TW201805657A - 影像顯示裝置及影像顯示方法 - Google Patents

Abstract

一種影像顯示裝置，用於顯現漂浮於空中的立體影像，且能在斜向的視角觀賞，包括一圖像顯示裝置及一透鏡陣列層。圖像顯示裝置具有顯示面及圖像演算單元，圖像顯示裝置能通過圖像演算單元於顯示面顯示尚未重建的圖像。透鏡陣列層設置於圖像顯示裝置的顯示面上，透鏡陣列層包含一基部及多個透鏡，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。

Description

影像顯示裝置及影像顯示方法

本發明涉及一種影像顯示裝置及影像顯示方法，尤其涉及一種為顯示目的使用，主要領域為3D立體顯示，採用3D裸視技術，使用上較為簡易方便的影像顯示裝置及顯示方法。

按，三維立體顯示裝置，一般主流採用雙眼融合影像的技術製成。一般裸視三維立體顯示裝置，皆讓觀賞者在正對顯示裝置的角度觀看，抑或影像深度不能遠離顯示平面太多。然而在考慮一些情境狀況的場合裡，例如航空地形模型、建築模型、醫療3D訓練等，顯示裝置為水平擺放的情況時，觀賞者自然的視角為斜向的觀看顯示裝置。此時一般主流的三維顯示技術無法提供對觀賞者自然的觀看角度，造成不便。再者，一般三維立體顯示裝置，在正面所觀看的3D感知，對觀賞者來說是只有一個方向的視覺刺激，就像是畫面突出或沉入。而無法達到真正讓影像脫離平面的感覺，實現漂浮於空中的感覺。

綜上所述，本發明人有感上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合學理的應用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本發明。

本發明所要解決的技術問題，在於提供一種影像顯示裝置及影像顯示方法，可提供漂浮顯示的效果，能讓觀賞者在斜向的角度觀看立體影像。

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種影像顯示裝置，用於顯現漂浮於空中的立體影像，且能在斜向的視角觀賞，包括：一圖像顯示裝置，其具有顯示面及圖像演算單元，該圖像顯示裝置能通過該圖像演算單元於該顯示面顯示尚未重建的圖像；以及一透鏡陣列層，其設置於該圖像顯示裝置的顯示面上，該透鏡陣列層包含一基部及多個透鏡，該些透鏡設置於該基部的一面，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。

為了解決上述技術問題，本發明還提供一種影像顯示方法，包括步驟：提供一影像顯示裝置，該影像顯示裝置包括一圖像顯示裝置及一透鏡陣列層，該圖像顯示裝置具有顯示面及圖像演算單元，該透鏡陣列層設置於該圖像顯示裝置的顯示面上，該透鏡陣列層包含一基部及多個透鏡，該些透鏡設置於該基部的一面；進行座標定義，設定硬體的相對位置，包括該透鏡陣列層上的每一個透鏡的相對位置，以及該透鏡陣列層相對該圖像顯示裝置的距離和像素大小的搭配，而後在該圖像演算單元的演算中放入將要顯示的三維物件的資料，且設定該三維物件顯示的斜向角度，再經過光線追跡，在該圖像顯示裝置的顯示面顯示尚未重建的圖像資料；以及該圖像顯示裝置的顯示面所顯示尚未重建的圖像通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。

本發明至少具有下列的優點：

本發明在硬體特點上，不需要其他光學膜片，只要一圖像顯示裝置及一透鏡陣列層，極其簡單的裝置，就可以達到懸浮圖像的效果。本發明的顯示方法，有別於一般集成式影像計算演算法，可以對斜向的觀賞角度，直接給於此角度相對應的演算圖像。

漂浮的立體影像，在於觀看立體影像的懸浮感。而斜向的觀看視角，有助於觀賞者判別空間內影像的相對應深度及位置感知，而達到懸浮觀賞的效果。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而附圖僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

1‧‧‧圖像顯示裝置

11‧‧‧顯示面

12‧‧‧圖像演算單元

13‧‧‧集成式影像

2‧‧‧透鏡陣列層

21‧‧‧基部

22‧‧‧透鏡

5‧‧‧觀賞者

5’‧‧‧觀賞者

圖1為本發明影像顯示裝置的立體示意圖。

圖2為本發明影像顯示裝置正向觀賞的平面示意圖。

圖3為本發明影像顯示裝置斜向觀賞的平面示意圖(一)。

圖4為本發明影像顯示裝置斜向觀賞的平面示意圖(二)。

圖5為本發明影像顯示方法的流程圖。

圖6為本發明演算法搭配顯示硬體控制的示意圖。

圖7為本發明顯示裝置透鏡陣列相對排列的示意圖。

圖8為本發明顯示裝置透鏡陣列交錯排列的示意圖。

圖9圖為本發明顯示裝置單一透鏡聚焦情形的示意圖。

圖10為本發明影像顯示裝置另一實施例使用狀態的示意圖。

圖11為本發明顯示裝置透鏡陣列為柱狀結構的立體示意圖。

圖12為本發明顯示裝置透鏡陣列為柱狀結構的平面示意圖。

[第一實施例]

本發明提供一種影像顯示裝置，其可應用於光電、醫療、軍事、展示、顯示器、教育娛樂及消費型電子等產業，該影像顯示裝置可應用於主動式或被動式三維立體顯示器，並不予以限制。

如圖1所示，該顯示裝置包括一圖像顯示裝置1及一透鏡陣列層2，可以透過顯示圖像的改變，更改觀賞者5角度位置所看到 的立體影像畫面，讓觀賞者5可以在其他視角位置觀賞立體影像。本實施例結構分為兩層構造，此裝置可以設置在任意平面的位置，例如桌上、牆上或天花板等平面空間擺放。

圖像顯示裝置1具有顯示面11，可用於顯示圖像。透鏡陣列層2設置於圖像顯示裝置1的顯示面11上，亦即透鏡陣列層2設置於圖像顯示裝置1的上方。透鏡陣列層2可接觸圖像顯示裝置1的顯示面11，透鏡陣列層2也可與圖像顯示裝置1的顯示面11形成間隔設置，或是在圖像顯示裝置1的顯示面11與透鏡陣列層2之間設置中間層。

圖像顯示裝置1設置於第一層(下層)，其負責顯示尚未經過光線重現的平面圖像，此平面圖像可以透過透鏡陣列層2的透鏡陣列達到光線重新分配和組合，進而顯示重組的三維立體影像。第一層的圖像顯示裝置1只需顯示目標圖像，因此可以是任意的硬體構造，包括手機、平板或平面螢幕，抑或是印刷、刻印等圖像，也可以是投影顯示類型等，該圖像顯示裝置1的型式及構造並不限制。

透鏡陣列層2設置於第二層(上層)，該透鏡陣列層2具有調控光場的功效，透鏡陣列層2可以調控立體物件的光線角度，讓原本尚未重組的平面影像進行重新分配和組合，進而讓觀賞者5看到三維立體影像。單一透鏡曲率將由透鏡的材料本質決定，並配合與第一層的圖像顯示裝置1的結合，決定立體影像的高度、可視角度範圍及清晰度等三維影像內容。

在本實施例中，該透鏡陣列層2以光學特性良好的材質所製成，例如有機玻璃(PPMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)或玻璃(Glass)等透光材質製成，該透鏡陣列層2的材質並不限制。該透鏡陣列層2包含一基部21及多個透鏡22，該些透鏡22設置於基部21的一面，亦即該些透鏡22設置於基部21遠離圖像顯示裝置1的一面，該透鏡陣列層2的排列及構造並不限制，該些透鏡22 具有聚焦功能。

本發明最大的特點在於斜向觀賞三維立體影像，所謂斜向觀賞的方式是指觀賞者5並非正對圖像顯示裝置1，但也能看到立體影像。在傳統的裸眼式三維立體顯示中，絕大多數有觀賞視角的問題，而讓觀賞者5不能在斜向的角度看到。在本發明中，斜向觀賞反而是一大特點，如圖2所示，觀賞者5在正對圖像顯示裝置1的方向上(zero order viewing zone)，而左右分別有一段可觀賞的視角限制，一旦超出此視角，則觀賞者看到的將不是相對應所在角度應該看到的立體資訊。

為達到斜向觀賞立體影像，可以如圖3及圖4所顯示的方式，不再採用0階(正向)的顯示方式，而是採用斜向角度的顯示方式，將光路徑匯聚到斜向的方向上，而讓觀賞者5可以在該斜向的方向上觀賞立體影像。圖3及圖4分別顯示設定為第一階顯示區(first order viewing zone)及設定為第二階顯示區(second order viewing zone)，亦即斜度愈大表示其階數愈大，當然也可設定為第三階或第四階等顯示區。同時尚未經過重組的平面影像也需要隨之調整，演算法方式由第二實施例說明。配合同階數的圖像，觀賞者5可以在不同的斜向角度觀賞立體影像。斜向顯示影像的方式可以使用在許多特殊的應用場合，例如需要將顯示裝置隱藏時，或者是觀賞者5情境為非正式角度觀賞皆可。

[第二實施例]

本發明的圖像顯示裝置1可以為任意規格，只要能讓演算法則適用，亦即圖像顯示裝置1具有一圖像演算單元12，使用於圖像顯示裝置1的圖像需要經過圖像演算法的計算，此計算搭配透鏡陣列的架構，預知其光線行走的各種路徑，而計算圖像相對位置。圖5為本發明影像顯示方法的流程圖，包括步驟如下：首先，提供一影像顯示裝置，該影像顯示裝置包括一圖像顯示裝置1及一透鏡陣列層2(如圖1所示)，該圖像顯示裝置1 具有顯示面11及圖像演算單元12，透鏡陣列層2設置於圖像顯示裝置1的顯示面11上，透鏡陣列層2包含一基部21及多個透鏡22，該些透鏡22設置於基部21的一面；而後進行座標定義(Coordinate definition)，設定硬體的相對位置，包括透鏡陣列層2上的每一個透鏡22的相對位置，以及透鏡陣列層2相對圖像顯示裝置1的距離和像素大小的搭配，而後在圖像演算單元12的演算中放入將要顯示的三維物件的資料，且設定該三維物件顯示的斜向角度，再經過光線追跡(ray tracing)，而後在該圖像顯示裝置1的顯示面11顯示尚未重建的圖像資料。

最後，如圖6所示，經由圖像顯示裝置1搭配已計算過後的圖像，可以經由透鏡陣列層2再度將三維立體物件重組，以重新組合成集成式影像(integral image)13，形成立體影像。由於斜向觀賞，因此所計算的圖像略有些微不同，如圖2、圖3及圖4所示，三者的三維物件來源皆為同一物件，但由於觀賞角度不同，因此在演算法上配合不同角度的顯示設定，導致最後產生的圖像也有些略不同。本發明配合兩層結構的搭配，光線可以由圖像顯示裝置1傳出並透過透鏡陣列層2重新匯聚成3D立體影像於空中，以符合人體工學的視角。

[第三實施例]

本發明的透鏡陣列層2對顯示的效果有非常重要的關聯，如圖7及圖8表示，透鏡陣列的排列方式可以為矩形排列或六角形排列的方式，亦即每相鄰兩列的透鏡22可呈相對的排列(如圖7所示)或交錯的排列(如圖8所示)，皆可以顯示3D影像資訊。

在透鏡陣列層2上的微結構為聚焦功能的透鏡，此微透鏡規格將依照材質折射率n值決定其透鏡聚焦能力，可使用光線的波長範圍為300nm至1100nm。單一的小透鏡焦距情形如圖9所示，符合造鏡者公式：1/f=(n-1)(1/R1+1/R2)

其中R1和R2分別為透鏡兩邊的曲率半徑，f是透鏡焦距，n是透鏡折射率。另外透鏡直徑大小從100um到5mm適用不同顯示裝置的像素大小。

[第四實施例]

請參閱圖10，本實施例為一種斜向角度觀賞的應用方式，在圖像顯示裝置1兩端皆有觀賞者5、5’，可以分別觀看從對面而來的顯示資料，並利用有指向性的背光源模組，且搭配預先計算好演算圖像，便可以提供給兩端的觀賞者5、5’同一立體物件的正面和背面影像，從而達到多視角觀賞者5、5’的立體顯示影像。指向性的背光源是為了提供特定角度的光線，以避免過多的發散角度而產生影像干擾的情況。而演算的圖像需預先計算好提供角度的立體影像的顯示區域。這種方式可以解決傳統裸視顯示器的觀賞角度不足的問題。

[第五實施例]

請參閱圖11及圖12，透鏡陣列層2的透鏡22也可以為柱狀結構，亦即該些透鏡22呈柱狀體，因此只有在一個維度方向具有透鏡的特性，而另一方向沒有。

[第六實施例]

另，本發明的圖像顯示裝置1也可為一種具有人眼追蹤的立體顯示器，本發明應用於此實施例給予單人觀賞者更大的觀賞視角，能利用感測元件追蹤畫面中人眼的位置，再依照所追蹤的位置區域計算相對應觀賞者面對圖像顯示裝置1的角度方向，再探測人眼對於圖像顯示裝置1的相對角度後，再配合此角度演算提供畫面，以給予人眼移動時相對應的立體影像畫面。如此可以根據觀賞者的位置移動給予相對應立體影像，可以解決傳統裸眼立體顯示裝置的視角不足的問題。

是以，本發明提出一種可以適用於斜向觀賞角度的影像顯示裝置及顯示方法，配合硬體設置，可控制裝置中各個位置像素經 過光學元件的光線行進方向。本發明硬體系統為簡易光學元件，包括圖像顯示裝置及透鏡陣列層，可封裝成一個套件，藉由設計好的像素大小、系統間隙、透鏡大小及焦距，利用集成式影像原理，搭配經過特殊演算法的螢幕輸出畫面訊號，可以使其呈現實像在立體空間之中。

本發明在硬體特點上，不需要其他光學膜片，只要一圖像顯示裝置及一透鏡陣列層，極其簡單的裝置，就可以達到懸浮圖像的效果。本發明的顯示方法，有別於一般集成式影像計算演算法，可以對斜向的觀賞角度，直接給於此角度相對應的演算圖像。

以上所述僅為本發明之優選實施例，非意欲侷限本發明的專利保護範圍，故凡運用本發明說明書及附圖內容所為的等效變化，均同理皆包含於本發明的權利保護範圍內，合予陳明。

1‧‧‧圖像顯示裝置

11‧‧‧顯示面

12‧‧‧圖像演算單元

2‧‧‧透鏡陣列層

21‧‧‧基部

22‧‧‧透鏡

5‧‧‧觀賞者

Claims (10)

1. 一種影像顯示裝置，用於顯現漂浮於空中的立體影像，且能在斜向的視角觀賞，包括：一圖像顯示裝置，其具有顯示面及圖像演算單元，該圖像顯示裝置能通過該圖像演算單元於該顯示面顯示尚未重建的圖像；以及一透鏡陣列層，其設置於該圖像顯示裝置的顯示面上，該透鏡陣列層包含一基部及多個透鏡，該些透鏡設置於該基部的一面，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
2. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中每相鄰兩列的透鏡呈相對的排列或交錯的排列。
3. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中該些透鏡呈柱狀體。
4. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中該些透鏡使用光線的波長範圍為300nm至1100nm，該些透鏡直徑為100um到5mm，該些透鏡符合造鏡者公式：1/f=(n-1)(1/R1+1/R2)，其中R1和R2分別為透鏡兩邊的曲率半徑，f是透鏡焦距，n是透鏡折射率。
5. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中該圖像顯示裝置為一種具有人眼追蹤的立體顯示器。
6. 一種影像顯示方法，包括步驟：提供一影像顯示裝置，該影像顯示裝置包括一圖像顯示裝置及一透鏡陣列層，該圖像顯示裝置具有顯示面及圖像演算單元，該透鏡陣列層設置於該圖像顯示裝置的顯示面上，該透鏡陣列層包含一基部及多個透鏡，該些透鏡設置於該基部的一面；進行座標定義，設定硬體的相對位置，包括該透鏡陣列層上的每一個透鏡的相對位置，以及該透鏡陣列層相對該圖像顯示裝置的距離和像素大小的搭配，而後在該圖像演算單元的演算中放入將要顯示的三維物件的資料，且設定該三維物件顯示的斜向角 度，再經過光線追跡，在該圖像顯示裝置的顯示面顯示尚未重建的圖像資料；以及該圖像顯示裝置的顯示面所顯示尚未重建的圖像通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
7. 如請求項6所述的影像顯示方法，其中每相鄰兩列的透鏡呈相對的排列或交錯的排列。
8. 如請求項6所述的影像顯示方法，其中該些透鏡使用光線的波長範圍為300nm至1100nm，該些透鏡直徑為100um到5mm，該些透鏡符合造鏡者公式：1/f=(n-1)(1/R1+1/R2)，其中R1和R2分別為透鏡兩邊的曲率半徑，f是透鏡焦距，n是透鏡折射率。
9. 如請求項6所述的影像顯示方法，其中在該圖像顯示裝置兩端皆有觀賞者，分別觀看從對面而來的顯示資料，並利用有指向性的背光源模組，且搭配預先計算好演算圖像，以提供給兩端的觀賞者同一立體物件的正面和背面影像。
10. 如請求項6所述的影像顯示方法，其中該圖像顯示裝置為一種具有人眼追蹤的立體顯示器，能利用感測元件追蹤畫面中人眼的位置，再依照所追蹤的位置區域計算相對應觀賞者面對該圖像顯示裝置的角度方向，再探測人眼對於該圖像顯示裝置的相對角度後，再配合此角度演算提供畫面，以給予人眼移動時相對應的立體影像畫面。