TWI540401B - 多視角三維腕錶及在多視角三維腕錶中產生三維時間影像的方法 - Google Patents

Description

多視角三維腕錶及在多視角三維腕錶中產生三維時間影像的 方法

本發明係關於一種腕錶，尤其係關於一種多視角三維腕錶。

數十年來，腕錶一直為人類文化和服飾的一部分，其最早是在20年代開始成為流行。最初的幾個款式是在戰爭時期，因需要而被繫以錶鏈來執持的簡易懷錶。士兵們發現在戰鬥中從口袋拉出懷錶的使用方式不切實際，因此便開始更加頻繁地依靠腕錶。當腕錶開始流行後，其設計亦隨著時間改進及演變。腕錶最初的設計為完全機械式的設計。機械式設計的下一代款式則是採用電子機制與石英振盪器。電子錶從七零年代起成為一樣產品，從那時起，各種型式紛紛出現以增加消費者的需求，包括計算器腕錶、防水腕錶、相機腕錶、GPS腕錶等等。當下的時尚潮流顯示，在失去了一些市場給智慧型手機和其他設備後，腕錶目前正在捲土重來。

揭露一種多視角三維腕錶。該多視角三維腕錶可以以三維顯示時間，使得使用者觀看之時間彷彿漂浮在空中。該腕錶採用了一獨特的定向背板，該定向背板用來提供定向光束形式 的光場。該等定向光束由該定向背板中之複數個定向像素散射。每個定向光束源於一不同的定向像素，並具有基於該定向像素的特性之一給定的方向和角分散。這所指的方向性使定向光束得以使用複數個調節器來調節(即開啟，關閉或亮度的改變)，並產生不同的三維時間影像。

在各種實施例中，該等定向像素被佈置在由複數個輸入平面光束所照亮的一定向背板中。該等定向像素接收該等輸入平面光束並將其中一部分散射成定向光束。一光閘層設置於該等定向像素上方以依據需求調節該等定向光束。該光閘層可包括複數個調節器，該等調節器具有動態矩陣定址(例如，液晶顯示器(Liquid Crystal Display,“LCD”)晶胞、微機電系統、流體、磁性、電泳等)，並且各調節器調節來自一單一定向像素的一單一定向光束，或來自一組定向像素的一組定向光束。該光閘層藉由每一組定向光束所提供的每一影像，能夠產生三維時間影像。該等三維影像隨著需求可為單一色彩的或多色彩的。

在各種實施例中，在該定向背板中的該等定向像素具有設置於該定向背板中或上方之大致為平行的溝槽的圖案化光柵。該定向背板可以是，例如，引導該等輸入平面光束進入該等定向像素之由透明材料構成的一厚板，舉例來說，諸如氮化矽(Silicon Nitride,“SiN”)、玻璃或石英、塑料及氧化銦錫(Indium Tin Oxide,“ITO”)等等。該等圖案化光柵可以包括溝槽，其可以直接被蝕刻在該定向背板中，或以沉積在該定向背板上方的材料(例如，可被沉積和蝕刻或剝離的任何材料，包括任何介電質或金屬)製成。該等溝槽也可是傾斜的。

更詳細地描述如下，每一個定向像素之特性可由一光柵長度(即，沿著該等輸入平面光束的傳輸軸方向的尺寸)、一光柵寬度(即，橫跨該等輸入平面光束的傳輸軸方向的尺寸)、一溝槽座向、一間距和一工作週期所界定。每個定向像素可以發射一定向光束，其所發射的定向光束具有由該溝槽座向與該光柵間 距決定的方向，並且具有由該光柵長度和寬度決定的角分散。藉由使用50%或約50%的工作循環，可以使該等圖案化光柵的第二傅立葉係數消失，從而防止光從額外之無用的方向上散射。如此一來，無論輸出角度為何，都能確保各個定位像素僅會有一定向光束出現。

更詳細地描述如下，定向背板可設計成具有定向像素，該等定向像素具有一特定的光柵長度、一光柵寬度、一溝槽座向、一間距及一工作週期並被選為產生一給定的三維時間影像。該三維時間影像從由該等定向像素射出並經由該光閘層調節的該等定向光束來產生，並藉由來自一組定向像素之調節過的定向光束產生一給定的時間影像。

可以理解的是，在下面的描述中，許多具體細節進行了闡述，以供透徹理解這些實施例。然而，應當理解，本實施例可以不限於這些具體細節的情況下實施。在其他情況下，眾所周知的方法和結構可不作詳細描述，以避免不必要地模糊本實施例的描述。此外，該實施例可以彼此組合使用。

100、105、200、300、330、400、440、600、700‧‧‧腕錶

205、305、335、405、445、504、505、605、705‧‧‧定向背板

210、315、345、415、455、510、515、520‧‧‧輸入平面光束

215a~215d、340、410a~410d、430a~430d‧‧‧定向像素

220a~220d、320、350、420a~420d、460a~460d‧‧‧定向光束

225a‧‧‧溝槽

230‧‧‧光閘層

235‧‧‧隔離層

240‧‧‧時間影像

245‧‧‧時鐘電路

325、355、425a~425d、470a~470d、555‧‧‧液晶顯示單元

365、475、480‧‧‧三維影像

360a‧‧‧定向光束

450a~450d、525~535、540~550‧‧‧定向像素

610、615、620、710、715、720‧‧‧輸入平面光束

625~635、660、720‧‧‧定向像素

640、655、725‧‧‧液晶顯示單元

800‧‧‧時鐘電路確定要顯示的時間

805‧‧‧來自複數個狹窄光譜帶光源的光以輸入平面光束的形式輸入至定向背板

810‧‧‧時鐘電路根據要顯示的時間控制光閘層以調節在方向背板中的一組定向像素

815‧‧‧從定向背板中的定向像素散射之被調節過的定向光束產生三維時間影像

第1圖示出根據各個實施例而設計之腕錶的示意圖；第2圖示出根據各個實施例之具有定向背板的腕錶的示意圖；第3A圖、第3B圖示出根據第2圖之定向背板的示例俯視圖；第4A圖、第4B圖示出根據第2圖之定向背板的其他示例俯視圖；第5圖示出第2圖之定向背板具有三角形形狀的實施例；第6圖示出第2圖之定向背板具有六角形形狀的實施例；第7圖示出第2圖之定向背板具有圓形形狀的實施例；以及第8圖示出透過根據本發明之多視角三維腕錶產生三維時間影像的流程圖。

請參照第1圖，其描述了根據各個實施例而設計的腕錶的示意圖。腕錶100是一多視角的三維腕錶，其在類似圓形的顯示器中藉由將數字環繞顯示器放置而顯示時間。腕錶105是一多視角的三維腕錶，其在類似長方形的顯示器中藉由數字指示時間。兩種腕錶100、105皆以三維影像顯示時間，從而使得使用者看到的時間彷彿漂浮在空中。依據使用者的眼睛的位置，使用者會看到不同的時間影像；也就是說，使用者以自然和真實的方式觀看時間，如同大腦在真實世界中感知三維的視覺訊息一樣。

可以理解知悉，顯示在腕錶100和105中的時間影像根據需求可為單一色彩的或多色彩的。亦可以理解知悉，此三維時間影像可以是不同的形狀，有不同的效果，並可以包括除了時間以外的其他圖像。例如，三維時間影像可以具有陰影、輪廓或圖案等效果。腕錶顯示器可以是矩形、圓形、多邊形，或可以被設計為腕錶的任何其它形狀。時間影像也可以包括腕錶的標識、背景圖片與其他圖像，以輔助所顯示的時間。如下所述，三維時間影像藉由一獨特的定向背板而產生，該定向背板能夠根據要顯示在三維時間影像中的時間(例如，早上8：13，下午10：34，等等)產生由光閘層所調節的定向光束。

以下將參照第2圖，對根據各種實施例之具有定向背板的腕錶的示意圖進行說明。腕錶200包括定向背板205，其接收來自複數個光源的一組輸入平面光束210。所述光源可以包括，例如，一個或多個具有約30納米或更小光譜帶寬的窄帶光源，例如發光二極體(“LEDs”)、雷射(例如，混成雷射)、或者任何其它用於在腕錶中提供照明的光源。輸入平面光束210在大致與定向背板205為同一平面的平面中傳輸，定向背板205是被設計為實質上是平面的。

定向背板205可以由透明材料(例如氮化矽、玻璃或石英、塑料、ITO等)的厚板構成，所述厚板具有排列在定向背板 205中或上方的複數個定向像素215a~215d。定向像素215a~215d將輸入平面光束210的一部分散射為定向光束220a~220d。在各種實施例中，每個定向像素215a~215d具有實質上為平行的複數個溝槽的複數個圖案化光柵，例如定向像素215a的溝槽225a。所有的光柵溝槽可以在實質上具有相同的厚度，以產生一實質上為平面的設計。該等溝槽可以在定向背板中蝕刻或由以沉積在定向背板205的上方的材料(例如，可被沉積與蝕刻或剝離的任何材料，包括任何介電質或金屬)來製成。

每個定向光束220a~220d具有一給定的方向和一角分散，其由形成對應定向像素215a~215d的圖案化光柵所決定。特別地，每個定向光束220a~220d的方向由圖案化光柵的座向及間距來決定。每個定向光束的角方散依次由圖案化光柵的光柵長度和寬度來決定。舉例來說，定向光束220a的方向由圖案化光柵225a的座向及光柵間距來決定。

可以理解的是，本發明實質上為平面的設計及從輸入平面光束210之定向光束220a~220d的形成需要具有比傳統繞射光柵顯著更小的節距的光柵。例如，傳統繞射光柵將基本上跨越光柵的光線散射在照明上。在此，當產生定向光束220a~220d時，在每個定向像素215a~215d中的光柵基本上是與輸入平面光束210在一平面上。

定向光束220a~220d由在定向像素215a~215d中的光柵特性精確地控制，其特性包括光柵長度L、光柵寬度W、溝槽座向、和光柵間距。特別地，光柵225a的光柵長度L控制了沿輸入光傳輸軸之定向光束220a的角分散△Θ，並且，光柵寬度W控制了穿過輸入光傳輸軸的定向光束220a的角分散△Θ，如下： 其中，λ是定向光束220a的波長。由光柵座向角度q所界定的溝槽座向是及由Λ所界定的光柵間距或週期控制了定向光束220a的方 向。

光柵長度L和光柵寬度W在尺寸上可在0.1~200μm的範圍中變化。溝槽座向角q和光柵間距Λ可被設定以滿足定向光束220a的一期望的方向，並且具有例如依次為-40到40度的溝槽座向角q、以及依次為200-700納米的光柵間距Λ。

在各種實施例中，光閘層230(例如，液晶單元)被定位在定向像素215a~215d上方，以調節被定向像素215a~215d所散射的定向光束220a~220d。定向光束220a~220d的調節涉及到以光閘層230控制它們的亮度(例如，將定向光束220a~220d打開、關閉，或改變定向光束220a~220d的亮度)。例如，在光閘層230的調節器可以被用來打開定向光束220a和定向光束220d，並關閉定向光束220b和定向光束220c。

提供用於定向光束220a~220d的調節的能力能使許多不同的三維時間影像得以產生，例如時間影像240。調節器是由時鐘電路245所控制，其決定將被顯示在腕錶上的時間，並且決定哪個定向光束220a~220d被打開或關閉，以產生對應於將要顯示在腕錶200的時間(例如，上午03時07分)的時間影像240。

光閘層230可以設置在隔離層235上方，該隔離層235可以由在定向像素215a~215d與調節器光閘層230之間的物質製成或簡單地由在定向像素215a~215d與調節器光閘層230之間的空間間隔(即，空氣)構成。隔離層235可以具有例如依次為0-100微米的寬度。

可以理解的是，圖中所顯示的定向背板205為作說明用途，因此僅具有四個定向像素215a~215d。而根據各種不同實施例，定向背板可以設計成具有許多個定向像素(例如，高於100)，這取決於定向背板之用途(例如，在3D顯示銀幕中、在一三維腕錶中、在行動裝置中等)。如是亦知悉，定向像素可以具有任何形狀，包括，例如，圓形、橢圓形、多邊形或其它幾何形狀。

請參照第3A圖、第3B圖，其顯示第2圖中的定向背板 的俯視圖。如第3A圖所示，腕錶300被示為具有由排列在一透明板中的複數個多邊形定向像素(例如，定向像素310)所構成的定向背板305。每個定向像素都能夠將輸入平面光束315的一部分散射成一輸出定向光束(例如，定向光束320)。每個定向光束由一調節器，例如用於定向光束320的液晶顯示單元325，來調節。被定向底板305中之所有定向像素散射以及被調節器(例如，液晶顯示單元325)調節後的定向光束，當合併形成三維影像360時，可以呈現出多重影像視覺。

同樣地，如第3A圖所示，腕錶330被示為具有由複數個圓形定向像素(例如，定向像素340)排列在一透明板上所構成的定向背板335。每個定向像素都能夠將輸入平面光束345的一部分散射成一輸出定向光束(例如，定向光束350)。每個定向光束由一調節器，例如用於定向光束350的液晶顯示單元355，來調節。被定向底板335中之所有定向像素散射以及被由調節器(例如，液晶顯示單元355)調節後的定向光束，當合併形成三維影像365時，可以呈現出多重影像視覺。

在各種實施例中，一單一的調節器可以被用於調節從一組定向像素而出的一組定向光束。亦即，一給定的調節器可以被置於一組定向像素之上，而不是如第3A圖、第3B圖所示之每個定向像素皆配置有一單一調節器。

現在參見第4A圖、第4B圖，圖中描述根據第2圖所示之定向背板的俯視圖。在第4A圖中，腕錶400被示為具有由複數個多邊形定向像素(例如，定向像素410a)排列在一透明板上所構成的定向背板405。每個定向像素都能夠將輸入平面光束415的一部分散射成一輸出定向光束(例如，定向光束420a)。一組定向光束(例如，定向像素410a~420d散射的定向光束420a~420d)由一調節器調節(例如，液晶顯示單元425a調節定向光束420a~420d)。例如，液晶顯示單元425a是用來打開定向像素410a~410d，而液晶顯示單元425d被用於關閉定向像素430a~430d。被定向底板405 中之所有定向畫像素散射以及被液晶顯示單元425a~425d調節後的定向光束，當合併形成三維影像475時，可以呈現出多重影像視覺。

類似地，在第4B圖中，腕錶440被示為具有由複數個圓形定向像素(例如，定向像素450a)排列在一透明板上所構成的定向背板445。每個定向像素都能夠將輸入平面光束455的一部分散射成一輸出定向光束(例如，定向光束360a)。一組定向光束(例如，定向像素450a~450d散射的定向光束460a~460d)由一調節器來調節(例如，液晶顯示單元470a調節定向光束460a~460d)。例如，液晶顯示單元470a用來打開定向像素450a~450d，而液晶顯示單元470d被用於關閉定向像素465a~465d。被定向底板445中之所有定向像素散射以及被液晶顯示單元470a~470d調節後的定向光束，當合併形成三維影像480時，可以呈現出多重影像視覺。

可理解之，定向背板可以被設計成具有不同的形狀，舉例來說，諸如三角形(如第5圖所示)、六邊形(如第6圖中所示)或圓形(如第7圖)。在第5圖中，定向背板505從三個不同的空間方向上接收輸入平面光束，例如，輸入平面光束510、515、520。這樣的配置可以在當輸入平面光束代表不同顏色的光線時使用，例如，當輸入平面光束510表示紅色，輸入平面光束515表示綠色，以及輸入平面光束520表示藍色時。各個輸入平面光束510、515、520設置在三角形的定向背板505的一側，以將其光線聚焦於一組定向像素上。例如，輸入平面光束510藉由一組定向像素525~535被散射成定向光束。定向像素525~535的子組也可以從輸入平面光束515、515、520接收光。然而，藉由設計，此光線不會在腕錶500之預定的視像區域散射。

例如，假設輸入平面光束510被定向像素525~535的子組G_A散射成一預定的視像區域。此預定的視像區域可以最大光角θ_max來界定，該最大光角θ_max是從定向背板504的法向所測量。輸入平面光束510也可以藉由定向像素540~550的子組G_B散射，但 是只要是滿足下列方程式時，那些不被想要的光線則位於該預定的視像區域之外： 其中，λ _A是輸入平面光束510的波長，n_eff ^A是在定向背板505中之輸入平面光束510的水平傳輸的有效參數，λ _B是輸入平面光束520的波長(將被定向像素540-550散射的)，以及n_eff ^B是在定向背板505中之輸入平面光束520的水平傳輸的有效參數。在有效參數大致相同於波長時，公式2簡化為：

對於折射率n大於2的定向背板並且輸入平面光束靠近掠射角傳輸時，可以看出，顯示器預定的視像區域可以延伸到整個空間(n_eff 2且sin θ_max~1)。對於具有較低折射指數的定向背板，例如玻璃(例如，n=1.46)，預定的視像區域被大約限制為θ_max<arcsin(n/2)(玻璃為±45°)。

可理解的是，每個定向光束可以由一調節器調節，舉例來說，如液晶顯示單元555。因為定向光束的精確定向及角度控制可以藉由在定向背板505中的每一定向像素來達成，並且定向光束可以藉由調節器例如液晶單元調節，所以定向背板405可被設計用來產生許多不同的三維影像。

可進一步理解的，第5圖所示之定向背板505可被形成為更精小的設計，如知可以將三角形板的末端切割以形成一六邊形的形狀，如第6圖中所示。定向背板605從三個不同的空間方向上接收輸入平面光束，例如，輸入平面光束610、615、620。各個輸入平面光束610、615、620被設置在六邊形定向背板605的各 個交替側，以將其光線聚焦在定向像素(例如，定向像素625~635)的子組上。在各種實施例中，六方形定向背板605具有範圍可依次在10~30毫米間的邊長，並且具有大小可在10~30毫米之間的定向像素。

可以理解，腕錶600被示為具有複數個調節器的多重配置。舉例而言，一單一的調節器可以被用來調節一組定向像素的定向光束，例如，用於定向像素625~635的液晶顯示單元640，或一單一的調節器可以被用來調節一單一的定向像素，例如，用於定向像素660的液晶顯示單元655。熟悉該技藝的人士了然可以使任何用於定向像素的調節器結構來調節被定向像素散射的定向光束。時鐘電路(未顯示於圖中)是用於控制光閘層的調節器。熟悉該技藝的人士亦了然可以使用任何光閘層結構來調節定向光束。

還可以理解，用於彩色輸入平面光束的定向背板可具有三角形(第5圖)或六邊形(第6圖)之外的任何幾何形狀，只要從三原色來的光是來自三個不同的方向。例如，定向背板可以是多邊形、圓形、橢圓形、或其他能夠從三個不同方向接收光的形狀。現在參照第7圖，描述了具有圓形形狀的定向背板。腕錶700中的定向背板705從三個不同方向接收輸入平面光束710~720。每個定向像素具有圓形形狀，例如，定向像素720，並且散射經過調節器，例如液晶顯示單元725，調節的定向光束。每個液晶顯示單元具有矩形的形狀，並且圓形定向背板705被設計成容納圓形定向像素的長方形的液晶顯示單元(或者亦可根據需求用於容納多邊形定向像素)。

第8圖顯示根據本發明之多視角三維腕錶產生三維時間影像的流程圖。多視角三維腕錶藉由上述之定向背板及由時鐘電路控制的光閘層以產生三維時間影像。首先，時鐘電路確定要顯示的時間(800)。來自複數個狹窄光譜帶光源的光以輸入平面光束的形式輸入至定向背板(805)。接著，時鐘電路根據要顯示的時間控制光閘層以調節在方向背板中的一組定向像素 (810)。最後，從定向背板中的定向像素散射之被調節過的定向光束產生三維時間影像(815)。

有利的是，多視角三維腕錶能夠產生三維時間影像，使得使用者觀看時間時彷彿其漂浮在空中。可以調節藉由定向像素所產生的定向光束，以在產生的時間影像中產生各種任何期望的效果。

如是知悉，所揭露的實施例的前述描述，提供以使熟悉此技藝之任何人士可應用本發明。各種對這些實施例的修改，對那些本領域的技術人員，將是顯而易見的，且本文所界定的一般原理可應用於其它實施例而不脫離本發明的精神或範圍。因此，本發明並非旨在被限定於本文所示的實施例，而是應被賦予與本文所揭示的原理和新穎特徵相一致的最廣範圍。

200‧‧‧腕錶

205‧‧‧定向背板

210‧‧‧輸入平面光束

215a~215d‧‧‧定向像素

220a~220d‧‧‧定向光束

225a‧‧‧溝槽

230‧‧‧光閘層

235‧‧‧隔離層

240‧‧‧時間影像

245‧‧‧時鐘電路

Claims (15)

1. 一種多視角三維腕錶，包括：一時鐘電路，用以確定時間；複數個光源，用以產生複數個輸入平面光束；一定向背板，具有複數個定向像素，以將該等輸入平面光束散射成複數個定向光束，每一定向光束具有一方向和一角分散，且該方向和該角分散由該等定向像素中的每一個定向像素的特性控制；以及一光閘層，用以接收來自該時鐘電路的該時間和調節該等定向光束以產生一三維時間影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多視角三維腕錶，進一步包括位在該定向背板上方的一隔離層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之多視角三維腕錶，其中該光閘層被定位於該隔離層的上方。
4. 如申請專利範圍第1項所述之多視角三維腕錶，其中該定向背板實質上為平面的。
5. 如申請專利範圍第1項所述之多視角三維腕錶，其中在該等定向像素中的每一個定向像素包括複數個圖案化光柵，該複數個圖案化光柵的每一個具有複數個實質上為平行的溝槽。
6. 如申請專利範圍第5項所述之多視角三維腕錶，其中該每一個定向像素的特性包括一光柵長度、一光柵寬度、一光柵座向、一光柵間距及一工作週期。
7. 如申請專利範圍第6項所述之多視角三維腕錶，其中該等定向像素中的該每一個定向像素的該光柵間距及該光柵座向控制被該每一個定向像素散射的一定向光束的方向。
8. 如申請專利範圍第6項所述之多視角三維腕錶，其中該等定向像素中的該每一個定向像素的該光柵長度及該光柵寬度控制被該每一個定向像素散射的一定向光束的角分散。
9. 如申請專利範圍第1項所述之多視角三維腕錶，其中該光閘層 包括複數個調節器。
10. 如申請專利範圍第1項所述之多視角三維腕錶，其中該定向背板包括由透明材料構成的一多邊形厚板。
11. 如申請專利範圍第1項所述之多視角三維腕錶，其中該定向背板包括由透明材料構成的一圓形厚板。
12. 如申請專利範圍第1項所述之多視角三維腕錶，其中該等定向像素包括複數個多邊形定向像素。
13. 如申請專利範圍第1項所述之多視角三維腕錶，其中該等定向像素包括複數個環形定向像素。
14. 一種在多視角三維腕錶中產生三維時間影像的方法，包括：確定在該腕錶中要顯示的時間；接收來自該腕錶中之複數個光源的複數個輸入平面光束；該腕錶中的一定向背板具有的複數個定向像素將該等輸入平面光束散射成複數個定向光束；根據該時間控制一光閘層以調節該等定向光束；以及從被調節過的該等定向光束產生該三維時間影像。
15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中每一定向光束具有一方向和一角分散，該方向和該角分散由在該定向背板中的該複數個定向像素中的每一個定向像素的特性控制。