TW567388B - Pattern projection techniques for volumetric 3D displays and 2D displays - Google Patents

Pattern projection techniques for volumetric 3D displays and 2D displays Download PDF

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Description

567388 A7 ________δ? 五、發明説明（丨） 立體三維顯示器與二維顯示器之投影裝置與方法 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明背景 本發明係關於影像投影裝置與方法，使本身没有彩色 或灰階（gray scale)的空間光調節器（spatial light modulator or SLM)也可用投影產生具有彩色或灰階的影 像。本發明特別適合用於立體三維顯示器（volumetric 3D display)以顯示彩色或灰階的立體三維影像。立體三 維顯示器是一種能將三維影像顯示於空間中之技術.所謂 立體三維影像（volumetric 3D image),其影像之每一個 像素（voxel)在空間中實際所佔的位置就是其幾何上所應 在的位置，每一個像素所發出的光線射向幾乎所有方向， 並在觀察者的眼中形成實像.因此，觀察者可以從幾乎任 何方向觀看此立體三維影像，毋須借助任何特殊眼鏡.‘多 位觀察者可以圍繞顯像空間，從不同方向觀看同一立體影 像.例如，美國專利5,754,147及5,954,414號[Tsao et al· i998; Tsao 1999]敘述了一種立體三維顯示器， 其基本原理爲使用一投影裝置投出一連串影像畫面，然後 通過~ ϋ·•影像傳遞機構』傳遞到一移動屏幕上顯示出來。 屏幕之運動遂將投影其上的一張張影像畫面分佈顯示於空 間中。因視覺暫留效果，這些分佈於空間中的一張張影像 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
567388 A7 B7 五、發明説明（z) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 畫面便在觀察者眼中形成立體三維影像。除了立體三維顯 示器，本發明也可用於二維顯示器，例如二維影像的投影 顯7K，以及用於光相關器（optical correlator)所需的 商畫面率（high frap\e rate)顯示器。 許多空間光調節器本身没有彩色或灰階。以液晶顯示 器（LCD)爲例，係以像素單元(pixei ceU)中的液晶分 子的排列方向來調節通過的或反射的光量。因此，液晶顯 示器只能顯示黑白或灰階影像，而没有彩色。要使用液晶 顯彩色影像，一般方法是在像素單兀上加上一層 « * 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 彩色爐光薄膜，一般或稱爲彩色像素組（color triads) 。加了彩色的像素單元即可用來顯示彩色影像。此方法的 缺點是白色光經彩色爐光後耗損大約2/3的光度。因此， 有硏究利用干涉光件（diffractive optics)或全像光件 (holographies elements)施行空間分光（spatio-chromatic)技術，·以降低光度耗損。例如，[Joubert]所 描述的裝置，係使用微型光柵（grating system)將紅綠 藍三原色分離，然後再以一微型透鏡列陣（micro-lens array)將紅綠藍光點分別投照於不同的像素單元上。上述 微型光栅與透鏡列陣的功能也可由一全像微型透鏡列陣取 代。另一種做法是將微型光柵直接製作於微型透鏡表面， 如[Morris]所述的裝置。以上方式可以產生光度耗損低 的彩色像素組圖樣。 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 567388 A7, _____ B7五、發明説明（3 ) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 另一種顯示彩色影像的方法是使用三片顯示面板.，如 三片液晶顯示器，每片分別投以不同顏色的光（如紅，綠 ，藍三原色），然後將三個不同顏色的畫面投影重疊在一 起。又如果液晶顯示器的畫面率（frame rate)高，例如 使用鐵電性液晶（ferroelectric liquid crystal)的鐵 電性液晶顯器，則可以使用連續影面（field sequential) 法顯示彩色影像，如此只需一片液晶顯示器。[參閱Displaytech 公司產品型錄] 产 \ 除液晶顯示器外，尚有其他顯示器只能顯示黑白或灰 階影像。例如數位微鏡顯示器（digital micro-mirror device,簡稱DMD)表面有一個由許多微小反射鏡構成之矩 陣，外在光源由一側照射其上，經由偏轉每一小反射鏡的 角度，可以產生任何黑白圖形，且可投影顯示。[參閱 Thompson & Demond]另一個例子是薄膜微鏡列陣（thin-film micro-mirror array,簡稱TMA)顯示器，其表面也 有一個由許多微小反射鏡構成之矩陣，惟各微鏡的角度可 由壓電晶體控制，故可顯示灰階影像。此外尚有許多其他 以微鏡爲基礎的顯示器。 顯示器如果耍用做立體三維顯示器或高速光相關器的 影像源，則必須有高畫面率。高畫面率可以使立體三維顯 示器上每一影像的畫面張數增高，亦即提高屏幕運動方向 上的影像解析度。高畫面率也可以提高光相關器的處理速 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
567388 at B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（+) 度。在此類應用中，如果顯示器只有黑白能力，那麼轉算 使用傳統的彩色顯示技術，所能產生的彩色或灰階也非常 有限。例如，連續影面（field sequential)法不能適用 ，因爲每一張畫面都必須有彩色或灰階。又如，三片顯示 面板（分別以三原色光投照）固然可產生若干彩色，但成 本較高。又如，彩色像素組技術固然可用，但是在顯示器 表面製作彩色濾光薄膜成本高。尤其是許多高畫面率顯示 器，如鐵電性液晶顯示器及數位微鏡顯示器，都是反射式 顯示器4，而且像素間距微小，在1Q微米上下，更增加彩色 濾光薄膜的製作難度。再如，前述空間分光（spatio-chromatic)技術也很難用於反射式顯示器。用來產生彩色 圖樣的干涉光件或全像光件一般係緊接著或貼附於穿透式 液晶顯示器上。將干涉光件製作在反射式空間光調節器上 ，或貼附於上，並非理想方式。 以彩色像素組（.color triads)方式顯示二維彩色影 像時，由於紅綠藍子像素（sub-pixels)並非完全重合， 因此可能產生如莫药圖樣（Moire Pattern)的假像。 因此，本發明的目的在提供新的方法與光學裝置，使 用一片黑白的空間光調節器，就能產生彩色或灰階影像， 而不需將彩色像素組製作於顯示面板上。此外，本發明的 S的也在提高立體三維顯示器的彩色與灰階能力，特別是 使用黑白的空間光調節器爲影像源的立體三維顯示器。此 4 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1^· -5't> 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 567388 Λ7 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印裂 五、發明説明（f ) 外，本發明可用來提高立體三維顯示器在屏幕運動方向上 的影像解析度。此外，本發明也可用於二維影像投影機， 消除因彩色像素組結構造成的假像。 發明概述 基本上，本發明係將一個光的圖樣投照於一個空間光 調節器的顯示面板上，此圖樣係光的某一物理性質的二維 分佈。在空間光調節器的顯示面板上，每數個像素（pixel ) (或稱子像素sub-pixel )構成一個複合像素。投照於顯 示面板上的光的圖樣使複合像素中的每一個子像素受到不 同値的物理性質的照射，例如不同的亮度。適當的開關每 一個子像素，由許多亮度不同（假如分佈的物理性質是亮 度）的子像素加以組合，則可構成具有灰階的影像。投照 的光圖樣可以在一定距離外產生，然後以投影方法投照於 空間光調節器上。如果空間光調節器係做爲投影機的影像 源，則此光的圖樣同時亦做爲投影機的光源。此外，也可 使用一蓋在空間光調節器的顯示面板上的光罩，來產生此 一光圖樣。 因此，本發明係將一個空間光調節器的顯示面板區分 定義爲若干個子顯示板，然後將其當作多片顯示面扳一般 地使用。例如，如果將各子顯示板定義爲犬牙相錯的區域 5 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 567388 at B7 經濟部智祛財產局員工消赀合作社印製 五、發明説明（6 ) ，然後各以一不同的原色光投照，則此空間光調節器就像 具有彩色像素組結構一樣，可以顯不有多種彩色的影像。 因此也就不需要將彩色像素組製作於顯示面板上。 用一個隨時間分配光路的光源，可將各子顯示板上的 不同影像在時間座標上分離’成爲子畫面’因而提高空間 光調節器的有效晝面率。 投照於各子顯示板的光亮度可設定成一定比例，使各 子顯示板組合而成的畫面能有更多的亮度組合（亦即灰階 )。此種比例照度亦可實施於相鄰近的像素之間，並在空 間光調節器的顯示面板上形成一結構性的光的圖樣，而達 到類似的效果。 數個子顯示板可以光學裝置在光學上重合成一個子顯 示板，因而消除因彩色像素組結構造成的假像。 各子顯示板也可定義成各自獨立分離的連續區域。 光的圖樣可用許多方法產生，例如將光通過一微型透 鏡列陣，或一帶有微型反射鏡列陣的光罩，或一帶有透明 開口的光圈。 6 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
，1T 線 UF. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 五、發明説明（s) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 567388 A7 B7 圖1私-c示意使用光罩實施『比例投照』。 發明之詳細說明 、 本發明係關於影像投影裝置與方法，使本身没有彩色 或灰階的空間光調節器也可用投影產生具有彩色或灰階的 影像。 t 其基本原理爲將一個空間光調節器上的像素區分爲若 干組，然後以帶有不同原色的光分別投照各組。如此，此 —空間光調節器的顯示板面就相當於由若干個子顯示板所 組成，每一子顯示板由一帶有不同原色的光所投照。適當 安排及組合帶有不同原色的像素，即可顯示出含有多種色 彩的影像。 從像素的觀點來看，本發明係以每數個像素（或稱子 像素）組成一個複合像素，然後以不同顔色或不同亮度的 光分別投照複合像素中的每一個子像素。適當的開關每一 個子像素，由許多顏色或亮度不同的子像素加以組合，則 可構成具有彩色或灰階的影像。 爲達上述目的，必須在空間光調節器的顯示面板上產 生一個光的圖樣，此圖樣係光的某一物理性質的二維分佈 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
567388 at B7 五、發明説明（y ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 。此物理性質不限於光的頻率（顏色），也可以是亮度， 偏光度（polarization )或相位（phase )。例如，若以 同一顏色的光投照每一子顯示板（亮度可同或不同），則 整個顯示面板可以顯示帶有該顏色的許多灰階的影像。 線 定義並投照多個子顯示板的方式爲首先產生一個微型 光點構成的圖樣，然後以投影方式將此圖樣投照於各子顯 示板上。例如，微型光點圖樣可以用一微型透鏡列陣產生 。微型5$鏡列陣係由微製造技術（micro-fabrication ) 製成的規則排列的微小透鏡。如圖la所示，光束ιοί通過 二維微透鏡列陣110產生微型光點圖樣。此圖樣100 方令是成爲新的光源，可用一對聚光透鏡（condenser lens ) 12 0 a及12 Q b將之投影於一空間光調節器的顯示面板上13 0。 經由適當排列微透鏡列陣中微透鏡的相對位置與間距，以 及適當選擇聚光透鏡的放大率，微型光點可以對正吻合顯 .示面板，並且只投照在所選擇的像素上。如圖lb所示，每 四個相鄰的像素13Q1中，只有一個被微光點1GQ所照射。 所有被微光點所照射的像素遂構成顯示面板上的一個『子 顯示板』。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如果使用四組微型光點圖樣，則可在顯示面板上分別 定義四個子顯示板。事實上，如果利用適當的分光裝置， 則只要使用一組微型光點圖樣，即可在顯示面板上定義四 個子顯示板。圖2a示意一光學裝匿範例。將一組分光光件 9 ^^^用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 567388 at B7 五、發明説明（10 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) (如—分光稜鏡220及偏分光稜鏡（polarizing beamsplitter) 2211與2212 )置於聚光透鏡12Qa&12Qb之間，可將光束1Q1 · 分爲四路2Q1 A-2GID，每一路皆攜有相同的微型光點圖樣 。這四路可用另一組分光光件（如偏分光稜鏡2221與2222 及全反身寸稜鏡（total internal reflection prism) 223 ) 結合爲一，然後投照在顯示面板上。經由適當調整反射鏡 2 24與225及全反射稜鏡223的角度，可使四組微型光點 圖樣投照於不同的像素上，分別定義四個子顯示板。如圖 2b所示，光路2QIC投射微光點圖樣IQQc以定義一個子顯示 板。同理，光路2〇lA，2〇lB，2〇lD分別投射微光點圖樣l〇〇a ,10 Qb, 10 Qc以定義其餘三個子顯示板。 如果將彩色濾光鏡分別置入四個光路（2Q1A-2Q1D ) 中，則可用不同原色的光分別投照各子顯示板，如即可在 空間光調節器上產生彩色像素組結構，而因此也就不需要 將彩色像素組製作於顯示面板上。圖3a示意一裝置範例。 線 圖3a與圖2a不同處爲：偏分光稜鏡221取代無偏光效果的 分光棱鏡220，再力口上兩枚『ColorSelect』（產品名） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印¾ 漉鏡321GM與321BY。C〇l〇rSelect濾鏡的功能是可以從線 性偏極化光中濾取指定顏色的光，並旋轉其偏光方向9 0度 _ ，而其他顏色的光不受影響。例如，圖3a中S偏光進入 ColorSelect爐鏡321BY，其中藍光（B)被轉成P偏光 ，而其餘部分（綠+紅=黃，Y )仍保持爲S偏光。因此， 其後藍光可通過偏分光稜鏡2 212，而其餘部分爲偏分光稜 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） 567388 at B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（丨Μ 鏡2211所反射。美國科羅拉多州圓石市的ColorLink马司 生產ColorSelect渡鏡產品。使用兩枚不同的ColorSelect 濾鏡321GM與321BY，可將四個光路分別變爲四種不同顏色 :紫紅（紅加藍），·綠，黃，與藍（3Q1M，3Q1G，301Y， 3 01B )。（特別說明：在上述分光裝置下，幾乎没有光度 耗損）四組不同顏色的微型光點圖樣分別投照對應的四個 子顯示板，因此空間光調節器上每四個相鄰的像素3301各 有四種不同顏色：紫紅（紅加藍）1⑼Μ，綠1QQG，黃100Y ，與藍1QQB。所以每一複合像素33Q1可顯示四位元的彩色 ，如圖3 b所示。 圖3 c示意另一裝置範例。此例使用兩組分色濾鏡（ dichroic color filter ) 331R-331B |5| 332R-332Bji§S 光束1Q1分爲三路391R-391B，每一路爲一不同顔色，且 分別投照空間光調節器上的三個子顯示板。圖3d示意投照 的光圖樣爲條紋式3DQ (光條紋也可用微型透鏡列陣產生 ，詳後）。此光條紋圖樣被分光爲不同顏色的三組光條紋 ，分別定義三個子顯示板3QQR-3QQB，如圖3e所示。 各子顯示板上的不同影像可在時間座標上分離，成爲 『子畫面』，因而提高空間光調節器的有效畫面率。對使 用投影方法成像的立體三維顯示器來說，提高有效畫面率 可提高屛幕運動方向上的影像解析度。基本方式是在不同 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 567388 A7 B7_ 五、發明説明（|2 ) 的時刻投照不同的子顯示板，且投照每一子顯示板的時間 短於空間光調節器原來的畫面週期。以圖3a爲例，裝置中 加入·一偏光旋轉器（polarization rotator ) 350。偏光 旋轉器的功能是可以把線性偏極化光的偏光方向旋轉9 〇度 或〇度，其狀態由輸入電壓所控制。亦即P偏光可以轉成 S偏光，反之亦然。偏光旋轉器也可設定爲『不旋轉』， 則偏光狀態不變。控制偏光旋轉器即可選擇讓光路3 Q1B與 301M (二者皆爲P偏光）或是光路301G與3〇1Υ (二者皆爲 S偏光）通過偏分光稜鏡1扣抵達空間光調節器；亦即選 擇投照藍色與紫紅色子顯示板（1GGB與1GQM)或是綠色與 黃色子顯示板UQQG與1QQY )。如果在空間光調節器原來 的晝面週期的中間改變偏光旋轉器的狀態，則可以先顯示 藍色與紫紅色兩個子顯示板上的影像，爲時1/2晝面週期 ，然後顯示綠色與黃色兩個子顯示板上的影像，爲時1/2 畫面週期，如圖3 f所示。亦即一個原始畫面在時間座標上 分離，成爲兩個子畫面，有效畫面率變爲兩倍。圖3g示意 兩個子畫面的模樣，子畫面M+B的影像來自藍色與紫紅色 兩個子顯示板，子畫面G+Y的影像來自綠色與黃色兩個子 顯、示板。 對立體三維顯示器來說，上述『子畫面法』基本上是 把像素在屏幕運動的方向上重新分配。因此子畫面上的像 素總數減爲一半。不過應特別指出的是：由於子畫面上的 像素呈西洋棋盤式分佈，影像的位置的精度没有改變，而 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) #-·
、1T 線 經濟部智慧財產局員工消骨合作社印製 567388 A7 B7 五、發明説明（β) r
位置的準確度誤差爲一個像素大小。 I 使用多個空間光調節器及一個隨時間分配光路的光源 ，也可提高有效畫面率。如果一個空間光調節器的畫面率 是每秒N個畫面，則Μ個空間光調節器每秒'可產生MxN個 畫面。圖顯示一包括兩個空間光調節器（IMA與130B) 的裝置範例。光束1Q1A與1Q1B分別經全反射稜鏡140A與 14 0B投照兩個空間光調節器。高速光閘4 5 0A與4 5 QB分別調 節光束的開關。兩個空間光調節器的像經第三個全反射稜 鏡14QC重合，然後由投影透鏡16Q投影而出。圖4b示意如 何控制光閘以得到兩倍的有效畫面率。空間光調節器13 0A 在畫面週期中顯示影像内容A1。在同一時間内，空間光調 節器13QB顯示影像内容B1。光閘4 5QA在畫面週期的前半時 間中打開，後半關閉，因此在畫面週期的前半將内容A1投 影出去。光閘4 5QB的動作則相反，因此在畫面週期的後半 將内容B1投影出去。於是在一個畫面週期中投影顯示了兩 個不同内容的畫面，畫面率加倍。如使用更多空間光調節 器，則使用更多分光光件來重合影像。 圖5示意另一使兩兩個空間光調節器的裝置範例，較 圖4a稍簡單。此裝置使用徧分光稜鏡54〇重合影像，而非 全反射稜鏡。偏分光棱鏡將照明光朿1Q1分爲二束101A與 101B，’分別投照兩個空間光調節器。投向空間光調節器 13〇Α的光束1Q1A爲P偏光，而投向空間光調節器13QB的光 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 線 經濟部智慧財產局員工消负合作社印製 A7 B7 567388 五、發明説明（I牟） 束101B爲s偏光。當光束自空間光調節器13〇Α反射回來，
必須變成S偏光，才能被偏分光稜鏡反射到投影透鏡160 ，如1G1S所示。另方面，當光束自空間光調節器13QB反射 回來，必須變成p偏光，才能通過偏分光棱鏡，如ίο ip所 示。亦即反射後偏光方向須旋轉9 0度。如果空間光調節器 屬微鏡類，如數位微鏡顯示器（DMD )或薄膜微鏡列陣（ TMA)，在此情況下，偏分光稜鏡與空間光調節器之間必 須使用一1/4波長波阻器（quarter wave retarder ) 520A 與52GB，使投照光往復兩次通過後，偏光軸向轉90度。如 果空間光調節器屬液晶i員示器類，如鐵電性液晶il示器， 則顯示器本身可以改變反射光偏光方向，因此不需1/4波 長波阻器。由於兩個影像光束1Q1P與1Q1S的偏光方向相差 9〇度，因此可以用一個偏光選擇器55Q來選擇與決定那一 個光束進入投影透鏡16Q。偏光選擇器可由一個偏光旋轉 器與一線性偏光鏡55Qb組成。此裝置的功能與圖4a裝 置的功能相當。 在以上敘述中，是用以不同顏色的子顯示板來產生多 彩影像爲例來說明本發明。以亮度成一定比例的單色光（ 如白色）分別投照於各子顯示板，則可使各子顯示板組合 而成的畫面能有更多的灰階。以圖2a的裝置爲例，在四個 光路中分別S入適當尺寸的光圈，可將四個光束的強度比 例設定爲8 : 4 : 2 : 1。相對應的四個子顯示板的亮度也就 成爲8 ·· 4 ·· 2 ·· 1，如圖6a所示。一個包含四個子像素的複 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1J---r——：——ΙΦ------訂------線A- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 567388 A7 B7__ 五、發明説明（|5) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 合像素便能顯示IS個灰階（咱仏5)。此法可稱爲『比例 投照』。 . 比例投照亦可只用一組微型光點圖樣，實施於相鄰近 的像素之間。如圖Sb所示，微型光點圖樣中每一個光點100 可以投照在四個相鄰近的像素之間，使四個像素分配到的 強度比爲8 : 4 : 2 : 1，如圖中數字所示。同理，方型光點 也可行，如圖6 c所示〇(相互交疊的兩組微型柱狀透鏡可 用來產生方型光點）如果實施於相鄰近的六個子像素之間， 則可產生64個灰階，如圖6d所示。如果圖樣是光條紋，則 可使每一條紋投照於三列像素之間，產生1 : 2 : 4的亮度 比，如圖6e所示。 、 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 用前述方式投影產生的彩色影像依然有彩色像素，組的 『模樣』，因爲不同原色的子像素並非完全重合，因此可 能產生假像。用類似前述分光裝置的光學裝置，可以在光 學上將數個子顯示板重合成一個子顯示板，因而消除因彩 色像素組結構造成的假像。基本觀念如圖7a所示，透鏡120 將微型光點圖樣1QQ投向一組光路分合裝置78〇，光路被 分開成多路781然後投照於四個子顯示板7〇〇。同一光路 分合裝置78 Q復將四個子顯示板的像重合成一個，由投影 透鏡投出，重合後的顯示板上每一像素皆由四枚分別來自 四個子顯示扳的像素重合而成79〇。圖？b示意一裝置範例 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇><297公釐） 經濟部智Μ財產局員工消費合作社印製 567388 A7 B7 五、發明説明（ιέ ) 。此例取用圖3a中的分光裝置爲光路分合裝置。透鏡120a 與UQb負責將微型光點圖樣投照於空間光調節器上13〇， 其間分爲四個光路。透鏡12Qb與16 0則合爲投影透鏡。全 反射稜鏡74Q將照明光路與影像投影光路分開。圖7c示意 另一裝置範例。此例取用圖3c中的分光裝置，即兩，組分色 濾鏡331與332，將投照光束分爲紅綠藍R G B三路。透鏡 12〇負責將微型光點圖樣投照於空間光調節器上。調整分 色濾鏡的角度可使三組微型光點圖樣分別對正吻合三個子 顯示板。同一分光裝置將自三個子顯示板反射的光路重合 爲一* ° .上述光路分合裝置係置於空間光調節器與投影透鏡之 間，因此二者間需要較大的距離。另種安排是把分光裝置 7 8 〇A放在空間光調節器之前（即光路之上游），把重合裝 置78QB放在投影透鏡之後。基本觀念如圖8a所示。 圖8b示意一裝置範例，此例的分光與投影部分與圖3c 裝置相同，重合裝置則是在投影透鏡之後使用兩組分色濾 鏡333與333。適當調整分色濾鏡的角度可將三個子顯示板 重合成一個。 如果投照在各子顯示板上的光的物理性質相同，則光： 路重合裝置就無法依顏色來區別不同的子顯示板。在此情 況下，可以將通過各子顯示板的光路在空間上分開，然後 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 丨：---：---1--ΙΦ------、訂------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消贫合作社印製 567388 Δ7 Α7 Β7 五、發明説明（N) 將各光路分別導向一反射鏡，最後調整各反射鏡角度，再 將投影畫面重合。圖8C示意一裝置範例。爲便於圖示，此 例以穿透式顯示面板爲例，反射式的原理相同。三道光束 8 01A-C分別投照於顯示面板13 0上相對應的子顯示板，三 片反射鏡82QA-C可分別用來調整三道光束的角度，以對正 子顯示板。安排三道光束的投照角度，使其通過顯示面扳 —定距離後，即無重疊。於是可用三個透鏡16QA-C分別將 三個子顯示板上的影像投影出去。亦即自投影透鏡之後， 三個子顯示板的投影光路在空間上完全分開獨立。最後可 用一組反射鏡8 3 0，藉調整各反射鏡角度，將投影畫面在 —定距離重合。 前述各例，各子顯示板均定義爲犬牙相錯的區域，如 圖2b的形式。各子顯示板也可定義成各自獨立分離的連續 區域（130R，130G，130B)，然後分別用不同顏色的矩形 光圖樣投照之（9⑻R，9〇OG，9⑼B )，如圖扑所示。將光 束通過一帶有透明矩形開口 9QQ的光圈或光罩910，可產 生矩形光圖樣，如圖9a所示。光路重合裝置可將三個子顯 示板重合成一個，如圖9 c所示。前面各節所述的分光與重 合裝匮依然適用，不過對正光路時，反射鏡的調整角度增 大。將各子顯示板定義成各自獨立分離的連續區域有兩個 優點，一是光圈或光罩的製作簡化，二是投照光圖樣β勺透 鏡組的精度要求較低。以下各裝置範例的敘述皆以此定義 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ29?公釐） L---r丨_：——ΙΦ------,τ——：--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 567388 at B7 五、發明説明（丨g ) 爲例。不過各方式依然適用於犬牙相錯的子顯示板定義法 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖lOa-lQe示意一彩色投影裝置範例。其空間光調節 器屬不需偏光投照之類，如數位微鏡顯示器（DMD )或薄 膜微鏡列陣（TMA )。爲便於圖示，此例假設空間光調節 器爲穿透式，因原理與反射式相同。適當調整分色濾鏡 331R-B的角度，可將光罩91ϋ矩形開口的像分別投照在空 間光調節器的三個子顯示板13QR-B上，各爲一不同的原色 。適當調整投影透鏡之後的分色濾鏡3 33R-B的角度，可將 二個子顯板的投影影像®合成—個’產生多彩影像。
I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 爲達最佳效果，照明與投影裝置應避免光度耗損。基 本方式是使照明光路與投影光路相匹配。如圖所示， 第一枚聚光透鏡12 h將來自光罩91Q的光轉爲平行光，分 色濾鏡3 31R-B將此平行光分爲三路1Q01R-B，各爲一不同 的原色。安排三道光束的投照角度，使其通過第二枚聚光 透鏡12 Qb後，分別對正相對應的子顯示板，而且通過子顯 示板一定距離後，即重疊與投影透鏡上。如此’每一路光 只投照相對應的子顯示板，且皆爲投影透鏡完全捕捉。 如空間光調節器爲反射式，可用一偏分光稜鏡或全反 射稜鏡來折疊投影光路，如圖1Qb所示。爲達最佳效果， 照明光路的分光與投影光路的折疊應在不同平面實施。如 18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚） 567388 Μ Β7 五、發明説明（丨？） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖10b所示，投影光路1Q5Q的折疊在x-z平面上。圖10c 爲圖IQb之上視圖，示意照明光路的分光在X-y平面上。 女口此，分光光路的角度差異對偏分光棱鏡或全反射稜鏡的 作用的影響最小。、 依鐵電性液晶顯示器之特性，使用時須考慮施於像素 單元上電荷的平衡。其方式爲每顯示一晝面，隨後須顯示 ~^負像畫面（inverted frame )來平衡電荷。負像與正像 的各像、素的偏光方向互爲相反（P與S )。投影時如欲使所 有畫面全爲正像，可用一偏光旋轉器將負像晝面轉爲正像i 畫面。在此情況下，應使用全反射稜鏡14Q來折疊投影光 路，如圖11所示，偏光鏡116 Q將所有照明光偏極化，偏光 旋轉器可置於1170A或1170B或1170C，且視顯示器爲負 像畫面或正像晝面而改變狀態。投影透鏡之後則使用另一 偏光鏡1161，以確定所有畫面全爲正像。 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 —般情況下，鐵電性液晶顯示器每顯示一畫面，隨後 立即顯示一負像畫面來平衡電荷。在高畫面率時，此種做 法會使影像對比降低。較佳的做法是以正像畫面一次顯示 所有影像畫面，然後再以負像畫面一次顯示所有影像畫面 ，然後重覆。此法改善高畫面率時的影像對比。 圖12a示意闲於顯示灰階影像的投影裝置範例。其空 間光調節器屬不需偏光投照之類，如數位微鏡顯示器（DMD ) 19 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 567388 A7 B7 五、發明説明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印緊 。爲便於圖示，此例也假設空間光調節器爲穿透式，因原 理與反射式相同。偏分光稜鏡12 2 0，全反射稜鏡2 2 3與反 射鏡224及將照明光分爲兩路，一路爲P偏光，一路 爲S偏光，分別投照兩個子顯示板。在投影透鏡之後，另 組相似的裝置將兩個子顯示板的像重合。第二片光圈911 置入兩照明光路之一^，使兩路的光強度呈一定比例。例如 ，假設每一子顯示板上，每四個子像素成一複合像素，則 可有5個灰階（G-5 )。如果兩子顯示板的照明光強度呈 1:5，則兩子顯示板重合後可有2 5個灰階（5乂5)。 圖12b示意另一用於顯示灰階影像的投影裝置範例。 其空間光調節器屬需要偏光投照之類，如鐵電性液晶顯示 器。此裝置基本上類似圖12a，惟增加若干元件。由於此 例中光路的分合控制是依兩光路的偏光方向不同，但因影 像顯示本身也是以偏光方向不同爲原理，因而需特殊處理 。首先，兩子顯示板上顯示的影像須互爲相反的偏光狀態 ，亦即當子顯示板13 QA顯示P偏光的影像與S偏光的背景 時，子顯示板13 QB則顯示S偏光的影像與p偏光的背景。 如此，偏分光稜鏡1221才能『區別』兩子顯示板，將其影 像光完全分開，然後加以疊合1SQ。其次，需要一 1/2波 長波阻器12 6 5將兩+顯板的影像光的偏光狀態轉成一致 。再其次，需要一屏幕光圈1212遮去無用的兩個帶負像的 子顯示板的像。最後，偏光旋轉器127 0係用來顯示負像畫 面。 20 (請先閱讀背面之注意事項再填艿本頁} 、11 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 567388 A7 B7五、發明説明（2/ ) 在光學上將數個子顯示板重合成一個子顯示板的方式 也可用於本身就具備彩色像素組結構或子顯示板結構的顯 示器。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 除微型透鏡列陣以外，尚有許多其他方式可產生微型 光點或光條紋等的圖樣。依處理光的方式，可分爲三類： (1 )使用折光光件：以改變光的行進方向來形成光 圖樣。微型球面透鏡列陣可產生圓形光點，已述於前。微 型柱面透鏡列陣（如圖13a )則可產生光條紋（如圖3d ) 。將兩組微型柱面透鏡相互交疊（如圖13b )可用來產生 方型光點（如圖6b與6c )。此外，將許多光纖維排列集束 ，自一端照明，另一端亦可產生光點列陣，如圖l3c。又 微形凹面鏡列陣亦可用來產生光點或光條紋，如圖Ud。 (2 )使用遮光光件：如圖’光罩可由在透明 玻璃表面鍍上反射圖樣製成，可爲正光罩（照明光穿透處 形成光點）（圖l：Bf )或負光罩（照明光反射處形成光點 )(圖13g )。圖中斜線部分表示反射鍍膜。 (3 )使用濾光光件··微型濾光鏡列陣可產生具有特 21 (請先閱讀背面之注意事項再填穷本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 567388 A7 B7五、發明説明（U ) 定物理性質的光圖樣。例如彩色濾光鏡可以產生彩色的光 圖樣。又如偏光濾鏡可產生由不同偏光狀態構成的光圖樣 。又如穿透度不同的濾鏡可產生由灰階構成的光圖樣。而 要產生由相位差構成的光圖樣，可用一表面佈滿厚薄不同 的單元的玻璃片，或使各單元有不同的折射係數，或使各 單元含有排列方向不同的液晶材料等方法。 除以投影方法投照光圖樣外，也可使用一蓋在空間光 調節器的顯示面板上方的光罩，以白光照射，在顯示面板 上產生光圖樣。圖14a與b示意使用微型透鏡列陣做爲光 罩之例。照明光1701A通過微透鏡列陣171G，在每一微透 鏡後形成一光點1Q0。適當安排微透鏡列陣的位置，使每 一光點投於四個像素之間，造成1 : 2 : 4 : 8的亮度比例。 顯示面板130爲反射式，位於微透鏡列陣的焦距處。使用 偏分光稜鏡1?4〇或全反射稜鏡，可將反射的影像光1701B 與照明光分開。女口此顯示的影像可有16灰階。同理，也可 使用一有微形透明開口列陣的光罩取代微透鏡列陣，如圖 1和所示。 — - — κ丨丨丨―丨 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 雖然以上敘述以使用本身没有彩色或灰階的空間光調 節器爲主，但這磐裝置與方法仍可用於有灰階甚至有彩色 的顯示器，以產生更高的灰階或更多的彩色。 22 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） 567388 at B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明U3 ) 以上敘述的裝置與方法也可用於多個空間光調節器。 例如，可用一分色稜鏡（dichroic color cube )將携有 微型光點圖樣的白光分爲紅綠藍三路，分別投照三個顯示 器，然後再將三個畫面重合。又如，可使用類似圖的 裝置，使其中13〇r-13〇B分別代表一個空間光調節器。 雖然以上敘述以投影影像顯示爲主，但這些裝置與方 法仍可用於直接影像顯示，必要時可用一目鏡放大影像， 或用一45度分光鏡將照明光路分與目視光路分開。直接影 像顯示也可用於光相關器。由於光相關器的應用通常不需 人眼直接觀察空間光調節器上的影像，因此顯示影像的『 資訊』比影像的『模樣』來得重要。例如以圖l4a與b的 裝置應用於光相關器時，即使將光罩.1710去除，每四個子 像素依然保存了一個複合像素的内容的r位元資訊』。因 此應用於光相關器時有兩種方法來表現灰階。方法一是使 甩光罩，一如人眼直接觀察一般。方法二是去除光罩，但 仍保存原來定義的子像素與複合像素的結構及兩者之間的 『數値轉換關係』，也就是保存了目標影像的位元資訊的 内容。如此雖然人眼已看不出灰階，但光相關器的光學計 算仍可自其位元資訊的内容區別目標影像的灰階。 23 丨——卜丨！#-丨 (請先閲讀背面之注意事項再填筠本頁)
、1T 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X29*7公釐） 567388 at B7 五、發明説明（对） 上述裝置與方法也可用於提高立體三維顯示器的彩色 與灰階能力，特別是（但不限於）使用黑白的空間光調節 器爲影像源的立體三維顯示器。立體三維顯示器也不限於 移動屏幕型式，例如可用於二步能階（2-step excitation ) 式的投影裝置中。此外，本發明可用來提高立體三維顯示 器在屏幕運動方向上的影像解析度。此，本發明也可用 於二維影像投影機，消除因彩色像素組結構造成的假像。 IP------^------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家榡準（CMS ) A4規格（210X297公釐） 567388 at B7五、發明説明（打） 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 參考文獻 Displaytech Inc., of Longmont CO, product manual Joubert, C. et al. "Dispersive Holographic Microlens Matrix for Single LCD Projector", in Projection Display Π, Ming H. Wu, Editor，Proc. SP正 2650, p. 243 (1996) Kim, S.G. and Huang K.H., MThin-Film Micromirror Arrayn, Informatin Display 4&5,1999, p.30 Morris，G.M. et al. ’’Diffractive Optics Technology for Projection Display11, in Projection Display II3 Ming H. Wu3 Editor, Proc. SPE 2650, p. 112(1996) Rosenbluth, A.E. and Singh, R.N., "Projection Optics for Reflective Light Valves' Projection Display V，ed. by S.M· Wu，p. 87 Thompson, E.E. and DeMond, T.W. "Apparatus and Method for Image Projection，，，U.S. Patent No· 5,506,597 Tsao, C.C., Zhou, Z. and Hu, A.K.J. 1998 f,Method and Apparatus for Displaying Three-dimensional Volumetric Images'1, U.S. Patent No. 5,754,147, 1998 Tsao, C.C. 1999 "Moving Screen Projection Technique for Volumetric Three-dimensional Display", U.S. Patent, No. 5,954,414,1999. 請 先 閱 背 ιέ 之 注 2
Ψ 訂
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）

Claims (1)

  1. 567388 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (4)將上述每一條分光路的光圖樣分別投影在一 個上述的子顯示板上。 4·依申g青專利範圍第3項所述之方法，其中所述光的物理 十生質爲光:的顏色；其中所述調整各分光路的光物理性質之 步驟包括以下步驟：以彩色濾光裝置分別處理上述每一條 分光路’使各分光路帶的光圖樣顔色不同。 5·依申請專利範圍第3項所述之方法，其中所述光的物埋 性質爲光的亮度；其中所述調整各分光路的光物理性質之 步驟包括以—K步驟··以光學裝置分別調整上述每一條光路 的光強度·，使各分光路所帶的光圖樣亮度不同。 6. 依中請專利範圍第3項所述之方法，進一步包括以下步 馬水·以》G學重合裝置將上述各子顯水板的畫面疊合，使影 像合爲一個影像。 ^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印創衣 7. 依中請專利範圍第6項所述之方法，進—步包括以下步 驟：使同一光學裝置作爲上述光學重合裝置及前述之分 光裝置。 8. 依申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述光圖樣的 產生方法與投影方式包括以K步驟： (1)產生▲基本光圖樣，此雄本光圖樣由點狀， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 567388 ABCD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 或條狀，或塊狀，或其他幾何形狀的光圖案所構成； (2)將上述基本光圖樣投影在上述空間光調節器 上，使空間光調節器上相鄰近的像素所受的照明度成一固 定比例。 9. 依申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包括以下步 驟：以投影透鏡將空間光調節器顯示的影像投影於-^定距； 離外的顯示媒介上。 10. 依申請專利範圍第9項所述之方法，進一步包括以下 步驟：使用光學重合裝置將前述各子顯乐板的投影畫面疊 ’使其投影影像合爲一個影像。 11·依申請專利範圍第1G項所述之方法，其中所述光的物 理性質爲光的顔色；所述光學重合裝置係在投影透鏡之後 使用至少一舊I分色濾鏡，調整其角度使各子顯示板的投影 畫面疊合。 12.依申請專利範圍第10項所述之方法，其中所述光的物 理性質爲光的亮度；所述使用光學重合裝置之步驟包括以 下步驟： (1) 安排投照在前述各子顯示板上的光束的角度 ，使各光束在通過各子顯示板一段距離後，即無重疊； (2) 使上述各光束分別由不同的投影透鏡投影； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） • 1·--*--------Γ------------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、 ΥΓ . 567388 A8 B8 C8 ---- -D8 六、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (3)在各投影透鏡之後’使用組反射鏡，調_ 其角度使各子顯示板的投影畫面疊合。 13. 依申請專利範圍第9項所述之方法，進一步包括以下 步驟：安排投照在前述各子顯示板上的光束的角度，使各 光束經過各子顯示板後，會聚於上述投影透鏡，以使照明 光路與投像光路相匹配，減少光度耗損。 14. 依申請專利範圍第3項或第8項所述之方法，其中所 述產生基本光圖樣之步驟包括以下步驟：將光通過一微型 透鏡列陣，或一帶有微型反射鏡列陣的光罩，或一帶有透 明開口的光圈。 15 · —種可用於顯示立體三維影像與二維影像之投影方法 ，其步驟包括： (1) 使川一空間光調節器爲影像源，並將空間光 調節器上的像素區分爲若干組，每組定義爲一子顯示板； (2) 產生一基本光圖樣，此基本光圖樣由點狀， 或條狀，或塊狀，或其他幾何形狀的光圖案所構成； (3) 將上述基本光圖樣投影，並用分光裝置分爲 沿若干條允路投影； (4) 在不同時刻，將上述基本光圖樣投影在不同 的子顯诉板上，使上述各T顯示板顯术之影像在時間座標 上分開； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） t 1 r---------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--- 567388 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範.圍 (5)適當安排空間光調節器上的像素的内容，以 顯示所欲的影像。 16.依申請專利範圍第1S項所述之方法，進一步包括以下 步驟··分別調整上述各分光路的光的物理性質，使各分光 路的光的物理性質不同。 17 . —種可用於顯示立體三維影像與二維影像之投影方法 ，其步驟包括： (1) 使用至少兩個空間光調節器爲影像源，每一 空間光調節器有一可獨立開關的光源； (2) 以光學重合裝匱將上述兩個空間光調節器的 影像畫而疊合； (3) 在不同時刻，將光源投照在上述的不同的空 間光調節器上，使上述各空間光調節器之影像在時間座標 上分開； ！ (4) 適當安排空間光調節器上的像素的内容，以 顯示所欲的影像。 18.依申請專利範圍第17項所述之方法，其中所述影像畫 面疊合之步驟，係將上述兩個空間光調節器的影像畫面投 影於一定距離外，並以光學重合裝置將其疊合。 19 . 一種可用於顯示立體5維影像與二維影像之投影方法 β夜適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 L.------.----------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 567388 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ，其步驟包括： · (1) 使用一反射式空間光調節器爲影像源； (2) 使用一^光罩蓋在上述空間光調節器之顯示面 板的上方近處，並使用一照明光投照於光罩上：照明光經 過光罩之調節後，形成一光圖樣投照於空間光調節器上， 使相鄰近的像素所受的照明度成一固定比例；自空間光調 節器反射的光又經過光罩，然後形成影像光； (3) 使用一偏分光棱鏡或全反射稜鏡將上述影像 光與照明光分開； (4) 適當安排空間光調節器上的像素的内容，以 顯示所欲的影像。 20. 依申請專利範圍第19項所述之方法，其中所述之光罩 爲一微型透鏡列陣或一微型透明開口之列陣。 21. —種可用於顯示光相關器的二維目標影像之方法，其 步驟包括： (1) 使用一空間光調節器； (2) 定義4复合像素之結構’使每一複合像素包 含一足數W的子像素； (3) 足義複合像素與子像素間的數値轉換關係： (4) 將上述问標影像轉換爲複合像素型式的數値 資料； (5) 將上述複合像素型式的數値資料依上述數値 1·—.---,---- —--------訂---------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 567388 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 轉換關係轉換成代表子像素狀態的數値； (6 )將上述子像素的狀態顯示在上述空間光調節 器上。 l·------*------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·11111 者丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制π 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
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