TWI507735B - A method and apparatus for simultaneously displaying 2D and 3D motion pictures - Google Patents

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TWI507735B
TWI507735B TW102129000A TW102129000A TWI507735B TW I507735 B TWI507735 B TW I507735B TW 102129000 A TW102129000 A TW 102129000A TW 102129000 A TW102129000 A TW 102129000A TW I507735 B TWI507735 B TW I507735B
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Kan Ju Lee
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Chun Sheng Chang
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Zhangjiagang Kangde Xin Optronics Material Co Ltd
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Description

一種可同時顯示2D與3D動態影像之方法與裝置
對於習知3D數位看板(3D Digital Signage)，一般是使用Lenticular所構成之視景分離裝置，以顯示一裸視之3D動態影像，達到提供3D廣告之目的。該習知3D數位看板，受限於量產技術與成本之問題，一般只能採用較小螢幕尺寸之顯示器、且採用固定式之視景分離裝置。所謂固定式之視景分離裝置，係指該視景分離裝置不具2D與3D影像切換之功能。是以，該習知3D數位看板，只能提供3D專用之廣告。本發明提出一種可同時顯示2D與3D動態影像之方法與裝置，以增加習知3D數位看板影像顯示之功能，達到大幅提升廣告之效益。
如圖1~2所示，係習知3D數位看板構成與3D影像顯示之示意圖。該習知3D數位看板1，主要係由一Lenticular 10、一3D動態多視景合成影像20、與一顯示器螢幕30所構成。如圖2所示，該Lenticular 10，係由一具薄片狀之透明塑膠材料所構成，其中一面，稱為3D結構面11，係具有複數個柱狀形透鏡之結構；而另一面，則稱為影像面12。一般，該影像面12係以平貼之方式，裝置於該顯示器螢幕30之上。該顯示器螢幕30，係顯示該3D動態多視景合成影像(Multi-View Combined 3D Motion Image)20。該3D動態多視景合成影像20，係由n個單一動態視景影像(Single Motion View Image)VK 所合成之影像所構成，其中，n為總視景數、k為視景編號數，且0≦k≦n-1。所謂單一動態視景影像，係指由單一攝影機所拍攝取得之2D動態影像。另外，該n個單一動態視景影像VK 之取得，係藉由n台攝影機之使用，且令該每一台攝影機係各自以不同之攝影角度，以拍攝取得該單一動態視景影像Vk 。是以，該任意相鄰之兩個單一動態視景影像Vk 、Vk+1 ，即構成一3D動態影像(3D Motion Image)。
如圖2所示，對於該3D動態多視景合成影像20，藉由該Lenticular 10的視景分離之作用，可於最佳觀賞距離Z0 (Optimum Viewing Distance,OVD)上之n個最佳視點(Optimum Viewin Point,OVP)Pk 處，個別呈現單一動態視景影像Vk 。
對於左眼L、右眼R個別位於該最佳視點Pk 、Pk+1 上之觀賞者而言，該觀賞者之左眼L、右眼R，係可個別觀看到一對具有視差效果之單一動態視景影像Vk 、Vk+1 。是以，該觀賞者可觀看到一3D動態影像。此處，為清楚呈現上述各顯示結構與觀賞相關位置之關係，設定一座標系XYZ，並令該X軸係設定於水平方向、Y軸設定於垂直方向、Z軸則以垂直於該3D結構面11而設定、且令Z=0係設定於該3D結構面11上。是以，該上述相關觀賞位置，係位於Z>0之區域。
然而，現有裸視之技術，即Auto-Stereoscopic之技術，不論是採用Lentuclar、或是視差光柵(Parallax Barrier)之方法，皆存在觀賞自由度(Viewing Freedom)受限之問題，亦即，如圖3所示，對於任一最佳視點處Pk ，存在一單一可視區13，於該有限區域內(如菱形所示之區域)，觀賞者可觀看到一較佳之3D動態影像。所 謂較佳之3D動態影像，係指於該單一可視區13內，觀賞者所觀看到該單一動態視景影像Vk 中，其所具有的鬼影(Cross-talk)程度較低。一般，鬼影比率低於10%時，觀賞者不易察覺其存在，是以可觀看到一較佳之3D動態影像。因此，利用裸視之技術，以作為3D數位看板之應用時，由於存在有限觀賞自由度之缺失，會嚴重降低廣告之效益。
針對上述之缺失，本發明本發明提出一種可同時顯示2D與3D動態影像之方法與裝置，可增加3D數位看板影像顯示之功能，大幅提升廣告之效益。
該方法主要是利用一第一光源、一第一影像面、一第二影像面、與一第二光源，透過同時將該第一光源、與該第二光源，個別投射至該第一影像面、與該第二影像面之方法，以達到同時顯示一2D動態與一3D動態影像之目的。
該裝置則主要是利用一第一2D動態影像光源、一第一影像面、一透明基材、一第二影像面、與一第二3D動態多視景合成影像光源，其中，該第一2D動態影像光源，係可投射一2D動態影像光；該第二3D動態多視景合成影像光源，係可投射一3D動態多視景合成影像光；該第一影像面上，係裝置有一視差光柵結構，該視差光柵結構中之遮光元件，其表面係由具有光反射與光散射之材料所構成；該第二影像面上，係裝置有一背投影屏幕結構，該結構係由具有光透射與光散射之材料所構成；透過對位、塗布、印刷、光蝕刻、雷射雕刻、表面霧化等製程技術，可將該第一影像面與該第二影像面，個別裝置於該透明基材之兩面上。透過上述 該方法之操作，即同時將該2D動態影像光、與該3D動態多視景合成影像光，個別投射至該第一影像面、與該第二影像面之方法，該裝置可達到同時顯示一動態2D與一動態3D動態影像之目的。
對於位於採用本方法與裝置所構成之3D數位看板前之觀看者而言，可於任意之位置，觀到該2D顯像，而於最佳觀賞距離上，則可觀看到由該3D動態多視景合成影像所構成之3D動態影像。是以，當觀看者站在最佳觀賞距離上時，即可同時觀看到2D與3D動態影像。
綜上所述，透過採用本方法與裝置所構成之3D數位看板，除了可提供3D數位看板之功效外，亦保留原有2D數位看板之功能。是以，除了達到前所未有的視覺效果之外，亦可創造出無限廣告之效益。
1‧‧‧習知3D數位看板
10‧‧‧Lenticular
11‧‧‧3D結構面
12‧‧‧影像面
13‧‧‧單一可視區
20‧‧‧3D動態多視景合成影像
30‧‧‧顯示器螢幕
100‧‧‧本發明實施例之構成
110‧‧‧第一2D動態影像光源
111‧‧‧2D動態影像光
120‧‧‧第一影像面
121‧‧‧視差光柵之結構
122‧‧‧垂直條狀結構
123‧‧‧傾斜條狀結構
122a、123a‧‧‧遮光元件
122b、123b‧‧‧透光元件
130‧‧‧透明基材
131‧‧‧透明基材之第一面
132‧‧‧透明基材之第二面
133‧‧‧位置參考結構
134‧‧‧具對稱幾何結構之對位標靶
140‧‧‧第二影像面
141‧‧‧背投影屏幕結構
150‧‧‧第二3D動態多視景合成影像光源
151‧‧‧3D動態多視景合成影像光
n‧‧‧總視景數
V0 、Vk 、Vk+1 、Vn-1 ‧‧‧單一動態視景影像
k‧‧‧視景編號數
Z0 ‧‧‧最佳觀賞距離
P0 、Pk 、Pk+1 、Pn-1 ‧‧‧最佳視點
L‧‧‧左眼
R‧‧‧右眼
XYZ‧‧‧座標系
圖1~2所示，係習知3D數位看板構成與3D影像顯示之示意圖。
圖3所示，係視景分離作用之示意圖。
圖4~5所示，係本發明實施例構成之示意圖。
圖6所示，係視差光柵結構構成之示意圖。
圖7所示，係數位印刷印製視差光柵結構之示意圖。
圖8所示，係網版印刷印製背投影屏幕結構之示意圖。
圖9所示，係位置參考結構裝置位置之示意圖。
圖10所示，係對位標靶結構構成之示意圖。
如圖4~5所示，係本發明實施例構成之示意圖。本發明一種 可同時顯示2D與3D動態影像之裝置100，主要是利用一第一2D動態影像光源110、一第一影像面120、一透明基材130、一第二影像面140、與一第二3D動態多視景合成影像光源150，透過同時將該第一2D動態影像光源110、與該第二3D動態多視景合成影像光源150，個別投射至該第一影像面120、與該第二影像面140之方法，以達到同時顯示一2D動態影像與一3D動態影像之目的。亦即，觀賞者可於Z>0之區域，觀看到由該第一影像面120所提供之2D動態影像；而於最佳觀賞距離Z=Z0 上，則可觀看到由該第二影像面140所提供之3D動態影像。
其中，如圖5所示，該透明基材130，係由一透明平板元件所構成，該元件則可由玻璃、壓克力(PMMA)等具高透明度之材料所構成，具有均勻之厚度、與高平整度之第一面131、第二面132，該第一影像面120、與第二影像面140，係個別裝置於該一透明基材130的第一面131、第二面132上。
該第一2D動態影像光源110，係由單一台投影機、或複數台投影機(無圖示)所構成，用以投射一2D動態影像光111至該第一影像面120上。該複數台投影機的使用，以多台併用的方式，達大滿足大型3D數位看板之需求。
如圖5所示，該第一影像面120，係裝置有一視差光柵之結構121。如圖6所示，該視差光柵之結構121，係可由垂直條狀結構122、與傾斜條狀結構123所構成，其中，該結構122、123中，主要係由複數個遮光元件122a、123a與複數個透光元件122b、123b所構成。對於上述該視差光柵相關光學理論、設計，請參閱中華民國專利申請案號：98128986、101135830。
以下，借用該垂直條狀結構122，以圖示說明該第一影像面120實際裝置之方法。
如圖7所示，可藉由一對位之技術(如後所述)與一數位印刷之技術，係根據複數個位置參考結構之一中心位置(如後所述)，並透過使用一白色之印墨，將該複數個遮光元件122a，印製於該透明基材130之第一面131上，其中，該白色印墨係可由不透光之材料所構成。是以，該第一2D動態影像光源110，係將該2D動態影像光111投射於該複數個遮光元件122a之上，藉由該2D動態影像光111對該複數個遮光元件122a之反射與散射之光學作用，以顯示該2D影像。
所謂數位印刷(Digital Printing)，係指利用雷射或噴墨印印表機，將數位影像印製與平面之紙張、相紙(Photographic Paper)、玻璃、壓克力、金屬等材料表面，其相關之定義與技術，請參閱下列維基百科網址：http：//en.wikipedia.org/wiki/Digital_printing#Digital_laser_exposure_onto_traditional_photographic_paper 。
另外，亦可透過網版印刷之製程，先將上述該白色印墨塗佈且於固化於該明基材130之第一面131上，以構成一白色區域，再根據複數個位置參考結構之一中心位置(如後所述)，利用一具精密定位之雷射雕刻機具，對該白色區域中，且對應於該複數個透光元件所存在處，以挖空該處之該白色印墨之作業，以完該複數個透光元件122b之製作，亦即，完該複數個遮光元件122a之製作。
另外，亦可透過光蝕刻之製程，先將白色感光乳液塗佈於該明基材130之第一面131上，根據複數個位置參考結構之一中心位 置(如後所述)，再使用一具有該視差光柵結構121之光罩，做曝光與顯影之處理，以完成該視差光柵之結構121之製作。另外，亦可透過光蝕刻之製程，先將白色感光乳液塗佈於該明基材130之第一面131上，根據複數個位置參考結構之一中心位置(如後所述)，再使用一具精密定位之雷射繪圖機，以繪製該視差光柵之結構121後，再做顯影之處理，以完成該視差光柵之結構121之製作。
另外，亦可透過凹版印刷(Intaglio Printing)之製程，首先利用一具精密定位之雷射雕刻機具、或電鑄鋼網版之技術，以製作一具有該複數個遮光元件122a之凹版，並於凹版上塗佈白色印墨，根據複數個位置參考結構之一中心位置(如後所述)，再將該凹版上之白色印墨，轉印於該明基材130之第一面131上，以完成該視差光柵之結構121之製作。
以下，說明該第二影像面140實際裝置之方法。
如圖8所示，該第二影像面140上，係裝置有一背投影屏幕結構141。該背投影屏幕結構141，可藉由一網版印刷之技術，根據複數個位置參考結構之一中心位置(如後所述)，並透過使用一半透明白色之印墨，將該背投影屏幕結構141，印製於該透明基材130的第二面132之上，以完成背投影屏幕結構141之製作。所謂半透明彩色印墨，係指該彩色印墨所構成之材料，可被部分之入射光穿透。另外，亦可藉由一表面霧化處理之技術，對該明基材130的第二面132，做表面霧化之處理，以完成背投影屏幕結構141之製作。
上述所謂對位之技術，如圖9~10所示，係指對於該第一影 像面120、與該第二影像面140上，於該兩面上之同樣位置處，裝置有複數個位置參考結構133，該單一個位置參考結構133上，係由一具對稱幾何結構之對位標靶134所構成，該對稱幾何結構，係可由圓形、方形、十字形等形狀所構成。令該對位標靶幾何中心之位置，即構成該數位印刷之該參考位置。以下，以圓形圖示例說明該對位標靶之製作。
該圓形對位標靶134之製作，係可透過一特定之製作方法，並以預先處理之方式，將該圓形對位標靶134，裝置於該透明基材130上之第一面132與第二面132之上。例如，該對位標靶製作之方法，係於該透明基材130之四邊上，於X軸與Y軸之方向，個別以等距之方式，裝置該複數個對位標靶134。其實際可行之製程，係先塗佈一黑色顏料後以形成一黑色區域，再使用一具精密定位之CNC加工機具、或具精密定位之雷射雕刻機具，對該黑色區域中，以挖空該黑色顏料之作業，以完成一圓形對位標靶之製作。
該圓形對位標靶間之相對中心位置與距離，即成為一可提供印刷對位之參考數值。是以，對於上述該視差光柵之結構121之印刷，其對位可透過習知光學對位之方法，亦即，使用光學顯微取像裝置(無圖示)，以辨識該複數對位標靶之中心位置，並根據此位置，以進行上述數位印刷、網版印刷、雷射雕刻、光蝕刻、表面霧化等之作業。
如上所述，如圖5所示，該第二3D動態多視景合成影像光源150，係由單一個投影機、或複數個投影機所構成，用以投射一3D動態多視景合成影像光151至該背投影屏幕結構141上。藉由該 3D動態多視景合成影像光151，對該背投影屏幕結構141之穿透與散射之光學作用後，再經由該視差光柵結構121之視景分離之作用後，即可於最佳觀賞距離上之該最佳視點處，顯示一3D動態影像。對於上述該複數台投影機的使用理由，係以多台併用的方式，達大滿足大型3D數位看板之需求。另外，裝置於上述該透明基材130第二面132四邊上之該複數個對位標靶134，係作為該3D動態多視景合成影像光151與該視差光柵結構121間之對位之用。
綜上所述，本發明一種可同時顯示2D與3D動態影像之方法與裝置，其主要之物理特徵，係利用一第一2D動態影像光源、一具有視差光柵結構之第一影像面、一具有背投影屏幕結構之第二影像面、與一第二3D動態多視景合成影像光源，透過同時將該第一2D動態影像光、與該第二3D動態多視景合成影像光，個別投射至該第一影像面、與該第二影像面，以同時顯示一2D與一3D動態影像。其中，該第一2D動態影像光源，係投射該2D動態影像光，至該視差光柵結構上之該複數個遮光元件，藉由該2D動態影像光，對該複數個遮光元件之反射與散射之光學作用，以顯示一2D動態影像。另外，該第二3D動態多視景合成影像光源，係投射該多視景3D合成影像光，至該背投影屏幕結構，藉由該多視景3D合成影像光，對該背投影屏幕結構之穿透與散射之光學作用後，再經由該視差光柵結構之視景分離之作用後，以顯示一3D動態影像。
以上所述，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內。例如，本發明實施例，該透明基材之個數，亦可為二件，用以個別裝置該第一影像面、與該第二影像面。另外，該第一2D動態影像光源與第二3D 動態多視景合成影像光源，亦可不同之時間，個別且交替將該第一2D動態影像光、與該第二3D動態多視景合成影像光，投射至該第一影像面、一第二影像面，達到個別交替顯示2D影像與3D動態影像之功效。當然，亦可使用習用顯示器螢幕以顯示一3D動態多視景合成影像光之方式，以取代第二3D動態多視景合成影像光源、與該背投影屏幕結構。謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
100‧‧‧本發明實施例之構成
110‧‧‧第一2D動態影像光源
120‧‧‧第一影像面
130‧‧‧透明基材
140‧‧‧第二影像面
150‧‧‧第二3D動態多視景合成影像光源
V0 、Vk 、Vk+1 、Vn-1 ‧‧‧單一動態視景影像
Z0 ‧‧‧最佳觀賞距離
P0 、Pk 、Pk+1 、Pn-1 ‧‧‧最佳視點
XYZ‧‧‧座標系
OVD‧‧‧Optimum Viewing Distance

Claims (18)

  1. 一種可同時顯示2D與3D動態影像之方法，係利用一第一光源、一第一影像面、一第二影像面、與一第二光源，透過同時將該第一光源、與該第二光源，個別投射至該第一影像面、與該第二影像面，以同時顯示一2D動態與一3D動態影像，該第一影像面，係由一視差光柵結構所構成，該視差光柵結構之表面，係接收該2D動態影像光，藉由該2D動態影像光，對該視差光柵結構表面之反射與散射之光學作用，以顯示一2D影像，該第二影像面，係由一背投影屏幕結構所構成，係接收該3D動態多視景合成影像光，藉由該3D動態多視景合成影像光，對該背投影屏幕結構的透射與散射之光學作用後，再經由該視差光柵結構之視景分離之作用後，以顯示一3D動態影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之方法，其中該第一光源，投射一2D動態影像光至該第一影像面上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之方法，其中該第二光源，投射一3D動態多視景合成影像光至該第二影像面上。
  4. 一種可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，係由以下元件所構成：一透明基材，係由一透明平板元件所構成，具有均勻之厚度、與高平整度之一第一面與一第二面；一第一影像面，係由一視差光柵結構、與複數個位置參考結構所構成，係裝置於該透明基材之該第一面上，；一第一2D動態影像光源，係由單一台投影機、或複數台投影 機所構成，用以投射一2D動態影像光至該第一影像面上；一第二影像面，係由一具背投影屏幕結構、與複數個位置參考結構所構成；以及一第二3D動態多視景合成影像光源，係由單一台投影機、或複數台投影機所構成，用以投射一3D動態多視景合成影像光至該第二影像面上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該視差光柵結構，係由一垂直條狀結構、與一傾斜條狀結構所構成，其中，該垂直條狀結構、與該傾斜條狀結構，係由複數個遮光元件與複數個透光元件所構成。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該視差光柵結構之裝置方法，係利用一對位技術與一數位印刷技術，以完成該視差光柵結構之製作，其中，該對位技術，係提供該複數個位置參考結構之複數個中心位置，該數位印刷技術則根據該些個中心位置，並使用一不透光白色之印墨，將該些遮光元件，印製於該透明基材之第一面上，以完成該視差光柵之結構之製作。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該視差光柵之結構之製作方法，係利用一對位技術、一網版印刷技術與一雷射雕刻技術，以完成該視差光柵之結構之製作，其中，該對位技術，係提供該複數個位置參考結構之複數個中心位置，另外，該網版印刷技術，先將一不透光白色印墨塗佈且於固化於該透明基材之第一面上，以構成一白色區域，其次，再根據該些中心位置，利用一具精密定位之雷 射雕刻機具，對該白色區域中，且對應於該些透光元件所存在處，以挖空該白色區域之該白色印墨之作業，以完成該視差光柵之結構之製作。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該視差光柵之結構之製作方法，係利用一對位技術與一光蝕刻技術，以完成該視差光柵之結構之製作，其中，該對位技術，係提供該複數個位置參考結構之複數個中心位置，另外，該光蝕刻技術，先將一白色感光乳液塗佈於該明基材之第一面上，以構成一白色區域，再根據該些中心位置，使用一具有該視差光柵結構之光罩，對該白色區域，做曝光與顯影之處理，以完成該視差光柵之結構之製作。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該視差光柵之結構之製作方法，係利用一對位技術與一光蝕刻技術，以完成該視差光柵之結構之製作，其中，該對位技術，係提供該複數個位置參考結構之複數個中心位置，另外，該光蝕刻技術，先將一白色感光乳液塗佈於該明基材之第一面上，以構成一白色區域，再根據該些中心位置，使用一具精密定位之雷射繪圖機，對該白色區域，以繪製該視差光柵之結構後，再做顯影之處理，以完成該視差光柵之結構之製作。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該視差光柵之結構之製作方法，係利用一對位技術與一凹版印刷技術，以完成該視差光柵之結構之製作，其中，該對位技術，係提供該複數個位置參考結構之複數個中心 位置，另外，該凹版印刷技術，先利用一具精密定位之雷射雕刻機具、或電鑄鋼網版之技術，以製作一具有該複數個遮光元件之凹版，並於凹版上塗佈白色印墨，根據複數個位置參考結構之一中心位置，再將該凹版上之白色印墨，轉印於該明基材之第一面上，以完成該視差光柵之結構之製作。
  11. 如申請專利範圍第4項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該背投影屏幕結構之裝置方法，係利用一網版印刷之技術，並透過使用一半透明白色之印墨，將該半透明白色之印墨，印製於該透明基材的該第二面之上，以完成該背投影屏幕結構之製作。
  12. 如申請專利範圍第4項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該背投影屏幕結構之裝置方法，係利用一表面霧化處理之技術，對該透明基材的該第二面上，做表面霧化之處理，以完成該背投影屏幕結構之製作。
  13. 如申請專利範圍第4項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該些位置參考結構，係裝置於該第一影像面與該第二影像面上之同樣位置處，對於其中單一個位置參考結構，係由具幾何對稱形狀之一對位標靶所構成，另外，透過該對位標靶之一製作方法，可將複數個該對位標靶，裝置於該透明基材之該第一面與該第二面之上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該對位標靶，其形狀係可由一圓形、一方形或一十字形所構成。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之可同時顯示2D與3D動態影像 之裝置，其中該對位標靶之製作方法，係於該透明基材之四邊上，於X軸與Y軸之方向，係個別以等距之方式，裝置該複數個對位標靶，其製程，係先塗佈一黑色顏料後以形成一黑色區域，再使用一具精密定位之CNC加工機具、或一具精密定位之雷射雕刻機具，對該黑色區域中，以挖空該黑色顏料之作業，以完成該對位標靶之製作。
  16. 如申請專利範圍第4項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該透明平板元件之材料，係可由一玻璃與一壓克力所構成。
  17. 如申請專利範圍第4項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該第一2D動態影像光源與該第二3D動態多視景合成影像光源，係以同時間之方式，個別將該2D動態影像光與該3D動態多視景合成影像光，投射至該第一影像面、與該第二影像面。
  18. 如申請專利範圍第4項所述之可同時顯示2D與3D動態影像之裝置，其中該第一光源與該第二光源，係以不同時間之方式，交替將該2D動態影像光與該3D動態多視景合成影像光，投射至該第一影像面、與該第二影像面。
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