TWI476447B - 立體投影顯示裝置 - Google Patents

Description

立體投影顯示裝置

本發明係有關於一種可以產生立體影像之光學投影顯示裝置。可應用於必須使用偏極化眼鏡以觀看立體影像之投影機的光學系統設計上。

隨著科技的快速發展，人們的生活品質跟著逐步提升，並對於消費性電子產品的需求日益提高。由於3D立體電影的票房熱賣，帶動全球3D立體顯示器(stereoscopic display)產業蓬勃發展，3D立體投影機亦不例外。

人眼感受到立體視覺，主要是由兩眼視差(binocular parallax)與移動視差(motion parallax)所造成。經兩眼接收到不同影像後，大腦再將兩個影像作結合，形成立體畫面。其中，兩眼視差是由於人類的左眼與右眼所在的位置不同，兩眼之間的平均距離大約為6至6.5公分，進而造成兩眼在觀看物體時的視覺角度略有差別，因此眼睛所接受到的影像也會跟著不同。而移動視差則是指當觀賞者在移動時觀看同一個物體，兩眼觀看物體的視角會隨著觀賞者的移動而產生變化，導致眼睛接收到的影像內容也有所改變。

近年來，由於立體影像的運用更為多元，促使3D顯示技術的快速起飛與日漸進步。然而，如何使觀看立體顯示的舒適度提高、降低立體顯示器的成本、以及縮小立體顯示系統的體積等等，都是目前3D立體顯示技術的重要發展目標。

3D立體顯示技術之發展起源，是依據立體視覺原理，利用各種不同的分光技術使兩眼分別接收到不同的影像而形成立體之效果，例如早期的紅藍眼鏡即是利用紅藍濾光鏡片將不同視角之影像加以過濾，分別送至左、右眼睛以達到左眼與右眼分別接收到不同視角之影像內容並感受到立體之效果。

3D立體顯示技術經過長時間的發展與演進，大致可分為兩類，一為需戴眼鏡的「眼鏡式立體顯示技術」，另一則為不需戴眼鏡的「裸眼(autostereoscopic)式立體顯示技術」。而眼鏡式為最早開始發展的立體顯示技術，至今已趨近成熟，無論是在顯示尺寸或是立體效果上，皆非近年來才開始發展的裸眼式立體顯示技術所可比擬的。

在眾多需穿戴眼鏡之立體顯示技術中，又以偏極化眼鏡式立體投影顯示系統的影像品質與立體效果最佔優勢。然而，此種系統需要兩台投影機分別以互相垂直偏極化的光束去投射對應於左、右眼之不同影像，以使左、右眼鏡得以分別通過對應極化方向之光束，獲致立體之效果。因此，該系統所需之空間與組件皆較為龐大與複雜。

請參照「第1圖」，其為偏極化眼鏡式立體投影顯示系統10之習知架構。偏極化眼鏡式立體投影顯示系統10基本上包括兩台投影機，分別為投射左眼影像之投影機11a與投射右眼影像之投影機11b，其中，兩投影機11a與11b各自擁有照明系統12a與12b、光機引擎(optical engine)13a與13b，以及投影鏡頭14a與14b。兩投影機11a與11b分別利用極化方向互相垂直的兩偏極化片(polarizer)15a與15b將左、右眼影像透過投影鏡頭14a與14b投射出極化方向互相垂直的光束至具有保留偏極化特性的特殊偏極化保留銀幕(polarization reserved screen)16上。該左、右眼影像光束經偏極化保留銀幕16反射後仍保留其偏極化方向互相垂直之特性。

請參照「第2圖」，偏極化眼鏡20為偏極化片15的應用，是由兩片極化方向互相垂直的偏極化片15a與15b所組成，目的是要使經偏極化保留銀幕16反射後仍具有極化方向互相垂直的左眼影像21之光束24與右眼影像22之光束25能分別進入相對應極化方向的左、右眼鏡片，藉此達到左、右眼看到不同的影像，以呈現3D立體影像23之感受效果。

如上習知技術所述，欲實現偏極化眼鏡式立體投影顯示系統 10，必須採用兩投影機以投射具有互相垂直極化之兩影像光束，故系統所需之空間與組件皆較為龐大與複雜，並且不易朝微型化之方向發展。因此，若能整合兩投影機於一體，以單一投影機實現立體投影顯示之效用，並且將光機引擎之元件數量減少，必可大幅改善習知技術之各項缺點，是立體顯示產業一重要研究發展與創新設計的方向。

本創作為了解決習知的偏極化眼鏡式立體投影顯示系統10需要兩台投影機以投射互相垂直極化之兩影像光束的問題。我們提出以類似於麥可詹得(Mach-Zehnder)干涉儀光路架構之概念作為立體投影顯示裝置之光機引擎基礎設計，並搭配偏極化分光鏡(polarization beamsplitter,PBS)，將單一照明系統所發出的光束分成兩道互為垂直之偏極化光束，分別入射至替代麥可詹得干涉儀中之兩反射鏡的數位微反射鏡元件(digital micromirror device,DMD)上，並經由該元件之反射將兩左、右眼不同影像各別帶出，並再次以偏極化分光鏡將兩光束合併，最後再以單一投影鏡頭投射至螢幕上以產生立體影像之效果。雖然以麥可詹得干涉儀光路架構為立體投影顯示裝置之設計構想並非首見於本創作，在美國專利US5121983中已提出過採用麥可詹得干涉儀之概念提出立體投影機之設計，然而該專利忠實地採用麥可詹得之干涉儀光路，光路中仍採用兩個一般反射鏡與兩分光鏡，只在兩光路合併處之第二分光鏡前加入兩片穿透式之液晶元件(liquid crystal device,LCD)以將兩不同影像攜帶出來。該發明僅適用於採用液晶元件之投影系統。然而一般以液晶元件為光調變之平面投影系統，多數皆須採用三片液晶元件方能顯示彩色之效用，否則無法達到高解析度與高亮度之需求。因此若根據此專利，欲實現立體投影之效果，則必須有三組同樣之架構，亦即六片液晶元件方能實現，這對系統之實現是一考驗，更不用說朝微型可攜式之發展。另外，亦有 中華民國M374590U1新型專利採用麥克森(Michelson)干涉儀之光路架構搭配兩反射式之影像單元來實現立體投影顯示之概念，然而該構想必須在兩影像單元前放置四分之一波長片(quarter wave plate,QWP)以使來回光束極化方向旋轉90度，否則無法使用單一偏極化分光鏡作極化分光。一般四分之一波長片僅適用於單一波長，對於應用在可見光全波段之投影系統而言，並不實際。

本創作最主要之特點為將兩投影系統簡化成單一投影架構，僅需採用單一照明系統與單一投影鏡頭，透過偏極化分光鏡對光束之分光與合併，並以數位微反射鏡元件替代麥克森架構之一般反射鏡，即可將兩不同影像投射至螢幕上，達到立體投影顯示之目的。該創作架構簡單，元件數量精簡，易於縮小體積，具有可實現微型化之重要特性。

有關本發明之詳細內容及技術，茲就配合圖式說明如下：

請參照「第3圖」，其為偏極化分光鏡30之原理示意圖，偏極化分光鏡30之作用是對不同極化方向之入射光具有不同之反射或穿透的特性。在本創作中，該元件之主要用途是將無特定極化方向之一般光束31的垂直偏極化(S-polarization)分量24與水平偏極化(P-polarization)分量25經由反射與穿透作分離。分光後，除了元件本身之吸收外，基本上可完全保留原入射光束的強度，因此具有較佳之光利用效率。

請參照「第4圖」，其為本發明之創作所參考之麥可詹得干涉儀40基本架構圖，以雷射入射光束41為光源，利用第一分光鏡42a將入射光束41分為資料光束(information beam)43與參考光束(reference beam)44，兩道光束分別為兩反射鏡45a與45b所反射，並於第二分光鏡42b處再次合光，經由干涉(interference之作用，最後在光偵測器(photodetector)46處產生干涉條紋。

請參照「第5圖」，其圖示本發明創作之具體實施例。為使單一照明系統提供兩個極化方向互相垂直的偏極化光束來投射出左、右眼影像，本創作參考「第4圖」麥可詹得干涉儀40之光路概念作為投影機光機引擎的基礎架構，並將其分光鏡42a與42b以偏極化分光鏡30a與30b作替代，以得到偏極化光束之分光與合併作用。首先，光源51所發出無特定極化方向之光束經聚光鏡(condenser)52收集，通過色輪(color wheel)53後，經準直鏡(collimator)54入射至偏極化分光鏡30a，該無特定極化方向之光束包含有垂直偏極化分量24與水平偏極化分量25，進入第一偏極化分光鏡30a，其中垂直偏極化分量24為偏極化分光鏡30a所反射，另水平偏極化分量25則穿透偏極化分光鏡30a。再以兩數位微反射鏡元件50a與50b取代麥可詹得干涉儀架構中的反射鏡45a與45b，除提供對各別的垂直偏極化分量24與水平偏極化分量25光束作反射與轉向之作用外，更於反射後同時將呈現在數位微反射鏡元件50a與50b上的左、右眼影像帶出。兩反射後之不同偏極化影像分別被傳送至第二偏極化分光鏡30b，並如前述偏極化分光鏡30a之相同作用，將不同偏極化分量作反射與穿透而合併成一道光束後，最後以單一路徑經由單一投影鏡頭14投射至偏極化保留銀幕16上。

此立體投影顯示裝置之設計架構由兩個部分所組成，分別為投影機之照明系統55與投影系統56。在照明系統55中，一般以高壓汞燈作為光源51，經拋物面型燈罩使燈泡發出的發散光變為平行光進入聚光鏡52，使光束聚焦在色輪53上，並依照影像色彩變化，將光束依序過濾為紅光、綠光或藍光三成分，再由準直鏡54將光束匯集後均勻入射至投影系統56。

在投影系統56中，當進入光機引擎的平行光束經由第一個偏極化分光鏡30a將光束分成反射的垂直偏極化分量24與穿透的水平偏極化分量25，再分別被兩個輸出左、右眼影像的數位微反射鏡元件50a與50b反射，使垂直偏極化分量24攜帶 左眼影像，水平偏極化分量25攜帶右眼影像，接著藉由第二個偏極化分光鏡30b將垂直偏極化分量24與水平偏極化分量25作光束合併之動作，最後通過一組投影鏡頭14使影像放大並投影到偏極化保留銀幕16而呈現立體影像。

由於本實施例採用單一色輪53過濾出不同顏色之光成分，經偏極化分光鏡30a分光後入射兩數位微反射鏡元件50a與50b，因此兩數位微反射鏡元件50a與50b之驅動必須與色輪53作同步，以使同一顏色之光束同時為兩不同微反射鏡元件上之微面鏡60所反射。

數位微反射鏡元件50是一以微機電技術所製成之數位顯像元件，其內部是由二維陣列之大量微面鏡60所組成，經由數位微反射鏡元件50的驅動，每一微面鏡60具有±12度的旋轉角度，當影像輸出為亮點時，微面鏡60轉動-12度，稱為導通狀態(on state)，此狀態使微面鏡60將光源反射進入投影鏡頭，作影像之投射顯示；而當微面鏡60轉動+12度時，稱為非導通狀態(off state)，此時被微面鏡60反射之光源會被光吸收器給接收而無法進入投影鏡頭，使影像輸出為暗點。因此在元件的擺放中，需考慮到數位微反射鏡元件50本身的±12度旋轉角度。為了使垂直偏極化光24與水平偏極化光25入射至兩片數位微反射鏡元件50a與50b之狀態相同，必須將第一片數位微反射鏡元件50a相較於第二片數位微反射鏡元件50b作180度的翻轉，如此便能使垂直偏極化光24與水平偏極化光25被兩片數位微反射鏡元件50a與50b反射後的相對角度仍保持一致。

由於第一片數位微反射鏡元件50a經過180度翻轉，所以從第一偏極化分光鏡30a分出來的兩道偏極化光束，皆是從第一片數位微反射鏡元件50a與第二片數位微反射鏡元件50b的左邊入射，因此兩片數位微反射鏡元件50a與50b所需的傾斜擺放角度相同。

請參照「第6a圖」，當數位微反射鏡元件50b以45度角擺放 運作時，其上之微面鏡60在導通狀態時將入射光束61以66度角反射，造成反射光束62偏離應入射第二偏極化分光鏡30b之光軸有24度之差，因此欲使光束能準確被數位微反射鏡元件50b作90度反射並正確入射至第二偏極化分光鏡30b，則需由光槓桿公式求得，如下式：ω=2，式中為數位微反射鏡元件50b應轉動的角度，ω為反射光偏離入射第二偏極化分光鏡30b之光軸的角度。請參照「第6b圖」，將ω=24度代入上式，可得到數位微反射鏡元件50b需轉動的角度為12度，因此數位微反射鏡元件50b擺放的傾斜角即為45+12=57度。同樣的論述適用於另一數位微反射鏡元件50a之擺置上。

前述之數位微反射鏡元件50擺置角度說明，並不受此特定角度數值所限，蓋因數位微反射鏡元件50之不同形式或產品類別會使角度有所差異，但其擺置之原理仍不脫離本說明之精神。此外，兩道不同偏極化之麥可詹得分光架構亦不受限於90度之垂直路徑擺置。

根據本發明之基本精神，除揭露立體投影顯示裝置之設計架構外，更可推廣此設計架構至各種立體顯示之相關應用，而不受限於投影系統之使用。

雖然本發明已以較佳之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧偏極化眼鏡式立體投影系統

11‧‧‧平面投影機

10a‧‧‧投影左眼影像之投影機1

10b‧‧‧投影右眼影像之投影機2

12‧‧‧照明系統

12a‧‧‧投影機1之照明系統

12b‧‧‧投影機2之照明系統

13‧‧‧光機引擎(optical engine)

13a‧‧‧投影機1之光機引擎

13b‧‧‧投影機2之光機引擎

14‧‧‧投影鏡頭

14a‧‧‧投影機1之投影鏡頭

14b‧‧‧投影機2之投影鏡頭

15‧‧‧偏極化片(polarizer)

15a‧‧‧垂直偏極化片

15b‧‧‧水平偏極化片

16‧‧‧偏極化保留銀幕(polarization reserved screen)

20‧‧‧偏極化眼鏡

21‧‧‧左眼影像

22‧‧‧右眼影像

23‧‧‧3D立體影像

24‧‧‧垂直偏極化光(S-polarization)

25‧‧‧水平偏極化光(P-polarization)

30‧‧‧偏極化分光鏡

30a‧‧‧偏極化分光鏡1

30b‧‧‧偏極化分光鏡2

31‧‧‧一般光束

40‧‧‧麥可詹得(Mach-Zehnder)干涉儀

41‧‧‧雷射入射光束

42‧‧‧分光鏡(beamspillter)

42a‧‧‧分光鏡1

42b‧‧‧分光鏡2

43‧‧‧資料光(information beam)

44‧‧‧參考光(reference beam)

45‧‧‧反射鏡

45a‧‧‧反射鏡1

45b‧‧‧反射鏡2

46‧‧‧光偵測器(photodetector)

50‧‧‧數位微反射鏡元件

50a‧‧‧數位微反射鏡元件1

50b‧‧‧數位微反射鏡元件2

51‧‧‧光源

52‧‧‧聚光鏡(condenser)

53‧‧‧色輪(color wheel)

54‧‧‧準直鏡(collimator)

55‧‧‧照明系統

56‧‧‧投影系統

60‧‧‧微面鏡

61‧‧‧入射光束

62‧‧‧反射光束

第1圖為習知之一般偏極化眼鏡式立體投影系統的基本結構示意圖。

第2圖為偏極化眼鏡式立體顯示原理示意圖。

第3圖為偏極化分光鏡之操作原理示意圖。

第4圖為本創作所參考之麥可詹得干涉儀架構示意圖。

第5圖為本發明之具體實施例的結構示意圖。

第6a圖為本發明之具體實施例中數位微反射鏡元件擺放傾斜角為45度時之光反射示意圖。

第6b圖為本發明之具體實施例中數位微反射鏡元件擺放傾斜角為57度時之光反射示意圖。

14‧‧‧投影鏡頭

16‧‧‧偏極化保留銀幕(polarization reservedscreen)

24‧‧‧垂直偏極化光(S-polarization)

25‧‧‧水平偏極化光(P-polarization)

30a‧‧‧偏極化分光鏡1

30b‧‧‧偏極化分光鏡2

50a‧‧‧數位微反射鏡元件1

50b‧‧‧數位微反射鏡元件2

51‧‧‧光源

52‧‧‧聚光鏡(condenser)

53‧‧‧色輪(color wheel)

54‧‧‧準直鏡(collimator)

55‧‧‧照明系統

56‧‧‧投影系統

Claims (6)

1. 一種立體投影顯示裝置，利用單一照明系統，依照光的偏極化特性，將兩互相垂直的偏極化光束，投射入兩各別具有左、右眼影像之數位微反射鏡元件，並經由單一投影鏡頭，將兩影像投射至同一螢幕上，以得到偏極化眼鏡式立體投影顯示之效果，包含：一照明系統，用以提供無特定極化方向之投影光束，由光源、聚光鏡、色輪與準直鏡所組成；第一偏極化分光鏡，用以將照明系統所入射之光束分光成兩極化方向互為垂直之反射光束與穿透光束；第一數位微反射鏡元件，用以將被第一偏極化分光鏡反射後之偏極化光束再作反射，並使該光束經反射後將第一影像從第一數位微反射鏡元件上攜出；第二數位微反射鏡元件，用以將穿透第一偏極化分光鏡後之偏極化光束再作反射，並使該光束經反射後將第二影像從第二數位微反射鏡元件上攜出；第二偏極化分光鏡，用以將上述經第一數位微反射鏡元件反射後之偏極化光束反射，並使第二數位微反射鏡元件反射後之偏極化光束穿透，兩極化方向互為垂直之光束因此再作合併成同一傳播方向，並攜帶出兩不同之影像；一投影鏡頭，用以將上述經第二偏極化分光鏡合併後之兩不同影像光束投射至同一螢幕上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之立體投影顯示裝置，其第一數位微反射鏡元件與第二數位微反射鏡元件放置位置為兩反射面互成180度角之擺放位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之立體投影顯示裝置，其色輪具有紅、綠、藍三濾光鏡片，其轉動頻率必須與兩數位微反射鏡元件之控制同步。
4. 如申請專利範圍第1項所述之立體投影顯示裝置，其第一偏極化分光鏡與第二偏極化分光鏡可以是相似之分光特性，亦 即對垂直極化光束與水平極化光束有相近之穿透率與反射率。
5. 如申請專利範圍第1項所述之立體投影顯示裝置，其第一偏極化分光鏡與第二偏極化分光鏡可以是相反之分光特性，亦即對垂直極化光束與水平極化光束有相反之穿透率與反射率。
6. 一種立體投影顯示裝置，利用單一照明系統，依照光的偏極化特性，將兩互相垂直的偏極化光束，投射入兩各別具有左、右眼影像之數位微反射鏡元件，並經由單一投影鏡頭，將兩影像投射至同一螢幕上，以得到偏極化眼鏡式立體投影顯示之效果，包含：一照明系統，用以提供無特定極化方向之投影光束，由光源、聚光鏡、色輪與準直鏡所組成；第一偏極化分光鏡，用以將照明系統所入射之光束分光成兩極化方向互為垂直之反射光束與穿透光束；第一數位微反射鏡元件，用以將被第一偏極化分光鏡反射後之偏極化光束再作反射，並使該光束經反射後將第一影像從第一數位微反射鏡元件上攜出；第二數位微反射鏡元件，用以將穿透第一偏極化分光鏡後之偏極化光束再作反射，並使該光束經反射後將第二影像從第二數位微反射鏡元件上攜出；第二偏極化分光鏡，用以將上述經第二數位微反射鏡元件反射後之偏極化光束反射，並使第一數位微反射鏡元件反射後之偏極化光束穿透，兩極化方向互為垂直之光束因此再作合併成同一傳播方向，並攜帶出兩不同之影像；一投影鏡頭，用以將上述經第二偏極化分光鏡合併後之兩不同影像光束投射至同一螢幕上。