TWI388881B - 用於自動立體顯示器的指向性發光單元 - Google Patents

Description

用於自動立體顯示器的指向性發光單元

本案為一種用來作為自動立體顯示器的指向性發光單元，它會透過一個傳送影像重製裝置以將來自已經啟動之發光單元的光線偏折到位於顯示器之前的空間裡的可視區域。而在這些可視區域之外，當這些光經過影像重製裝置中的影像或其他資訊的調校之後，觀察者的眼睛將可以看到有良好的呈像品質的立體與/或平面的圖像。

本發明的領域是自動立體顯示器，其中可視區域藉由追蹤裝置和影像控制可在觀察者移動到在顯示器前一個相對較寬的可視空間中其他位置時還能被自動地追蹤。藉由本案所提出之方法，影像與其他的資訊都可以選擇性地被呈現給觀察者，不論是以2D或3D模式或其他混雜的模式。

在本案所提出申請的文件中，顯示器指的是至少有一個觀察者可以無需借助額外的輔助裝置就看到一個3D影像的時候之自動立體顯示器。

在本案所提出申請的文件中，在光線行進的方向裡自動立體顯示器的指向性發光單元會包含一個具有若干個自體發光或傳導發光之發光元件的發光裝置，和一個具有呈像元件的呈像裝置。在使用近似平行光束的每一情況中，這些呈像元件會將呈像裝置之啟動了的發光元件的光 線投影到一個觀察者眼睛的可視區域上。而每一個呈像元件會將數個啟動了的發光元件呈像顯示出來。而此一呈像元件可以包含額外的光學元件以改善呈像條件。

對於每一個觀察者來說，影像重製裝置的發光均質性是要在大範圍的均質發光可視區域之外的地方不斷被保証，且可以在3D圖像完成的時候可以避免讓雜訊干擾到其他的眼睛。其中可視區域可以事先被給予不同的外形且其大小可以涵蓋觀察者的一隻或同時二隻眼睛。且當觀察者在顯示器前的空間裡採用一個新的位置時，二維與/或三維的圖像須不斷地提供良好的影像品質給觀察者。

如果針對例如使用前面所述之自動立體顯示器的兩觀察者執行立體圖像時，必需提供四個可視區域以用於4個不同眼睛位置。對於較多的觀察者，我們必需考慮更多如何去提供較佳的呈像品質的問題。

考量使用者能接受的品質，舉例來說，最重要的是要確認觀察者雙眼的可視區域和其他觀察者眼睛之可視區域保持著足夠的距離，以完全排除在自動立體顯示器中目前圖像被看到時的互相妨礙。眾所周知，光學條件是針對雙眼在顯示器之前且接近顯示器光學軸的觀察者而被精準地維持。另一方面，呈像條件會隨著觀察者眼睛到顯示器中央的側邊距離的增加而變得更糟，這是因為光束的幅射角度也跟著增加的緣故。如果柱狀透鏡陣列，舉例來說，被用來作為呈像裝置，則會產生光學像差並且不能提供較大的觀察者角度。另外也可能發生一種問題，就是當觀察者的位置非常遠離顯示器的中央時光束不會到達觀察者的眼 睛。另外，這些像差也可以妨止所定義可視區域以其預設展延而被產生。

觀察者區域或觀察者角度會從位於顯示器之前且作為空間或區域的觀察者開始定義，其中的觀察者可以在需要的模式中停留且看見一個圖像。

另外，也由於此一像差，不良影響也會發生於可視區域之內，例如左眼和右眼之可視區域的非均質發光體或/與干擾。總而言之，更多的觀察者會需要看到重製後的資訊與/或觀察者更多的不良位置以和顯示器光學軸有所相關，其重點在於確認更多的問題將變成最糟的缺點。

因此，在一份目前尚未公佈的申請人的文件DE 10 2005 012 348裡，它提議藉由將偏折與配置在一個類似矩陣排列的菱鏡偏折元件結合在一起，以及位於用來擴展可視區域之顯示器的呈像光線路徑中的一個光學偏差裝置，來解決這些問題。

偏折元件會週期性地以群聚的形式依照發光矩陣的垂直光柵而被配置，藉此每一群的每一個元件會以不同的預設角度來偏折光束。每一組偏折元件會以週期性的方式在每一行與每一列裡一再重複地作位移。如此的結合方式會擴展顯示器的偏折範圍，且會偏折顯示器前的空間裡不同方向的每個光束，以使得許多水平位移的可視區域能依照所決定之觀察者眼睛的數量而產生。

然而，實務顯示，因為配置在每一行與每一列上的極大量菱鏡的折射表面，全反射發生且系統的呈像品質都會變差而使得均質發光無法再被提供。另外，自動立體顯示 器裡偏折裝置的生產製造，像光學單元與組裝或安排配置等等，都需要極高的精密準確度。

本案的目標是在自動立體顯示器裡，藉由一個如以上所描述且架構在簡單的光學裝置上之指向性發光元件來以如下方式配置光線導引：在相同的時間裡讓許多來自分配到它們的可視區域的觀察者可以在顯示器前的空間裡觀看到一個2D與/或3D的圖像且不受任何的干擾。藉此，可藉由在顯示器前的追蹤與影像控制來接觸到的空間相對起來是大的。另外，和之前所公佈申請的文件比較起來，光學裝置的排列配置是要設計成在同一時間裡自動立體顯示器的提高之影像品質將被達到。

本案所提出的專利構想啟始於一個指向性的發光單元，它可以藉由追蹤與影像控制器來被控制，透過一個傳送影像重製裝置而將光束投影給眼睛位置在一個觀察者空間裡位於不同位置的許多觀察者，(即我們所定義的可視區域範圍)。指向性發光單元包含一個具有許多個別可啟動的矩陣形式配置的發光元件之發光裝置；一個具有一維地彼此平行排列而運作的呈像元件之呈像裝置；一個具有三部份菱鏡結構的菱鏡排列配置，其在水平方向裡重複發生；一個用來平衡光線分佈的裝置；以及一個包含影像元件的影像重製裝置。在本案所提出之每一個具體實施範例裡，某一數量的發光元件被指定到一個呈像裝置(例如一個桿狀的圓柱形鏡片)，以便能將啟動之發光元件的光透過影像重製 裝置以依時間順序的方式投影成到達觀察者的每一隻眼睛的光束。指定到某隻觀察者眼睛的光束會在一個被定義之可視區域中相互重疊且藉由分離的影像順序而被調校，所以來自可視區域的觀察者將能夠看到一個所選擇模式中之圖像。

藉由本發明解決問題，以使得在自動立體顯示器的指向性發光單元之光線路徑中，與菱鏡配置整合在一起的呈像裝置會被安排在傾斜於影像重製裝置之垂直軸的相同設定角度α >0°：-藉此，在本案所提出的每一具體實施範例裡，一個菱鏡元件以及一個呈像元件具有相同的網格尺寸，並形成一個有作用之光學單元，以擴大水平方向的偏折範圍以利光束的產生，以及-藉此，傾斜角α 是以幾何光學維度化的形式來呈現，以使得其與用來平衡垂直方向裡光線分佈的裝置作結合而均質化呈像裝置的發光範圍中的亮度。

三部份菱鏡結構較佳包含了線性設定且設置成彼此相互平行的菱鏡元件，藉此在本案所提出之每一個具體實施範例裡兩個菱鏡元件的光學表面會以相反的方向傾斜且一個具有平坦面表面之菱鏡元件則位於它們之間。

三部份菱鏡結構的個別菱鏡元件之網格尺寸被調整成適合於例如圓柱形鏡片的網格尺寸，以讓在本案所提出之每一個具體實施範例裡柱狀透鏡陣列的一個圓柱形鏡片以及菱鏡配置的一個菱鏡元件形成功能性光學元件。本案所提出之方式有一個特別的優點，那就是相較於習知技術藉 由這樣的單元將可以有效降低像差與全反射，或甚至能有效避免。

根據本案，影像元件與發光元件二者都會被以二維方式決定來作轉置的光束追蹤。如此將能讓在每一行與每一列要被啟動的發光元件的數量計算有較高的精確度。

在本案所提出之具體實施範例裡，呈像裝置是一個桿狀型式的圓柱形鏡片所構成之柱狀透鏡陣列，三部份菱鏡結構針對該柱狀透鏡而盡可能靠近地被安排成相對。在本案所提出之另一具體實施範例裡，一個場域鏡片額外地分配給呈像裝置，以改善呈像品質。

另外，為了精確建立所定義可視區域，對發光裝置所定義的可視區域、呈像裝置與菱鏡配置每一個都提供條狀偏光器以抑制第二光束是可行的。而在垂直方向中用來平衡光線分佈的裝置可以選擇性被配置成為只針對垂直方向作光線散射的元件，或以非常小的網格尺寸而被水平排列的圓柱狀鏡片配置。

本發明之優點使得相較於上述先前技術，來自光學裝置和其前述的結合的實施例之所定義的高亮度之可視區域和高對比與小雜訊干擾在自動立體顯示器前較大觀察者空間中被產生，以及影像重製裝置的鈞質影像發光可以被達成。另外一個優點是二維或/與立體圖像都可能從個別指定的可視區域來觀察得到而沒有觀察者的互相阻礙。因此，讓觀察者得以在一個擴大的觀察者空間中自由且獨立的移動也將變得可行，所以本案所提出的方式也可以連接到追蹤範圍的一個擴展區域。

本案所提出之自動立體顯示器，其工作原理如以下所詳述，並且能擴展延伸到其他相關的應用與領域。

如圖1所示為自動立體顯示器裡，在沿著光線行進的方向中依照前後順序排列的主要元件，分別為發光裝置1、呈像裝置2、菱鏡配置3、場域鏡片4、在垂直方向中平衡光線分佈的裝置5、以及傳送影像重制裝置6的功能架構圖。其中影像重製裝置6會是固定安排配置的影像呈像元件。在靠近發光裝置1與影像呈像裝置2且位於菱鏡配置3之後的元件是個條狀偏光器7。條狀偏光器7以相等極性的條紋被擺設為彼此相對的方式而被設置成彼此相關。條狀偏光器7的條幅寬度會與呈像裝置2的呈像元件之寬度相同。如此才能確保當發光元件SP被啟動後，它們所發射出來的光線在極性的相同方向區域裡被精準地導引成光束，(其於圖中以介於條狀偏光器7之間的虛線表示)。而每個發光元件SP的正規輻射角度所產生的第二光束會被同步抑制於極性的不同方向區域中。

顯示器的光學軸以8表示。

顯示器之前的觀察者空間中，某個觀察者的位置是以眼睛的代表而被標示。

由圖2可知，指向性發光元件的重要部份是呈像裝置2，該呈像裝置2具有一個安排在上面的菱鏡配置3，其三個重複菱鏡元件3a、3b、以及3c的一個菱鏡結構(其於立體圖中以示意的方式表示)。圖2中的箭頭表示元件2與元 件3在兩方向都是續雙的，以產生更大區域的光學動作元件。所以呈像裝置2與菱鏡配置3都會位於針對影像重製裝置6的垂直軸(以9表示)的相同預設傾斜角度α>0°的位置上。

在圖3a到3c中，細部而言，示意表示的只有用來投影啟動後的發光元件SP而作為功能單元的菱鏡元件3a到3c，該菱鏡元件3a到3c結合呈像元件(如一個柱狀透鏡陣列的一個圓柱狀鏡片)。所謂的菱鏡元件3a到3c會產生近乎平行的光束，它們會重疊於可視區域之內。藉由它們在光線路徑中的排列配置，菱鏡元件3a與3c可以在顯示器前的空間裡允許在向左或向右的所需要設定角度上光束作水平的偏折，其中光線會在沒有任何偏折的情形下穿越菱鏡元件3b。

細部而言，在圖4中所示為位於發光裝置1部份之前以傾斜角α 來作配置的菱鏡元件3a、3b、與3c的詳細說明。其中部份顯示的菱鏡元件3a以一個圖形來標示。而箭頭則指示著連續跨越菱鏡元件3a的全部區域的圖形。此一圖形標示說明了此一情形下藉由轉置光束追蹤所偵測到的許多發光元件SP(它們只可以被指定給這些菱鏡元件3a)發出光線。因此菱鏡元件3a會在光束穿越菱鏡配置3後偏折這些光束到右邊的方向。同理，菱鏡元件3c則會把其他的發光元件SP之光束偏折到左邊方向。

藉由本案所提出之具體實施範例中的菱鏡元件3a、3b、與3c，當它們與呈像裝置2結合在一起時，光束將可以在顯示器之前建立一個觀察者區域，也因此建立一個追 蹤區域(舉例來說，如圖中的±40°)。然而，每一個菱鏡元件並不會只涵蓋某個單一角度而已，而是一個角度範圍區域。此時偏折角度範圍值+40°表示觀察者的眼睛可以位在光束所能到達的+40°到近於+10°的範圍內。至於偏折角度值0°則表示光束所能到達的從+10°到近於-10°的角度範圍，而對於偏折角度範圍值-40°，觀察者的眼睛可由-10°到近於-40°的範圍內的光束達到。如此的結果來自以下事實：總是有大量發光元件SP被啟動並且以有限角度發射光線，該大量發光元件SP用於每一情況下的呈像元件與一個菱鏡元件3a、3b、或3c。

在下文，將根據具體實施範例中自動立體顯示器的指向性發光元件的重要特徵而以細節說明本發明工作原理。

圖1中，發光裝置1舉例來說是以排列在一個類似矩陣配置的大量子畫素群而藉由遮光器所建立的光調校器，它代表著發光元件SP。眾所周知的發光方法可以是從背光光源來發射光線。

藉由本案所提出之另一具體實施範例，發光裝置1也可以包含像是LED或OLED這類型的自發光源的發光元件。

在圖1中所示的具體實施範例裡，呈像裝置2包含了一個具有彼此平行排列配置的圓柱狀鏡片的柱狀透鏡陣列，它們會與後續的場域鏡片4一起將光線投影到一隻觀察者的眼睛。其中的場域鏡片4最好是設定成菲涅爾鏡片(Fresnel lens)。它在每一情況裡參與所有投射到已知觀察者眼睛位置的刻意偏射，以在觀察者眼睛的位置產生一個預 設定義的可視區域。由圖3a與3c可知，所產生光束藉由菱鏡配置3的菱鏡元件(其相對於呈像圓柱狀鏡片)而被偏射到在每個觀察者眼睛的當前位置上，或是光束通過菱鏡元件3b而未被偏折。

如圖2中所示，光學元件2以及3就如分配給它們的條狀偏光器而以傾斜角α被設置。傾斜角α的設置取決於解析度，且因而取決於所使用的發光裝置1(例如遮光器)的網格尺寸以及觀察者眼睛瞳孔的假設大小。基於這樣的幾何光學維度而結合平衡垂直方向中光線分佈的裝置，傾斜角α讓影像重製裝置6所照明的區域之亮度的均質化為可能。在每個觀察者眼睛的位置上，所偵測到且啟動了的發光元件SP的光會產生一個之前就預設了的可視區域。在針對相應眼睛而進行右邊與/或左邊立體影像的光束的同步調校後，在此一可視區域之外每一個觀察者都會在影像重製裝置6上看到一個需要的重製影像。而所需的對應追蹤和影像控制則會透過一個未在圖中顯示的控制器而執行於顯示器。

至於被啟動以用來投影光線的發光元件SP會藉由轉置光束追蹤的方法來被決定。在申請人所曾經申請提出的專利文件PCT/DE 2006/000375裡，已經提出了總括性的方法說明，所以我們將不在本案裡再作詳細的敘述。

當利用一個位置尋找定位器來對至少一個觀察者其眼睛的三維位置作決定後，所找尋到的位置資料將能提供給一個控制器以執行轉置光束追蹤。依賴於位置尋找定位器的精準度與/或其他類似像觀察者眼睛與顯示器之間的距 離之類的參數，在離散步驟中的控制器藉由設定參考基準點來針對每個觀察者眼睛的邊緣定義出可視區域的幾何圖形。與某一觀察者眼睛相關的參考基準點之數量與排列配置都可以自由無限地作選擇。參考基準點的數量必需被選來讓可視區域能不斷被均勻作照明，而運算與儲存的需求則必須盡可能地讓它減少。

對每個參考基準點來說，控制器會針對影像重製裝置6的所有影像點執行一個轉置光束追蹤，在本案裡它們會落在網格中且由至少一個參數所定義。並非所有的參考基準點都會被用來作為運算的基礎，但是最好只使用中間的幾行就行了。這些影像點將只由觀察者的觀察角度這一個參數所定義。

從影像點開始到發光元件SP的轉置光束追蹤會透過呈像裝置2到而被更進一步執行。在本案所提出之每一具體實施範例裡，此運算產生具有發光元件SP之位置資料的資料，其藉由呈像裝置2而被投影到對應的參考基準點。藉由位置資料，即將被啟動之某個發光元件SP的圖形將會發生，其被投影到每隻眼睛的可視區域。

當我們即時地針對影像重製裝置6的中央列來執行光束追蹤時，控制器會從一個運算表取出所儲存的資料集合來作更多光束的預先運算，以決定出發光元件SP的位置資料。在此一運算表裡，針對位於影像重製裝置6的格子的每一影像點以及到發光裝置1的每一個發光元件SP的光而預先運算光的路線。如此的方式將允許針對目前的觀察者位置而對發光元件SP的數量作最佳化。

藉由本案所提出之具體實施範例，呈像裝置2與菱鏡配置3都會位在對於影像重製裝置6的垂直軸的相同給定傾斜角度α。如此所得到極大的優點是可以結合偏折與呈像元件以及發光元件。發光元件SP將可以更精確地被啟動。因為三部份菱鏡結構的關係，只有每第三個菱鏡元件3a、3b、或3c會涉及光束的偏折。藉由本案所提出之具體實施範例，發光元件SP將不再一行一行地被啟動，而是針對轉置光束追蹤而考慮一系列傾斜的菱鏡元件3a、3b、或3c。因此這一個考量觀察角度所作的轉置光束追蹤將不再只針對影像重製裝置6的中央行列上之正規排列影像元件而被執行。每一行與每一列必需被包含在即將被啟動之發光元件SP的決定中。而且這些發光元件SP會被用在具有兩個座標之轉置光束追蹤裡，這是因為它們基於呈像元件的傾斜位置與不同行和列中的菱鏡元件的原因而被啟動。

從傾斜的菱鏡配置3出現的光束還無法在影像重製裝置6中建立光的均質分佈。這也是為什麼我們需要在垂直方向裡安置一個用來平衡光線分佈的裝置5。結合此一所謂的裝置5，藉由呈像裝置2與4以及菱鏡配置3偏折的光線會在影像重製裝置6中被均質化。這些用來平衡光線分佈的裝置5可以是只在垂直方向以一個固定的發散角度發散光線的元件，或它可以是精細的網格尺寸之水平平行排列的圓柱狀鏡片的配置。

簡單的光學裝置會建立一個指向性發光單元，該指向性發光單元具有許多以前曾經公開發表的文獻專利所沒有之優點。藉由結合呈像裝置與菱鏡配置(其結合在垂直方向 裡平衡光線分佈的裝置而共同配置成傾斜)將可以達到讓影像重製裝置中的亮度變得一致均勻，且在此同時，光束的偏折範圍或顯示器之前的觀察者區域都將會被擴張展延。在這觀察者區域裡，多個觀察者將會藉由追蹤與影像控制器而同時被接觸。一個可視區域可以被指定給其中的任何一個且不干擾發生於觀察2D與/或3D圖像時的作用。因為傾斜的菱鏡結構，所以不需要有額外的裝置來對光束作垂直的分離。

本案所提出之另一優點為具有網格之商業用的發光裝置(例如具有遮光器或啟動發光矩陣的背光模組)能獨立於呈像裝置的網格和影像矩陣的網格而被使用。

本案所提出之用來作為自動立體顯示器的指向性發光單元可以用在某一觀察者的每一隻眼睛並且以時間循序的方式來重製影像，當然它也可以被運用在有空間穿差的圖像的顯示器。

本案所揭露之技術，得由熟習本技術人士據以實施，而其前所未有之作法亦具備專利性，爰依法提出專利之申請。惟上述之實施例尚不足以涵蓋本案所欲保護之專利範圍，因此，提出申請專利範圍如附。

1‧‧‧發光裝置

2‧‧‧呈像裝置

3‧‧‧菱鏡配置

4‧‧‧場域鏡片

5‧‧‧在垂直方向中平衡光線分佈的裝置

6‧‧‧傳送影像重製裝置

7‧‧‧條狀偏光器

8‧‧‧光學軸

SP‧‧‧發光元件

9‧‧‧垂直軸

3a,3b,3c‧‧‧菱鏡元件

α‧‧‧傾斜角度

圖1所示為本案所提出之自動立體顯示器主要元件的配置架構上視圖；圖2所示為本案所提出之柱狀透鏡與菱鏡元件配置的功能架構圖，它可以隨著顯示器的垂直軸保持傾斜角度α來作旋轉；圖3a…3c所示為本案所提出之功能光學單元的重組架構圖，它包含了一個呈像元件與一個菱鏡元件，且將啟動後之發光元件投影成光束到每一個不同的方向；以及圖4所示為本案所提出之菱鏡元件的部份架構前視圖，它是利用發光元件來發光。

2‧‧‧呈像裝置

3‧‧‧菱鏡配置

9‧‧‧垂直軸

3a,3b,3c‧‧‧菱鏡元件

α‧‧‧傾斜角度

Claims (8)

1. 一種用於一自動立體顯示器的指向性發光單元，包含：具有很多配置在一類似矩陣配置中之個別啟動發光元件的一發光裝置；一具有彼此互相平行排列之一維動作呈像元件的呈像裝置；-一具有菱鏡元件之菱鏡配置，其內含在該水平方向上重複的一三部菱鏡結構以及將一垂直方向中的一光線分配作平衡的一裝置；以及一影像重製裝置，其包含影像元件，其中針對每一情況下的呈像元件，要被啟動的某一數量發光元件藉由反向轉置光束軌跡的方式而被確認；其主要特徵在於：將該呈像裝置(2)連同該菱鏡配置(3)定位在針對該影像重製裝置(6)的該垂直軸(9)之一傾斜角α且α>0°，因而一菱鏡元件(3a,3b,3c)與一影像元件都具有形成一功能性光學單元的相同網格尺寸，以擴張所產生該集合光束的一水平折射範圍；以及因而該傾斜角α的強度是幾何性與光學性的維度，以使得它結合將將該垂直方向中的該光線分配作平衡的該裝置(5)而均勻化該影像重製裝置(6)中所要發光的該區域的該亮度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之指向性發光單元，其中於該反向轉置光束軌跡的期間，該等發光元件SP與該等影像元件都將被以二維的方式確認。
3. 如申請專利範圍第1項所述之指向性發光單元，其中該菱鏡元件(3a,3b,3c)被配置成線性化，因而兩菱鏡元件(3a,3c)的每一個被提供彼此相對傾斜的光學啟動表面，因而介於該等所謂的光學表面之間則會配置具有一平面表面之一菱鏡元件(3b)。
4. 如申請專利範圍第2項所述之指向性發光單元，其中該呈像裝 置(2)為由桿狀之圓柱狀鏡片所組成的一柱狀透鏡陣列，且每一圓柱狀鏡片被指定該等菱鏡元件(3a,3b,3c)的其中之一，因而該圓柱狀鏡片與該菱鏡元件被配置成彼此相對並且盡可能的相互靠近。
5. 如申請專利範圍第1項到第4項所述之指向性發光單元，其中額外的一場域鏡片(4)被分配給該呈像裝置(2)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之指向性發光單元，其中針對該發光裝置(1)、該呈像裝置(2)以及該菱鏡配置(3)的每一個提供一條狀光學偏振器(7)，以抑制第二平行集合光束。
7. 如申請專利範圍第1項所述之指向性發光單元，其中將該垂直方向中的該光線分配作平衡的該裝置(5)是只作垂直色散的一元件。
8. 如申請專利範圍第1項所述之指向性發光單元，其中將該垂直方向中的該光線分配作平衡的該裝置(5)是具有一極細微鏡片網格尺寸之水平排列平行圓柱狀鏡片的一配置。