TWI394983B - 自動立體顯示之可控制的照明裝置 - Google Patents

Description

自動立體顯示之可控制的照明裝置

本案係關於一種穿透式自動立體顯示器，具有一可控制照明裝置，其包含一光調變器作為一照明矩陣。由該光調變器所發射的光經由一成像裝置以平行光束通過一影像重置矩陣，成像至一個觀察者的一隻眼睛上，在各種狀況中作為可見區域，從此可見區域處可以見到3D影像呈現。

本發明之申請領域係關於自動立體顯示器，藉其如影像或影像序列的影像資訊可以對數個觀察者選擇以2D或3D模式或混合模式呈現。

在本案中，顯示器係設計為自動立體顯示器，至少一個觀察者可以觀看3D影像呈現而不需要使用額外的輔助工具。

基本上顯示器包含一成像裝置，其由大量的成像元件排列為一矩陣所組成。與朝向每個觀察者眼睛的照明同步，用於產生三維影像之對應的立體影像係呈現於影像重置矩陣。個別觀察者眼睛位置是由一定位器所測定。當一觀察者改變其位置時，經由調整控制單元之對應的控制信號，可追蹤可見區域至觀察者眼睛位置。

一個或數個觀察者之眼睛在觀察者空間中、其外部的區域中，可以三維地看到顯示器上的影像資訊，該區域作為參考的 可見區域。由這些可見區域觀之，可以持續確保顯示器上影像呈現的同質性，並且避免在三維呈現時對其他眼睛的串擾(cross-talk)。當觀察者在顯示器前之觀看空間中移動到一個新的位置時，上述的要求必須持續實施，以使得含有單視場(monoscopic)影像內容或立體影像內容的觀察者所得資訊可以維持良好品質。

此種具有時序(time-sequential)呈現之自動立體顯示器的功能及構造已詳細描述在，例如，申請人之WO 2005/060270 A1專利中，在此作部分說明。

在圖一中，此顯示器的工作原理簡要的以俯視的方式作圖示說明，但並不依照尺寸亦不包含所有數量的光學元件。

在成像矩陣110中大量的透鏡元件111…114，將照明矩陣120中的可切換式點狀照明元件11…46成像至一觀察者的眼睛E_R,E_L。經由一個大面積光源130所照明，照明矩陣120對於每個透鏡元件及觀察者產生至少一光束B1…B4，該光束疊加以在觀察者眼睛形成二維甜蜜點(可見區域)S_R，其是因為照明元件11…46經由一個追蹤及影像控制器160選擇性受激發。成像矩陣110、照明矩陣120、及光源130以背光導向的形式共同創造一個可控制的甜蜜點單元，以使穿透式LCD影像矩陣140的影像可 由觀看空間的位置中看見，該觀看空間係由追蹤及影像控制器160所標定。實際上，提供更多的透鏡元件111…114以及照明元件。LCD矩陣之像素或次像素(sub-pixels)分別有效地當作照明元件使用。

在前往觀察者的途中，光束B1…B4透過影像矩陣140的大面積區域，其只交替包含影像信號PSS的立體影像序列之一個影像。定位器150測定出在顯示器前面觀察者的數量以及他們的眼睛位置E_R,E_L。據此，追蹤及影像控制器160，如圖所示，激發照明元件13、24、35與46，以使得影像序列的目前影像為可見。如圖一所示，照明元件13、24、35與46依串連的透鏡元件之光軸而放置於不同位置。當觀察者移動時，追蹤及影像控制器160會激發其他的照明元件以依據眼睛的偏差追蹤個別的甜蜜點光束。為了交替呈現立體影像，經由在每個影像改變時同時切換照明元件，追蹤及影像控制器160使串連的影像對一個或所有觀察者的一個眼睛為可見的。對另一個眼睛而言影像在此時間內並未被照明，因而是看不到的。若由影像矩陣所提供的右眼及左眼之影像序列以及同時在個別眼睛的成像可以夠快的成像，觀察者眼睛將不再能趕上所呈現影像的時間解析度。雙眼可接收到影像序列如同立體呈現。

光束B1…B4實際上是根據每個受激發照明元件13、24、35與46所在的位置路線傳播，成像至眼睛位置E_R或E_L的平面 上，而其直徑被放大至少數公釐。為了簡化說明工作原理之故，在本案所有圖示中的平行光束皆形成甜蜜點(可見區域)。然而，實際上光路徑會稍微偏離準確值。在任何情況下，甜蜜點單元的配置使得每個光束B1…B4至少覆蓋甜蜜點區域的延伸部分，其大小至少與觀察者眼睛相同。這可使觀察者在均質照明的情況下觀看到影像矩陣的整個顯示區域。

為了滿足上述顯示器的需求，必須要有一追蹤系統，可持續偵測觀察者在顯示器前的空間內的移動情況，空間區域盡可能大，並且不論觀察者所在位置為何，藉由控制單元的控制信號，即可持續提供觀察者適當的影像資訊。因此對定位器的準確度、顯示器個別組件的品質以及顯示器的成像品質皆有相當高的要求。

對本發明而言，無關於以大量照明元件組成的照明裝置是否為自發光的或是由光傳輸的。大量的照明元件被分配到每個成像元件上。使用反向光追蹤計算的方法，決定所需的照明元件以對目前觀察者位置產生平行光束。對於受激發的照明元件數目之些微差異，也就是說，若稍微過多照明元件受激發，將會產生成像干擾。

實際上，若以雙凸透鏡陣列作為成像裝置，當受激發的照明元件的光經由所選定的雙凸透鏡以平行光束成像時，會有發生額外的干擾雜散光(虛光線)的缺點。受激發的照明元件的光 不只照明特定的雙凸透鏡，也照明此特定雙凸透鏡的右方和左方相鄰的雙凸透鏡。此光產生額外的第二平行光束，其強度較弱，但也能到達觀察者眼睛。若位在顯示器前的數名觀察者要觀看三維影像呈現時，該第二平行光束對於此立體影像呈現尤有缺點。因會發生對於右眼的平行光束之第二平行光束落入鄰近觀察者左眼的情況，故此左眼會出現右立體影像。

本案之目的在於，在一個自動立體顯示器中，當光投射至觀察者眼睛時，使光的散射盡可能維持的很小，以防止產生額外的可見區域並且避免對鄰近觀察者的眼睛產生立體影像的相互影響，即串擾(cross-talk)。

依據本發明，問題可經由兩個位於光路徑中且相距一距離之條紋偏振片來解決。所使用之偏振片具有不同偏振方向的交替條紋。合適地方式為，第一和第二偏振片中相同偏振的條紋於光的方向中一致地相對，以將光導向想要的方向，也就是導向至選定的個別觀察者眼睛的位置。根據本發明之一實施例，第一條紋偏振片是安排在光調變器的光出口側，作為一照明矩陣，而第二條紋偏振片是安排在成像裝置前，成像裝置最好為一個雙凸透鏡陣列。以此方法，額外產生的、發光較弱的第二平行光束會被抑制。再者，兩偏振片上的條紋寬度必須等於雙 凸透鏡陣列中的一個雙凸透鏡的寬度。

在本發明之實施例中，成像裝置由一雙凸透鏡陣列所組成，雙凸透鏡陣列包含大量的平行排列的球狀雙凸透鏡，而於每個狀況中，將每個照明元件的光以平行光束形式成像通過雙凸透鏡陣列的一個雙凸透鏡。在本案範圍中，成像裝置也可以是條紋形式之微透鏡的類矩陣排列。條紋偏振片需要類似地排列。

要受激發的照明元件的位置由每個觀察者眼睛開始經反向光追蹤計算而被有優勢地測定，藉此，同時可以決定要發射光所要通過的成像裝置之成像元件的位置。

本發明所提出之用於抑制第二光束之解決方案是簡單而有效的，並且已證實對數個觀察者之自動立體顯示器是成功的。因此，對每一個個別觀察者而言，對追蹤數個觀察者的準確度和三維呈現品質也都改善了。

具有時序(time-sequential)呈現之自動立體顯示器的可控制照明裝置，將在以下作更詳細的描述。在圖示中，是以頂視圖方式顯示。

圖一係簡要圖示自動立體顯示器之工作原理，作為先前技術說明。

圖二為一顯示器組件的簡要呈現，一平行光束導向觀察者眼睛且附帶產生兩第二平行光束；以及圖三為依據本發明的圖二之簡要呈現，以排列於光路徑中的裝置抑制第二平行光束。

本發明係基於一種自動立體顯示器，其工作原理如圖一，已在技術背景中描述，而使得當前發明範圍可以被了解。

圖二中，顯示器中的照明光路徑簡要地以部分圖示說明。標號1的照明矩陣是經由具有大量的類矩陣排列的單元之光調變器而實現，其代表照明元件。在照明矩陣1中之黑色區域是非激發照明元件。而在光的方向中，一成像裝置被配置為雙凸透鏡陣列2，具有平行相連的球狀雙凸透鏡3。由一列一列受激發的照明元件而來的光，被入射至雙凸透鏡陣列2。受激發的照明元件乃根據目前觀察者位置以反向光追蹤計算所決定。三個球狀雙凸透鏡3中央的雙凸透鏡將平行光束4的光分別導向觀察者的右眼或左眼(圖中未顯示)，在每隻眼睛中產生對於三維呈現之可見區域。然而，受激發的照明元件所發出的光也造成第二平行光束5，其具有與平行光束4相同之起始點。但由圖二所示，第二平行光束5是以平行光束4為準向右或向左一角度發射。若有數個觀察者要看三維景象時，它們會導致上述的成像品質惡化。舉例來說，也就是，若平行光束4同步呈現時序控制的右立體影像，則第二觀察者的左眼可以接收到第一觀察者的右立體 影像。會發生立體呈現時的串擾(cross-talk)現象。

根據圖三，為了解決此問題，排列兩個條紋偏振片6於自動立體顯示器的光路徑上。第一偏振片6放置於照明矩陣1的光出口區域前的光路徑上，而第二偏振片6則排列於雙凸透鏡陣列2之前。為了抑制第二平行光束5，第一和第二偏振片6上相同偏振方向的條紋是一致相對排列的。兩個條紋偏振片6的條紋寬度與雙凸透鏡陣列2上的雙凸透鏡3的寬度相等。由受激發的照明元件起始的箭號，代表可能的光傳播方向。第一偏振片6可作為一個起偏器，第二偏振片則作為一分析器。當光通過第一偏振片6時會被偏振化，而通過第二偏振片6時成為一個平行光束4。當雜散光入射至第二偏振片6之斜線區域，因為其具有不同的偏振而使偏振光在這些地方無法通過。所以無法產生其他的第二平行光束5，而具有相同偏振方向的下一個區域因為距離太遠，因此實際上雜散光無法到達它們。

110‧‧‧成像矩陣

111…114‧‧‧透鏡元件

11…46‧‧‧照明元件

E_R‧‧‧右眼

E_L‧‧‧左眼

120‧‧‧照明矩陣

130‧‧‧光源

B1…B4‧‧‧光束

140‧‧‧影像矩陣

S_R‧‧‧甜蜜點

150‧‧‧位置尋找器

13、24、35、46‧‧‧活化照明元件

160‧‧‧追蹤及影像控制器

1‧‧‧照明矩陣

2‧‧‧透鏡陣列

3‧‧‧雙凸透鏡

4‧‧‧平行光束

5‧‧‧第二平行光束

6‧‧‧偏振片

圖一係簡要圖示自動立體顯示器之工作原理，作為先前技術說明。

圖二為一顯示器部分的簡要呈現，一平行光束導向觀察者眼睛且附帶產生兩個第二平行光束；以及圖三為依據本發明的圖二之簡要呈現，以排列於光路徑中的裝置抑制第二平行光束。

1‧‧‧照明矩陣

2‧‧‧透鏡陣列

4‧‧‧平行光束

6‧‧‧偏振片

Claims (14)

1. 一種自動立體顯示之可控制的照明裝置，其中由一光調變器中受激發的複數個照明元件所發射之光，在每個情況中皆經由一成像裝置以一平行光束通過一影像重置矩陣進入一觀察者的一隻眼睛而成像，其中：一定位器測定個別觀察者眼睛的位置；該成像裝置包含複數個排列為一矩陣的成像元件，且該平行光束經由至少一成像元件所成像；以及與個別照明同步，對應的立體影像被呈現於一顯示器上以創造3D影像，其特徵為：在光路徑中，兩條紋偏振片互相間隔一段距離排列，藉此兩偏振片的條紋交替地具有不同的偏振方向，且相同偏振方向的條紋為一致地相對排列，使得額外產生的較弱的額外平行光束因而被抑制。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：該第一條紋偏振片配置於該光調變器的光出口側，而一第二條紋偏振片配置於該成像裝置前。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：該成像裝置為一雙凸透鏡陣列，該雙凸透鏡陣列包含複數 個平行排列的雙凸透鏡且每一平行光束透過該雙凸透鏡陣列的一個雙凸透鏡，藉由一反向光追蹤計算以決定該雙凸透鏡。
4. 如申請專利範圍第3項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：兩偏振片的條紋寬度等於該雙凸透鏡陣列的一雙凸透鏡的寬度。
5. 如申請專利範圍第3項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：藉由使用從觀察者眼睛處開始的該反向光追蹤計算，欲受激發的該照明元件的位置以及該成像裝置中欲使光透過的該成像元件之位置也被決定。
6. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：如影像或影像序列的影像資訊可以對數個觀察者選擇以2D、3D模式或混合模式呈現。
7. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：由於照明元件經由一追蹤及影像控制器選擇性受激發，該平行光束在該觀察者的眼睛位置疊加以形成一二維可見區域。
8. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵 為：該成像矩陣、該照明矩陣及該光源以背光導向的形式創造一個可控制的甜蜜點單元。
9. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：該影像重置矩陣只交替包含一影像信號的一立體影像序列之一個影像。
10. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：一定位器測定出在該顯示器前面觀察者的數量以及他們的眼睛位置。
11. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：該照明裝置包括自發光的複數個照明元件。
12. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：該成像裝置是條紋形式之微透鏡的一類矩陣排列。
13. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：該光調變器包括大量的類矩陣排列的單元，其代表照明元件。
14. 如申請專利範圍第1項所述之可控制的照明裝置，其特徵為：該第一偏振片作為一起偏器，以及該第二偏振片作為一分析器。