TWI472803B - 虛像顯示系統 - Google Patents

Description

虛像顯示系統

本發明有關一種顯示系統，特別關於一種虛像顯示系統。

立體顯示近年來被熱門地研究，而其主要原理為：一顯示裝置分別饋送左右眼不同的物體觀看角度的影像至觀察者的左右眼，根據人眼的視覺特性，於雙眼分別觀視相同影像內容但具有不同視差（parallax）的二影像時，觀測者會感覺所視影像具有深度，故感受到該影像為立體。

實現上述的立體顯示的原理的技術有許多種，而其中有一種技術稱為「時間多工自動立體顯示系統」。

請參閱第9圖所示，該「時間多工自動立體顯示系統」是由劍橋大學(Cambridge university)的Adrian Travis教授所發明，該顯示系統9具有一陰極射線管顯示器(CRT)91、二透鏡92及一光柵陣列(shutter or slit array)93。

CRT91可投射出一光束(影像)，然後該光束經由透鏡92傳遞而照射於光柵陣列93上。光柵陣列93具有多個光柵(slit)931，該些光柵931可輪流地開啟，而非同時地開啟。更詳細地說，在一特定時序上，該些光柵931之中只有一個光柵931A會開啟，而其餘光柵931B會關閉。

光束雖然照射於光柵陣列93的全部光柵931上，但只有一小部分的光束可通過唯一開啟的光柵931A，而其餘部分的光束會被關閉的光柵931B檔住。CRT91會依據開啟的光柵931A的位置不同，而調整其每一像素所投射出的光束的強度(即CRT91會調整所顯示的影像)。因此當該些光柵93輪流地開啟時，CRT91的每一像素會有不同強度及不同方向的光線從光柵陣列93處射出。

藉由發射出不同強度及不同方向的光線，顯示系統9可模擬出一物體在空間中所散發出的光，以構成該物體的虛擬影像(virtual image)，供位於光柵陣列93前方的觀察者94觀看之。因此，該時間多工自動立體顯示系統又可稱為「虛像顯示系統」。

該虛像顯示系統可應用於醫療上，讓醫護人員透過該顯示系統來觀察患者的器官的立體影像。該虛像顯示系統也可應用於視迅通話上，讓通話者們可看到彼此的立體影像。

然而，該習知的虛像顯示系統的體積龐大、佔據大量的空間，使得其放置位置受限，且難以直接放置於桌面上。另外，該習知的虛像顯示系統若要提供較大尺寸的顯示畫面時，虛像顯示系統的體積會大幅增加，因此習知的虛像顯示系統僅提供較小尺寸的顯示畫面。

有鑑於此，提供一種可改善至少一種上述缺失的虛像顯示系統，乃為此業界亟待解決的問題。

本發明之其中一目的在於提供一種虛像顯示系統，其能使元件的配置較為緊密。本發明之又一目的在於提供又一種虛像顯示系統，其可提供較大的顯示畫面。

為達上述目的，本發明所揭露的虛像顯示系統，包含：一投影機，具有一本體及一投影鏡頭，該本體連接該投影鏡頭，且該本體用以藉由該投影鏡頭來輸出一光束；一光傳遞結構，與該投影鏡頭相面對，且設置於該投影鏡頭之下；一反射鏡，與該光傳遞結構相傾斜，且設置於該光傳遞結構之上；以及一光柵陣列(slit array)，與該反射鏡相傾斜，且設置於該反射鏡之前，該光柵陣列具有多個光柵(slit)；其中，該投影鏡頭設置於該反射鏡及該光柵陣列之間的一間隔中。

為讓上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以較佳之實施例配合所附圖式進行詳細說明。

請參閱第1A圖及第1B圖，分別為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的二立體示意圖；並請一併參閱第2圖及第3圖，分別為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的二平面示意圖。

於本發明的第一實施例中，一虛像顯示系統1被提出，該虛像顯示系統1係設置於一空間中，而該空間係具有相互垂直的一第一方向X、一第二方向Y及一第三方向Z。該第一方向X及第二方向Y可為水平方向，而該第三方向Z可為垂直方向。

該虛像顯示系統1包含：一投影機10、一光傳遞結構20、一反射器30及一光柵陣列40，該些元件的技術內容將依序說明如後。

投影機10具有一本體11及一投影鏡頭12，而該本體11與該投影鏡頭12相連接。該本體11係為投影機10的主要部分，包含例如光源及成像裝置(例如DMD)等主要元件。該本體11可產生一光束(即影像)13至投影鏡頭12，然後投影鏡頭12再將光束13輸出；換言之，本體11可藉由投影鏡頭12來輸出光束13。

於本實施例中，投影鏡頭12可為一廣角鏡頭，以使光束13輸出時能有較大的擴散角，進而使光束13能照射至光傳遞結構20的每一處。然而，若是光傳遞結構20的面積較小時，則投影鏡頭12可不需為廣角鏡頭。

於本實施例中，本體11係為水平設置(即沿著第一方向X設置)，而為了使本體11產生的光束13可朝下輸出，投影鏡頭12將會實施成一L型投影鏡頭(L-shaped projection lens)等可讓光束13轉向的鏡頭。若是本體11為垂直設置時(即沿著第三方向Z設置，圖未示)，則投影鏡頭12可不需實施成L型投影鏡頭。

光傳遞結構20與投影鏡頭12相面對，且設置於投影鏡頭12之下方，以能被投影鏡頭12輸出的光束13照射。當光束13照射於光傳遞結構20時，光束13會被光傳遞結構20傳遞至反射鏡30上。

請配合參閱第4圖，為依據本發明第一較佳實施例的虛像顯示系統其投影鏡頭與光傳遞結構的平面示意圖(前視圖)。光傳遞結構20可由透鏡、擴散板、反射鏡等元件來實施出，而本實施例的光傳遞結構20是實施成具有一菲涅耳透鏡（Fresnel lens）21及一擴散板（diffuser）22，而菲涅耳透鏡21位於擴散板22之上。

當光束13照射於光傳遞結構20時，光束13會先被菲涅耳透鏡21匯聚至擴散板22，然後在擴散板22中擴散；擴散板22本身可為一具有微小結構之擴散反射層(圖未示)或擴散板22下方設有一反射鏡(圖未示)，以將擴散後之光束13反射回菲涅耳透鏡21；接著，光束13會被菲涅耳透鏡21傳遞至反射鏡30上。

請復參閱第1A圖至第3圖，反射鏡30與光傳遞結構20相傾斜，且反射鏡30設置於光傳遞結構20之上方，以及可設置於投影鏡頭12之後方。反射鏡30可將從光傳遞結構20來的光束13反射至光柵陣列40。

需說明的是，反射鏡30的形狀僅需符合光束13的照射範圍，即可達到讓光束13反射之目的。於本實施例中，從光傳遞結構20來的光束13照射於反射鏡30時，光束13的照射範圍大致為梯型(如第3圖所示)，因此本實施例的反射鏡30較佳地實施成一梯型反射鏡。

光柵陣列40與該反射鏡30相傾斜，且光柵陣列40可設置於反射鏡30之前。於第一方向X上，光柵陣列40與反射鏡30之間具有一間隔，而投影鏡頭12設置於反射鏡12及光柵陣列40之間的該間隔中。整體而言，光柵陣列40、投影鏡頭12及反射鏡30係沿著第一方向X依序地排列。

該光柵陣列40具有多個光柵41(如第1B圖所示)，本實施例中，光柵41的數目為一百個。該些光柵41的每一個皆可被施加電能而開啟，以讓從反射鏡30來的光束13的不同部份通過。此外，該些光柵41並非同時地開啟，而是依序地開啟；換言之，一百個該些光柵41中，一次僅有一個光柵41被開啟，而其他光柵41為關閉。如此，一個時間點上，僅會有一小部分的光束13從開啟的光柵41通過而被觀賞者觀看到。當該些光柵41依序開啟完一輪後，一虛擬影像即可產生。

光柵陣列40較佳地可為一液晶面板，而該些光柵41各為液晶面板的其中一排液晶。當其中一排液晶被施以電能時，即可讓光線通過，從而實現出光柵41的功能。

請參閱第5A圖，為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的一光路示意圖。將光柵陣列40、投影鏡頭12及光柵陣列40之間的光束傳遞情況「展開」至第一方向X及第三方向Z構成的一平面時，即為第5A圖所示。

從第5A圖所示可知，於第一方向上，菲涅耳透鏡21的一光軸211並非位於形狀的中心處，且菲涅耳透鏡21的光軸211與投影透影12的一光軸121為相偏移。如此，於第一方向X上，當投影透鏡12從偏移菲涅耳透鏡21的形狀中心處輸出光束13至菲涅耳透鏡21時，菲涅耳透鏡21(光傳遞結構20)仍可使光束13傳遞至光柵陣列40。

請參閱第5B圖，為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的另一光路示意圖。將光柵陣列40、投影鏡頭12及光柵陣列40之間的光束傳遞情況「展開」至第二方向Y及第三方向Z構成的一平面時，即為第5B圖所示。

從第5B圖所示可知，於第二方向Y上，菲涅耳透鏡21的光軸211可位於形狀的中心處，且菲涅耳透鏡21的光軸211與投影透影12的一光軸121可相疊合。如此，於第二方向Y上，投影透鏡12所輸出的光束13可被菲涅耳透鏡21(光傳遞結構20)傳遞至光柵陣列40。

請參閱第6圖所示，為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的又一立體示意圖。本實施例的虛像顯示系統1還可包含一殼體50，該殼體50可將投影機10、光傳遞結構20及反射鏡30部分或全部包覆。

綜合上述，本實施例的虛像顯示系統1係將各元件(即投影機10、光傳遞結構20、反射鏡30及光柵陣列40)較為緊密地配置，使得虛像顯示系統1的整體體積可縮減。並且，在這樣的元件配置下，「從投影鏡頭12傳遞至光傳遞結構20」的光束路徑，與「從光傳遞結構20傳遞至光柵陣列40」的光束路徑，會在同個空間(即光傳遞結構20、反射鏡30及光柵陣列40所圍成的空間)中，以減少光束13傳遞的使用空間。

請參閱第7圖所示，為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的使用狀態示意圖。由於虛像顯示系統1的體積較習知者小，因此虛像顯示系統1的放置場所較不受限，也可輕易地放置於桌面上。

請參閱第8圖所示，為依據本發明的第二較佳實施例的虛像顯示系統的平面示意圖。於第二實施例，另一虛像顯示系統2被提出。該虛像顯示系統2與虛像顯示系統1大致相同，而差異處在於：虛像顯示系統2的投影機10的本體11如同反射鏡30般，相對於光傳遞結構20為傾斜，且本體11與反射鏡30的傾斜角度可為相同。投影機10的本體11傾斜設置後，虛像顯示系統2的整體體積可更為縮減。虛像顯示系統2的其餘技術特徵及功效與虛像顯示系統1相同或相似，因此將不再次描述。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

[本發明]

1、2．．．虛像顯示系統

10．．．投影機

11．．．本體

12．．．投影鏡頭

121．．．光軸

13．．．光束

20．．．光傳遞結構

21．．．菲涅耳透鏡

211．．．光軸

22．．．擴散板

30

40．．．光柵陣列

41．．．光柵

50．．．殼體

X．．．第一方向

Y．．．第二方向

Z．．．第三方向

[習知]

9．．．顯示系統

91．．．陰極射線管顯示器(CRT)

92．．．透鏡

93．．．光柵陣列

931、931A、931B．．．光柵

第1A圖為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的一立體示意圖(有光束時)。

第1B圖為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的另一立體示意圖(無光束時)。

第2圖為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的一平面示意圖(側視圖)。

第3圖為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的另一平面示意圖(前視圖)。

第4圖為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的投影鏡頭與光傳遞結構的平面示意圖(前視圖)。

第5A圖為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的一光路示意圖。

第5B圖為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的另一光路示意圖。

第6圖為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的另一立體示意圖。

第7圖為依據本發明的第一較佳實施例的虛像顯示系統的一使用狀態示意圖。

第8圖為依據本發明的第二較佳實施例的虛像顯示系統的一平面示意圖(側視圖)。

第9圖為習知的虛像顯示系統的一示意圖。

1．．．虛像顯示系統

10．．．投影機

11．．．本體

12．．．投影鏡頭

13．．．光束

20．．．光傳遞結構

30．．．反射鏡

40．．．光柵陣列

Claims (7)

1. 一種虛像顯示系統，包含：一投影機，具有一本體及一投影鏡頭，該本體連接該投影鏡頭，且該本體用以藉由該投影鏡頭來輸出一光束；一光傳遞結構，與該投影鏡頭相面對，且設置於該投影鏡頭之下，該光傳遞結構具有一菲涅耳透鏡及一擴散板，該菲涅耳透鏡位於該擴散板之上；一反射鏡，與該光傳遞結構相傾斜，且設置於該光傳遞結構之上；以及一光柵陣列(slit array)，與該反射鏡相傾斜，且設置於該反射鏡之前，該光柵陣列具有多個光柵(slit)；其中，該投影鏡頭設置於該反射鏡及該光柵陣列之間的一間隔中。
2. 如請求項1所述的虛像顯示系統，其中該菲涅耳透鏡的一光軸與該投影透鏡的一光軸於一第一方向上，為相偏移；該菲涅耳透鏡的該光軸與該投影透鏡的該光軸於一第二方向上，為相疊合；該第一方向與該第二方向為相垂直正交，而該光柵陣列、該投影鏡頭及該反射鏡沿著該第一方向依序排列。
3. 如請求項1至2任一項所述的虛像顯示系統，其中該投影機的該本體相對於該光傳遞結構為傾斜。
4. 如請求項1至2任一項所述的虛像顯示系統，其中該光柵陣列為一液晶面板，而該些光柵各為一排液晶。
5. 如請求項1至2任一項所述的虛像顯示系統，其中該反射鏡為一梯型反射鏡。
6. 如請求項1至2任一項所述的虛像顯示系統，其中該投影鏡頭為一L型投影鏡頭。
7. 如請求項1至2任一項所述的虛像顯示系統，更包含一殼體，該殼體包覆該投影機、該光傳遞結構及該反射鏡。