TWI438493B - 利用聲光效應、具焦距可調功能的立體影像顯示裝置 - Google Patents

Description

利用聲光效應、具焦距可調功能的立體影像顯示裝置

本發明係與一種立體影像顯示器有關，特別是一種利用聲光效應、具焦距可調功能的裸眼式立體影像顯示器。

隨著生活品質的提升，影像顯示器已由早期的黑白影像顯示器、彩色影像顯示器，持續發展至現今家家戶戶必備的平面影像顯示器，並不斷地追求更逼真、更自然的影像品質。為了滿足對更真實影像的需求，三維立體影像顯示器的需求也逐漸湧現，除了一般的影像與色彩外，其更提供了立體空間的視覺感受，立體影像可讓人類在判讀影像資訊時具有更高的可靠性，因此三維立體影像顯示器被視為影像顯示器產業的下一波主流。

三維立體影像顯示器主要可分類為戴眼鏡式或是裸眼式兩種，而裸眼式比戴眼鏡式更為方便且更符合使用需求。裸眼式三維立體影像顯示器的技術已發展了一段時間，在裸眼式三維立體影像顯示器中，近年來各家廠商普遍係採用二維(2D)多工式，其係在同一個顯示系統上提供觀賞者一左眼視角的影像以及一右眼視角的影像，再經由大腦把左、右眼看到的不同影像融合在一起，以產生立體影像的感覺。而2D多工式又可細分為空間與時間多工式，其中空間多工式又可再細分為視差遮障式(parallax barrier)，或是柱狀透鏡陣列式(lenticular lens array)。

柱狀透鏡陣列式裸視多視點立體顯示技術係將柱狀透鏡放置於顯示面板的前方，並藉由將顯示面板所顯示的影像間隔劃分為右眼影像及左眼影像，而使得觀察者可看見立體影像。較特別地是，柱狀透鏡參數之設計必需考量顯示面板的像素大小等因素。在傳統的製造方式中，柱狀透鏡的尺寸是固定的，也就是說透鏡焦距是固定的，因此可觀看的人數以及位置等會受到柱狀透鏡的設計而有所限制，同時無法提供二維平面或三維立體的影像轉換選擇。若是利用調整視角影像所佔畫面比例來改善視角狹窄化的缺點，則又衍生出立體影像解析度下降的問題。此外，目前柱狀透鏡大型化製作困難，因為其在製作上的公差累積，將會造成三維立體影像顯示不精準的問題。

目前解決上述傳統方式所面對之問題的方法則係利用於柱狀透鏡中注入液晶元件或是液態元件等，來製作可進行電控之光學元件，例如液晶柱狀透鏡(LC lenticular lens)、液晶遮罩(LC Barrier)、電濕潤式元件(electro-wetting)等，其可藉著電氣信號控制的方式，來改變柱狀透鏡中液晶的方向並進而影響光折射效果，來自由切換二維平面模式及三維立體模式(2D/3D)的觀看模式。然而，其之成本和製程難度均較高。因此，如何獲得具有焦距可調，可符合多人同時觀賞，並且具有製作成本低以及製程簡易等優點的可切換二維平面模式及三維立體模式之立體影像顯示器，是本技術領域的研發重點。

本發明之一目的在於提供一種具有焦距可調聲光透鏡之裸眼式立體影像顯示裝置，其可取代傳統柱狀透鏡，並且提供二維/三維可切換模式、可配合單人/多人選擇觀看模式以及可調整觀賞距離等功能。

本發明之其他目的和優點，可以從下述本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為了達成上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例係為一種立體影像顯示裝置，包括有一顯示模組及一聲光透鏡，以將一立體影像提供給一使用者觀看。

顯示模組係用以顯示至少一顯示影像，其中該顯示影像包含一第一影像以及一第二影像，第一影像適於由使用者的左眼接收，第二影像適於由使用者的右眼接收。顯示模組係具有一背光模組以及一顯示面板，背光模組會發射一光源，顯示面板具有一左眼像素以及一右眼像素，光源在經過左眼像素後會形成第一影像，而光源在經過右眼像素後，會形成第二影像。

聲光透鏡係平行設置於顯示模組之前方，聲光透鏡包括一聲光晶體、一驅動電源、一壓電轉換器以及一聲反射面。聲光晶體係用以接收顯示影像。驅動電源係電性連接於聲光晶體之一側，並用以提供一電氣信號。壓電轉換器係電性連接於聲光晶體以及驅動電源之間，以將電氣信號轉換為一聲波並將其發射，而使聲波進入聲光晶體。聲反射面係設置於聲光晶體相對於壓電轉換器之另一側，聲波由壓電轉換器發射後，再藉著聲光晶體傳導而行進至聲反射面，聲波經聲反射面反射而於聲光晶體中往返，進而形成一駐波，且會改變聲光晶體之光學特性，例如折射率、節距、焦距等，並使得聲光晶體具有一柱狀透鏡陣列之光學特性，進而影響顯示影像經過聲光透鏡的出射方向，讓使用者感受到立體影像。當驅動電源關閉時，聲光晶體將不受任何聲波影響，即不產生折射率變化，其便如同一透明玻璃，影像將會延原方向前進。利用此原理加以控制，便可達成二維平面/三維立體影像切換之目的。其中，聲波具有一波長，駐波具有一節距，並且波長係為節距的兩倍。

在一實施例中，駐波具有一節距，且節距係至少等於左眼像素的寬度以及右眼像素的寬度之總和，並且左眼像素的寬度以及右眼像素的寬度係水平地平行於節距的延伸方向。

在一實施例中，使用者的眼睛與聲光透鏡之間具有一觀賞距離，並且聲光透鏡係具有一焦距，顯示面板與聲光透鏡之間具有一間距，焦距與間距的乘積除以間距與焦距的差值，係等於觀賞距離。此外，使用者具有一瞳孔間距，並且聲光透鏡具有一透鏡寬度，瞳孔間距與透鏡寬度之總和除以透鏡寬度乘上觀賞距離，係為使用者之一最大觀賞距離。

相較於習知，本發明實施例之立體影像顯示裝置係為一種利用聲光效應原理來設計一聲光透鏡，並藉由進入聲光晶體的聲波來進行調制聲光晶體之光學特性，進而提供一立體影像。此外，立體影像顯示裝置係具備二維平面以及三維立體之可切換模式，可配合單人以及多人選擇觀看模式，並且可適時調整觀賞距離以符合不同場所，以及可配合不同的瞳孔間距應用於個人娛樂觀賞功效。其中，聲光透鏡具有適用於各式顯示面板的優勢。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，將可清楚的呈現在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明而並非是用於限制本發明。

請參照第一圖，其係為一種立體影像顯示裝置的示意圖。一種利用聲光效應、具焦距可調功能的立體影像顯示裝置10，可以將一立體影像提供給一使用者u觀看，其包括一顯示模組100以及一聲光透鏡200。顯示模組100具有一背光模組110以及一顯示面板120。背光模組110會發射一光源S。顯示面板120係為一具有多視角之顯示面板，其係具有至少一左眼像素L以及至少一右眼像素R。當光源S經由左眼像素L後，會形成第一影像L’，在經過聲光透鏡200後，由使用者u的左眼所接收；同時，當光源S通過右眼像素R後，會形成第二影像R’，在經過聲光透鏡200後，由使用者u的右眼所接收。使用者u之左右眼各自接收所對應的影像後，會經由大腦融合而感知一立體影像。

聲光透鏡200係平行設置於顯示模組100之前方，以接收第一影像L’以及第二影像R’。聲光透鏡200包括一聲光晶體210、一驅動電源220、一壓電轉換器230以及一聲反射面240。聲光晶體210的形狀係為一面板狀的透明晶體，並且係平行設置於顯示模組100之前方。驅動電源220係電性連接聲光晶體210之一側，而壓電轉換器230係電性連接於聲光晶體210以及驅動電源220之間，聲反射面240則相對設置於聲光晶體210的壓電轉換器230之另一側。

驅動電源220會提供一電氣信號並傳送至壓電轉換器230，壓電轉換器230會將電氣信號轉換為一聲波310，聲波310係由壓電轉換器230發射而進入聲光晶體210。當聲波310由壓電轉換器230發射後，便可藉著聲光晶體210的傳導而行進至聲反射面240，聲波310經聲反射面240反射而形成一反射聲波320，反射聲波320循著聲波310前進的反方向返回，而向壓電轉換器230的方向前進，當反射聲波320與由壓電轉換器230所發射之聲波310交會疊加，便會於聲光晶體210中形成一駐波300，並改變聲光晶體210之光學特性，例如折射率、節距、焦距等，進而使聲光晶體210具有如同一柱狀透鏡陣列之特性，將會影響第一影像L’以及第二影像R’的出射方向。

上述說明係藉由將顯示面板120所顯示之顯示畫面，間隔劃分為左眼影像顯示區域之第一影像L’以及右眼影像顯示區域之第二影像R’，而於同一個顯示畫面中以像素交錯或棋盤式的方式來排列，如同圖中所示，左眼像素L以及右眼像素R係以圖中所呈現之一種交錯式的排列方法來排列。藉由聲波310控制來調變聲光透鏡200之光學特性，例如折射率、節距、焦距等，同時顯示左右眼的第一影像L’及第二影像R’，以讓使用者u的左右眼分別看到通過聲光透鏡200後之對應的第一影像L’以及第二影像R’，而令使用者u的大腦感知立體影像之視覺。

由於聲光晶體210之材料特性，當聲波310通過聲光晶體210時會產生聲光效應，而造成聲光晶體210之介質密度作週期性疏密變化，因此便可使得聲光晶體210之折射率發生週期性改變。聲光晶體210之折射率變化主要是由聲光晶體210的材料特性和聲波310的功率大小來決定，進而改變聲光透鏡200的焦距。當驅動電源220開啟時，聲光晶體210受到聲波310的影響，使得聲光透鏡200可以作為一焦距可調的主動式柱狀透鏡陣列，因此可進一步讓使用者u觀賞到三維立體影像，並視需求調整使用者u的觀賞距離。當驅動電源220關閉時，聲光晶體210不受任何聲波310的影響，即不產生折射率改變時，其便如同一透明玻璃，則使用者u可觀賞到二維平面影像。另一方面，可以改變聲波310的頻率、波長以及速度，以控制聲光透鏡200的節距，藉此可與不同像素大小的顯示面板相配合，以達到多人(多視角)觀看的效果。

以下將配合第二圖來詳細說明，其描述聲光透鏡200中之聲波310的聲速度、聲頻率及其聲波長所相對應產生的駐波300之間的關係。藉由控制聲波310的聲速度、聲頻率及其聲波長，可調變聲光透鏡200之折射率，而形成一焦距可調的主動式透鏡。駐波300具有一節距(lens pitch)P_L ，節距P_L 為每兩節點N之間的距離，並且節距P_L 至少係為一組左眼像素L的寬度W₁ 以及右眼像素R的寬度W₂ 之總和，也就是說，節距P_L 等於單一像素寬度的整數倍，其像素的數值與可觀看人數及視角成正比。其中左眼像素L的寬度W₁ 以及右眼像素R的寬度W₂ 係水平平行於節距P_L 的延伸方向，並且節距P_L 係由聲波310之特性，例如聲速度、聲頻率及其聲波長所決定，其之關係式如下：

其中Λ代表聲光透鏡200中聲波310之聲波長(acoustic wavelength)，而v _s 代表聲波310之聲速度以及f _s 代表聲波310的聲頻率(acoustic frequency)。

至於，聲光透鏡200之焦距(focal length)f _AOL 則可藉由聲光晶體210的折射率來調變，其中聲光晶體210的折射率主要係由聲波310的功率大小以及聲光晶體210的材料特性來決定，其之關係式如下：

其中Δn 係為聲波310致使折射率改變的幅值，n ₀ 則係為無任何聲波影響時聲光晶體210的初始折射率。

藉由幾何光學成像原理公式，利用已知聲光透鏡200的焦距f _AOL ，以及顯示面板120與聲光透鏡200之間的間距G，來計算使用者u的人眼至聲光透鏡200之觀賞距離D，觀賞距離D係為焦距f _AOL 與間距G的乘積除以間距G與焦距f _AOL 的差值：

假設聲光透鏡200具有一中垂線P，並且係經過使用者之兩眼瞳孔的中間點以及顯示面板120的中間點，而使用者的兩眼瞳孔之中心的距離具有一瞳孔間距E。位於顯示面板120的左眼像素L的中心光線經聲光透鏡200折射後，將成像於使用者u的左眼，同理，位於顯示面板120的右眼像素R的中心光線經聲光透鏡200折射後，成像於使用者u的右眼。因此，聲光透鏡200與使用者之間，與中垂線P具有一夾角i 。聲光透鏡200與顯示面板120之間，與中垂線P具有一夾角φ。兩夾角i 及φ與其他參數之關係式，可表示如下：

其中m至少為2，代表聲光透鏡200中單一節距P_L 所包括之像素數量，m值越大表示視角數目越大且立體感越佳，同時可提供越多人同時觀看。

由於觀賞距離遠大於最小明視距離(least distance of distinct vision，LDDV)，因此可將上兩式(4)及(5)配合司乃耳定律(Snell’s Law)，改寫關係式為：

n _air sini =n _AOL sinφ　(6)

因此，得到觀賞距離可為：　(7)

由關係式(7)可得知觀賞距離D亦與顯示面板120與聲光透鏡200之間的間距G以及瞳孔間距E成正比關係。一般而言，瞳孔間距E可採用成人之平均值為65mm，因此可調整聲波310之功率來改變聲光透鏡200中的折射率n _AOL ，進而調整至使用者u想要的觀賞距離，以因應不同場所的需求。此外，若將立體影像顯示裝置10應用於例如個人娛樂手持式產品中，其觀賞距離幾乎係為固定的，其大約係為使用者的手臂長度之距離，而使用者之兩眼瞳孔間距E則會隨著人種、性別、年齡等因素而變化，因此配合瞳孔間距E來適當調整聲波310之功率大小，進而改變聲光透鏡200之折射率n _AOL ，可以減少觀看立體影像所造成的不適感。

在一實施例中，顯示面板120顯示之至少一顯示影像包括一平面影像，也就是影像數目為一個，此時，關閉聲光透鏡200之驅動電源220，則驅動電源220未提供電氣信號，使得聲光晶體210無折射率改變，如同一透明玻璃，顯示影像會延原方向前進，顯示影像經聲光晶體210而直接出射，則由立體影像顯示裝置10所顯示之影像為二維平面影像。因此，可藉由開啟或關閉驅動電源220，來控制聲光晶體210是否具有一柱狀透鏡陣列之特性，並與顯示面板120所提供之影像數目做搭配，可立即達到切換二維平面及三維立體影像的模式。

請參照第三圖，其係為本實施例中使用者u前後移動可觀看立體影像的距離範圍之示意圖。可藉由上式(7)來得到一最大觀賞距離D _B 以及一最小觀賞距離D _F ：

其中A代表聲光透鏡200的透鏡寬度，上式(9)中最大觀賞距離係瞳孔間距E與透鏡寬度A之總和，除以透鏡寬度A乘上最佳觀賞距離D而得到。因此由第三圖可知，此立體顯示裝置10的可觀賞範圍V，係由最小觀賞距離D _F 、最大觀賞距離D _B ，以及由聲光透鏡200之左右兩端所發出之第一影像以及第二影像的影像光，所延伸之虛線圍繞出實線的範圍，由此可使其在多人觀看時，適時調整觀賞距離，以因應不同場所的大小。

本發明實施例係利用聲光效應原理，藉由聲波控制其聲光晶體的光學特性，進而調整觀賞距離，並且可提供二維平面與三維立體影像的模式切換。此外，本技術可控制聲光透鏡的節距，以因應不同顯示面板的像素或合成影像的大小。

因此，綜上所述，上述實施例具有下列優點：

一、藉由可調變其折射率之聲光透鏡，而形成一焦距可調的主動式柱狀透鏡陣列；

二、可適時調整聲光透鏡的節距，以配合不同顯示面板的像素尺寸來設計；

三、藉由開啟與關閉驅動電源，而可立即進行二維平面模式與三維立體模式的切換；

四、在應用於個人娛樂裝置時，可配合個人的瞳孔間距，以減少使用者觀看立體影像所造成的不適感；以及

五、在多人觀看時，可適時調整觀賞距離，以因應不同場所的大小。

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，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10．．．立體影像顯示裝置

100．．．顯示模組

110．．．背光模組

120．．．顯示面板

200．．．聲光透鏡

210．．．聲光晶體

220．．．驅動電源

230．．．壓電轉換器

240．．．聲反射面

300．．．駐波

310．．．聲波

320．．．反射聲波

A．．．透鏡寬度

D．．．觀賞距離

D _F ．．．最小觀賞距離

D _B ．．．最大觀賞距離

E．．．瞳孔間距

G．．．(顯示面板與聲光透鏡間)間距

L．．．左眼像素

R．．．右眼像素

L’．．．第一影像

R’．．．第二影像

N．．．節點

P．．．中垂線

P_L ．．．節距

S．．．光源

u．．．使用者

V．．．可觀賞立體影像之範圍

W₁ 、W₂ ．．．(像素)寬度

i 、φ．．．夾角

第一圖至第三圖，皆係為本發明實施例之立體影像顯示裝置及其影像光路的示意圖。

10．．．立體影像顯示裝置

100．．．顯示模組

110．．．背光模組

120．．．顯示面板

200．．．聲光透鏡

210．．．聲光晶體

220．．．驅動電源

230．．．壓電轉換器

240．．．聲反射面

300．．．駐波

310．．．聲波

320．．．反射聲波

L．．．左眼像素

R．．．右眼像素

L’．．．第一影像

R’．．．第二影像

N．．．節點

S．．．光源

u．．．使用者

Claims (10)

1. 一種立體影像顯示裝置，以將一立體影像提供給一使用者觀看，包括：一顯示模組，其用以顯示至少一顯示影像；以及一聲光透鏡，其係平行設置於該顯示模組之前方，該聲光透鏡包括：一聲光晶體，其係用以接收該顯示影像；一驅動電源，其係電性連接該聲光晶體之一側，並且用以提供一電氣信號；一壓電轉換器，其係電性連接於該聲光晶體以及該驅動電源之間，以將該電氣信號轉換為一聲波並加以發射，而使得該聲波進入該聲光晶體；以及一聲反射面，其係設置於該聲光晶體之相對於該壓電轉換器的另一側，其中，該聲波在由該壓電轉換器發射後，會藉著該聲光晶體之傳導而行進至該聲反射面，該聲波會經由該聲反射面反射而於該聲光晶體中往返，進而形成一駐波，並改變該聲光晶體之光學特性，進而影響該顯示影像通過該聲光晶體的出射方向，分別出射至該使用者的左右眼，經該使用者的大腦融合而感知該立體影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之立體影像顯示裝置，其中該顯示模組具有一背光模組以及一顯示面板，該背光模組會發射一光源，該顯示面板具有一左眼像素以及一右眼像素，該光源係經由該左眼像素而形成一第一影像，以及該光源係經由該右眼像素而形成一第二影像。
3. 如申請專利範圍第2項所述之立體影像顯示裝置，其中該顯示影像包含該第一影像以及該第二影像，該第一影像適於該使用者的左眼接收，該第二影像適於該使用者的右眼接收。
4. 如申請專利範圍第2項所述之立體影像顯示裝置，其中該駐波具有一節距，且該節距至少係為該左眼像素之寬度以及該右眼像素之寬度的總和，並且該左眼像素之寬度方向以及該右眼像素之寬度方向，係水平平行於該節距的延伸方向。
5. 如申請專利範圍第2項所述之立體影像顯示裝置，其中該顯示面板係為一具有多視角之顯示面板。
6. 如申請專利範圍第4項所述之立體影像顯示裝置，其中該聲波具有一波長，並且該波長係為該節距的兩倍。
7. 如申請專利範圍第5項所述之立體影像顯示裝置，其中該使用者的左右眼與該聲光透鏡之間具有一觀賞距離。
8. 如申請專利範圍第7項所述之立體影像顯示裝置，其中該聲光透鏡係具有一焦距，該顯示面板與該聲光透鏡之間係具有一間距，該焦距與該間距的乘積除以該間距與該焦距的差值，係等於該觀賞距離。
9. 如申請專利範圍第7項所述之立體影像顯示裝置，其中該使用者具有一瞳孔間距，並且該聲光透鏡具有一透鏡寬度，該瞳孔間距與該透鏡寬度之總和除以該透鏡寬度，並乘上該觀賞距離，係為該使用者之一最大觀賞距離。
10. 如申請專利範圍第1項所述之立體影像顯示裝置，其可以藉著關閉或開啟該驅動電源，而使得該立體影像顯示裝置得以在二維平面模式與三維立體模式之間進行切換。