TWI515458B - A device for displaying a three-dimensional image - Google Patents

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TWI515458B
TWI515458B TW102132216A TW102132216A TWI515458B TW I515458 B TWI515458 B TW I515458B TW 102132216 A TW102132216 A TW 102132216A TW 102132216 A TW102132216 A TW 102132216A TW I515458 B TWI515458 B TW I515458B
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Ming Yen Lin
Kan Ju Lee
Shou Lun Chin
Chun Sheng Chang
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Zhangjiagang Kangde Xin Optronics Material Co Ltd
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Description

一種三次元影像顯示之裝置
對於習知裸視3D影像顯示(Auto-Stereoscopic Display)之技術，一般是使用由視差光柵(Parallax Barrier)、或者是透鏡陣列(Lenticular Lens Array，以下簡稱Lenticular)所構成之多視景分離裝置(Multi-View Separation Device)，以顯示一裸視之3D影像。所謂的多視景，是指總視景數為大於、等於2之視景數。其中，由該視差光柵所構成之多視景影像分離裝置，其所呈現之3D影像，一般具有低鬼影(Ghost Image)、低亮度之特徵；對於由該Lenticular所構成之多視景分離裝置，其所呈現之3D影像，則具有高鬼影、高亮度之特徵。亦即，對於3D影像之呈現，該兩習知之裝置，係無法同時滿足低鬼影、與高亮度之需求。本發明一種三次元影像顯示之裝置，主要係將該視差光柵結構與該Lenticular結構，合而為一，以同時改善過去單一視景分離裝置所產生之問題，達到最佳三次元影像顯示之目的。
如圖1所示，係習知垂直條狀視差光柵結構構成之示意圖。該垂直條狀(Vertical Strip)視差光柵結構10，係由複數個具垂直條狀特徵之遮光元件10a、與複數個具垂直條狀特徵之透光元件10b所構成。該單一個遮光元件10a與該單一個透光元件10b，係個別具有一水平寬度、B。該單一個遮光元件10a與該單一個透光元件10b，係構成一視差光柵之單元結構，並具有一單元結構之寬度PB，如下式所示： 根據中華民國專利申請案號：98128986中所述，該、B具有以下之關係： 其中，n為總視景數。
如圖2所示，係習知傾斜條狀視差光柵結構構成之示意圖。該傾斜條狀(Slantwise Strip)視差光柵結構11，係由複數個具傾斜條狀特徵之遮光元件11a、與複數個具傾斜條狀特徵之透光元件11b所構成。該單一個遮光元件11a與該單一個透光元件11b，係個別具有一水平寬度、B，且皆具有一傾斜角度θ。該單一個遮光元件11a與該單一個透光元件11b，係構成一視差光柵之單元結構，並具有一單元結構之寬度PB，其中，該PB、、B間，亦具有如式(1)~(2)所示之關係。
如圖3所示，係視差光柵結構與視景分離作用關係之示意圖。以下，對於3D影像之顯示，以雙視景(2-View)為例，說明視差光柵與視景分離作用(View Separation Function)之關係。
對於一顯示於一般螢幕(無圖示)上之雙視景合成影像1，該視差光柵10、11係以LB之距離(以下稱LB為安裝距離)，裝至於該雙視景合成影像1之前，藉由該視差光柵10、11的視景分離之作用，可於最佳觀賞距離Z0(Optimum Viewing Distance,OVD)上之複數個最佳視點(Optimum Viewin Point,OVP)OVP(L)、OVP(R)處，個別呈現單一視景影像L、R。其中，該雙視景合成影像1，係由一左視景影像L、與一右視景影R，以垂直交錯、或傾斜交錯之方式以構成。
對於左眼2、右眼3個別位於該最佳視點OVP(L)、OVP(R)上之觀賞者而言，該觀賞者之左眼2、右眼3，係可個別觀看到一對具有視差效果之單一視景影像L、R。是以，該觀賞者可觀看到一3D影像。該左右影像分離之原理、視景影像之合成、視差光柵與Lenticular結構之設計等細節，請詳閱中華民國專利申請案號：101135830。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10、11而設定。
如圖4~6所示，係習知傾斜Lenticular結構構成之示意圖。其中，圖4所示，係3D之示意圖、圖5所示，係上視之示意圖、 圖6所示，係側視之示意圖。
該傾斜Lenticular 20，係由複數個傾斜柱狀形透鏡21所構成，該單一個柱狀形透鏡21，係由一具有焦距f、與單元結構寬度PL所構成之透鏡，並以一傾斜角度θ，沿水平方向重複排列該該單一個柱狀形透鏡21，以構成該整體傾斜Lenticular 20。另外，當令傾斜角度θ=0時，即可構成一垂直Lenticular結構(無圖示，以下並以同樣圖號20以示之)。其中，f~2r，r係為構成該單一柱狀形透鏡21圓形表面22之半徑。
如圖7所示，係Lenticular結構與視景分離作用關係之示意圖。對於一顯示於一般螢幕(無圖示)上之雙視景合成影像1，藉由該Lenticular 20的視景分離之作用，可於最佳觀賞距離Z0上之複數個最佳視點OVP(L)、OVP(R)處，個別呈現單一視景影像L、R。其中，該雙視景合成影像1，係由一左視景影像L、與一右視景影R，以垂直交錯、或傾斜交錯之方式以構成。對於左眼2、右眼3個別位於該最佳視點OVP(L)、OVP(R)上之觀賞者而言，該觀賞者之左眼2、右眼3，係可個別觀看到一對具有視差效果之單一視景影像L、R。是以，該觀賞者可觀看到一3D影像。
如上述該專利101135830中所提，當視差光柵結構與Lenticular結構，具有以下關係時，可具有等效視景分離之作用。
f=LB (3)
PL=PB (4)
如圖8所示，所謂的等效視景分離作用，係指當該視差光柵結構10、11與Lenticular結構20，滿足式(3)~(4)之關係時，對於同樣之雙視景3D合成影像1，該視差光柵結構10、11與Lenticular結構20，係可於同樣之最佳觀賞距離Z0上同樣之該最佳視點OVP(L)、OVP(R)處，個別提供該左視景影像L、該右視景影R，亦即，對該3D合成影像1，提供同樣視景分離之作用，以達到顯示3D影像之目的。
如上所述，對於個別使用視差光柵、或Lenticular，以顯示一裸視之3D影像時，該視差光柵所呈現之3D影像，一般具有低鬼 影、低亮度之特徵；對於由該Lenticular所呈現之3D影像，則具有高鬼影、高亮度之特徵。亦即，對於3D影像之呈現，該兩習知之裝置，係無法同時滿足低鬼影、與高亮度之需求。
針對上述之缺失，本發明一種三次元影像顯示之裝置，主要係由一顯示器螢幕元件、一視差光柵元件與一Lenticular元件所構成，該視差光柵元件與該Lenticular元件，具有等效視景分離之作用，對於該顯示器螢幕元件所顯示之一多視景合成影像，可產生一致的最佳觀賞距離、與最佳觀賞點，以同時改善過去單一視景分離裝置所產生之低亮度與高鬼影之問題，達到最佳三次元影像顯示之目的。
1‧‧‧雙視景合成影像
2‧‧‧左眼
3‧‧‧右眼
10‧‧‧垂直條狀視差光柵結構
10a、11a‧‧‧遮光元件
10b、11b‧‧‧透光元件
11‧‧‧傾斜條狀視差光柵結構
20‧‧‧Lenticular
21‧‧‧柱狀形透鏡
30‧‧‧顯示器螢幕
40‧‧‧三次元影像顯示裝置
50‧‧‧顯示器螢幕元件
60‧‧‧視差光柵元件
61‧‧‧透明基材
62‧‧‧視差光柵結構
62a‧‧‧遮光元件
62b‧‧‧透光元件
63‧‧‧透明保護膜
64‧‧‧黑色光阻薄膜、非透光之薄膜
70‧‧‧Lenticular元件
71‧‧‧柱狀形透鏡
72‧‧‧柱狀形透鏡圓形表面
n‧‧‧總視景數
、‧‧‧遮光元件水平寬度
B、B'‧‧‧透光元件水平寬度
θ‧‧‧傾斜角度
LB‧‧‧安裝距離
PB‧‧‧視差光柵單元結構之寬度
Z0‧‧‧最佳觀賞距離
OVP(L)、OVP(R)‧‧‧最佳視點
L‧‧‧左視景影像
R‧‧‧右視景影
f‧‧‧柱狀形透鏡焦距
PL‧‧‧柱狀形透鏡單元結構之寬度
r‧‧‧柱狀形透鏡圓形表面之半徑
X、Y、Z‧‧‧座標系
圖1所示，係習知垂直條狀視差光柵結構構成之示意圖。
圖2所示，係習知傾斜條狀視差光柵結構構成之示意圖。
圖3所示，係視差光柵結構與視景分離作用關係之示意圖。
圖4~6所示，係習知傾斜Lenticular結構構成之示意圖。
圖7所示，係Lenticular結構與視景分離作用關係之示意圖。
圖8所示，係等效視景分離作用之示意圖
圖9所示，係本發明實施例一構成之示意圖。
圖10所示，係本發明實施例二構成之示意圖。
圖11所示，係視差光柵元件裝置過程之示意圖。
如圖9所示，係本發明實施例一構成之示意圖。該三次元影像顯示之裝置40，依安裝之前後次序，主要係由一顯示器螢幕元件50、一視差光柵元件60、與一Lenticular元件70所構成。
其中，該顯示器螢幕元件50，係可由液晶、電漿、有機發光二極體(OLED)、發光二極體(LED)等習知顯示器螢幕所構成，且該螢幕所具有顏色次畫素之排列，係可由習知垂直條狀、馬賽克、三角狀與Pentile等排列所構成，係用以顯示一多視景合成影像(未圖示)。
該視差光柵元件60，係由一透明基材61、一視差光柵結構62、與一透明保護膜63所構成。其中，該透明基材61，係由一平板狀結構之透明玻璃、或壓克力(PMMA)所構成，該平板狀結構則具有高度之面平整度。
該視差光柵結構62係裝置於該透明基材61之一面上，係由複數個遮光元件62a、與複數個透光元件62b所構成。如圖1~2所示，該些遮光元件62a、與該些透光元件62b，係可具有垂直條狀、或傾斜條狀結構特徵，且個別具有、B之水平寬度，並具單元結構寬度PB，該、B、PB間之關係，係如式(1)~(2)所示之；另外，該視差光柵結構62，以一安裝距離LB，裝置於該該顯示器螢幕元件50前，對於該多視景合成影像，提供視景分離之作用，以顯示3D影像。
另外，對於該視差光柵結構62之製作，係可透過光蝕刻、凸版轉印、凹版轉印等精密製程，可將該些遮光元件62a、與該些透光元件62b，複製於該透明基材61之一面上。另外，亦可對該透明基材61之一面上，先塗佈一層非透光之薄膜(無圖示)，再利用對位技術與一具精密定位之雷射雕刻機具(無圖示)，對於該非透光薄膜，且對應於該複數個透光元件62b所存在處，以挖空該處之該非透光薄膜之作業，以完該複數個透光元件62b之製作，即可完成該視差光柵結構62之製作。
之後，再對該些遮光元件62a、與該些透光元件62b，覆蓋一層透明之保護膜63，如二氧化矽(SiO2)薄膜，以防止該些遮光元件62a、與該些透光元件62b之脫落與隔絕環境之影響，如濕度。
該Lenticular元件70，係由複數個柱狀形透鏡71所構成，其中，單一個柱狀形透鏡71，係具有垂直條狀、或傾斜條狀結構特徵，且具有焦距f、與單元結構寬度PL。對於該焦距f、與單元結構寬度PL，係令其具有式(3)~(4)，以達到等效視景分離作用。事實上，對於如圖9所示元件堆疊之結構，該Lenticular元件70因具有些許之厚度，於實際的光學設計上，該些柱狀形透鏡之焦距f是略大於該視差光柵結構之裝距離LB。
另外，對於該Lenticular元件70之製作，係可透過卷對卷(Roll-to-Roll)滾印之製程、或熱壓印之製程，以製作出一單獨之元件，再透過對位貼合之製程，裝置於該視差光柵元件60上；或者透過熱壓印之製程，以直接製作於該視差光柵元件60之透明保護膜63上。
如圖10所示，係本發明實施例二構成之示意圖。基本上，本發明實施例二具有與施例一同樣之構成，僅裝置位置不同。該三次元影像顯示之裝置40，依安裝之前後次序，主要係由一顯示器螢幕元件50、一Lenticular元件70、與一視差光柵元件60所構成。其中，該Lenticular元件70、與該視差光柵元件60，係各為一單獨之元件，具有與實施例一同樣之結構與製作之製程，且兩者間具有等效視景分離作用。唯一不同之處，係該些柱狀形透鏡71之圓形表面72、係與該視差光柵元件60之透明保護膜63，以近貼之方式，透過對位組裝與固定機構(未圖示)，將該Lenticular元件70、與該視差光柵元件60，裝置成一體。
另外，如圖11所示，對於該視差光柵元件60之裝置，係可透過光蝕刻之製程，於該些柱狀形透鏡71之圓形表面72上，先塗布一黑色光阻薄膜64、再利用具有該視差光柵結構62之光罩，對該光阻64，進行曝光、顯影之作業，即可複製產生該些遮光元件62a、與該些透光元件62b；最終，再覆蓋該透明保護膜63，即可完成該視差光柵元件60之裝置。
另外，亦可透過精密雷射雕刻之製程，於該些柱狀形透鏡71之圓形表面72上，先塗佈一層非透光之薄膜64，再利用對位技術與一具精密定位之雷射雕刻機具(無圖示)，對於該非透光薄膜64，且對應於該複數個透光元件62b所存在處，以挖空該處之該非透光薄膜64之作業，以完該複數個透光元件62b之製作，即可完成該視差光柵結構62之裝置。
另外，對於該焦距f、與單元結構寬度PL，係令其具有式(3)~(4)，以達到等效視景分離作用。事實上，對於如圖10所示元件堆疊之結構，該視差光柵元件60中之透明保護膜63，因具有些許 之厚度，於實際的光學設計上，該視差光柵結構之裝距離LB是略大於焦距f。
另外，對於實施例一、二中所述之該些遮光元件62a、與該些透光元件62b，其作用除了提供等效視景分離作用外，亦具有光圈之效果。亦即，在保持該單元結構寬度PB不變之條件下，透過改變該些遮光元件62a、與該些透光元件62b之水平寬度、B，例如： 並令B '>B、且 其中，、B'係改變後該些遮光元件62a、與該些透光元件62b之水平寬度，即可達到同時改善該Lenticular元件70所產生鬼影之現象、以及提高該視差光柵元件60亮度之目的。是以，可同時改善過去單一視景分離裝置所產生之低亮度與高鬼影之問題，達到最佳三次元影像顯示之目的。
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，對於該顯示器螢幕，亦可以背投影螢幕與投影機取代；另外，對於該視差光柵結構、與該Lenticular柱狀形透鏡之結構，亦可由具傾斜格狀(Slantwise Step)特徵之結構所構成；另外，對於該視差光柵結構、與該Lenticular柱狀形透鏡之製作，亦可以其他技術製作產生，例如，可將本發明所揭露之等效視景分離作用，透過液晶製程之技術，將該視差光柵結構、與該Lenticular柱狀形透鏡，整合成一液晶之裝置，除了達到本發明前述所提出之功效外，還可提供2D與3D影像切換之目的；另外，對於該非透光薄膜，其顏色之使用，非只限於黑色，亦可由白色、銀色與其他顏色所構成。謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
40‧‧‧三次元影像顯示裝置
50‧‧‧顯示器螢幕元件
60‧‧‧視差光柵元件
61‧‧‧透明基材
62‧‧‧視差光柵結構
62a‧‧‧遮光元件
62b‧‧‧透光元件
63‧‧‧透明保護膜
70‧‧‧Lenticular元件
71‧‧‧柱狀形透鏡
72‧‧‧柱狀形透鏡圓形表面
‧‧‧遮光元件水平寬度
B‧‧‧透光元件水平寬度
PB‧‧‧視差光柵單元結構之寬度
PL‧‧‧柱狀形透鏡單元結構之寬度
X、Y、Z‧‧‧座標系

Claims (19)

  1. 一種三次元影像顯示之裝置，主要係由以下元件所構成：一顯示器螢幕元件，用以顯示一多視景合成影像；一視差光柵元件，對於該多視景合成影像，提供視景分離之作用；該視差光柵元件，主要係由一透明基材、一視差光柵結構與一透明保護膜所構成，其中該視差光柵結構，係由複數個遮光元件、與複數個透光元件所構成，該些遮光元件、與該些透光元件，係具有垂直條狀、或傾斜條狀結構特徵，其中，單一個遮光元件、與單一個透光元件，係個別具有、B之水平寬度，並由該單一個遮光元件、與該單一個透光元件，以構成一視差光柵單元結構，具有一單元寬度PB，並具 有、之關係，其中，n為構成該多視景合成 影像之總視景數；該視差光柵結構，係以一安裝之距離LB，裝置於該顯示器螢幕元件前，對於該多視景合成影像，提供視景分離之作用，於一特定最佳觀賞距離與最佳觀賞點處顯示3D影像；以及一透鏡陣列元件，對於該多視景合成影像，提供視景分離之作用；其中該透鏡陣列元件，係由複數個柱狀形透鏡所構成；對於該透鏡陣列元件中所裝置之該些柱狀形透鏡，其中，單一個柱狀形透鏡，具有一垂直條狀或一傾斜條狀結構，且具有一焦距f、一圓形透鏡表面、與一透鏡單元結構寬度PL；該透鏡陣列元件係以一安裝之距離f，裝置於該顯示器螢幕元件前，對於該多視景合成影像，提供視景分離之作用，於一特定最佳觀賞距離與最佳觀賞點處，以顯示3D影像；上述該視差光柵元件與該透鏡陣列元件，係具有等效視景分離作用之關係，對於該多視景合成影像，以產生一致的最佳觀賞距離與最佳觀賞點；其中，該透鏡單元結構寬度，係具有PL=PB之關係。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中該顯示器螢幕元件，係由一液晶、一電漿、一有機發光二極體或一發光二極體之顯示器螢幕所構成，且該螢幕所具有顏色次畫素之排列，係由垂直條狀、馬賽克、三角狀或Pentile之排列所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中該顯示器螢幕元件，係由一背投螢幕與一投影機所構成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中該視差光柵結構，係裝置於該透明基材之一面上，而該透明保護膜，則覆蓋與保護該視差光柵結構。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中該透明基材，係由一平板狀結構之一透明玻璃或一壓克力所構成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中對於該些遮光元件、與該些透光元件之製作，係透過一光蝕刻、一凸版轉印、一凹版轉印之精密製程，將該些遮光元件、與該些透光元件，複製於該透明基材之一面上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中對於該些遮光元件、與該些透光元件之製作，係對該透明基材之一面上，先塗佈一層非透光薄膜，再利用對位技術與具精密定位之一雷射雕刻機具，對於該非透光薄膜，且對應於該些透光元件所存在處，以挖空該處之該非透光薄膜之作業，以完該些透光元件之製作。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中該透明保護膜之材料，係可由二氧化矽所構成。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中該透鏡陣列元件之製作，係透過卷對卷滾印之製程、或熱壓印之製程，以製作出單一透鏡元件。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，對於該三次元影像顯示之裝置所構成元件之裝置順序，係依序裝 置該顯示器螢幕元件、該視差光柵元件、與該透鏡陣列元件。
  11. 如申請專利範圍第12項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中，對於該透鏡陣列元件之裝置，係透過對位貼合之製程，裝置於該視差光柵元件之該透明保護膜上。
  12. 如申請專利範圍第12項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中，對於該透鏡陣列元件上之該些柱狀形透鏡，係透過熱壓印之製程，將該些柱狀形透鏡，直接製作於該視差光柵元件之該透明保護膜上。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中該些柱狀形透鏡之焦距f，是略大於該視差光柵結構之安裝距離LB。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，對於該三次元影像顯示之裝置所構成元件之裝置順序，係依次裝置該顯示器螢幕元件、該透鏡陣列元件、與該視差光柵元件。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中，對於該透鏡陣列元件、與該視差光柵元件之裝置，係將該些柱狀形透鏡之圓形表面、係與該視差光柵元件之透明保護膜，以近貼之方式，透過一對位組裝與一固定機構，裝置成一體。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中，對於該透鏡陣列元件、與該視差光柵元件之裝置，係透過一光蝕刻之製程，於該些柱狀形透鏡之圓形表面上，先塗布固定一黑色光阻薄膜、再利用具有該視差光柵結構之光罩，對該光阻膜，進行曝光、顯影之作業，以複製產生該些遮光元件、與該些透光元件；最終，再覆蓋該透明保護膜，以完成該視差光柵元件之裝設。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中，對於該透鏡陣列元件、與該視差光柵元件之裝置，係透過精密雷射雕刻之製程，於該些柱狀形透鏡之圓形表面上，先塗佈固定一層非透光薄膜，該非透光薄膜之顏色可由黑色、白 色、銀色所構成，再利用對位技術與具精密定位之一雷射雕刻機具，對於該非透光薄膜，且對應於該複數個透光元件所存在處，以挖空該處之該非透光薄膜之作業，以完成該複數個透光元件之製作，即完成該視差光柵結構之裝設。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中，該視差光柵結構之安裝距離LB，是略大於該些柱狀形透鏡之焦距f。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之一種三次元影像顯示之裝置，其中，在保持該單元結構寬度PB不變之條件下，透過改變該些 遮光元件、與該些透光元件之水平寬度、B，可達到同時改 善該透鏡陣列元件所產生鬼影之現象、以及提高該視差光柵元件之亮度，其水平寬度改變之條件，如下式表示： 並令 B '>B、且； 其中，、B '係改變後該些遮光元件、與該些透光元件之水平 寬度。
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