TWI638212B - 利用位移的多光束繞射格柵顯現角度子像素的多視角顯示器及方法 - Google Patents

利用位移的多光束繞射格柵顯現角度子像素的多視角顯示器及方法 Download PDF

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Abstract

本發明的多視角顯示器係一背光板，以及用來形成複數個多視角像素的一螢幕。每一個多視角像素係包括複數個光閥組。背光板包括光學性地耦接於平板導光體的一光源，且平板導光體具有複數個多光束繞射格柵。每一個多光束繞射格柵係對應於一光閥組，並且相對於光閥組的中心朝向多視角像素的中心在空間上偏移。該些多光束繞射格柵也用於以不同的繞射角度以及角度偏移將光從平板導光體中繞射耦合出來，使得至少一部分的耦合出光交錯並且往多視角顯示器的不同觀看方向傳導。

Description

利用位移的多光束繞射格柵顯現角度子像素的多視角顯示器及方法
本發明係關於一種顯示器，特別是指一種利用位移的多光束繞射格柵顯現角度子像素的多視角顯示器及方法。
對於種類廣泛的裝置及產品的使用者而言，電子顯示器是一個幾乎無處不在的媒體，用於傳導資訊給使用者。其中最常見的電子顯示器是陰極射線管(cathode ray tube, CRT)、電漿顯示面板(plasma display panels, PDP)、液晶顯示器(liquid crystal displays, LCD)、電致發光顯示器(electroluminescent displays, EL)、有機發光二極體(organic light emitting diode, OLED)和主動式矩陣有機發光二極體(active matrix OLEDs, AMOLED)顯示器、電泳顯示器(electrophoretic displays, EP)，以及各種採用機電或電流體光調變(例如，數位微鏡裝置、電潤濕顯示器等等)的顯示器。在一般情況下，電子顯示器可以分為主動顯示器(即，會發光的顯示器)或被動顯示器(即，調變由另一個光源提供的光的顯示器)的其中一者。在主動顯示器的分類中，最明顯的例子是CRTs、PDPs及OLEDs/AMOLEDs。另一方面，在上述以發射光進行分類的情況下，LCDs及EP顯示器一般是被歸類在被動顯示器的分類中。被動顯示器雖然經常表現出包括但不限於如固有的低功率消耗等具有吸引力的性能特徵，但由於其缺乏發光的能力，在許多實際應用中被動顯示器可能有使用上的限制。
為了克服被動顯示器與發射光相關聯的使用限制，許多被動顯示器係與一外部光源耦合。耦合光源可使這些被動顯示器發光，並使這些被動顯示器基本上發揮主動顯示器的功能。背光板即為這種耦合光源的例子之一。背光板是放在被動顯示器後面以照亮被動顯示器的光源(通常是面板光源)。舉例來說，背光板可以與LCD或EP顯示器耦合。背光板會發出可以穿過LCD或EP顯示器的光。發出的光會由LCD或EP顯示器調節，且經調節後的光會隨後依序地由LCD或EP顯示器射出。通常背光板係配置為用以發出白色光。濾色器接著會將白光轉化成顯示器中使用的各種顏色的光。舉例來說，濾色器可以被設置在LCD或EP顯示器的輸出處(不太常見的配置)，或者可以被設置在背光板和LCD或EP顯示器之間。
根據與本發明所描述的原理一致的多個例子及多個實施例，本發明係提供了利用位移的多光束繞射格柵顯現角度子像素的多視角顯示器。如本說明書中所述，多視角顯示器是被配置為在不同的觀看方向上提供多視角影像的複數個不同視像的電子顯示器或顯示系統。更具體來說，「多視角影像」中使用的「多視角」一詞指的是代表不同立體視像的複數個或一定數量的不同視像，或者，在不同視像之間包括角度差距的複數個或一定數量的不同視像。此外，「多視角」的用詞包括了兩個以上的不同視像(即，至少三個視像並且通常為三個以上的視像)。據此，「多視角顯示器」與僅能提供或顯示代表景觀或影像的兩個不同視像的立體顯示器之間具有明顯區隔。然而，值得一提的是，雖然多視角影像以及多視角顯示器係包括兩個以上的視像，但可以透過一次僅選擇兩個多視角視像來進行觀看的方式(例如，一個眼睛一個視像)，將多視角影像作為一對立體影像來進行觀看(例如，在多視角顯示器上)。
根據本發明的各個實施例，多視角顯示器係包括具有複數個多視角像素的一螢幕。每一個多視角像素係包括複數個光閥組。此外，根據本發明的各個實施例，多視角顯示器係包括一背光板，該背光板包括光學性地耦接於一平板導光體的一光源，且該平板導光體具有複數個多光束繞射格柵。每一個多光束繞射格柵係對應於一組光閥。此外，每一個多光束繞射格柵係相對於各個對應的光閥組的中心朝向多視角像素的中心空間偏移。該些光閥組係對從對應的多光束繞射格柵繞射耦合出來的光進行調變。多光束繞射格柵的空間偏移係在從光閥組出現的調變光束中創造角度偏移。與各個多視角像素相關聯之從該些光閥組出現的調變光束彼此交錯，以在與螢幕之間具有一觀看距離的位置創造多視角影像。根據語本說明書中描述的原理的各個實施例，具有交錯的調變光束的多視角顯示器可以具有比多視角顯示器的「自然」解析度看起來更高的解析度，換言之，其解析度比沒有交錯光束之多視角顯示器的解析度更高。更具體來說，根據本發明的各個實施例，看起來比自然解析度更高的解析度，可以是與由多視角顯示器所提供的交錯調變光束相關聯的角度子像素顯現的結果。
圖1A顯示了由示例性的多視角顯示器100所產生的多視角影像的立體圖。如圖1A所示，多視角顯示器100可以同時顯示多個影像。每一個影像係從不同的觀看方向或視點提供了一景觀或物體的不同視像。在圖1A中，觀看方向係由從多視角顯示器100往各個不同的主要角度方向延伸的箭頭所表示。不同的視像在圖中是顯示為箭頭末端處的陰影多邊形面板。舉例來說，在圖1A中，四個多邊形面板102~105代表了對應的不同觀看方向106~109的多視角影像的四個不同視像。假設多視角顯示器100係用於顯示一物體的多視角影像，例如，三維字母‘R’，如下文中關於圖9A~圖9B的說明所述。當觀察者在方向106上觀看多視角顯示器時，觀察者會看到物體的視像102。然而，當觀察者從觀看方向109觀看多視角顯示器時，觀察者會看到相同物體的不同的視像105。值得一提的是，為了圖式的簡易性，不同視圖在圖1A中是顯示於多視角顯示器100上方。實際上，不同的視像係同時顯示在多視角顯示器100的螢幕上，使得觀察者可以藉由簡單地改變觀察者觀看多視角顯示器100的觀看方向而從不同的觀看方向觀看物體或景象。
多視角顯示器的觀看方向，或等同的多視角顯示器之具有對應於觀看方向的方向的光束，一般來說係具有由角度分量(α ,β )給出的主要角度方向。角度分量α 係被稱為光束的「仰角分量」或「仰角」。角度分量β 係被稱為光束的「方位角分量」或「方位角」。仰角α 是垂直平面上的角度(例如，垂直於多視角顯示器的螢幕的平面)，而方位角β 是水平平面上的角度(例如，平行於多視角顯示器的螢幕的平面)。
圖1B顯示了由多視角顯示器上的一點射出或發出的一光束110的角度分量(α ,β )的示意圖，其中，光束110具有對應於一觀看方向的特定主要角度方向，例如，圖1A中所示的觀看方向108。光束110具有與多視角顯示器100中的特定起始點“O”相關聯的中心光線。
圖2A顯示了示例性的多視角顯示器200的範例的立體圖。圖2B係沿著圖2A中的剖面線I-I顯示了多視角顯示器200的剖視圖。圖2C顯示了多視角顯示器的立體分解圖。如圖2A~圖2C所示，多視角顯示器200包括一背光板202以及一螢幕204，其中，螢幕204係包括一光閥陣列。光閥陣列中的光閥係由正方形所表示。舉例來說，正方形206代表一光閥。背光板202係包括一平板導光體208，以及光學性地耦接於平板導光體208的邊緣的一光源210。根據本發明的各個實施例，光源210產生的光係沿著與光源210相鄰之平板導光體208的邊緣被耦合進入平板導光體208中。
平板導光體208可以是平板或薄板的光波導，並且可以具有分別大致為平面且平行的第一表面212以及第二表面214。平板導光體208可以包括數種不同的光學透明材料中的任一種或包括各種的介電材料，該些材料包括一種以上的玻璃，例如，石英玻璃、鹼鋁矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃等等，以及實質上為光學透明的塑膠或聚合物，例如，聚甲基丙烯酸甲酯或「丙烯酸玻璃」、聚碳酸脂等等，但其並不受限於此。在某些範例中，平板導光體208可以進一步具有位在平板導光體208的一表面(未顯示於圖中)的至少一部分上的一披覆層，藉此進一步促進完全內部反射。
光源210可以包括一個以上的光發射器。光發射器可以是發光二極體、雷射、有機發光二極體、聚合物發光二極體、電漿式光發射器、日光燈、白熱燈以及任何其他種類的光。光源210產生的光可以具有特定的波長(即，可以是特定的顏色)，或者可以涵蓋或包括一定範圍的波長(例如，白光)。在某些實施例中，光源210可以包括複數個光發射器組，且每一組光發射器產生之光的特定波長或一定範圍的波長與其他組的光發射器所產生的波長或波長範圍不相同。舉例來說，光源210可以包括複數組的光發射器，且其中每一組發射器中的一個以上的光發射器係產生主要顏色(例如，紅色、綠色及藍色)的其中一種顏色。
如圖2A~圖2C所示，光閥陣列係係被虛線的正方形劃分為複數組的光閥。在圖2A~圖2C的範例中，每一組光閥包括了總共為十六個光閥之四比四的子陣列。舉例來說，光閥組216包括了由虛線正方形所劃分出來的四比四的光閥陣列。每一組光閥係對應於平板導光體208的一個多光束繞射格柵218。在圖2A~圖2C的範例中，多光束元繞射格柵218是由陰影的正方形補丁表示於平板導光體208的第一表面212上。
值得一提的是，雖然本說明書與圖示中係以包括四比四之子陣列的光閥(即，十六個光閥的子陣列)來描述與顯示多示角顯示器的範例以及實施例，如圖2A~圖2C所示，但用來形成光閥組的光閥的數量可以是N比N的光閥的子陣列，其中，N是大於或等於二的整數。光閥組也可以是N比M的四邊形的子陣列，其中，N是大於或等於二的整數，而M是大於或等於零的整數。
光閥組可以被分組，以形成多視角像素陣列的多視角像素。一個「多視角像素」是在多視角顯示器之相似的複數個不同視像中代表「視像」像素的複數個光閥組。更具體來說，一個多視角像素可以具有在多視角影像的各個不同視像中對應於或代表一視像像素的複數個光閥組。此外，因為每一個光閥組係與不同視像中的對應一者的預定觀看方向相關聯，多視角像素的該些光閥組又被稱為「定向像素」。再者，根據本發明的各個範例以及實施例，由多視角像素的該些光閥組所表示的不同視像像素在各個不同視像中可以具有等同或至少大致相似的位置或座標。舉例來說，圖2A與圖2C中顯示的螢幕204的二十四組光閥可以被分組並形成六個多視角像素的陣列，且每一個多視角像素係包括四組光閥的二比二陣列。在圖2C中，包括四組光閥的二比二陣列之多視角像素的範例是由虛線的正方形220圈出。在特定的實施例中，多視角像素陣列的多視角像素可以由九組光閥的三比三陣列、十六組光閥的四比四陣列即二十五組光閥的五比五陣列所形成，或者包含該些光閥的陣列。在其他的實施例中，多視角像素陣列的多視角像素可以由光閥組的長方形陣列所形成或包含該些光閥組的陣列。一般來說，多視角像素陣列的多視角像素可以由KxL光閥組的K比L陣列所形成或包含該些光閥組的陣列，其中，K是大於或等於二的整數，且L是大於或等於一的整數。
圖3顯示了多視角顯示器200的剖視圖，其中，光源210所提供的光302係被輸入或耦合進入平板導光體208。光302係相對於平板導光體208的第一表面212與第二表面214被以非零值傳導角度(例如，大約30~35度)耦合進入平板導光體208。多視角顯示器200可以包括一個以上的透鏡、鏡子或相似的反射器(例如，傾斜的準直反射器)，並且可以使用一個以上的稜鏡(未顯示於圖中)將光源210提供的光以非零值傳導角度耦合進入平板導光體208。光302可以作為準直光被輸入或耦合進入平板導光體208。
平板導光體208被配置為根據完全內部反射以非零值傳導角度在平板導光體208的第一表面212以及第二表面214之間引導光302。圖4顯示了可以在平板導光體208中傳導，並且入射於平板導光體208的一表面402(例如，表面402可以是第一表面212或第二表面214)上的同一點的兩個光束的軌跡。如圖中所示，表面402是平板導光體208與空氣404(或另一材料)之間的邊界，其中，空氣404的折射係數係小於平板導光體208的折射係束。虛線406代表了相對於表面402的正交方向，而q c 表示了相對於正交方向406的關鍵角度。入射角度是相對於正交方向406來測量。以大於關鍵角度q c 入射於表面402的光會體驗到完全內部反射。舉例來說，由方向箭頭408表示的光係以大於關鍵角度q c 的角度入射於表面402，光會在內部反射成由方向箭頭410表示的光。以小於關鍵角度q c 入射在表面402的光，如方向箭頭412所表示，會如方向箭頭414表示的被傳輸。
每一個多光束繞射格柵218包括用於繞射入射光的複數個繞射結構特徵。在某些範例中，該些繞射結構特徵可以是以週期性獲准週期性的方式設置。例如，多光束繞射格柵218可以包括複數個以一維陣列設置的繞射結構特徵(例如，在材料表面中的複數個凹槽或脊部)。在其他的範例中，多光束繞射格柵218可以是繞射結構特徵的二維陣列。多光束繞射格柵218可以是平板導光體208的材料表面上的突部或材料表面中的孔洞的二維陣列。可以利用許多不同的微製程技術來形成或製造多光束繞射格柵218，該些技術包括溼式蝕刻、離子銑削、微影製程、各向異性蝕刻以及電漿蝕刻，但其並不受限於此。
根據本發明的某些實施例，多光束繞射格柵218可以是啁啾式或不均勻的繞射格柵。啁啾式多光束繞射格柵的繞射結構特徵間隔係橫跨啁啾式多光束繞射格柵的範圍或長度而變化。在某些實施例中，啁啾式多光束繞射格柵可以具有隨著距離線性變化的繞射結構特徵間隔的啁啾。據此，根據本說明書中的定義，啁啾式多光束繞射格柵是「線性啁啾」的多光束繞射格柵。在其他的實施例中，啁啾式多光束繞射格柵可以具有隨著距離非線性變化的繞射結構特徵的啁啾。可以採用各種非線性的啁啾，包括指數啁啾、對數啁啾，或者隨之改變的啁啾、大致不平均，或者隨機但以單調的方式分布之啁啾，但啁啾的種類並不受限於此。可採用的非單調式的啁啾包括正弦啁啾、三角啁啾或鋸齒啁啾，但其並不受限於此。多光束繞射格柵218也可以是任何能夠以不同繞射角度將光繞射耦合出來之一種以上的線性及/或非線性啁啾格柵的組合。
入射在多光束繞射格柵218上的光係被繞射。當光從平板導光體208中入射在多光束繞射格柵218上時，多光束繞射格柵218藉由將光從平板導光體208中繞射耦合出來而提供傳輸繞射，因而被稱為「傳輸模式」多光束繞射格柵。多光束繞射格柵也透過繞射(即，以一繞射角度)重新定向或改變光的角度。具體來說，繞射效果會使多光束繞射格柵218耦合出的光往與入射在多光束繞射格柵的光(即，入射光)的傳導方向不同的傳導方向上傳導。由繞射造成的光的傳導方向的改變係被稱為「繞射地重新定向」。因此，多光束繞射格柵218可以是包括將入射在多光束繞射格柵218上的光繞射地重新定向的繞射結構特徵的結構，並且，如果在平板導光體208中傳導的光入射在多光束繞射格柵218上，多光束繞射格柵218也會將光繞射地耦合出平板導光體208。由多光束元件繞射地散射出平板導光體208的光的形式係由繞射結構特徵的結構與配置所決定。
圖5A~圖5B中顯示了平板導光體208的第一表面212中形成的啁啾傳輸模式多光束繞射格柵的範例的剖視圖。在圖5A中，多光束繞射格柵502的繞射結構特徵間隔，d ，係相對於x方向上的距離變化。在此範例中，當光在結構特徵間隔d 的增加的大方向504上傳導時，繞射耦合出光506係以發散的繞射角度(即，光506發散開來)從多光束繞射格柵502中出現。入射在多光束繞射格柵502上的光係通過多光束繞射格柵502繞射地傳輸或繞射耦合離開平板導光體208。
考量具有特定波長λ的光與多光束繞射格柵502互動的情況。當光從多光束繞射格柵502中出現時，光會由繞射結構特徵往不同的方向傳輸與散射，但因為光波是以不同的相位從多光束繞射格柵502中出現，該些光波會相長相消地彼此干擾，並且創造光波相長干擾的光束。舉例來說，當從相鄰的繞射結構特徵出現的光波之間的相位差為波長的一半時(即，λ/2)，光波會出現在相位外並且會經由相消干擾而被取消。另一方面，當從相鄰的繞射結構特徵出現的光波之間的相位差等同於波長λ時，光波會相長干擾並且創造具有最大強度的光束。從多光束繞射格柵502出現之具有最大強度的光在圖5A中是由方向箭頭506所表示，而從多光束元件502出現的各個光束相對於第一表面212的正交方向508之間的繞射角度可以根據下列的繞射公式計算：(1) 其中， m是繞射級數(即，m=…-2, -1, 0, 1, 2, )； n是平板導光體208的折射係數；q i 是光相對於正交方向508的入射角度；以及q m 是被從平板導光體208繞射耦合出的第m道光束相對於正交方向508的繞射角度。
在圖5B中，多光束繞射格柵510的繞射結構特徵間隔，d ，也同樣在x方向上變化。在此範例中，當入射於多光束繞射格柵510上的光在結構特徵間隔d 縮減的方向504上傳導時，繞射耦合出光512在收斂區域514中收斂，並且在收斂區域514外發散。
圖6A~圖6B中顯示了形成在平板導光體208的第二表面214中的啁啾反射模式多光束繞射格柵的範例的剖視圖。多光束繞射格柵602、604具有形成在平板導光體208的第二表面中的啁啾繞射格柵圖案，並且具有對應的反射材料606，例如，沉積在多光束繞射格柵602、604的溝槽與凹部中的銀或鋁，但反射材料並不受限於此。在圖6A中，多光束繞射格柵602的繞射結構特徵間隔，d ，在x方向上變化。在此範例中，當光在結構特徵間隔d 增加的方向610上傳導時，繞射光614會具有發散的繞射角度，且反射材料606會將繞射光612朝向第一表面212反射。由於平板光體208以及周遭空氣之間的折射係數的差異，沿著第一表面212從平板導光體208出現的光614會受到折射。繞射結構特徵(例如，繞射結構特徵間隔d )可以經過配置而負責進行折射。在圖6B中，多光束繞射格柵604的繞射結構特徵間隔d ，也在x方向上變化。在此範例中，當光在結構特徵間隔d 縮減的方向610上傳導時，會創造出繞射光616且反射材料608會將光616朝向第一表面212反射。沿著第一表面212從平板導光體208出現的光618會受到折射並在一收斂區域620收斂，並且在收斂區域620外發散。
如上文中針對圖2C的說明所述，多視角像素的陣列可以由光閥組的陣列所形成。根據本發明的各個實施例，與多視角像素的各個光閥組相關聯的多光束繞射格柵可以朝向多視角像素的中心在空間上偏移。
圖7顯示了一多視角顯示器700的示例性的十六個光閥組以及對應的多光束繞射格柵。如圖所示，多視角顯示器700中的每一個光閥組係包括由虛線的正方形所劃標出來的光閥的四比四陣列。舉例來說，光閥組702係包括光閥的四比四陣列。在圖7中，示例性的十六個光閥組係被分組而形成四個多視角像素，且每一個多視角像素係包括四個光閥組的二比二陣列。舉例來說，四個光閥組702~705係被分組而形成一多視角像素706。圖7係包括由四個光閥組702~705所形成的多視角像素706的放大圖。多視角像素706的放大圖展現了與對應的光閥組702~705相關聯的四個多光束繞射格柵708~711係朝向多視角像素706的中心712在空間上偏移。
在圖7所顯示的範例中，每一個多光束繞射格柵係在x方向以及y方向上以dx/p 的距離朝向多視角像素的中心在空間上偏移，其中，dx 是光閥的長度，而p 是大於一的數字。在其他的實施例中，繞射多光束元件從對應的光閥組的中心在空間上偏移的距離可以僅在x方向或在y方向上。空間偏移的距離可以是光閥的長度dx 的任何合適的分數。例如，空間偏移的距離可以是光閥長度的任何整數的分數，如dx/2 、dx/3 、dx/4 、dx/5 及dx/6 。多視角顯示器700的平面圖也顯示了對應於另外三個多視角像素716~718的四組光閥的四個多光束繞射格柵也朝向三個多視角像素716~718的中心在空間上偏移。每一個四比四的光閥組，例如光閥組702~705，會創造十六個不同的視像。因此，每一個多視角像素706、716~718會創造大約具有4 xdx 之解析度的六十四個視像。
根據本發明的某些實施例，每一個多光束繞射格柵218的尺寸係大於螢幕204的光閥的尺寸。舉例來說，尺寸可以是長度、寬度或面積。如圖7所示，每一個多光束繞射格柵的尺寸係大於光閥的尺寸。在圖7中，多光束繞射格柵的尺寸可以是多光束繞射格柵側邊的長度，S ，或者是多光束繞射格柵的面積，S xS 。另一方面，光閥的尺寸可以是光閥側邊的長度，dx ，或者是光閥的面積，dx xdx 。每一個多光束繞射格柵的長度S 或面積S xS 係大於每一個光閥的長度dx 或面積dx xdx 。多光束繞射格柵的尺寸可以是光閥尺寸的數倍。舉例來說，在圖7中，多光束繞射格柵的長度S 大約是2dx (即，S= 2dx )。一般來說，多光束繞射格柵的長度S 可以由S=p xdx 給出，其中，p 是大於一的數字。
多光束繞射格柵相對於多視角像素的對應光閥組的空間偏移係為來自平板導光體的耦合出光提供角度偏移(或傾斜)。圖8A顯示了示例性的多視角像素800的平面圖，其包括了由虛線的正方形所標示出來的四組光閥802~805以及四組對應的多光束繞射格柵806~809。圖8B係沿著圖8A中的剖面線II-II顯示了多視角像素800的剖視圖。在圖8A中，多光束繞射格柵806~809包括啁啾繞射格柵，如上文中針對圖5~圖6的說明所述，啁啾繞射格柵係用於將光以不同的繞射角度從平板導光體208繞射耦合出來，並且由如方向箭頭812的方向箭頭所示朝向多光束像素800的中心810在空間上偏移。在圖8B中，平板導光體208中傳導的光302係入射於多光束繞射格柵807、808上，如方向箭頭816、817所表示。多光束繞射格柵807、808被配置為以不同的角度將光耦合出來，如上文中針對圖5~圖6的說明所述。方向箭頭818係代表來自多光束繞射格柵807的耦合光的路徑。光818係通過光閥組803的光閥。方向箭頭819代表從多光束繞射格柵808耦合出的光的路徑。光819係通過光閥組804的光閥。通過光閥組的光看起來是由分開的虛擬光源所產生的光，如虛擬光源820、821。多光束繞射格柵的空間偏移(或等同的虛擬光源的空間偏移)會創造相對於位在各個光閥組的中心之螢幕204的正交方向的角度偏移，dθ 。一般來說，角度偏移dθ 會大致均等地施加到與特定的光閥組相關聯的所有光束。舉例來說，在圖8B中，虛線822、823代表了分別於光閥組803、804的中心相對於螢幕204的正交方向。虛線代表了多光束繞射格柵804的中心的正交方向。光係以相對於正交方向824的繞射角度q m 被耦合出多光束繞射格柵807，並且具有相對於光閥組803的正交方向822的角度偏移dθ 。
如圖8所示，從多光束繞射格柵耦合出的光會通過對應的光閥組的光閥。從多視角像素的光閥組出現的調變光束係在螢幕204外的一定距離處交錯。可以對光閥組的光閥進行調變，以創造上文中針對圖1A的說明所述以及下文中針對圖9~圖12的說明所述的多視角影像的不同視像。
圖9~圖12顯示了利用多視角像素的光閥組投射多視角影像的不同視像的示意圖。圖9A顯示了作為三維物體的範例被投射在多視角影像的不同視像中的字母“R”。字母R係位於xy平面中，並且往z方向突出。標示為1~8的方向箭頭代表沿著位於xz平面中的曲線902的3D字母R的八個不同觀看方向。圖9B顯示了標示為1~8之3D字母“R”的一系列八個不同二維影像。每一個二維影像顯示了圖9A中所顯示的字母R的八個不同視像的其中之一。圖9B的影像1~8代表了觀察者的眼睛904在沿著取線902的對應觀看方向上看向3D字母R時，觀察者會看到的獨立視像。換言之，影像1~8係沿著曲線902形成二維字母R的多視角影像。舉例來說，圖9B的二維影像3顯示了圖9A的觀看方向3上的字母R的視像。該系列的影像1~8為連續的，或者對應於圖9A的觀看方向在空間上接繼設置。舉例來說，觀察者的注意力從圖9B的影像3改變到影像2或影像4，係等同於在圖9A中從觀看方向3改變到觀看方向2或觀看方向4。
圖9B中顯示的每一個二維影像係包括一組像素。每一個像素具有一強度，以及在影像中的對應位址或座標位置(例如，一個像素等於(x, y, 像素強度))。圖10顯示了對應於圖9B的影像1~8的區域911~918之示例性的八組像素1001~1008的放大圖。舉例來說，圖10的像素組1001是圖9B中的影像1的區域911中的像素的放大圖。在圖10中，像素組1001~1008在圖9B的對應影像1~8中具有相同的位址或座標位置。舉例來說，在像素組1001中標示為1a、1b以及1c的三個相鄰的像素與在像素組1005中標示為5a、5b及5c的三個相鄰的像素具有相同的座標(x, y)。為了方便說明，在圖10的範例中，像素的強度為二元的(即，黑色與白色)，並具有對應於圖9B的區域911~918中的字母R的邊緣的斜線標記的像素。在其他的實施例中，像素可以為彩色像素，例如紅色、綠色及藍色，且可以對強度調節以控制從每個像素中射出的光的量。
圖11顯示了上文中所述的多視角顯示器200的三個相鄰的多視角像素1101~1103的剖視圖，以及將二維影像的像素強度給多視角像素的光閥的指派。虛線1104、1105代表了多視角像素1101~1103之間的邊界。點線1106~1108代表了包括多視角像素1101~1103的光閥組之間的邊界。舉例來說，多視角像素1101係包括一個光閥組1109以及一個光閥組1110。圖11顯示了將圖10中顯示了三個相鄰的像素的像素強度給多視角像素1101~1103的光閥組的一行光閥的指派。如圖11所示，在影像1~8中具有相同座標的三個相鄰像素的像素係被指派給相同的多視角像素影像。舉例來說，在圖11中，像素1a、2a、3a、4a、5a、6a、7a及8a在圖10的影像1~8中具有相同的座標，並且係被指派給多視角像素1101。像素1b、2b、3b、4b、5b、6b、7b及8b在影像1~8中具有相同的座標，並且係被指派給多視角像素1102。像素1c、2c、3c、4c、5c、6c、7c及8c在影像1~8中具有相同的座標，並且係被指派給多視角像素1103。在連續影像中具有相同座標的像素強度係以交替的順序被指派給多視角像素的光閥組的光閥。方向箭頭，例如方向箭頭1112~1115，係代表被指派給多視角像素1102的像素強度被指派給兩個光閥組1109、1110的光閥的交替順序。舉例來說，方向箭頭1112代表影像1中的像素1b的像素強度對於光閥組1109中的第一像素的指派。方向箭頭1113代表了影像2(相鄰於影像1)中的像素2b的像素強度對於光閥組1110的第一像素的指派。方向箭頭1114代表了影像1中的像素3b的像素強度對於光閥組1109中的第二像素的指派。方向箭頭1115代表了影像2中的像素4b的像素強度對於光閥組1110中的第二像素的指派。可以藉由以大致符合像素強度的方式對光閥的強度進行調變，來將影像1~8中的像素的強度指派給光閥組中的光閥。舉例來說，光閥組1109、1110的光閥1116、1117係被調變為分別大致符合像素1b、6b的強度。
被耦合離開平板導光體的多光束元件的光係被傳導至對應的光閥組。通過光閥組的調變光閥傳輸的光會創造往遠離多視角顯示器200的螢幕204的方向傳導的調變光束。如上文中針對圖11的說明所述之由多視角像素的光閥組創造的特定調變光束會往遠離螢幕204的方向交錯，因而創造多視角影像中的影像的定向像素。
圖12係顯示從如圖11中的多視角像素1102的光閥組1109、1110的光閥散發出來的定向像素的示意圖。如上文中針對圖8A~圖8B的說明所述，多光束繞射格柵1201、1202係從對應的光閥組1109、1110中將光耦合出來。實線箭頭1204代表從上文中針對圖11的說明所描述的光閥組1109的光閥中以調變光束的形式出現的耦合出光。虛線箭頭1206代表了從上文中針對圖11的說明所述之光閥組1110的光閥中以調變光束的形式出現的耦合出光。如圖12所示，對應於像素2b、3b、4b、5b、6b及7b的定向像素係在觀看距離1208中交錯。對應於像素1b及8b的調變光束不會在觀看距離1208中與從光閥組1109、1110輸出的其他調變光束交錯。換言之，對應於系列影像1~8中的第一影像以及最後一個影像的像素的調變光束不會在觀看距離1208中與對應於系列影像2~7中的影像的像素的調變光束互相交錯。從光閥組1109、1110輸出的調變光束的交錯係將像素的順序重新排列，以使其大約於觀看距離1208中符合影像1~8的順序。隨著觀察者的眼睛1210在x方向上橫跨螢幕204移動，來自調變光束的光會以與該系列的影像1~8相同的順序進入觀察者的眼睛。當其他的多視角像素以相同的方式運作時，隨著觀察者的眼睛於觀看距離1208橫跨螢幕204移動時，觀察者會以連續的順序看到影像1~8，藉此重新創造如上文中針對圖1A的說明所述的多視角影像的體驗。
圖13顯示了顯示多視角影像的方法的流程圖。在方塊1301中，由光學性地耦接於平板導光體的光源產生的光會被光學性地耦合進入平板導光體中，如上文中參照圖2與圖3的說明所述。在方塊1302中，多視角影像的一系列二維影像的像素強度係被指派給多視角像素的複數個光閥組的光閥，如上文中針對圖10與圖11的說明所述。在方塊1303中，在平板導光體中傳導的光的一部分係被平板導光體的複數個多光束繞射格柵中耦合出來，如上文中針對圖6的說明所述。調變光束具有不同的角度以及角度偏移，藉以如上文中針對圖8及圖12的說明所述讓調變光束互相交錯。在方塊1304中，耦合出光係根據所指派的像素強度由多視角像素的該些光閥組的光閥調變，如上文中針對圖12的說明所述。交錯與調變的光束是對應於多視角影像的不同視像的定向像素。
應當理解的是，上文中所描述的實施例意在使本領域中具有通常知識者能夠製造或使用本發明。本領域中具有通常知識者能夠對這些實施例做出各種改良，且可以在不脫離本發明的範疇或精神的條件下將本發明中定義的通用原則應用到其他的實施例。因此，本發明不應受到本說明書中所描述的實施例的限制，且應符合與本發明所揭露的原則與創新特徵一致的最廣範疇。
1~8‧‧‧方向箭頭/觀看方向/影像
1a~1c‧‧‧像素
2a~2c‧‧‧像素
3a~3c‧‧‧像素
4a~4c‧‧‧像素
5a~5c‧‧‧像素
6a~6c‧‧‧像素
7a~7c‧‧‧像素
8a~8c‧‧‧像素
100‧‧‧多視角顯示器
102~105‧‧‧多邊形面板/視像
106~109‧‧‧方向/觀看方向
110‧‧‧光束
200‧‧‧多視角顯示器
202‧‧‧背光板
204‧‧‧螢幕
206‧‧‧正方形/光閥
208‧‧‧平板導光體
210‧‧‧光源
212‧‧‧第一表面
214‧‧‧第二表面
216‧‧‧光閥組
218‧‧‧多光束繞射格柵
302‧‧‧光
402‧‧‧表面
404‧‧‧空氣
406‧‧‧虛線/正交方向
408‧‧‧方向箭頭
410‧‧‧方向箭頭
412‧‧‧方向箭頭
414‧‧‧方向箭頭
502‧‧‧多光束繞射格柵
504‧‧‧大方向/方向
506‧‧‧繞射耦合出光/光/方向箭頭
508‧‧‧正交方向
510‧‧‧多光束繞射格柵
512‧‧‧繞射耦合出光
514‧‧‧收斂區域
602‧‧‧多光束繞射格柵
604‧‧‧多光束繞射格柵
606‧‧‧反射材料
610‧‧‧方向
614‧‧‧繞射光/光
616‧‧‧繞射光/光
618‧‧‧光
620‧‧‧收斂區域
700‧‧‧多視角顯示器
702‧‧‧光閥組
703‧‧‧光閥組
704‧‧‧光閥組
705‧‧‧光閥組
706‧‧‧多視角像素
708~711‧‧‧多光束繞射格柵
712‧‧‧中心
716~718‧‧‧多視角像素
800‧‧‧多視角像素
802~805‧‧‧光閥/光閥組
806~809‧‧‧多光束繞射格柵
810‧‧‧中心
812‧‧‧方向箭頭
816‧‧‧方向箭頭
817‧‧‧方向箭頭
818‧‧‧方向箭頭/光
819‧‧‧方向箭頭/光
820‧‧‧虛擬光源
821‧‧‧虛擬光源
822‧‧‧正交方向
823‧‧‧正交方向
824‧‧‧正交方向
902‧‧‧曲線
904‧‧‧眼睛
911~918‧‧‧區域
1001~1008‧‧‧像素/像素組
1101~1103‧‧‧多視角像素
1104‧‧‧虛線
1105‧‧‧虛線
1106‧‧‧點線
1107‧‧‧點線
1108‧‧‧點線
1109‧‧‧光閥組
1110‧‧‧光閥組
1112~1115‧‧‧方向箭頭
1116‧‧‧光閥
1117‧‧‧光閥
1201‧‧‧多光束繞射格柵
1202‧‧‧多光束繞射格柵
1204‧‧‧實線箭頭
1206‧‧‧虛線箭頭
1208‧‧‧觀看距離
1210‧‧‧眼睛
1301‧‧‧方塊
1302‧‧‧方塊
1303‧‧‧方塊
1304‧‧‧方塊
O‧‧‧起始點
S‧‧‧長度
d‧‧‧繞射結構特徵間隔/結構特徵間隔
dx/p‧‧‧距離
dx‧‧‧長度
α‧‧‧角度分量/仰角
β‧‧‧角度分量/方位角
q c ‧‧‧關鍵角度
q i ‧‧‧入射角度
q m ‧‧‧繞射角度
dθ‧‧‧角度偏移
λ‧‧‧波長
按照此說明書中所描述的原理之各種示例性特徵，在參考附圖並結合下面的詳細描述下可以被更容易地理解，其中，相似的標號表示相似的結構元件，且該些附圖包括： 圖1A顯示了由示例性的一多視角顯示器產生的一多視角影像的立體圖； 圖1B顯示了從多視角顯示器散發出來的光束的角分量的示意圖； 圖2A顯示了示例性的一多視角顯示器的立體圖； 圖2B係沿著剖面線I-I顯示了圖2A中所示的多視角顯示器的剖視圖； 圖2C顯示了圖2A中所示的多視角顯示器的立體分解圖； 圖3顯示了圖2B中所示的多視角顯示器的剖視圖，其中，光被耦合進入多視角顯示器的平板導光體； 圖4是完全內部反射的範例的示意圖； 圖5A~圖5B顯示了啁啾傳輸模式多光束繞射格柵的範例的剖視圖； 圖6A~圖6B顯示了啁啾反射模式多光束繞射格柵的範例的剖視圖； 圖7顯示了一多視角顯示器的光閥組以及對應的空間偏移的多光束繞射格柵的平面圖； 圖8A顯示了示例性的多視角像素的平面圖，其包括了四個光閥組以及對應的空間偏移的多光束繞射格柵； 圖8B係沿著剖面線II-II顯示在圖8A中的多視角像素的剖視圖； 圖9A顯示了作為三圍物體的範例的字母“R”； 圖9B顯示了圖9A所示的三維字母“R”的一系列二維影像； 圖10顯示了對應於圖9B中的八個不同二維影像中的區域的示例性像素組的放大圖； 圖11顯示了多視角顯示器的三個相鄰多視角像素的剖視圖； 圖12顯示了從多視角顯示器的多視角像素的光閥組的光閥散發出的定向像素；以及 圖13顯示了顯示多視角影像的方法的流程圖。
某些特定的例子可能會具有其他相較於上述圖式中的特徵而言相同、額外或者可以將之取代的特徵。在下文中將參照圖式針對這些特徵以及其他的特徵進行詳細說明。

Claims (13)

  1. 一種多視角顯示器，包括：一多視角像素，具有複數個光閥組；以及一平板導光體，具有複數個多光束繞射格柵，每一個多光束繞射格柵系對應於該多視角像素的不同的一光閥組，並且具有相對於該光閥組的中心朝向該多視角像素的中心的一空間偏移；其中，空間偏移的該等多光束繞射格柵係將具有不同繞射角度以及相對於對應的該等光閥組的中心具有一角度偏移的光從該平板導光體中繞射耦合出來，使得該等光閥組提供交錯的調變光束，藉此在該多視角顯示器的一觀看距離的位置產生一多視角影像的定向視像；其中，該等多光束繞射格柵包括形成在該平板導光體的一表面中的複數個啁啾式多光束繞射格柵。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的多視角顯示器，其中，該等啁啾式多光束繞射格柵包括線性啁啾多光束繞射格柵。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的多視角顯示器，其中，啁啾式多光束繞射格柵包括非線性啁啾多光束繞射格柵。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的多視角顯示器，其中，該多光束繞射格柵的尺寸係大於光閥的尺寸。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的多視角顯示器，其中，相對於該光閥組的中心的該空間偏移包括等同於一光閥的尺寸的分數的一距離。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的多視角顯示器，其中，該等多光束繞射格柵包括傳輸模式多光束繞射格柵。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的多視角顯示器，其中，該等多光束繞射格柵包括反射模式多光束繞射格柵。
  8. 一種多視角顯示器，包括：一螢幕，具有複數個多視角像素，每一個多視角像素具有複數個光閥組；以及一背光板，具有複數個多光束繞射格柵，每一個多光束繞射格柵係對應於一光閥組，並且具有相對於該光閥組的中心朝向一多視角像素的中心的一空間偏移；其中，空間偏移的該等多光束繞射格柵係將具有不同繞射角度以及角度偏移的光從該背光板中繞射耦合出來，使得該等光閥組產生交錯的調變光束，藉此在該多視角顯示器的一觀看距離產生一多視角影像的定向視像；其中，該等多光束繞射格柵係包括形成在一平板導光體的一表面的啁啾式多光束繞射格柵。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的多視角顯示器，其中，該背光板包括：一光源，耦接於該平板導光體的一邊緣，該光源係產生被耦合進入該平板導光體的光；其中，耦合進入的光的一部分係由該等多光束繞射格柵被耦合離開該平板導光體；其中，該平板導光體具有形成在該平板導光體的該表面的該等多光束繞射格柵。
  10. 根據申請專利範圍第8項所述的多視角顯示器，其中，相對於該光閥組的中心的該空間偏移係包括等同於一光閥的長度的分數的一距離。
  11. 一種顯示多視角影像的方法，包括以下步驟：將一光源產生的光光學性地耦合進入一平板導光體；將一多視角影像的一系列的二維影像的像素強度指派給該多視角像素的複數個光閥組的光閥；從該平板導光體的複數個多光束繞射格柵將光的一部分繞射耦合出來，每一個多光束繞射格柵係對應於一光閥組，並且具有相對於該光閥組的中心朝向一多視角像素的中心的一空間偏移；以及根據指派的像素強度利用該多視角像素的該等光閥組的複數個光閥調變部分的耦合出光，其中，從該等光閥出現的調變光束彼此交錯，以在與該等光閥組具有一觀看距離的位置產生該多視角影像的定向視像；其中，該等多光束繞射格柵係包括形成在該平板導光體的一表面的啁啾式多光束繞射格柵。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，指派該多視角影像的該系列的二維影像的像素強度的步驟包括：將具有對應的像素座標的二維影像的像素指派給該多視角像素；以及以交替的順序將在連續的二維影像中具有對應的像素座標的該等像素的像素強度指派給該多視角像素的該等光閥組的光閥。
  13. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該系列的二維影像中的各個二維影像是一個以上的三維物體或一三維景觀的不同視像。
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