TWI777476B - 立體影像顯示裝置 - Google Patents

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TWI777476B
TWI777476B TW110111910A TW110111910A TWI777476B TW I777476 B TWI777476 B TW I777476B TW 110111910 A TW110111910 A TW 110111910A TW 110111910 A TW110111910 A TW 110111910A TW I777476 B TWI777476 B TW I777476B
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丁志宏
張凱傑
侯昕佑
陳冠宇
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幻景啟動股份有限公司
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Abstract

本發明公開一種立體影像顯示裝置，包含平面顯示單元、透鏡陣列單元及間隔單元。平面顯示單元具有顯示面。透鏡陣列單元包含至少一聚光透鏡，並且聚光透鏡設置於顯示面的一側。間隔單元設置於顯示面與聚光透鏡之間，以使得透鏡陣列單元與平面顯示單元呈間隔設置。其中，在立體影像顯示裝置的光場系統中，平面顯示單元的顯示面至透鏡陣列單元的聚光透鏡之間的物距經組態使得立體影像顯示裝置在光場系統中的一中心深度平面（CDP，central depth plane）的絕對值是介於1 mm至200 mm 之間。

Description

立體影像顯示裝置
本發明涉及一種立體影像顯示裝置，特別是涉及一種改善立體影像顯示品質的立體影像顯示裝置。
一般來說，立體影像顯示裝置在平面顯示器的顯示畫素及透鏡陣列單元之間會存在許多不同的透光層，例如：覆蓋於顯示畫素上的光學材料層（如：保護膜、擴散片、增亮片、導光板…等）；或者，用來支撐透鏡陣列單元的透鏡支撐基層。
然而，現有的立體影像顯示裝置在上述透光層的設計上，並未具有特別的考量。再者，現有的立體影像顯示裝置在平面顯示器以及透鏡陣列單元之間的物距（object distance）設計上，也並未具有特別的考量，從而使得立體影像顯示裝置在成像時，立體影像顯示品質不佳的問題，例如：色塊或解析度不佳等問題。
綜上所述，本發明人有感上述缺失可改善，乃特潛心研究並配合學理之應用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種立體影像顯示裝置。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種立體影像顯示裝置，其包括：一平面顯示單元，其具有一顯示面；一透鏡陣列單元，其包含至少一聚光透鏡，並且所述聚光透鏡是設置於所述顯示面的一側；以及一間隔單元，其設置於所述顯示面與所述聚光透鏡之間，以使得所述透鏡陣列單元與所述平面顯示單元呈間隔設置；其中，在所述立體影像顯示裝置的一光場系統中，所述平面顯示單元的所述顯示面至所述透鏡陣列單元的所述聚光透鏡之間的一物距經組態使所述立體影像顯示裝置在所述光場系統中的一中心深度平面（CDP，central depth plane）的絕對值是介於1 mm至200 mm之間。
優選地，在所述立體影像顯示裝置運作時，所述平面顯示單元的所述顯示面經配置產生一集成式影像（integral image），所述集成式影像的光線能依序穿透所述間隔單元及所述透鏡陣列單元，並且所述透鏡陣列單元經配置將所述集成式影像重新匯聚在所述立體影像顯示裝置上方的空間中，以形成經重組的一立體影像（stereo image）。
優選地，所述顯示面至所述聚光透鏡之間的所述物距滿足以下公式：
Figure 02_image001
；其中，s為所述物距；s1為等效間距，其是將所述間隔單元等效為空氣層所計算出來的間距；A 1為所述聚光透鏡的一第一表面的頂點的位置，並且所述第一表面為所述聚光透鏡面向所述顯示面的表面；H為所述聚光透鏡的一第一主光點的位置；並且，A 1H為A 1至H的距離。
優選地，所述間隔單元包含彼此堆疊的多個透光層，多個所述透光層由所述平面顯示單元的所述顯示面至所述透鏡陣列單元的所述聚光透鏡的方向依序定義為第一透光層至第n透光層，並且n為不小於2的正整數。
優選地，所述第一透光層至所述第n透光層依序具有第一厚度T1至第n厚度Tn，並且所述第一透光層至所述第n透光層依序具有第一折射率N1至第n折射率Nn；其中，所述等效間距s1的計算公式為：
Figure 02_image003
。
優選地，所述等效間距s1的計算是先將所述第一厚度T1至所述第n厚度Tn分別除以所述第一折射率N1至所述第n折射率Nn，接著，將所計算出來的n個數值進行加總，以得到所述等效間距s1。
優選地，所述間隔單元的多個所述透光層的層數是介於2層至20層之間；在多個所述透光層中，每個所述透光層具有介於0.01 mm至30 mm之間的一厚度，並且每個所述透光層具有介於1至2之間的一折射率。
優選地，所述間隔單元的多個所述透光層包含覆蓋於所述平面顯示單元的所述顯示面上的至少一光學材料層，以及用來支撐所述透鏡陣列單元的所述聚光透鏡至少一支撐基層。
優選地，所述立體影像顯示裝置在所述光場系統中的所述中心深度平面（CDP，central depth plane）是將所述物距代入所述光場系統的一透鏡成像公式計算所求得。
優選地，所述平面顯示單元的所述顯示面為液晶顯示器的一顯示畫素；並且，所述聚光透鏡為球面透鏡、非球面透鏡、透鏡組、雙凸透鏡、平凸透鏡、凹凸透鏡、及涅菲爾透鏡的至少其中之一。
優選地，所述間隔單元為僅具有單層結構的透光層。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的立體影像顯示裝置，其能通過“在所述立體影像顯示裝置的一光場系統中，所述平面顯示單元的所述顯示面至所述透鏡陣列單元的所述聚光透鏡之間的一物距經組態使所述立體影像顯示裝置在所述光場系統中的一中心深度平面（CDP，central depth plane）的絕對值是介於1 mm至200 mm之間”，以有效地改善立體影像顯示品質不佳的問題，例如：色塊或解析度不佳等問題。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
[立體影像顯示裝置]
請參閱圖1所示，本發明實施例提供一種立體影像顯示裝置100（stereoscopic image display device）。所述立體影像顯示裝置100可以應用於光電、醫療、軍事、展示、顯示器、教育、娛樂、及消費型電子等應用領域。所述立體影像顯示裝置100可以例如是一主動式漂浮立體影像顯示裝置，其能在立體影像顯示裝置100上方的空間顯示一立體影像（stereo image）。再者，所述立體影像顯示裝置100在使用時可以例如是設置於桌面、地面、或天花板…等任意合適的設置位置上。
本發明實施例所提供的立體影像顯示裝置100包含：一平面顯示單元1（flat panel display unit）、一透鏡陣列單元2（lens array unit）、及一間隔單元3（spacer unit）。其中，所述平面顯示單元1具有一顯示面11（也稱顯示畫素），所述透鏡陣列單元2是設置於平面顯示單元1的顯示面11的一側，並且所述間隔單元3是設置於平面顯示單元1與透鏡陣列單元2間，以使得所述透鏡陣列單元2與平面顯示單元1通過間隔單元3、而彼此呈間隔設置。
在立體影像顯示裝置100運作時，所述平面顯示單元1的顯示面11經配置發射出光線（或稱光線簇，light cluster）以產生一集成式影像（integral image），該集成式影像的光線能依序穿透間隔單元3及透鏡陣列單元2，且所述透鏡陣列單元2經配置將該集成式影像重新匯聚在立體影像顯示裝置100上方的空間中，以形成一立體影像（stereo image）。
進一步地說，所述平面顯示單元1是用來顯示集成式攝影（integral photography）技術的圖案，並且所述平面顯示單元1進一步包含有用來執行演算法的演算元件（圖未繪示）。再者，所述平面顯示單元1的顯示面11所顯示的集成式影像，是通過將一平面影像進行演算及重新繪製所產生的，但本發明不受限於此。
在本發明的一些實施方式中，所述平面顯示單元1可以例如是一主動式平面顯示器（active flat panel display）。舉例而言，所述平面顯示單元1可以例如是智慧型手機、平板電腦、平面螢幕…等具有LCD螢幕或LED螢幕的電子裝置。對於所述平面顯示單元1的型式及構造，本發明並不予以限制。所述平面顯示單元1的特點在於可以控制立體影像的切換，以達到動態畫面顯示的效果。
在本發明的一些實施方式中，所述平面顯示單元1也可以例如是一被動式平面顯示裝置（passive flat panel display），其僅能顯示靜態的圖案，且不能隨意更動影像畫面。舉例而言，所述平面顯示單元1可以例如是燈箱繪圖裝置、光罩刻圖裝置、印刷繪圖裝置…等僅能顯示靜態圖案的裝置。
進一步地說，所述透鏡陣列單元2具有調控光場的能力（ability of controlling light field）。所述透鏡陣列單元2包含有多個聚光透鏡21，並且多個所述聚光透鏡21經配置調控立體影像的光線角度，進而提供使用者觀看立體影像的不同角度。藉此，該使用者對立體影像能感受深度的立體視覺。
每個所述聚光透鏡21的鏡面曲率由透鏡的材料決定，並且所述透鏡陣列單元2配合平面顯示單元1的設置，能決定立體影像的顯示高度、可視角度的範圍、及立體影像的清晰程度。
在本發明的一些實施方式中，每個所述聚光透鏡21是由光學特性良好的材料所製成。舉例而言，所述聚光透鏡21的材料是選自由玻璃（glass）、聚甲基丙烯酸甲酯（poly (methyl methacrylate)，PMMA）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、及聚乙烯（polyethylene，PE），所組成的材料群組的至少其中之一，但本發明不受限於此。所述聚光透鏡21的材料只要能具有適合用來形成透鏡的光穿透率及軟硬程度，即符合本發明的保護精神，而屬於本發明的保護範圍。
在本發明的一些實施方式中，每個所述聚光透鏡21的種類可以例如是雙凸透鏡、平凸透鏡、或菲涅爾透鏡…等具有聚光能力（或稱聚焦能力）的透鏡。
在本發明的一些實施方式中，多個所述聚光透鏡21是設置於平面顯示單元1的顯示面11的一側，並且所述間隔單元3是設置於平面顯示單元1與聚光透鏡21之間。再者，多個所述聚光透鏡21呈矩陣狀排列、交錯狀排列、或無規則排列，本發明並不予以限制。
進一步地說，所述間隔單元3為設置於平面顯示單元1與透鏡陣列單元2之間的彼此堆疊的多個透光層31（lght-transmissive layer）。所述間隔單元3能用來間隔及支撐平面顯示單元1與透鏡陣列單元2，並且所述間隔單元3能用來提供光線穿透於其中。
值得一提的是，上述透光層31可以例如是具有固態介質（如：OCA膠或玻璃）的透光層，但本發明不受限於此。所述透光層31也可以例如是具有氣態介質（如：空氣或其它氣體）的透光層，或者，所述透光層31也可以例如是具有液態介質的透光層，本發明並不予以限制。舉例而言，在多個所述透光層31中，部分的所述透光層31可以設計為具有固態介質的透光層，而另一部分的所述透光層31可以設計為具有氣態介質的透光層。
一般來說，立體影像顯示裝置100在平面顯示單元1的顯示面11（顯示畫素）及透鏡陣列單元2之間會存在許多不同的透光層，例如：覆蓋於平面顯示單元1的顯示面11上的光學材料層（如：保護膜、擴散片、增亮片、導光板…等）；或者，用來支撐透鏡陣列單元2的透鏡支撐基層。
然而，現有的立體影像顯示裝置在上述透光層的設計上，並未具有特別的考量。再者，現有的立體影像顯示裝置在平面顯示單元以及透鏡陣列單元之間的物距（object distance）設計上，也並未具有特別的考量，從而使得立體影像顯示裝置在成像時，立體影像顯示品質不佳的問題，例如：色塊或解析度不佳等問題。
為了解決上述的技術問題，本發明的主要技術特徵在於，平面顯示單元1的顯示面11（顯示畫素）至透鏡陣列單元2之間的物距在設計上需要滿足一預定範圍（0.5 mm至300 mm、優選1 mm至150 mm），其帶入成像公式後所得的一CPD絕對值範圍需介於1 mm至200 mm之間、且優選介於5 mm至150 mm之間，進而改善現有技術存在的立體影像品質下降的問題。
為了更清楚說明及瞭解本發明的主要技術特徵及技術效果，以下將依序針對與本發明實施方式相關的透鏡參數及與成像公式相關的推導步驟進行說明。其中，上述推導步驟依序包含：
推導步驟1—計算聚光透鏡的屈光率；
推導步驟2—推導聚光透鏡的主光點/主平面的位置；
推導步驟3—計算平面顯示單元的顯示面以及聚光透鏡之間的等效間距（也就是，將間隔單元等效為空氣層）；以及
推導步驟4—計算成像距離。
[透鏡參數]
請參閱圖2所示，本發明實施例的聚光透鏡是以雙凸透鏡（biconvex lens）為例子做說明，並且所述聚光透鏡具有如下參數。
其中，平面顯示單元的顯示面至聚光透鏡之間的透鏡參數如下：
n：入射面介質的折射率，也就是，位於平面顯示單元的顯示面至聚光透鏡之間的透光層的折射率。
A 1：聚光透鏡的第一表面的頂點或光學中點。其中，所述第一表面為聚光透鏡的面朝向平面顯示單元的表面。在本實施例中，聚光透鏡為雙凸透鏡，聚光透鏡的第一表面為外凸曲面、且可以定義為第一曲面，但本發明不受限於此。舉例而言，所述聚光透鏡也可以例如是平凸透鏡（planoconvex lens），並且聚光透鏡的第一表面可以例如是平整表面。
r 1（圖未標示）：聚光透鏡的第一表面的曲率半徑。
H：聚光透鏡在成像系統中的第一主光點/平面。
F：成像系統中的第一焦點。
f(H-F的距離)：成像系統中的第一焦距長，也就是，第一主光點/平面H至第一焦點F的距離。
A 1-F的距離：成像系統中的前焦距長，也就是，第一表面的頂點A 1至第一焦點F的距離。
A 1-H的距離：聚光透鏡中第一表面的頂點A 1至第一主光點/平面H的距離。
其中，聚光透鏡本身的透鏡參數如下：
n’：聚光透鏡本身的折射率。
d：聚光透鏡本身的厚度（也就是，A 1至A 2的距離）。
其中，聚光透鏡至立體影像之間的透鏡參數如下：
n’’：出射面介質的折射率，也就是，位於聚光透鏡至立體影像之間的材料介質或空氣介質的折射率。
A 2：聚光透鏡的第二表面的頂點或光學中點。其中，所述第二表面為聚光透鏡的遠離平面顯示單元的表面。在本實施例中，聚光透鏡為雙凸透鏡，聚光透鏡的第二表面也為外凸曲面、且可以定義為第二曲面。
r 2（圖未標示）：聚光透鏡的第二表面的曲率半徑。
H’’：聚光透鏡在成像系統中的第二主光點/平面。
F’’：成像系統中的第二焦點。
f’’(H’’-F’’的距離)：成像系統中的第二焦距長，也就是，第二主光點/平面H’’至第二焦點F’’的距離。
A 2-F’’的距離：成像系統中的後焦距長，也就是，第二表面的頂點A 2至第二焦點F’’的距離。
A 2-H’’的距離：聚光透鏡中第二表面的頂點A 2至第二主光點/平面H’’的距離。
在上述參數中，n、r 1、n’、d、n”、r 2，為公式計算實際所需要先已知的物理量，利用該些物理量帶入後續的公式，即可推導出其它的參數。
另外，值得一提的是，在上述成像系統中，若所述第一表面為凸透鏡曲面，則r 1的數值為正值；若所述第一表面為凹透鏡曲面，則r 1的數值為負值。進一步地說，若所述第二表面為凹透鏡曲面，則r 2的數值為正值；若所述第二表面為凸透鏡曲面，則R 2的數值為負值。
[推導步驟1]
推導步驟1為計算聚光透鏡的屈光率，其是通過將以上已知的物理量n、r 1、n’、d、n”、r 2，帶入以下公式1-1及公式1-2，即可以分別計算出P 1及P 2的數值。其中，P 1為第一表面（第一曲面）的屈光率（refractive index），並且P 2為第二表面（第二曲面）的屈光率。
Figure 02_image005
·················································· （公式1-1）
Figure 02_image007
················································· （公式1-2）
接著，將以上計算得知的P 1及P 2帶入以下公式1-3，即可以計算出P的數值。其中，P為透鏡成像系統整體的屈光率。
Figure 02_image009
····································· （公式1-3）
接著，將以上計算得知的P帶入以下公式1-4，即可以分別計算出f(H-F的距離)及f’’(H’’-F’’的距離)。其中，f(H-F的距離)為成像系統中的第一焦距長，並且f’’(H’’-F’’的距離)為成像系統中的第二焦距長。
Figure 02_image011
················································ （公式1-4）
[推導步驟2]
推導步驟2為推導聚光透鏡的主光點/主平面的位置，其是通過將以上計算所得的P 1、P 2、P、f、f’’，帶入以下公式2-1及公式2-2，即可以分別計算出聚光透鏡在成像系統中的第一主光點/平面H及第二主光點/平面H’’ 的位置。再者，A 1H的距離及A 2H’’的距離也可以被計算出來。
Figure 02_image013
······································· （公式2-1）
Figure 02_image015
······························ （公式2-2）
其中，f 1為第一表面（第一曲面）的第一焦距長，並且f 1’為第一表面（第一曲面）的第二焦距長。再者，f 2’為第二表面（第二曲面）的第一焦距長，並且f 2”為第二表面（第二曲面）的第二焦距長。上述參數的關係如以下公式2-3及公式2-4。
Figure 02_image017
··············································· （公式2-3）
Figure 02_image019
·············································· （公式2-4）
[推導步驟3]
請參閱圖3所示，推導步驟3為計算平面顯示單元1的顯示面11（顯示畫素）及透鏡陣列單元2的聚光透鏡21間的等效間距s1。也就是，將間隔單元3的多個透光層31等效為空氣層，並且所述等效間距s1為將間隔單元3等效為空氣層後所計算出來的間距。
更具體地說，在將上述推導步驟1及推導步驟2所求得的參數帶入透鏡成像系統的成像公式以前，透鏡陣列單元2的等效間距s1需要先被計算出來。
在立體影像成像的光場系統中，物（object）的位置即是平面顯示單元1的顯示面11（顯示畫素）。然而，在實際應用時，立體影像顯示裝置100在平面顯示單元1的顯示面11（顯示畫素）及透鏡陣列單元2的聚光透鏡21之間會存在許多不同的透光層31，例如：覆蓋於平面顯示單元1的顯示面11上的光學材料層（如：保護膜、擴散片、增亮片、導光板…等）；或者，用來支撐透鏡陣列單元2的透鏡支撐基層。因此，等效間距s1需要先被計算出來，也就是將間隔單元3等效為空氣層後所計算出來的厚度。
請繼續參閱圖3所示，所述間隔單元包含彼此堆疊的多個透光層31，並且多個所述透光層31由平面顯示單元1的顯示面11至透鏡陣列單元2的聚光透鏡21的方向可以依序定義為第一透光層311至第n透光層31n，且n為不小於2的一正整數、優選為2至20之間的正整數、且特優選為2至10之間的正整數。
其中，所述第一透光層311至第n透光層31n依序具有第一厚度T1至第n厚度Tn，並且所述第一透光層311至第n透光層31n依序具有第一折射率N1至第n折射率Nn。
在多個所述透光層31中，每個所述透光層31（311~31n）具有介於0.01 mm至30mm之間的一厚度，並且多個所述透光層31的厚度設計可以彼此相同或不同，本發明並不予以限制。其中，厚度為0.01 mm的透光層可以例如是OCA光學膠層，並且厚度為30mm的透光層可以例如是玻璃層。
在多個所述透光層31中，每個所述透光層31（311~31n）具有介於1至2之間的一折射率，並且多個所述透光層31的折射率設計可以彼此相同或不同，本發明並不予以限制。其中，折射率為1的透光層可以例如是空氣層，並且折射率為2的透光層可以例如是高折射率玻璃層。
上述等效間距s1的計算方式如以下公式3-1。
Figure 02_image003
········································ （公式3-1）
也就是說，上述等效間距s1的計算方式是先將第一厚度T1至第n厚度Tn分別除以第一折射率N1至第n折射率Nn，所計算出來的n個數值的總和。藉此，所述等效間距s1能被計算出來。
[推導步驟4]
請參閱圖4所示，推導步驟4為計算像距（image distance）。
更具體地說，在立體影像的成像系統中，物距s（object distance）為物M（顯示面，顯示畫素）到第一主光點H的距離，也就是，物M到第一表面（第一曲面）頂點A 1的距離s1（帶入上述等效間距s1）加上第一表面頂點A 1到第一主光點/平面H的距離A 1H，其可以如以下公式4-1表示。
Figure 02_image001
················································ （公式4-1）
接著，將通過公式4-1計算所得的物距s帶入以下的成像公式4-2，可以求得像距s”的數值。
Figure 02_image021
······································· （公式4-2）
接著，將通過公式4-2計算所得的像距s”帶入以下公式4-3，可以得到s2的數值，即像M”（立體影像）到第二表面（第二曲面）頂點A 2的距離。
Figure 02_image023
·············································· （公式4-3）
從另一個角度說，像距s”為像M”到第二主光點H”的距離，也就是，像M”到第二表面（第二曲面）頂點A 2的距離s2加上第二表面頂點A 2到第二主光點/平面H”的距離A 2H”。
其中，上述s2為經重組的立體影像理論上最清楚的成像平面，即中心深度平面（CDP，central depth plane）。
[中心深度平面CDP的範圍]
本發明實施例的立體影像顯示裝置100的透鏡陣列單元2的聚光透鏡21，可以利用上述四個推導步驟計算出立體影像顯示裝置100的光場系統的中心深度平面CDP。
若所述中心深度平面CDP的數值過小，其會導致成像高度較高的立體影像的成像品質下降。若所述中心深度平面CDP的數值過大，其會導致色塊的問題。其中，球面透鏡、非球面透鏡、透鏡組、雙凸透鏡、平凸透鏡、凹凸透鏡、或涅菲爾透鏡，皆適用為本發明的聚光透鏡。
本申請發明人根據模擬及實驗結果得知，所述中心深度平面CDP的數值具有一較佳範圍。也就是說，所述中心深度平面CDP數值的絕對值（由於負像距的條件下也適用）是介於1 mm至200 mm之間、且較佳是介於5 mm至150 mm。其中，模擬的軟體可以例如是：ASAP、Zemax、Light Tools、RSoft、Code v、TracePro，但本發明不受限於此。
基於上述條件，本發明實施例的立體影像顯示裝置100所產生的立體影像能具有較佳的成像品質（如：立體影像具有較佳的解析度及無色塊問題）。
換個角度說，本發明的主要技術特徵在於，所述平面顯示單元1的顯示面11（顯示畫素）至透鏡陣列單元2的聚光透鏡21之間的物距s（即，等效間距s1加上第一表面頂點A 1到第一主光點/平面H的距離A 1H）在設計上需要滿足一預定範圍（0.5 mm至300 mm、優選1 mm至150 mm），並且該預定範圍帶入光場系統的成像公式後所得的一CPD的絕對值需介於1 mm至200 mm之間、且較佳是介於5 mm至150 mm之間。藉此，現有技術中存在的立體影像品質下降的問題能被有效地改善。
進一步地說，在集成式影像（integral image）的成像系統中，成像系統可以根據物距與透鏡焦距的關係大致分為兩種，即解析度優先的成像系統及深度優先的成像系統。
當物距大於焦距時，此成像系統的模式稱為解析度優先的集成式影像模式（resolution priority integral image mode，簡稱RPII mode）。在此模式下，立體影像顯示裝置無法還原成像高度較高的飄浮立體影像，其只能還原成像高度較低的飄浮立體影像。相對地，在上述解析度優先的集成式影像模式下，經還原的飄浮立體影像能具有較佳的解析度。
當物距非常接近焦距時，此成像系統的模式稱為深度優先的集成式影像模式（depth priority integral image mode，簡稱DPII mode）。在此模式下，立體影像顯示裝置的顯示面的顯示畫素所發出的光線可視為趨近於平行光，因此立體影像的景深（depth of field，DOF）會較深。再者，成像高度較高或成像高度較低的立體影像的各個成像面的解析度都會較差（由於光場系統的放大率遠較於RPII來的大。
當所述中心深度平面CDP數值的絕對值過小時，其可視為接近RPII mode，故成像高度較高的飄浮立體影像的成像品質會急速下降。當所述中心深度平面CDP數值的絕對值過大時，其可視為接近DPII mode，即立體影像顯示裝置的顯示面的顯示畫素所發出的光線可視為接近平行光。由於一般螢幕像素都為RGB三色子像素（sub pixel）所構成，所以當所述顯示畫素所發出的光線接近平行光、且光場系統放大率較大時，三色子像素無法有效地混合，進而造成色塊問題。
如圖5所示，在本發明的另一實施例中，所述立體影像顯示裝置100’的透鏡陣列單元2’的多個聚光透鏡21’皆為平凸透鏡，其在設計上只要能使中心深度平面（CDP，central depth plane）的絕對值是介於1 mm至200 mm之間，即符合本發明的保護精神，而屬於本發明的保護範疇。
如圖6所示，在本發明的又一實施例中，所述立體影像顯示裝置100”的間隔單元3’也可以例如為僅具有單層結構的透光層31’，其在設計上只要能使中心深度平面（CDP，central depth plane）的絕對值是介於1 mm至200 mm之間，即符合本發明的保護精神，而屬於本發明的保護範疇。
再者，所述單層結構的透光層31’可以例如是具有固態介質的透光層、具有氣態介質、或具有液態介質的透光層，本發明並不予以限制。
[實施例的有益效果]
本發明的其中一有益效果在於，本發明實施例所提供的立體影像顯示裝置，其能通過“在所述立體影像顯示裝置的一光場系統中，所述平面顯示單元的所述顯示面至所述透鏡陣列單元的所述聚光透鏡之間的一物距經組態使所述立體影像顯示裝置在所述光場系統中的一中心深度平面（CDP，central depth plane）的絕對值是介於1 mm至200 mm之間”，以有效地改善立體影像顯示品質不佳的問題，例如：色塊或解析度不佳等問題。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
100、100’、100”:立體影像顯示裝置 1:平面顯示單元 11:顯示面（顯示畫素） 2、2’:透鏡陣列單元 21、21’:聚光透鏡 n:入射面介質折射率 n’:聚光透鏡本身折射率 n’’:出射面介質折射率 A 1:聚光透鏡第一表面的頂點或光學中點 A 2:聚光透鏡第二表面的頂點或光學中點 H:第一主光點/平面 H’’:第二主光點/平面 F:第一焦點 F’’:第二焦點 f:第一焦距長 f’’:第二焦距長 d:聚光透鏡本身厚度 M:物（顯示面） M”:像（立體影像） s1:等效間距 s2:中心深度平面（CDP，central depth plane） A 1H:A 1至H的距離 A 2H”:A 2至H”的距離 s”:像距 3、3’:間隔單元 31、31’:透光層 311~31n:第一透光層~第n透光層 T1~Tn:第一厚度~第n厚度 N1~Nn:第一折射率~第n折射率
圖1為本發明一實施例立體影像顯示裝置的示意圖（聚光透鏡為雙凸透鏡）。
圖2為本發明聚光透鏡的光學路徑示意圖（一）。
圖3為圖1的區域III的局部放大示意圖，其顯示位於平面顯示單元及透鏡陣列單元之間的多個透光層。
圖4為本發明聚光透鏡的光學路徑示意圖（二）。
圖5為本發明另一實施例立體影像顯示裝置的示意圖（聚光透鏡為平凸透鏡）。
圖6為本發明又一實施例立體影像顯示裝置的示意圖（間隔單元為單層結構）。
100:立體影像顯示裝置
1:平面顯示單元
11:顯示面(顯示畫素)
2:透鏡陣列單元
21:聚光透鏡
3:間隔單元
31:透光層
311~31n:第一透光層~第n透光層
T1~Tn:第一厚度~第n厚度
N1~Nn:第一折射率~第n折射率
s1:等效間距

Claims (9)

  1. 一種立體影像顯示裝置，其包括：一平面顯示單元，其具有一顯示面；一透鏡陣列單元，其包含至少一聚光透鏡，並且所述聚光透鏡是設置於所述顯示面的一側；以及一間隔單元，其設置於所述顯示面與所述聚光透鏡之間，以使得所述透鏡陣列單元與所述平面顯示單元呈間隔設置；其中，在所述立體影像顯示裝置的一光場系統中，所述平面顯示單元的所述顯示面至所述透鏡陣列單元的所述聚光透鏡之間的一物距需滿足0.5mm至300mm的一預定範圍，並且所述預定範圍帶入所述光場系統的成像公式後所得的一中心深度平面(CDP，central depth plane)的絕對值是介於1mm至200mm之間。
  2. 如請求項1所述的立體影像顯示裝置，其中，在所述立體影像顯示裝置運作時，所述平面顯示單元的所述顯示面經配置產生一集成式影像(integral image)，所述集成式影像的光線能依序穿透所述間隔單元及所述透鏡陣列單元，並且所述透鏡陣列單元經配置將所述集成式影像重新匯聚在所述立體影像顯示裝置上方的空間中，以形成經重組的一立體影像(stereo image)。
  3. 如請求項1所述的立體影像顯示裝置，其中，所述顯示面至所述聚光透鏡之間的所述物距滿足以下公式：s=s1+A1H其中，s為所述物距；s1為等效間距，其是將所述間隔單元等效為空氣層所計算出來的間距；A1為所述聚光透鏡的一第一表面的頂點的位置，並且所述第一表面為所述聚光透鏡面向所述顯示面的表面；H為所述聚光透鏡的一第一主 光點的位置；並且，A1H為A1至H的距離。
  4. 如請求項3所述的立體影像顯示裝置，其中，所述間隔單元包含彼此堆疊的多個透光層，多個所述透光層由所述平面顯示單元的所述顯示面至所述透鏡陣列單元的所述聚光透鏡的方向依序定義為第一透光層至第n透光層，並且n為不小於2的正整數。
  5. 如請求項4所述的立體影像顯示裝置，其中，所述第一透光層至所述第n透光層依序具有第一厚度T1至第n厚度Tn，並且所述第一透光層至所述第n透光層依序具有第一折射率N1至第n折射率Nn；其中，所述等效間距s1的計算公式為：
    Figure 110111910-A0305-02-0022-1
  6. 如請求項5所述的立體影像顯示裝置，其中，所述間隔單元的多個所述透光層的層數是介於2層至20層之間；在多個所述透光層中，每個所述透光層具有介於0.01mm至30mm之間的一厚度，並且每個所述透光層具有介於1至2之間的一折射率。
  7. 如請求項4所述的立體影像顯示裝置，其中，所述間隔單元的多個所述透光層包含覆蓋於所述平面顯示單元的所述顯示面上的至少一光學材料層，以及用來支撐所述透鏡陣列單元的所述聚光透鏡至少一支撐基層。
  8. 如請求項1所述的立體影像顯示裝置，其中，所述平面顯示單元的所述顯示面為液晶顯示器的一顯示畫素；並且，所述聚光透鏡為球面透鏡、非球面透鏡、透鏡組、雙凸透鏡、平凸透鏡、凹凸透鏡、及涅菲爾透鏡的至少其中之一。
  9. 如請求項1所述的立體影像顯示裝置，其中，所述間隔單元為僅具有單層結構的透光層。
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