TWI608254B - 影像顯示裝置 - Google Patents

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TWI608254B TW105117416A TW105117416A TWI608254B TW I608254 B TWI608254 B TW I608254B TW 105117416 A TW105117416 A TW 105117416A TW 105117416 A TW105117416 A TW 105117416A TW I608254 B TWI608254 B TW I608254B
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Description

影像顯示裝置
本揭露內容是有關於一種影像顯示裝置，且特別是有關於用以產生具有較佳景深範圍(improved depth range)之立體影像的一種影像顯示裝置。
近年來，高密度光場(high density light field)顯示器和/或多視角(super multi-view,SMV)顯示器已研發，用以在裸視型(naked-eye)立體顯示裝置中產生具有高景深範圍(wide depth range)之立體影像。另一方面，浮空影像顯示器(floating image display)已成為一種開發中之新技術，其用於在空中顯示影像，在未來對於人類互動顯示裝置而言為一前景看好之技術。
然而，目前已發展的浮空影像仍為二維影像，如何提供立體浮空影像對產業界已成為一重要任務。
本揭露內容係有關於一種影像顯示裝置，實施例中，光學元件位在觀察者與立體顯示模組的背光源之間，由此形成之一立體影像具有相對廣的景深範圍，且與影像顯示裝置分 離。如此一來，一立體浮空影像係形成，也因此實現一具備高景深範圍(full depth range)的人機互動之影像顯示裝置。
根據本揭露內容之一實施例，提出一種影像顯示裝置。影像顯示裝置包括一立體顯示模組及一光學元件，此光學元件設置於立體顯示裝置上方。此立體顯示模組包括一背光源及複數個像素，這些複數個像素設置於背光源上方。其中，這些像素提供複數個視角單元，且這些視角單元的至少其中之一包括複數個視角。背光源發出的複數個光線延伸集中於一虛擬焦點，且此背光源位在虛擬焦點及光學元件之間。
為了對本揭露內容之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，但非用以限制本揭露內容，並配合所附圖示，做詳細說明如下：
10‧‧‧影像顯示裝置
10a、20a、30a、40a‧‧‧上表面
100‧‧‧立體顯示模組
110、310‧‧‧背光源
120‧‧‧視差屏障
120h、420h‧‧‧開口
130‧‧‧透鏡陣列
200‧‧‧光學元件
210‧‧‧透明基板
220‧‧‧垂直鏡面牆
230、240‧‧‧凸透鏡層
300‧‧‧觀察者
400‧‧‧虛擬浮空基準面
420‧‧‧視差屏障層
500‧‧‧立體影像
P‧‧‧像素
Fv‧‧‧虛擬焦點
U1-Un‧‧‧視角單元
v1-vn‧‧‧視角
LB、LG、LR‧‧‧光線
VD、d1、d2、200d‧‧‧距離
Pv‧‧‧視角單元節距
Pb1‧‧‧前屏障節距
PL‧‧‧透鏡節距
Pb‧‧‧背光源節距
Pb2‧‧‧後屏障節距
第1圖係為根據本揭露內容一實施例之影像顯示裝置的示意圖。
第2A圖係為根據本揭露內容一實施例之光學元件的示意圖。
第2B圖係為根據本揭露內容另一實施例之光學元件的示意圖。
第3圖係為根據本揭露內容另一實施例之影像顯示裝置的示意圖。
第4圖係為根據本揭露內容又一實施例之影像顯示裝置的示意圖。
第5圖係為根據本揭露內容再一實施例之影像顯示裝置的示意圖。
根據本揭露內容之實施例，在影像顯示裝置(image display device)中，光學元件(optical component)位在觀察者與立體顯示模組(3D display module)的背光源(backlight source)之間，由此形成之立體影像(3D image)具有相對廣的景深範圍且與影像顯示裝置之上表面(top surface)完全分離。如此一來，一立體浮空影像係形成，也因此實現具備高景深範圍人機互動之影像顯示裝置。
下文特舉實施，並配合所附圖示，做詳細說明如下。所附圖示中相同或類似的符號代表相同或類似的元件。值得注意的是，所附圖示係簡化用以對本揭露內容實施例提供清楚描述，且下述僅為示範與說明，並非用以限定本揭露內容。本揭露內容所屬技術領域中具有通常知識者，可根據實際執行所需做各種更動與潤飾。
第1圖為根據本揭露內容一實施例之一種影像顯示裝置(image display device)的示意圖。如第1圖所示，影像顯示裝置10包括立體顯示模組(3D display module)100及光學元件(optical component)200，光學元件200設置於立體顯示模組100上方。立體顯示模組100包括背光源(backlight source)110及複數個像素(pixel)P，且這些像素P設置於背光源110上方。這些像素P提供複數個視角單元(view unit)U1-Un，且這些視角單元的至少 其中之一(舉例為U1)包括複數個視角(view)v1-vn。影像顯示裝置10具有一上表面10a，且此上表面10a面向觀察者300。如第1圖所示，背光源110發出的這些光線可延伸集中於一虛擬焦點(virtual focus point)Fv，且背光源110位在虛擬焦點Fv及光學元件200之間。
於此實施例中，如第1圖所示，立體顯示模組100包括一視差屏障(parallax barrier)120，視差屏障120設置於光學元件200與背光源110之間。於此實施例中，視差屏障120例如為一切換式液晶(switching LC)視差屏障。
如第1圖所示，視差屏障120具有複數個開口(opening)120h，且各個開口120h係以一前屏障節距(front barrier pitch)Pb1相隔開。並且，這些視角單元(view unit)U1-Un具有一視角單元節距Pv。舉例來說，這些視角單元的至少其中之一具有一視角單元節距Pv，換句話說，各個視角單元包括複數個視角(view)v1-vn，且兩相鄰的視角單元中的兩視角v1之間的距離定義為視角單元節距Pv。舉例來說，視角單元U1中的視角v1與相鄰於視角單元U1的視角單元(舉例為U2)中的視角v1之間的距離為視角單元節距Pv。實施例中，視角單元節距Pv小於前屏障節距Pb1。如第1圖所示，當滿足Pb1>Pv時，虛擬焦點Fv便位在立體顯示模組100的後側。
實施例中，如第1圖所示，虛擬焦點Fv至視差屏障120之間的最短距離定義為VD，視差屏障120至這些像素P之間的最短距離定義為d1。前屏障節距Pb1相對於視角單元節距Pv的比值係為VD/(VD-d1)。觀察者300至形成立體浮空影像500 之虛擬浮空基準面(virtual floating base plane)400之間的距離與虛擬焦點Fv至視差屏障120之間的距離實質上相等。
參照第1圖，本揭露內容之一些實施例中，背光源110例如為一普通背光，且立體顯示模組100的這些像素P係配置以產生多個視角，例如為32個視角或更多視角。立體顯示模組100之視差屏障120例如為一切換式液晶(LC)視差屏障，其可依照多視角(multi-view)設計將來自這些像素P的複數個光線(light ray)分開且導引至多個視角方向，由此獲得複數個高密度光線。根據本揭露內容之實施例，通過相鄰視角的這些光線的角度差為0.1到0.4度。舉例來說，同一視角單元中的視角v1及v2之間的角度差例如為0.1到0.4度。
如第1圖所示，穿過對應開口120h及經對應像素穿過對應視角點之各個光線LB、LG及LR的光軸(optical axis)在立體顯示模組100的後側延伸集中成虛擬焦點Fv。當光線LB、LG及LR沿著光軸穿過視差屏障120及光學元件200後進入觀察著眼睛時，這些視角v1-vn的配置反轉了兩次。舉例來說，一個視角單元中有n個視角，當這些光線穿過視差屏障120時，這些n個視角的排序v1、v2...vk-1、vk、vk+1...vn-1、vn反轉為此排序vn、vn-1...vk+1、vk、vk-1...v2、v1，接著當這些光線穿過虛擬浮空基準面400時，這些n個視角的排序反轉回此排序v1、v2...vk-1、vk、vk+1...vn-1、vn。依此方式，給右眼視角的這些光線導入至左眼，而給左眼視角的這些光線導入至右眼，此跟習知裸眼式立體設計不同，習知裸眼式立體設計為給右眼視角的這些光線導入至右眼、給左眼視角的這些光線導入至左眼。換句話說，這些像 素P提供的這些視角的排序與觀察者300看到的這些視角的排序相同，此跟習知裸眼式立體設計不同，習知裸眼式立體設計為觀察者看到的這些視角的排序與這些像素P提供的這些視角的排序相反。綜上所述，位在光學元件200之前且與光學元件200相距至少一第一距離處的視角的排序與像素P所提供的視角的排序相同，且此第一距離為光學元件200與背光源110之間的距離。
此外，如第1圖所示，根據本揭露內容之一些實施例，光學元件200位在上表面10a與立體顯示模組100的背光源110之間，由此形成之立體影像500具有相對廣的景深範圍，且與影像顯示裝置之上表面10a完全分離。因此，形成一立體浮空影像，也因此實現一具備高景深範圍人類互動之影像顯示裝置。
根據本揭露內容之一些實施例，光學元件200可包括交叉角鏡面陣列(crossed corner mirror array)、微稜鏡(micro prism)、微透鏡陣列(micro lens array)或雙面柱狀透鏡薄膜(double lenticular lens film)。
第2A圖為根據本揭露內容之實施例之一種光學元件200的示意圖。參照第2A圖，如第2A圖所示之實施例中的光學元件200為一種交叉角鏡面陣列。此交叉角鏡面陣列包括一透明基板(transparent substrate)210及複數個垂直鏡面牆(vertical mirror wall)220，這些垂直鏡面牆220設置於透明基板210上，且具有複數個交叉角約90度。透明基板210可為玻璃基板或塑料基板，且鏡面牆220可由鋁或銀等金屬材料所製成。
第2B圖為根據本揭露內容另一實施例之一種光學元件200的示意圖，參照第2B圖，如第2B圖所示之實施例之光 學元件200為具備一遠焦光學系統(afocal optical system)之雙面柱狀透鏡薄膜，此雙面柱狀透鏡薄膜包括兩個彼此相對設置之柱狀透鏡層(lenticular lens layer)230及240。也就是說，當定義兩柱狀透鏡層之間的距離為200d時，兩柱狀透鏡層230及240具有一焦距f，且此遠焦光學系統滿足以下條件：d=2f。
然而，本揭露內容之實施例中光學元件200的種類的選擇，可根據實際所需而做改變，而非限制於上述範例。
第3圖為根據本揭露內容之另一實施例之一種影像顯示裝置20的示意圖，本實施例中的元件與先前實施例中共用相同或類似符號之元件為相同或類似的元件，因而省略對其之描述。
實施例中，如第3圖所示，影像顯示裝置20具有一上表面20a，且此上表面20a面向觀察者(observer)300。且立體顯示模組100可包括一透鏡陣列(lens array)130，此透鏡陣列130設置於光學元件200與背光源110之間。一些實施例中，透鏡陣列130可為一柱狀透鏡陣列(圖式中未繪示)或一液晶(LC)漸變折射率(GRIN)透鏡陣列。
實施例中，透鏡陣列130包括複數個光學透鏡，各個光學透鏡以一透鏡節距PL相隔開，且視角單元的視角單元節距Pv小於透鏡節距PL。
舉例來說，如第3圖所示，透鏡陣列130是一液晶漸變折射率透鏡陣列，此液晶漸變折射率透鏡陣列形成複數個光學透鏡，且視角單元之視角單元節距Pv小於液晶漸變折射率透鏡陣列之透鏡節距PL。另一實施例中，透鏡陣列130可為一柱狀 透鏡陣列，此柱狀透鏡陣列包括複數個柱狀透鏡，且視角單元之視角單元節距Pv小於柱狀透鏡陣列之柱狀透鏡的透鏡節距PL。如第3圖所示，當滿足PL>Pv條件時，虛擬焦點Fv便位在立體顯示模組100的後側。
實施例中，如第3圖所示，透鏡陣列130至像素P之間的最短距離定義為d2，透鏡節距PL相對於視角單元節距Pv的比值係為VD/(VD-d2)。
第4圖為根據本揭露內容又一實施例之一種影像顯示裝置30的示意圖。本實施例中的元件與先前實施例中共用相同或類似符號之元件為相同或類似的元件，因而省略對其之描述。
如第4圖所示的實施例中，影像顯示裝置30具有一上表面30a，且此上表面30a面向觀察者300。此影像顯示裝置30不包括任何視差屏障或透鏡陣列位在上表面30a及背光源310之間。
本實施例中，如第4圖所示，立體顯示模組100之背光源310例如是一個可產生複數個線性光之背光源。舉例來說，此背光源包括複數個線性光源(linear light source)，這些線性光源以一背光源節距Pb彼此相隔開，且視角單元之視角單元節距Pv大於背光源節距Pb。如第4圖所示，當滿足Pb<Pv條件時，虛擬焦點Fv便位在立體顯示模組100的後側。另一實施例中，背光源可包括一導光元件，此導光元件具有斜條狀或至少一直條狀形式之白色墨水(white ink)或黑色墨水(black ink)，其用以形成具備背光源節距Pb之線形背光。
第5圖為根據本揭露內容再一實施例之一種影像顯示裝置40的示意圖，本實施例中的元件與先前實施例中共用相同或類似符號之元件為相同或類似的元件，因而省略對其之描述。
如圖5所示的實施例中，影像顯示裝置40具有一上表面40a，且此上表面40a面向觀察者300。此影像顯示裝置40不包括任何透鏡陣列位在上表面40a及背光源110之間。
實施例中，如第5圖所示，立體顯示裝置100包括一屏障層(barrier layer)420，此屏障層420設置於背光源110與像素P之間。屏障層420具有複數個開口420h用以使背光源110產生穿過開口420h的複數個光束(light beam)。
實施例中，相鄰的兩個開口420h以一後屏障節距(Rear barrier pitch)Pb2相隔開，且視角單元之視角單元節距Pv大於後屏障節距Pb2。如第5圖所示，當滿足Pv>Pb2條件時，虛擬焦點Fv便位在立體顯示模組100之後側。
本揭露內容的一些實施例中，視差屏障或柱狀透鏡陣列可設置於背光源110及立體浮空影像500所在之虛擬浮空基準面(virtual floating base plane)之間(未繪示)。
綜上所述，雖然本揭露內容已以較佳實施列揭露如上，然其非用以限定本揭露內容。本揭露內容所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧影像顯示裝置
10a‧‧‧上表面
100‧‧‧立體顯示模組
110‧‧‧背光源
120‧‧‧視差屏障
120h‧‧‧開口
200‧‧‧光學元件
300‧‧‧觀察者
400‧‧‧虛擬浮空基準面
500‧‧‧立體影像
P‧‧‧像素
Fv‧‧‧虛擬焦點
U1-Un‧‧‧視角單元
v1-vn‧‧‧視角
LB、LG、LR‧‧‧光線
VD、d1‧‧‧間距
Pv‧‧‧視角單元節距
Pb1‧‧‧前屏障節距

Claims (10)

  1. 一種影像顯示裝置(image display device)，包括：一立體顯示模組(3D display module)，包括：一背光源(backlight source)；及複數個像素(pixel)，設置於該背光源之上，其中該些像素提供複數個視角單元(view unit)，且該些視角單元之至少其中之一包括複數個視角；以及一光學元件(optical component)，包括一交叉角鏡面陣列(crossed corner mirror array)、一微稜鏡(micro prism)、一微透鏡陣列(micro lens array)或一雙面柱狀透鏡膜(double lenticular lens film)，且該光學元件設置於該立體顯示模組上方；其中該背光源發出的複數個光線延伸集中於一虛擬焦點(virtual focus point)，且該背光源位在該虛擬焦點及該光學元件之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示裝置，其中該立體顯示模組包括一視差屏障(parallax barrier)，該視差屏障設置於該光學元件與該背光源之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像顯示裝置，其中該視差屏障具有複數個開口(opening)，各該開口係以一前屏障節距(front barrier pitch)相隔開，且該些視角單元之至少其中之一具有一視角 單元節距(view unit pitch)，該視角單元節距小於該前屏障節距。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示裝置，其中該立體顯示模組包括一透鏡陣列，該透鏡陣列設置於該光學元件與該背光源之間，其中該透鏡陣列為一柱狀透鏡陣列或一液晶(LC)漸變折射率(GRIN)透鏡陣列。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之影像顯示裝置，其中該透鏡陣列包括複數個光學透鏡，各該光學透鏡係以一透鏡節距(lens pitch)相隔開，且該些視角單元具有一視角單元節距，該視角單元節距小於該透鏡節距。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示裝置，其中該背光源產生複數個線性光。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示裝置，其中該立體顯示裝置包括一屏障層，該屏障層設置於該背光源與該些像素之間，且該屏障層具有複數個開口，其中相鄰的兩個該開口係以一後屏障節距(rear barrier pitch)相隔開，且該些視角單元具有一視角單元節距，該視角單元節距大於該後屏障節距。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示裝置，其中通過相鄰的該些視角之該些光線之一角度差係為0.1~0.4度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示裝置，其中該立體顯示模組包括一視差屏障或一柱狀透鏡陣列， 其中該視差屏障或該柱狀透鏡陣列設置於該光學元件與該虛擬浮空基準面之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示裝置，其中位於該光學元件之前且與該光學元件相距至少一第一距離處之該些視角的一排序與該些像素所提供之該些視角的一排序係為相同，其中該第一距離係為該光學元件與該背光源之間的距離。
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