CN102879995A - 显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显示设备，其包括图像产生器、投影镜组、侦测使用者位置的深度侦测模块以及电性连接图像产生器、投影镜组及深度侦测模块的控制单元。图像产生器所显示的图像经由投影镜组投射出而在投影镜组与使用者之间产生漂浮实像。构成漂浮实像的各光束具有光锥角θ。各光束包括主光线以及多个边缘光线，各边缘光线与对应的主光线之间具有夹角α，且光锥角θ＝2α。图像产生器与投影镜组依据使用者的位置来调整漂浮实像的位置，漂浮实像的尺寸为L，使用者两眼之间的距离为W，使用者与漂浮实像之间的距离为D，且光锥角θ满足关系式：

Description

显示设备

技术领域

本发明是有关于一种显示设备，且特别是有关于一种具有漂浮实像的显示设备。

背景技术

近年来，随着显示技术的不断进步，使用者对于显示器的显示质量(如图像分辨率、色彩饱和度等)的要求也越来越高。然而，除了高图像分辨率以及高色彩饱和度之外，为了满足使用者观看真实图像的需求，还发展出能够显示出立体图像的显示器。

一般的立体显示器受限于平面显示器或投影技术本身的软硬件的限制，使得使用者在观赏立体图像时需配戴专用的立体眼镜。即使是裸眼显示的技术，也存在着严重的干扰(crosstalk)的问题，造成观赏者常因观赏受干扰的立体图像而导致身体不适。因此业界更期待一种能提供使用者较舒服观赏体验的立体显示器。

此外，目前许多触控控制接口，大多数以手指来碰触触控面板而得到相对应的信息或回馈动作。然而，这样的操作模式容易使触控接口因长期被碰触而沾染细菌。为了杜绝细菌污染使用者的情况，业界更期待一种能漂浮于空间中的虚拟触控接口的图像来与使用者互动。因此，如何使立体图像摆脱受限于使用者与立体显示器之间的距离变化，是目前业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种显示设备，其能够产生漂浮实像，并可依据使用者的位置来调变漂浮实像的位置与尺寸。

本发明提出一种显示设备，适于让使用者观看，显示设备包括至少一图像产生器、投影镜组、深度侦测模块以及控制单元。图像产生器适于显示至少一图像。投影镜组位于图像产生器与使用者之间，图像经由投影镜组投射出而在投影镜组与使用者之间产生漂浮实像，其中构成漂浮实像的每一光束具有一光锥角θ，其中各光束包括主光线(chief ray)以及多个边缘光线(marginal ray)，各边缘光线与对应的主光线之间具有夹角α，且光锥角θ＝2α。控制单元与图像产生器、投影镜组及深度侦测模块电性连接。深度侦测模块侦测使用者的位置，图像产生器与投影镜组依据使用者的位置来调整漂浮实像的位置，其中漂浮实像的尺寸为L，使用者两眼之间的距离为W，使用者与漂浮实像之间的距离为D，且光锥角θ满足下列关系式：

$\mathrm{\θ}\≥{\tan }^{-1}\left(\frac{L+W}{D}\right).$

基于前述，本发明的显示设备通过使自投影镜组出射的光束满足特定关系，借此，可在投影镜组与使用者之间产生漂浮实像。并且，通过深度侦测模块来侦测使用者的位置，且通过与图像产生器、投影镜组及深度侦测模块电性连接的控制单元，使得图像产生器与投影镜组可依据使用者的位置来调整漂浮实像的位置，在一些实施例中，此漂浮实像为立体图像，或者还可透过立体眼镜来观看到立体的漂浮实像。因此，本发明的显示设备可提供使用者更栩栩如生的互动与体验。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例中的一种显示设备的示意图。

图2为本发明一实施例的显示设备中一种投影镜组的示意图。

图3为本发明一实施例的显示设备中一种投影镜组的示意图。

图4为本发明一实施例的显示设备中一种投影镜组的示意图。

图5为本发明一实施例的显示设备中一种投影镜组的示意图。

图6A至图6C为本发明一实施例的显示设备中图像经由投影镜组投射出后产生漂浮实像的光路示意图。

图7A与图7B为本发明的一实施例中用以调整图像产生器与投影镜组的相对位置的示意图。

图7C为本发明的一实施例中显示设备可依据使用者的位置来调整漂浮实像位置的示意图。

图8A与图8B分别表示当使用者配戴立体眼镜观看如具有图2的投影镜组的显示设备时的示意图。

图9A与图9B分别表示当使用者配戴立体眼镜观看如具有图4的投影镜组的显示设备时的示意图。

图10A与图10B为本发明的显示设备中一种利用裸眼3D立体显示面板取代一般2D平面显示面板的示意图。

图11为本发明的一实施例中一种显示设备的架构示意图。

【主要元件符号说明】

10：使用者；

200、300、400、500、600：显示设备；

210：图像产生器；

210’：裸眼3D立体显示面板；

210A：第一图像产生器；

210B：第二图像产生器；

210C：第三图像产生器；

212：图像；

212A：第一图像；

212B：第二图像；

212L：左眼图像；

212R：右眼图像；

220：投影镜组；

220R：反射器；

222：合光元件；

222A：第一合光元件；

222B：第二合光元件；

224：透镜组；

224A：第一透镜组；

224B：第二透镜组；

224C：第三透镜组；

224D：第四透镜组；

240：深度侦测模块；

250：控制单元；

260：漂浮实像；

260’：立体3D漂浮实像；

262：光束；

260a：子漂浮实像；

260aA：第一子漂浮实像；

260aB：第二子漂浮实像；

262C：主光线；

262M：边缘光线；

270：致动器；

280：立体眼镜；

282：快门眼镜；

284：偏光眼镜；

284L、284R：偏光镜片；

f1、f2：焦距；

D1：物距；

D2：像距；

M1、M2：移动方向；

M3：旋转方向；

D：使用者与漂浮实像之间的距离；

L：漂浮实像的最大尺寸；

p：垂直偏振方向；

P1、P2：位置；

s：水平偏振方向；

W：使用者两眼之间的距离；

θ：光锥角；

α：边缘光线与对应的主光线之间的夹角。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明一实施例中的一种显示设备的示意图。请参照图1，显示设备200适于让一使用者10观看，显示设备200包括至少一图像产生器210、一投影镜组220、一深度侦测模块240以及一控制单元250。图像产生器210适于显示至少一图像212，例如第一图像产生器210A显示图像212A，而第二图像产生器210B显示图像212B。图像产生器210例如是显示面板、发光元件、或被光线照射的物体。投影镜组220位于图像产生器210与使用者10之间，图像212经由投影镜组220投射出而在投影镜组220与使用者10之间产生一漂浮实像260。

此外，控制单元250与图像产生器210、投影镜组220及深度侦测模块240电性连接。深度侦测模块240用以侦测使用者10的位置，而图像产生器210与投影镜组220可依据使用者10的位置来调整漂浮实像260的位置。具体而言，构成漂浮实像260的每一光束262具有一光锥角θ，其中各光束262包括一主光线262C(chief ray)以及多个边缘光线262M(marginal ray)，各边缘光线262M与对应的主光线262C之间具有一夹角α，且光锥角θ＝2α。特别的是，漂浮实像260的尺寸为L，使用者10两眼之间的距离为W，使用者10与漂浮实像260之间的距离为D时，光锥角θ满足下列关系式：

$\mathrm{\θ}\≥{\tan }^{-1}\left(\frac{L+W}{D}\right).$

由于本发明中构成漂浮实像260的每一光束262具有满足上述关系式的光锥角θ，因此图像产生器210所显示的图像212通过投影镜组220后可以让使用者10观察到一漂浮实像260。举例来说，当图像产生器210为一被光线照射的苹果时，通过调整通过投影镜组220后投射出的光束262的光锥角θ满足关系式：

$\mathrm{\θ}\≥{\tan }^{-1}\left(\frac{L+W}{D}\right).$

使用者10即可在投影镜组220与使用者10之间观看到一漂浮的苹果实像260。值得一提的是，当自投影镜组220投射出的光束262满足上述关系式时，使用者10观看该漂浮实像260的可视角不再受限于特定的小范围内，而是可以较大视角观看到漂浮实像260。此处所谓的大视角观看为：即使使用者10左右移动了11厘米，都可以看到完整的不失真的漂浮实像260。换句话说，本实施例的显示设备200可以提供使用者10大于34度视角(正负17度)的漂浮图像。

此外，如图1所示，本实施例的投影镜组220包括合光元件(具有穿透与反射的功能的元件，例如half mirror，beam splitter等元件)222、第一透镜组224A、第二透镜组224B以及第三透镜组224C，第一图像产生器210A所显示的第一图像212A经由投影镜组220后产生第一子漂浮实像260aA，第二图像产生器210B所显示的第二图像212B经由投影镜组220后产生第二子漂浮实像260aB，而本实施例的第一子漂浮实像260aA与第二子漂浮实像260aB例如是位于不同平面上，可以直接产生立体图像的效果。关于投影镜组220的其他实施型态、产生立体图像效果的其他实施型态，将在后文说明。

值得一提的是，本发明的显示设备200中通过控制单元250与深度侦测模块240，可以提供使用者10更为人性化的操作与更为身临其境的互动方式。具体来说，控制单元250依据深度侦测模块240所侦测的使用者10的所在位置信息来控制图像产生器210的移动，以调整图像产生器210与投影镜组220的相对位置、漂浮实像260的位置以及漂浮实像260的尺寸。

深度侦测模块240主要用以侦测使用者10的位置，其可以是侦测使用者10人身的位置或者是使用者10的手指触碰漂浮实像260的位置，有关深度侦测模块240的实施可参照美国专利申请Co-pending USPA61475648 Apparatus and Method for Depth Image Capturing，相关的机制将在后文陆续说明。简单来说，深度侦测模块240将其所侦测到的使用者10位置的信息反馈控制单元250，控制单元250可以作简单的运算后，即可计算出对应使用者的位置、漂浮实像260的位置以及所需漂浮实像260的尺寸，而对应地使图像产生器210或/及投影镜组220移动相应的距离来达成所需的图像变化效果。

以下将针对本发明的显示设备中的投影镜组的实施型态进行说明，而省略了其他构件。

图2与图3分别为本发明一实施例的显示设备中一种投影镜组以及图像产生器的示意图。在图2与图3中，图像产生器210的数量为1个，属于单光路的设计型态。请先参照图2，本实施例的投影镜组220包括二透镜组224，二透镜组224位于图像212的投射路径上，其中各透镜组至少由一片透镜组成，其透镜可以是非球面镜、球面镜或是菲涅尔(Fresnel)透镜，且各透镜组的总焦距为正值。换句话说，请同时参照图1与图2，本实施例的控制单元250是依据深度侦测模块240所侦测的使用者10的所在位置信息来控制投影镜组220中二透镜相对于图像产生器210的相对位置，借以调整漂浮实像260的位置以及漂浮实像260的尺寸。

另一方面，请同时参照图1与图3，本实施例的投影镜组220包括一反射器220R、一第一透镜组224A以及一第二透镜组224B，其中反射器220R例如是全反射镜。反射器220R位于图像212的投射路径上。第一透镜组224A位于图像212的投射路径上，且位于图像产生器210与反射器220R之间。第二透镜组224B位于图像212的投射路径上，且位于反射器220R与使用者10之间。换句话说，在本实施例中，控制单元250是依据深度侦测模块240所侦测的使用者10的所在位置信息来控制第一透镜组224A、第二透镜组224B或反射器220R之间的相对位置或是调整投影镜组220相对于图像产生器210之间的相对位置，借以控制漂浮实像260的位置以及漂浮实像260的尺寸。关于调整位置的方式以及成像位置与尺寸之间的关系将在后说明。

图4为本发明一实施例的显示设备中一种投影镜组的示意图，在图4中，图像产生器210的数量为2个，而属于双光路的设计型态。如图1与图4所示，在本实施例中，图像产生器210包括第一图像产生器210A与第二图像产生器210B，第一图像产生器210A显示第一图像212A，而第二图像产生器210B显示第二图像212B，且投影镜组220包括合光元件222、第一透镜组224A、第二透镜组224B以及第三透镜组224C，其中合光元件222可以是半反射镜(half mirror)，也可以是针对不同波长作反射与穿透的选择的分色镜(dichroic mirror)。合光元件222位于第一图像212A与第二图像212B的投射路径上，合光元件222反射第一图像212A并且允许第二图像212B通过。第一透镜组224A位于第一图像212A的投射路径上，且位于第一图像产生器210A与合光元件222之间。第二透镜组224B位于第二图像212B的投射路径上，且位于第二图像产生器210B与合光元件222之间。第三透镜组224C位于第一图像212A与第二图像212B的投射路径上，且位于合光元件222与使用者10之间。换句话说，请同参照图1与图4，控制单元250是依据深度侦测模块240所侦测的使用者10的所在位置信息来调整第一透镜组224A、第二透镜组224B、第三透镜组224C或合光元件222之间的相对位置或是调整投影镜组220相对于各图像产生器210之间的相对位置，借以控制漂浮实像260的位置以及漂浮实像260的尺寸。关于调整位置的方式以及成像位置与尺寸之间的关系将在后说明。

图5为本发明一实施例的显示设备中一种投影镜组的示意图，在图5中，图像产生器210的数量为3个，而属于三光路的设计型态。如图5所示，在本实施例中，图像产生器210包括第一图像产生器210A、第二图像产生器210B与第三图像产生器210C，第一图像产生器210A显示第一图像212A，第二图像产生器210B显示第二图像212B，而第三图像产生器210C显示第三图像212C，且投影镜组220包括第一合光元件222A、第二合光元件222B、第一透镜组224A、第二透镜组224B、第三透镜组224C以及第四透镜组224D。第一合光元件222A位于第一图像212A、第二图像212B与第三图像212C的投射路径上，第一合光元件222A反射第一图像212A与第三图像212C并且允许第二图像212B通过。第二合光元件222B位于第一图像212A与第三图像212C的投射路径上，第二合光元件222B反射第三图像212C并且允许第一图像212A通过。第一透镜组224A位于第一图像212A与第三图像212C的投射路径上，且位于第二合光元件222B与第一合光元件222A之间。第二透镜组224B位于第二图像212B的投射路径上，且位于第二图像产生器210B与第一合光元件222A之间。第三透镜组224C位于第一图像212A、第二图像212B与第三图像212C的投射路径上，且位于第一合光元件222A与使用者10之间。第四透镜组224D位于第三图像212C的投射路径上，且位于第三图像产生器210C与第二合光元件222B之间。换句话说，请同时参照图1与图5，本实施例的控制单元250是依据深度侦测模块240所侦测的使用者10的所在位置信息来控制第一透镜组224A、第二透镜组224B、第三透镜组224C、第四透镜组224D、第一合光元件222A或第二合光元件222B之间的相对位置或是投影镜组220相对于各图像产生器210之间的相对位置，借以调整漂浮实像260的位置以及漂浮实像260的尺寸。

以下将辅以图6A至图6C以及来说明图像产生器与投影镜组的相对位置对漂浮实像位置、漂浮实像尺寸的关系。

图6A至图6C为本发明一实施例的显示设备中图像经由投影镜组投射出后产生漂浮实像的光路示意图，而其显示设备例如为具有前述图5的投射镜组的显示设备。换句话说，在本实施例中为三光路的设计，且投影镜组220中的透镜组可让两道光路共享。以下以其中一光路为例进行说明。令投影镜组220中较接近图像产生器210的透镜组的焦距为f1，而投影镜组220中较接近漂浮实像260的透镜组的焦距为f2，其中f1和f2例如分别是26.2厘米和30.3厘米。当投影镜组220中各构件的相对位置固定，通过调整图像产生器210以及投影镜组220之间的物距D1，控制漂浮实像260的成像位置及放大倍率。

具体来说，图6A中图像产生器210至投影镜组220之间的物距D1短于图6B中的物距D1，例如图6A中的物距D1小于透镜的焦距f1，而图6B中的物距D1等于透镜的焦距f1，借此使得图6A中所产生的漂浮实像260与投影镜组220之间的像距D2长于图6B中的像距D2，且图6A中所产生的漂浮实像260相对于图像212的放大率大于图6B中所产生的漂浮实像260相对于图像212的放大率。另一方面，图6C中图像产生器210至投影镜组220之间的物距D1长于图6B中的物距D1，借此使得图6C中所产生的漂浮实像260与投影镜组220之间的像距D2短于图6B中的像距D2，且图6C中所产生的漂浮实像260相对于图像212的放大率小于图6B中所产生的漂浮实像260相对于图像212的放大率。

举例来说，图6B中物距D1例如为27.4厘米，像距D2为20厘米，而放大率为1，换句话说，图6B中的漂浮实像260的尺寸等于图像212的尺寸。图6A中物距D1为17厘米，像距D2为34.2厘米，而放大率1.36，也就是图6A中的漂浮实像260的尺寸大于图像212的尺寸。图6C中物距D1为60厘米，像距D2为2.17厘米，而放大率0.54，也就是图6C中的漂浮实像260的尺寸小于图像212的尺寸。因此通过上述的物像关系，搭配多种光路的型态(将在后续说明)可使得图像产生器210所显示的图像212分别成像在使用者10与投影镜组220之间的任一位置，且漂浮实像260的尺寸也可以视需求而作变化。

表1与表2为本发明的显示设备中投影镜组的光学设计参数。依照表1与表2的实施例，可使漂浮实像260成像在投影镜组220前方20厘米，并使使用者10位于漂浮实像260前方50厘米。此设计为可以较大视角观看，即使使用者10左右移动了11厘米，都可以看到完整的不失真的漂浮实像260。换句话说，本实施例的显示设备200可以提供使用者10大于34度视角的漂浮图像。

表1

表2为表1中非球面镜的设计参数，其中非球状系数(asphericconstants)的参数如下关系式，其对应参数如表2所示：

$Z=\frac{\left(\mathrm{CURV}\right)Y^2}{1+\sqrt{1-(1+K){\left(\mathrm{CURV}\right)}^2{Y}^2}}+\left(A\right)Y^4+\left(B\right)Y^6+\left(C\right)Y^8+\left(D\right)Y^{10}.$

表2

以下将辅以图7A与7B来说明调整图像产生器与投影镜组的相对位置的方式。

图7A与图7B为本发明的一实施例中用以调整图像产生器与投影镜组的相对位置的示意图。通过改变图像产生器210至投影镜组220之间的物距D1，来调变漂浮实像260的最终成像位置的关系示意图。请先参照图7A，在一些应用中可通过致动器270来移动图像产生器210，使图像产生器210相对于投影镜组220作一轴的移动来调整图像产生器210与投影镜组220之间的距离，以改变漂浮实像260的成像比例或是成像位置。此处单轴的移动可列举如图中所示的M1移动方向、M2移动方向或是M3的旋转方式，本发明并不以此为限。如图7A中，当图像产生器210的位置由位置P1移动至位置P2时，其对应的漂浮实像260的成像位置也由位置P1移动至位置P2。同时，成像的尺寸将变小，也就是漂浮实像260缩小。

当然，也可以通过致动器270来移动投影镜组220，以达成改变漂浮实像260的尺寸与位置的效果，如图7B所示，其中投影镜组220的移动可如图中所示的M1移动方向、M2移动方向或是M3的旋转方式。如图7B所示，当投影镜组220的位置由位置P1移动至位置P2时，其对应的漂浮实像260的成像位置也由位置P1移动至位置P2时，同时，成像的放大率小于1，也就是漂浮实像260缩小。在前述图7A与图7B的实施例中为方便说明，均是以单一光路来做说明，当显示设备中具有多光路时，也是同样的原理，不再赘述。

图7C为本发明的一实施例中显示设备可依据使用者的位置来调整漂浮实像位置的示意图。如图7C所示，当使用者10碰触漂浮实像260的手指深度由位置P1移动至位置P2时，深度侦测模块240侦测使用者10手指的位置变化，并反馈至控制单元250(绘示于图1与图11)，控制单元250(绘示于图1与图11)传递移动信息至图像产生器210，使得图像产生器210对应地由位置P1移动至位置P2。借此，可使对应的漂浮实像260的成像位置由原始位置P1移动至位置P2。此外，感测使用者10位置的态样也可以是利用深度侦测模块240来侦测使用者10的各种肢体变化，或是通过使用者10所使用的对象(例如触控笔等)的变化来达成，本发明并不以此为限。

以下将以前述图2与图4所示的显示设备为例，说明当各显示设备欲呈现立体图像时的实施型态。

图8A与图8B分别表示当使用者配戴一立体眼镜观看具有图2的投影镜组的显示设备时的示意图。如图8A所示，本实施例的显示设备300中，图像产生器210例如是显示面板，而立体眼镜280例如是一具有扫描频率的快门眼镜282。特别的是，当快门眼镜282的切换速率与图像产生器210的扫描频率同步时，即可让使用者10透过快门眼镜282观赏到单一显示面板所显示出来的虚拟立体的漂浮实像260。举例而言，显示面板的显示频率例如为120Hz，而快门眼镜282的切换速率的频率例如为60Hz。换句话说，显示面板交替显示1/120秒的左眼图像212L以及1/120秒的右眼图像212R，而快门眼镜282的左右眼镜片分别在1/60秒作一次对应的开启与关闭的切换，借此即可使使用者10透过快门眼镜282观赏到立体的漂浮实像260。此外，借此所构成具有立体图像的漂浮实像260可以是由多个位于相同平面上的子漂浮实像260a所构成，也可以由多个位于不同平面上的子漂浮实像260a所构成，本发明并不以此为限。换句话说，图8A的显示设备300是利用时序的切换来使漂浮实像260呈现立体图像的效果，因此可维持图像的分辨率。

另一种实施方式如图8B所示，本实施例的显示设备400中，图像产生器210的扫描频率可为60Hz，而立体眼镜280例如是一偏光眼镜284，其具有不同的偏振方向的二偏光镜片284R、284L。举例而言，右眼偏光镜片284R例如具有垂直偏振方向p，而左眼偏光镜片284L例如具有水平偏振方向s。显示面板所显示的图像212包含了具有垂直偏振方向p的右眼图像212R以及包含了具有水平偏振方向s的左眼图像212L。因此，当使用者10佩戴偏光眼镜284观看时，可以观赏到单一显示面板所显示出来的虚拟立体的漂浮实像260。同理，借此所构成具有立体图像的漂浮实像260可以是由多个位于相同平面上的子漂浮实像260a所构成，也可以由多个位于不同平面上的子漂浮实像260a所构成，本发明并不以此为限。换句话说，图8B的显示设备400是利用空间的合成来使漂浮实像呈现立体图像的效果，因此无须加速显示面板的显示频率，可简化电路上的控制。

图9A与图9B分别表示当使用者配戴一立体眼镜观看如具有图4的投影镜组的显示设备时的示意图。请先参照图9A，本实施例的显示设备500中，图像产生器210例如是两个显示面板，而立体眼镜280例如是一具有扫描频率的快门眼镜282。特别的是，当快门眼镜282的切换速率与图像产生器210的扫描频率同步时，可让使用者10透过快门眼镜282观赏到由第一图像产生器210A与第二图像产生器210B所显示出来的虚拟立体的漂浮实像260。举例而言，第一图像产生器210A与第二图像产生器210B的显示频率例如为60Hz，而快门眼镜282的切换速率的频率例如为60Hz。换句话说，第一图像产生器210A可每1/60秒显示一左眼图像212L，而第二图像产生器210B可每1/60秒显示一右眼图像212R，而快门眼镜282的左右眼镜片分别在1/60秒作一次开启与关闭的切换。同理，借此所构成具有立体图像的漂浮实像260可以是由多个位于相同平面上的子漂浮实像260a所构成，也可以由多个位于不同平面上的子漂浮实像260a所构成，视显示效果而定，本发明并不以此为限。换句话说，图9A的显示设备500是利用两个图像产生器210来使漂浮实像260呈现立体图像的效果，因此既可维持图像212的分辨率，也无须加速显示面板的显示频率，可简化电路上的控制。

另外，如图9B所示，本实施例的显示设备600中，图像产生器210与图9A相似，图像产生器210例如是两个显示面板，而本实施例的立体眼镜280与图8B的偏光眼镜284相似，右眼偏光镜片284R例如具有垂直偏振方向p，而左眼偏光镜片284L例如具有水平偏振方向s。本实施例的第一图像产生器210A例如显示具有水平偏振方向s的左眼图像212L，而第二图像产生器210B例如显示具有垂直偏振方向p的右眼图像212R。因此，当使用者10佩戴偏光眼镜284观看时，可以观赏到由二显示面板所显示出来的虚拟立体的漂浮实像260。同理，借此所构成具有立体图像的漂浮实像260可以是由多个位于相同平面上的子漂浮实像260a所构成，也可以由多个位于不同平面上的子漂浮实像260a所构成，本发明并不以此为限。换句话说，图9B的显示设备500是利用两个图像产生器210来使漂浮实像260呈现立体图像的效果，因此既可维持图像的分辨率，也无须加速显示面板的显示频率，可简化电路上的控制。

值得说明的是，在实际应用上，本发明的显示设备可快速移动图像产生器或是投影镜组，并搭配图像产生器的同步显示，利用人视觉暂留的特性，即得到多层图像迭加的观赏效果，而产生的立体漂浮图像包括一双眼视差的漂浮实像、一移动视差的漂浮实像、或二者的组合。当然，在实际应用上，因为成像位置的不同，成像大小也会因物像关系造成图像缩小或放大，或是因为投影镜组本身的限制，造成漂浮实像失真时，可进一步搭配显示部分作前端的图像处理，以达到最佳的显示效果。此外，当显示设备为裸眼式的立体显示器时，通过改变物距来调整漂浮实像的位置与尺寸时，可进一步修正图像产生器(显示面板)的相关设计参数，来使使用者观赏到最佳的三维效果。具体来说，可通过调整显示设备的投影镜组中的光学元件，例如可将视差光栅变成液晶式的视差光栅，通过调整视差光栅的周期，或是可通过视差光栅来调整其和显示像素之间的距离来达成所要呈现的三维效果，避免成像的漂浮实像未因图像产生器的位置改变而失去三维效果的问题。此部分可参考申请人前案Co-pending USPA 61528766METHOD FOR AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAY。

具体而言，图10A与图10B为本发明的显示设备中一种利用裸眼3D立体显示面板取代一般2D平面显示面板的示意图。请参照图10A，裸眼3D立体显示面板210’经投影镜组220在成像端形成一立体3D漂浮实像260’，同时会将原本裸眼立体3D显示面板210’最佳观赏位置的视域范围ZA经投影镜组220在成像端形成漂浮于空中的立体3D漂浮实像260’的最佳观赏位置的视域范围ZB，如图10A所示，此装置有两个物像关系，分别是裸眼3D立体显示面板210’和立体3D漂浮实像260’的物像关系，以及另一个裸眼3D立体显示面板210’最佳观赏位置的视域范围ZA和立体3D漂浮实像260’的最佳观赏位置的视域范围ZB的物像关系，必须同时考虑这两个物像关系其成像位置及放大率。请同时参照图10A与图10B，深度侦测模块240可侦测使用者10或立体3D漂浮实像260’的位置及尺寸，借此反馈裸眼3D立体显示面板210’及投影镜组220，通过投影镜组220的放大率M，可换算出裸眼3D立体显示面板210’所投射于视区ZA中图像的尺寸为E/M，E为位于视区ZB的图像尺寸，并且裸眼3D立体显示面板210’所提供的图像的尺寸SS、裸眼3D立体显示面板210’与视区ZA之间的距离T、裸眼3D立体显示面板210’所提供图像的尺寸E/M等会满足下列关系式：

$(N\×\mathrm{SS})/(\frac{E}{M}/\mathrm{\ΔN})=\frac{t}{n1}/\frac{T}{n2},$

$N\×\mathrm{SS}/P=(\frac{T}{n2}+\frac{t}{n1})/\frac{T}{n2}.$

其中，n1与n2分别为视差光栅及显示面板间与视差光栅及观赏者间的折射率，n1例如为玻璃1.523，而n2例如为空气1，P为视差光栅的周期，t为视差光栅及显示面板的间距，N为立体显示面板的视域数，ΔN为观赏者看到的视域差，例如左右眼分别看到1、3视域，则ΔN为2，借此本发明的显示设备可基于深度侦测装置所侦测出来的使用者10的位置或立体3D漂浮实像260’的位置、尺寸，来对应地调整投影镜组的放大率及成像位置。

图11为本发明的一实施例中一种显示设备的架构示意图。请参照图11，本实施例中，第一图像212A产生装置例如为显示面板，而第二图像212B产生装置例如为一具有按键的实体。通过前述的投影镜组220，可将此按键投射至使用者10前方，产生一具有深度感的三维按键的漂浮实像260。当使用者10在适当观赏位置观看时，此漂浮实像260例如漂浮于投影镜组220前方20厘米处，使用者10可在投影镜组220前方70厘米的位置观看漂浮实像260。如此一来，使用者10至漂浮图像260距离为50厘米，恰好为一般群众手臂碰触物体的舒服距离。在一种使用情境中，使用者10触碰任一按键时，深度侦测模块240可侦测出使用者10手指触碰的按键位置，并将此触碰信息反馈至控制单元250，以响应相对的信息(例如默认的图像或声音的回馈信息)给使用者10，如此，即可达到交互式的效果。

此外，本发明的显示设备还可利用前述的主动式的深度侦测模块240来使显示设备响应使用者。换句话说，本发明的显示设备不单单只有如图10A与10B的图像变化，还可通过主动式的深度侦测模块240来回馈控制显示设备的整体***，达到互动功能。以下针对深度侦测模块240进一步说明。

本发明的另一实施例具有主动式的深度侦测模块240，搭配前述的光学设计，可提供使用者与漂浮于自由空间的实像图像做人机互动，让观赏者可以碰触到漂浮于自然空间的图像，并通过侦测手指深度的变化反馈，产生对应的图像内容，达到互动的效果。

本发明所利用的一主动式的深度侦测模块，可参考前案Co-pendingUSPA 61475648 Apparatus and Method for Depth Image Capturing。通过主动式光源投射特定图纹(pattern)在被测对象上，利用真实图像与虚拟图像比对技术，计算其深度图像信息。主动式光源投射装置是由光源及一组经过设计的衍射光学镜组所组成，可产生分布不规则的亮点图像，控制入射光束大小并可改变亮点图像的分布密度。深度图像的计算原则上是以图像比对技术为基础，除了由两组同步摄影机同时取得投射图纹的图像，本发明进一步将投影装置当成虚拟摄影机使用，分别计算每组摄影机与投影装置的空间对应关系，然后利用这些像差(disparity)图像进行交互验证，以提升其精确度并补偿图像遮蔽的问题。

请参考图11，本发明利用上述的光学架构及显示图像的搭配，将特殊内容的图像投射于自由空间中，该图像如上所述，包含各种二维及三维的图像，例如将一具有深度感的三维按键显示于空间中，当使用者10在适当观赏位置观看，上述的光学设计将图像漂浮于投影镜组220前20厘米，观赏者可站立在投影镜组220前70厘米的位置观看图像，如此一来，使用者10至图像距离为50厘米，正好约为一般群众手臂碰触物体的舒服距离，当使用者10触碰按键(第二子漂浮实像)时，主动式深度侦测模块240将可侦测到手指位在哪个位置轻压该按键；由于只是碰到按键而没有压下这个动作无法达到一般按按键的仿真效果，因此该主动式深度侦测模块可侦测压下这个轻微的手指深度变化动作，再反馈至控制单元250，响应该对应的信息，包含图像或声音的回馈信息，整体架构如图11所示。

本发明主动式深度侦测模块可用于上述的任意光学架构及图像端，配合显示图像的制作及回馈信息的产生，可应用于许多公共场合，例如提款机、公共电话、导览***等。此外，为了让仿真的效果更真实，可加上强制反馈装置，增加碰触漂浮图像的真实感。

主动式深度侦测模块除了上述参考前案Co-pending USPA 61475648Apparatus and Method for Depth Image Capturing，投射特定图纹在被测对象上，也可以投射一特定波长光源，大多数使用红外光源，较不会受到外在可见光的影响，通过反射的信号侦测深度。除了采用主动式深度侦测模块外，也可以使用被动式深度侦测模块，如使用双摄影机取像，经由图像比对方式获得深度信息。

除了侦测手指的深度变化，也可利用本发明所提出的深度侦测模块去侦测各种使用者的肢体变化，或是对象的变化，例如触控笔等相关对象。

此外，显示设备还可包括一由深度侦测模块以及一强制反馈***所构成的互动模块，强制反馈***与深度侦测模块连接。深度侦测模块可以是一主动式深度侦测模块或一被动式深度侦测模块。具体而言，在一实施例中，主动式侦测模块可以是通过一台以上的感光元件，将一主动式光源投射特定图纹在被测对象上，利用真实图像与虚拟图像比对技术，计算其深度图像信息。在另一实施例中，主动式侦测模块也可以通过一台感光元件，并主动式发出激光在被测对象上，利用三角测距法来计算其深度图像信息。或者，主动式侦测模块还可以是通过一台超声波接收器，并主动式发射超声波在被测对象上，利用声波来回的时间来计算其深度信息。另外，深度侦测模块适于侦测使用者的肢体或操作物的空间位置，而与不同深度位置的漂浮实像图像进行互动控制。强制反馈***再将触碰漂浮实像的碰触感回馈给使用者，如此可让使用者与漂浮实像互动。

综上所述，本发明的显示设备通过使自投影镜组出射的光束满足特定关系，借此，可在投影镜组与使用者之间产生一漂浮实像。并且，通过深度侦测模块来侦测使用者的位置，且通过与图像产生器、投影镜组及深度侦测模块电性连接的控制单元，使得图像产生器与投影镜组可依据使用者的位置来调整漂浮实像的位置，在一些实施例中，此漂浮实像为一立体图像，或者也可透过立体眼镜来观看到立体的漂浮实像。因此，本发明的显示设备可提供使用者更栩栩如生的互动与体验。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以作细微的更改与修饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (23)

1.一种显示设备，其特征在于，适于让使用者观看，该显示设备包括：

至少一图像产生器，适于显示至少一图像；

投影镜组，位于该图像产生器与该使用者之间，该图像经由该投影镜组投射出而在该投影镜组与该使用者之间产生漂浮实像，其中构成该漂浮实像的每一光束具有光锥角θ，其中各该光束包括主光线以及多个边缘光线，各该边缘光线与对应的该主光线之间具有夹角α，且该光锥角θ＝2α；

深度侦测模块，侦测该使用者的位置，该图像产生器与该投影镜组依据该使用者的位置来调整该漂浮实像的位置，其中该漂浮实像的尺寸为L，该使用者两眼之间的距离为W，该使用者与该漂浮实像之间的距离为D，且该光锥角θ满足下列关系式：

$\mathrm{\θ}\≥{\tan }^{-1}\left(\frac{L+W}{D}\right);$ 以及

控制单元，与该图像产生器、该投影镜组及该深度侦测模块电性连接。

2.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该控制单元依据该深度侦测模块所侦测的该使用者的所在位置来控制该图像产生器的移动，以调整该图像产生器与该投影镜组的相对位置、该漂浮实像的位置以及该漂浮实像的尺寸。

3.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该图像产生器的数量为1个，而该投影镜组包括二透镜组，该二透镜组位于该图像的投射路径上。

4.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该图像产生器的数量为1个，而该投影镜组包括：

反射器，位于该图像的投射路径上；

第一透镜组，至少由一片透镜组成，且总焦距为正值，位于该图像的投射路径上，且位于该图像产生器与该反射器之间；以及

第二透镜组，至少由一片透镜组成，且总焦距为正值，位于该图像的投射路径上，且位于该反射器与该使用者之间。

5.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该图像产生器包括第一图像产生器与第二图像产生器，该第一图像产生器显示第一图像，而该第二图像产生器显示第二图像，且该投影镜组包括：

合光元件，位于该第一图像与该第二图像的投射路径上，该合光元件反射该第一图像并且允许该第二图像通过；

第一透镜组，至少由一片透镜组成，位于该第一图像的投射路径上，且位于该第一图像产生器与该合光元件之间；

第二透镜组，至少由一片透镜组成，位于该第二图像的投射路径上，且位于该第二图像产生器与该合光元件之间；以及

第三透镜组，至少由一片透镜组成，位于该第一图像与该第二图像的投射路径上，且位于该合光元件与该使用者之间。

6.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该图像产生器包括第一图像产生器、第二图像产生器与第三图像产生器，该第一图像产生器显示第一图像，该第二图像产生器显示第二图像，而该第三图像产生器显示第三图像，且该投影镜组包括：

第一合光元件，位于该第一图像、该第二图像与该第三图像的投射路径上，该第一合光元件反射该第一图像与该第三图像并且允许该第二图像通过；

第二合光元件，位于该第一图像与该第三图像的投射路径上，该第二合光元件反射该第三图像并且允许该第一图像通过；

第一透镜组，至少由一片透镜组成，位于该第一图像与该第三图像的投射路径上，且位于该第二合光元件与该第一合光元件之间；

第二透镜组，至少由一片透镜组成，位于该第二图像的投射路径上，且位于该第二图像产生器与该第一合光元件之间；

第三透镜组，至少由一片透镜组成，位于该第一图像、该第二图像与该第三图像的投射路径上，且位于该第一合光元件与该使用者之间；以及

第四透镜组，至少由一片透镜组成，位于该第三图像的投射路径上，且位于该第三图像产生器与该第二合光元件之间。

7.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该图像产生器的数量为多个，而该漂浮实像包括多个位于不同平面上的子漂浮实像。

8.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该图像产生器的数量为多个，而该漂浮实像包括多个位于相同平面上的子漂浮实像。

9.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该图像产生器的数量为至少一个，而该漂浮实像包括至少一立体漂浮实像，其中该立体漂浮实像包括双眼视差的漂浮实像、移动视差的漂浮实像、或二者的组合。

10.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该漂浮实像的尺寸大于或小于该图像的尺寸。

11.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该漂浮实像的尺寸等于该图像的尺寸。

12.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，还包括立体眼镜，其中该使用者透过该立体眼镜所观察到的该漂浮实像为立体图像。

13.根据权利要求12所述的显示设备，其特征在于，该立体眼镜为快门眼镜，该图像产生器具有扫描频率，且该快门眼镜的切换速率与该图像产生器的扫描频率同步。

14.根据权利要求12项所述的显示设备，其特征在于，该立体眼镜为偏光眼镜，该偏光眼镜具有二偏光镜片，该二偏光镜片具有不同的偏振方向。

15.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该图像产生器包括显示面板、发光元件、或被光线照射的物体。

16.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，该显示设备还包括互动模块，其中该互动模块包含：

该深度侦测模块；以及

强制反馈***，与该深度侦测模块连接。

17.根据权利要求16所述的显示设备，其特征在于，该深度侦测模块为主动式深度侦测模块。

18.根据权利要求16所述的显示设备，其特征在于，该深度侦测模块为被动式深度侦测模块。

19.根据权利要求17项所述的显示设备，其特征在于，该主动式侦测模块通过一台以上的感光元件，将主动式光源投射特定图纹在被测对象上，利用真实图像与虚拟图像比对技术，计算其深度图像信息。

20.根据权利要求17所述的显示设备，其特征在于，该主动式侦测模块通过一台感光元件，并主动式发出激光在被测对象上，利用三角测距法来计算其深度图像信息。

21.根据权利要求17所述的显示设备，其特征在于，该主动式侦测模块通过一台超声波接收器，并主动式发射超声波在被测对象上，利用声波来回的时间来计算其深度信息。

22.根据权利要求17所述的显示设备，其特征在于，该深度侦测模块适于侦测该使用者的肢体或操作物的空间位置，而与不同深度位置的该漂浮实像图像进行互动控制。

23.根据权利要求17所述的显示设备，其特征在于，该强制反馈***将触碰该漂浮实像的碰触感回馈给该使用者。

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