反射器

222．．．合光元件

222A．．．第一合光元件

222B．．．第二合光元件

224．．．透鏡組

224A．．．第一透鏡組

224B．．．第二透鏡組

224C．．．第三透鏡組

224D．．．第四透鏡組

240．．．深度偵測模組

250．．．控制單元

260．．．漂浮實像

260’．．．立體3D漂浮實像

262．．．光束

260a．．．子漂浮實像

260aA．．．第一子漂浮實像

260aB．．．第二子漂浮實像

262C．．．主光線

262M．．．邊緣光線

270．．．致動器

280．．．立體眼鏡

282．．．快門眼鏡

284．．．偏光眼鏡

284L、284R．．．偏光鏡片

f1、f2．．．焦距

D1．．．物距

D2．．．像距

M1、M2．．．移動方向

M3．．．旋轉方向

D．．．使用者與漂浮實像之間的距離

L．．．漂浮實像的最大尺寸

p．．．垂直偏振方向

P1、P2．．．位置

s．．．水平偏振方向

W．．．使用者兩眼之間的距離

θ．．．光錐角

α．．．邊緣光線與對應之主光線之間的夾角

圖1為本發明一實施例中之一種顯示裝置的示意圖。

圖2為本發明一實施例之顯示裝置中一種投影鏡組的示意圖。

圖3為本發明一實施例之顯示裝置中一種投影鏡組的示意圖。

圖4為本發明一實施例之顯示裝置中一種投影鏡組的示意圖。

圖5為本發明一實施例之顯示裝置中一種投影鏡組的示意圖。

圖6A至圖6C為本發明一實施例之顯示裝置中影像經由投影鏡組投射出後產生漂浮實像的光路示意圖。

圖7A與圖7B為本發明之一實施例中用以調整影像產生器與投影鏡組之相對位置的示意圖。

圖7C為本發明之一實施例中顯示裝置可依據使用者的位置來調整漂浮實像位置的示意圖。

圖8A與圖8B分別表示當使用者配戴一立體眼鏡觀看如具有圖2之投影鏡組的顯示裝置時的示意圖。

圖9A與圖9B分別表示當使用者配戴一立體眼鏡觀看如具有圖4之投影鏡組的顯示裝置時的示意圖。

圖10A與圖10B為本發明之顯示裝置中一種利用裸眼3D立體顯示面板取代一般2D平面顯示面板的示意圖。

圖11為本發明之一實施例中一種顯示裝置的架構示意圖。