TWI498665B - 時間多工多視角投影裝置 - Google Patents

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Description

時間多工多視角投影裝置
本發明係關於時間多工多視角投影技術。
自動立體顯示(autostereoscopy display)，又稱裸眼立體顯示，為現今顯示技術發展的新趨勢。透過自動立體顯示螢幕，使用者僅憑裸眼即可觀賞立體影像，擺脫傳統3D眼鏡之束縛。
習知的自動立體顯示技術一般可分為空間多工(spatial-multiplexed)方式以及時間多工(time-multiplexed)方式。空間多工技術主要包括使用視差屏障(parallax barrier)以及使用雙凸透鏡(lenticular lens)兩種方式。然而，這兩種空間多工顯示技術皆容易在成像時發生影像錯位(misalignment)問題。此外，空間多工顯示技術會隨著視角數目的增加而降低影像解析度。
時間多工(time multiplex)多視角(multiple view)顯示技術可避免前述缺點。此技術係可透過掃描的方式將多個視角的光源畫面在不同的時間依序投影至觀賞平面上的多個視域。如此一來，觀賞者的兩眼即可分別接收不同 視差之影像，進而產生立體的視覺感受。
然而，習知的時間多工多視角投影技術一般會採用尺寸大致與兩眼間距相同的光閥，因此，當投影機尺寸受限時，其所能產生的視角數量亦會受限。此外，習知的時間多工多視角投影技術往往配置多個投影光源，如此將大量佔用投影裝置之空間。
為了避免習知技術的種種問題，並進一步提高光源利用效率，本發明提供一種新的時間多工多視角投影裝置。
本發明提供一種時間多工多視角投影裝置。該投影裝置包括：一像素模組，用以依時序產生複數個光源畫面；以及一投影模組，用以接收該等光源畫面，並在一光闌上成像出一第一排光源畫面及一第二排光源畫面，其中該第一排光源畫面與該第二排光源畫面呈上下排列，更包括一第一轉向鏡頭，用以將該第一排光源畫面投影至一屏幕上之一第一組視角；以及一第二轉向鏡頭，用以將該第二排光源畫面投影至該屏幕上之一第二組視角，其中該第一組視角與該第二組視角係左右並列於該屏幕上，且分別具有複數個視角。本發明之投影裝置可將光源數量減至最小，並且有提升光源利用率之效果。
102‧‧‧光源模組
104‧‧‧像素模組
106‧‧‧投影模組
122‧‧‧雷射光源
124‧‧‧集光柱
126‧‧‧反射鏡
128‧‧‧掃描式光源陣列
301‧‧‧空間
302‧‧‧數位微鏡裝置
304‧‧‧前部投影鏡頭
306‧‧‧光闌
308‧‧‧後部投影鏡頭
382‧‧‧屏幕
402‧‧‧數位微鏡裝置
410‧‧‧前部投影鏡頭
422‧‧‧第一轉向鏡頭
424‧‧‧第二轉向鏡頭
432‧‧‧第一組視角
434‧‧‧第二組視角
501‧‧‧屏幕
502‧‧‧第一柱面透鏡陣列
503‧‧‧第一柱面透鏡陣列
504‧‧‧視域
第1圖係依據本發明最佳實施例之時間多工多視角投影裝置示意圖。
第2A圖為本發明掃描式光源陣列在照明光路上之數位微鏡裝置於入光及出光時之光線角度分佈示意圖。
第2B圖為本發明像素模組在成像光路上之數位微鏡裝置於入光及出光時之光線角度分佈示意圖。
第3圖為本發明中的投影鏡頭模組示意圖。
第4A圖為依據本發明一實施例之時間多工多視角投影裝置中主要結構之立體圖。
第4B、4C及4D圖則分別為對應第4A圖之上視圖、後側視圖及左側視圖。
第5圖為本發明之時間多工多視角投影裝置之投影效果示意圖。
下文為介紹本發明之最佳實施例。各實施例用以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。本發明之範圍當以後附之權利要求項為準。
本發明提供一種新的時間多工多視角(time multiplex multiple view)投影裝置，藉以解決習知技術光源利用效率不佳的問題。為了方便理解，下文將以最佳實施 例詳述本發明。值得注意的是，熟悉本技藝人士可將本發明之各項特徵應用於各種適當的投影系統，不必以下述實施例中所描述之特定投影系統為限。
第1圖係依據本發明最佳實施例之時間多工多視角投影裝置示意圖。在此最佳實施例中，本發明之投影裝置包括一光源模組102、一像素模組104以及一投影模組106。其中，該光源模組102又包括一雷射光源122、一集光柱(integration rod)124以及一掃描式光源陣列128。
為了有效利用光源，本發明之光源模組102僅採用單一雷射光源122。由於雷射光具有較小的光展度(etendue)，因此有助於將光線集中在特定的目標區域。如圖所示，雷射光源122將雷射光透過集光柱124以及多個光學元件(包括各種稜鏡及透鏡)投射至該掃描式光源陣列128之上，而該掃描式光源陣列128具有複數個光閥，透過各個光閥之開啟及關閉即可達到產生複數個光源之效果。在一實施例中，本發明集光柱124之入口，除了雷射光所進入之部分外，皆可以反射鏡126加以覆蓋，藉以將反射回來之光源予以回收，進而提升光源利用率。
值得注意的是，本發明亦對傳統的掃描式光源陣列128做出改進。在一實施例中，本發明之掃描式光源陣列128係為數位微鏡裝置(digital micro-mirror device，DMD)，該數位微鏡裝置主要是由複數個數位微鏡所組成。採用數位微鏡裝置有助於進一步縮小雷射光源122所投射的目標區域(即，掃描式光源陣列128)之尺寸。第2B圖為一 般數位微鏡裝置於入光、出光及關閉狀態時之光線角度分佈示意圖。一般而言，數位微鏡裝置係配置於像素模組中，例如本文後述之像素模組104中、位於「成像光路」上之數位微鏡裝置142。在一實施例中，如第2B圖所示，當像素模組之數位微鏡裝置轉向至負12度角時，會將入射光線(入光)予以反射到關閉的方向分佈，而在轉向至正12度時，則會將入光反射出去而形成出光，投射至下一個光學組件，最後到達第5圖中之屏幕501。
第2A圖為本發明掃描式光源陣列128在「照明光路」之數位微鏡裝置於入光及出光狀態時之光線角度分佈示意圖。由於應用的方式不同，因此第2A圖與第2B圖有著不同的角度分佈。當光源由負12度進入數位微鏡裝置時，雷射光源122會被反射，並循原路回收到集光柱124，達到關閉之效果；而當數位微鏡裝置的微鏡角度轉向至正12度時，原先由負12度進入之入射光將會被出射至下一個光學組件，到達像素模組104中之數位微鏡裝置142。
值得注意的是，為了提升光源利用率，本發明會進一步控制入射光線之照射範圍。如第2A圖所示，本發明中掃描式光源陣列128之數位微鏡裝置係排列成複數排，包括一第一排光源202及第二排光源204，其中該第一與第二排光源202及204係呈上下排列。藉由此複數排之光源陣列設計，雷射光源122所投射之範圍可更加聚集，避免習知單列式光源因為空間配置不佳所造成的能量浪費。值得注意的是，儘管本文之實施例係以兩排光源陣列做說 明，熟悉本技藝人士可了解到，本發明之光源陣列中之排列數不必以此為限。此外，在某些實施例中，掃描式光源陣列128亦仍可採用液晶光閥(LCD slit)或各種適當之裝置。
本發明掃描式光源陣列128中之各排又分別具有複數個掃描式光源，分別依照一時序開啟及關閉。由於同一時間僅有單一光源開啟，而所有的光源又會依照排列次序分別開啟及關閉，因而具有「掃描式」之名。在第2A圖之實施例中，第一及第二排光源202及204分別具有6個掃描式光源，共計12個掃描式光源。此12個掃描式光源將依照時序分別將光線提供至像素模組104之數位微鏡裝置142，而本發明之數位微鏡裝置142則利用該等掃描式光源而於後述之投影模組106中的一光闌(stop)上產生相對應的12個光源畫面(每一畫面包括複數個像素)。明確地說，數位微鏡裝置142在光闌上所產生之對應光源畫面亦可分為排列於上方之第一排光源畫面以及排列於下方之第二排光源畫面。
像素模組104所產生之各個光源畫面將被送至投影模組106，而投影模組106會將該等光源畫面依時序投影至一屏幕上的多個視角，達成時間多工多視角顯示效果。值得注意的是，在此實施例中的12個掃描式光源、12個光源畫面及12個視角僅為方便說明，其數目皆可依照設計需求而調整。第1圖中僅略示本發明之投影模組106，更詳細的投影模組請參照第3圖。第3圖為本發明之投影鏡頭 模組示意圖。投影鏡頭模組皆可區分為前部投影鏡頭304以及後部投影鏡頭308，鏡頭的光闌306介於前部投影鏡頭304以及後部投影鏡頭308之間，而鏡頭的光闌306和後部投影鏡頭308之間需有可供光線進行兩次轉折之空間301。其中，前部投影鏡頭304可將像素模組302所提供之光源畫面成像於光闌306，而後部投影鏡頭304可將光闌306上之光源畫面進一步投影至屏幕382之上。
由於屏幕上成像的多個視角必定並排於同一列上，因此本發明提供一特殊機構以將前述上下排列的光源畫面予以重新排列成左右排列的視角。第4A圖為依據本發明一實施例之時間多工多視角投影裝置中主要結構之立體圖。第4B、4C及4D圖則分別為對應第4A圖之上視圖、後側視圖及左側視圖。如圖所示，與習知技術相同的是，本發明投影裝置的前部投影鏡頭會接收來自像素模組402(包括數位微鏡裝置)所提供之光源畫面；而與習知技術不同的是，本發明投影裝置的後部投影鏡頭另包括一第一轉向鏡頭422以及一第二轉向鏡頭424。請參照第4C圖，本發明之第一轉向鏡頭422可將像素模組402所提供的第一排光源畫面(對應至第2A圖的第一排光源202)進行兩次轉向：第一次轉向係將由圖面左方投射至圖面右方之光線向上方反射，而第二次轉向則將光線導向進入圖面之方向。最後，第一轉向鏡頭422會將光線投影至屏幕上而形成第一組視角432。相對似地，本發明之第二轉向鏡頭424亦可將像素模組402所提供之第二排光源畫面(對應至第2A圖的第二排光 源204)進行兩次轉向：第一次轉向係將由圖面左方投射至圖面右方之光線向下方反射，而第二次轉向則將光線導向進入圖面之方向。最後，第二轉向鏡頭424會將光線投影至屏幕上而形成第二組視角434。
請參看第5圖，第一組視角432和第二組視角434投射至屏幕501上，經屏幕之第一柱面透鏡陣列502成像成並連的兩組光點陣列。這兩組光點陣列再經屏幕之第二柱面透鏡陣列503成像，並在視域504上形成並連的左半部與右半部的多個視角。前部投影鏡頭410可以用前部投影鏡頭304實現。第一轉向鏡頭422與第二轉向鏡頭424可以用後部投影鏡頭308實現。熟悉本技藝人士可了解到本發明之轉向鏡頭422及424可以多種結構實施。舉例而言，轉向鏡頭422及424可如4A圖所示般由一反射鏡及一全內反射稜鏡(total internal reflection prsim，TIR prism)所構成。然而，在其他實施例中，反射鏡及稜鏡之數目及配置方式皆不必以前述實施例為限。
必須說明的是，為簡化說明，前述實施例僅以兩排光源及兩排光源畫面為例，然而熟悉本技藝人士亦可參照本發明之原理推廣至兩排以上之光源畫面的實施方式。舉例而言，透過將多個前述的後部投影鏡頭(包括兩轉向鏡頭)予以串接，即可達到轉向多排光源畫面之效果。此外，本發明之轉向鏡頭之設計不必限於應用於前述掃描式光源，在某些實施例中，其亦可應用於具有單個或多個光源的傳統投影系統。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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。
402‧‧‧數位微鏡裝置
422‧‧‧第一轉向鏡頭
424‧‧‧第二轉向鏡頭
432‧‧‧第一組視角
434‧‧‧第二組視角

Claims (7)

  1. 一種時間多工多視角投影裝置，包括：一像素模組，用以依時序產生複數個光源畫面；一投影模組，用以接收該等光源畫面，並在一光闌上成像出一第一排光源畫面及一第二排光源畫面，其中該第一排光源畫面與該第二排光源畫面呈上下排列，更包括：一第一轉向鏡頭，用以將該第一排光源畫面投影至一屏幕上之一第一組視角；以及一第二轉向鏡頭，用以將該第二排光源畫面投影至該屏幕上之一第二組視角，其中該第一組視角與該第二組視角係左右並列於該屏幕上，且分別具有複數個視角；以及一光源模組，用以提供複數個掃描式光源至該像素模組，包括：一掃描式光源陣列，更包括一第一排光源及一第二排光源，其中該第一排光源與該第二排光源係呈上下排列，分別對應至該第一排光源畫面與該第二排光源畫面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之時間多工多視角投影裝置，其中該掃描式光源陣列係由複數個液晶光閥組成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之時間多工多視角投影裝置，其中該掃描式光源陣列係為數位微鏡裝置(digital micro-mirror device，DMD)，該數位微鏡裝置包含複數個數位微鏡。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之時間多工多視角投影 裝置，其中該光源模組更包括一雷射光源，用以將雷射光投射至該掃描式光源陣列。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之時間多工多視角投影裝置，該光源模組更包括一集光柱，用以合光該雷射光，其中該集光柱之入口除該雷射光進入之處皆以反射鏡覆蓋。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之時間多工多視角投影裝置，其中該第一轉向鏡頭及該第二轉向鏡頭各包括一反射鏡及一全內射稜鏡。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之時間多工多視角投影裝置，其中該投影模組包括：一前部投影鏡頭，位於該像素模組與該光闌之間；以及一後部投影鏡頭，位於該光闌與該屏幕之間，更包括該第一轉向鏡頭及該第二轉向鏡頭。
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