TWI607242B

TWI607242B - 光學疊加方法與光學疊加結構

Info

Publication number: TWI607242B
Application number: TW105119488A
Authority: TW
Inventors: 梁伯嵩
Original assignee: 梁伯嵩
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-01
Also published as: TW201800798A; CN107526161A; CN107526161B

Description

光學疊加方法與光學疊加結構

本發明是關於一種光學疊加方法與光學疊加結構。

目前，在現有影像上疊加電腦所產生之虛擬物件影像或資訊影像乃屬常見之應用，例如擴增實境(AR，Augmented Reality)、汽車或飛機之抬頭顯示器(HUD，Head-Up Display)、AR眼鏡(例如Google Glass)、透明螢幕等等。既有之習知技術大致上可分為『影像疊加(image adding)』與『影像疊減(image subtracting)』兩種，其各有缺點。

上述『影像疊加』技術是指，在原始影像的光路徑(optical path)上，利用增加亮度的方式，疊加上虛擬影像。亦即，在該原始影像各個不同像素點位置，根據該虛擬影像之在該像素點的色彩值，疊加上相對應的色光，而使結果影像同時具有該原始影像與該虛擬影像之效果。

欲達到上述『影像疊加』的效果，常見方式有二。其方式一為將透明自發光型顯示面板設置在原始影像的光路徑上，並且使該透明自發光型顯示面板產生虛擬影像，以達到虛擬影像與原始影像疊加之效果。該透明自發光型顯示面板可為透明發光二極體顯示面板(LED)、透明有機發光二極體顯示面板(OLED)、透明主動矩陣有機發光二極體顯示面板(AMOLED)、透明高分子發光二極體顯示面板(PLED)等等，但不限於此。舉例而言，圖1是顯示使用『影像疊加』方式之習知光學疊加結構的示意圖。圖1所示之光學疊加結構是使用透明自發光型顯示面板1來產生發光影像(即，虛擬影像)，藉以在背景影像(外界景象)上疊加虛擬影像。圖1所示之光學疊加結構可應用於產品展示櫥窗。

其方式二則是利用投射式影像設備，將虛擬影像投射到位在原始影像之光路徑上的半透反射鏡上，以達到虛擬影像與原始影像疊加之效果。該投射式影像設備可為數位光處理投影機(DLP Projector，Digital Light Processing Projector)、液晶顯示投影機(LCD Projector)、反射式液晶平面顯示投影機(LCoS Projector，Liquid Crystal on Silicon Projector)等等，但不限於此。舉例而言，圖2是顯示使用『影像疊加』方式之另一習知光學疊加結構的示意圖。圖2所示之光學疊加結構是藉由投射式影像設備3與半透反射鏡5之間的光路徑設計來達成影像之疊加。圖2所示之光學疊加結構可應用於汽車或飛機之抬頭顯示器以及AR眼鏡。

然而，如圖3所示，圖1、2之光學疊加結構具有下列缺點：雖然可顯示較亮的影像，但深色影像的顯示效果不佳，具體來說，在疊加影像的深色區域會出現背景影像(外界景象)。以圖1-圖3為例，若疊加影像為人像的話，則會在深色頭髮處看到前方的外界景象而無法使外界景象被完全遮蔽，因此會使得人像呈現半透明而缺乏真實感。

上述『影像疊減』技術則是指，在原始影像的光路徑上，利用減少亮度的方式，產生虛擬影像。亦即，在該原始影像各個不同像素點位置，根據該虛擬影像之在該像素點的色彩值，遮蔽不需要的色光，而使結果影像同時具有該原始影像與該虛擬影像之效果。欲達到上述『影像疊減』的效果，其方式為將透明非自發光型顯示面板設置在原始影像的光路徑上，並且使該透明非自發光型顯示面板產生虛擬影像，以達到虛擬影像與原始影像疊加之效果。該透明非自發光型顯示面板可為透明液晶顯示面板(LCD)、透明扭曲向列液晶顯示面板(TN)、透明超扭曲向列液晶顯示面板(STN)、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板(a-Si TFT-LCD)、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板(LTPS)、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板(HTPS)、透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板(IGZO)等等，但不限於此。舉例來說，圖4是顯示使用『影像疊減』方式之習知光學疊加結構的示意圖。圖4所示之光學疊加結構是使用透明非自發光型顯示面板7來產生虛擬影像，藉以在背景影像(外界景象)上疊加虛擬影像。圖4所示之光學疊加結構可應用於產品展示櫥窗或數位窗簾。

然而，如圖5所示，圖4之光學疊加結構具有下列缺點：淺色影像的顯示效果不佳，具體來說，在疊加影像的亮色區域會出現背景影像(外界景象)。此外，若外界景象的背景光線不足，也會導致成像不佳。以圖4-圖5為例，若疊加影像為人像的話，則會在人像的臉孔處看到前方的外界景象而無法使外界景象被完全遮蔽，因此會使得人像呈現半透明而缺乏真實感。

鑑於上述問題，依據本發明之一實施例，提供一種光學疊加結構，其用以疊加一背景影像與一虛擬影像。該光學疊加結構包含：一第一顯示面板，呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像；以及一第二顯示面板，呈透明狀並且以影像疊加方式產生該虛擬影像。該第一顯示面板與該第二顯示面板是設置在同一光路徑上。當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該第一顯示面板上產生該遮蔽影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該第一顯示面板上未產生該遮蔽影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。

依據本發明之一實施例，提供一種光學疊加結構，其用以疊加一背景影像與一虛擬影像。該光學疊加結構包含：一顯示面板，呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像；一投射式影像設備，用以產生並投射該虛擬影像；以及一半透反射鏡，與該顯示面板設置在同一光路徑上，並且藉由使該虛擬影像之反射方向與該背景影像之入射方向為同向的方式，將該投射式影像設備所投射的該虛擬影像反射到該光路徑上。當該背景影像經由該光路徑入射到該顯示面板時，該顯示面板上產生該遮蔽影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該顯示面板上未產生該遮蔽影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該顯示面板而與該半透反射鏡所反射的該虛擬影像疊加。

依據本發明之一實施例，提供一種光學疊加結構，其用以疊加一背景影像與一虛擬影像。該光學疊加結構包含：一第一顯示面板，呈透明狀並且設置成局部產生發光影像；以及一第二顯示面板，呈透明狀並且以影像疊減方式產生該虛擬影像。該第一顯示面板與該第二顯示面板是設置在同一光路徑上。當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該第一顯示面板上產生該發光影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該第一顯示面板上未產生該發光影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。該發光影像所發出的光可用以對該虛擬影像提供補強背光。

依據本發明之一實施例，提供一種光學疊加結構，其用以疊加一背景影像與一虛擬影像。該光學疊加結構包含：一顯示面板，呈透明狀並且以影像疊減方式產生該虛擬影像；一投射式影像設備，設置成局部產生發光影像，並且投射該發光影像；以及一半透反射鏡，與該顯示面板設置在同一光路徑上，並且藉由使該發光影像之反射方向與該背景影像之入射方向為同向的方式，將該投射式影像設備所投射的該發光影像反射到該光路徑上。當該背景影像經由該光路徑入射並穿透該半透反射鏡時，由該半透反射鏡所反射的該發光影像能夠局部遮蔽該背景影像的光線，而未被該發光影像所遮蔽的該背景影像之光線能夠與該顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。該發光影像所發出的光可用以對該虛擬影像提供補強背光。

依據本發明之一實施例，提供一種光學疊加方法，其用以疊加一背景影像與一虛擬影像。該方法包含：將一第一顯示面板與一第二顯示面板設置在同一光路徑上，其中該第一顯示面板呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像，以及該第二顯示面板呈透明狀並且以影像疊加方式產生該虛擬影像。當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該第一顯示面板上產生該遮蔽影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該第一顯示面板上未產生該遮蔽影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。

依據本發明之一實施例，提供一種光學疊加方法，其用以疊加一背景影像與一虛擬影像。該方法包含：將一半透反射鏡與一顯示面板設置在同一光路徑上，其中該顯示面板呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像；藉由一投射式影像設備產生並投射該虛擬影像；透過該半透反射鏡，藉由使該虛擬影像之反射方向與該背景影像之入射方向為同向的方式，將該投射式影像設備所投射的該虛擬影像反射到該光路徑上；以及當該背景影像經由該光路徑入射到該顯示面板時，該顯示面板上產生該遮蔽影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該顯示面板上未產生該遮蔽影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該顯示面板而與該半透反射鏡所反射的該虛擬影像疊加。

依據本發明之一實施例，提供一種光學疊加方法，其用以疊加一背景影像與一虛擬影像。該方法包含：將一第一顯示面板與一第二顯示面板設置在同一光路徑上，其中該第一顯示面板呈透明狀並且設置成局部產生發光影像，以及該第二顯示面板呈透明狀並且以影像疊減方式產生該虛擬影像，當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該第一顯示面板上產生該發光影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該第一顯示面板上未產生該發光影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。該發光影像所發出的光可用以對該虛擬影像提供補強背光。

依據本發明之一實施例，提供一種光學疊加方法，其用以疊加一背景影像與一虛擬影像。該方法包含：將一半透反射鏡與一顯示面板設置在同一光路徑上，其中該顯示面板呈透明狀並且以影像疊減方式產生該虛擬影像；將一投射式影像設備設置成局部產生發光影像並且投射該發光影像；透過該半透反射鏡，藉由使該發光影像之反射方向與該背景影像之入射方向為同向的方式，將該投射式影像設備所投射的該發光影像反射到該光路徑上；以及當該背景影像經由該光路徑入射並穿透該半透反射鏡時，由該半透反射鏡所反射的該發光影像能夠局部遮蔽該背景影像的光線，而未被該發光影像所遮蔽的該背景影像之光線能夠與該顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。該發光影像所發出的光可用以對該虛擬影像提供補強背光。

本發明之其他實施樣態以及優點可從以下與用以例示本發明原理範例之隨附圖式相結合的詳細說明而更顯明白。此外，為了不對本發明造成不必要的混淆，在本說明書中將不再贅述為人所熟知的元件與原理。

圖6是顯示依照本發明之一實施例使用『影像疊加』方式之光學疊加結構的示意圖，該光學疊加結構用以疊加背景影像(外界景象)與虛擬影像。如圖6所示，該光學疊加結構可包含：第一顯示面板9，呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像；以及第二顯示面板11，呈透明狀並且以影像疊加方式產生虛擬影像。第一顯示面板9與第二顯示面板11是設置在同一光路徑13上。當背景影像經由光路徑13入射到第一顯示面板9時，第一顯示面板9上產生遮蔽影像的區域能夠遮蔽背景影像的光線，而第一顯示面板9上未產生遮蔽影像的區域(即，透明區域)能夠允許背景影像的光線穿透第一顯示面板9而與第二顯示面板11所產生的虛擬影像疊加。

又，如圖6所示，在一實施例中，第一顯示面板9可更設置成局部產生半遮蔽影像(即，半透明影像)。當背景影像經由光路徑13入射到第一顯示面板9時，半遮蔽影像能夠允許背景影像的一部分光線穿透第一顯示面板9而與第二顯示面板11所產生的虛擬影像疊加。

在本發明之實施例中，第一顯示面板9可為透明液晶顯示面板(LCD)、透明扭曲向列液晶顯示面板(TN)、透明超扭曲向列液晶顯示面板(STN)、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板(a-Si TFT-LCD)、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板(LTPS)、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板(HTPS)、透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板(IGZO)等等，但不限於此。

在本發明之實施例中，第二顯示面板11可為透明發光二極體顯示面板(LED)、透明有機發光二極體顯示面板(OLED)、透明主動矩陣有機發光二極體顯示面板(AMOLED)、透明高分子發光二極體顯示面板(PLED)等等，但不限於此。

於圖6所示之實施例中，在背景影像(外界景象)與第二顯示面板11之間設置具有局部遮蔽功能的第一顯示面板9，可對背景影像予以遮蔽或減弱光線，以使疊加影像的暗色區域不受背景影像之影響。以此方式，即可克服在圖1、3中於疊加影像的深色區域出現背景影像的問題，藉以增加疊加影像的真實感。

舉例而言，在圖6中，背景影像點a0的光線可穿透第一顯示面板9上未產生遮蔽影像的區域(即，透明區域)，故a1 = a0。然後，點a1的亮度再與第二顯示面板11上的點a2之虛擬影像疊加。因此，所見影像點a3的疊加顏色= a1 + a2 = a0 + a2。

背景影像點b0的光線會被第一顯示面板9上的遮蔽影像所遮蔽而無法穿透第一顯示面板9，故b1 = 0。第二顯示面板11上的點b2產生虛擬影像。所見影像點b3 = b1+b2 = b2，僅有點b2之虛擬影像的顏色，故不會被背景影像點b0的顏色所干擾。

背景影像點c0的一部分光線可穿透第一顯示面板9上的半遮蔽影像，其中僅有α比例之光線能穿透該半遮蔽影像。舉例來說，當α = 1/2時，則c1 = α × c0 = 1/2 × c0。然後，點c1的亮度再與第二顯示面板11上的點c2之虛擬影像疊加。因此，所見影像點c3的疊加顏色 = c1 + c2 = α × c0 + c2 = 1/2 × c0 + c2。

圖7與圖8是分別顯示圖6之光學疊加結構的其他使用範例。

在圖7所示之範例中，該半遮蔽影像可為具有顏色之半遮蔽影像。背景影像點c0的一部分光線可穿透第一顯示面板9上之具有顏色的半遮蔽影像，其中僅有α比例之光線能穿透該具有顏色的半遮蔽影像。該具有顏色的半遮蔽影像對RGB顏色之光線通過率可例如為(αRc1，αGc1，αBc1)。因此，c1(R，G，B) = (Rc0 × αRc1，Gc0 × αGc1，Bc0 × αBc1)。然後，點c1的亮度再與第二顯示面板11上之點c2的虛擬影像疊加。因此，所見影像點c3的疊加顏色 = (Rc0 × αRc1 + Rc2，Gc0 × αGc1 + Gc2，Bc0 × αBc1 + Bc2)。

在圖8所示之範例中，第一顯示面板9整體設置成僅產生該遮蔽影像(即，全遮蔽)，以使背景影像的光線完全無法穿透第一顯示面板9，其中，a3 = a2，b3 = b2，c3 = c2。圖8所示之範例是相當於將影像疊加於面板，如OLED螢幕，因此其光學疊加結構可作為螢幕使用。

圖9是顯示依照本發明之另一實施例使用『影像疊加』方式之光學疊加結構的示意圖，該光學疊加結構用以疊加背景影像(外界景象)與虛擬影像。如圖9所示，該光學疊加結構可包含：顯示面板15，呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像；投射式影像設備3，用以產生並投射虛擬影像；以及半透反射鏡5，與顯示面板15設置在同一光路徑13上，並且藉由使虛擬影像之反射方向與背景影像之入射方向為同向的方式，將投射式影像設備3所投射的虛擬影像反射到光路徑13上，其中，當背景影像經由光路徑13入射到顯示面板15時，顯示面板15上產生遮蔽影像的區域能夠遮蔽背景影像的光線，而顯示面板15上未產生遮蔽影像的區域能夠允許背景影像的光線穿透顯示面板15而與半透反射鏡5所反射的虛擬影像疊加。

又，如圖9所示，在一實施例中，顯示面板15可更設置成局部產生半遮蔽影像(即，半透明影像)。當背景影像經由光路徑13入射到顯示面板15時，半遮蔽影像能夠允許背景影像的一部分光線穿透顯示面板15而與半透反射鏡5所反射的虛擬影像疊加。

在本發明之實施例中，顯示面板15可為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板等等，但不限於此。

在本發明之實施例中，投射式影像設備3可為數位光處理投影機、液晶顯示投影機、反射式液晶平面顯示投影機等等，但不限於此。

於圖9所示之實施例中，在背景影像(外界景象)與半透反射鏡5之間設置具有局部遮蔽功能的顯示面板15，可對背景影像予以遮蔽或減弱光線，以使疊加影像的暗色區域不受背景影像之影響。以此方式，即可克服在圖2、3中於疊加影像的深色區域出現背景影像的問題，藉以增加疊加影像的真實感。

舉例而言，在圖9中，背景影像點a0的光線可穿透顯示面板15上未產生遮蔽影像的區域(即，透明區域)，故a1 = a0。然後，點a1的亮度再與半透反射鏡5上的點a2之虛擬影像疊加。點a2的顏色為點a2x所投射。例如，當投射式影像設備3的影像投射效率比例設為β時，a2 =β × a2x。所見影像點a3的疊加顏色 = a1 + a2 = a0 + β × a2x。

背景影像點b0的光線會被顯示面板15上的遮蔽影像所遮蔽而無法穿透顯示面板15，故b1 = 0。

點b2的顏色為點b2x所投射。當影像投射效率比例設為β時，b2 =β × b2x。所見影像點b3的疊加顏色 = b1 + b2 = β × b2x，僅有β × b2x 的顏色，故不會被背景影像點b0的顏色所干擾。

背景影像點c0的一部分光線可穿透顯示面板15上的半遮蔽影像，其中僅有α比例之光線能穿透該半遮蔽影像。舉例而言，當α = 1/2時，c1 = 1/2 × c0。然後，點c1的亮度再與半透反射鏡5上的點c2之虛擬影像疊加。點c2的顏色為點c2x所投射。當影像投射效率比例設為β時，c2 =β × c2x。

因此，所見影像點c3的疊加顏色 = c1 + c2 = α × c0 + β × c2x = 1/2 × c0 + β × c2x。

圖10與圖11是分別顯示圖9之光學疊加結構的其他使用範例。

在圖10所示之範例中，該半遮蔽影像可為具有顏色之半遮蔽影像。背景影像點c0的一部分光線可穿透顯示面板15上之具有顏色的半遮蔽影像，其中僅有α比例之光線能穿透該具有顏色的半遮蔽影像。該具有顏色的半遮蔽影像對RGB顏色之光線通過率可例如為(αRc1，αGc1，αBc1)。因此，c1(R，G，B) = (Rc0 × αRc1，Gc0 × αGc1，Bc0 × αBc1)。然後，點c1的亮度再與半透反射鏡5上之點c2的虛擬影像疊加。點c2的顏色為點c2x所投射。當影像投射效率比例設為β時，c2 =β× c2x。因此，所見影像點c3的疊加顏色 = (Rc0 ×αRc1 +β× Rc2x，Gc0 ×αGc1+β× Gc2x，Bc0 × αBc1+β× Bc2x)。

在圖11所示之範例中，顯示面板15整體設置成僅產生該遮蔽影像(即，全遮蔽)，以使背景影像的光線完全無法穿透顯示面板15，其中，a3 = a2，b3 = b2，c3 = c2。圖11所示之範例是相當於將影像疊加於面板，如OLED螢幕，因此其光學疊加結構可作為螢幕使用。

圖12是顯示依照本發明之一實施例使用『影像疊減』方式之光學疊加結構的示意圖，該光學疊加結構用以疊加背景影像(外界景象)與虛擬影像。如圖12所示，該光學疊加結構可包含：第一顯示面板17，呈透明狀並且設置成局部產生發光影像；以及第二顯示面板19，呈透明狀並且以影像疊減方式產生虛擬影像。第一顯示面板17與第二顯示面板19是設置在同一光路徑13上。當背景影像經由光路徑13入射到第一顯示面板17時，第一顯示面板17上產生發光影像的區域能夠遮蔽背景影像的光線，而第一顯示面板17上未產生發光影像的區域能夠允許背景影像的光線穿透第一顯示面板17而與第二顯示面板19所產生的虛擬影像疊加。該發光影像所發出的光可用以對該虛擬影像提供補強背光。

在本發明之實施例中，第一顯示面板17可為透明發光二極體顯示面板、透明有機發光二極體顯示面板、透明主動矩陣有機發光二極體顯示面板、透明高分子發光二極體顯示面板等等，但不限於此。

在本發明之實施例中，第二顯示面板19可為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板等等，但不限於此。

於圖12所示之實施例中，在背景影像(外界景象)與第二顯示面板19之間設置具有局部發光功能的第一顯示面板17，可對第二顯示面板19所產生的虛擬影像予以補強背光，以使虛擬影像不受背景影像之影響。以此方式，即可克服在圖4、5中於疊加影像的亮色區域出現背景影像的問題，藉以增加疊加影像的真實感。

舉例來說，在圖12中，背景影像點a0的光線可穿透第一顯示面板17上未產生發光影像的區域(即，透明區域)，該區域為透明不發光，故a1 = a0。然後，點a1的亮度再與第二顯示面板19上的點a2之亮度疊加，在此範例中，點a2亦設為透明。因此，所見影像點a3的疊加顏色 = a2 = a1 = a0，以及(Ra3，Ga3，Ba3) = (Ra0，Ga0，Ba0)而呈現背景影像。

背景影像點b0的光線可被第一顯示面板17上的發光影像所遮蔽。在圖12所示之實施例中，該發光影像為白光影像，即該發光影像所發出的光為白光，因此點b1為白光點，假設其顏色值為(0…1)，則(Rb1，Gb1，Bb1) = (1，1，1)。第二顯示面板19上的點b2產生虛擬影像，點b2對RGB顏色之光線通過率為(αRb2，αGb2，αBb2)。

所見影像點b3的疊加顏色 = (Rb1 × αRb2，Gb1 × αGb2，Bb1 × αBb2) = (αRb2，αGb2，αBb2)，因此不會被背景影像點b0的顏色所干擾。

背景影像點c0的光線可穿透第一顯示面板17上未產生發光影像的區域(即，透明區域)，該區域為透明不發光，故c1 = c0。

第二顯示面板19上的點c2產生虛擬影像，點c2對RGB顏色之光線通過率為(αRc2，αGc2，αBc2)。

因此，所見影像點c3的疊加顏色 = (Rc1 × αRc2，Gc1 ×αGc2，Bc1 ×αBc2)。相較於所見影像點b3，由於第一顯示面板17上的點c1未產生發光影像，所以點c3的疊加顏色會同時受到點c0與點c2之顏色光線的干擾。

圖13與圖14是分別顯示圖12之光學疊加結構的其他使用範例。

在圖13所示之範例中，該發光影像所發出的光可為其他顏色的光。

舉例來說，在圖13中，背景影像點a0的光線可穿透第一顯示面板17上未產生發光影像的區域(即，透明區域)，該區域為透明不發光，故a1 = a0。然後，點a1的亮度再與第二顯示面板19上的點a2之亮度疊加，在此範例中，點a2亦設為透明。因此，所見影像點a3的疊加顏色 = a2 = a1 = a0，以及(Ra3，Ga3，Ba3) = (Ra0，Ga0，Ba0)而呈現背景影像。

背景影像點b0的光線可被第一顯示面板17上的發光影像所遮蔽。在圖12所示之實施例中，假設位於發光影像區域之點b1的顏色值為(Rb1，Gb1，Bb1)。第二顯示面板19上的點b2產生虛擬影像，點b2對RGB顏色之光線通過率為(αRb2，αGb2，αBb2)。

所見影像點b3的疊加顏色 = (Rb1 × αRb2，Gb1 × αGb2，Bb1 × αBb2)，因此不會被背景影像點b0的顏色所干擾。

因此，所見影像點c3的疊加顏色 = (Rc1 × αRc2，Gc1 × αGc2，Bc1 × αBc2)。相較於所見影像點b3，由於第一顯示面板17上的點c1未產生發光影像，所以點c3的疊加顏色會同時受到點c0與點c2之顏色光線的干擾。

在圖14所示之範例中，第一顯示面板17整體設置成僅產生該發光影像(即，全發光)，以使該發光影像完全遮蔽背景影像的光線。圖14所示之範例是相當於將影像疊減於面板，如LCD螢幕，因此其光學疊加結構可作為螢幕使用。

圖15是顯示依照本發明之另一實施例使用『影像疊減』方式之光學疊加結構的示意圖，該光學疊加結構用以疊加背景影像(外界景象)與虛擬影像。如圖15所示，該光學疊加結構可包含：顯示面板21，呈透明狀並且以影像疊減方式產生虛擬影像；投射式影像設備3，設置成局部產生發光影像，並且投射發光影像；以及半透反射鏡5，與顯示面板21設置在同一光路徑13上，並且藉由使發光影像之反射方向與背景影像之入射方向為同向的方式，將投射式影像設備3所投射的發光影像反射到光路徑13上。當背景影像經由光路徑13入射並穿透半透反射鏡5時，由半透反射鏡5所反射的發光影像能夠局部遮蔽背景影像的光線，而未被發光影像所遮蔽的背景影像之光線能夠與顯示面板21所產生的虛擬影像疊加。該發光影像所發出的光可用以對該虛擬影像提供補強背光。

在本發明之實施例中，顯示面板21可為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板等等，但不限於此。

於圖15所示之實施例中，在背景影像(外界景象)與顯示面板21之間設置有用以將投射式影像設備3所投射之發光影像反射到光路徑13上的半透反射鏡5。由半透反射鏡5所反射的發光影像可對顯示面板21所產生的虛擬影像予以補強背光，以使虛擬影像不受背景影像之影響。以此方式，即可克服在圖4、5中於疊加影像的亮色區域出現背景影像的問題，藉以增加疊加影像的真實感。

舉例而言，在圖15中，背景影像點a0的光線可穿透半透反射鏡5，而點a1的顏色為點a1x所投射，假設點a1x不發光，故a1 = a0。然後，點a1的亮度再與顯示面板21上的點a2之亮度疊加，在此範例中，點a2亦設為透明。因此，所見影像點a3的疊加顏色 = a2 = a1 = a0，以及(Ra3，Ga3，Ba3) = (Ra0，Ga0，Ba0)而呈現背景影像。

背景影像點b0的光線可被半透反射鏡5所反射的發光影像所遮蔽。在圖15所示之實施例中，點b1的顏色為點b1x所投射，假設點b1所反射的發光影像為白光影像，即點b1為白光點，其顏色值為(0…1)，則(Rb1，Gb1，Bb1) = (1，1，1)。顯示面板21上的點b2產生虛擬影像，點b2對RGB顏色之光線通過率為(αRb2，αGb2，αBb2)。

背景影像點c0的光線可穿透半透反射鏡5，而點c1的顏色為點c1x所投射，假設點c1x不發光，故c1 = c0。

顯示面板21上的點c2產生虛擬影像，點c2對RGB顏色之光線通過率為(αRc2，αGc2，αBc2)。

因此，所見影像點c3的疊加顏色 = (Rc1 × αRc2，Gc1 × αGc2，Bc1 ×αBc2)。相較於所見影像點b3，由於半透反射鏡5上的點c1未反射發光影像，所以點c3的疊加顏色會同時受到點c0與點c2之顏色光線的干擾。

圖16與圖17是分別顯示圖15之光學疊加結構的其他使用範例。

在圖16所示之範例中，該發光影像所發出的光可為其他顏色的光。

舉例來說，在圖16中，背景影像點a0的光線可穿透半透反射鏡5，而點a1的顏色為點a1x所投射，假設點a1x不發光，故a1 = a0。然後，點a1的亮度再與顯示面板21上的點a2之亮度疊加，在此範例中，點a2亦設為透明。因此，所見影像點a3的疊加顏色 = a2 = a1 = a0，以及(Ra3，Ga3，Ba3) = (Ra0，Ga0，Ba0)而呈現背景影像。

背景影像點b0的光線可被半透反射鏡5所反射的發光影像所遮蔽。在圖16所示之實施例中，點b1的顏色為點b1x所投射，假設其光顏色值為(Rb1x，Gb1x，Bb1x)，b1 = b1x。顯示面板21上的點b2產生虛擬影像，點b2對RGB顏色之光線通過率為(αRb2，αGb2，αBb2)。

所見影像點b3的疊加顏色 = (Rb1x × αRb2，Gb1x × αGb2，Bb1x × αBb2)，故不會被背景影像點b0的顏色所干擾。

因此，所見影像點c3的疊加顏色 = (Rc1 × αRc2，Gc1 ×αGc2，Bc1 ×αBc2)。相較於所見影像點b3，由於半透反射鏡5上的點c1未反射發光影像，所以點c3的疊加顏色會同時受到點c0與點c2之顏色光線的干擾。

在圖17所示之範例中，投射式影像設備3整體設置成僅產生該發光影像(即，全發光)，以使該半透反射鏡所反射的該發光影像完全遮蔽該背景影像的光線。圖17所示之範例是相當於將影像疊減於面板，如LCD螢幕，因此其光學疊加結構可作為螢幕使用。

雖然本發明已參考較佳實施例及圖式詳加說明，但熟習本項技藝者可瞭解在不離開本發明之精神與範圍的情況下，可進行各種修改、變化以及等效替代，然而這些修改、變化以及等效替代仍落入本發明之申請專利範圍內。

1‧‧‧自發光型顯示面板

3‧‧‧投射式影像設備

5‧‧‧半透反射鏡

7‧‧‧透明非自發光型顯示面板

9‧‧‧第一顯示面板

11‧‧‧第二顯示面板

13‧‧‧光路徑

15‧‧‧顯示面板

17‧‧‧第一顯示面板

19‧‧‧第二顯示面板

21‧‧‧顯示面板

圖1是顯示使用『影像疊加』方式之習知光學疊加結構的示意圖。

圖2是顯示使用『影像疊加』方式之另一習知光學疊加結構的示意圖。

圖3是顯示圖1與圖2之習知光學疊加結構的缺點示意圖。

圖4是顯示使用『影像疊減』方式之習知光學疊加結構的示意圖。

圖5是顯示圖4之習知光學疊加結構的缺點示意圖。

圖6是顯示依照本發明之一實施例使用『影像疊加』方式之光學疊加結構的示意圖。

圖7與圖8是分別顯示圖6之光學疊加結構的其他使用範例。

圖9是顯示依照本發明之另一實施例使用『影像疊加』方式之光學疊加結構的示意圖。

圖10與圖11是分別顯示圖9之光學疊加結構的其他使用範例。

圖12是顯示依照本發明之一實施例使用『影像疊減』方式之光學疊加結構的示意圖。

圖13與圖14是分別顯示圖12之光學疊加結構的其他使用範例。

圖15是顯示依照本發明之另一實施例使用『影像疊減』方式之光學疊加結構的示意圖。

圖16與圖17是分別顯示圖15之光學疊加結構的其他使用範例。

9‧‧‧第一顯示面板

11‧‧‧第二顯示面板

13‧‧‧光路徑

Claims

一種光學疊加結構，用以疊加一背景影像與一虛擬影像，該光學疊加結構包含：一第一顯示面板，呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像；及一第二顯示面板，呈透明狀並且以影像疊加方式產生該虛擬影像，其中該第一顯示面板與該第二顯示面板是設置在同一光路徑上，其中，當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該第一顯示面板上產生該遮蔽影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該第一顯示面板上未產生該遮蔽影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。
如申請專利範圍第1項所述之光學疊加結構，其中，該第一顯示面板更設置成局部產生半遮蔽影像，當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該半遮蔽影像能夠允許該背景影像的一部分光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。
如申請專利範圍第1項所述之光學疊加結構，其中，該第一顯示面板整體設置成僅產生該遮蔽影像，以使該背景影像的光線完全無法穿透該第一顯示面板。
如申請專利範圍第2項所述之光學疊加結構，其中，該半遮蔽影像為具有顏色之半遮蔽影像。
如申請專利範圍第1項所述之光學疊加結構，其中，該第一顯示面板為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、或透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板。
如申請專利範圍第1項所述之光學疊加結構，其中，該第二顯示面板為透明發光二極體顯示面板、透明有機發光二極體顯示面板、透明主動矩陣有機發光二極體顯示面板、或透明高分子發光二極體顯示面板。
一種光學疊加結構，用以疊加一背景影像與一虛擬影像，該光學疊加結構包含：一顯示面板，呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像；一投射式影像設備，用以產生並投射該虛擬影像；及一半透反射鏡，與該顯示面板設置在同一光路徑上，並且藉由使該虛擬影像之反射方向與該背景影像之入射方向為同向的方式，將該投射式影像設備所投射的該虛擬影像反射到該光路徑上，其中，當該背景影像經由該光路徑入射到該顯示面板時，該顯示面板上產生該遮蔽影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該顯示面板上未產生該遮蔽影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該顯示面板而與該半透反射鏡所反射的該虛擬影像疊加。
如申請專利範圍第7項所述之光學疊加結構，其中，該顯示面板更設置成局部產生半遮蔽影像，當該背景影像經由該光路徑入射到該顯示面板時，該半遮蔽影像能夠允許該背景影像的一部分光線穿透該顯示面板而與該半透反射鏡所反射的該虛擬影像疊加。
如申請專利範圍第7項所述之光學疊加結構，其中，該顯示面板整體設置成僅產生該遮蔽影像，以使該背景影像的光線完全無法穿透該顯示面板。
如申請專利範圍第8項所述之光學疊加結構，其中，該半遮蔽影像為具有顏色之半遮蔽影像。
如申請專利範圍第7項所述之光學疊加結構，其中，該顯示面板為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、或透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板。
如申請專利範圍第7項所述之光學疊加結構，其中，該投射式影像設備為數位光處理投影機、液晶顯示投影機、或反射式液晶平面顯示投影機。
一種光學疊加結構，用以疊加一背景影像與一虛擬影像，該光學疊加結構包含：一第一顯示面板，呈透明狀並且設置成局部產生發光影像；及一第二顯示面板，呈透明狀並且以影像疊減方式產生該虛擬影像，其中該第一顯示面板與該第二顯示面板是設置在同一光路徑上，其中，當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該第一顯示面板上產生該發光影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該第一顯示面板上未產生該發光影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加，以及該發光影像所發出的光用以對該虛擬影像提供補強背光。
如申請專利範圍第13項所述之光學疊加結構，其中，該發光影像所發出的光為白光或其他顏色的光。
如申請專利範圍第13項所述之光學疊加結構，其中，該第一顯示面板整體設置成僅產生該發光影像，以使該發光影像完全遮蔽該背景影像的光線。
如申請專利範圍第13項所述之光學疊加結構，其中，該第一顯示面板為透明發光二極體顯示面板、透明有機發光二極體顯示面板、透明主動矩陣有機發光二極體顯示面板、或透明高分子發光二極體顯示面板。
如申請專利範圍第13項所述之光學疊加結構，其中，該第二顯示面板為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、或透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板。
一種光學疊加結構，用以疊加一背景影像與一虛擬影像，該光學疊加結構包含：一顯示面板，呈透明狀並且以影像疊減方式產生該虛擬影像；一投射式影像設備，設置成局部產生發光影像，並且投射該發光影像；及一半透反射鏡，與該顯示面板設置在同一光路徑上，並且藉由使該發光影像之反射方向與該背景影像之入射方向為同向的方式，將該投射式影像設備所投射的該發光影像反射到該光路徑上，其中，當該背景影像經由該光路徑入射並穿透該半透反射鏡時，由該半透反射鏡所反射的該發光影像能夠局部遮蔽該背景影像的光線，而未被該發光影像所遮蔽的該背景影像之光線能夠與該顯示面板所產生的該虛擬影像疊加，以及該發光影像所發出的光用以對該虛擬影像提供補強背光。
如申請專利範圍第18項所述之光學疊加結構，其中，該發光影像所發出的光為白光或其他顏色的光。
如申請專利範圍第18項所述之光學疊加結構，其中，該投射式影像設備整體設置成僅產生該發光影像，以使該半透反射鏡所反射的該發光影像完全遮蔽該背景影像的光線。
如申請專利範圍第18項所述之光學疊加結構，其中，該顯示面板為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、或透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板。
如申請專利範圍第18項所述之光學疊加結構，其中，該投射式影像設備為數位光處理投影機、液晶顯示投影機、或反射式液晶平面顯示投影機。
一種光學疊加方法，用以疊加一背景影像與一虛擬影像，該方法包含：將一第一顯示面板與一第二顯示面板設置在同一光路徑上，其中該第一顯示面板呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像，以及該第二顯示面板呈透明狀並且以影像疊加方式產生該虛擬影像，當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該第一顯示面板上產生該遮蔽影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該第一顯示面板上未產生該遮蔽影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。
如申請專利範圍第23項所述之光學疊加方法，其中，該第一顯示面板更設置成局部產生半遮蔽影像，當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該半遮蔽影像能夠允許該背景影像的一部分光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加。
如申請專利範圍第23項所述之光學疊加方法，其中，該第一顯示面板整體設置成僅產生該遮蔽影像，以使該背景影像的光線完全無法穿透該第一顯示面板。
如申請專利範圍第24項所述之光學疊加方法，其中，該半遮蔽影像為具有顏色之半遮蔽影像。
如申請專利範圍第23項所述之光學疊加方法，其中，該第一顯示面板為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、或透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板。
如申請專利範圍第23項所述之光學疊加方法，其中，該第二顯示面板為透明發光二極體顯示面板、透明有機發光二極體顯示面板、透明主動矩陣有機發光二極體顯示面板、或透明高分子發光二極體顯示面板。
一種光學疊加方法，用以疊加一背景影像與一虛擬影像，該方法包含：將一半透反射鏡與一顯示面板設置在同一光路徑上，其中該顯示面板呈透明狀並且設置成局部產生遮蔽影像；藉由一投射式影像設備產生並投射該虛擬影像；透過該半透反射鏡，藉由使該虛擬影像之反射方向與該背景影像之入射方向為同向的方式，將該投射式影像設備所投射的該虛擬影像反射到該光路徑上；及當該背景影像經由該光路徑入射到該顯示面板時，該顯示面板上產生該遮蔽影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該顯示面板上未產生該遮蔽影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該顯示面板而與該半透反射鏡所反射的該虛擬影像疊加。
如申請專利範圍第29項所述之光學疊加方法，其中，該顯示面板更設置成局部產生半遮蔽影像，當該背景影像經由該光路徑入射到該顯示面板時，該半遮蔽影像能夠允許該背景影像的一部分光線穿透該顯示面板而與該半透反射鏡所反射的該虛擬影像疊加。
如申請專利範圍第29項所述之光學疊加方法，其中，該顯示面板整體設置成僅產生該遮蔽影像，以使該背景影像的光線完全無法穿透該顯示面板。
如申請專利範圍第30項所述之光學疊加方法，其中，該半遮蔽影像為具有顏色之半遮蔽影像。
如申請專利範圍第29項所述之光學疊加方法，其中，該顯示面板為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、或透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板。
如申請專利範圍第29項所述之光學疊加方法，其中，該投射式影像設備為數位光處理投影機、液晶顯示投影機、或反射式液晶平面顯示投影機。
一種光學疊加方法，用以疊加一背景影像與一虛擬影像，該方法包含：將一第一顯示面板與一第二顯示面板設置在同一光路徑上，其中該第一顯示面板呈透明狀並且設置成局部產生發光影像，以及該第二顯示面板呈透明狀並且以影像疊減方式產生該虛擬影像，當該背景影像經由該光路徑入射到該第一顯示面板時，該第一顯示面板上產生該發光影像的區域能夠遮蔽該背景影像的光線，而該第一顯示面板上未產生該發光影像的區域能夠允許該背景影像的光線穿透該第一顯示面板而與該第二顯示面板所產生的該虛擬影像疊加，其中該發光影像所發出的光用以對該虛擬影像提供補強背光。
如申請專利範圍第35項所述之光學疊加方法，其中，該發光影像所發出的光為白光或其他顏色的光。
如申請專利範圍第35項所述之光學疊加方法，其中，該第一顯示面板整體設置成僅產生該發光影像，以使該發光影像完全遮蔽該背景影像的光線。
如申請專利範圍第35項所述之光學疊加方法，其中，該第一顯示面板為透明發光二極體顯示面板、透明有機發光二極體顯示面板、透明主動矩陣有機發光二極體顯示面板、或透明高分子發光二極體顯示面板。
如申請專利範圍第35項所述之光學疊加方法，其中，該第二顯示面板為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、或透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板。
一種光學疊加方法，用以疊加一背景影像與一虛擬影像，該方法包含：將一半透反射鏡與一顯示面板設置在同一光路徑上，其中該顯示面板呈透明狀並且以影像疊減方式產生該虛擬影像；將一投射式影像設備設置成局部產生發光影像並且投射該發光影像；透過該半透反射鏡，藉由使該發光影像之反射方向與該背景影像之入射方向為同向的方式，將該投射式影像設備所投射的該發光影像反射到該光路徑上；及當該背景影像經由該光路徑入射並穿透該半透反射鏡時，由該半透反射鏡所反射的該發光影像能夠局部遮蔽該背景影像的光線，而未被該發光影像所遮蔽的該背景影像之光線能夠與該顯示面板所產生的該虛擬影像疊加，其中該發光影像所發出的光用以對該虛擬影像提供補強背光。
如申請專利範圍第40項所述之光學疊加方法，其中，該發光影像所發出的光為白光或其他顏色的光。
如申請專利範圍第40項所述之光學疊加方法，其中，該投射式影像設備整體設置成僅產生該發光影像，以使該半透反射鏡所反射的該發光影像完全遮蔽該背景影像的光線。
如申請專利範圍第40項所述之光學疊加方法，其中，該顯示面板為透明液晶顯示面板、透明扭曲向列液晶顯示面板、透明超扭曲向列液晶顯示面板、透明非晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明低溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、透明高溫多晶矽薄膜電晶體顯示面板、或透明氧化銦鎵鋅薄膜電晶體顯示面板。
如申請專利範圍第40項所述之光學疊加方法，其中，該投射式影像設備為數位光處理投影機、液晶顯示投影機、或反射式液晶平面顯示投影機。