TWI422866B

TWI422866B - 裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕

Info

Publication number: TWI422866B
Application number: TW100136610A
Authority: TW
Inventors: Bo Wen Yang
Original assignee: Univ Minghsin Sci & Tech
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2014-01-11
Also published as: TW201316039A

Description

裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕

本發明係有關一種攝影、放映或觀看用的裝置，特別是有關一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕裝置。

近些日子以來，因三維視覺電影的興起，為沉寂已久的顯示器市場注入了一股全新的生命力，但是三維視覺技術發展至今始終都須搭配立體眼鏡使用，然而配戴立體眼鏡不但會使觀賞者感到不適，尤其是對於已配戴眼鏡的使用人來說使用上更是不便利，且更可能使觀賞者產生人體工學上不舒適的問題。

目前市面上的立體眼鏡大致上可區分被動式眼鏡及主動式眼鏡，被動式眼鏡大致上有彩色眼鏡、偏光眼鏡、波長多路式，主動式眼鏡如液晶快門眼鏡。一般而言，被動式立體眼鏡的立體顯示效果相對來說是較差的，而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，若是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、肢體血液循環不暢等嚴重現象。

有鑑於此，本發明係針對上述之問題，提出一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕。

本發明之主要目的，係在提供一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，係由像素元件組成一矩陣陣列螢幕，每一個像素元件皆具有微鏡配框及微鏡，透過像素元件之轉角與傾角分佈控制，可使光線入射至不同轉角與傾角組合的微鏡使其反射光會有不同的二維轉折效果，並且經由微鏡產生兩個維度的轉折後使三維視覺格式的圖片或影片經由矩陣螢幕之奇數行像素聚焦於左眼，偶數行像素聚焦於右眼，可讓觀賞者能不需配戴眼鏡就能看到立體的畫面，將得以解決過去習知因需搭配立體眼鏡所造成觀賞者不適等人因上的問題。

本發明之另一目的，係在提供一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，透過像素元件組成一矩陣陣列螢幕，因此，矩陣螢幕經手指碰觸後，可由銀幕上各微鏡轉角和傾角分佈的不連續性來偵測被手指觸摸過的位置，同時適用於單點式或多點式(multi-touch)的多功能三維觸控式人機界面。

本發明之又一目的，係在提供一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，若將本發明之矩陣螢幕加上視訊攝影機或是紅外線三維掃描偵測系統可同步拍攝簡報者的肢體動作，係為一種可兼具簡報時手勢辨識或遊戲時全身動作感應的多功能三維人機界面之矩陣螢幕。

本發明之再一目的，係在提供一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，其控制系統之光線追跡可使用斜光線追蹤、微鏡光線追跡、幾何分析以進行控制像素元件進而可達到控制微鏡做出轉角與傾角分佈。

根據本發明所提出之一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，至少包括：複數個像素元件，由像素元件組成一矩陣陣列，每一個像素元件皆具有微鏡配框及微鏡，微鏡設置於微鏡配框中心處，每一個微鏡對應一個像素且可偏折入射光束，複數個控制元件，每一個控制元件對應電性連接每一個像素元件，以進行控制像素元件之轉角與傾角分佈。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，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。

本發明提出一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕須配合前投影系統及短焦式投影系統使用，將前投影機的矩陣螢幕做成精細分佈的微鏡矩陣，類似數位微鏡裝置(Digital Micro-mirror Device，DMD)的放大版，將矩陣銀幕做成半主動元件，可精確調整通過各個像素光束運行的方向，分別將光線導入觀賞者的雙眼，重現左、右不同視角的畫面。

參閱第1圖、第2圖及第3圖，以說明本發明之矩陣螢幕硬體架構圖、像素元件局部放大結構圖及系統方塊圖，如第1圖及第2圖所示，本發明係為一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕10，至少包括：複數個像素元件12，並且由複數像素元件12組成矩陣陣列，每一個像素元件12皆具有微鏡配框14及微鏡16，微鏡16設置於微鏡配框14中心處，每一個微鏡16可對應一個像素且可偏折入射光束，若以視訊圖形陣列(Video Graphics Array，VGA)解析度以1024×768像素為例作為解釋，則共會有786432塊微鏡16在矩陣螢幕10上，如第3圖所示，由一套可產生控制訊號之控制系統18電性連接控制元件20，因此控制系統18可由控制訊號進行控制複數個控制元件20，控制元件20則對應電性連接每一個像素元件12，以進行控制像素元件12之轉角與傾角分佈。

如第1圖及第2圖所示，本發明之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕10，可使用射出成型(injection-molding)和金屬蒸鍍(metal vapor deposition)技術，將裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕10做成鄰行交錯分佈的微鏡條列(interlaced micro-mirror strips)像素矩陣以容納空間多工式(spatial-multiplexed)數位三維影像內容，接著針對不同尺寸的矩陣螢幕10，使用光線追跡模擬軟體可以將這些微鏡16的轉角和傾角全優化，設計成讓所有微鏡16將各像素元件的光束準確聚焦於中軸線上一般眼距的左、右兩隻眼睛，至於光線追跡模擬軟體之部分其詳細實施方式容後再述。

參閱第4圖及第5圖，以說明本發明之光學掃描式矩陣控制元件結構圖及具有光學掃描式矩陣控制元件系統方塊圖，並同時參考第3圖，控制元件20可以是使用光學掃描式矩陣控制元件22做為本發明之第一實施方式，光學掃描式矩陣控制元件22具有殼體24及印刷電路板26，其中像素元件12可設於在殼體24中，並且外露微鏡16，印刷電路板26電性連接微鏡16及控制系統18，使控制系統18可透過印刷電路板26傳送控制訊號至控制元件20，以進行控制微鏡之轉角與傾角分佈。

參閱第6圖及第7圖以說明本發明之微機電系統光學偏折機構結構圖及具有微機電系統光學偏折機構系統方塊圖，並同時參考第3圖，本發明之控制元件20亦可使用微機電系統光學偏折機構28(MEMS deflection mechanism)做為第二實施方式，微機電系統光學偏折機構28具有可利用矽基材經蝕刻技術製造之框體30、扭轉軸32(torsion bar)及可利用微電鑄製程之至少一導線34，每一個像素元件12皆具有微鏡16並設於框體30上，導線34則佈局在框體30上以電性連接微鏡16，其中框體30具有永久磁場36，控制系統18可產生一電流訊號並電性連接導線34，再經由導線34電性連接扭轉軸32，因此電流訊號會經由扭轉軸34流入微鏡16上，當電流訊號與永久磁場36方向垂直時，電流訊號會與永久磁場36交互作用而產生勞倫茲力(Lorentz force)，電流訊號通過扭轉軸34後其方向會有轉動，因此所產生的勞倫茲力方向也會跟著轉向，此乃對於微鏡16產生一個力矩(torque)，因此即可透過勞倫茲力來進行控制微鏡16之轉角與傾角分佈。

如第1圖及第2圖所示，裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕10，可由數個像素元件12組成一個像素群組，像素群組係以控制訊號進行控制微鏡16以偏折入射光，且像素群組可聚焦複數個像素，像素群組係以控制訊號進行控制微鏡16以偏折該入射光束，且像素群組可聚焦像素係為三維模式，若像素群組無以控制訊號進行控制微鏡16以偏折入射光束係為二維模式。

如第1圖及第3圖所示，本發明之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕10，更可增設攝像機38或一紅外線三維掃描偵測元件40，或是將攝像機38及紅外線三維掃描偵測元件40組合搭配使用，攝像機38電性連接控制系統18，可偵測人眼位置以傳送一偵測訊號至控制系統18，控制系統18可接收偵測訊號並傳送控制訊號至控制元件20以控制像素元件12，控制元件20可接收控制訊號，以對應調整像素元件12之轉角與傾角分佈，紅外線三維掃描偵測元件40電性連接控制系統18，可偵測人體之肢體動作，以傳送偵測訊號至控制系統18，本發明之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕10係為三維觸控式人機界面，因此矩陣螢幕本身即為一個像素矩陣，因此經手指碰觸後，可由銀幕上各微鏡轉角和傾角分佈的不連續性來偵測被手指觸摸過的位置，因此本發明可同時適用於單點式或多點式(multi-touch)的多功能三微觸控式人機界面，將本發明之矩陣螢幕10與攝像機38及一紅外線三維掃描偵測元件40搭配使用可同步拍攝簡報者的肢體動作，甚至可以發展成為兼具簡報時手勢辨識或遊戲時全身動作感應的多功能三維人機界面投影銀幕產品。

參閱第1圖及第2圖，如圖所示，本發明所提出之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕10，其中微鏡16不僅是以方形微鏡可做為實施方式，亦可係為圓微鏡，可使光線轉向具有不同像素有著不同的轉角與傾角的組合進而能聚焦的觀賞者雙眼，且微鏡16與微鏡16間的距離有限，若是採用方形微鏡則可能發生兩相鄰微鏡16應轉角度後產生邊角的重疊而造成其中一微鏡16無法轉到正確的角度，因此改採用圓微鏡可以降低兩微鏡邊緣因轉角度後疊合的情況發生。

本發明所提出一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，控制系統之光線追跡模擬軟體可使用斜光線追蹤、微鏡光線追跡、幾何分析以進行控制像素元件進而可達到控制微鏡做出轉角與傾角分佈，其方法敘述如下：

1.　斜光線追跡：

參閱第8圖，以說明本發明之斜光線追跡座標示意圖，如圖所示，在兩種不同介質之間界面的反射現象可視為折射線向中的一種特殊情況。在三維情況下，在折射過程中遵循式(1)SNELL折射定律：

其中和分別為入射光與折射光的單位向量，而為邊界上的單位法向量，n ₁ 與n ₂ 為介質的折射率，I ₁ 及I ₂ 分別為相對於邊界法線的入射角與折射角，在反射的情況下，由於入射光線與反射光線方向相反，且在同一介質中傳遞，在反射情況中考慮Snell折射定律可得到n ₂ =-n ₁ 。

斜光線追踪可以應用在分析反射過程，由，=cosI ₁ 及=cosI ₂ ，本發明可以得到式(2)：

因反射過程中n ₂ =-n ₁ 可得式(3)：

由於I ₂ =-I ₁ ，將可得到式(4)：

換言之。

給定入射光、折射光與邊界法向量的方向餘弦=(L ₁ ,M ₁ ,N ₁ )，=(L ₂ ,M ₂ ,N ₂ )和=(α,β,γ)，則則可得到式(5)：

因此可由式(6)、式(7)及式(8)所構成：

L ₂ =2αcosI ₁ -L ₁ 　(6)

M ₂ =2βcosI ₁ -M ₁ 　(7)

N ₂ =2γcosI ₁ -N ₁ 　(8)

2.　微鏡光線追跡：

參閱第9圖、第10圖及第11圖，以說明本發明之微鏡光線追跡示意圖、轉角與傾角分佈變化量示意圖及轉角與傾角分佈變化量另一示意圖，如第9圖所示，為了方便起見，本發明先將微鏡做成一平扁的方塊，反射面固定在方形的中心點，且可自由得重新定位。由於能自由的旋轉角度，入射光平行入射後，光線的反射方向將由微鏡的傾斜角度所決定，並可透過斜光線追蹤來分析。

在坐標系統中的微鏡光線追跡如第9圖所示，考慮入射光沿著Z軸射向微鏡的反射面，因此，入射光的方向餘弦-=(0,0,-1)，微鏡最初定位XY平面上，是一個邊長為D的正方形，且微鏡的正中心固定在座標系統上的原點O。因此，由A、B、C、D四個點所構成的正方形將位於XY平面上，定義微鏡繞Y軸旋轉的角度為θ，繞Z軸旋轉的角度為Φ ，將微鏡傾斜後，四個點分別為A’、B’、C’及D’，設反射面的法向量為，入射光與反射光分別為及，由得到入射角與反射角為I ₁ 和I ₂ ，其中I ₂ =-I ₁ ，傾斜平面的法向量可由旋轉角度得到，因此可得到公式(9)：

其中θ_a =θ且Φ _a =Φ 為Z軸上向量的傾斜角度，θ_a 除了是傾斜角外，還是從X軸在XY平面上投影的方位角，從光線追跡本發明可由式(10)、式(11)、式(12)及式(13)推導可得到式(14)、式(15)及式(16)：

L ₂ =sin 2θ_a cosΦ _a 　(14)

M ₂ =sin 2θ_a sin θ_a 　(15)

N ₂ =cos 2θ_a 　(16)

入射光與反射光之間的偏向角可以cos^-1 計算出，由於入射光平行Z軸，本發明由Z軸與該方向的傾斜角θ_R 與X軸在XY平面上的方位角來考慮反射光方向因此可得式(17)及式(18)：

其中是在XY平面上的單位投影向量。反射光的偏向角與微鏡傾斜角的關係為：θ_R =2θ_a 且Φ _R =Φ _a ，傾斜角與轉角的變化可從微鏡的旋轉推測出來，其結果如第10圖與第11圖所示。

3.　幾何分析：

參閱第12圖、第13A圖、第13B圖、第14A圖及第14B圖，以說明本發明之幾何分析座標示意圖、轉換程式φ座標示意圖、光線追跡φ示意圖、轉換程式Θ示意圖、光線追跡Θ示意圖，如第12圖所示，設與分別為入射光與反射光的向量，因此和分別為入射光與反射光的單位向量。V _i =(x _i ,y _i ,z _i )代表光線向量的頂點。定座標系統的原點O為微鏡的中心點，剛好為V ₁ 。假定沿著Z軸O 與V ₀ 平面的距離為d ₁ ，O 與V ₂ 平面的距離為d ₂ 。

給定D 是斜微鏡的邊長，斜微鏡的角頂點可由式(19)的θ_a 與Φ _a 來描述：

同理，B’、C’和D’也可由此公式得到。從法向量=(sinθ_a cosΦ _a ,sinθ_a sinΦ _a ,cosθ_a )與=(0,0,-1)，可得到入射面的公式(20)：

(sinΦ _a )x -(cosΦ _a )y =0　(20)

傾斜的反射面則可寫成公式(21)：

(sinθ_a cosΦ _a )x +(sinθ_a sinΦ _a )y +(cosθ_a )z =0　(21)

入射光方程式可以表示成式(22)：

因V ₀ 在平面z =d ₁ ，故V ₀ =(0,0,d ₁ )，反射光可寫成式(23)：

由V ₂ 在平面z =d ₂ ，最後可得到式(24)：

V ₂ =(x ₂ ,y ₂ ,z ₂ )　(24)

其中x ₂ =(tan2θ_a cosΦ _a )d ₂ ,y ₂ =(tan2θ_a sinΦ _a )d ₂ ,z ₂ =d ₂ 。

如第13A圖、第13B圖、第14A圖及第14B圖所示，當微鏡的傾角和轉角對應偏折角度的轉換程式Φ及轉換程式Θ完成後，再進行比對過去所模擬過的微鏡角度光線追跡Φ及光線追跡Θ來測試轉換程式，可得知轉換程式的結果與光線追跡軟體模擬的成果曲線圖是100%可重合。

參閱第15A圖及第15B圖，以說明本發明之X-Y偏折效果示意圖及X-Z偏折效果示意圖，經由光線追跡軟體模擬了一個點光源，以平行光入射至微鏡的中心點處，確定光線經由微鏡的反射後，有如同當初所預設的一樣進行X-Y平面與X-Z平面的立體偏折效果，並藉由經過多種轉角與傾角不同組合的微鏡光線追跡後所整理的資料，可以準確的控制每束通過銀幕的光束都能聚焦在觀賞者雙眼，達到立體成像的效果。

根據本發明所提出之一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，利用上述之複數個像素元件組成一矩陣陣列，經由每一個控制元件對應電性連接每一個像素元件，以進行控制像素元件之轉角與傾角分佈，以呈現裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，因此不再須要搭配立體眼鏡才可使用，不再會使觀賞者感到眼部肌肉痙攣、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、肢體血液循環不暢等嚴重不適的人因問題。

雖然，本發明前述之實施例揭露如上，然其並非用以限訂本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內所為之更動與潤飾，均屬於本發明專利範圍之主張。關於本發明所界定之專利範圍請參考所附之申請專利範圍。

10．．．裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕

12．．．像素元件

14．．．微鏡配框

16．．．微鏡

18．．．控制系統

20．．．控制元件

22．．．光學掃描式矩陣控制元件

24．．．殼體

26．．．印刷電路板

28．．．微機電系統光學偏折機構

30．．．框體

32．．．扭轉軸

34．．．導線

30．．．框體

36．．．永久磁場

38．．．攝像機

40．．．紅外線三維掃描偵測元件

第1圖為本發明之矩陣螢幕硬體架構圖。

第2圖為本發明之像素元件局部放大圖。

第3圖為本發明之系統方塊圖。

第4圖為本發明之光學掃描式矩陣控制元件結構圖。

第5圖為本發明之具有光學掃描式矩陣控制元件系統方塊圖。

第6圖為本發明之微機電系統光學偏折機構結構圖。

第7圖為本發明之具有微機電系統光學偏折機構系統方塊圖。

第8圖為本發明之斜光線追跡座標示意圖。

第9圖為本發明之微鏡光線追跡示意圖。

第10圖為本發明之轉角與傾角分佈變化量示意圖。

第11圖為本發明之轉角與傾角分佈變化量另一示意圖。

第12圖為本發明之幾何分析座標示意圖。

第13A圖為本發明之轉換程式φ示意圖。

第13B圖為本發明之光線追跡φ示意圖。

第14A圖為本發明之轉換程式Θ示意圖。

第14B圖為本發明之光線追跡Θ示意圖。

第15A圖為本發明之X-Y偏折效果示意圖。

第15B圖為本發明之X-Z偏折效果示意圖。

10．．．裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕

12．．．像素元件

38．．．攝像機

Claims

一種裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，至少包括：複數像素元件，由該等像素元件組成一矩陣陣列，每一該像素元件皆具有一微鏡配框及一微鏡，該微鏡設置於該微鏡配框中心處，每一該微鏡可對應一像素且可偏折入射光束；複數控制元件，每一該控制元件對應電性連接每一該像素元件，以進行控制該像素元件之轉角與傾角分佈；以及一控制系統，可產生一控制訊號，該控制系統電性連接該等控制元件，並可由該控制訊號進行控制該等控制元件。
如請求項1所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，其中該控制元件可為光學掃描式矩陣控制元件，該光學掃描式矩陣控制元件具有一殼體及一印刷電路板，其中該像素元件設於該殼體中，並外露該微鏡，該印刷電路板電性連接該微鏡及該控制系統，使該控制系統可透過該印刷電路板傳送該控制訊號至該控制元件，以進行控制該微鏡之轉角與傾角分佈。
如請求項1所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，其中該控制元件可為一微機電系統光學偏折機構(MEMS deflection mechanism)，該微機電系統光學偏折機構具有一框體、一扭轉軸(torsion bar)及至少一導線，該像素元件設於該框體上，該導線佈局在該框體上以電性連接該微鏡，其中該框體具有永久磁場，該控制訊號可經由該扭轉軸流入該微鏡上。
如請求項3所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，其中該控制訊號可為電流訊號，當電流訊號與永久磁場方向垂直時，即可透過勞倫茲力控制該微鏡。
如請求項1所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，其中該微鏡係為圓微鏡。
如請求項1所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，可由數個像素元件組成一像素群組，該像素群組係以該控制訊號進行控制該微鏡以偏折該入射光，且該像素群組可聚焦該等像素。
如請求項6所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，其中該像素群組係以該控制訊號進行控制該微鏡以偏折該入射光束，且該像素群組可聚焦該像素係為三維模式，若該像素群組無以該控制訊號進行控制該微鏡以偏折該入射光束係為二維模式。
如請求項1所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，其中該控制系統可使用斜光線追蹤、微鏡光線追跡或幾何分析以控制該像素元件進而可控制該微鏡做出轉角與傾角分佈。
如請求項1所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕係為三維觸控式人機界面。
如請求項1所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，更包括一攝像機，其係電性連接該控制系統，可偵測人眼位置以傳送一偵測訊號至該控制系統，該控制系統接收該偵測訊號並傳送該控制訊號至控制元件，該控制元件可接收該控制訊號，以對應調整該像素元件之轉角與傾角分佈。
如請求項1所述之裸眼式且具有三維空間投射影像之矩陣螢幕，更包括一紅外線三維掃描偵測元件，其係電性連接該控制系統，可偵測人體之肢體動作，以傳送一偵測訊號至該控制系統，以進行手勢辨識或遊戲時全身動作感應。