TWI641871B - 立體影像顯示裝置 - Google Patents

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張凱傑
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Abstract

一種立體影像顯示裝置，包括一顯示器、一透鏡陣列層及一指向性結構。顯示器具有一顯示面及一圖像演算單元。透鏡陣列層設置於鄰近顯示器的顯示面處，透鏡陣列層包含多個透鏡。指向性結構設置於顯示器及透鏡陣列層之間，或設置於透鏡陣列層上，指向性結構使該顯示器產生的光線能指向性地照射，使顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像，由此能具有較佳的立體影像顯示效果。

Description

立體影像顯示裝置
本發明乃是關於一種立體影像顯示裝置，特別是指一種為顯示目的使用，主要領域為3D立體顯示，採用3D裸視技術，使用上較為簡易方便的立體影像顯示裝置。
現有的立體影像顯示裝置，一般主流採用雙眼融合影像的技術製成。一般裸視立體影像顯示裝置，皆讓觀賞者在正對顯示裝置的角度觀看，抑或影像深度不能遠離顯示平面太多。然而在考慮一些情境狀況的場合裡，例如航空地形模型、建築模型、醫療3D訓練等，顯示裝置為水平擺放的情況時，觀賞者自然的視角為斜向的觀看顯示裝置。此時一般主流的立體影像顯示技術無法提供對觀賞者自然的觀看角度，造成不便。再者，一般立體影像顯示裝置，在正面所觀看的3D感知，對觀賞者來說是只有一個方向的視覺刺激，就像是畫面突出或沉入，而無法達到真正讓影像脫離平面的感覺，實現漂浮於空中的感覺。再者，現有的立體影像顯示裝置，大多具有品質不佳的問題，難以達到較佳立體影像顯示效果。
綜上所述，本發明人有感上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合學理的應用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本發明。
本發明所要解決的技術問題，在於提供一種立體影像顯示裝置，提供漂浮顯示的效果，能讓觀賞者在正向、斜向的角度觀看立體影像，且能改善品質，使顯示器上來的光線可以準直，以消除其他階的光線，以具有較佳的立體影像顯示效果。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器具有一顯示面及一圖像演算單元；一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡；以及一指向性結構，該指向性結構設置於該顯示器及該透鏡陣列層之間，或設置於該透鏡陣列層上，該指向性結構使該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
為了解決上述技術問題，本發明還提供一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一自發光顯示器，該顯示器具有一顯示面、一圖像演算單元及多個指向性發光元件，該些指向性發光元件位於該顯示面；以及一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡，該些透鏡分別與該些指向性發光元件相對應，該些指向性發光元件能形成一指向性結構，使該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
為了解決上述技術問題，本發明還提供一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一被動發光顯示器，該顯示器具有一顯示面、一圖像演算單元及一指向性背光源層；以及一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡，該指向性背光源層能形成一指向性結構，該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像， 以形成立體影像。
為了解決上述技術問題，本發明還提供一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一出光具有指向性的自發光顯示器，該顯示器具有一顯示面及一圖像演算單元；以及一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡，該顯示器出光具有指向性，能形成一指向性結構，使該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
為了解決上述技術問題，本發明還提供一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一自發光顯示器，該顯示器具有一顯示面及一圖像演算單元；一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡；以及一指向性結構，該指向性結構設置於該顯示器及該透鏡陣列層之間，或設置於該透鏡陣列層上，該指向性結構使該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
為了解決上述技術問題，本發明還提供一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一自發光顯示器，該顯示器具有一顯示面、一圖像演算單元及多個指向性發光元件，該些指向性發光元件位於該顯示面。
本發明的有益效果：本發明在顯示器及透鏡陣列層之間，或顯示器上或透鏡陣列層上，設置有一指向性結構，能用以改善品質，使顯示器產生的光線能指向性地照射，以消除其他階的光線，以具有較佳的立體影像顯示效果。
為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本 發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
1‧‧‧顯示器
11‧‧‧顯示面
12‧‧‧圖像演算單元
13‧‧‧指向性發光元件
14‧‧‧指向性背光源層
2‧‧‧透鏡陣列層
21‧‧‧基部
22‧‧‧透鏡
3‧‧‧指向性結構
31‧‧‧擋板層
311‧‧‧透光部
312‧‧‧遮擋壁
f‧‧‧透鏡焦距
圖1為本發明立體影像顯示裝置第一實施例的平面示意圖。
圖2為本發明透鏡陣列相對排列的示意圖。
圖3為本發明透鏡陣列交錯排列的示意圖。
圖4為本發明單一透鏡聚焦情形的示意圖。
圖5為本發明立體影像顯示裝置第二實施例的平面示意圖。
圖6為本發明立體影像顯示裝置第三實施例的平面示意圖。
圖7為本發明立體影像顯示裝置第四實施例的平面示意圖。
圖8為本發明立體影像顯示裝置第五實施例的平面示意圖。
[第一實施例]
本發明提供一種立體影像顯示裝置，其可應用於例如光電、醫療、軍事、展示、顯示器、教育娛樂及消費型電子等各種產業，該立體影像顯示裝置可應用於主動式或被動式等顯示器，並不予以限制。
如圖1所示，該立體影像顯示裝置包括一顯示器1、一透鏡陣列層2及一指向性結構3，可以透過顯示圖像的改變，更改觀賞者角度位置所看到的立體影像畫面，讓觀賞者可以在其他視角位置觀賞立體影像。
該顯示器1可為一般的平面顯示器，顯示器1具有一顯示面11，可用於顯示圖像。透鏡陣列層2設置於鄰近顯示器1的顯示面11處，亦即透鏡陣列層2可設置於顯示器1的上方。透鏡陣列層2可接觸顯示器1的顯示面11，透鏡陣列層2也可與顯示器1 的顯示面11形成間隔設置，或是在顯示器1的顯示面11與透鏡陣列層2之間設置中間層。
顯示器1可設置於最下層，其負責顯示尚未經過光線重現的平面圖像，此平面圖像可以透過透鏡陣列層2的透鏡陣列達到光線重新分配和組合，進而顯示重組的三維立體影像。第一層的顯示器1只需顯示目標圖像，因此可以是任意的硬體構造，包括手機、平板或平面螢幕，抑或是印刷、刻印等圖像，也可以是投影顯示類型等，該顯示器1的型式及構造並不限制，該顯示器1亦可為一種自發光顯示器。
透鏡陣列層2可設置於最上層，該透鏡陣列層2具有調控光場的功效，透鏡陣列層2可以調控立體物件的光線角度，讓原本尚未重組的平面影像進行重新分配和組合，進而讓觀賞者看到三維立體影像。單一透鏡曲率將由透鏡的材料本質決定，並配合與顯示器1的結合，決定立體影像的高度、可視角度範圍及清晰度等三維影像內容。
在本實施例中，該透鏡陣列層2以光學特性良好的材質所製成，例如有機玻璃(PPMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)或玻璃(Glass)等透光材質製成，該透鏡陣列層2的材質並不限制。該透鏡陣列層2可包含一基部21及多個透鏡22，該些透鏡22設置於基部21的一面，亦即該些透鏡22可設置於基部21遠離顯示器1的一面，該透鏡陣列層2的排列及構造並不限制，該些透鏡22具有聚焦功能，該顯示面11所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層2重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
本發明的特點在於斜向觀賞三維立體影像，所謂斜向觀賞的方式是指觀賞者並非正對顯示器1，但也能看到立體影像。在傳統的裸眼式三維立體顯示中，絕大多數有觀賞視角的問題，而讓觀賞者不能在斜向的角度看到。在本發明中，斜向觀賞反而是一大特點，觀賞者在正對顯示器1的方向上(zero order viewing zone)， 而左右分別有一段可觀賞的視角限制，一旦超出此視角，則觀賞者看到的將不是相對應所在角度應該看到的立體資訊。為達到斜向觀賞立體影像，不再採用0階(正向)的顯示方式，而是採用斜向角度的顯示方式，將光路徑匯聚到斜向的方向上，而讓觀賞者可以在該斜向的方向上觀賞立體影像。惟，本發明的立體影像顯示裝置同樣可應用於正向的角度觀看立體影像。
本發明的顯示器1可以為任意規格，只要能讓演算法則適用，亦即顯示器1具有一圖像演算單元12，使用於顯示器1的圖像需要經過圖像演算法的計算，此計算搭配透鏡陣列的架構，預知其光線行走的各種路徑，而計算圖像相對位置。由於圖像演算法為現有技術，且非本發明訴求的重點，故不再加以贅述。
該指向性結構3可設置於顯示器1及透鏡陣列層2之間，該指向性結構3也可設置(或形成)於顯示器1上或透鏡陣列層2上，該指向性結構3能改善品質，使顯示器1產生的光線能指向性地照射至透鏡陣列層2，以消除其他階的光線，以具有較佳的立體影像顯示效果。指向性結構3可限制光線在左、右方向(控角)及前、後方向(斜角)預定的角度內照射，藉以消除其他階的光線。
在本實施例中，該指向性結構3設置於顯示器1及透鏡陣列層2之間，該指向性結構3為一擋板層31，該擋板層31與顯示器1的顯示面11及透鏡陣列層2相對應，該擋板層31呈板狀體，該擋板層31具有多個透光部311，該些透光部311分別與該些透鏡22相對應，例如透鏡22俯視呈圓形，透光部311可呈圓形或方形，透光部311可為空心狀(鏤空狀)，透光部311也可在內部設置有透光材質而成為實心狀。透光部311的外圍各具有一遮擋壁312，遮擋壁312以不透光的材質製成，遮擋壁312環設於透光部311的外圍。遮擋壁312垂直或傾斜於顯示器1的顯示面11，遮擋壁312可提供遮光的效果，使顯示器1上來的光線可以指向性地照射至透鏡陣列層2，以消除其他階的光線，以具有較佳的立體影像顯示 效果。
本發明的透鏡陣列層2對顯示的效果有非常重要的關聯，如圖2及圖3表示，透鏡陣列的排列方式可以為矩形排列或六角形排列的方式，亦即每相鄰兩列的透鏡22可呈相對的排列(如圖2所示)或交錯的排列(如圖3所示)，皆可以顯示3D影像資訊。
在透鏡陣列層2上的微結構為聚焦功能的透鏡，此微透鏡規格將依照材質折射率n值決定其透鏡聚焦能力，可使用光線的波長範圍為300nm至1100nm。單一的小透鏡焦距情形如圖4所示，符合造鏡者公式：1/f=(n-1)(1/R1+1/R2)。
其中R1和R2分別為透鏡兩邊的曲率半徑，f是透鏡焦距，n是透鏡折射率。另外透鏡直徑大小從100um到5mm適用不同顯示裝置的像素大小。
是以，本發明提出一種可以適用於正向、斜向觀賞角度的影像顯示裝置，配合硬體設置，可控制裝置中各個位置像素經過光學元件的光線行進方向。本發明硬體系統為簡易光學元件，包括顯示器1、透鏡陣列層2及指向性結構3，可封裝成一個套件，藉由設計好的像素大小、系統間隙、透鏡大小及焦距，利用集成式影像原理，搭配經過特殊演算法的螢幕輸出畫面訊號，可以使其呈現實像在立體空間之中。本發明在硬體特點上，不需要其他光學膜片，只要一顯示器1、一透鏡陣列層2及一指向性結構3，極其簡單的裝置，就可以達到懸浮圖像的效果。
[第二實施例]
請參閱圖5，為本發明的第二實施例，在本實施例中，該立體影像顯示裝置包括一顯示器1、一透鏡陣列層2及一指向性結構3。該透鏡陣列層2包含一基部21及多個透鏡22，該些透鏡22設置於基部21的一面，透鏡陣列層2設置於鄰近顯示器1的顯示面11處，透鏡陣列層2可接觸顯示器1的顯示面11。該指向性結構3設置於透鏡陣列層2上，該指向性結構3為一擋板層31，該擋板 層31與透鏡陣列層2相對應，該擋板層31呈板狀體，該擋板層31具有多個透光部311，該些透光部311分別與該些透鏡22相對應。透光部311的外圍設有遮擋壁312，遮擋壁312以不透光的材質製成。遮擋壁312可垂直或傾斜於顯示器1的顯示面11，遮擋壁312可提供遮光的效果，使顯示器1產生的光線能指向性地照射，以消除其他階的光線，以具有較佳的立體影像顯示效果。
[第三實施例]
請參閱圖6，為本發明的第三實施例，在本實施例中，該立體影像顯示裝置包括一顯示器1及一透鏡陣列層2。該顯示器1為一自發光顯示器，其具有多個指向性發光元件13，該些指向性發光元件13位於顯示面11，該些指向性發光元件13例如為Micro LED、LED或OLED等。該透鏡陣列層2包含多個透鏡22，該些透鏡22具有聚焦功能，透鏡陣列層2設置於鄰近顯示器1的顯示面11處，該些透鏡22可接觸顯示器1的顯示面11，該些透鏡22分別與該些指向性發光元件13相對應，該些透鏡22亦可分別直接成形在該些指向性發光元件13上。該些指向性發光元件13能形成一指向性結構，使顯示器1產生的光線能指向性地照射至透鏡陣列層2，亦即顯示器1產生的光線能準直地照射至透鏡陣列層2，以消除其他階的光線，以具有較佳的立體影像顯示效果。在本發明的另一實施例中，該些指向性發光元件13亦可兼具有透鏡陣列層調控光場的功能，而可將透鏡陣列層2予以省略。
[第四實施例]
請參閱圖7，為本發明的第四實施例，在本實施例中，該立體影像顯示裝置包括一顯示器1及一透鏡陣列層2。該顯示器1為一被動發光顯示器(如LCD等)，其具有一指向性背光源層14。該透鏡陣列層2包含一基部21及多個透鏡22，該些透鏡22設置於基部21的一面，透鏡陣列層2設置於鄰近顯示器1的顯示面11處。該顯示器1具有指向性背光源層14，該指向性背光源層14能形成 一指向性結構，使顯示器1產生的光線能指向性地照射至透鏡陣列層2，以消除其他階的光線，以具有較佳的立體影像顯示效果。
[第五實施例]
請參閱圖8，為本發明的第五實施例，在本實施例中，該立體影像顯示裝置包括一顯示器1及一透鏡陣列層2。該顯示器1為一出光具有指向性的自發光顯示器，例如包含Micro LED、LED或OLED等。該透鏡陣列層2包含一基部21及多個透鏡22，該些透鏡22設置於基部21的一面，透鏡陣列層2設置於鄰近顯示器1的顯示面11處，該顯示器1出光具有指向性，亦能形成一指向性結構，使顯示器1產生的光線能指向性地照射至透鏡陣列層2，以消除其他階的光線，以具有較佳的立體影像顯示效果。
以上所述僅為本發明之優選實施例，非意欲侷限本發明的專利保護範圍，故凡是運用本發明說明書及附圖內容所作的等效變化，均同理皆包含於本發明的權利保護範圍內。

Claims (13)

  1. 一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器具有一顯示面及一圖像演算單元；一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡，該些透鏡使用光線的波長範圍為300nm至1100nm，該些透鏡直徑為100um到5mm；以及一指向性結構，該指向性結構設置於該顯示器及該透鏡陣列層之間，或設置於該透鏡陣列層上，該指向性結構具有多個透光部，該些透光部分別與該些透鏡相對應，該指向性結構使該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
  2. 如請求項1所述的立體影像顯示裝置，其中該指向性結構為一擋板層，該擋板層呈板狀體，該擋板層具有該些透光部，該些透光部的外圍各具有一遮擋壁，該遮擋壁垂直或傾斜於該顯示器的顯示面。
  3. 如請求項1所述的立體影像顯示裝置，其中該些透鏡符合造鏡者公式：1/f=(n-1)(1/R1+1/R2)，其中R1和R2分別為透鏡兩邊的曲率半徑，f是透鏡焦距，n是透鏡折射率。
  4. 一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一自發光顯示器，該顯示器具有一顯示面、一圖像演算單元及多個指向性發光元件，該些指向性發光元件位於該顯示面；以及一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡，該些透鏡使用光線的波長範圍為300nm至1100nm，該些透鏡直徑為100um到5mm，該些透鏡分別與該些指向性發光元件相對應，該些指向性發光元件能形成一指向性結構，該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
  5. 如請求項4所述的立體影像顯示裝置，其中該些指向性發光元件為Micro LED、LED或OLED。
  6. 如請求項4所述的立體影像顯示裝置，其中該些透鏡分別成形在該些指向性發光元件上。
  7. 如請求項4所述的立體影像顯示裝置，其中該些透鏡符合造鏡者公式：1/f=(n-1)(1/R1+1/R2)，其中R1和R2分別為透鏡兩邊的曲率半徑，f是透鏡焦距，n是透鏡折射率。
  8. 一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一被動發光顯示器，該顯示器具有一顯示面、一圖像演算單元及一指向性背光源層；以及一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡，該些透鏡使用光線的波長範圍為300nm至1100nm，該些透鏡直徑為100um到5mm，該指向性背光源層能形成一指向性結構，該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
  9. 如請求項8所述的立體影像顯示裝置，其中該些透鏡符合造鏡者公式：1/f=(n-1)(1/R1+1/R2)，其中R1和R2分別為透鏡兩邊的曲率半徑，f是透鏡焦距，n是透鏡折射率。
  10. 一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一出光具有指向性的自發光顯示器，該顯示器具有一顯示面及一圖像演算單元；以及一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡，該些透鏡使用光線的波長範圍為300nm至1100nm，該些透鏡直徑為100um到5mm，該顯示器出光具有指向性，能形成一指向性結構，該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
  11. 如請求項10所述的立體影像顯示裝置，其中該些透鏡符合造鏡者公式：1/f=(n-1)(1/R1+1/R2)，其中R1和R2分別為透鏡兩邊的曲率半徑，f是透鏡焦距，n是透鏡折射率。
  12. 一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一自發光顯示器，該顯示器具有一顯示面及一圖像演算單元；一透鏡陣列層，該透鏡陣列層設置於鄰近該顯示器的顯示面處，該透鏡陣列層包含多個透鏡，該些透鏡使用光線的波長範圍為300nm至1100nm，該些透鏡直徑為100um到5mm；以及一指向性結構，該指向性結構設置於該顯示器及該透鏡陣列層之間，或設置於該透鏡陣列層上，該指向性結構具有多個透光部，該些透光部分別與該些透鏡相對應，該指向性結構使該顯示器產生的光線能指向性地照射，該顯示面所顯示尚未重建的圖像能通過該透鏡陣列層重組，重新組合成集成式影像，以形成立體影像。
  13. 一種立體影像顯示裝置，包括：一顯示器，該顯示器為一自發光顯示器，該顯示器具有一顯示面、一圖像演算單元及多個指向性發光元件，該些指向性發光元件位於該顯示面。
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