TWI808672B - 浮空影像顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

一種浮空影像顯示裝置，用以產生一浮空影像。浮空影像顯示裝置包括一影像模組及至少一透反射式光學元件。影像模組用以提供一第一影像。透反射式光學元件包括一第一反射面及一第二反射面，其中第一影像位於第一反射面與第二反射面之間，第一反射面與第二反射面包括曲面且在其光軸上沒有孔洞。第二反射面為透反射面，第一反射面與第二反射面用以重新會聚來自第一影像的光線，以產生一第二影像，且第二影像為浮空影像。

Description

浮空影像顯示裝置
本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種浮空影像（floating image）顯示裝置。
隨著顯示技術的進步，浮空影像顯示器被發展出來。浮空影像顯示技術可以應用於各種場合。舉例而言，使用者可以與浮空影像互動，以達到某些電子裝置的操作。在與浮空影像互動時，使用者的手指可移動到懸浮在空中的浮空影像的位置，而不會觸碰到顯示器的表面，因此不會造成手指或顯示器表面的污染。這種應用情境，可應用在廚房中，避免顯示器表面的細菌或病毒沾染到食物，或者避免食物沾染了顯示器。
另一方面，隨著新冠肺炎疫情的流行，非接觸式操作逐漸被重視。浮空影像顯示器搭配感測器可實現非接觸式開關或虛擬按鍵，諸如浮空的虛擬電梯按鈕，浮空的虛擬電鈴按鈕或浮空的電燈開關等。
然而，一般的浮空影像顯示器的浮空影像在影像尺寸及浮空高度兩者之間存在權衡限制，也就是當浮空高度超過限制時影像會被裁切。此外，另一種浮空影像顯示器是採用兩個曲面反射鏡來多次反射影像光束以形成浮空影像，而在出光方向的曲面反射鏡的中央（即光軸處）具有開孔，以讓影像光束射出裝置外，而在裝置外成像。然而，由於反射鏡的中央具有開孔而沒有反射及成像的作用，因此當使用者的眼睛位於光軸上或附近時是看不到浮空影像的，使用者在大視角才能看到浮空影像，如此易限制了浮空影像顯示器的應用性。
本發明一實施例提供一種浮空影像顯示裝置，其可提升浮空影像的浮空距離並保持浮空影像的完整性，使用者在光軸上或附近仍然能夠觀看到浮空影像。
本發明一實施例提出一種浮空影像顯示裝置，用以產生一浮空影像。浮空影像顯示裝置包括一影像模組及至少一透反射式光學元件。影像模組用以提供一第一影像。透反射式光學元件包括一第一反射面及一第二反射面，其中第一影像位於第一反射面與第二反射面之間，第一反射面與第二反射面包括曲面且在其光軸上沒有孔洞。第二反射面為透反射面，第一反射面與第二反射面用以重新會聚來自第一影像的光線，以產生一第二影像，且第二影像為浮空影像。
在本發明實施例的浮空影像顯示裝置中，採用了第一反射面與第二反射面讓來自第一影像的光在透反射式光學元件內部多次反射，以在透反射式光學元件的外部形成第二影像（即浮空影像），第二影像的浮空距離可以較大，且保持了第二影像的完整性。另外，第二反射面可為透反射面，且第一反射面與第二反射面在其光軸上沒有孔洞，當使用者的眼睛在光軸上或附近時（即在中央視角時），仍然能夠觀看到浮空影像，如此可提升浮空影像顯示裝置的應用性。
圖1A為本發明的一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖，而圖1B為圖1A的浮空影像顯示裝置的剖面示意圖。請參照圖1A與圖1B，本實施例的浮空影像顯示裝置100，用以產生一浮空影像。浮空影像顯示裝置100包括一影像模組110及至少一透反射式光學元件200（圖1A與圖1B中是以一個透反射式光學元件200為例）。影像模組100用以提供一第一影像101。在本實施例中，影像模組100例如為一真實物體、一平面顯示器、一集成成像顯示器、一投影器、一全像顯示器、一體積式顯示器或其他適當的顯示器，本發明不以此為限。
透反射式光學元件200包括一第一反射面201及一第二反射面202，其中第一影像101位於第一反射面201與第二反射面202之間。第一反射面201與第二反射面202皆包括曲面且在其光軸A上皆沒有孔洞。第二反射面202可為透反射面（transflective surface），且在本實施例中第一反射面201亦可為透反射面。第一反射面201與第二反射面202用以重新會聚來自第一影像101的光線114，以產生一第二影像102，且第二影像102為浮空影像。其中，第一影像101與第二影像102可以是平面影像或立體影像。
在本實施例中，第一反射面201配置於影像模組110與第二反射面202之間，影像模組110用以提供一影像光束112。第二反射面202為透反射面是指，影像光束112在傳遞至第二反射面202時，有一部分的影像光束112會穿透第二反射面202，而另一部分的影像光束112則會被第二反射面202反射。同理，第一反射面201為透反射面是指，影像光束112在傳遞至第一反射面201時，有一部分的影像光束112會穿透第一反射面201，而另一部分的影像光束112則會被第一反射面201反射。在一實施例中，第一反射面201與第二反射面202的穿透率例如約為50%，且第一反射面201與第二反射面202的反射率例如約為50%。在本實施例中，影像光束112穿透第一反射面201後，在第一反射面201與第二反射面202之間形成第一影像101。
在本實施例中，第一反射面201與第二反射面202為拋物面或類拋物面（即接近拋物面的表面），來自第一影像101的光114會被第一反射面201與第二反射面202多次反射後，在透反射式光學元件200的外部會聚成第二影像102。在本實施例中，第二反射面202位於第一影像101與第二影像102之間。
在本實施例中，第一反射面201與第二反射面202皆為無孔洞的連續曲面。具體而言，透反射式光學元件200包括一第一反射鏡210與一第二反射鏡220，且第一反射面201與第二反射面202分別位於第一反射鏡210與第二反射鏡220互相面對的兩個表面上。在本實施例中，第二反射面202由無孔洞的連續透反射膜（transflective film）222所形成，且第一反射面201由無孔洞的連續透反射膜212所形成。此外，在本實施例中，形成第一反射面201的透反射膜212的凹面與形成第二反射面202的透反射膜222的凹面彼此互相面對。另外，在本實施例中，第一反射鏡210與第二反射鏡220互相背對的兩個表面上可設有抗反射膜214及224。然而，在其他實施例中，第一反射鏡210與第二反射鏡220上也可以不設有抗反射膜。
在本實施例中，第一反射鏡210包括可讓影像光束112穿透的透光材質216，第二反射鏡220包括可讓光線114穿透的透光材質226，透反射膜212與透反射膜222可分別配置於透光材質216與透光材質226互相面對的兩個表面上，而抗反射膜214與抗反射膜224可分別配置於透光材質216與透光材質226互相背對的兩個表面上。
在其他實施例中，也可以是用光學微結構來取代第一反射面201的透反射膜212與第二反射面202的透反射膜222，而光學微結構也具有讓影像光束112或光線114部分穿透部分反射的效果。另外，透反射膜212、222或光學微結構在靠近光軸A的部分與遠離光軸A的部分可具有相同結構或不同結構。
在本實施例的浮空影像顯示裝置100中，採用了第一反射面201與第二反射面202讓來自第一影像101的光線114在透反射式光學元件200內部多次反射，以在透反射式光學元件200的外部形成第二影像102（即浮空影像），第二影像102的浮空距離D1（即第二影像102與第二反射鏡220的距離）大於0，且保持了第二影像102的完整性。另外，第二反射面202可為透反射面，且第一反射面201與第二反射面202在其光軸A上沒有孔洞，使得近軸光線與離軸光線可存在於第一反射面201與第二反射面202之間，當使用者的眼睛在光軸A上或附近時（即在中央視角時），仍然能夠觀看到浮空影像（即第二影像102），如此可提升浮空影像顯示裝置100的應用性。本實施例的浮空影像顯示裝置100可提升浮空距離D1，且在各視角（包括中央視角與大視角）能看到完整而未被裁切的浮空影像，可滿足大視角之應用需求，藉以導入虛擬按鍵（例如電梯按鍵）、廣告模板、道路指標或地圖模型等各類載具（例如公共載具）。
在本實施例中，第一反射鏡210可具有直切邊211，且第二反射鏡220可具有直切邊221。換言之，第一反射鏡210的側面具有平面213，且第二反射鏡220的側面具有平面223。如此一來，可在不太影響浮空影像的品質下縮小透反射式光學元件200的體積，進而縮小浮空影像顯示裝置100的體積。此外，第一反射鏡210與第二反射鏡220的切邊不影響第二影像102的形狀品質，而是影響第二影像102的亮度。因此，採用切邊的方式可提升第二影像102對浮空影像顯示裝置100的面積比。
第一反射面201的有效焦距例如是落在60毫米至100毫米的範圍內，第二反射面202的有效焦距例如是落在10毫米至50毫米的範圍內，第一反射面201與第二反射面202在光軸A上的距離例如是落在20毫米至60毫米的範圍內。在本實施例中，第一反射面201的有效焦距例如為80.38毫米，第二反射面202的有效焦距例如為30.07毫米，第一反射面201與第二反射面202在光軸A上的距離例如為40毫米。此外，至少部分的第一反射面201與至少部分的第二反射面202呈圓對稱，例如是第一反射面201與第二反射面202在半徑小於直切邊221的範圍以內的部分相對於光軸A呈圓對稱，其可用以下非球面公式（式(1)）來表達其形狀：
(式1)
其中，r為非球面上的點與光軸A的垂直距離；Sag(r)為非球面平行於光軸A的垂度，也就是非球面之深度（即非球面上距離光軸A為r的點，其與相切於非球面光軸A上頂點之切面，兩者間的垂直距離）；c為非球面近光軸A處的曲率；k為圓錐常數（conic constant）； a 2、 a 4、 a 6及 a 8分別為第2、4、6及8階非球面係數。在一實施例中，第一反射面201的c例如為0.0062毫米 -1，k例如為0.6244， a 2、 a 4、 a 6及 a 8例如分別為0、8.94e-008、-3.16e-010及8.03e-013；第二反射面202的c例如為0.0166毫米 -1，k例如為-2.1779， a 2、 a 4、 a 6及 a 8例如分別為0、4.14e-008、-5.46e-009及1.40e-011。
然而，在其他實施例中，至少部分的第一反射面201與至少部分的第二反射面202也可以是呈橢圓對稱，例如是第一反射面201與第二反射面202在半徑小於直切邊221的範圍以內的部分相對於光軸A呈橢圓對稱。
在本實施例中，第一影像101可位於第一反射面201與第二反射面202之間的中點M與第一反射面201之間（如圖1B所繪示）。
圖2為本發明的另一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖。請參照圖2，本實施例的浮空影像顯示裝置100a與圖1A的浮空影像顯示裝置100類似。本實施例的浮空影像顯示裝置100a例如包括多個排成一維陣列的透反射式光學元件200。在這些透反射式光學元件200中，兩相鄰第一反射鏡210可利用直切邊211承靠在一起，也就是以平面213承靠在一起，兩相鄰第二反射鏡220可利用直切邊221承靠在一起，也就是以平面223承靠在一起。如此一來，這些透反射式光學元件200所形成的多個第二影像即可合在一起形成一個更大的浮空影像。
另一方面，浮空影像顯示裝置100a可以包括多個排成一維陣列的影像模組110，以分別對應於這些透反射式光學元件200。然而，在其他實施例中，浮空影像顯示裝置100a也可以只包括一個影像模組110，但其涵蓋面積較大，而可以在這些透反射式光學元件200中分別形成多個第一影像。
本發明並不限制這些透反射式光學元件200是排成一維陣列，在圖3A、圖3B及圖3C的實施例中，這些透反射式光學元件200亦可以排成二維陣列。圖3A、圖3B與圖3C是本發明的三個實施例的透反射式光學元件沿著光軸的方向看過去的正視示意圖。在圖3A的實施例中，這些透反射式光學元件200的第一反射鏡210與第二反射鏡220分別透過直切邊211與221形成正方形反射鏡，而相鄰的第一反射鏡210以直切邊211互相承靠，相鄰的第二反射鏡220以直切邊221互相承靠，以使這些透反射式光學元件200排成二維正方形陣列，而其對應的影像模組110也可以是多個排成二維正方形陣列的影像模組，或一個涵蓋面積較大的影像模組。
在圖3B的實施例中，這些透反射式光學元件200的第一反射鏡210與第二反射鏡220分別透過直切邊211與221形成矩形反射鏡，而相鄰的第一反射鏡210以直切邊211互相承靠，相鄰的第二反射鏡220以直切邊221互相承靠，以使這些透反射式光學元件200排成二維矩形陣列，而其對應的影像模組110也可以是多個排成二維矩形陣列的影像模組，或一個涵蓋面積較大的影像模組。
在圖3C的實施例中，這些透反射式光學元件200的第一反射鏡210與第二反射鏡220分別透過直切邊211與221形成六邊形反射鏡，而相鄰的第一反射鏡210以直切邊211互相承靠，相鄰的第二反射鏡220以直切邊221互相承靠，以使這些透反射式光學元件200排成二維多邊形陣列，而其對應的影像模組110也可以是多個排成二維多邊形陣列的影像模組，或一個涵蓋面積較大的影像模組。本發明不限制第一反射鏡210、第二反射鏡220的裁切形狀與陣列排列是否對稱，可依使用需求對應設置。
圖4為本發明的另一實施例的浮空影像顯示裝置的剖面示意圖。請參照圖4，本實施例的浮空影像顯示裝置100b類似於圖1B的浮空影像顯示裝置100。在本實施例的浮空影像顯示裝置100b中，第一反射鏡210與第二反射鏡220的側面具有曲面213a、曲面223a或卡榫結構225a。舉例而言，可以是第一反射鏡210與第二反射鏡220的側面皆具有曲面，且皆沒有卡榫結構，或是第一反射鏡210與第二反射鏡220的側面皆具有卡榫結構，且具有曲面或平面，或是第一反射鏡210與第二反射鏡220的其中之一的側面具有卡榫結構（如圖4所繪示）。在一實施例中，當浮空影像顯示裝置100b具有排成一維陣列或二維陣列的透反射式光學元件200時，卡榫結構有助於使相鄰的第一反射鏡210彼此嵌合，或者使相鄰的第二反射鏡220彼此嵌合，而達到更穩固的結構。
圖5為本發明的又一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖。請參照圖5，本實施例的浮空影像顯示裝置100c類似於圖1A的浮空影像顯示裝置100。在本實施例的浮空影像顯示裝置100c中，影像模組110位於第一反射面201與第二反射面202之間，其仍然可以產生在第一反射面201與第二反射面202之間的第一影像101，而來自第一影像101的光在經過第一反射面201與第二反射面202的多次反射後，在透反射式光學元件200外形成第二影像102。在本實施例中，第一反射面201可由無孔洞的連續反射膜212c所形成，而形成第一反射面201的反射膜212c的凹面與形成第二反射面202的透反射膜222的凹面彼此互相面對。其中，反射膜212c可以是反射來自第一影像101的光，但不讓來自第一影像101的光穿透。
在本實施例中，影像模組110位於第一反射面201與第二反射面202之間，可使浮空影像顯示裝置100c的體積縮小，增加第二影像102的亮度。在一實施例中，第一影像101也可以位於影像模組110上而不一定要相對影像模組110有浮空距離。
圖6為本發明的再一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖。請參照圖6，本實施例的浮空影像顯示裝置100d類似於圖1A的浮空影像顯示裝置100。本實施例的浮空影像顯示裝置100d更包括一成像介質120，配置於第一反射面201與第二反射面202之間，其中影像模組110發出的影像光束112穿透第一反射面201後，投射於成像介質120上以形成第一影像101。換言之，成像介質120可提供類似投影屏幕的效果，以使影像光束112照射其上後能投影出第一影像101，如此有助於使第一影像101更加清晰，而讓使用者更適合觀看第二影像102。在本實施例中，成像介質120例如為擴散片、全像片、非線性晶體或其他適當的成像介質。
圖7為本發明的另一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖。請參照圖7，本實施例的浮空影像顯示裝置100e類似於圖1A的浮空影像顯示裝置100。在本實施例的浮空影像顯示裝置100e中，第一反射面201e與第二反射面202e可為菲涅耳表面（Fresnel surface）或超穎表面（metasurface），其中菲涅耳表面例如為菲涅耳反射鏡的表面，其可有效減少第一反射鏡210e與第二反射鏡220e的厚度，進而減少浮空影像顯示裝置100e的體積。在本實施例中，第一反射面201e與第二反射面202e例如為透反射面。然而，在其他實施例中，第一反射面201e也可以是適於反射光但不被光穿透的反射面。
在本發明實施例的浮空影像顯示裝置中，採用了第一反射面與第二反射面讓來自第一影像的光在透反射式光學元件內部多次反射，以在透反射式光學元件的外部形成第二影像（即浮空影像），第二影像的浮空距離可以較大，且保持了第二影像的完整性。另外，第二反射面可為透反射面，且第一反射面與第二反射面在其光軸上沒有孔洞，當使用者的眼睛在光軸上或附近時（即在中央視角時），仍然能夠觀看到浮空影像，如此可提升浮空影像顯示裝置的應用性。
100、100a、100b、100c、100d、100e:浮空影像顯示裝置 101:第一影像 102:第二影像 110:影像模組 112:影像光束 114:光線 120:成像介質 200:透反射式光學元件 201、201e:第一反射面 202、202e:第二反射面 210、210e:第一反射鏡 211、221:直切邊 212、222:透反射膜 212c:反射膜 213、223:平面 213a、223a:曲面 214、224:抗反射膜 216、226:透光材質 220、220e:第二反射鏡 225a:卡榫結構 A:光軸 D1:浮空距離 M:中點
圖1A為本發明的一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖。 圖1B為圖1A的浮空影像顯示裝置的剖面示意圖。 圖2為本發明的另一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖。 圖3A、圖3B與圖3C是本發明的三個實施例的透反射式光學元件沿著光軸的方向看過去的正視示意圖。 圖4為本發明的另一實施例的浮空影像顯示裝置的剖面示意圖。 圖5為本發明的又一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖。 圖6為本發明的再一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖。 圖7為本發明的另一實施例的浮空影像顯示裝置的立體示意圖。
100:浮空影像顯示裝置
101:第一影像
102:第二影像
110:影像模組
112:影像光束
114:光線
200:透反射式光學元件
201:第一反射面
202:第二反射面
210:第一反射鏡
211、221:直切邊
212、222:透反射膜
213、223:平面
214、224:抗反射膜
216、226:透光材質
220:第二反射鏡
A:光軸
D1:浮空距離
M:中點

Claims (19)

  1. 一種浮空影像顯示裝置，用以產生一浮空影像，該浮空影像顯示裝置包括： 一影像模組，用以提供一第一影像；以及 至少一透反射式光學元件，包括一第一反射面及一第二反射面，其中該第一影像位於該第一反射面與該第二反射面之間，該第一反射面與該第二反射面包括曲面且在其光軸上沒有孔洞，該第二反射面為透反射面，該第一反射面與該第二反射面用以重新會聚來自該第一影像的光線，以產生一第二影像，且該第二影像為該浮空影像。
  2. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該第一反射面配置於該影像模組與該第二反射面之間，該第一反射面為透反射面，該影像模組用以提供一影像光束，該影像光束穿透該第一反射面後，在該第一反射面與該第二反射面之間形成該第一影像。
  3. 如請求項2所述的浮空影像顯示裝置，更包括一成像介質，配置於該第一反射面與該第二反射面之間，其中該影像光束穿透該第一反射面後，投射於該成像介質上以形成該第一影像。
  4. 如請求項3所述的浮空影像顯示裝置，其中該成像介質為擴散片、全像片或非線性晶體。
  5. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該影像模組位於該第一反射面與該第二反射面之間。
  6. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該第一反射面與該第二反射面皆為無孔洞的連續曲面。
  7. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該透反射式光學元件包括一第一反射鏡與一第二反射鏡，且該第一反射面與該第二反射面分別位於該第一反射鏡與該第二反射鏡互相面對的兩個表面上。
  8. 如請求項7所述的浮空影像顯示裝置，其中該第二反射面由無孔洞的連續透反射膜所形成，且該第一反射面由無孔洞的連續反射膜或無孔洞的連續透反射膜所形成。
  9. 如請求項8所述的浮空影像顯示裝置，其中形成該第一反射面的反射膜或透反射膜的凹面與形成該第二反射面的透反射膜的凹面彼此互相面對。
  10. 如請求項7所述的浮空影像顯示裝置，其中該第一反射鏡與該第二反射鏡具有直切邊。
  11. 如請求項7所述的浮空影像顯示裝置，其中該第一反射鏡與該第二反射鏡的側面具有平面、曲面或卡榫結構。
  12. 如請求項7所述的浮空影像顯示裝置，其中該第一反射鏡與該第二反射鏡互相背對的兩個表面上設有抗反射膜。
  13. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該第二反射面位於該第一影像與該第二影像之間。
  14. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該至少一透反射式光學元件為多個排成一維陣列或二維陣列的透反射式光學元件。
  15. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該影像模組為一真實物體、一平面顯示器、一集成成像顯示器、一投影器、一全像顯示器或一體積式顯示器。
  16. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該第一反射面與該第二反射面為拋物面或類拋物面。
  17. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該第一反射面與該第二反射面為菲涅耳表面或超穎表面。
  18. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中至少部分的該第一反射面與至少部分的該第二反射面呈圓對稱或橢圓對稱。
  19. 如請求項1所述的浮空影像顯示裝置，其中該第一影像位於該第一反射面與該第二反射面之間的中點與該第一反射面之間。
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