立體光場建立裝置的制造方法
【專利摘要】本公開提供一種立體光場建立裝置，用以于一觀察平面建立光場，立體光場建立裝置包含多個投影機及背投式顯示單元，投影機沿著第一軸向呈線性排列，并朝向第二軸向投影影像光束，第二軸向垂直于第一軸向；背投式顯示單元包含水平式菲涅爾透鏡及垂直式擴散片，水平式菲涅爾透鏡設置靠近投影機。水平式菲涅爾透鏡及垂直式擴散片配合使每臺投影機投影的影像光束在位于背投式顯示單元及觀察平面間的虛擬平面上形成至少一交點，并于觀察平面上建立至少一光場。本公開中的立體光場建立裝置不存在有實體狹縫，因此可以有效地避免因實體狹縫切換時所產生之的低亮度問題。
【專利說明】
立體光場建立裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種投影裝置技術領域，特別涉及一種立體投影顯示裝置。
【背景技術】
[0002]人眼感受到立體視覺，主要是由兩眼視差(binocular parallax)與移動視差(mot1n parallax)所造成；經兩眼接收到不同影像后，大腦會融合(fuse)兩個影像，使形成具有層次景深的立體畫面。其中，兩眼視差是由于人類的左眼與右眼所在的位置不同，兩眼之間的平均距離大約為6至6.5厘米，進而造成兩眼在觀看物體時的視覺角度略有差別，因此眼睛所接受到的影像也會跟著不同；移動視差則是指當觀賞者在移動時觀看同一個物體，兩眼觀看物體的視角會隨著觀賞者的移動而產生變化，導致眼睛接收到的影像內容也有所改變。
[0003]立體光場建立技術的發展起源是依據立體視覺原理，利用各種不同的分光技術使兩眼分別接收到不同的影像而形成立體的效果。立體光場建立技術大致可分為兩類，一為需戴眼鏡的「眼鏡式立體光場建立技術」，另一則為不需戴眼鏡的「裸眼(autostereoscopic)式立體光場建立技術」。眼鏡式立體光場建立技術為最早開始發展的立體光場建立技術，至今已趨近成熟，但眼鏡式立體光場建立技術是因其必須佩戴眼鏡方能實現立體光場的建立，使得便利度下降，也因此多數廠商紛紛投入開發裸眼式立體光場建立裝置。
[0004]—種傳統的立體光場建立裝置是利用多投影機產生代表特定視角的光場，為了建立趨近于真實的虛擬立體實物，必須設置大量的投影機，故此種立體光場建立裝置具有體積龐大、校正及設置不易的缺點。
[0005]配合參閱圖1，為現有的立體光場建立裝置的架構圖。立體光場建立裝置包含投影機10、背投式顯示單元12及切換式狹縫14 ;背投式顯示單元12位于投影機10及切換式狹縫14之間，投影機10投影的影像光束通過背投式顯示單元12后，在經由切換式狹縫14切換而投影至多個特定位置，所述特定位置為觀賞者可視的觀察平面16上的多個觀察區域160、162 及 164。
[0006]背投式顯示單元12包含菲涅爾透鏡(Fresnellens) 120及擴散片122，在此菲涅爾透鏡為軸對稱形式的菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡120設置靠近投影機10。菲涅爾透鏡120將投影機10產生的呈發散光束轉為平行光束，擴散片122則將平行光束擴散至各角度。
[0007]切換式狹縫14為液晶狹縫光柵(liquid crystal barrier)，切換式狹縫14接收通過背投式顯示單元12的光束，通過調整切換式狹縫14的透光位置，可以改變光場建立的位置；例如當狹縫SOl開啟時，即顯示對應于觀察區域164的畫面。通過依序開啟狹縫SOl至狹縫S61，即可建立完整光場。
[0008]另外，通過適當地控制各個狹縫的大小，可以讓投影機10所投影的影像光線只進入觀賞者的左眼或右眼。觀賞者大腦會融合進入左眼及右眼的影像光線并形成具有層次景深的立體畫面。
[0009]然而，通過背投式顯示單元12的光線只會由被開啟的狹縫通過，也就是說，切換式狹縫14阻擋了大部分通過背投式顯示單元12的光線，致使立體光場建立裝置I的光利用率低，且難以大型化。

【發明內容】

[0010]鑒于現有技術所述，本發明的一目的，在于提供一種立體光場建立裝置，立體光場建立裝置具有高光利用效率的特點。
[0011]為達前述目的，本發明的一技術方案提供一種立體光場建立裝置，立體光場建立裝置用以于觀察平面建立光場。立體光場建立裝置包含多個投影機及背投式顯示單元，投影機沿著第一軸向呈線性排列，并朝向第二軸向投影影像光束，第二軸向垂直于第一軸向；背投式顯示單元包含水平式菲涅爾透鏡及垂直式擴散片，水平式菲涅爾透鏡設置靠近投影機，水平式菲涅爾透鏡及垂直式擴散片配合使每臺投影機投影的影像光束在位于背投式顯示單元及觀察平面間的虛擬平面形成至少一交點，并對應于觀察平面建立至少一光場。
[0012]立體光場建立裝置還可以包含一維光學聚焦元件，一維光學聚焦元件包含多個次透鏡，在本實施方式中，這些次透鏡都是朝向第二軸向凸設，并沿著第一軸向排列。次透鏡的數量負相關于投影機的數量，次透鏡使每臺投影機投影的影像光束在觀察平面上建立多個次光場。
[0013]水平式菲涅爾透鏡的焦距小于投影機至背投式顯示單元的距離，或者水平式菲涅爾透鏡的焦距大于等于投影機至背投式顯示單元的距離。
[0014]立體光場建立裝置也可以再包含分光棱鏡片，設置于水平式菲涅爾透鏡及垂直式擴散片之間，分光棱鏡片用以建立重復光場，增加視角；分光棱鏡片包含多個折光結構，此折光結構包含第一表面，以及鄰接于第一表面且對稱第一表面設置的第二表面及第三表面，第一表面及第二表面可為平面或曲面。
[0015]本發明的另一技術方案提供一種立體光場建立裝置，其用以于一觀察平面建立光場，立體光場建立裝置包含多個投影機及反射式顯示單元，投影機沿著第一軸向排列，并朝向第二軸向投影影像光束，第二軸向垂直于該第一軸向；反射式顯示單元包含多個凹面鏡及多個像素單元，凹面鏡以特定弧度排列并面對投影機，像素單元設置于凹面鏡上，凹面鏡使投影機投影的影像光束在一位于反射式顯示單元及觀察平面間的虛擬平面形成多個交點，并于該觀察平面上建立光場。
[0016]像素單元包含第一弧面、第二弧面及第三弧面，第二弧面及第三弧面分別鄰接于第一弧面，第一弧面、第二弧面及第三弧面分別面對投影機，用以建立重復光場，增加視角。
[0017]本發明實施方式中所提供的立體光場建立裝置不存在有實體狹縫，因此可以有效地避免因實體狹縫切換時所產生之的低亮度問題；也就是說，本發明的立體光場建立裝置具不但有光利用效率高的特點，且亮度也將依投影機數目等比再倍增。
【附圖說明】
[0018]圖1繪示現有的立體投影顯示裝置的架構圖。
[0019]圖2繪示本發明第一實施方式的立體光場建立裝置的架構圖。
[0020]圖3繪示本發明第二實施方式的立體光場建立裝置的架構圖。
[0021]圖4繪示本發明圖3所示的顯示單元的局部放大圖。
[0022]圖5繪示本發明第三實施方式的立體光場建立裝置的架構圖。
[0023]圖6繪示本發明圖5所示的顯示單元的局部放大圖。
[0024]圖7繪示本發明第四實施方式的立體光場建立裝置的顯示面板的局部放大圖。
[0025]圖8繪不分光棱鏡片的局部放大圖。
[0026]圖9繪示本發明第五實施方式的立體光場建立裝置的架構圖。
[0027]圖10繪示單位像素的上視圖。
[0028]圖11繪示單位像素的立體圖。
[0029]圖12繪示形成在虛擬平面上的虛擬狹縫的大小位置與投影機的鏡頭的出瞳大小位置呈現的三角形等比關系。
[0030]附圖標iP,說曰月:
[0031]10、30、40 投影機
[0032]12、32、32’、32”背投式顯示單元
[0033]120菲涅爾透鏡
[0034]122擴散片
[0035]14切換式狹縫
[0036]16、34、44 觀察平面
[0037]160、162、164、340、342、344、340a、340b、340c 觀察區域
[0038]320、420水平式菲涅爾透鏡
[0039]322、422垂直式擴散片
[0040]324分光棱鏡片
[0041]3240折光結構
[0042]3242 第一表面
[0043]3244 第二表面
[0044]3246第三表面
[0045]326 一維光學聚焦元件
[0046]3260 次透鏡
[0047]42反射式顯示單元
[0048]424凹面鏡
[0049]4242單位像素
[0050]4244 第一弧面
[0051]4246 第二弧面
[0052]4248第三弧面
[0053]S01、S61 狹縫
[0054]X第一軸向
[0055]Y第二軸向
[0056]X第三軸向
【具體實施方式】
[0057]請參考隨附圖示，本發明公開內容的以上及額外目的、特征及優點將通過本公開內容的較佳實施例的以下闡釋性及非限制性詳細描敘予以更好地理解。
[0058]配合參閱圖2，為本發明第一實施方式的立體光場建立裝置的架構圖。立體光場建立裝置包含多個投影機30、背投式顯示單元32，投影機30沿著第一軸向X呈線性排列，并朝向垂直于第一軸向X的第二軸向Y投影影像光束。在圖2中，繪示三臺投影機30以作為說明范例，實際實施時則不以此為限。投影機30投影的影像光束通過背投式顯示單元32后在多個特定位置建立光場，所述特定位置為觀賞者可視的觀察平面34上的多個觀察區域 340、342 及 344。
[0059]背投式顯示單元32包含水平式菲涅爾透鏡320及垂直式擴散片322。水平式菲涅爾透鏡320設置靠近投影機30，水平式菲涅爾透鏡320接收投影機30投影的影像光束，并將影像光束轉換為平行光束。垂直式擴散片322用以使傳遞于其上的影像光束沿著Z軸向擴散，也就是說，垂直式擴散片322不會讓通過的影像光束沿著X軸向傳播。
[0060]水平式菲涅爾透鏡320及垂直式擴散片322配合使每臺投影機30朝向觀察平面34投影的影像光束在背投式顯示單元32及觀察平面34之間的虛擬平面VP上會聚并產生至少一交點；其中，虛擬平面VP平行于第一軸向X(或垂直于第二軸向Y)。通過虛擬平面VP的影像光束呈發散狀地傳遞至觀賞平面34，由于每一臺投影機30可以對應產生一光場，因此，就可以得到如同于實體狹縫切換所建立的光場。
[0061]換句話說，投影機30所投影的影像光束在通過由水平式菲涅爾透鏡320及垂直式擴散片322所組成的背投式顯示單元32后，可以在背投式顯示單元32及觀察平面34之間形成如同現有技術所述的立體投影顯示裝置的切換式狹縫般限制影像光束的效果，并得到如同實體狹縫切換般建立的光場；也就是說，由水平式菲涅爾透鏡320及垂直式擴散片322所構成的背投式顯示單元32的使用，讓虛擬狹縫形成在背投式顯示單元32及觀察平面34之間的虛擬平面VP，以重建影像光束的出發位置。
[0062]相較于現有技術所述利用實體狹縫以建立光場的立體光場建立裝置而言，本發明的立體光場建立裝置不存在有實體狹縫，因此可以有效地避免因實體狹縫切換時所產生的低亮度問題；也就是說，本發明的立體光場建立裝置具不但有光利用效率高的特點，且亮度也將依投影機數目等比再倍增。
[0063]配合參閱圖3，為本發明第二實施方式的立體光場建立裝置的架構圖。立體光場建立裝置包含多個投影機30及背投式顯示單元32’、背投式顯示單元32’包含水平式菲涅爾透鏡320、垂直式擴散片322及一維光學聚焦元件326，投影機30沿著第一軸向X呈線性排列，并朝向垂直于第一軸向X的第二軸向Y投影影像光束。投影機30投影的影像光束通過背投式顯示顯示單元32’投影至多個特定位置，所述特定位置為觀賞者可視的觀察平面34上的多個觀察區域342a、342b及342c。
[0064]—維光學聚焦元件326包含多個次透鏡3260，如圖4所示。在本實施方式中，次透鏡3260沿第一軸向X排列且朝向第二軸向Y方向凸設，且次透鏡3260的數量負相關于該多個投影機30的數量。然實際實施時，次透鏡3260也可以是沿著第一軸向X排列、并朝向相反于第二軸向Y凹設。
[0065]每臺投影機30投影的影像光束通過每個次透鏡3260后，會形成多道收斂影像光束。換言之，單一影像光束通過次透鏡3260后會形成多道收斂影像光束，且每一道收斂影像光束都在虛擬平面VP上會聚并形成交點，并于觀察平面340的觀察區域342a、342b及342c建立次光場，如圖4所示。在此要說明的是，建立在觀察區域342a、342b及342c的次光場是由單一臺投影機30所投影，也就是說，一維光學聚焦元件326的使用，使得每臺投影機30投影的單一道影像光束能夠在形成虛擬平面VP形成多個交點，以產生如同于實體狹縫群組所建立的光場效果。
[0066]由于每臺投影機30投影的影像光束在通過次透鏡3260后會分別建立多個次光場，故本實施方式的立體光場建立裝置可以使用數量少于第一實施方式的立體光場建立裝置的投影機30數量，就可以建立立體場景所需的光場。
[0067]在圖4中，投影機30投影的影像光束在通過相鄰的兩個次透鏡3260間時，因影像光束投影于其上的角度不同，使得光線發散的角度不同，而造成觀察平面34上的某些位置無法建立完整光場。為了改善這個問題，必須使水平菲涅爾透鏡320的焦距小于投影機30至背投式顯示單元32’的距離，以讓通過水平菲涅爾透鏡320的影像光束由平行光束改變為收斂影像光束，以在觀察平面34建立立體場景所需的完整光場，如圖5及圖6所示，其中圖5為本發明第三實施方式的立體光場建立裝置的架構圖，圖6為圖5的局部放大圖。
[0068]配合參閱圖7，為本發明第四實施方式的立體光場建立裝置的顯示面板的局部放大圖。本實施方式的立體光場建立裝置類似于第一實施方式的立體光場建立裝置，且相同的元件標示以相同的符號，其差異之處在于本實施方式的背投式顯示單元32”還包含分光棱鏡片324。
[0069]分光棱鏡片324設置于水平式菲涅爾透鏡320及垂直式擴散片322之間，分光棱鏡片324由多個折光結構3240組成，如圖8所示。每個折光結構3240包含第一表面3242及連接于第一表面3242兩端呈對稱于第一表面3242分布的第二表面3244及第三表面3246，在本實施方式中，第一表面3242平行于第一軸向X(或垂直于第二軸向Y)，且第一表面3242、第二表面3244及第三表面3246皆為平面。因此，單一道光束在通過分光棱鏡片324后，是由第一表面3242及第二表面3244折射成為三道光束，藉以建立重復光場，以增加視角。在此要特別說明的是:在實際實施時，折光結構3240的第一表面3240、第二表面3244及第三表面3246也可以設計為曲面。
[0070]配合參閱圖9，為本發明第五實施方式的立體光場建立裝置的架構圖。立體光場建立裝置包含投影機40及反射式顯示單元42，投影機40沿著第一軸向X排列，并朝向第二軸向Y投影影像光束，第二軸向Y垂直于第一軸向X。投影機40投影的影像光束經由顯示單元42反射后傳遞至介于投影機40及顯示單元42之間的觀察平面44。顯示單元42包含多個凹面鏡424及多個單位像素4242 (如圖10及圖11所示)，凹面鏡424面對投影機40，單位像素4242呈圓弧狀排列于凹面鏡上424，凹面鏡424再以特定弧度排列成顯示單元42。。參閱圖10及圖11，單位像素4242包含第一弧面4244、鄰接于第一弧面4244且對稱設置的第二弧面4246及第三弧面4248，第一弧面4244、第二弧面4246及第三弧面4248分別用以反射投射于其上的影像光束，使產生重復光場。投影機40朝向第二軸向Y投影的影像光束由凹面鏡424反射后并會聚在位于投影機40及反射式顯示單元42之間的虛擬平面VP上，并形成交點；并于通過虛擬平面VP后發散并于觀察平面44建立光場。換言之，投影機40及反射式顯示單元42配合于該觀察平面44及反射式顯示單元42的虛擬平面上之間形成一虛擬狹縫，并于觀察平面44上建立多個光場。
[0071]要特別說明的是，由于形成在虛擬平面VP上的虛擬狹縫的大小位置與投影機30的鏡頭的出瞳大小位置呈現三角形等比關系，如圖12所示，因此當出瞳太小或是虛擬狹縫太靠近顯示單元32時，每一個虛擬狹縫會變得太小而無法相連建立光場，故第四實施方式的分光棱鏡片324的像素結構及第五實施方式的凹面鏡424的單位像素4242的平面將需要從平面改為凹面或凸面以讓虛擬狹縫變大而能相連。
[0072]然以上所述者，僅為本發明的較佳實施方式，當不能限定本發明實施的范圍，即凡依本發明權利要求所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋范圍意圖保護的范疇。
【主權項】
1.一種立體光場建立裝置，用以于一觀察平面建立光場，該立體光產建立裝置包含: 多個投影機，沿著一第一軸向呈線性排列，并朝向一第二軸向投影影像光束，該第二軸向垂直于該第一軸向；以及 一背投式顯示單元，包含一水平式菲涅爾透鏡及一垂直式擴散片，該水平式菲涅爾透鏡設置靠近該多個投影機，該背投式顯示單元使各該投影機投影的影像光束在一位于該背投式顯示單元及該觀察平面間的一虛擬平面形成至少一交點，并對應于該觀察平面建立至少一光場。2.如權利要求1所述的立體光場建立裝置，還包含一一維光學聚焦元件，該一維光學聚焦元件由多個次透鏡組成，該多個次透鏡沿著該第一軸向排列，該多個次透鏡的數量負相關于該多個投影機的數量，各該次透鏡使各該投影機投影的影像光束在觀察平面上建立多個次光場。3.如權利要求2所述的立體光場建立裝置，其中該多個次透鏡朝向第二軸向凸設。4.如權利要求2所述的立體光場建立裝置，其中該水平式菲涅爾透鏡的焦距小于該多個投影機至該背投式顯示單元的距離。5.如權利要求2所述的立體光場建立裝置，其中該水平式菲涅爾透鏡的焦距大于等于該多個投影機至該背投式顯示單元的距離。6.如權利要求2所述的立體光場建立裝置，還包含一分光棱鏡片，設置于該水平式菲涅爾透鏡及該垂直式擴散片之間，該分光棱鏡片用以建立重復光場。7.如權利要求6所述的立體光場建立裝置，其中該分光棱鏡片包含多個折光結構，各該折光結構包含一第一表面及鄰接于該第一表面且對稱第一表面設置的一第二表面及一第三表面。8.如權利要求7所述的立體光場建立裝置，其中該第一表面、該第二表面及該第三表面分別為平面。9.如權利要求6所述的立體光場建立裝置，其中該第一表面、該第二表面及該第三表面分別為曲面。10.一種立體光場建立裝置，用以于一觀察平面建立光場，該立體光場建立裝置包含: 多個投影機，沿著一第一軸向排列，并朝向一第二軸向投影影像光束，該第二軸向垂直于該第一軸向；以及 一反射式顯示單元，包含: 多個凹面鏡，以特定弧度排列并面對該多個投影機；以及 多個像素單元，設置于各該凹面鏡上； 其中，該多個凹面鏡使各該投影機投影的影像光束在一位于該反射式顯示單元及該觀察平面間的一虛擬平面上形成多個交點，并于該觀察平面上建立多個光場。11.如權利要求10所述的立體光場建立裝置，其中各該像素單元包含一第一弧面、一第二弧面及一第三弧面，該第二弧面及該第三弧面分別鄰接于第一弧面，該第一弧面、該第二弧面及該第三弧面分別面對該多個投影機。
【文檔編號】G02B27/22GK105988225SQ201510087271
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月25日
【發明人】王裕昌
【申請人】臺達電子工業股份有限公司