TW201344244A - 裸眼三維背投影顯示裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種裸眼三維(3D)背投影顯示裝置，本發明提供一種裸眼三維背投影顯示裝置，係利用投影模組接收一影像訊號，據以投射一影像光束至顯示模組上。微型二維稜鏡模組包含對應之複數個第一微型二維稜鏡元件及複數個第二微型二維稜鏡元件，並以鄰行交錯排列設於顯示模組上，據以形成陣列式畫素矩陣；微型二維稜鏡模組係經顯示模組接收影像光束，並作二維方向偏折以產生畫素點成像位置，即可實現呈現三維顯示影像之功效。

Description

裸眼三維背投影顯示裝置

本發明係有關一種裸眼三維背投影顯示裝置，特別是指一種使用微型二維稜鏡為畫素元件的裸眼三維背投影銀幕裝置。

近來因3D電影的興起，3D電視等顯示器面板市場的擴張，以及3D影像處理技術的發展，使得3D影像成為熱門技術，而2010年也被稱為是3D元年。而目前市面上的投影技術大多須觀賞者配戴立體眼鏡才能達到3D影像的成像效果。

目前，立體眼鏡大致上可區分為被動式(passive glasses)與主動式(active glasses)兩種。被動式立體眼鏡的立體顯示效果相對來說較差；主動式立體眼鏡的缺點是必須具備左、右眼高速切換甚至無線高頻視訊傳輸，長時間觀看容易產生視覺疲勞及影響視力，也可能導致眼部肌肉痙攣、調節速度遲緩、調節能力下降、血壓升高、心跳加速，嚴重者更會產生噁心、暈眩、嘔吐等不適現象。要實現3D影像效果，又要避免使用立體眼鏡產生的種種缺點，不需使用立體眼鏡的裸眼3D顯示技術無疑是一個有效的解決方法。

因此，如何實現裸眼立體投影銀幕，使光線經過顯示模組之後能產生二維偏折效果，並控制畫面上的每一個畫素點均能準確成像於觀賞者雙眼，而產生與配戴立體眼鏡類似之立體影像效果，並可完全避免頭戴3D眼鏡所產生的不方便性及不舒適感等是待解決的問題。

有鑑於此，本發明遂針對上述先前技術之缺失，提出一種裸眼三維背投影顯示裝置，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種裸眼三維背投影顯示裝置，其利用微型二維稜鏡為畫素元件，使光線經過銀幕上的每一微型二維稜鏡以產生不同角度的二維偏折效果，據以控制畫面上的每一個畫素點能準確成像於觀賞者雙眼，進而達到三維立體影像之目的。

本發明之另一目的在提供一種裸眼三維背投影顯示裝置，其可有效解決習知觀看三維影像所需之3D眼鏡成本，及其使用過程所產生的不方便性及不舒適感等問題。

為達上述之目的，本發明提供一種裸眼三維背投影顯示裝置，包括一顯示模組、一投影模組及一微型二維稜鏡模組。投影模組係接收一影像訊號，據以投射一影像光束至顯示模組上，其中，微型二維稜鏡模組設於顯示模組上，微型二維稜鏡模組包含對應之複數個第一微型二維稜鏡元件及複數個第二微型二維稜鏡元件，並以鄰行交錯排列設於顯示模組上，據以形成陣列式畫素矩陣；微型二維稜鏡模組係經顯示模組接收影像光束，並作二維方向偏折以產生畫素點成像位置，藉由此新穎的結構設計，可實現呈現三維顯示影像之功效。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

如第1圖所示，裸眼三維背投影顯示裝置包括一顯示模組12、一投影模組14及一微型二維稜鏡模組18。可將欲播放之影像訊號傳輸至投影模組14，投影模組14係位於顯示模組12後方，當投影模組14接收影像訊號後，據以直接投射一影像光束至顯示模組12上。

值得注意的是，本發明係使用具有二維偏折特性的微型二維稜鏡模組18，並將其設於顯示模組12上，若顯示模組12為液晶螢幕，則可將微型二維稜鏡模組18直接貼附於液晶螢幕上，以產生裸眼三維顯示之效果。其中，微型二維稜鏡模組18包含對應之複數個第一微型二維稜鏡元件22及複數個第二微型二維稜鏡元件24，並以鄰行交錯排列設於顯示模組12上，而每一第一微型二維稜鏡元件22及微型二維稜鏡元件24皆表示為一畫素，據以形成陣列式畫素矩陣。微型二維稜鏡模組18係經顯示模組12接收影像光束後，並作二維方向偏折以產生畫素點成像位置(容後詳述)。

其中，每一第一微型二維稜鏡元件22、第二微型二維稜鏡元件24之結構相同，如第2圖所示，以第一微型二維稜鏡元件22結構為例作詳細說明，其由一平面26、一斜面28、環設於平面26及斜面28之間相對側的一第一三角平面30、一第一楔形平面32以及相對側的一第二三角平面34、一第二楔形平面36所構成。第一三角平面30與第二三角平面34相鄰處分別具有一第一夾角(A₁)及一第二夾角(A₂)，第一楔形平面32自第二三角平面34相鄰處延伸有一第一延伸夾角(A₁’)，且第一延伸夾角(A₁’)與第一夾角(A₁)的角度相同。第二楔形平面36自第一三角平面30相鄰處延伸有一第二延伸夾角(A₂’)，且第二延伸夾角(A₂’)與第二夾角(A₂)之角度相同。

由於可根據第一夾角與第二夾角的角度以取得光線的偏折方向，故本發明設計第一夾角與第二夾角之角度範圍為1～30，此角度範圍適用於各種入射光線的偏折角度及出射角度。其中，第一夾角與第二夾角之角度可為相同，亦可為不相同，可視每一第一微型二維稜鏡元件22、第二微型二維稜鏡元件24位於顯示模組12的實際所在位置而隨之調整；換言之，就是可改變第一夾角與第二夾角的角度來產生不同的立體偏折角度，以精確地控制顯示模組12上每一畫素點成像位置。尤其是靠近顯示模組12邊陲角落的畫素點也能藉由改變第一微型二維稜鏡元件22或第二微型二維稜鏡元件24之第一夾角與第二夾角的角度，以及鄰行交錯排列設於顯示模組12上之設計，以精確的聚焦於觀測者雙眼，進而實現立體影像的效果。

再如第3圖所示，裸眼三維背投影顯示裝置更包括一殼體10及一反射模組16，殼體10內具有一容置空間20，顯示模組12設於殼體10上，而投影模組14、反射模組16係設於殼體10之容置空間20內，將所有模組組裝為便於攜帶或是易於操作的系統。可將欲播放之影像訊號傳輸至投影模組14，其接收影像訊號後，據以投射一影像光束，再由反射模組16接收影像光束並反射一反射影像光束至顯示模組12上。

其中，本發明之微型二維稜鏡模組18係利用一斜光線追跡(skew ray tracing)模組找出反射影像光束在內部折射的狀態，在此仍以第一微型二維稜鏡元件22來舉例說明，如何將反射影像光束進行二維偏折及求出出射光方向，如第4A圖所示。由於第一微型二維稜鏡元件22係設計為立體的幾何結構，在此第一微型二維稜鏡元件22介質的折射率設定為n ₁、n ₂、n ₃，斜面28作為光線入射邊界，而平面30作為光線出射邊界為例說明。座標系統之對應關係如後所述，假設反射影像光束沿著Z軸進入斜面28，且XY軸平行於平面26；由於環設於平面26及斜面28之間的四個側邊高度皆不相同，平面26的邊長為D，第一三角平面30與第二三角平面34相鄰邊的高度為0，第一三角平面30與第二楔形平面36相鄰邊的高度為H，第二三角平面34與第一楔形平面32相鄰邊的高度為H+△H，第一楔形平面32與第二楔形平面36相鄰邊的高度為2H+△H，如此第一夾角為tanA=，且第二夾角為tanA ₂=。

其中斜面28入射邊界的法向量為，平面26出射邊界的法向量為，當光線自斜面28入射的入射光為，折射光為，此時斜面28的入射角為cosI ₁，折射角為cosR ₁。平面26的入射光為，折射光為，此時平面26的入射角為cosI ₂，折射角為cosR ₂；由於斜面28的折射光即為平面26的入射光，故等於。

其中，斜面28的傾斜角度可利用一光學追蹤模擬公式找出第一夾角(A₁)、第二夾角(A₂)之角度與一光線偏折角度間的對應關係，且光線偏折角度係由第一夾角、第二夾角之角度決定，光學追蹤模擬演算法如下所示：

斜面28的入射邊界：

平面26的出射邊界：

其中，入射光與出射光間的偏向角可由cos^-1()計算得出，請同時配合第4B圖，由於入射光平行於Z軸，出射光的方向可由出射光與Z軸間的傾斜角cosθ及在XY平面上的X軸方位角cosΦ來考慮，如下：

其中，(L _{2 R} ,M _{2 R} ,0)，為在XY平面上的單位投影向量。設n ₁=n ₃=1及n ₂=1.49309，可求出改變斜面28的傾斜仰角所造成出射光r _{2 R} 的傾斜角θ和方位角Φ的變化，請同時參閱第4A圖及第4B圖，第5A圖為本發明之微型二維稜鏡元件之斜面28的傾斜仰角與傾斜角θ之關係曲線圖，第5B圖為本發明之微型二維稜鏡元件斜面28的傾斜仰角與方位角Φ之關係曲線圖。

綜上所述，改變微型二維稜鏡元件之第一夾角(A₁)、第二夾角(A₂)之角度即可控制光線偏折角度，故反射影像光束通過每一第一微型二維稜鏡元件22、第二微型二維稜鏡元件24後的折射方向及位置，可作為顯示模組12上之陣列式畫素矩陣的設計參數依據；如此一來，就能因應不同尺寸的顯示螢幕，以達到精準控制顯示模組上每一像素點成像位置，同時能準確地控制經二次偏折後之每個光束都能聚焦於觀賞者的雙眼，達到三維立體影像之目的。更進一步而言，由於本發明之整體結構簡單，能將微型二維稜鏡產生三維的立體效果，可具體實現應用顯示螢幕上能具有無像差、低光功率損失及低成本等優點；此外，微型二維稜鏡係為具良好穿透性質之介質材料，如壓克力或玻璃等，當然，只要具良好穿透性質之介質材料皆可應用於本發明之裝置上，應皆屬於本專利的範圍。其中，所舉例的壓克力或玻璃等材質，是生活中常見且易於取得的材質，故能降低製造上的成本。

再者，本發明使用微型二維稜鏡作為光折射元件，可有效解決習知觀看三維影像所需之3D眼鏡成本，及其使用過程所產生的不方便性及不舒適感等問題。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10．．．殼體

12．．．顯示模組

14．．．投影模組

16．．．反射模組

18．．．微型二維稜鏡模組

20．．．容置空間

22．．．第一微型二維稜鏡元件

24．．．第二微型二維稜鏡元件

26．．．平面

28．．．斜面

30．．．第一三角平面

32．．．第一楔形平面

34．．．第二三角平面

36．．．第二楔形平面

第1圖為本發明之示意圖。

第2圖為本發明之微型二維稜鏡元件之結構圖。

第3圖為本發明之另一示意圖。

第4A圖為本發明之光線行走路徑示意圖。

第4B圖為本發明另一光線行走路徑示意圖。

第5A圖為本發明之微型二維稜鏡元件之斜面的傾斜仰角與傾斜角之關係曲線圖。

第5B圖為本發明之微型二維稜鏡元件之斜面的傾斜仰角與方位角之關係曲線圖。

12．．．顯示模組

14．．．投影模組

18．．．微型二維稜鏡模組

22．．．第一微型二維稜鏡元件

24．．．第二微型二維稜鏡元件

Claims (12)

1. 一種裸眼三維背投影顯示裝置，包括：一顯示模組；一投影模組，係接收一影像訊號，據以投射一影像光束至該顯示模組上；及一微型二維稜鏡模組，設於該顯示模組上，該微型二維稜鏡模組包含對應之複數個第一微型二維稜鏡元件及複數個第二微型二維稜鏡元件，並以鄰行交錯排列設於該顯示模組上，據以形成陣列式畫素矩陣，該微型二維稜鏡模組係經該顯示模組接收該影像光束，並作二維方向偏折以產生畫素點成像位置。
2. 如請求項1所述之裸眼三維背投影顯示裝置，其中每一該第一、第二微型二維稜鏡元件之結構相同，皆由一平面、一斜面、環設於該平面及該斜面之間相對側的一第一三角平面、一第一楔形平面以及相對側的一第二三角平面、一第二楔形平面所構成，該第一三角平面與該第二三角平面相鄰處分別具有一第一夾角及一第二夾角，該第一楔形平面自該第二三角平面相鄰處延伸有一第一延伸夾角，且該第一延伸夾角與該第一夾角的角度相同，該第二楔形平面自該第一三角平面相鄰處延伸有一第二延伸夾角，且該第二延伸夾角與該第二夾角之角度相同。
3. 如請求項2所述之裸眼三維背投影顯示裝置，其中該第一夾角與該第二夾角之角度範圍為1~30度。
4. 如請求項2所述之裸眼三維背投影顯示裝置，其中該第一夾角與該第二夾角之角度相同。
5. 如請求項2所述之裸眼三維背投影顯示裝置，其中該第一夾角與該第二夾角之角度不同。
6. 如請求項1所述之裸眼三維背投影顯示裝置，其中該微型二維稜鏡模組可利用一光學追蹤模擬公式找出每一該第一、第二微型二維稜鏡元件之光線偏折角度，據以計算出每一該第一、第二微型二維稜鏡元件對應該顯示模組位置上所產生該畫素點成像位置。
7. 如請求項1所述之裸眼三維背投影顯示裝置，其中該些第一、第二微型二維稜鏡元件之材質為具良好穿透性質之介質材料。
8. 如請求項7所述之裸眼三維背投影顯示裝置，其中該些第一、第二微型二維稜鏡元件之材質為壓克力或玻璃。
9. 如請求項1所述之裸眼三維背投影顯示裝置，其中該微型二維稜鏡模組係為一微型二維稜鏡模組薄膜，其可貼附於該顯示模組上。
10. 如請求項1所述之裸眼三維背投影顯示裝置，更包括一殼體，其內具有一容置空間，該顯示模組係設於該殼體上，該投影模組設於該殼體之該容置空間內。
11. 如請求項10所述之裸眼三維背投影顯示裝置，更包括一反射模組，設於該殼體之該容置空間內，係接收該影像光束並反射一反射影像光束至該顯示模組，該微型二維稜鏡模組係經該顯示模組接收該反射影像光束，並作二維方向偏折以產生該畫素點成像位置。
12. 如請求項1所述之裸眼三維背投影顯示裝置，其中該顯示模組係為銀幕或液晶顯示面板。