显示装置及其操作方法与流程

本发明涉及一种显示装置及其操作方法，特别是涉及一种具备弹性人类互动的浮动影像显示装置及其操作方法。

背景技术：

近来，浮动影像(floating image)显示技术已成为研发中的一种新技术。在浮动影像显示器中，显示屏幕的原始影像被转换而在空中呈现出一浮动影像。浮动影像的研发，在未来对人类互动显示装置而言为一前景看好的技术。

然而，现今发展的浮动影像仍有许多问题待解决，例如浮动影像的有限的视域(viewing zone)、浮动影像的品质低…等，如何提供具有好品质及适用于人类互动的浮动影像对产业界已成为一项重要任务。

技术实现要素：

本发明有关于一种显示装置及其操作方法。在实施例中，经由一感测模块侦测一目标物，目标物的位置和/或角运动(angular movement)的资讯可被反馈至一控制模块，且可根据接收目标物资讯来调整施加到液晶渐变折射率透镜阵列的偏压配置，用以调整投射的转换影像，而提供更为弹性的影像与人类的互动。

根据本发明一实施例，提出一种显示装置。显示装置包括一显示模块、一光学元件、一感测模块以及一控制模块。显示模块用于提供一原始影像。光学元件设置于显示模块上且用于投射原始影像的转换影像，且光学元件包括一第一液晶渐变折射率透镜阵列及一第二液晶渐变折射率透镜阵列，第一液晶渐变折射率透镜阵列具有一第一焦距，第二液晶渐变折射率透镜阵列具有一第二焦距，且第二液晶渐变折射率透镜阵列平行设置于第一液晶渐变折射率透镜阵列。感测模块用于侦测一目标物。控制模块用于从感测模块接收一目标物资讯以及根据目标物资讯对第一液晶渐变折射率透镜阵列施加一第一偏压配置及对第二液晶渐变折射率透镜阵列施加一第二偏压配置以调 整转换影像。

根据本发明另一实施例，提出一种显示装置的一操作方法。显示装置的操作方法包括以下步骤：从一显示模块提供一原始影像；通过一光学元件投射原始影像的转换影像，光学元件包括一第一液晶渐变折射率透镜阵列及一第二液晶渐变折射率透镜阵列，第一液晶渐变折射率透镜阵列具有一第一焦距，第二液晶渐变折射率透镜阵列具有一第二焦距，且第二液晶渐变折射率透镜阵列平行设置于第一液晶渐变折射率透镜阵列；通过一感测模块侦测一目标物；通过一控制模块从感测模块接收一目标物资讯；以及通过控制模块调整转换影像，其中控制模块根据目标物资讯对第一液晶渐变折射率透镜阵列施加一第一偏压配置及对第二液晶渐变折射率透镜阵列施加一第二偏压配置以调整转换影像。

根据本发明又一实施例，提出一种显示装置的一操作方法。显示装置的操作方法包括以下步骤：从一显示模块提供一原始影像；通过一光学元件投射原始影像的一转换影像，光学元件包括一第一液晶渐变折射率透镜阵列及一第二液晶渐变折射率透镜阵列，第一液晶渐变折射率透镜阵列具有一第一焦距，第二液晶渐变折射率透镜阵列具有一第二焦距，且第二液晶渐变折射率透镜阵列平行设置于第一液晶渐变折射率透镜阵列；通过一影像撷取装置撷取一目标物的一影像；通过一控制模块从影像撷取装置接收及分析影像；以及通过控制模块调整转换影像，其中控制模块根据接收的影像对第一液晶渐变折射率透镜阵列施加一第一偏压配置及对第二液晶渐变折射率透镜阵列施加一第二偏压配置以调整转换影像。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，但非用以限制本发明，并配合所附图示，做详细说明如下：

附图说明

图1～图4为根据本发明一实施例的显示装置；

图5为根据本发明一实施例的液晶渐变折射率透镜阵列；

图6为根据本发明另一实施例的显示装置；

图7为根据本发明又一实施例的显示装置。

符号说明

10、20、30：显示装置

100：显示模块

200：光学元件

210、220：液晶渐变折射率透镜阵列

210c、220c：液晶层

210L1、210L2、220L1、220L2：光学透镜

210-1、210-2：透明基板

230：透明夹层

240、250：透镜阵列

300：感测模块

400、400’：转换影像

500、500’：手

600、600’：眼睛

f1、f2、f1g、f2g、f1s、f2s：焦距

D、d1、d2：光学间距

D1～D6：条状电极

L1、L2、L2’：距离

P：像素

U1：电极层

V1、V2：正交线

θ：视角

具体实施方式

根据本发明实施例，在显示装置中，经由一感测模块侦测一目标物，目标物的位置和/或角运动的资讯可被反馈至控制模块，且可根据接收的目标物资讯调整施加到液晶渐变折射率透镜阵列的偏压配置，用以调整投射的转换影像，而提供更为弹性的转换影像与人类的互动。

下文特举实施并配合所附图示做详细说明如下。所附图示中相同或类似的符号代表相同或类似的元件。值得注意的是，所附图示简化用以对本发明实施例提供清楚的描述，且下述仅为示范与说明，非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，可根据实际执行所需做各种更动与润 饰。

图1为根据本发明一实施例的显示装置10。参考图1，显示装置(display device)10包括一显示模块(display module)100、一光学元件(optical component)200，一感测模块300，以及一控制模块(图中未显示)。显示模块100用于提供一原始影像(2D影像或3D影像)，光学元件200设置于显示模块100和观察者(观看者)之间用于将原始影像转换成为一转换影像(translating image)400(浮动影像)。光学元件200包括一第一液晶渐变折射率透镜阵列(liquid crystal(LC)gradient index(GRIN)lens array)210、一第二液晶渐变折射率透镜阵列220及一透明夹层(transparent interlayer)230。液晶渐变折射率透镜包括柱状透镜型液晶晶胞及多个电极，柱状透镜型液晶晶胞的形态是以有机材料所构成，且以有机材料填充液晶而产生柱状透镜形状。第一液晶渐变折射率透镜阵列210具有一第一焦距(focal length)f1，第二液晶渐变折射率透镜阵列220具有一第二焦距f2。第一液晶渐变折射率透镜阵列210与第二液晶渐变折射率透镜阵列220背对背排列(彼此相反)。第一液晶渐变折射率透镜阵列210的焦面板(focal plate)的焦距与第二液晶渐变折射率透镜阵列220的焦面板的焦距彼此相反。第一液晶渐变折射率透镜阵列210及第二液晶渐变折射率透镜阵列220的柱状透镜的延伸方向彼此平行。在第一液晶渐变折射率透镜阵列210及第二液晶渐变折射率透镜阵列220中，第一焦距f1及第二焦距f2可经由改变施加电压而调整。透明夹层230设置于第一液晶渐变折射率透镜阵列210及第二液晶渐变折射率透镜阵列220之间用于粘合或光学调变。

一些实施例中，第一液晶渐变折射率透镜阵列210及第二液晶渐变折射率透镜阵列220可以一维排列的多个柱状透镜(多个条状透镜)所形成、二维微透镜(凸状透镜bump type lens)的透镜阵列所形成、或两者的组合所形成。然而，第一液晶渐变折射率透镜阵列210及第二液晶渐变折射率透镜阵列220种类的选择可根据实际所需做变更，而非限制于本实施例。

实施例中，透明夹层230可为玻璃层、透明塑胶层、透明胶层或空气。

实施例中，感测模块(sensing module)300用于侦测一目标物，例如侦测目标物的位置或移动。举例来说，如图1所示，目标物例如是位于转换影像(浮动影像)400附近的观看者的手500或观看者的眼睛600。一些其他实施例中，感测模块300侦测观看者的头、手指或其他部位。

实施例中，控制模块(图中未显示)用于从感测模块300接收一目标物资讯及调整转换影像400。此目标物资讯包括目标物的一位置、目标物位置的一视角(viewing angle)和/或目标物的一影像。控制模块根据目标物资讯对第一液晶渐变折射率透镜阵列210施加一第一偏压配置(bias arrangement)及对第二液晶渐变折射率透镜阵列220施加一第二偏压配置直到转换影像400达到一预定条件(predetermined criteria)。本发明中，偏压配置指的是一系列的预定电压施加到第一或第二液晶渐变折射率透镜阵列的一系列对应的电极以调节(modulate)液晶的排列形态(arrangement pattern)。本实施例中，第一偏压配置可与第二偏压配置相同或者不同。

实施例中，预定条件可包括根据目标物资讯的转换影像400的一目标位置、转换影像(浮动影像)的一目标清晰值或两者的组合。也就是说，在侦测目标物(如：手500、眼睛600)后回传目标物资讯到控制模块，接着控制模块分析目标物资讯及决定第一偏压配置及第二偏压配置的施加电压以调整投射的转换影像400，以达到目标位置或目标清晰值。

本发明实施例中，感测模块300可包括一主体追踪模块、一影像撷取装置或两者的组合。实施例中，主体追踪模块例如一深度感测器，此深度感测器为使用飞行时间(time of flight,TOF)机制并与常见的CCD/CMOS感测器、红外线(IR)感测器、双摄像头(dual camera)、超声波感测器(ultrasonic sensor)或其他种光学系统的组合。

综上所述，根据本发明实施例，经由以感测模块300侦测目标物，此目标物的位置和/或角运动资讯可被传送到控制模块，且可根据接收目标物资讯调整施加到液晶渐变折射率透镜阵列210和220的偏压配置，用以调整投射的转换影像400，而提供更为弹性的转换影像400与人类的互动。

根据本发明实施例，提出一种显示装置10的操作方法。参考图1所示，实施例中，操作方法包括以下步骤。

显示模块100提供一原始影像，且光学元件200投射此原始影像的转换影像400。当感测模块300侦测到一目标物时，感测模块300会反馈目标物的目标物资讯到控制模块。接着控制模块依据接收的目标物资讯对光学元件200的第一液晶渐变折射率透镜阵列210施加一第一偏压配置及对光学元件200的第二液晶渐变折射率透镜阵列220施加一第二偏压配置以调整转换影像400。上述侦测目标物、接收目标物资讯、以及施加第一偏压配置及第二 偏压配置以调整转换影像400的步骤可重复直到转换影像400达到一预定条件，例如是根据目标物资讯的转换影像400的一目标位置、转换影像400的一目标清晰值或两者的组合。由于变更施加到第一及第二液晶渐变折射率透镜阵列210及220的电压可改变当中液晶分子的倾斜角，由此使第一及第二液晶渐变折射率透镜阵列210及220的光学特性产生变化，而可以对应地调整投射的转换影像400。

如图1所示，调整转换影像400的步骤可包括调整第一液晶渐变折射率透镜阵列210的第一焦距及调整第二液晶渐变折射率透镜阵列220的第二焦距直到转换影像400达到一目标位置。此状况下，调整第一焦距及第二焦距以满足以下条件：

d＝f1+f2及L2＝L1*(f2/f1)。

f1为第一焦距，f2为第二焦距，d为第一液晶渐变折射率透镜阵列210与第二液晶渐变折射率透镜阵列220之间的光学间距，L1为第一液晶渐变折射率透镜阵列210与显示装置100之间的距离，L2为第二液晶渐变折射率透镜阵列220与转换影像400的原始位置之间的距离。值得注意的是，尽管光学间距(optical gap)由焦距的光学参数所定义，但在此所述的光学间距d实质上等于第一液晶渐变折射率透镜阵列210的液晶层(liquid crystal layer)210c的中心与第二液晶渐变折射率透镜阵列220的液晶层220c的中心之间的距离。并且，距离L1实质上等于多个像素(pixel)P与第一液晶渐变折射率透镜阵列210的液晶层210c的中心之间的距离，而距离L2实质上等于第二液晶渐变折射率透镜阵列220的液晶层220c的中心与转换影像400的原始位置之间的距离。

图2为根据本发明一实施例的显示装置10所揭示的一操作方法。本实施例中，显示装置10可侦测一目标物的移动，例如观看者的手、眼睛或视线移动(gaze movement)，及根据目标物的新位置调整转换影像使投射在一调整位置，而提供更为弹性的转换影像与人类的互动。

参考图2，感测模块300可包括一主体追踪模块，而目标物资讯可包括目标物的一位置。更具体地，目标物资讯可包括不仅目标物的原始位置还有 目标物移动后的新位置。并且，目标物资讯还可包括第二液晶渐变折射率透镜阵列220与目标物位置之间的距离，且调整第一焦距与第二焦距以满足以下条件：

f1＝(L1/(L1+L2’))*d及f2＝(L2/(L1+L2’))*d。

L2’为第二液晶渐变折射率透镜阵列220与目标物位置之间的距离，此目标物位置例如为目标物移动后的新位置。举例来说，当目标物例如是一只手500移动到新位置，而于附图中标示为手500’，控制模块调整第一焦距f1与第二焦距f2以满足上述条件。在满足上述条件后，光学元件200把转换影像400从原始位置调整到投射于一新目标位置，而于附图中标示为转换影像400’。值得注意的是，d及L1保持固定值，且必须也同时满足条件d＝f1+f2。

图3为根据本发明一实施例的显示装置10所揭示的另一操作方法。本实施例中，显示装置10可通过侦测目标物的移动而侦测视角的变化，例如观看者对于显示装置的角运动或观看者的眼睛(视线)移动，且根据目标物的新视角调整投射的转换影像，使其具备期望的目标清晰值，而提供更广视角且更为弹性的清晰转换影像与人类的互动。

参考图3，感测模块300可包括一主体追踪模块，目标物资讯可包括目标物位置的视角。更具体地，目标物资讯不仅可包括目标物的原始位置还有目标物移动后的新视角。调整第一焦距与第二焦距以满足以下条件：

f1＝(L1/(L1+L2))*(d/cos(θ))及f2＝(L2/(L1+L2))*(d/cos(θ))。

d/cos(θ)为第一液晶渐变折射率透镜阵列与第二液晶渐变折射率透镜阵列之间的光学间距，且θ为目标物位置的视角。更具体地，视角θ为原始正交线(orthogonal line)V1与稍微移动后的新正交线V2之间的角度差。原始正交线V1由观看者眼睛至光学元件200，而新正交线V2由观看者眼睛600’至光学元件200。

一实施例中，目标物位置的视角|θ|<90度。另一实施例中，目标物位置的视角|θ|<30度。举例来说，目标物位置的视角θ可以是+30度到-30度之间。

举例来说，当一目标物，例如是一观看者的眼睛，相对于显示装置由原 始位置移动一视角到新位置，而于附图中标示为眼睛600’，控制模块调整第一焦距f1及第二焦距f2以满足上述条件。在满足上述条件后，光学元件200调整转换影像400以达到目标清晰值。值得注意的是，d及L1保持固定值，且当由观看者眼睛至光学元件200的正交线V1移动至到新的正交线V2，本实施例的光学间距定义为d/cos(θ)，且必须满足条件d/cos(θ)＝f1+f2。

图4为根据本发明一实施例的显示装置10揭示另一操作方法。本实施例中，显示装置10可通过侦测目标物的移动而侦测相对于显示装置的视角变化，例如是观看者的眼睛或视线移动，且根据目标物的新视角调整投射的转换影像，使其具备期望目标清晰值，而提供更广视角且更为弹性的清晰转换影像与人类的互动。

参考图4，通过根据视角资讯施加第一偏压配置到第一液晶渐变折射率透镜阵列210及施加第二偏压配置到第二液晶渐变折射率透镜阵列220，以调整且移动第一液晶渐变折射率透镜阵列210的光学透镜210L1的位置及第二液晶渐变折射率透镜阵列220的光学透镜220L1的位置至新的位置，直到转换影像400达到目标清晰值。

举例来说，如图4所示，当观看者的眼睛位于视角θ，将第一液晶渐变折射率透镜阵列210的光学透镜210L1的位置移动到新位置，新位置的光学透镜于附图中标示为光学透镜210L2，及将第二液晶渐变折射率透镜阵列220的光学透镜220L1的位置移动到新位置，新位置的光学透镜于附图中标示为光学透镜220L2。如此一来，以此方式形成的转换影像400的清晰度达到目标值，提供了一具有期望的清晰度的转换影像400。

进一步解释及描述此偏压设置，请参考图5，其为根据本发明一实施例的液晶渐变折射率透镜阵列，且以第一液晶渐变折射率透镜阵列210为例。第一液晶渐变折射率透镜阵列210包括透明基板(transparent substrates)210-1及210-2、多个条状电极(strip electrode)D1～D6设置于透明基板210-1上、一电极层(electrode layer)U1、及液晶层210c设置于这些条状电极D1～D6与电极层U1之间。对这些不同的条状电极D1-D6施加不同的预定电压，造成对应的多个液晶分子有不同的倾斜角，由此产生液晶层210c内部的光学透镜210L1，而对于第一液晶渐变折射率透镜阵列的这些电极施加不同的电压的配置则定义为第一偏压配置。本发明实施例中，电极层U1可以为一平面电极层或也可包括多个条状电极，此些条状电极排列为正交于条状电极 D1～D6。

举例来说，对电极层U1及条状电极D4可施加0伏特的电压，对条状电极D1可施加5伏特的电压，对条状电极D2及D6可施加2伏特的电压，及对条状电极D3及D5可施加0.5伏特的电压。另一实施例中，对电极层U1及条状电极D5可施加0伏特的电压，对条状电极D2可施加5伏特的电压，对条状电极D1及D3可施加2伏特的电压，及对条状电极D4及D6可施加0.5伏特的电压。当调整或变化偏压配置时，由此形成的第一液晶渐变折射率透镜阵列210的多个光学透镜的焦距和/或位置也随着改变或移动。如图5所示的实施例中的这些条状电极具有6个电极，然而一组条状电极中的电极数量的选择并非限制为6个，可根据实际所需做变更。

图6为根据本发明另一实施例的显示装置20，本实施例中的元件与先前实施例中具有相同或类似符号的元件为相同或类似的元件，因而省略对其的描述。

参考图6，显示装置20的光学元件200可还包括一第一透镜阵列240及一第二透镜阵列250。第一透镜阵列240具有一第三焦距，且第二透镜阵列250具有一第四焦距。第一透镜阵列240设置于第一液晶渐变折射率透镜阵列210上，第二透镜阵列250设置于第二液晶渐变折射率透镜阵列220上，且第二透镜阵列250平行设置于第一透镜阵列240。实施例中，第一透镜阵列240及第二透镜阵列250例如是柱状透镜阵列或微透镜阵列。

如图6所示，第一液晶渐变折射率透镜阵列210及第二液晶渐变折射率透镜阵列220设置于第一透镜阵列240与第二透镜阵列250之间。本实施例中，第三焦距及第四焦距为固定值且无法调整。

如图6所示的显示装置20中，第一液晶渐变折射率透镜阵列210及第一透镜阵列240构成一第一透镜组，且第二液晶渐变折射率透镜阵列220及第二透镜阵列250构成一第二透镜组。当操作显示装置20时，调整转换影像400的步骤可包括调整第一液晶渐变折射率透镜阵列210的第一焦距及调整第二液晶渐变折射率透镜阵列220的第二焦距直到转换影像400达到一目标位置。依此方式，调整第一焦距及第二焦距以满足以下条件：

d＝f1+f2、L2＝L1*(f2/f1)、1/f1＝1/f1s+1/f1g-d1/(f1s*f1g)及1/f2＝1/f2s+1/f2g-d2/(f2s*f2g)。

f1为第一透镜组的总焦距，f2为第二透镜组的总焦距，f1g为第一焦距，f2g为第二焦距，f1s为第三焦距，f2s为第四焦距，d1为第一液晶渐变折射率透镜阵列210与第一透镜阵列240之间的光学间距，d2为第二液晶渐变折射率透镜阵列220与第二透镜阵列250之间的光学间距，d为第一透镜组与第二透镜组之间的光学间距，L1为第一透镜组与显示模块100之间的距离，L2为第二透镜组与转换影像400的原始位置之间的距离。

具备附加的第一透镜阵列240及第二透镜阵列250，第一透镜组及第二透镜组可提供较高的透镜能力。并且，因具备第一透镜阵列240及第二透镜阵列250的支援，在整个光学元件200具有相同的焦距调整能力的前提下，可减少液晶层210c及220c的厚度，由此实现较快的反应时间及较低的电压需求(因为能量消耗降低)。

图7为根据本发明又一实施例的显示装置30。本实施例中的元件与先前实施例中具有相同或类似符号的元件为相同或类似的元件，因而省略对其的描述。本实施例与图1所示的实施例的主要不同为感测模块300。

本实施例中，感测模块300例如是影像撷取装置，当操作显示装置30时，影像撷取装置撷取观看者手500的影像或观看者眼睛600的影像，然后控制模块从感测模块300(影像撷取模块)接收及分析影像。接着，根据接收的影像施加第一偏压配置于第一液晶渐变折射率透镜阵列210及施加第二偏压配置于第二液晶渐变折射率透镜阵列220直到转换影像400达到目标清晰值。

本发明的一些实施例中，感测模块可包括一主体追踪模块及影像撷取装置(图中未显示)。在此例中，目标物资讯可包括目标物位置、目标物位置的视角或两者的组合，且目标物资讯可还包括目标物影像，而调整第一焦距及第二焦距直到转换影像400达到目标清晰值。在此系统中，主体追踪模块执行感测模块的主要功能，且使用影像撷取装置作为一辅助系统用以微调第一液晶渐变折射率透镜阵列的焦距及第二液晶渐变折射率透镜阵列的焦距。

本发明的一些实施例中，这些液晶渐变折射率透镜阵列可被取代为电湿润透镜阵列(electro-wetting lens array)，这些电湿润透镜阵列的焦距也可根据这些施加电压而改变。

综上所述，虽然结合以上较佳实施列揭露了本发明，然而其非用以限定 本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，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，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。