TWI772030B - 指向性背光式顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

一種指向性背光式顯示裝置，其背光源包含光源模組、反射式窄角擴散片，該反射式窄角擴散片上有複數個微曲面鏡組成的陣列，該反射式窄角擴散片反射該光源模組的光線並將該光線以一窄擴散角均勻光束投射。背光式顯示面板置於該光線投射的路徑上，該背光式顯示面板顯示的一影像藉由該光線投射到眼盒，該影像的每一個像素對應到該反射式窄角擴散片上至少一個微曲面鏡，穿透每一該像素的光線都能均勻擴散到該眼盒，該背光式顯示面板的所有該像素所擴散的區域皆重疊於該眼盒。

Description

指向性背光式顯示裝置
本發明是將光源投射到反射式窄角擴散片上，利用微曲面鏡陣列將反射光朝向一設定方向與窄角度擴散的特性，來產生均勻的指向性光束，作為指向性背光式顯示器的背光源。
TFT-LCD面板(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display Panel)是最常見的背光式顯示面板，其一般的結構如圖1所示，有一外部背光源91，兩片平行的玻璃基板(Glass Substrate)之間設置液晶92(Liquid Crystal)分子層，兩邊外側有兩個偏振方向互相垂直的偏振濾光片93(Polarizer)，位於下方的玻璃基板設置薄膜電晶體94(Thin-Film Transistor,TFT)，位於上方的玻璃基板設置彩色濾光片(Color Filter,CF)，從改變TFT上的訊號所產生的電場來控制液晶分子的轉動方向，背光源的光線通過第一個偏振濾光片，其偏振方向和第二個偏振濾光片垂直，因此被阻擋下來，如果通過第一個偏振濾光片的光線被液晶分子旋轉而改變偏振方向，那麼光線就可以通過第二個偏振濾光片，顯示像素點設定的亮度與顏色。
如圖2所示，一個理想的指向性液晶顯示器96(LCD)，液晶螢幕上的每一個像素所散發的光線都必須能達到為觀賞者所設定的眼盒Z的整個區 域，而且亮度都是均光。也就是說，眼盒Z中的任一點都能獲得從液晶螢幕每一個像素發出來的光線，而且亮度也是均光。因此，只要觀賞者的眼睛在眼盒裡就都可以看到完整的影像；若是眼睛在眼盒的範圍外，就完全看不到影像。
液晶顯示器的液晶面板上的每一個像素(Pixel)，通常由紅綠藍(RGB)三種顏色的子像素(Sub-Pixel)所構成，藉由電場強度控制子像素中的液晶分子旋轉角度，便可控制通過子像素的光強度，每一像素透過控制紅綠藍這三個顏色光強度比例，以決定最後所呈現的像素亮度與顏色；但是每一個子像素也相當於一個狹縫，穿透每一個子像素的光線有可能產生繞射現象。如圖3A所示，當狹縫寬度W1遠大於光波長λ，繞射現象不明顯，如圖3B所示，當狹縫寬度W2越接近光波長λ，繞射現象越明顯；而紅綠藍三種顏色子像素通常為長方形，如圖4A所示，有一邊為長邊，而另一邊為短邊，將子像素的長邊平行於圖4A的圖面的上下方向(即垂直方向)排列時，每一個子像素的短邊對應水平寬度Wsph，每一個子像素的長邊對應垂直寬度Wspv，因此在水平方向的繞射現象會比垂直方向明顯，穿透液晶面板後的光線投射區域，會因為光線繞射而超出原本設定的投射區域之外，也就是在眼盒之外的水平方向也能看見影像，水平寬度Wsph越小就越嚴重。
液晶顯示器(LCD)的背光源可以使用白熾燈泡、CCFL(冷陰極螢光燈)、EL(電致發光器)和LED(發光二極體)等可見光源，依光源分佈位置不同則分為側光式和直下式(底背光式)。
直下式(底背光式)是一個平板式的面光源，可以是一個連續均勻的面光源，如EL或平板螢光燈，也可以是一個由較多的點光源構成，如LED陣列。
LED背光源的優點在於光亮度均勻、使用壽命長、低電壓驅動、不需要逆變器、顏色豐富色域寬廣，因此成為液晶顯示器主流背光源。
如圖5A所示，LED陣列的直下式背光源，會在LED晶片上方加上導光板97(Light guide)與擴散片98(Diffuser)來修正光線的射出方向與擴散角度，提高正面亮度並讓光線均勻擴散。
由於前述的直下式背光源不具備指向性，當需要應用指向性的背光源時，例如投影機或抬頭顯示器(HUD)，則會在LED晶片上方加上杯型的準直鏡99，如圖5B所示，來增加光線利用率並提高射出光線的指向性。
如圖6所示，背光源91為複數個具有杯型準直鏡的LED依縱向與橫向排列而成的LED準直鏡陣列背光源，以達到面光源的效果。
然而相鄰兩準直鏡之間的間隔區域，會成為整個面光源中較暗的區塊，每一個準直鏡的中心與邊緣也會有亮度上的差異，讓面光源的亮度不均勻，而且準直鏡發出的準直光束，無法在穿透過LCD螢幕的每一個像素時，將每一個像素的光線均勻擴散到眼盒的任一位置。
如圖7所示，為了讓LED準直鏡陣列背光源所發射的光線能夠均勻化，因此在TFT-LCD面板與準直鏡陣列之間加上擴散片98讓光線均勻擴散，然而其效果依然有限，無法形成完全均光的面光源，而且造成光線亮度衰減，導致功耗與溫度升高。
如圖8所示，反射式窄角擴散片已應用於將投影機(LCD或DLP或Laser)投影的影像反射擴散到觀賞者的眼盒中，提高光線利用率，增加影像亮度。且投影的影像中的每一個像素的光線透過反射式窄角擴散片的反射與擴散之後，都能均勻擴散到眼盒的任一位置。
如圖9A所示，反射式窄角擴散片上有複數個微凹面鏡21組成的陣列，以方形排列或六角蜂巢排列，每一個微凹面鏡21的尺寸可以在2.5um~0.25mm之間。
每一微凹面鏡21可以有相同或不同曲率與角度。
反射式窄角擴散片上的微凹面鏡數量不拘，可以視解析度與光路設計需求而調整，例如數十萬個(480p：640×480=307,200，720p：1280×720=921,600)、數百萬個(FHD：1920×1080=2.073,600，2K：2560×1440=3,680,400，4K：3840×2160=8,294,400)，甚至更高。
如圖9B所示，反射式窄角擴散片可以是平面，也可以是曲面，並在上述平面或曲面的其中一側面具有複數個微凹面鏡21。
如圖10A所示，一般的平面反射鏡，表面平整光滑，入射光的入射角等於反射光的反射角，因此沒有擴散的效果，所以光束的擴散角維持不變，觀賞角度受限制。
如圖10B所示，若是投影布幕的平面，為了要讓各個角度的觀賞者都能看到，因此需要寬廣表面散射，投射在其平面上的光線會朝四面八方擴散(即，擴散角為θ1)，但也讓觀看到影像亮度大幅降低。
如圖10C所示，而反射式窄角擴散片上的微凹面鏡，能將入射光朝向一設定的方向以一設定的窄角度擴散，因此能將光線反射至所設定的方向，在擴散角θ2範圍內大幅提升光線的亮度。
本發明提供一種指向性背光式顯示裝置，包含： 一光源模組，投射一光線；一反射式窄角擴散片，該反射式窄角擴散片上有複數個微曲面鏡組成的陣列，該反射式窄角擴散片反射該光線，並將該光線以一窄擴散角均勻光束投射；一背光式顯示面板，置於該光線由該反射式窄角擴散片投射至一觀賞者的路徑上，該背光式顯示面板顯示的一影像藉由該光線投射到一投射區域(即是對應該觀賞者一雙眼眼盒)，該影像的每一個像素對應到該反射式窄角擴散片上至少一個微曲面鏡，每一個像素的光線都能均勻擴散到該投射區域，所有像素點透過該反射式窄角擴散片調整該光線的投射角度與擴散角，使其所擴散的區域皆重疊在該投射區域，該背光式顯示面板上數十萬、數百萬個像素點都有相同的擴散情形。
在這樣的設置下，被反射式窄角擴散片反射的光線已經是以均勻擴散的方式投射到背光式顯示面板，就不一定需要在光路上設置均光器。
該背光式顯示面板上的每一個像素的顏色子像素，是以子像素的長邊垂直於背光式顯示面板的上下方向(即垂直方向)排列，可以減少水平方向的繞射現象，避免旁邊的其他觀賞者看見影像。
此外，反射式窄角擴散片的複數個微曲面鏡，可以是微凹面鏡、微凸面鏡、或者微凹面鏡與微凸面鏡的組合，該反射式窄角擴散片可用以調整該投射區域的尺寸範圍、觀看亮度、角度位置。
此外，在該反射式窄角擴散片與該光源模組之間更包含一平凸柱狀透鏡或一雙凸柱狀透鏡，將該光源模組原本圓形的投射光區整形為橢圓形，符合長方形眼盒的需求。
此外，在該反射式窄角擴散片與該光源模組之間更包含一平凸雙曲透鏡或一雙凸雙曲透鏡，也就是在兩個軸向都有曲率的透鏡，將該光源模組原本圓形的投射光區調整為近似長方形的形狀，更符合長方形眼盒的需求。
此外，在該反射式窄角擴散片與該光源模組之間更包含至少一個反射鏡片，以此改變光路方向，讓空間的運用更有彈性。
此外，該光源模組為一高瓦特數的LED，或是一LED陣列，或是一具有準直鏡的LED，或是一具有準直鏡LED的LED陣列。
此外，該投射區域的尺寸範圍、觀看亮度、角度位置可由該光源模組做調整。
此外，在該背光式顯示面板顯示的投射路徑上更包含一凹面鏡以及一擋風玻璃，載有該影像的該光線再經過該凹面鏡與該擋風玻璃的反射放大，最後投射到該觀賞者的該雙眼眼盒。
本發明還提供一種指向性背光式裸視3D顯示裝置，包含：一第一光源模組，投射一第一光線；一第二光源模組，投射一第二光線；一反射式窄角擴散片，該反射式窄角擴散片上有複數個微曲面鏡組成的陣列，該反射式窄角擴散片反射該第一光線與該第二光線並將該第一光線與該第二光線各以一窄擴散角均勻光束投射；一背光式顯示面板，置於該第一光線與該第二光線由該反射式窄角擴散片投射至一觀賞者的路徑上，該背光式顯示面板以時間多工的方式交替顯示一左眼視差影像與一右眼視差影像，該第一光源模組與該第二光源模組交替投射該第一光線與該第二光線，該左眼視差影像藉由該第一光線投射到對應該觀賞者的左眼的投射區域(即一左眼眼盒)，該右眼視差影像藉由該第二光線投射到對應該觀賞者的右眼的投射區域(即一右眼眼盒)，投射該第一光線、該第二 光線與顯示該左眼視差影像、該右眼視差影像的時序同步，其中該第一光線與該第二光線交接之間有全暗時段，對應背光式顯示面板的影像轉換延遲，影像時序切換的時間小於人眼視覺暫留的時間，讓該觀賞者的左眼感覺持續看到該左眼視差影像，右眼感覺持續看到該右眼視差影像，在該觀賞者腦海中呈現立體影像。該背光式顯示面板上的每一個像素的顏色子像素，是以子像素的長邊垂直於背光式顯示面板的上下方向排列，可以減少水平方向的繞射現象，避免左眼看見右眼視差影像，或右眼看見左眼視差影像。
此外，在該反射式窄角擴散片與二個光源模組之間更包含平凸柱狀透鏡或雙凸柱狀透鏡，將該第一光源模組與該第二光源模組原本圓形的投射光區整形為橢圓形，符合長方形眼盒的需求。
此外，在該反射式窄角擴散片與二個光源模組之間更包含平凸雙曲透鏡或雙凸雙曲透鏡，也就是在兩個軸向都有曲率的透鏡，將該第一光源模組與該第二光源模組原本圓形的投射光區整形為近似長方形的形狀，更符合長方形眼盒的需求。
此外，在該反射式窄角擴散片與該光源模組之間更包含至少一個反射鏡片，以此改變光路方向，讓空間的運用更有彈性。
其中該第一光源模組與該第二光源模組為一高瓦特數的LED，或是一LED陣列，或是一具有準直鏡的LED，或是一具有準直鏡LED的LED陣列。
此外，左眼與右眼的該投射區域的尺寸範圍、觀看亮度、角度位置可由該光源模組做調整。
此外，在該背光式顯示面板顯示的投射路徑上更包含一凹面鏡以及一擋風玻璃，載有該左眼視差影像的該第一光線再經過該凹面鏡與該擋風玻璃的反射放大，最後投射到該左眼眼盒，載有該右眼視差影像的該第二光線再經過該凹面鏡與該擋風玻璃的反射放大，最後投射到該右眼眼盒。
本發明再提供一種指向性背光式雙顯示畫面裝置，包含：一第一光源模組，投射一第一光線；一第二光源模組，投射一第二光線；一反射式窄角擴散片，該反射式窄角擴散片上有複數個微曲面鏡組成的陣列，該反射式窄角擴散片反射該第一光線與該第二光線並將該第一光線與該第二光線各以一窄擴散角均勻光束投射；一背光式顯示面板，置於該第一光線與該第二光線由該反射式窄角擴散片投射至一第一觀賞者與一第二觀賞者的路徑上，該背光式顯示面板以時間多工的方式交替顯示一第一影像與一第二影像，該第一光源模組與該第二光源模組交替投射該第一光線與該第二光線，該第一影像藉由該第一光線投射到該第一觀賞者雙眼的一投射區域(即一第一眼盒)，該第二影像藉由該第二光線投射到該第二觀賞者雙眼的一投射區域(即一第二眼盒)，投射該第一光線、該第二光線與顯示該第一影像、該第二影像的時序同步，其中該第一光線與該第二光線交接之間有全暗時段，對應背光式顯示面板的影像轉換延遲，影像時序切換的時間小於人眼視覺暫留的時間，讓該第一觀賞者觀看該第一影像的同時也讓該第二觀賞者觀看該第二影像，且該第一觀賞者無法看見該第二影像，該第二觀賞者也無法看見該第一影像。該背光式顯示面板上的每一個像素的顏色子像素，是以子像素的長邊垂直於背光式顯示面板的上下方向排列，減少水平方向的繞射現象，避免第一觀賞者看見第二影像，或第二觀賞者看見第一影像。
此外，在該反射式窄角擴散片與二個光源模組之間更包含平凸柱狀透鏡或雙凸柱狀透鏡，將該第一光源模組與該第二光源模組原本圓形的投射光區整形為橢圓形，符合長方形眼盒的需求。
此外，在該反射式窄角擴散片與二個光源模組之間更包含平凸雙曲透鏡或雙凸雙曲透鏡，也就是在兩個軸向都有曲率的透鏡，將該第一光源模組 與該第二光源模組原本圓形的投射光區整形為近似長方形的形狀，更符合長方形眼盒的需求。
此外，在該反射式窄角擴散片與該光源模組之間更包含至少一個反射鏡片，以此改變光路方向，讓空間的運用更有彈性。
其中，該第一光源模組與該第二光源模組為一高瓦特數的LED，或是一LED陣列，或是一具有準直鏡的LED，或是一具有準直鏡LED的LED陣列。
其中，投射區域的尺寸範圍、觀看亮度、角度位置可由該光源模組做調整。
此外，在該背光式顯示面板顯示的投射路徑上更包含一凹面鏡，以及一擋風玻璃，載有該第一影像的該第一光線再經過該凹面鏡與該擋風玻璃的反射放大，最後投射到該第一雙眼眼盒，載有該第二影像的該第二光線再經過該凹面鏡與該擋風玻璃的反射放大，最後投射到該第二雙眼眼盒。
1,11,12,101,102,103,104:光源模組
13,15:LED
14,16:LED陣列
19:光線擴散區域
2,20:反射式窄角擴散片
21,210:微凹面鏡
3:TFT-LCD顯示面板
31,32,33:像素
4:凹面鏡
5:擋風玻璃
61:平凸柱狀透鏡
62:雙凸柱狀透鏡
63:平凸雙曲透鏡
64:雙凸雙曲透鏡
θ1,θ2:擴散角
G:影像
G1,G2:視差影像
G11:第一影像
G12:第二影像
L,L1,L2:光線
E1:左眼
E2:右眼
P,P1,P2:觀賞者
RZ:投射光區
W1,W2:狹縫寬度
Wph:像素水平寬度
Wsph:子像素水平寬度
Wspv:子像素垂直寬度
Z:眼盒
ZL:左眼眼盒
ZR:右眼眼盒
Zp1:第一眼盒
Zp2:第二眼盒
Z1,Z2,Z3,Z4:投射區域
91:外部背光源
92:液晶
93:偏振濾光片
94:薄膜電晶體
95:彩色濾光片
96:液晶顯示器
97:導光板
98:擴散片
99:準直鏡
圖1為TFT-LCD面板結構的示意圖。
圖2為理想的指向性TFT-LCD顯示器的示意圖。
圖3A、圖3B為狹縫繞射現象示意圖。
圖4A、圖4B為TFT-LCD面板的像素與顏色子像素排列結構示意圖。
圖5A、圖5B為TFT-LCD的背光源的示意圖。
圖6為LED準直鏡陣列背光源的示意圖。
圖7為TFT-LCD的LED準直鏡陣列背光源均勻化的示意圖。
圖8為將反射式窄角擴散片應用於投影影像的示意圖。
圖9A、圖9B為反射式窄角擴散片結構的示意圖。
圖10A、圖10B、圖10C為投影光線在不同反射面的擴散示意圖。
圖11為第一實施例的指向性背光的光路示意圖。
圖12A、圖12B為第一實施例的TFT-LCD指向性背光式顯示裝置的示意圖。
圖13A、圖13B、圖13C為TFT-LCD顯示面板置放位置的示意圖。
圖14A、圖14B、圖14C為第二實施例的TFT-LCD指向性背光式裸視3D顯示裝置的示意圖。
圖15A、圖15B為第二實施例的使用示意圖。
圖16A、圖16B、圖16C為第三實施例的TFT-LCD指向性背光式雙顯示畫面裝置的示意圖。
圖17A、圖17B為第三實施例的使用示意圖。
圖18為眼盒與投射光區的示意圖。
圖19為投射光區調整的示意圖。
圖20為投射光區調整的另一示意圖。
圖21為光源模組示意圖。
圖22A、圖22B、圖22C、圖23A、圖23B為、圖24至圖27為眼盒示意圖。
以下描述是將光線投射的方向定義為前方，以符合技術人員的通常理解。
如圖11至圖13所示的第一實施例，一種TFT-LCD指向性背光式顯示裝置，包含：一光源模組1，投射一光線L；一反射式窄角擴散片2，該反射式窄角擴散片2上有複數個微凹面鏡21組成的陣列，該反射式窄角擴散片2反射該光線L並將該光線L以一窄擴散角均勻光束投射，換言之，每一個微凹面鏡21將該光線L反射後，反射的光線L會朝向一預定方向投射出一光線擴散區域。在其他實施例中，微凹面鏡21也可以改採用微凸面鏡等其他形式的微曲面鏡。
如圖11所示，該光源模組1將該光線L投射到該反射式窄角擴散片2上，利用複數個微凹面鏡21將該光線L朝向一設定方向與窄角度擴散，來產生均勻亮度的指向性光源。
如圖12A所示，一TFT-LCD顯示面板3，置於該反射式窄角擴散片2反射該光線L之後投射至一觀賞者的路徑上，該TFT-LCD顯示面板3顯示的一影像G藉由該光線L投射到一投射區域(即是對應該觀賞者雙眼的眼盒Z)，該影像G的每一個像素對應到該反射式窄角擴散片2上至少一個微凹面鏡21。如圖12B所示，每一個像素的光線都能均勻擴散到該眼盒Z，該影像G對應的所有像素點所擴散的區域皆重疊在設計距離下的該眼盒Z，該TFT-LCD顯示面板3上數十萬、數百萬個像素點都有相同的擴散情形；如圖4B所示，該TFT-LCD顯示面板3上的每一個像素(Pixel)的顏色子像素(Sub-Pixel)，例如紅綠藍(RGB)子像素(Sub-Pixel)，是以子像素的長邊垂直於背光式顯示面板的上下方向排列，增加每一個子像素的水平寬度Wsph，減少水平方向的繞射現象，避免旁邊的其他觀賞者看見影像。
這樣的情形下，眼睛只要在該眼盒Z裡移動都可以看到完整的該影像G，若是眼睛在該眼盒Z的範圍外，就完全看不到該影像G。
該反射式窄角擴散片2的任一微凹面鏡21尺寸小於或等於影像G的任一個像素31，該反射式窄角擴散片2可用以調整該投射區域Z的尺寸範圍、觀看亮度、角度位置，如圖13A所示，當該TFT-LCD顯示面板3放置於該反射式窄角擴散片2的該微凹面鏡21的焦距上，此時，該影像G的其中一個像素31是大於或等於上述的該光線擴散區域19，單一個該微凹面鏡21投射到該一個像素31的光線L能夠擴散到整個該眼盒Z。如圖13B所示，當該TFT-LCD顯示面板3放置的距離大於該微凹面鏡21的焦距，此時，該影像G的其中一個像素31小於該微凹面鏡21在此處的該光線擴散區域19，於是可搭配多個該微凹面鏡21投射到該一個像素31的光線L能夠擴散到整個該眼盒Z。如圖13C所示，當該TFT-LCD顯示面板3放置的距離小於該微凹面鏡21的焦距，此時，該影像G的其中一個像素31大於該微凹面鏡21在此處的該光線擴散區域19，單一個微面鏡21投射到該一個像素31的光線L就能夠擴散到整個該眼盒Z。類似地，即使單一個該微凹面鏡21投射到該影像G的光線L的光線擴散區域19，是對應到多個像素，只要該影像G的範圍仍然位於該反射式擴散片的反射光線中，就能夠達成上述效果。因此，該TFT-LCD顯示面板3的位置可以設置在該反射式窄角擴散片2(的反射路徑)至觀賞者雙眼的眼盒Z之間的光線L的路徑的任何位置。
一般的非指向性TFT-LCD使用的背光源，若以電磁波的能量的場型指向性來定義背光源的光場的指向性，非指向性背光源出光光場的FWHM(半峰全寬，Full Width at Half Maximum)約在±30~±60°或更寬，即是擴散角約在±30~±60°或更寬，使得投射影像的可視角較廣。
若是圖11至圖13所示的實施例的指向性背光式顯示裝置建構出的背光源，其背光源出光光場的FWHM約為±5~±10°或更窄，即是(窄)擴散角為約為±5~±10°或更窄，使得投射影像的可視角度狹窄化。然而，於本實施態樣或其他實施態樣中，並不限於用其他方式來定義窄擴散角的具體角度。
該TFT-LCD指向性背光式顯示裝置，更包含一凹面鏡以及一擋風玻璃設置該TFT-LCD顯示面板3的前方的該光線L的路徑，載有該影像的該光線再經過該凹面鏡與該擋風玻璃的反射放大，最後投射到該觀賞者的雙眼的該眼盒Z。
如圖14A、圖14B、圖14C所示，的第二實施例，一種TFT-LCD指向性背光式顯示裝置，適用於形成裸視3D影像，包含：一第一光源模組11，投射一第一光線L1；一第二光源模組12，投射一第二光線L2；一反射式窄角擴散片2，該反射式窄角擴散片2上有複數個微凹面鏡21組成的陣列，該反射式窄角擴散片2反射該第一光線L1與該第二光線L2並將該第一光線L1與該第二光線L2各以一窄擴散角均勻光束投射；一TFT-LCD顯示面板3，置於該第一光線L1與該第二光線L2由該反射式窄角擴散片2投射至一觀賞者P的路徑上，該TFT-LCD顯示面板3以時間多工的方式交替顯示一左眼視差影像G1與一右眼視差影像G2，該第一光源模組11與該第二光源模組12交替投射該第一光線L1與該第二光線L2，如圖14A所示，該左眼視差影像G1藉由該第一光線L1投射到對應該觀賞者P的左眼E1的投射區域(如圖15A所示之左眼眼盒ZL)。如圖14B所示，該右眼視差影像G2藉由該第二光線L2投射到對應該觀賞者P的右眼E2的投射區域(如圖15B所示之右眼眼盒ZR)， 投射該第一光線L1、該第二光線L2與顯示該左眼視差影像G1、該右眼視差影像G2的時序同步，其中該第一光線L1與該第二光線L2交接之間有全暗時段，對應TFT-LCD顯示面板3的影像轉換延遲，影像時序切換的時間小於人眼視覺暫留的時間，人眼視覺暫留的時間約十五分之一秒，例如以頻率60Hz交替顯示左右眼畫面，讓左眼影格率(FPS)有30Hz，右眼影格率(FPS)也有30Hz，該觀賞者P便不會察覺畫面閃爍，就可以使用單一片該TFT-LCD顯示面板3讓該觀賞者P的左眼E1感覺持續看到該左眼視差影像G1，右眼E2感覺持續看到該右眼視差影像G2，在該觀賞者P腦海中呈現立體影像，當然也可以更高的頻率交替顯示左右眼畫面，例如90Hz、120Hz，畫面銜接就越細膩流暢。
如圖4B所示，該TFT-LCD顯示面板3上的每一個像素(Pixel)的顏色子像素(Sub-Pixel)，例如紅綠藍(RGB)子像素(Sub-Pixel)，是以子像素的長邊垂直於背光式顯示面板的上下方向排列，增加每一個子像素的水平寬度Wsph，減少水平方向的繞射現象，避免左眼看見右眼視差影像，或右眼看見左眼視差影像。
該左眼視差影像G1與該右眼視差影像G2可位於該TFT-LCD顯示面板3上的相同區域或不同區域，該左眼視差影像G1與該右眼視差影像G2可以相同尺寸或不同尺寸。
如圖15A所示，該TFT-LCD指向性背光式顯示裝置，更包含一凹面鏡4，以及一擋風玻璃5，載有該左眼視差影像G1的該第一光線L1再經過該凹面鏡4與該擋風玻璃5的反射放大，最後投射到對應該觀賞者的左眼眼盒ZL的投射區域。如圖15B所示，載有該右眼視差影像G2的該第二光線L2再經過該凹面鏡4與該擋風玻璃5的反射放大，最後投射到對應該觀賞者的右眼眼盒ZR的投射區域。
如圖16A、圖16B、圖16C所示的第三實施例，一種TFT-LCD指向性背光式顯示裝置，適用於形成雙顯示畫面，包含：一第一光源模組11，投射一第一光線L1；一第二光源模組12，投射一第二光線L2；一反射式窄角擴散片2，該反射式窄角擴散片2上有複數個微凹面鏡21組成的陣列，該反射式窄角擴散片2反射該第一光線L1與該第二光線L2並將該第一光線L1與該第二光線L2各以一窄擴散角均勻光束投射；一TFT-LCD顯示面板3，置於該第一光線L1與該第二光線L2由該反射式窄角擴散片2投射至一第一觀賞者P1與一第二觀賞者P2的路徑上，該TFT-LCD顯示面板3以時間多工的方式交替顯示一第一影像G11與一第二影像G12，該第一光源模組11與該第二光源模組12交替投射該第一光線L1與該第二光線L2，該第一影像G11藉由該第一光線L1投射到對應該第一觀賞者P1的雙眼的投射區域(即是圖17A的第一眼盒Zp1)，該第二影像G12藉由該第二光線L2投射到該第二觀賞者P2的雙眼的投射區域(即是圖17B的一第二眼盒Zp2)，投射該第一光線L1、該第二光線L2與顯示該第一影像G11、該第二影像G12的時序同步，其中該第一光線L1與該第二光線L2交接之間有全暗時段，對應TFT-LCD顯示面板3的影像轉換延遲，影像時序切換的時間小於人眼視覺暫留的時間，觀賞者便不會察覺畫面閃爍，就可以使用單一片TFT-LCD顯示面板3讓該第一觀賞者P1觀看該第一影像G11的同時也讓該第二觀賞者P2觀看該第二影像G12，且該第一觀賞者P1無法看見該第二影像G12，該第二觀賞者P2也無法看見該第一影像G11。
如圖4B所示，該TFT-LCD顯示面板3上的每一個像素(Pixel)的顏色子像素(Sub-Pixel)，例如紅綠藍(RGB)子像素(Sub-Pixel)，是以子像素的長邊垂 直於背光式顯示面板的上下方向排列，增加每一個子像素的水平寬度Wsph，減少水平方向的繞射現象，避免第一觀賞者看見第二影像，或第二觀賞者看見第一影像。
如圖16B所示，該TFT-LCD指向性背光式顯示裝置，更包含一擋風玻璃5設置於該第一光線L1與該第二光線L2由該TFT-LCD顯示面板3行進至該第一觀賞者P1與該第二觀賞者P2的路徑之間，載有該第一影像G11的該第一光線L1投射至該擋風玻璃5，再經過該擋風玻璃5的反射，最後投射到該第一觀賞者P1雙眼的第一眼盒Zp1(如圖17A所示)，載有該第二影像G12的該第二光線L2投射至該擋風玻璃5，再經過該擋風玻璃5的反射，最後投射到該第二觀賞者P2雙眼的第二眼盒Zp2(如圖17B所示)，讓該第一觀賞者P1觀看該第一影像G11的同時也讓該第二觀賞者P2觀看該第二影像G12，且該第一觀賞者P1無法看見該第二影像G12，該第二觀賞者P2也無法看見該第一影像G11。
如圖16C所示，該TFT-LCD指向性背光式顯示裝置，與圖16B的實施態樣相比更包含一凹面鏡4在該TFT-LCD顯示面板3與該擋風玻璃5之間。如圖17A所示，載有該第一影像G11的該第一光線L1投射至該凹面鏡4，經過該凹面鏡4的反射放大，再投射至該擋風玻璃5，被該擋風玻璃5反射，最後投射到該第一觀賞者P1雙眼的該第一眼盒Zp1。如圖17B所示，載有該第二影像G12的該第二光線L2投射至該凹面鏡4，經過該凹面鏡4的反射放大，再投射至該擋風玻璃5，被該擋風玻璃5反射，最後投射到該第二觀賞者P2雙眼的該第二眼盒Zp2，讓該第一觀賞者P1觀看該第一影像G11的同時也讓該第二觀賞者P2觀看該第二影像G12，且該第一觀賞者P1無法看見該第二影像G12，該第二觀賞者P2也無法看見該第一影像G11。
如圖18所示，一般而言，該光源模組1最終產生的投射區域(即該眼盒Z)的需求通常為長方形，然而該光源模組1投射的該光線L所組成的一投射光區RZ並非長方形，通常為圓形，如此有部分超出該眼盒Z範圍的該光線L是被浪費在光路上的。
如圖19所示，為增加觀看影像的亮度，提高投射光線的利用率，前述這些實施例，可以包含一平凸柱狀透鏡61或一雙凸柱狀透鏡62位於該反射式窄角擴散片2與該光源模組1之間，將原本圓形的該投射光區RZ整形為橢圓形，符合長方形眼盒的需求。
如圖20所示，為增加觀看影像的亮度，提高投射光線的利用率，前述這些實施例，也可以包含一平凸雙曲透鏡63或一雙凸雙曲透鏡64位於該反射式窄角擴散片2與該光源模組1之間，也就是在兩個軸向都有曲率的透鏡，將原本圓形的該投射光區RZ整形為近似長方形的形狀，更符合長方形眼盒的需求。
此外，在該反射式窄角擴散片與該光源模組之間更包含至少一個反射鏡片，以此改變光路方向，讓空間的運用更有彈性。
如圖21所示，前述這些實施例，其中該第一光源模組11與該第二光源模組12可以是一高瓦特數LED13、或是一LED陣列14、或是一具有準直鏡的LED15、或是一具有準直鏡LED的LED陣列16，這些光源模組都可以在經過反射式窄角擴散片2反射之後產生指向性光源。
圖22A至圖27所示的多種實施態樣，來說明如何設計或調整投射區域的尺寸範圍、觀看亮度、角度位置。
如圖22A所示之實施態樣中，一第一光源模組11投射一第一光線L1至一反射式窄角擴散片2，一TFT-LCD顯示面板3上有三個像素31、32、33，該 第一光源L1被該反射式窄角擴散片2上的微凹面鏡21陣列反射擴散後穿透該TFT-LCD顯示面板3的三個像素31、32、33，然後投射擴散到一第一投射區域Z1。於本實施態樣中，第一投射區域Z1的尺寸範圍即是眼盒Z的尺寸範圍，只要眼睛在該第一投射區域Z1的範圍內，都可以觀賞到相同的該TFT-LCD顯示面板3的三個像素31、32、33。
以圖22A的第一投射區域Z1的尺寸範圍為基礎，建構出兩倍尺寸的投射區域(即第一投射區域Z1加第二投射區域Z2)的眼盒Z時，可以採用如圖22B之實施態樣。相較於圖22A的實施態樣，圖22B之實施態樣是採用不同曲率與角度的微凹面鏡210陣列的反射式窄角擴散片20，使該第一光線L1被該反射式窄角擴散片2所反射擴散後穿透該TFT-LCD顯示面板3的三個像素31、32、33，然後投射擴散到該第一投射區域Z1與第二投射區域Z2的產生的眼盒Z的範圍，只要眼睛在第一投射區域Z1與第二投射區域Z2的範圍內，都可以觀賞到相同的該TFT-LCD顯示面板3的三個像素31、32、33。然而，這種方式等同於讓第一光線L1的光源分散到眼盒Z的範圍，會讓觀看的影像亮度減半。
若要以第一投射區域Z1的尺寸範圍為基準建構出兩倍尺寸的眼盒Z，也可以採用圖22C所示的實施態樣。於本實施態樣，是採用與圖22A的相同曲率的反射式窄角擴散片，並同時使用了第一光源模組11以及一第二光源模組12。該第一光源模組11投射一第二光線L2至該反射式窄角擴散片2，該第一光源L1被該反射式窄角擴散片2上的微凹面鏡21陣列反射擴散後穿透該TFT-LCD顯示面板3的三個像素31、32、33，然後投射擴散到對應該眼盒Z的該第一投射區域Z1。該第二光源模組12投射一第二光線L2至該反射式窄角擴散片2，該第二光源L2被該反射式窄角擴散片2上的微凹面鏡21陣列反射擴散後穿透該TFT-LCD顯 示面板3的三個像素31、32、33，然後投射擴散到對應該眼盒Z的該第二投射區域Z2。如此一來，只要眼睛在該第一投射區域Z1與該第二投射區域Z2的範圍內，都可以觀賞到相同的該TFT-LCD顯示面板3的三個像素31、32、33，而且影像亮度與圖22A的實施態樣相同，不會因為眼盒Z的尺寸加倍而使亮度減半。
使用多個光源模組對於同一片反射式窄角擴散片而言，就是增加多個不同角度的入射光線，每一個光源模組會在不同的角度產生擴散，因此，光源面積越小所擴散出的眼盒面積越小，光源面積越大所擴散出的眼盒面積越大。
如圖23A與圖23B所示的實施態樣中，眼盒Z的尺寸範圍是由相同尺寸的第一投射區域Z1與第二投射區域Z2組成，每一個投射區域Z1,Z2是由個別的光源模組所產出，詳言之，兩個投射區域Z1,Z2左右並排成該眼盒Z，一第一光源模組101對應形成一第一投射區域Z1，一第二光源模組102對應形成一第二投射區域Z2，只要眼睛在此眼盒Z內所看到的都是相同畫面。該第一光源模組101與該第二光源模組102同時投射光線，相當於在眼盒Z中擁有兩個光源的亮度。
如圖24所示的實施態樣中，眼盒Z是將四個投射區域左右連續並排而成，其中，一第一光源模組101對應形成一第一投射區域Z1，一第二光源模組102對應形成一第二投射區域Z2，一第三光源模組103對應形成一第三投射區域Z3，一第四光源模組104對應形成一第四投射區域Z4。如圖25所示，當該第一光源模組101、該第二光源模組102、該第三光源模組103與該第四光源模組104同時投射光線，相當於在長型眼盒Z中擁有四個光源的亮度，且只要眼睛在此眼盒Z內所看到的都是相同畫面。
如圖26所示的實施態樣中，眼盒Z是將四個投射區域排成一矩陣，一第一光源模組101對應形成一第一投射區域Z1，一第二光源模組102對應形成 一第二投射區域Z2，一第三光源模組103對應形成一第三投射區域Z3，一第四光源模組104對應形成一第四投射區域Z4。如圖27所示，當該第一光源模組101、該第二光源模組102、該第三光源模組103與該第四光源模組104同時投射光線，相當於在矩陣眼盒Z的投射區域擁有四個光源的亮度。
投射區域組合與排列形成眼盒尺寸的實施態樣不限於此處所舉的例子，可依需求做變化。
1:光源模組
2:反射式窄角擴散片
21:微凹面鏡
3:TFT-LCD顯示面板
G:影像
L:光線
Z:眼盒

Claims (15)

  1. 一種指向性背光式顯示裝置，包含：一光源模組，投射一光線；一反射式窄角擴散片，該反射式窄角擴散片上有複數個微曲面鏡組成的陣列，該反射式窄角擴散片反射該光線並將該光線以一窄擴散角均勻光束投射；以及一背光式顯示面板，置於該光線被該反射式窄角擴散片投射的一路徑上，該背光式顯示面板顯示的一影像藉由該光線投射到一投射區域，該影像的每一個像素對應到該反射式窄角擴散片上至少一個微曲面鏡，投射至每一該像素的光線都能均勻擴散到該投射區域，該背光式顯示面板的所有像素所擴散的區域皆重疊於該投射區域。
  2. 如請求項1所述的指向性背光式顯示裝置，其中，該背光式顯示面板上的每一個像素的顏色子像素，是以該子像素的長邊垂直於該背光式顯示面板的上下方向排列。
  3. 如請求項1所述的指向性背光式顯示裝置，其中，在該反射式窄角擴散片與該光源模組之間包含一平凸柱狀透鏡或一雙凸柱狀透鏡，將該光源模組的投射光區調整為橢圓形。
  4. 如請求項1所述的指向性背光式顯示裝置，其中，在該反射式窄角擴散片與該光源模組之間包含一平凸雙曲透鏡或一雙凸雙曲透鏡，將該光源模組的投射光區調整為近似長方形的形狀。
  5. 如請求項1所述的指向性背光式顯示裝置，其中，該光源模組包含一高瓦特數的LED、或是一LED陣列、或是一具有準直鏡的LED、或是一具有準直鏡LED的LED陣列。
  6. 如請求項1所述的指向性背光式顯示裝置，其中，在該路徑上更包含一擋風玻璃，位於該投射區域的投射方向上。
  7. 如請求項1所述的指向性背光式顯示裝置，其中，在該路徑上更包含一凹面鏡，將位於該投射區域的投射方向上。
  8. 如請求項1所述的指向性背光式顯示裝置，其中，該反射式窄角擴散片可用以調整該投射區域的尺寸範圍、觀看亮度、角度位置。
  9. 如請求項1所述的指向性背光式顯示裝置，其中，該光源模組可用以調整該投射區域的尺寸範圍、觀看亮度、角度位置。
  10. 如請求項1所述的指向性背光式顯示裝置，其中，在該反射式窄角擴散片與該光源模組之間更包含至少一個反射鏡片。
  11. 如請求項1至10中任一項所述的指向性背光式顯示裝置，其中，該光源模組的數量為複數個，其中至少二個光源模組分別投射出一第一光線與一第二光線，該反射式窄角擴散片反射該第一光線與該第二光線，將該第一光線與該第二光線各以該窄擴散角均勻光束投射；該背光式顯示面板置於該第一光線與該第二光線被該反射式窄角擴散片投射的該路徑上，該第一光線通過該背光式顯示面板時將該影像投射到該投射區域，該第二光線通過該背光式顯示面板時將該影像投射到另一投射區域。
  12. 如請求項11所述的指向性背光式顯示裝置，其中，該背光式顯示面板所顯示的影像一部份為一左眼視差影像，另一部分為一右眼視差影像。
  13. 如請求項11所述的指向性背光式顯示裝置，其中，該背光式顯示面板以時間多工的方式交替顯示一左眼視差影像與一右眼視差影像，該光源模組投射該第一光線與該第二光線分別與該背光式顯示面板該顯示該左眼視差影像、該右眼視差影像的時序同步，其中該第一光線與該第二光線交接之間有全暗時段，對應背光式顯示面板的影像轉換延遲，影像時序切換的時間小於視覺暫留的時間。
  14. 如請求項11所述的指向性背光式顯示裝置，其中，該背光式顯示面板所顯示的影像一部份為一第一雙眼影像，另一部分為一第二雙眼影像。
  15. 如請求項11所述的指向性背光式顯示裝置，其中，該背光式顯示面板以時間多工的方式交替顯示一第一雙眼影像與一第二雙眼影像，該光源模組投射該第一光線與該第二光線分別與該背光式顯示面板該顯示該第一雙眼影像、該第二雙眼影像的時序同步，其中該第一光線與該第二光線交接之間有全暗時段，對應背光式顯示面板的影像轉換延遲，影像時序切換的時間小於視覺暫留的時間。
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