CN103167309A - 裸眼立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种裸眼立体显示装置，其包含第一柱状透镜阵列、第二柱状透镜阵列、光扩散层、影像投影模块以及切换单元。光扩散层设置于第一柱状透镜阵列与第二柱状透镜阵列之间。影像投影模块产生的多个影像光束经过第一柱状透镜阵列、光扩散层以及第二柱状透镜阵列而投影至观察平面上的多个观察区域。切换单元根据裸眼立体显示装置处于一三维显示模式或一二维显示模式而相对应旋转第二柱状透镜阵列。

Description

裸眼立体显示装置

技术领域

本发明涉及一种显示装置，且特别涉及一种裸眼立体显示装置。

背景技术

近年来，立体显示的技术已逐渐突破，开始有立体电影、立体电视等应用问市。立体显示器所带来的立体视觉效果，实际上便是同时将不同视角的左眼影像与右眼影像，分别独立呈现给观赏者的双眼。通过上述左眼影像与右眼影像可模仿双眼观看时，由于眼睛间距所带来的景深效果。

裸眼立体显示技术则是较新开发的立体显示作法，可不需通过特殊的立体眼镜就可以用肉眼直接观赏到立体的影像效果。现有的裸眼立体显示技术依其产生多种视角(multiple views)的方法主要分为三种，一种为时间多任务(time-multiplex)利用多个光源依时序点亮而达成，另一种为空间多任务(spactial-multiplex)将像素分为多个分离区块以对应多个不同的视角，再一种为多重投影器(multi-projector)利用多个光调变器而达成。

其中，空间多任务(spactial-multiplex)是将至少两个不同的视角影像穿插于像素中，并使每个特定的观赏区域仅能看见一个对应的视角影像。

也就是说，空间多任务是牺牲了画面的分辨率来达到多个视角的裸眼立体显示。当对应的视角愈多，分辨率下降的情况就愈严重。当用该显示器播放一般二维显示模式的影片时，分辨率同样被牺牲而下降，因此业界提出三维/二维显示模式可切换的裸眼立体显示技术，并思考当由三维模式切换为二维显示模式时，其分辨率如何不被牺牲。

传统的三维/二维可切换显示装置中，主要是以机械方式将三维成像过程中必要的柱状透镜(lenticular lens)薄膜移除而切换至二维显示模式。现有的柱状透镜薄膜通常为贴合设置于显示面板上，本身结构较脆弱，容易因上述切换机械方式而发生损坏。

美国专利字号US 5,500,765中提出一种三维/二维可切换显示装置，其具有一可移动的掀盖上，可移动掀盖上设有与柱状透镜互补的透镜结构，可由使用者手动或以机械方式移动该掀盖，以此切换三维/二维的显示模式，但上述可移动的掀盖与柱状透镜需暴露于外界亦容易因撞击、震动、温湿度变化而损坏。

另一种现有的三维/二维可切换显示装置是利用一种光电媒介材料并以电子式切换方法而实现，例如美国专利字号US 6,069,650中，将光电媒介材料填充于柱状透镜与平面透镜之间，利用不同的操作电压施加于光电媒介材料的电极上，改变光电媒介材料的分子排列方向来切换三维/二维的显示模式。然而，如何在大面积的显示面板的柱状透镜与平面透镜间填充光电媒介材料，以及光电媒介材料的切换稳定性与切换效率目前都还有待考验。

现有的机械式切换方法须大幅改变柱状透镜的设置位置关系，容易造成损坏。而电子式切换方法则有制造实现的困难以及切换稳定性与切换效率的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种裸眼立体显示装置，以易于实现三维/二维显示模式的切换，恢复到原分辨率。

本揭示内容的一形式是在提供一种裸眼立体显示装置其包含第一柱状透镜阵列、第二柱状透镜阵列、光扩散层、影像投影模块以及切换单元。光扩散层设置于该第一柱状透镜阵列与该第二柱状透镜阵列之间。该影像投影模块产生的多个影像光束经过该第一柱状透镜阵列、该光扩散层以及该第二柱状透镜阵列而投影至多个观察区域。该切换单元根据该裸眼立体显示装置处于一三维显示模式或一二维显示模式而相对应旋转该第二柱状透镜阵列。

根据本揭示内容中的一实施例，于该三维显示模式下该第一柱状透镜阵列与该第二柱状透镜阵列大致平行。

根据本揭示内容中的一实施例，于该二维显示模式下该切换单元将该第二柱状透镜阵列旋转一偏转角度。

根据本揭示内容中的一实施例，其中于该光扩散层区分为多个像素区域，每一像素区域中包含一光源映射区块，该光源映射区块占每一像素区域中的比例为1/N。

根据本揭示内容中的一实施例，该光源映射区块与每一像素区域具有相同高度，而该光源映射区块的宽度为每一像素区域的宽度的1/N。

根据本揭示内容中的一实施例，该偏转角度的大小为θ为该偏转角度。

根据本揭示内容中的一实施例，于该二维显示模式下且该第二柱状透镜阵列旋转该偏转角度后，经过该第一柱状透镜阵列中奇数行柱状透镜的多个影像光束与经过该第一柱状透镜阵列中偶数行柱状透镜的多个影像光束平均地成像于该观察平面的左右两侧。

根据本揭示内容中的一实施例，于该三维显示模式下，经过该第一柱状透镜阵列中奇数行柱状透镜的多个影像光束成像于该观察平面的一侧，经过该第一柱状透镜阵列中偶数行柱状透镜的多个影像光束成像于观察平面的另一侧。

根据本揭示内容中的一实施例，其中该该第二柱状透镜阵列的形状为一八边形，且该第二柱状透镜阵列的面积大于该第一柱状透镜阵列的面积。

根据本揭示内容中的一实施例，其中该影像投影模块包含一空间光调变器以及多个光源，该些光源依时间顺序循环开启。

本发明提出的裸眼立体显示装置，其可以在三维显示模式与二维显示模式之间切换，裸眼立体显示装置包含两柱状透镜阵列以形成双凸柱状透镜阵列，在三维显示模式下两柱状透镜阵列大致平行，而在二维显示模式下将一柱状透镜阵列旋转特定的偏转角度。本发明文件中裸眼立体显示装置仅通过柱状透镜阵列的小幅度旋转便可达到切换三维/二维显示模式的切换，并可使显示装置恢复二维显示模式的分辨率。

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图的说明如下。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例中一种裸眼立体显示装置的示意图；

图2为于三维显示模式下图1中第二柱状透镜阵列与光扩散层的示意图；

图3为该二维显示模式下图1中第二柱状透镜阵列与光扩散层相对关系的示意图；以及

图4为该二维显示模式下图1中第二柱状透镜阵列与第一柱状透镜阵列相对关系的示意图。

其中，附图标记说明如下：

100：裸眼立体显示装置

122：第一柱状透镜阵列

122a：奇数行柱状透镜

122b：偶数行柱状透镜

124：第二柱状透镜阵列

126：光扩散层

126p：像素区域

126a、126b：光源映射区块

140：影像投影模块

140a、140b：影像光束

142：空间光调变器

144：光源

160：切换单元

200：观察平面

200a、200b：观察区域

θ：偏转角度

具体实施方式

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的附图标记代表相同或相似的组件。但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而光学结构运行的描述非用以限制其绝对关系，任何由组件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。另一方面，众所周知的组件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。

请参阅图1，其为根据本发明的一实施例中一种裸眼立体显示装置100的示意图。裸眼立体显示装置100其包含第一柱状透镜阵列122、第二柱状透镜阵列124、光扩散层126、影像投影模块140以及切换单元160。光扩散层126设置于第一柱状透镜阵列122与第二柱状透镜阵列124之间。影像投影模块140产生的多个影像光束经过第一柱状透镜阵列122、光扩散层126以及第二柱状透镜阵列124而投影至多个特定位置，于本实施例中所述特定位置则为观赏者可视的观察平面200上的多个观察区域200a与200b。

如图1所示，影像投影模块140产生的影像光束中每一直行像素分别对应第一柱状透镜阵列122中的其中一直行上的柱状透镜(如122a、122b)，其中，影像投影模块140所产生属于奇数行像素的影像光束140a对应第一柱状透镜阵列122中的奇数行柱状透镜122a，另一方面，影像投影模块140所产生属于偶数行像素的影像光束140b对应第一柱状透镜阵列122中的偶数行柱状透镜122b。

于此实施例中，影像投影模块140产生的影像光束140a与140b经过第一柱状透镜阵列122分别在扩散层126上形成光源映射区块126a与126b。

请一并参阅图2，图2为于三维显示模式下图1中第二柱状透镜阵列124与光扩散层126的示意图。扩散层126上包含多个像素(pixel)区域126p。如图2所示，扩散层126上包含八个像素区域126p，每一个像素区域126p的大小对应影像投影模块140其投影画面的一个单位像素的大小。

各直向的像素的影像光束140a与140b通过第一柱状透镜阵列122的各个柱状透镜而于光扩散层126上分别成像为光源映射区块126a与126b，光源映射区块126a与126b在像素区域126p占一个固定比例。而此实施例中使光源映射区块126a与126b在每一像素区域126p所占的比例为1/5，该比例可依第一柱状透镜阵列122其柱状透镜的强度做调整，本发明并不以所占比例为1/5为限。

须特别说明的是，图2所示为于三维显示模式下第二柱状透镜阵列124与光扩散层126的相对关系，如图1与图2所示，此实施例中三维显示模式下，每一光源映射区块(126a或126b)分别对应至第二柱状透镜阵列124中各柱状透镜的一侧(单一半部，如左半部或右部)，因此影像光束通过各柱状透镜往另一侧投射。

举例来说，如图1与图2所示，光源映射区块126a对应到第二柱状透镜阵列124的左半部，因此，光源映像区块126a上的影像光束140a通过第二柱状透镜阵列124的柱状透镜投射至另一侧，即观察平面200上右半部的观察区域200a。

图1所示的示意图中，单一光源映射区块126a对应第二柱状透镜阵列124其中一行柱状透镜投射至一个观察区域200a，但实际应用中，单一光源映像区块126a并不仅投射至单一个观察区域200a，单一光源映射区块126a对应其余多行柱状透镜亦会在观察平面200上不同位置另外投射多组重复(repeated)的观察区域，为求图式精简，重复产生的观察区域并未在图1中示出。

另一方面，光源映像区块126b对应到第二柱状透镜阵列124的右半部，因此，光源映像区块126b上的影像光束140b通过第二柱状透镜阵列124的柱状透镜投射至另一侧，即观察平面200上左半部的观察区域200b。

同理，单一光源映射区块126b对应其余多行柱状透镜亦会在观察平面200上不同位置另外投射多组重复(repeated)的观察区域，为求图式精简，由光源映射区块126b重复产生的观察区域并未在图1中示出。

如此一来，在三维显示模式下，裸眼立体显示装置100的奇数与偶数行的影像光束分别被投射到观察平面200的左右两侧，可达到较宽广的可见视角，并产生两倍的观察区域。

须补充说明的是，本实施例中每一观察区域200a与200b并非仅包含单一视角区域，于此实施例中，图1所示的实施例中的裸眼立体显示装置100具有时间多任务(time-multiplex)与空间多任务(spatial-multiplex)机构。

裸眼立体显示装置100的影像投影模块140包含空间光调变器(spatiallight modulator，SLM)142以及三组光源144，其中三个光源144依时间顺序先后循环开启，以此在光扩散层126的每一个光源映射区块126a与126b形成三个视角区域，如图1中光源映射区块126a与126b内标示A，B，C的三个视角区域，从而以时间多任务利用三个光源144在每个光源映射区块中形成三个A，B，C视角区域。接着，利用空间多任务机构，每个光源映射区块126a与126b中的三个A，B，C视角区域，在每个观察区域200a与200b中相对应形成三个A，B，C视角区域。如此一来，视角区域的总数便可提高为三倍。

实际应用中，光源144的数量并不以三组为限，于另一实施例中，影像投影模块140可包含更多光源以形成更多组视角区域。

此外，在每个光源映射区块中形成三个A，B，C视角区域的方式亦不以多个光源依序点亮为限，于另一实施例，亦可利用多重投影机(multi-projector)同时产生多个视角区域来达成，例如以三组投影机对应每一像素同时产生三个视角区域。

然而，如图1与图2所示，在上述架构之下，当使用者从观察平面200右侧的观察区域200a仅能看见奇数行像素的影像光束140a产生的光源映射区块126a，当使用者从观察平面200左侧的观察区域200b仅能看见偶数行像素的影像光束140b产生的光源映射区块126b。因此，其使用者可见的影像分辨率仅为原始分辨率的1/2。

一般来说，在二维显示模式下显示装置并不需要前述视域分离的功能，若采用上述光学投影方式在二维显示模式下显示装置仅能达到1/2的原始分辨率。于本发明中，当裸眼立体显示装置100切换至二维显示模式时，可将使用者可见的影像分辨率还原至原始分辨率。

请同时参阅图1、图2、图3以及图4。图1中的切换单元160根据裸眼立体显示装置100处于三维显示模式或二维显示模式而使第二柱状透镜阵列124相对光扩散层126旋转。图2为于三维显示模式下图1中第二柱状透镜阵列124与光扩散层126相对关系的示意图。当第二柱状透镜阵列124旋转后进入二维显示模式，而图3为该二维显示模式下图1中第二柱状透镜阵列124与光扩散层126相对关系的示意图。

如图2所示，于三维显示模式下第一柱状透镜阵列122与第二柱状透镜阵列124大致平行。此时，奇数行像素与偶数行像素被投射至观察平面200的左右两侧，且具有视域分离效果。

如图3所示，当裸眼立体显示装置100切换至二维显示模式时，本发明的切换单元160将第二柱状透镜阵列124相对旋转一偏转角度θ，第二柱状透镜阵列124旋转后可使二维显示模式下的分辨率恢复为原分辨率。以下进一步说明如何通过旋转第二柱状透镜阵列124来恢复为原分辨率。

如图3所示，于二维显示模式下，切换单元160将第二柱状透镜阵列124相对旋转，使每一像素区域126p中的光源映射区块126b同时对应到第二柱状透镜阵列124中每一柱状透镜的右半侧(投影至观察平面200的左侧)以及柱状透镜的左半侧(投影至观察平面200的右侧)，以此使每一个观察平面200的左右两侧视角都可以看见完整影像，而不再只看到一半的影像光束(如奇数行像素或偶数行像素)。

其中，为了使光源映射区块126a与光源映射区块126b能平均地对应到第二柱状透镜阵列124中柱状透镜的右半侧与左半侧，使二维显示模式下，每一视角能平均看到来自奇数行像素与偶数行像素的影像光束，本发明中偏转角度θ的大小为：

其中W为光源映像区域宽度，H为光源映像区域高度，如图3所示。

于此例中，假设每个像素区域126p的长宽相等。于此实施例中，光源映射区块126a或126b与每一像素区域126p具有相同高度，而光源映射区块126b的宽度为每一像素区域126p的宽度的1/N，其中N为大于1的正实数。推演出偏转角度θ的大小为：

其中1/N为光源映射区块126a或126b占每一像素区域124p中的比例(于此例中为宽度比例)。

于此实施例中，光源映射区块126a或126b在每一像素区域126p所占的比例为1/5(此比例可依第一柱状透镜阵列122其柱状透镜的强度做调整)。因此，于此实施例中，于二维显示模式下，切换单元160将第二柱状透镜阵列124相对旋转的偏转角度θ的大小为，

即偏转角度θ大致上为21.8度，但本发明并不以此为限。

此外，为了使第二柱状透镜阵列124于旋转前后皆能完整覆盖第一柱状透镜阵列122的全部范围，避免边缘部份因旋转而无法覆盖。第二柱状透镜阵列124可进一步具有特殊形状设计，请参阅图4，图4为图1中第一柱状透镜阵列122与第二柱状透镜阵列124相对关系的示意图。第二柱状透镜阵列124的形状为一八边型，且第二柱状透镜阵列124的面积大于第一柱状透镜阵列122的面积，以此，在第二柱状透镜阵列124旋转前与旋转后皆能完整覆盖全部的第一柱状透镜阵列122的相对应范围。

也就是说，本实施例中裸眼立体显示装置100的切换单元160仅须将第二柱状透镜阵列124微幅转动便可使二维显示模式下的裸眼立体显示装置100恢复到原分辨率。且不需要在制程中填充特殊的光电媒介材料，进行三维/二维的分辨率切换。因此，本发明的三维/二维切换方式容易实现，且稳定性高。

综上所述，本揭示文件提出的裸眼立体显示装置其可以在三维显示模式与二维显示模式之间切换，裸眼立体显示装置包含两柱状透镜阵列以形成双凸柱状透镜阵列，在三维显示模式下两柱状透镜阵列大致平行，而在二维显示模式下将一柱状透镜阵列旋转特定的偏转角度。本揭示文件中裸眼立体显示装置仅通过柱状透镜阵列的小幅度旋转便可达到切换三维/二维显示模式的切换，并可使显示装置恢复二维显示模式的分辨率。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种裸眼立体显示装置，包含：

一第一柱状透镜阵列；

一第二柱状透镜阵列；

一光扩散层，设置于该第一柱状透镜阵列与该第二柱状透镜阵列之间；

一影像投影模块，该影像投影模块产生的多个影像光束经过该第一柱状透镜阵列、该光扩散层以及该第二柱状透镜阵列而投影至一观察平面上的多个观察区域；以及

一切换单元，该切换单元根据该裸眼立体显示装置处于一三维显示模式或一二维显示模式而相对应旋转该第二柱状透镜阵列。

2.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其中于该三维显示模式下，该第一柱状透镜阵列与该第二柱状透镜阵列大致平行。

3.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其中于该二维显示模式下，该切换单元将该第二柱状透镜阵列旋转一偏转角度。

4.如权利要求3所述的裸眼立体显示装置，其中于该光扩散层区分为多个像素区域，每一像素区域中包含一光源映射区块，该光源映射区块占每一像素区域中的比例为1/N，其中N为大于1的正实数。

5.如权利要求4所述的裸眼立体显示装置，其中该光源映射区块与每一像素区域具有相同高度，而该光源映射区块的宽度为每一像素区域的宽度的1/N。

6.如权利要求4所述的裸眼立体显示装置，其中该偏转角度的大小为

θ为该偏转角度。

7.如权利要求3所述的裸眼立体显示装置，其中于该二维显示模式下且该第二柱状透镜阵列旋转该偏转角度后，经过该第一柱状透镜阵列中奇数行柱状透镜的多个影像光束与经过该第一柱状透镜阵列中偶数行柱状透镜的多个影像光束平均地成像于该观察平面的左右两侧。

8.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其中于该三维显示模式下，经过该第一柱状透镜阵列中奇数行柱状透镜的多个影像光束成像于该观察平面的一侧，经过该第一柱状透镜阵列中偶数行柱状透镜的多个影像光束成像于观察平面的另一侧。

9.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其中该第二柱状透镜阵列的形状为一八边形，且该第二柱状透镜阵列的面积大于该第一柱状透镜阵列的面积。

10.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其中该影像投影模块包含一空间光调变器以及多个光源，所述多个光源依时间顺序循环开启。

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