TW202001344A - 浮空成像顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種浮空成像顯示裝置，係包括一顯示光源，其可以主動式或被動式投射出平面或立體等不同深度資訊之光學影像；以及至少一陣列式三角反射鏡結構，係於一透明基板上設有數個呈陣列排列之三角凹槽，該些三角凹槽可以穿透該透明基板或陷入該透明基板中，並於各該三角凹槽側壁鍍上反射材質，透過該陣列式三角反射鏡結構可將該顯示光源之光學影像投影於前方之實體物理空間中，無需散射介質即可成像出立體浮空投影影像；透過上述之組成，具有深度資訊之虛擬立體浮空投影影像可顯示於空氣之中，其位置可透過該陣列式三角反射鏡結構調控來使之位於鏡像對稱或非對稱之空間區域，用於藏匿該顯示光源或進階的動態顯示。本裝置並可進一步結合姿態感測系統與超聲波力學回饋 ，建立一套即時互動浮空投影系統，以達到物理空間中之即時互動功能，使其可廣泛應用於生活中。

Description

浮空成像顯示裝置

本發明係有關於一種浮空成像顯示裝置，尤指涉及一種裸眼式浮空投影顯示技術，特別係指不須穿戴任何裝置，可於實體物理空間中投影出立體浮空影像，並可應用於教學、廣告與互動影音等領域者。

科技發展日新月異，現今時代越來越注重視覺感受，顯示技術不斷推陳出新，從以前的陰極射線管（Cathode ray tube, CRT）電視二維（Two-dimensional, 2D）顯示一直到現今虛擬實境（Virtual reality, VR） 、擴增實境（Augmented reality, AR）等等的三維（Three-dimensional, 3D）顯示技術，3D顯示技術自2009年電影阿凡達推出後便開始蓬勃發展，其中立體顯示技術又分為裸眼式及眼鏡式，裸眼式是不須穿戴任何裝置而將光學結構設置於顯示器上，而眼鏡式則是需帶上偏光鏡片或是濾光片等裝置，但其原理多是利用視差之方式讓兩眼觀看到不同之視角以合成一個3D立體影像。 在這些眾多3D立體顯示技術當中，近期又以裸眼顯示技術當中的浮空投影技術格外受到大家的注意，其特點為觀看者不需穿戴任何裝置且能夠在自由空間中投影出影像，使虛擬影像與實體物建結合，目前常被應用於大型表演藝術或是裝置藝術當中，未來更能夠結合相關回饋技術例如超聲波回饋技術等，讓浮空影像不再只是觀賞而能夠操控並與其影像互動。 傳統浮空投影技術分為散射式及半反射式，散射式主要利用薄紗網以及水幕之方式將影像投射在該介質上，經過光的散射使觀察者在不察覺散射介質之情況下觀看到影像，惟其影像不具立體性。而半反射式常見之技術為利用半穿半反鏡（又稱分光鏡(beam splitter, BS)）４１，經過分光鏡之反射讓觀察者４２能夠看到虛擬之影像４３並同時能夠觀看到實體空間如第６圖所示。近年反射式浮空投影技術則分為雙層垂直反射式及逆反射式。 上述技術主要差異在於，散射式浮空投影技術中水幕及紗網介質容易受到外在干擾使影像扭曲（如空氣擾動），成像品質甚劣，空間成本大，但容易製作大型影像；而半反射式浮空投影中主要優勢為影像畫質較高且較不受外在因素影響成像品質，但無法使虛擬影像落於實體物理空間中，並且受限於影像大小限制，若需要投射出較大型立體影像則需製作花費較高之大型半穿半反鏡，因此需要相當大之空間成本 ；逆反射式浮空投影成像品質較差，亦需相當大之空間成本；而雙層垂直反射式浮空投影受限於直角結構，無法調控虛擬影像位置，且其影像亦不具立體性。因反射式較易製為攜帶性裝置且不受外在因素影響以及呈現高畫質影像，故針對反射式相關技術延伸討論。 近年反射式浮空投影也有許多相關專利技術，如中華民國專利號I572899所提之擴充實境成像方法及其裝置，係利用視覺殘留原理，投影不同深度影像，透過反射鏡、聚焦透鏡及另一反射鏡後成像；惟此強調影像處理技術基於深度影像繪圖法（Depth Image Based Rendering, DIBR）之實現方式，並非浮空投影之技術概念。中華民國專利號I481905之可調整尺寸之立體成像裝置，係將待成像之物體影像之四個方向的二維視圖，即前視圖、後視圖、左視圖及右視圖，分別投影至一正四角椎體的四個側面，此一四角椎體係由特殊透光材質製成，可透過光的折射、反射而將投射至四邊側面之投射光合成立體影像；然而，此為最傳統之分光式浮空投影，虛擬影像落於屏幕後方之物理空間中，與本發明投射之屏幕前方不相同。中華民國專利號I608255之立體浮空影像顯示裝置，係利用兩片具有二面角反射器陣列之懸空影像板分別投射對應於左、右眼不同視角且不同偏極化狀態之會聚實像，該系統需搭配偏極化眼鏡以篩選偏極化之會聚光束，可使觀測者感知出立體浮空影像之效果；然而，此為傳統3D電視顯示之概念，需使用偏振眼鏡，無法裸視實現浮空投影。中華民國專利號I615634之透明自動立體顯示器，該顯示器(至少)具有至少一3D自動立體顯示模式(其中該顯示器被驅動且該光學配置係用於產生視圖)，及一透明顯示模式(其中該顯示器及該光學配置經驅動至透明模式，以提供在該顯示器背後之影像之一無失真視圖)；惟此裸視3D電視顯示之概念，立體影像落於屏幕內之虛擬空間。美國專利號US8702252之光學成像裝置及使用其的光學成像方法，係由日本主要從事影像處理之Asukanet公司針對浮空投影於2014年提出的一項專利技術，為一利用面鏡交錯陣列結構之盤狀光學元件，其結構由多個二維面鏡在不同水平面上交錯，使影像經過面鏡陣列後反射至對稱位形成一實像浮空影像；此技術係以雙次反射式結構達成浮空投影效果，結構為雙層直角交錯型態，無法調控影像位置，雖架構簡單只需一光學元件便可達成，但加工精細製作困難，且有可能產生多重影像需加裝偏光片，惟此便會降低其影像亮度。美國專利號US20120140325之使用雙面角型反射鏡陣列光學元件的顯示裝置，此系統包含一基板，於基板上方製作複數個反射面，反射面互相垂直，其反射面鏡凸出於基板，影像經過面鏡陣列後反射至對稱位形成一實像浮空影像；惟此專利為上述美國專利US8702252之反向結構，即凸起（或孔洞）結構，結構為單層直角型態，同樣無法調控影像位置。以及US4082426之具逆反射標記之逆反射片，該逆反射片（retro reflection sheet）係由複數個透明球體與反射背板組合而成，光線會透過球體與反射背板走一樣的光路徑，到相應位置成像；然而，圓球型態之逆反射（Retro-reflective）結構，其成像原理與本發明不相同。 而另一項技術則是在1968年C. B. Burckhardt等人提出的文獻（C. B. Burckhardt, R. J. Collier, E. T. Doherty, "Formation and Inversion of Pseudoscopic Images," Appl. Opt. 7, 627-631 (1968)），所提一光學薄膜（retro reflection）架構用於修正積分影像（Integral image）系統中反向立體（Pseudoscopic）之問題，其薄膜結構為將透鏡陣列排列，並於透鏡後方焦點位設置一反射層使其出射光線能夠延著其入射光之光路出射，達到一個反向的效果進而修正積分影像中反向立體之問題。 於2013年日本德島大學的Hirotsugu Yamamoto團隊提出一浮空投影架構，如第７圖所示，係利用一半穿半反鏡５１、軟性光學元件-逆反射片５２及LED面板（LED panel）光源５３組成。其原理為影像經過半穿半反鏡５１後反射至逆反射片５２，經由原光路反射後於對稱位形成一影像５４，其物與影像以分光鏡為對稱軸。惟此技術影像大小受限於逆反射薄膜大小，且因為經過多次反射影像亮度損耗極高。 鑑於上述前案需要複雜厚重系統，於系統體積、成像品質、投影空間及影像立體性等方面之表現皆不盡理想。故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種浮空投影顯示技術，屬於裸眼式，不須穿戴任何裝置，可於實體物理空間中投影出立體浮空影像，不具備傳統技術之缺點，並可應用於教學、廣告與互動影音等領域之浮空成像顯示裝置。 本發明之次要目的係在於，提供一種嶄新之立體浮空投影技術，並不需要複雜與厚重之元件，成像品質與屏材之加工水準直接相關（機械精度與光學鍍膜品質），不受其他因子（如色差、環境變化）之影響，本裝置並可進一步結合姿態感測系統與超聲波力學回饋，建立一套即時互動浮空投影系統，以達到物理空間中之即時互動功能，使其可廣泛應用於生活中之浮空成像顯示裝置。 為達以上之目的，本發明係一種浮空成像顯示裝置，係包括：一顯示光源，其可以主動式或被動式投射出平面或立體等不同深度資訊之光學影像；以及至少一陣列式三角反射鏡結構，係於一透明基板上設有數個呈陣列排列之三角凹槽，該些三角凹槽可以穿透該透明基板或陷入該透明基板中，並於各該三角凹槽側壁鍍上反射材質，透過該陣列式三角反射鏡結構可將該顯示光源之光學影像投影於前方之實體物理空間中，無需散射介質即可成像出立體浮空投影影像；透過上述之組成，具有深度資訊之虛擬立體浮空投影影像可顯示於空氣之中，其位置可透過該陣列式三角反射鏡結構調控來使之位於鏡像對稱或非對稱之空間區域，用於藏匿該顯示光源或進階的動態顯示。 於本發明上述實施例中，該些三角凹槽之角度係介於30～150°。 於本發明上述實施例中，該陣列式三角反射鏡結構係可單獨使用，依該些三角凹槽之角度來自由調控浮空投影影像之位置。 於本發明上述實施例中，該陣列式三角反射鏡結構係可多層交疊，依各層三角凹槽之交互夾角來自由調控浮空投影影像之位置。 於本發明上述實施例中，依該陣列式三角反射鏡結構之設計，可有效擴大浮空投影之有效視角範圍。

請參閱『第１圖～第５圖』所示，係分別為本發明浮空成像顯示裝置之架構示意圖、本發明之陣列式三角反射鏡結構示意圖、本發明之陣列式三角反射鏡結構之多層交疊示意圖、本發明之平面方型成像面模擬圖、以及本發明之立體梯型成像面模擬圖。如圖所示：本發明係一種浮空成像顯示裝置，係包括一顯示光源１以及至少一陣列式三角反射鏡結構２所構成。 上述所提顯示光源１可以主動式或被動式投射出平面或立體等不同深度資訊之光學影像。 該陣列式三角反射鏡結構２如第２圖所示，係於一透明基板２１上設有數個呈陣列排列之三角凹槽２２，該些三角凹槽２２可以穿透該透明基板２１或陷入該透明基板２１中，並於各該三角凹槽２２側壁２２１鍍上反射材質２２２，透過該陣列式三角反射鏡結構２可將該顯示光源１之光學影像投影於前方之實體物理空間中，無需散射介質即可成像出立體浮空投影影像３。其中，該些三角凹槽２２之角度可為30～150°，陣列式三角反射鏡結構２係可單獨使用（如第２圖所示），依該些三角凹槽２２之角度來自由調控浮空投影影像之位置；亦可藉由多層交疊（如第３圖所示），依各層三角凹槽２２之交互夾角來自由調控浮空投影影像之位置。 透過上述之組成，具有深度資訊之虛擬立體浮空投影影像３可顯示於空氣之中，其位置可透過該陣列式三角反射鏡結構２調控來使之位於鏡像對稱或非對稱之空間區域，用於藏匿該顯示光源１或進階的動態顯示。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之浮空成像顯示裝置。 本發明所提浮空成像顯示裝置，係一種透過陣列式三角反射鏡結構２以達到浮空成像的顯示裝置。承上述，該裝置係於一透明基板２１上，製作數個採陣列排列之三角凹槽２２，並於該些三角凹槽２２側壁２２１鍍上反射材質２２２。透過此陣列式三角反射鏡結構２可將影像投影於前方之實體物理空間中，無需散射介質即可成像。 本發明所提浮空成像顯示裝置之浮空投影方式與透鏡成像原理不同，其顯示光源１投射不同深度之影像資訊後，可經過此陣列式三角反射鏡結構２後，顯示立體浮空投影影像３，並可依三角凹槽２２之角度與多層交疊方式來調控浮空投影影像３位置。當運用時，本發明將架構建立於FRED非序列光學模擬設計軟體中，如第１圖所示，顯示光源１（物體）係一個梯形立方體，物體旋轉30度，因此兩個面對於陣列式三角反射鏡結構２之深度資訊不同，並將其轉換為平面資訊，且於觀察面設定兩面不同深度之分析面，由模擬結果觀察到不同深度之影像可以分別成像於兩個分析面，將兩個不同位置之分析面組合，以達到立體成像之目的，如第３、４圖所示，第３圖為平面方型成像面模擬圖，第４圖為立體梯型成像面模擬圖。 本裝置之優點為： 1. 可將影像投影於前方之實體物理空間中，無需散射介質即可成像。 2. 顯示光源投射不同深度之影像資訊後，可經過此結構屏材（即陣列式三角反射鏡結構）後，顯示立體浮空投影影像。 3. 可依三角凹槽角度與多層交疊方式來自由調控浮空投影影像位置。 4. 成像品質優，其解析度與陣列式三角反射鏡結構之最小加工尺度直接相關。 5. 浮空投影之有效視角可依陣列式三角反射鏡結構設計而有效擴大。 本發明所提浮空投影顯示技術，屬於裸眼式，不須穿戴任何裝置，係一種嶄新之立體浮空投影技術，可於實體物理空間中投影出立體浮空影像，不具備傳統技術之缺點，並具有深度資訊，可應用於教學、廣告與互動影音等領域。本發明並不需要複雜與厚重之元件，成像品質與屏材之加工水準直接相關（機械精度與光學鍍膜品質），不受其他因子（如色差、環境變化）之影響，本裝置並可進一步結合姿態感測系統與超聲波力學回饋，建立一套即時互動浮空投影系統，以達到物理空間中之即時互動功能，使其可廣泛應用於生活中。 綜上所述，本發明係一種浮空成像顯示裝置，可有效改善習用之種種缺點，顯示光源投射不同深度之影像資訊後，可經過陣列式三角反射鏡結構將影像投影於前方之實體物理空間中，無需散射介質即可成像出具有深度資訊的立體浮空投影影像，並可依三角凹槽角度與多層交疊方式來調控浮空影像位置，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

（本發明部分） １‧‧‧顯示光源 ２‧‧‧陣列式三角反射鏡結構 ２１‧‧‧透明基板 ２２‧‧‧三角凹槽 ２２１‧‧‧側壁 ２２２‧‧‧反射材質 ３‧‧‧ 浮空投影影像 （習用部分） ４１‧‧‧半穿半反鏡 ４２‧‧‧觀察者 ４３‧‧‧影像 ５１‧‧‧半穿半反鏡 ５２‧‧‧軟性光學元件 ５３‧‧‧光源 ５４‧‧‧影像

第１圖，係本發明浮空成像顯示裝置之架構示意圖。 第２圖，係本發明之陣列式三角反射鏡結構示意圖。 第３圖，係本發明之陣列式三角反射鏡結構之多層交疊示意圖。 第４圖，係本發明之平面方型成像面模擬圖。 第５圖，係本發明之立體梯型成像面模擬圖。 第６圖，係習用半反射式浮空投影原理示意圖。 第７圖，係習用之逆反射式浮空投影架構示意圖。

1‧‧‧顯示光源

2‧‧‧陣列式三角反射鏡結構

21‧‧‧透明基板

22‧‧‧三角凹槽

221‧‧‧側壁

222‧‧‧反射材質

3‧‧‧浮空投影影像

Claims (5)

1. 一種浮空成像顯示裝置，係包括： 一顯示光源，其可以主動式或被動式投射出平面或立體等不同深度資訊之光學影像；以及 至少一陣列式三角反射鏡結構，係於一透明基板上設有數個呈陣列排列之三角凹槽，該些三角凹槽可以穿透該透明基板或陷入該透明基板中，並於各該三角凹槽側壁鍍上反射材質，透過該陣列式三角反射鏡結構可將該顯示光源之光學影像投影於前方之實體物理空間中，無需散射介質即可成像出立體浮空投影影像； 透過上述之組成，具有深度資訊之虛擬立體浮空投影影像可顯示於空氣之中，其位置可透過該陣列式三角反射鏡結構調控來使之位於鏡像對稱或非對稱之空間區域，用於藏匿該顯示光源或進階的動態顯示。
2. 依申請專利範圍第１項所述之浮空成像顯示裝置，其中，該些三 角凹槽之角度係介於30～150°。
3. 依申請專利範圍第１項所述之浮空成像顯示裝置，其中，該陣列 式三角反射鏡結構係可單獨使用，依該些三角凹槽之角度來自由調控浮空投影影像之位置。
4. 依申請專利範圍第１項所述之浮空成像顯示裝置，其中，該陣列 式三角反射鏡結構係可多層交疊，依各層三角凹槽之交互夾角來自由調控浮空投影影像之位置。
5. 依申請專利範圍第１項所述之浮空成像顯示裝置，其中，依該陣 列式三角反射鏡結構之設計，可有效擴大浮空投影之有效視角範圍。

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