编码光源与应用其的光场投影装置

摘要

本公开提供一种编码光源与应用其的光场投影装置。该编码光源包含光源、光均匀元件、编码元件与光学模块。光源提供光束。光均匀元件将光束均匀化。编码元件具有沿行方向排列的多个视域单元。编码元件包含控制元件与多个呈矩阵排列的反射元件。控制元件连接反射元件，使得在任一时序，反射元件分别处于开启状态或关闭状态。于至少一个视域单元中，处于开启状态的反射元件组成沿列方向延伸的反射区域，列方向实质垂直于行方向。视域单元的灰阶由开启状态的反射元件的数目决定。光学模块将均匀化的光束导引至编码元件，自视域单元反射的光束会回到光学模块且分别对应至不同视域。本公开可以以较低的画面更新率产生较多的视域数。

说明书

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种编码光源。

背景技术

利用人类的两眼视差，现有的立体显示装置以分别提供观赏者两眼不 同的光源影像来实现立体显示。而其中的立体裸视显示器，顾名思义，不 像其他的立体显示装置需要使用眼镜来区分左右眼光源影像，立体裸视显 示器将具不同影像的光束分别传送到空间上不同的位置，因此若不同的影 像同时传至观赏者的左右眼，观赏者即能够以裸视感受到立体影像。立体 裸视显示技术能避免眼镜式立体显示技术的不便，是目前重要的发展方 向。然而，随着立体裸视显示技术的发展，如何增加视域的数目为目前业 界努力解决的问题之一。

发明内容

本发明一方面提供一种编码光源，包含光源、光均匀元件、编码元件 与光学模块。光源提供一光束。光均匀元件用以将光束均匀化。编码元件 具有沿行方向排列的多个视域单元。编码元件包含多个反射元件与控制元 件。反射元件呈矩阵排列。控制元件连接反射元件，使得在任一时序，反 射元件分别处于开启状态或关闭状态。于至少一个视域单元中，处于开启 状态的反射元件组成沿列方向延伸的反射区域，列方向实质垂直于行方 向。视域单元的灰阶由开启状态的反射元件的数目决定。光学模块用以将 均匀化的光束导引至编码元件，自视域单元反射的部分光束会回到光学模 块且分别对应至不同视域。

在一或多个实施方式中，每一视域单元包含X列×Y行的反射元件， X≥1且Y>1。

在一或多个实施方式中，反射区域的中心位于第Y/2行的至少一反射 元件上、第(Y+1)/2行的至少一反射元件上或第Y/2行与第(Y+1)/2 行的反射元件之间。

在一或多个实施方式中，编码元件为数位微型反射镜元件(Digital MicromirrorDevice)。

在一或多个实施方式中，光学模块包含第一棱镜与第二棱镜。第一棱 镜具有第一侧面、第二侧面与第三侧面。编码元件置于第一侧面。第二棱 镜与第一棱镜的第二侧面之间具有间隙。光束由第三侧面进入第一棱镜， 被间隙反射至第一侧面而到达编码元件，之后编码元件将光束反射回第一 侧面，接着光束依序通过间隙与第二棱镜。

本发明另一方面提供一种光场投影装置，包含编码光源、第二光均匀 元件、第一光调制器、镜头与第二光学模块。编码光源包含光源、第一光 均匀元件、编码元件与第一光学模块。光源提供光束。第一光均匀元件用 以将光束均匀化。编码元件具有沿行方向排列的多个视域单元。编码元件 包含多个反射元件与控制元件。反射元件呈矩阵排列。控制元件连接反射 元件，使得在任一时序，反射元件分别处于开启状态或关闭状态。于至少 一个视域单元中，处于开启状态的反射元件组成沿列方向延伸的反射区 域。列方向实质垂直于行方向。视域单元的灰阶由开启状态的反射元件的 数目决定。第一光学模块用以将均匀化的光束导引至编码元件，自视域单 元反射的部分光束会回到光学模块且分别对应至不同视域。第二光均匀元 件置于第一光均匀元件与第一光学模块之间。第一光调制器用以将光束依 时序调制成多个影像。第二光学模块用以将离开第一光学模块的光束导引 至第一光调制器，且将影像导引至镜头。

在一或多个实施方式中，自第二光均匀元件至第一光调制器之间的光 路形成中继系统。编码元件置于中继系统的孔径光栏。

在一或多个实施方式中，通过第一光均匀元件的光束的成像面位于编 码元件上，通过第二光均匀元件的光束的成像面位于第一光调制器上，且 自编码元件反射的光束的成像面位于镜头中。

在一或多个实施方式中，第二光学模块包含第一棱镜与第二棱镜。第 一棱镜具有第一侧面、第二侧面与第三侧面。第一光调制器置于第一侧面。 第二棱镜与第一棱镜的第二侧面之间具有间隙。光束由第三侧面进入第一 棱镜，被间隙反射至第一侧面而到达第一光调制器，之后第一光调制器将 光束反射回第一侧面，接着光束依序通过间隙与第二棱镜。

在一或多个实施方式中，光场投影装置还包含第二光调制器与第三光 调制器，且第二光学模块还包含分合光棱镜组，置于第一棱镜与第一光调 制器之间。第一光调制器、第二光调制器与第三光调制器分别位于分合光 棱镜组的三侧面。

在上述实施方式中，光场投影装置可利用演算法，以较少的影像数加 上编码元件编码，以分别叠加成不同视域的影像，因此可以较低的画面更 新率(FrameRate)产生较多的视域数。编码光源亦可应用于传统的光场 显示与二维显示。

附图说明

图1为本发明一实施方式的光场投影装置的示意图。

图2为图1的编码元件于一时序的前视示意图。

图3为本图1的镜头与屏幕的放大示意图。

图4为图1的编码元件于另一时序的前视示意图。

图5为本发明另一实施方式的光场投影装置的示意图。

附图标记说明：

100：编码光源

110：光源

112：光束

120：第一光均匀元件

130：编码元件

132：反射元件

134：控制元件

140：第一光学模块

142、510、552：第一棱镜

142a、512：第一侧面

142b、514：第二侧面

142c、516：第三侧面

144、520、554：第二棱镜

146、540：反射镜

200：第二光均匀元件

300：第一光调制器

400：镜头

500：第二光学模块

530、600、650：透镜

550：分合光棱镜组

550a、550b、550c：侧面

556：第三棱镜

700：第二光调制器

800：第三光调制器

900：屏幕

910：第一柱状透镜阵列

920：扩散层

930：第二柱状透镜阵列

940：准直透镜

D1：行方向

D2：列方向

S1、S2、S3、S4：间隙

IM1、IM2、IM3、IM4：成像面

M：影像

O：中心

R：反射区域

RS：中继系统

Stop：孔径光栏

U、U1～U13：视域单元

具体实施方式

以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实 务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细 节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务 上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元 件在附图中将以简单示意的方式进行绘示。

在本文中，使用第一、第二与第三等等的词汇，用于描述各种元件、 组件、区域、层与/或区块。但是这些元件、组件、区域、层与/或区块不 应该被这些术语所限制。这些词汇只限于用来辨别单一元件、组件、区域、 层与/或区块。因此，在下文中的一第一元件、组件、区域、层与/或区块 也可被称为第二元件、组件、区域、层与/或区块，而不脱离本发明的本 意。

图1为本发明一实施方式的光场投影装置的示意图。光场投影装置包 含编码光源100、第二光均匀元件200、第一光调制器300、镜头400与 第二光学模块500。编码光源100包含光源110、第一光均匀元件120、编 码元件130与第一光学模块140。光源110提供光束112。第一光均匀元 件120用以将光束112均匀化。第一光学模块140用以将均匀化的光束112 导引至编码元件130，且自编码元件130反射的光束112会回到第一光学 模块140并分别对应至不同视域。第二光均匀元件200置于第一光均匀元 件120与第一光学模块140之间。第一光调制器300用以将光束112依时 序调制成多个影像M。第二光学模块500用以将离开第一光学模块140 的光束112导引至第一光调制器300，且将影像M导引至镜头400。

接着请参照图2，其为图1的编码元件130于一时序的前视示意图。 编码元件130例如为数位微型反射镜元件(DigitalMicromirrorDevice)， 其具有沿行方向D1排列的多个视域单元U。编码元件130包含多个反射 元件132与控制元件134。反射元件132呈矩阵排列。控制元件134连接 反射元件132(例如在图2中，控制元件134可为置于反射元件132后方 的电路模块，然而本发明不以此为限)，使得在任一时序，反射元件132 分别处于开启状态或关闭状态。其中开启状态或关闭状态是以反射元件 132的倾斜角度来定义，亦即处于开启状态的反射元件132所处的倾斜角 度能够将入射该反射元件132的部分光束112(如图1所标示)反射回第 一光学模块140(如图1所标示)；而处于关闭状态的反射元件132所处 的倾斜角度则将入射该反射元件132的部分光束112反射至他处，离开光 场投影装置的光路。为了清楚起见，在图2中，处于开启状态的反射元件 132以网点表示进行。于至少一个视域单元U中，处于开启状态的反射元 件132组成沿列方向D2延伸的反射区域R。列方向D2实质垂直于行方 向D1。视域单元U的灰阶由开启状态的反射元件132的数目决定。自视 域单元U反射的光束112会回到第一光学模块140且分别对应至不同的视 域，也就是自不同视域单元U反射的光束112将会被投射至不同的视域。

在本实施方式中，光场投影装置可利用演算法，以较少的影像数加上 编码元件130编码，以分别叠加成不同视域的画面，因此可以较低的画面 更新率(FrameRate)产生较多的视域数。详细而言，传统的光场投影机 若具有100个视域，则必须依时序提供100个视域的画面。而若每个视域 皆要具有60Hz的画面更新率，则光场投影机至少必须具有 100*60Hz＝6000Hz的画面更新率。但实际上，100个视域的同一画面的相 似度相当高，因此可以较少(例如25个)的基本影像搭配不同分量(在 此为不同影像灰阶)以分别模拟出100个视域的画面。因此以25个基本 影像搭配60Hz的画面更新率，则本实施方式的光场投影装置的画面更新 率可降低至25*60Hz＝1500Hz。此演算法的细节请参阅文献(M.Hirsch,G. Wetzstein,R.Raskar.ACompressiveLightFieldProjectionSystem.ACM Proc.ofSIGGRAPH(TransactionsonGraphics33,4),2014)，在本文中 仅举例作说明。

在此简述上述演算法的原理，并以25个基本影像同时模拟100个视 域的画面作为例子。假设H1～H25为25个基本影像的影像数据，G1(1) ～G25(1)为分别对应25个基本影像的第一个视域的分量，G1(2)～G25 (2)为分别对应25个基本影像的第二个视域的分量，以此类推。其中分 量是表示影像的灰阶(亮度)高低，即分量越高，灰阶越高，反之则越低。 以产生同一格的画面为例，第一个视域的画面I(1)由H1～H25与G1(1) ～G25(1)组成：

I(1)＝G1(1)*H1+G2(1)*H2+…+G25(1)*H25；第二个视域 的画面I(2)由H1～H25与G1(2)～G25(2)组成：

I(2)＝G1(2)*H1+G2(2)*H2+…+G25(2)*H25，第三个视域 的画面I(3)至第一百个视域的画面I(100)则依此类推。

上述的画面I(1)～I(100)的产生程序可分成25个时序，其中每一 时序皆对应一基本影像。详细而言，在第一时序时，第一个基本影像的影 像数据H1搭配被编码为G(t1)＝[G1(1),G1(2),…,G1(100)]的光 束。在第二时序时，第二个基本影像的影像数据H2搭配被编码为G(t2) ＝[G2(1),G2(2),…,G2(100)]的光束，以此类推。如此一来，经过 25个时序后，即可以25个基本影像同时模拟出100个视域的画面，能大 幅降低画面更新率。其中以上述的演算法实现多视域的影像的实例可参照 文献(M.Hirsch,G.Wetzstein,R.Raskar.ACompressiveLightField ProjectionSystem.ACMProc.ofSIGGRAPH(TransactionsonGraphics33, 4),2014)，在此便不赘述。

而在本实施方式中，是以图1的第一光调制器300依时序提供上述的 影像数据(即H1～H25)，且以图2的编码元件130依时序提供分量G(t1)、 G(t2)、…，其中上述的影像数据与视域的个数皆为例示，并非用以限制 本发明。详细而言，图2的视域单元U分别对应不同视域，且以反射区 域R的大小决定分量G1(1)～G25(1)、G1(2)～G25(2)、…的值， 即反射区域R越大，影像的灰阶越高，则G1(1)～G25(1)、G1(2)～G25 (2)、…的值越大。举例而言，在图2中的编码元件130提供13个视域 (为了清楚起见，在此仅绘示13个视域，亦即13个视域单元U。然而若 欲提供100个视域，则图2的编码元件130则具有100个视域单元U)， 编码元件130的编码为G＝[10,19,27,27,32,32,18,14,8,6,2,10,9]，其值为反 射元件132的列数。

接下来将介绍本实施方式的光场投影装置的光路与产生画面的细节。 请同时参照图1与图2。光源110提供的光束112分别在经过第一光均匀 元件120与第二光均匀元件200的均匀化后，被第一光学模块140导引至 编码元件130。沿行方向D1排列的视域单元U将光束112分为不同视域 的光束，亦即视域单元U的数量即为视域的数量，使得被不同视域单元U 反射的光束112皆会沿不同方向行进，然而其整体行进的方向仍维持在光 场投影装置的光路上。利用调整每一视域单元U的反射区域R的大小， 编码元件130可个别调整每一视域单元U的部分光束112的灰阶，亦即将 光束112编码(即前述的分量G)。而编码后的光束112则进入第二光学 模块500，并被第二光学模块500导引至第一光调制器300，因此被第一 光调制器300调制成影像M(也就是经过加乘分量G后的影像，例如在 第一时序中，一并产生影像M(1)＝G1(1)*H1、M(2)＝G1(2)*H1、…， 而在第二时序中，一并产生影像M(1)＝G2(1)*H2、M(2)＝G2(2) *H2、…，其中M(1)为第一个视域的影像，M(2)为第二个视域的影 像，以此类推)。这些影像M则接着回到第二光学模块500，因此被导引 至镜头400，接着由镜头400投影至屏幕900上。如此一来，在经过25 个时序后，光场投影装置即能产生100个视域的同一格画面。而在下25 个时序，只要重复上述过程，光场投影装置即能再产生100个视域的下一 格画面。如此一来，对于60Hz的画面而言，具100个视域的光场投影装 置的画面更新率可降低至25*60Hz＝1500Hz。

请回到图1。在本实施方式中，通过第一光均匀元件120的光束112 的成像面IM1位于编码元件130上，亦即第一光均匀元件120用以将打 至编码元件130的光束112均匀化，使得光束112能够均匀地分布于编码 元件130上。通过第二光均匀元件200的光束112的成像面IM2位于第一 光调制器300上，亦即第二光均匀元件200用以将打至第一光调制器300 的光束112均匀化，使得光束112能够均匀地分布于第一光调制器300上。 自编码元件130反射的光束112的成像面IM3位于镜头400中，更进一步 地说，位于镜头400的出光瞳孔中，亦即不同视域的影像M会成像于镜 头400中的不同位置。另外，自第一光调制器300产生的影像M的成像 面IM4位于屏幕900上，也就是影像M成像于屏幕900上。

在本实施方式中，自第二光均匀元件200至第一光调制器300之间的 光路形成中继系统RS(为了清楚起见，在图1中以粗体虚线表示其光路)。 编码元件130置于中继系统RS的孔径光栏Stop。因此通过第二光均匀元 件200的光束112都会打至编码元件130上，在编码元件130经过调整出 光的灰阶后，自编码元件130反射的光束112都会打至第一光调制器300。

请参照图2。在一或多个实施方式中，每一视域单元U皆为矩形，包 含X列×Y行的反射元件132，X≥1且Y>1。换言之，每一视域单元U 最少可占一列，也可占多列。占越多列，则视域数越少，但每一视域的基 本亮度可增加；反之，占越少列，则视域数越多，但基本亮度降低，因此 X值可视实际情况而调整。另外，为了改变反射区域R的大小，Y值需大 于1，而Y值越大，灰阶的解析度越高，而叠加而成的画面也能越准确。 其中在图2中，X＝4，Y＝32，且共有13个视域单元U，然而本发明不以 此为限。

在一或多个实施方式中，反射区域R的中心O位于第Y/2行的至少 一反射元件132上、第(Y+1)/2行的至少一反射元件132上或第Y/2行 与第(Y+1)/2行的反射元件132之间。若Y为偶数，则中心O位于第 Y/2行(于图2为第16行)与第(Y+1)/2行(于图2为第17行)的反 射元件132之间；若Y为奇数，则中心O可位于第Y/2行或第(Y+1)/2 行的反射元件132上，也就是反射区域R相对于视域单元U向上或向下 略为偏移，然而基本上，反射区域R相对于视域单元U是为上下对称， 且在调整反射区域R的大小时，是沿着列方向D2上下等量扩张或收缩。

接着请回到图1。在本实施方式中，第一光学模块140包含第一棱镜 142与第二棱镜144。第一棱镜142具有第一侧面142a、第二侧面142b 与第三侧面142c。编码元件130置于第一侧面142a。第二棱镜144与第 一棱镜142的第二侧面142b之间具有间隙S1。另外第一光学模块140可 还包含反射镜146，且光场投影装置可还包含透镜600与650。透镜600 置于第一光均匀元件120与第二光均匀元件200之间，透镜650置于第二 光均匀元件200与反射镜146之间，反射镜146用以将离开第二光均匀元 件200的光束112反射至第一棱镜142。因此光源110提供的光束112依 序通过第一光均匀元件120、透镜600、第二光均匀元件200与透镜650 后，被反射镜146反射至第一棱镜142。光束112由第三侧面142c进入第 一棱镜142，被间隙S1反射至第一侧面142a而到达编码元件130。之后 编码元件130将光束112反射回第一侧面142a，接着光束112依序通过间 隙S1与第二棱镜144后离开第一光学模块140。在其他的实施方式中， 若离开第二光均匀元件200的光束112可直接入射第一棱镜142，则可省 略反射镜146。

第二光学模块500包含第一棱镜510与第二棱镜520。第一棱镜510 具有第一侧面512、第二侧面514与第三侧面516。第一光调制器300置 于第一侧面512。第二棱镜520与第一棱镜510的第二侧面514之间具有 间隙S2。另外第二光学模块500可还包含透镜530与反射镜540，透镜 530置于第一光学模块140与反射镜540之间，反射镜540用以将通过透 镜530的光束112反射至第一棱镜510。因此离开第一光学模块140的光 束112通过透镜530，且被反射镜540反射至第一棱镜510。光束112由 第三侧面516进入第一棱镜510，被间隙S2反射至第一侧面512而到达 第一光调制器300。第一光调制器300将光束112调制成影像M。之后影 像M反射回第一侧面512，接着依序通过间隙S2与第二棱镜520而离开 第二光学模块500并进入镜头400。在其他的实施方式中，若通过透镜530 的光束112可直接入射第一棱镜510，则可省略反射镜540。

接着请参照图3，其为本图1的镜头400与屏幕900的放大示意图。 在本实施方式中，屏幕900包含第一柱状透镜阵列910、扩散层920、第 二柱状透镜阵列930与准直透镜940。第一柱状透镜阵列910面向镜头400 设置，准直透镜940位于镜头400与第一柱状透镜阵列910之间，而扩散 层920置于第一柱状透镜阵列910与第二柱状透镜阵列930之间。镜头 400将不同视域的影像M投射至准直透镜940，其使得影像M成为面光 源后入射第一柱状透镜阵列910，进而成像于扩散层920。扩散层920上 的影像M接着通过第二柱状透镜阵列930，其视域之间的夹角被第二柱状 透镜阵列930放大后投射于不同的视域。因此观赏者的双眼即能看到不同 视域的画面，进而体验立体影像。

然而上述的光场投影装置亦可应用于传统的光场投影方式，也就是 说，在一时序中即投影单一视域的画面。请参照图4，为图1的编码元件 130于另一时序的前视示意图。举例而言，在一时序中，光场投影装置提 供第一个视域的画面，因此视域单元U1的反射区域R的大小即为视域单 元U1的大小，同时视域单元U2～U13的反射元件132皆处于关闭状态。 而在下一时序中，光场投影装置提供第二个视域的画面，因此视域单元 U2的反射区域R的大小即为视域单元U2的大小，同时视域单元U1、 U3～U13的反射元件132皆处于关闭状态。因此只要依时序改变视域单元 U1～U13的反射元件132的开启/关闭状态，即可实现光场投影显示。

另一方面，上述的光场投影装置亦可应用于二维显示，只要在每一时 序中，所有的反射元件132皆处于开启状态，亦即编码元件130不进行编 码，如此一来光束112(如图1所绘示)的灰阶(亮度)便会均匀，即可 实现二维显示。

接着请参照图5，其为本发明另一实施方式的光场投影装置的示意图， 在此为清楚起见，仅绘示其中一子时序的光路。本实施方式与图1的实施 方式的不同处在于显示颜色。在图1中，光场投影装置因包含第一光调制 器300，因此可应用于单色显示。而在本实施方式中，光场投影装置可应 用于彩色显示。具体而言，光源110可为依时序提供不同色光的光源模块， 而光场投影装置还包含第二光调制器700与第三光调制器800，且第二光 学模块500还包含分合光棱镜组550，置于第一棱镜510与第一光调制器 300之间。第一光调制器300、第二光调制器700与第三光调制器800分 别位于分合光棱镜组550的三侧面550a、550b与550c。更进一步而言， 第一光调制器300位于侧面550a，第二光调制器700位于侧面550b，且 第三光调制器800位于侧面550c。分合光棱镜组550包含第一棱镜552、 第二棱镜554与第三棱镜556。间隙S3存在于第一棱镜552与第二棱镜 554之间，且间隙S4存在于第二棱镜554与第三棱镜556之间。

在第一时序的第一子时序(在此的第一时序与图1的实施方式的第一 时序相同)，光源110可提供具第一色光(如绿光)的光束112。因光束 112自光源110至第一棱镜510的光路与图1的实施方式相同，因此便不 再赘述。光束112在离开第一棱镜510后依序通过分合光棱镜组550的第 一棱镜552、第二棱镜554与第三棱镜556后入射第一光调制器300，因 此被第一光调制器300调制成绿色影像。绿色影像接着依序通过第三棱镜 556、第二棱镜554与第一棱镜552后入射镜头400。接着在第一时序的 第二子时序，光源110可提供具第二色光(如蓝光)的光束。光束在离开 第一棱镜510后进入分合光棱镜组550的第一棱镜552，且被间隙S3反 射至第二光调制器700，因此被第二光调制器700调制成蓝色影像。蓝色 影像接着回到第一棱镜552，被间隙S3反射至镜头400。接着在第一时序 的第三子时序，光源110可提供具第三色光(如红光)的光束。光束在离 开第一棱镜510后依序进入分合光棱镜组550的第一棱镜552与第二棱镜 554，接着被间隙S4反射至第三光调制器800，因此被第三光调制器800 调制成红色影像。红色影像接着回到第二棱镜554，被间隙S4反射，通 过第一棱镜552后入射镜头400，因此即可于第一时序中产生彩色影像。 接着，第二时序可重复上述操作方式。至于本实施方式的其他细节因与图 1的实施方式相同，因此便不再赘述。

虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何 本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与 润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。