TWI608255B - 立體浮空影像顯示裝置 - Google Patents

Description

立體浮空影像顯示裝置

本發明係有關於一種顯示裝置；特別是關於一種利用兩眼視差方式搭配偏極化眼鏡以觀測不同視角所呈現之會聚實像，可讓使用者感知具有立體浮空影像效果之顯示系統架構。

科技的進步帶動影像輸出之各種創新應用與需求，促使顯示技術之發展，朝多元與多功能之方向進步。傳統之顯示技術僅作影像之單純輸出，發展之重點主要是在顯示裝置之體積縮小、顯像面積與尺寸之擴充、影像畫質之提升、或立體顯示之效果等等。在眾多顯示技術中，投影顯示一直扮演非常重要的角色，是其他類別顯示器，例如液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)、發光二極體(light emitting diode,LED)顯示器等，所無法取代。主要是因為其涵蓋大、中、小各類尺寸，較大尺寸者如電影劇院或戶外大型帷幕之投射，中型尺寸如一般會議場合、課程教室或家庭劇院等，小型尺寸則以如手機或相機等行動裝置搭載的微投影顯示器之影像投射。近年來由於各種智慧裝置之興起，影像顯示已經不僅單純做為顯像之用途了，逐漸發展成為人機互動介面裝置的一部份，最具代表的便是各種具備觸控輸入之顯示面版，在手機、個人電腦、儀器設備與銀行自動提款等裝置上皆普遍地被應用。該介面裝置包含實體之顯示器(通常為液晶顯示器) 結合觸控面板所組成，由於必須藉由手指實際碰觸觸控介面以達到輸入之功能，故這些裝置都有體積與空間上之要求，在某些需要隱密或不佔據空間與不影響視線之需求上，是受到限制的。因此，無實體空間之人機互動介面逐漸興起，藉由影像之投射，搭配手勢位置之感測，得到虛擬實境之效果，並實現無實體介面即可進行命令輸入之目的。最近，開始有利用投影方法投射出懸浮在空中之實像投影技術被創作出來，該實像投影產生之成像被稱為浮空影像(floating image)。日本Asukanet公司在美國專利US8702252B2中揭露可產生浮空影像的懸空影像板(aerial imaging plate,AI plate)11發明創作，進而推出隔空碰觸(air touch)系統。由於浮空影像不需任何投射屏幕或水簾等介質，透過光線之會聚，以實像呈現在空中；若再結合手勢擷取感測裝置，即可形成一組虛擬之浮空人機介面系統。該系統具備之特點是可以做為穿透式之輸出入介面，特別是應用於互動式或開放式之輸出入系統上。由於不需任何實體介面，是現今一般需要屏幕用以顯示影像，及碰觸屏幕以作訊息輸入之系統所無法達到的。此外，因其具備視角小之特點，僅有使用者可以觀看到，更有視覺上的隱密性，故在需具備使用者隱密性之應用上深具潛力。然而，該創作目前僅能產生二維式(2D)之平面實像投影，若欲實現三維式(3D)之立體實像顯示，多數研究仍採全像術(holography)之方法，但由於全像術原理與製作甚為複雜，並且成本昂貴，目前並無法普及於實際之產品應用上。

以幾何光學作光線會聚之浮空影像投影最大之困難在於成像系統之視場角限制，欲使觀測者能清楚觀看到整個投射影像，會聚光束必須涵蓋來自各視場角之光線，因此若以一般投影鏡頭來實現光束之實像 會聚，則該鏡頭必須具有非常大之孔徑，以收集足夠空間頻率的物體光束，浮空影像才有機會均勻與清晰地呈現。鑑於此，請參照「第1圖」，該圖為揭露於美國專利US8702252B2中可產生浮空影像的懸空影像板11，該懸空影像板11是由陣列分佈的微二面角反射器陣列(dihedral corner reflector array,DCRA)所組成，利用光線之多次反射可將物體光作實像會聚，其作用類似於一平面式集光鏡片，不需使用任何投影鏡頭即可將物體在鏡像對稱位置作實像會聚成像。由於該影像板為平面式，若使用之面積越大則可以會聚更大視場角之物體光，達到浮空影像具體呈現的目的。由於該創作主要是搭配如液晶顯示器之影像產生裝置來進行浮空顯示，故呈現之浮空影像亦為二維式之平面實像投影，尚無法得到具立體效果之三維式浮空影像。

立體顯示為近年來顯示技術發展之重點，可概分為需戴眼鏡的「眼鏡式立體顯示技術」，與不需戴眼鏡的「裸眼(autostereoscopic)式立體顯示技術」，其中眼鏡式立體顯示技術又以使用偏極化眼鏡(polarization glasses)之影像品質較為細緻與系架構最為簡單而普遍被使用，例如在中華民國發明專利I476447號中，請參照「第2圖」，提出利用麥可詹得(Mach-Zehnder)干涉儀之光路架構搭配兩片數位微反射鏡元件50以達到僅使用一組照明系統與投影鏡頭即可呈現立體顯示之效果，並實現系統體積小型化之特點。然而，綜觀此習知技術，雖可實現立體顯示，但仍需搭配投影屏幕以獲得立體顯示效果，尚無法實現具立體特性之三維式浮空影像。因此，本發明之主要目的即是提出創新之架構，以實現具立體效果之三維式浮空影像顯示裝置。

綜合前述之說明，本發明之主要目的便是建構在採用偏極化眼鏡之基礎上，提出一可產生立體效果之三維式浮空影像之可行架構。藉由改善習知需使用投影屏幕之立體顯示技術並搭配懸空影像板11的使用以實現該目的。本發明內容包含有產生不同視角影像之影像產生器與偏極化光源，透過較佳之分光與合光路徑，經由懸空影像板11之會聚以達到浮空實像投影之效果，並以三種不同設計架構予以實現。詳細之內容及技術，茲配合圖式說明如下：

10‧‧‧立體浮空影像顯示裝置

11‧‧‧懸空影像板

12‧‧‧物體

13‧‧‧會聚實像

14‧‧‧投影鏡頭

15‧‧‧偏極化片

15a‧‧‧垂直偏極化片

15b‧‧‧水平偏極化片

16‧‧‧偏極化保留銀幕

17‧‧‧影像產生器

24‧‧‧垂直偏極化光

25‧‧‧水平偏極化光

30‧‧‧偏極化分光鏡

30a‧‧‧偏極化分光鏡1

30b‧‧‧偏極化分光鏡2

50‧‧‧數位微反射鏡元件

50a‧‧‧數位微反射鏡元件1

50b‧‧‧數位微反射鏡元件2

51‧‧‧光源

52‧‧‧聚光鏡

53‧‧‧色輪

54‧‧‧準直鏡

55‧‧‧照明系統

56‧‧‧投影系統

第1圖係說明習知之懸空影像板光線會聚特性。

第2圖係說明習知需投影屏幕之立體投影顯示裝置系統架構。

第3圖係本發明之立體浮空影像顯示裝置第一具體實施例系統架構示意圖。

第4圖係本發明之第一具體實施例兩互為垂直之偏極化光束路徑說明。

第5圖係本發明之立體浮空影像顯示裝置第二具體實施例系統架構示意圖。

第6圖係本發明之立體浮空影像顯示裝置第三具體實施例系統架構示意圖。

請參考「第3圖」，其圖示本發明之第一創作。該創作建構於 中華民國發明專利I476447號之基礎上，為使投射之影像得以收集更廣的視場角光束以得到有效的浮空實像會聚，將原創作所採用的投影鏡頭14以懸空影像板11所替換，其運作機制說明如下：系統架構由兩部分所組成，分別為照明系統55與投影系統56。在照明系統55中，光源51經面型燈罩收集為平行光進入聚光鏡(condenser)52，並聚焦在色輪(color wheel)53上，依照影像色彩變化，將光束依序過濾為紅光、綠光或藍光三成分，再由準直鏡(collimator)54將光束匯集後均勻入射至投影系統56。在投影系統56中，當進入光機引擎的平行光束經由第一個偏極化分光鏡30a將光束分成反射的垂直偏極化分量24與穿透的水平偏極化分量25，再分別被兩個輸出左、右眼影像的數位微反射鏡元件50a與50b反射，使垂直偏極化分量24攜帶左眼影像，水平偏極化分量25攜帶右眼影像，接著藉由第二個偏極化分光鏡30b將垂直偏極化分量24與水平偏極化分量25作光束合併之動作，最後通過懸空影像板11使影像呈現浮空之會聚實像13。由於浮空影像包含有不同偏極化之左、右眼不同視角影像資訊，觀測者只要配戴極化穿透軸互為垂直之偏極化眼鏡即可觀測並感受到立體浮空影像之效果。為了能收集較廣視場角之入射光束，該懸空影像板11需與入射光束之光軸呈一特定之傾斜角，該角度可依實際設計而定，約在30度至60度之範圍內，但並不限定於此。

請參考「第4圖」，該圖更進一步針對兩眼所觀測的不同偏極化光束所行經之光學路徑作說明。在「第4a圖」中，垂直偏極化光24經數位微反射鏡元件50a反射後攜帶出對應於左眼視角所觀測之影像，最後為懸空影像板11投射成會聚實像13；在「第4b圖」中，水平偏極化光25經數位微反射鏡元件50b反射後攜帶出對應於右眼視角所觀測之影像，最後亦為懸空影 像板11投射成會聚實像13；兩左右眼之會聚實像13在空間中之相同位置呈現，因此可得到立體浮空影像之形成。

上述之實施例主要是搭配數位微反射鏡元件50之影像產生器方式，故需要照明系統55之配置以提供投射之光源，並將兩互為垂直的偏極化光路24、25會合，以單一懸空影像板11得到立體浮空影像。該實施例雖僅使用單一懸空影像板11，但系統組成元件較多且複雜，不適用於需考量體積大小之顯示裝置上(例如可攜式行動裝置)。鑑於此，本發明提出另一創作，請參考「第5圖」，該圖說明本發明之第二實施例，利用兩片具內部光源之影像產生器17(例如液晶顯示面板或有機發光顯示面板)，搭配兩片懸空影像板11，以三角形之幾何配置關係將兩分別產生左、右眼不同視角影像之影像產生器17所發出之光束，會聚至同一空間位置。兩影像產生器所發出之光束會各別先通過互為垂直之偏極化片(polarizer)15a、15b以得到互為垂直之偏極化光束24、25，各別為對應之懸空影像板11投射至同一空間位置以形成會聚實像13。根據分析，上述三角形之幾何配置關係以正三角形可得到最佳之成像效果，但並不限制為正三角形之關係，任何角度配置皆可得到本發明所揭露之立體浮空成像效果。

請參照「第6圖」，該圖說明本發明之第三實施例，進一步簡化系統架構。兩影像產生器所發出之光束先經由偏極化片15a、15b之作用而得到垂直與水平極化之光束24、25，藉由偏極化分光鏡30之篩選，分別被穿透與反射至同一光軸，並入射至單一懸空影像板11，最後在同一空間位置投射成會聚實像13而達成立體浮空影像之顯示作用。該架構之最重要特點僅需使用單一懸空影像板11即可達到本創作之目的。圖中懸空影像板11之置 放角度雖為45度，但並不受限於此，任何可得到立體浮空影像顯示作用之置放角度皆為本發明所揭露之技藝內容。

雖然本發明已以較佳之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧立體浮空影像顯示裝置

11‧‧‧懸空影像板

13‧‧‧會聚實像

15a‧‧‧垂直偏極化片

15b‧‧‧水平偏極化片

17‧‧‧影像產生器

24‧‧‧垂直偏極化光

25‧‧‧水平偏極化光

Claims (7)

1. 一種立體浮空影像顯示裝置，利用單一照明系統，依照光的偏極化特性，將兩互相垂直的偏極化光束，投射入兩各別具有左、右眼影像之數位微反射鏡元件，並經由單一懸空影像板，將兩影像光束投射至空間中同一位置並形成會聚實像，使用者可以不需投射螢幕，藉由偏極化眼鏡即可觀測到立體浮空影像顯示之效果，包含：一照明系統，用以提供無特定極化方向之投影光束；第一偏極化分光鏡，用以將照明系統所入射之光束分光成兩極化方向互為垂直之反射光束與穿透光束；第一數位微反射鏡元件，用以將被第一偏極化分光鏡反射後之偏極化光束再作反射，並使該光束經反射後將第一影像從第一數位微反射鏡元件上攜出；第二數位微反射鏡元件，用以將穿透第一偏極化分光鏡後之偏極化光束再作反射，並使該光束經反射後將第二影像從第二數位微反射鏡元件上攜出；第二偏極化分光鏡，用以將上述經第一數位微反射鏡元件反射後之偏極化光束反射，並使第二數位微反射鏡元件反射後之偏極化光束穿透，兩極化方向互為垂直之光束因此再作合併成同一傳播方向，並攜帶出兩不同之影像； 一懸空影像板，用以將上述經第二偏極化分光鏡合併後之兩不同影像光束投射至空間中同一位置，並形成會聚之實像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之立體浮空影像顯示裝置，該懸空影像板之置放位置與入射光束之光軸呈一特定之傾斜角，該角度約在30度至60度之範圍內。
3. 一種立體浮空影像顯示裝置，利用兩組具有內部光源之影像產生器發出具影像內容之光束，各別通過互為垂直之偏極化片以得到兩互為垂直之偏極化光束，兩光束再各別通過兩懸空影像板，並為該懸空影像板投射至空間中同一位置以形成會聚實像，使用者可以不需投射螢幕，藉由偏極化眼鏡即可觀測到立體浮空影像顯示之效果，包含：兩具有內部光源之影像產生器，用以提供無特定極化方向之具影像內容光束；兩穿透軸互為垂直之偏極化片；兩懸空影像板。
4. 如申請專利範圍第3項所述之立體浮空影像顯示裝置，該具有內部光源之影像產生器與懸空影像板間之相對置放角度在30度至60度之範圍內，以得到較佳之浮空影像效果。
5. 如申請專利範圍第3項所述之立體浮空影像顯示裝置，該兩懸空影像板間之相對置放角度在30度至60度之範圍內，以得到較佳之浮空影像效果。
6. 一種立體浮空影像顯示裝置，利用兩組具有內部光源之影像產生器發出具影像內容之光束，各別通過互為垂直之偏極化片以得到兩互為垂直之偏極化光束，兩光束再以一偏極化分光鏡作反射與穿透而合併至同一光軸，再入射至一懸空影像板，並為該懸空影像板投射至空間中同一位置以形成會聚實像，使用者可以不需投射螢幕，藉由偏極化眼鏡即可觀測到立體浮空影像顯示之效果，包含：兩具有內部光源之影像產生器，用以提供無特定極化方向之具影像內容光束；兩穿透軸互為垂直之偏極化片；一偏極化分光鏡，用以使一影像產生器之影像光束反射，並使另一影像產生器之影像光束穿透；一懸空影像板。
7. 如申請專利範圍第6項所述之立體浮空影像顯示裝置，該懸空影像板之置放角度與由偏極化分光鏡出射光束之光軸夾角在30度至60度之範圍內，以得到較佳之浮空影像效果。