TWI442090B - 用以顯示多重視角影像之顯示裝置 - Google Patents

Description

用以顯示多重視角影像之顯示裝置

本發明為一種顯示裝置，特別是指一種用以顯示多重視角影像之顯示裝置。

近年來，為了追求更逼真更貼近真實的影像，顯示技術不斷地推陳出新使其貼合觀測者的需求。從初期的平面顯示對於解析度及色彩的追求，至近年的三維顯示裝置更可進一步提供觀測者除了影像以外的立體感受。

立體顯示主要的作用原理為分別饋送左右眼不同的角度的觀看物體的影像，根據人眼的視覺特性，於雙眼分別觀視相同影像內容但是具有不同視差(parallax)的二影像時，觀測者會感覺所視物具有層次感及深度感，以感受到一個三度空間立體影像。

應用上大略可分為需額外搭配眼鏡觀看或是直接裸視兩種方式，近年來更主要的技術發展更以後者為主。再依照饋送的方式不同，再細分為時域多工以及空間多工的方式。

第1圖為習知採用時間多工模式之投影式立體顯示裝置1之示意圖，如圖所示，習知採用時間多工模式之投影式立體顯示裝置1包含複數個緊鄰條狀光源11、一菲涅耳透鏡12及液晶面板13。此等條狀光源11依序提供一光束進入菲涅耳透鏡12，利用菲涅耳透鏡12進行平面化聚焦，於液晶面板13成像後，再投射至對應之各視域。然而，在上述傳統時間多工模式之立體影像顯示技術中，由於一個光源僅對應至一個視角，因此受到光源設置及其排 列限制，能提供的視角數目有限，故解析度較差。

第2圖為另一種習知採用時域多工模式之投影式立體影像顯示裝置之示意圖。如圖所示，此顯示裝置2包含一光源21、一偏光鏡23、一旋轉多面鏡25、一面板27以及數個光學元件29。光源21產生一光束，光束先藉由偏光鏡23偏極化，再以旋轉多面鏡25反射至面板27成像，產生類似掃描效果。後續的數個光學元件29在不同的時序中將不同角度的影像投影至不同觀察區域。詳言之，以本實施例為例，光源21依序在面板27相鄰的視域上產生第一視角影像、第二視角影像、第三視角影像及第四視角影像，但此種投影式立體影像顯示裝置需藉由旋轉多面鏡25旋轉，且多面鏡25的旋轉方式大多採用機械式運轉，此種運轉方式較易因摩擦產生大量噪音。且若遇分割的視角較多，此時，則需提高旋轉多面鏡25的轉速，使得前述缺點將更為顯著。

事實上，無論單獨採用以空間多工模式(spatial multiplex)或時域多工模式(time multiplex)來達到立體顯示效果，均有其美中不足的缺點及待克服之問題。基於此，如何設計出同時具有較低成本、簡化的光學配置及解析度高等優點之立體影像顯示裝置，乃為此業界亟需努力之目標。

本發明為一種用以顯示多重視角影像之顯示裝置，顯示裝置包含一顯示螢幕和一投影裝置，以將至少二視角影像成像至相鄰的至少二視域上，使觀看者看到一立體影像。

投影裝置內包含至少一光源模組、一光學元件組、一第一光調變器、一第二光調變器及一鏡頭。至少一光源模組可產生一光線，光線進入光學元件組後被分為一第一區塊光線及一第二區塊光線。第一區塊光線及第二區塊光線分別被第一光調變器及第二光調變器接受，再分別轉換成一第一視角影像及一第二視角影像，最後由鏡頭同時投影至顯示螢幕上。

其中，顯示螢幕係將第一視角影像及第二視角影像，分別經由第一區塊光線及第二區塊光線成像至相鄰之一第一視域及一第二視域。

為了讓上述的目的、技術特徵和優點能夠更為本領域之人士所知悉並應用，下文係以本發明之數個較佳實施例以及附圖進行詳細的說明。

以下將透過實施方式來解釋本發明內容，本發明係關於一種顯示裝置。需說明者，在下述實施例以及附圖中，關於實施方式之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以直接限制本發明，同時，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件均已省略而未繪示；且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例及實際大小。

本發明為一種用以顯示多重視角影像之顯示裝置，顯示裝置包含一顯示螢幕和一投影裝置，投影裝置將產生的二視角影像產生在顯示螢幕上，使觀看者看到一立體影像。

為了圖面的簡潔及易於辨讀，說明書中所繪示的光線僅作為例示本發明的運作方式，其完整光路並未全數繪出，但熟悉本領域技術者應可理解並輕易推及運用。

第3A圖至第3C圖為本發明之第一實施例之投影裝置3內部不同角度示意圖。投影裝置3內包含一光源模組31、一光學元件組32、一第一光調變器33、一第二光調變器34、一鏡頭35及一合光元件36。

本實施例以一光源模組為例但不以此為限，此光源模組31可產生一光線310，並通過一集光柱均勻光線310。光學元件組32包含一集光元件組320、一第一光路元件組321及一第二光路元件組322。光線310(集光柱出口)經由集光元件組320進行集光後成像(本實施例之集光元件組320係為一透鏡)，第3A圖中僅繪虛線以表示光線穿過集光元件組320原本預計成像處，並藉由第一光路元件組321及第二光路元件組322之透鏡及反射鏡，將光線310透射和反射分為一第一區塊光線311及一第二區塊光線312(僅以主光線示意)，各別以不同光路前進。

詳細而言，第一光路元件組321包含數個第一反射鏡，以將第一區塊光線311反射導引至第一光調變器33；同樣地，第二光路元件組322亦包含數個第二反射鏡，以將第二區塊光線312反射導引至第二光調變器34。在本實施例中，相對於入射第一區塊光線311、第二區塊光線312，反射鏡係以45度角設置，故第一區塊光線311、第二區塊光線312得以45度入射並反射地傳遞，但本發明不以此角度設置為限。此處的第一光路元件組321，係泛指 當第一區塊光線311離開光學元件組32後，到達第一光調變器33之前經過的光學元件；相似的，第二光路元件組322係泛指當第二區塊光線312離開光學元件組32後，到達第二光調變器34之前經過的光學元件。因此，此處的光學元件的種類、數量以及配置，皆會因為投影裝置3的內部容積、鏡頭35的設置位置等有所更動，因此並不以本實施例揭示的光路元件為限。此外，為了方便閱讀圖面，集光元件組320、第一光路元件組321及第二光路元件組322等元件僅部分地標註於圖面中。

第一區塊光線311及第二區塊光線312分別經由相應的內部全反射稜鏡(total internal reflection prism,TIR prism)傳遞而被第一光調變器33及第二光調變器34接受，再分別轉換成一第一視角影像及一第二視角影像，再次通過相應的內部全反射稜鏡投射出。需說明的是，由於光線310後續將分為第一區塊光線311及第二區塊光線312，以提供至第一光調變器33和第二光調變器34，是故，經集光柱均勻後之光線310，其面積恰等於第一光調變器33和第二光調變器34的成像面積總和。以本實施例為例，若均勻後之光線310的長寬比為32：9，則各光調變器之長寬比便為16：9，藉此完整接收並轉換各自的視角影像。於本實施例中，第一光調變器33和第二光調變器34均係數位微鏡裝置(digital micro mirror device,DMD)，然於其他實施態樣中，光調變器亦可採用液晶顯示裝置。

當第一區塊光線311、第二區塊光線312分別由第一光調變器33及第一光調變器34轉換成第一視角影像、第二視角影像後，接 著由內部全反射稜鏡投射出之第一視角影像及第二視角影像，由合光元件36自不同方向接收，並轉換成相同方向以提供至鏡頭35。更詳細而言，請參考第4圖，其為本發明第一實施例之投影裝置3內部部分光路示意圖。投影裝置3中，合光元件36係將二光調變器33、34轉換後之視角影像傳送至鏡頭35。最後，由鏡頭35將此二視角影像同時投影至顯示螢幕上(詳參後述)。

在本實施例中，合光元件36為一全反射立方體，例如一全反射稜鏡(TIR prism)。此合光元件36可依據不同的材質，設計成不同的夾角θ，使用BK7玻璃時，角度較佳為41.2°。若採用SF-1，則角度較佳為35.6°。此外，本實施例雖僅以二光調變器搭配一合光元件，但熟知本項技術領域者亦可推及二個以上的光調變器搭配一合光元件的實施態樣，亦即本實施例僅為例示，而本發明並不以此為限。

請同時參考第5A圖及第5B圖，為本發明第一實施例之投影裝置3搭配顯示螢幕4之不同角度示意圖。顯示裝置包含一投影裝置3、一顯示螢幕4和一反射面5，且投影裝置3係為一背投式投影裝置，故可藉由反射面5將影像顯示在顯示螢幕上4。

請參考第6圖，為應用本發明第一實施例之投影裝置3的顯示裝置之成像示意圖。如前所述，顯示裝置包含一投影裝置3、一顯示螢幕4和一反射面5，而顯示螢幕4包含一雙層柱狀透鏡(double lenticular lens)，雙層柱狀透鏡具有二柱狀透鏡層41a及夾於二柱狀透鏡層41a之間的一全向擴散板41b(all direction diffuser)。在二柱狀透鏡層41a之兩外側，分別設置一外板42。藉由具全向擴 散功能之全向擴散板41b，即可將來自投影裝置3之第一視角影像、第二視角影像並投射至參考面6。

此外，本發明亦可具有其他之顯示螢幕實施態樣，例如顯示螢幕包含一菲涅耳透鏡(Fresnel lens)及一垂直擴散板(vertical diffuser)。複數視角區塊影像光線進入此態樣之顯示螢幕後，垂直擴散板便將該些區塊光線於一垂直方向擴散，若以第一實施例為例，該些區塊光線即為第一區塊光線及第二區塊光線。接著，該些區塊光線再藉由菲涅耳透鏡聚焦在相鄰的視域分別形成第一視角影像及第二視角影像，換言之，觀看者即可於參考面上觀看到不同視角影像。

需特別說明的是，雖然第一實施例僅使用一個光源搭配二光調變器，故只能在顯示螢幕上的顯示兩個視角的影像。但於其他實施態樣中，投影裝置中可包含複數的光源以搭配二個光調變器，該些光源分別依序的提供光線，以時間多工模式達成產生多視角影像之目的。此外，亦可藉由在顯示裝置內設置複數個投影裝置得到多視角的影像，換言之，每增設一額外的投影裝置時，視角影像的數目則可倍增，此種設置方式亦可以達到上述產生多重視角影像之目的。

詳言之，請參考第7圖，其為本發明應用異於第一實施例之投影裝置的顯示裝置成像示意圖。與第6圖相異的部分在於：第7圖中的投影裝置7中，其光源模組係採用四組光源，光源模組中的四組光源依序產生一光線，依序產生的四道光線經兩個光調變器及顯示螢幕4成像後，便會在參考面6上產生八個視角影像， 且八個視角影像係依序相鄰的成像於各視角視域之中。換言之，觀看者可以於參考面上觀測到8個視角的影像。故如前述，具有本領域通常知識者可藉由增設光源數目，達到視角倍增的效果，提高視角影像之數目及密集度，改善影像呈現品質。

如第8圖所示，其係為本發明之投影裝置8具有二光源模組之態樣示意圖。投影裝置8除了包含二光源模組以外，還包含了一合光元件82、一第一透鏡組83、一第二透鏡組84等其他必要光學元件(圖未示出)。

二光源模組其中一者包含光源812a、814a、816a，另一者包含光源812b、814b、816b，於本實施態樣中，每一光源模組均具有三個LED光源。詳言之，光源812a、814a、816a於第一時序分別提供一第一色光、一第二色光及一第三色光，以成為第一光線；而光源812b、814b、816b則於第二時序分別提供一第一色光、一第二色光及一第三色光，以成為第二光線。且於此實施例中，第一色光、第二色光及第三色光係分別為一紅光、一綠光及藍光，但本發明並不以此為限。需說明的是，為使圖式清晰且說明簡潔，故僅繪示一光源之光路行進方式，省略其餘光源光路未繪示，然熟知此技術領域者應可輕易推及。

是故，第一光線與第二光線便可輪流配合二光調變器，產生第一視角影像、第二視角影像、第三視角影像、第四視角影像。若改為三組光源模組搭配二光調變器，則可產生六視角影像，以此類推，可藉由光源與光調變器的數量的調整產生的更多對應的視角影像數目。

本實施例係採用分光稜鏡(X-cube)作為合光元件82，藉以將紅色、綠色、藍色三色光進行合光。於其他實施態樣中，合光元件亦可為十字分光鏡(X-plate)、分光鏡(dichroic Mirror)等合光裝置，且本發明並不以上述舉例為限。

最後，請參考第9圖，其係為本發明之投影裝置具有陣列型態光源模組之示意圖。第9圖與第8圖最大的差異在於，第9圖中之光源模組具有12組光源，且分成三組不同色光源912、914(圖式因角度關係僅能示意兩組光源)，採陣列的形式排列於投影裝置8之中。三組不同色光源912、914同樣利用合光元件82輪流進行合光，再搭配光調變器產生複數個視角影像。此外，本實施例與前述說明相同之元件與相關成像機制在此不另贅述。

綜上所述，本發明為利用至少一光源搭配二光調變器作為原理，並藉由調整光源數目達到增加視角的手段，此種設計可以有效的達到簡化顯示裝置的體積、簡化光路設計及降低成本的目的。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1‧‧‧立體顯示裝置

11‧‧‧條狀光源

12‧‧‧菲涅耳透鏡

13‧‧‧液晶面板

2‧‧‧顯示裝置

21‧‧‧光源

23‧‧‧偏光鏡

25‧‧‧旋轉多面鏡

27‧‧‧面板

29‧‧‧光學元件

3‧‧‧投影裝置

31‧‧‧光源模組

310‧‧‧光線

311‧‧‧第一區塊光線

312‧‧‧第二區塊光線

32‧‧‧光學元件組

320‧‧‧集光元件組

321‧‧‧第一光路元件組

322‧‧‧第二光路元件組

33‧‧‧第一光調變器

34‧‧‧第二光調變器

35‧‧‧鏡頭

36‧‧‧合光元件

4‧‧‧顯示螢幕

41a‧‧‧柱狀透鏡層

41b‧‧‧全向擴散板

42‧‧‧外板

5‧‧‧反射面

6‧‧‧參考面

7‧‧‧投影裝置

8‧‧‧投影裝置

812a、814a、816a、812b、814b、816b‧‧‧光源

82‧‧‧合光元件

83‧‧‧第一透鏡組

84‧‧‧第二透鏡組

912、914‧‧‧光源

第1圖係為習知採用時域多工的投影式立體顯示裝置示意圖；第2圖係為習知採用時域多工的投影式立體顯示裝置示意圖；第3A圖係為本發明之第一實施例之投影裝置內部示意圖； 第3B圖係為第3A圖之投影裝置內部另一角度之示意圖；第3C圖係為第3A圖之投影裝置內部又一角度之示意圖；第4圖係為本發明第一實施例之投影裝置內部部分光路示意圖；第5A圖係為本發明第一實施例之投影裝置搭配顯示螢幕之示意圖；第5B圖係為本發明之第一實施例投影裝置搭配顯示螢幕之另一角度示意圖；第6圖係為應用本發明之第一實施例之投影裝置的顯示裝置成像示意圖；第7圖係為本發明應用另一實施例的投影裝置之顯示裝置成像示意圖；第8圖係為本發明之投影裝置具有二組光源模組之示意圖；以及第9圖係為本發明之投影裝置具有陣列型態光源模組之示意圖。

3‧‧‧投影裝置

31‧‧‧光源模組

310‧‧‧光線

311‧‧‧第一區塊光線

312‧‧‧第二區塊光線

32‧‧‧光學元件組

320‧‧‧集光元件組

321‧‧‧第一光路元件組

322‧‧‧第二光路元件組

33‧‧‧第一光調變器

34‧‧‧第二光調變器

35‧‧‧鏡頭

36‧‧‧合光元件

Claims (10)

1. 一種用以顯示多重視角影像之顯示裝置，包含：一顯示螢幕；一投影裝置，包含：至少一光源模組，產生一光線；一光學元件組，包含一集光元件組，以將該光線分為相互平行之一第一區塊光線及一第二區塊光線；一第一光調變器，接受該第一區塊光線以轉換成一第一視角影像；一第二光調變器，接受該第二區塊光線以轉換成一第二視角影像；以及一鏡頭，將該第一視角影像及該第二視角影像同時投影至該顯示螢幕，其中，該顯示螢幕係將該第一視角影像及該第二視角影像，分別經由該第一區塊光線及該第二區塊光線成像至相鄰之一第一視域及一第二視域。
2. 如請求項1所述之顯示裝置，其中，該光學元件組更包含一第一光路元件組及一第二光路元件組，該光線經過該集光元件組後，分為該第一區塊光線及該第二區塊光線以分別射至該第一光路元件組及該第二光路元件組。
3. 如請求項2所述之顯示裝置，其中至少一光源模組包含複數個光源模組，該些光源模組分別依序提供該光線。
4. 如請求項1所述之顯示裝置，其中該投影裝置更包含一合光元件，接受該第一視角影像及該第二視角影像以提供至該鏡 頭。
5. 如請求項4所述之顯示裝置，其中該合光元件係為一全反射立方體。
6. 如請求項1所述之顯示裝置，其中該顯示螢幕包含一菲涅耳透鏡。
7. 如請求項6所述之顯示裝置，其中該顯示螢幕更包含一垂直擴散板，用以將該第一區塊光線及該第二區塊光線於一垂直方向擴散。
8. 如請求項1所述之顯示裝置，其中該顯示螢幕包含一雙層柱狀透鏡，該雙層柱狀透鏡具有二柱狀透鏡層及夾於該等柱狀透鏡層之間的一全向擴散板。
9. 如請求項1所述之顯示裝置，其中該些光調變器係為一數位微鏡裝置或一液晶顯示裝置。
10. 如請求項1所述之顯示裝置，其中該投影裝置為一背投式投影裝置。