3d圖像/2d圖像切換顯示裝置和可攜式終端設備的製作方法

2023-11-02 07:10:37 2

專利名稱：3d圖像/2d圖像切換顯示裝置和可攜式終端設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能夠顯示3D圖像和2D圖像、並且能夠從一個切換到另一個的三維(3D)圖像/二維(2D)圖像切換顯示裝置，以及一種包括3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的可攜式終端設備。
背景技術：
已經開發了能夠顯示3D圖像的顯示裝置。目前已經研究的3D圖像顯示系統可以被劃分為使用眼鏡方式的系統和不使用眼鏡方式的系統。當採用使用眼鏡方式的系統時，用戶實際上不能夠避免佩戴眼鏡，其中，使用眼鏡的方式包括立體相片(anaglyph)方式、以及利用偏振的偏振玻璃方式。在這方面，最近已經對不使用的無眼鏡3D圖像顯示裝置進行了積極的研究。
無眼鏡3D圖像顯示裝置包括視差柵欄(parallax barrier)方式的裝置和柱狀透鏡(lenticular lens)方式的裝置。1896年，Berthier想到了視差柵欄方式，並且由Ives於1903年對其進行了論證。視差柵欄具有在其中形成的多個細小的垂直開口或者切口。在視差柵欄的周圍沿著與切口的長度方向垂直的方向布置著用於右眼的象素(此後被稱為「右眼象素」)和用於左眼的象素(此後被稱為「左眼象素」)。當通過視差柵欄時，來自象素的光被部分地遮蔽。更具體地說，對象素進行布置，從而使來自左眼象素的光到達左眼，而防止其去往右眼象素，同時使來自右眼象素的光到達右眼而不到達左眼。因此，來自左眼象素的光和來自右眼象素的光分別到達左眼和右眼，從而允許用戶將圖像識別為3D圖像。在設計視差柵欄時，將視差柵欄設置在象素和眼睛之間，因此成為刺眼的東西，並且提供較低的可視度。最近對液晶顯示器的研究成果可以將視差柵欄布置在每一個顯示器的背後，從而改善了可視性。這造成了最近對視差柵欄方式的顯示器的積極研究。
大約在1910年，由以上提到的Ives等人發明了柱狀透鏡方式的顯示裝置，例如，在來自Sangyo Tosho出版有限公司的Chihiro Masuda所寫的《3D Display》中對其進行了描述。圖1是顯示柱狀透鏡的形狀的透視圖。如圖1所示，柱狀透鏡100具有具有兩個面，其中一個面是平的，而另一個面具有在其中形成的按照一個方向延伸的多個半圓柱狀的突出部分。顯示針對右眼的圖像的右眼象素和顯示針對左眼的圖像的左眼象素交替布置在透鏡的焦平面上。因此，由柱狀透鏡100將來自每一個象素的光分配到分別去往右眼和左眼的方向。這可以使右眼和左眼識別不同的圖像，從而觀察者可以識別3D圖像。目前，此柱狀透鏡方式被廣泛用於立體電視等。
最近，還對允許3D圖像顯示裝置顯示2D圖像進行了研究。最早的方案是使前述的針對右眼和針對左眼的圖像相互匹配，並且顯示相同的圖像。在這種情況下，在兩個象素之上應該顯示相同的信息，從而將解析度降低到一半。這特別提出了一個重要的問題在顯示2D圖像時，使用最頻繁的文本字符的可視度顯著地降低。
目前，已經對顯示3D圖像和2D圖像、並且將它們從一個切換到另一個而不降低解析度的方案進行了研究。例如，日本專利待審公開No.068961/1996和日本專利待審公開No.112273/1992對使用柱狀透鏡的3D圖像顯示裝置進行了描述，其中對該裝置進行了設計，從而在柱狀透鏡和透明板之間，並且面向柱狀透鏡的不規則面(irregular side)，注入與柱狀透鏡材料具有相同折射率的物質，以消除透鏡效果。圖2是顯示傳統的3D圖像顯示裝置的透視圖。如圖2所示，透明板103設置在該傳統3D圖像顯示裝置101的柱狀透鏡102的突起面，並且使間隙104位於柱狀透鏡102和透明板103之間。在顯示2D圖像時，當顯示2D圖像時，由泵105(pump)等將具有與透鏡相同折射率的液態物質(未示出)注入間隙104。這使透鏡效果失效，並且可以確保2D顯示。在顯示3D圖像的情況下，從間隙104中排出注入的物質，以使透鏡效果有效，從而確保3D顯示。
日本專利待審公開No.197343/1997描述了一種通過改變象素的圖像顯示表面和柱狀透鏡之間的距離，在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行切換的3D圖像顯示裝置。圖3是顯示該3D圖像顯示裝置的橫截面圖。如圖3所示，在該傳統3D圖像顯示裝置111中，在柱狀透鏡112和圖像顯示單元113之間的距離是可變的。右眼象素114和左眼象素115交替布置在圖像顯示單元113上。當將在柱狀透鏡112和圖像顯示單元113之間的距離設置為柱狀透鏡的焦距時，對於來自象素114和115的光，柱狀透鏡112的透鏡效果變得有效，從而確保了3D圖像的顯示。另一方面，當將柱狀透鏡112和圖像顯示單元113之間的距離設置為約等於零時，柱狀透鏡112的透鏡效果失效，從而可以顯示2D圖像。在將諸如液晶設備的電子顯示器用作圖像顯示單元113的情況下，玻璃基板的厚度限制了可變的距離，從而難以將柱狀透鏡112和圖像顯示單元113之間的距離設置為約等於零。為了處理這樣的困難，在圖像顯示單元113的柱狀透鏡面的表面設置諸如纖維面板116的圖像轉移裝置，以便等效地使柱狀透鏡112靠近圖像顯示單元113的附近。
然而，現有技術具有以下問題。傳統的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置具有柱狀透鏡，並且通過使柱狀透鏡的透鏡效果有效來顯示3D圖像，通過使光學凸透鏡的透鏡效果無效來顯示2D圖像。由於在使柱狀透鏡的透鏡效果有效和失效之間進行切換的切換裝置尺寸較大，因此，不利地，3D圖像/2D圖像切換顯示裝置變得較厚和較大。切換裝置的存在降低了顯示質量。此外，切換裝置的操作需要花費時間，從而需要較長的時間來在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行切換。因此，切換裝置的使用增加了3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的成本。
將更具體地對這些問題進行討論。依據如圖2所示的、在日本專利待審公開No.068961/1996和日本專利待審公開No.112273/1992中描述的現有技術，通過泵105將具有與柱狀透鏡102材料相同折射率的液態物質注入間隙104、以及從間隙104中排出該液態物質的裝置用作切換裝置，以便使柱狀透鏡的透鏡效果有效/失效。然而，該方法需要泵105以便注入和排出液態物質，並且需要容器存儲放電的液態物質。該需要不可避免地使裝置增大，並且增加了成本。如果沒有完全地實現液態物質的注入和排出，會產生氣泡等，從而降低顯示質量。此外，液態物質的注入和顯示需要花費時間，從而造成需要較長的時間在顯示2D圖像和顯示3D圖像之間從一個切換到另一個。
在如圖3所示的日本專利待審申請No.197343/1997中描述的現有技術，將改變柱狀透鏡112和圖像顯示單元113之間的距離的裝置用作切換裝置，以便使柱狀透鏡的透鏡效果有效/失效。該結構需要用於改變距離的空間，從而增加了3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的厚度。需要使用價格昂貴的纖維面板116等會導致成本的增加。此外，由於來自圖像顯示單元113的光通過光纖面板116，因此，與不設置光纖面板116的情況相比，顯示質量變低。另一問題在於柱狀透鏡112的移動需要花費時間。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種薄、小並且低成本的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置、以及使用該3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的可攜式終端設備，從而確保在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行快速的切換，提供較高的顯示質量，並且特別適用於諸如可攜式電話和PDC(個人數字助理)的移動應用。
依據本發明的三維(3D)圖像/二維(2D)圖像切換顯示裝置包括顯示單元，它具有周期性排列的多個象素組，其中每一個象素組包括第一到第n象素(n為等於或者大於2的整數)；第一光學單元，該光學單元具有與各個象素組相關的周期性排列的第一光學元件，並且對從象素輸出的光進行折射；以及第二光學單元，該光學單元具有與各個象素組相關的周期性排列的第二光學元件，並且對從第一光單元中輸出的光進行折射，其中，當由第一到第n象素顯示的圖像彼此不同時，將第二光學單元相對於第一光學單元設置在第一位置，從而使第一和第二光學單元按照相互不同的第一和第n方向輸出從第一到第n象素中輸出的光，以及，當第一到第n象素單獨地顯示相同的圖像時，將第二光學單元相對於第一光學單元設置在第二位置，其中，將第二位置設置在按照第二光學元件的排列方向，離第二光學元件的排列周期的一半的距離、或者等於第二光學元件的排列周期的整數倍加上排列周期的一半得到的距離的位置上，從而使第一和第二光學單元按照相同的方向輸出從第一到第n象素輸出的光。
依據本發明，可以通過改變第一光學單元和第二光學單元的相對位置，在是按照相互不同的第一到第n方向輸出從第一到第n象素輸出的光、還是按照相同的方向輸出所述的光之間作出選擇。如果由第一到第n象素顯示的圖像相互不同，並且第一和第二光學單元按照相互不同的第一到第n方向輸出從第一到第n象素中輸出的光，則觀察者可以通過改變觀察點，觀察不同的圖像。這可以允許觀察者識別3D圖像。如果第一到第n象素單獨地顯示相同的圖像，並且第一和第二光學單元按照相同的方向輸出從第一到第n象素中輸出的光，則可以按照較高的解析度顯示2D圖像。第一到第n象素單獨地顯示相同的圖像表示這些象素一起顯示相同的圖像。與其中由相互不同的第一到第n象素顯示圖像的情況相比，這可以將相同圖像的解析度增加n倍。
依據本發明，可以通過相對於第一光學單元將第二光學單元移動了第二光學單元的排列周期的一半距離、或者等於第二光學元件的排列周期的整數倍加上排列周期的距離的一半的距離，在是按照彼此不同的第一到第n方向輸出從第一到第n象素中輸出的光、還是按照相同的方向輸出所述的光之間作出選擇。這可以實現薄、小和低成本的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，從而確保從一種圖像顯示向另一中圖像顯示的快速切換。此外，由於除了第一和第二光學單元之外，不存在讓從象素中輸出的光通過的結構元件，因此顯示質量極佳。使用第一和第二光學單元可以降低象差，因此，可以實現高質量的圖像顯示。
顯示單元可以具有兩種象素，即針對右眼的右眼象素和針對左眼的左眼象素，在顯示3D圖像時，右眼象素可以顯示針對右眼的圖像，左眼象素可以顯示針對左眼的圖像，並且第一和第二光學單元可以按照第一方向輸出從右眼象素中輸出的光、以及按照第二方向輸出從左眼象素中輸出的光，在顯示2D圖像時，右眼象素和左眼象素一起可以顯示2D圖像，並且第一和第二光學單元可以按照相同的方向輸出從右眼象素和左眼象素中輸出的光。這就是前述的n等於2的情況。當觀察者將右眼移動到第一方向的前方，並且將左眼移動到第二方向的前方時，觀察者可以用右眼觀察針對右眼的圖像，以及用左眼觀察針對左眼的圖像。結果，觀察者可以識別3D圖像。在顯示2D圖像時，觀察者可以用右眼和左眼觀察相同的圖像。
此外，第一光學單元可以是包括一個或者多個凸面型柱狀透鏡的第一柱狀透鏡部分，其中，第一光學元件是透鏡元件，第二光學單元可以是包括一個或者多個凸面型柱狀透鏡的第二柱狀透鏡部分，其中，第二光學元件是透鏡元件，在顯示3D圖像時，位於第二柱狀透鏡部分的中心的所述透鏡元件的光軸可以與第一柱狀透鏡部分的一個透鏡元件的光軸大體一致，在顯示2D圖像時，可以將位於第二柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸從位於第一柱狀透鏡部分的中心的所述透鏡元件的光軸移動第二柱狀透鏡部分的透鏡元件的排列周期的長度的一半、或者等於第二柱狀透鏡部分的透鏡元件的排列周期的整數倍加上所述的排列周期的長度的一半的長度。
當第一柱狀透鏡的透鏡元件的光軸與第二柱狀透鏡的透鏡元件的光軸匹配時，第一和第二柱狀透鏡變得等價於其曲率等於第一和第二柱狀透鏡的曲率的兩倍、並且其排列周期等於第一和第二柱狀透鏡的排列周期的單個的虛擬柱狀透鏡。這可以使針對右眼的圖像按照第一方向輸出，以及使針對左眼的圖像按照第二方向輸出。此外，當將第一柱狀透鏡的透鏡元件的光軸從第二柱狀透鏡的透鏡元件的光軸移動排列周期的一半時，第一和第二柱狀透鏡變為其曲率等於第一和第二柱狀透鏡的曲率的兩倍，並且其排列周期大約等於第一和第二柱狀透鏡的排列周期的一半的單個的虛擬柱狀透鏡。這可以允許透鏡元件分別與各個圖像對應，從而按照相同的方向，對各個圖像進行放大地投影。
此外，第一和第二柱狀透鏡部分中的至少一個可以包括兩個或者更多相互堆疊的柱狀透鏡。在這種情況下，3D圖像/2D圖像切換顯示裝置具有三個或者更多的柱狀透鏡。該結構還降低了象差(aberration)。
此外，優選的是，第一柱狀透鏡部分的透鏡元件的曲率應該等於第二柱狀透鏡部分的透鏡元件的曲率，並且在將第一和第二柱狀透鏡部分看作單個的虛擬柱狀透鏡的情況下，在第一和第二柱狀透鏡部分之間的間隙應該等於或者小於虛擬柱狀透鏡的透鏡元件的焦距的20％。這可以實現更好的3D圖像顯示。
此外，優選的是，在顯示3D圖像時，位於第一柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸和位於第二柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸之間的偏差量應該等於或者小於第一柱狀透鏡部分的透鏡元件的排列周期的12％。這可以實現更好的3D圖像顯示。
此外，設置的第一和第二雙光凸透鏡部分可以分別相對於顯示單元移動，在顯示3D圖像時，位於第一和第二柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸可以通過由位於顯示單元的中心的右眼象素和左眼象素組成的象素組的中心，在顯示2D圖像時，位於第一柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸可以通過從所述的象素組的中心移動第一柱狀透鏡部分的透鏡元件的排列周期的四分之一的長度、或者等於第一柱狀透鏡部分的透鏡元件的排列周期的整數倍加上所述排列周期的四分之一的長度的位置，並且位於第二柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸可以通過、按照與相對於顯示單元進行移動的方向相反的方向，從象素組的中心移動所述排列周期的四分之一的長度、或者等於第二柱狀透鏡部分的透鏡元件的排列周期的整數倍加上所述的排列周期的四分之一的長度的位置。這可以使3D可視範圍和2D可視範圍相互匹配，從而不需要在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行切換時改變觀察點。
此外，優選的是，在顯示2D圖像時，應該將其中對象素的光發射部分進行放大地投影的2D可視範圍的寬度設置得大於觀察者兩隻眼睛之間的距離，以及在顯示3D圖像時，應該將其中通過離象素最近的透鏡元件對從所述的象素輸出的光進行放大地投影的3D可視範圍的寬度設置為觀察者的兩隻眼睛之間的距離的兩倍。這可以使3D可視範圍和2D可視範圍相互重疊的區域最大。雖然觀察者的兩隻眼睛之間的距離彼此不同，但是可以採用希望成為本發明的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的用戶的兩隻眼睛之間的平均距離。通常，經常使用諸如65mm的值作為兩隻眼睛之間的距離。
第一和第二光學單元的其中之一可以是包括一個或者多個凸面型柱狀透鏡的凸面型柱狀透鏡部分，第一和第二光學單元中的另一個可以是包括一個或者多個凹面型柱狀透鏡的凹面型柱狀透鏡部分，在第一到第n象素分別顯示第一到第n圖像時，可以將位於凸面型柱狀透鏡部分的中心的所述透鏡元件中心的光軸從位於凹面型柱狀透鏡部分的中心的所述透鏡元件的光軸移動凸面型柱狀透鏡部分的透鏡元件的排列周期的長度的一半，或者等於凸面型柱狀透鏡的透鏡元件的排列周期的整數倍加上排列周期的長度的一半的長度，並且在第一到第n象素分別一起顯示相同的圖像時，位於凸面型柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸可以與凹面型柱狀透鏡部分的一個透鏡元件的光軸大體一致。
在將凸面型柱狀透鏡的光軸從凹面型柱狀透鏡的光軸移動排列周期的一半時，凸面型和凹面型柱狀透鏡變為等價於其上排列有與各個象素對應的稜鏡元件的單個的虛擬稜鏡板。虛擬稜鏡板使從第一到第n象素輸出的光按照第一到第n方向輸出。當凸面型柱狀透鏡的光軸與凹面型柱狀透鏡的光軸匹配時，抵消了透鏡功能，並且按照相同的方向輸出從第一到第n象素中輸出的光。
此外，第一光學單元可以是包括一個或者多個飛孔(fly-eye)透鏡的第一飛孔透鏡部分，第二光學單元可以是包括一個或者多個飛孔透鏡的第二飛孔透鏡部分，並且第二飛孔透鏡部分可以相對於第一飛孔透鏡部分，按照對顯示單元中的象素進行排列的所有方向移動。這可以允許光按照對象素進行排列的每一個方向照射。結果，例如，可以按照除了屏幕的左右方向之外的上下方向輸出不同的圖像。因此，即使當諸如將屏幕的方向切換到左右方向和上下方向，還可以確保在每一個方向上的3D圖像顯示。此外，可以實現在上下方向的3D感覺。
第一光學單元可以是其上排列有稜鏡元件的第一稜鏡板，第二光學單元可以是其上排列有稜鏡元件的第二稜鏡板，在顯示3D圖像時，從與顯示單元的顯示表面垂直的方向上可以看到，位於第二稜鏡板的中心的稜鏡元件的頂點可以與位於第一稜鏡板中的一個稜鏡元件和與所述的一個稜鏡元件鄰接的稜鏡元件之間的谷底部分大體一致，在顯示2D圖像時，從與顯示單元的顯示表面垂直的方向可以看到，位於第二稜鏡板中心的稜鏡元件的頂點可以與第一稜鏡板的一個稜鏡元件的頂點大體一致。與使用柱狀透鏡的情況相比，使用稜鏡板作為光學單元可以使成本降低。
優選的是，顯示單元應該具有對從象素中輸出的光進行著色的濾色器，並且應該具有著色為多種顏色且相互平行地周期性排列的條狀部分，條狀部分的長度方向應該與第一和第二光學元件的排列方向平行。這可以防止顏色幹擾(color moiré)的產生，從而確保高質量的圖像顯示。
可選擇的是，顯示單元應該通過彩色場序制顯示(color field sequentialdisplay)方法來顯示圖像。這可以取消對濾色器的需要，並且可以降低色彩空間分割(division of the color space)從而改善圖像顯示質量。還可以將象素數量降低到通常數量的三分之一。此外，不存在由濾色器產生的光吸收，從而改善了可以有助於節能的發射效率。
3D圖像/2D圖像切換顯示裝置還可以包括裝入顯示單元和第一和第二光學單元，並且將第二光學單元固定在其上的外殼(casing)。在這種情況下，第二光學單元可以具有作為顯示單元的保護板、觸摸板、或者前光的能力。這消除了特別地提供保護板、觸摸板或者前光的需要，從而可以增強所述裝置的能力和/或使所述裝置變薄。
第一光學單元的至少一部分可以與構成顯示單元的顯示表面的構件結合起來形成。這可以使3D圖像/2D圖像切換顯示裝置更薄。如果將3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的厚度設為不變，則可以增加其他的光學單元的厚度，從而抑制光學單元的扭曲和變形。這可以使具有較高的顯示質量的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置被高成品率地製造。
從與顯示單元的顯示表面垂直的方向可以看到，第一和第二光學單元中的至少一個可以被分割為多個部分，並且多個部分可以相互獨立地移動。這可以確保同時顯示2D圖像和高解析度的2D圖像。
優選的是，應該為第一和第二光學單元中的至少一個設置框架。這可以抑制諸如扭曲和變形的光學單元的變化。
此外，優選的是，應該在第一和第二光學單元中的至少一個的表面上形成抗反射塗層。這可以抑制光學單元對光的反射，從而改善顯示質量。
3D圖像/2D圖像切換顯示裝置還可以包括與第一和第二光學單元中的至少一個連接的執行裝置(actuator)，以便將第一和第二光學單元中的所述的一個相對於另一個光學單元而移動。
3D圖像/2D圖像切換顯示裝置還可以包括外殼，用於裝入顯示單元以及第一和第二光學單元；以及一對或者多對非線性彈簧，所述的彈簧位於外殼和第一和第二光學單元的至少一個之間，從而按照第一光學元件的排列方向伸長和縮短，並且當位移量超過閾值時，其反作用力不連續地降低，並且對所述的彈簧進行設置，從而使每對非線性彈簧中的一個的位移量大於閾值，而另一非線性彈簧的位移量小於閾值。因此，由於非線性彈簧的反作用力的差別，可以將光學單元穩定地保持在第一位置或者第二位置。
所述的執行裝置可以是由形狀記憶合金組成的線性構件，並且與電源連接。因此，可以使用簡單的結構實現對電信號進行操作的執行裝置。
依據本發明的可攜式終端設備具有如上所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置。該可攜式終端設備可以是可攜式電話、可攜式終端、PDA、遊戲機、數字相機、或者數字錄像機(digital video)。
依據本發明，如上所闡明的，提供了其上排列有第一光學元件的第一光學單元、以及其上排列有第二光學元件的第二光學單元，並且第二光學單元相對於第二光學單元，按照第一和第二光學單元的排列方向移動，以便改變第一光學單元和第二光學單元的相對位置，從而可以在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間從一個切換到另一個。這可以實現薄、小且低成本的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，從而在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行快速的切換，並且提供較高的顯示質量。


圖1是示出柱狀透鏡的形狀的透視圖；圖2是示出一種傳統3D圖像顯示裝置的透視圖；圖3是示出另一傳統的3D圖像顯示裝置的橫截面圖；圖4是示出依據本發明的第一實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖；圖5是示出依據本實施例的可攜式終端設備的透視圖；圖6A和6B是說明切換顯示裝置的操作的橫截面圖，圖6A示出顯示3D圖像的情況，而圖6B示出顯示2D圖像的情況；圖7是示出在顯示3D圖像時，將兩個柱狀透鏡看作單個的柱狀透鏡的情況下的光學模型；圖8示出等價於兩個柱狀透鏡的單個的柱狀透鏡的橫截面圖；圖9是示出用於在實施例中仿真的光學模型，並且示出在顯示3D圖像時的布置；圖10是示出仿真結果的曲線圖，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度(irradiance)。
圖11是示出在使用單個的柱狀透鏡顯示3D圖像的情況下、以及在不使用柱狀透鏡顯示2D圖像情況下的曲線圖；其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度。
圖12是示出仿真結果的曲線圖，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度。
圖13是示出柱狀透鏡之間的距離對3D圖像的顯示質量的影響，其中，水平軸示出觀察者在柱狀透鏡的z軸上的位置，垂直軸示出對比率(CR)；圖14是示出仿真結果的曲線圖，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度；圖15是示出柱狀透鏡之間的距離對3D圖像的顯示質量的影響的曲線圖，其中，水平軸示出觀察者在柱狀透鏡的X軸上的位置，垂直軸示出對比率CR；圖16是示出依據本發明的第二實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，並且示出2D圖像的顯示狀態；圖17是示出在圖16中的裝置上的仿真結果，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度；圖18是示出依據本發明的第三實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，並且示出3D圖像的顯示狀態；圖19是示出依據本發明的第四實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，並且示出了3D圖像的顯示狀態；圖20A和20B是示出3D可視範圍和2D可視範圍的容許範圍的曲線圖，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度；
圖21A和21B是示出依據本發明的第五實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，圖21A示出2D圖像顯示狀態，而圖21B示出3D圖像顯示狀態；圖22是示出透鏡的形狀的曲線圖，其中，在水平軸上採用在與光軸垂直的透鏡上的位置，在垂直軸上採用在該位置上透鏡的高度；圖23示出從一個象素的一個末端部分(end portion)輸出的光的路徑的圖；圖24是示出從該象素的另一末端部分輸出的光的路徑的圖；圖25是示出從象素的中心部分輸出的光的路徑的圖；圖26是示出在圖21A和21B中所示的裝置上的仿真結果，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度；圖27A和27B是示出依據第五實施例的修改的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，圖27A示出了2D圖像的顯示狀態，而圖27B示出了3D圖像的顯示狀態；圖28A和28B是示出依據本發明的第六實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，圖28A示出2D圖像的顯示狀態，而圖28B示出3D圖像的顯示狀態；圖29是示出在圖28A和28B中所示的裝置上的仿真結果，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度；圖30A和30B是示出依據本發明的第七實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，圖30A示出3D圖像的顯示狀態，而圖30B示出2D圖像的顯示狀態；圖31A和31B是示出3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的俯視圖，圖31A示出3D圖像顯示狀態，而圖31B示出2D圖像的顯示狀態；圖32是示出依據本發明的第八實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，並且示出了3D圖像的顯示狀態；圖33是示出該切換顯示裝置的光學模型的圖；圖34是示出依據本發明的第九實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的俯視圖；圖35是示出依據本發明的第十實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，並且示出了3D圖像顯示狀態；圖36是示出依據本發明的第十一實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的俯視圖；圖37是示出非線性彈簧的特性的曲線圖，其中，在水平軸上採用位移位置，在垂直軸上採用反作用力；以及圖38是示出依據本發明的第十二實施例的切換顯示裝置的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的俯視圖。
具體實施例方式
下面，將參考附圖對本發明的實施例進行具體的描述。首先，將描述第一實施例。圖4是示出依據本實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，圖5是示出依據本實施例的可攜式終端設備的透視圖。圖4還示出觀察者的右眼51和左眼52。
如圖4所示，依據本實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置1(此後也被稱為「切換顯示裝置1」)具有液晶顯示(LCD)單元2、以及具有設置在光從其中輸出的LCD單元2的一面上的光學分配器3。
LCD單元2具有背光(backlight)10，玻璃基板23、液晶(LC)層24、濾色器26和玻璃基板25，其中，濾色器26和玻璃基板25被設置在LCD單元2中輸入來自背光10的光的位置上，並且從背光開始按順序相互平行。將左眼象素41和右眼象素42交替地排列在LC層24之上。按照需要，將諸如起偏振片或者補償器的光學薄膜8貼附於玻璃基板25上。濾色器是條形的，並且具有相互平行地周期性排列的紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)條。
光學分配器3具有作為第一光學單元的凸面型柱狀透鏡31、以及作為第二光學單元的凸面型柱狀透鏡32。與圖1所示的柱狀透鏡100相似，柱狀透鏡31具有兩個面，一個面是平的，另一個面具有在其上按照一個方向延伸並且作為光學元件或者透鏡元件的多個半圓柱狀的突出部分31a(柱面透鏡)。與柱狀透鏡31形狀相同的柱狀透鏡32具有兩個面，其中一個面是平面，另一個面具有在其上形成的多個半圓柱狀的突出部分32a(柱面透鏡)。由於柱狀透鏡31和32是凸面型透鏡，因此它們具有正焦距。柱狀透鏡31和32相互平行地排列，且使突出部分31a面向突出部分32a。與柱狀透鏡31相比，柱狀透鏡32位置離LCD單元2更近。突出部分31a的排列方向(string direction)和突出部分32a的排列方向為同一方向11。此外，柱狀透鏡的透鏡節距(lens pitch)在方向11上，對應於一對沿著方向11排列、並且彼此相鄰的單一的左眼象素41和右眼象素42的長度。即，一個突出部分31a和一個突出部分32a與象素組對應，其中，每一個象素組由一對象素41和42組成。
將柱狀透鏡32通過光電粘合層9貼附於LCD單元2的光學薄膜8。此時，將柱狀透鏡32固定到LCD單元2上，並且使柱狀透鏡32的中心與LCD單元2的中心一致。此外，濾色器26的條的長度方向與突出部分31a和32a的排列方向11匹配。當濾色器26的長度方向變為與方向11垂直時，柱狀透鏡導致被觀察為顏色幹擾的顏色分離，從而降低顯示質量。因此，有效的是，條的長度方向應該與方向11匹配。因此，在切換顯示裝置1中，按照指定的順序相互平行地排列背光10、玻璃基板23、LC層24、濾色器26、玻璃基板25、光學薄膜8、光電固化粘合層9、柱狀透鏡32、以及柱狀透鏡31。
用於抑制諸如扭曲和變形的柱狀透鏡31的變化(transfomation)的框架7連接到柱狀透鏡31的外圍(periphery)。執行裝置6連接到框架7，並且可以相對於柱狀透鏡32，按照方向11移動柱狀透鏡31。柱狀透鏡31和32由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。此外，在柱狀透鏡31和32的表面上形成低反射塗層(未示出)，即用於抑制表面反射的抗反射塗層。此外，還提供了裝入LCD單元2和光學分配器3的外殼(未示出)，該外殼構成切換顯示裝置1的外板(outside plate)。外殼具有用於引導柱狀透鏡31移動的引導單元。例如，該引導單元是溝槽。
下面，將討論依據本實施例的可攜式終端設備。圖6A和6B是說明切換顯示裝置1的操作的橫截面圖。圖6A示出顯示3D圖像的情況，圖6B示出顯示2D圖像的情況。圖7是示出在顯示3D圖像時，將兩個柱狀透鏡看作單個的柱狀透鏡的情況下的圖，圖8是示出在顯示2D圖像時，等價於兩個柱狀透鏡的單個的柱狀透鏡的橫截面圖。注意，在圖6A和6B中未示出背光10、濾色器26、光學薄膜8、光電固化層9、框架7、以及執行裝置6。在圖16、18、19、21A、21B、27A、27B、28A、28B、30A、30B和32中的情況與此相同。
現在將開始對顯示3D圖像的情況進行討論。如圖6A所示，為了由切換顯示裝置1顯示3D圖像，由執行裝置6(見圖4)對柱狀透鏡31的位置進行調整，從而使柱狀透鏡31的突出部分31a的光軸(此後還被稱為「柱狀透鏡31的光軸」)與柱狀透鏡32的突出部分32a的光軸(此後還被稱為「柱狀透鏡32的光軸」)一致。即，使柱狀透鏡31的突出部分31a面對柱狀透鏡32的突出部分32a。然後，左眼象素41顯示針對左眼的圖像，右眼象素42顯示針對右眼的圖像。
如圖4和6A，從背光10輸出的光按照指定的順序，通過LCD單元2的玻璃基板23、LC層24、以及玻璃基板25。此時，由LC層24的象素41和42形成圖像。然後，已經進入玻璃基板25的光通過濾色器26、光學薄膜8、以及光電固化粘合層9，並且進入光學分配器3。入射到光學分配器3的光被分配到兩個方向，一個方向去往觀察者的左眼52，另一個方向去往右眼51。下面，將詳細描述分配操作。
如圖6A所示，在對柱狀透鏡31和32進行排列，從而使突出部分31a面對突出部分32a的情況下，柱狀透鏡31和32的突出部分31a和32a的高度相對於這些透鏡的焦距足夠小，因而可以將兩個柱狀透鏡31和32看作等價於具有兩倍於這些透鏡的能力的單個的柱狀透鏡。即，圖6A所示的兩個柱狀透鏡31和32等價於圖7所示的單個的柱狀透鏡，所述的柱狀透鏡的透鏡節距等於柱狀透鏡31和32的透鏡節距，並且其曲率等於柱狀透鏡31和32的曲率的兩倍。
如圖7所示，由柱狀透鏡36對從左眼象素41輸出的光進行折射，並且將所述的光向區域EL傳播。由柱狀透鏡36對從右眼象素42中輸出的光進行折射，並且將所述的光向區域ER傳播。因此，當觀察者將左眼52移動到區域EL，並且將右眼51移動到區域ER時，將針對左眼的圖像輸入到左眼52，並且將針對右眼的圖像輸入到右眼，從而使觀察者可以識別3D圖像。
下面，將討論顯示2D圖像的情況。如圖6B所示，為了由切換顯示裝置1顯示2D圖像，由執行裝置6對柱狀透鏡31的位置進行調整，從而使柱狀透鏡31的光軸從柱狀透鏡32的光軸按照方向11移動透鏡節距的一半。即，使柱狀透鏡31的每一個突出部分31a面向柱狀透鏡32的突出部分32a之間的部分。在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行切換時，只需要將柱狀透鏡31相對於柱狀透鏡32，按照方向11移動透鏡節距的0.5倍的距離，但是還可以移動等於透鏡節距的整數倍加上透鏡節距的0.5倍的距離，例如，透鏡節距的1.5倍的距離。然後，使象素41和42顯示2D圖像。此時，將象素41和42作為獨立的象素驅動，以便一起顯示相同的圖像。因此，2D圖像的解析度變為前述的3D圖像的解析度的兩倍。
如圖4和6B所示，從背光10輸出的光按照指定的順序通過玻璃基板23、LC層24、玻璃基板25、濾色器26、光學薄膜8、以及光電粘合層9，並且進入光學分配器3。由光學分配器3的柱狀透鏡32和31按照一個方向輸出已經進入光學分配器3的光。結果，將已經通過象素41和42的光都輸入到觀察者的左眼52和右眼51。下面，將對該操作進行詳細的描述。
在將柱狀透鏡31的光軸從柱狀透鏡32的光軸按照方向11，移動透鏡節距的一半的情況下，如圖6B所示，柱狀透鏡31和32變為大體等價於單個的凸透鏡37，所述的單個的柱狀透鏡37的透鏡節距等於柱狀透鏡31和32的透鏡節距的一半，並且其曲率等於如8所述的柱狀透鏡31和32的曲率的兩倍。
由柱狀透鏡31和32對從象素41和42輸出的光進行折射，並且按照相同的方向輸出。此時，將每一個象素放大到具有給定寬度e的觀察平面上的區域，並且所述的象素的周期節距也變為e。因此，將從象素41輸出的光和從象素42輸出的光都輸入到觀察者的左眼52和右眼51。結果，將相同的圖像輸入到左眼52和右眼51，從而使觀察者可以識別2D圖像。
下面，將對切換顯示裝置1的各個部分的尺寸進行討論。雖然將對其中使用兩個透鏡的情況進行描述，但是首先將使用圖7所示的光學模型對單個的柱狀透鏡的情況進行描述。讓H等於柱狀透鏡36的厚度，並且讓n等於柱狀透鏡36的折射率。假定柱狀透鏡36的一個面是平的，而另一個面具有沿著方向11排列，並且按照一個方向延伸的凸面型柱面透鏡或者半圓柱狀突出部分36a。讓f等於柱狀透鏡的焦距，並且讓L等於透鏡節距。LCD單元2的象素按照組進行排列，其中每一個組由兩個象素組成，即單個的左眼象素41和單個的右眼象素42。讓P等於每一個象素的寬度。兩個象素的組即單個的左眼象素41和單個的右眼象素42對應於單一的突出部分36a。讓D等於柱狀透鏡36和觀察者之間的距離，讓e等於作為3D可視範圍的區域EL和區域ER在方向11上的長度，所述的區域EL，和區域ER即左眼52和右眼51位於離透鏡距離D、並且與觀察者可以識別3D圖像的透鏡平行的虛擬平面上的區域。此外，讓WL等於從位於凸透鏡36的中心的突出部分36a的中心到位於柱狀透鏡36的末端的突出部分36a中心的距離，並且讓WP等於從位於LCD單元2的中心的一對左眼象素41和右眼象素42的中心到位於LCD單元2的末端的象素對的中心的距離。此外，讓α和β分別等於位於柱狀透鏡36的中心的突出部分36a上的光的入射角和輸出角(output angle)，並且讓γ和δ分別等於位於柱狀透鏡36的末端的突出部分36a上的光的入射角和輸出角。讓C等於在距離WL和距離WP之間的差，並且讓2m等於包括在距離WP的區域內的象素的數量。
通常，由於經常依據顯示單元來設計柱狀透鏡，因此將P作為常量來對待。此外，通過選擇用於柱狀透鏡的材料來確定n。將透鏡和觀察者之間的距離D和3D可視範圍e設置為期望的值。使用這些值，可以確定透鏡表面和象素之間的距離H和透鏡節距L。依據Snell的定律和幾何關係，可以導出以下的等式1到6。等式7到9如下。
n×sinα＝sinβ[等式2]D×tanβ＝e[等式3]H×tanα＝P[等式4]n×sinγ＝sinδ H×tanγ＝C[等式6]D×tanδ＝WL[等式7]WP-WL＝C[等式8]WP＝2×m×P[等式9]WL＝m×L從等式2、1和3中分別推導出以下的等式10、11和12。
=arctan(eD)]]>[等式11]=arcsin(sinn)]]>[等式12]H=Ptan]]>從等式6和9推導出以下的等式13。從等式7到9推導出以下的等式14。此外，從等式5推導出以下給出的等式15。
=arctan(mLD)]]>[等式14]C＝2×m×P-m×L[等式15]=arctan(CH)]]>
如果如以下的等式16所示，將柱狀透鏡的厚度H設置為等於焦距f，則從以下的等式17可以獲得透鏡的曲率半徑r。
f＝H[等式17]r=Hn-1n]]>以下將示出切換顯示裝置1的具體尺寸的一個實例。以下給出的尺寸用於舉例說明而使本實施例更容易理解，而不是限定性的。如果舉例來說，使用具有象素節距P為0.24mm的顯示單元，並且使用具有折射率n等於1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為柱狀透鏡的材料，在透鏡和觀察者之間的距離D為280nm，3D可視範圍的長度e為65mm，以及將m的值設置為60，則從以上給出的等式可以知道應該將透鏡表面和象素之間的距離設置為1.57mm，將透鏡節距L設置為0.4782mm，並且將透鏡的曲率半徑r設置為0.5161mm。
依據這些結果，然後設計具有兩個柱狀透鏡的光學系統。由於兩個柱狀透鏡31和32等價於先前提到的單個的柱狀透鏡36，因此，將兩個柱狀透鏡31和32的曲率半徑R設計為單個的柱狀透鏡36的曲率半徑r的兩倍。即，滿足以下的等式18。例如，兩個柱狀透鏡31和32的曲率半徑R是1.032mm。由所熟知的方案將柱狀透鏡處理為前面所提到的形狀。柱狀透鏡31和32的厚度等於例如0.5mm。在兩個柱狀透鏡31和32之間的間隙等於例如30μm。此外，玻璃基板23和25的厚度為例如0.7mm，以及光學薄膜的厚度為例如0.15mm。
R＝2×r為了研究該設計的適當性，使用市場上可得到的光束追蹤仿真器(raytracing sinulator)執行計算機輔助仿真。圖9是示出在該仿真中所使用的光學模型的圖，並且示出了在顯示3D圖像時的排列。圖10是示出仿真結果的曲線圖，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度，圖11是示出使用單個的柱狀透鏡顯示3D圖像的情況下、以及不使用柱狀透鏡使用2D圖像的情況下的仿真結果，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度。
如圖9所示，將具有曲率半徑R等於1.032mm的九個半圓柱狀突出32a排列在顯示單元一側的柱狀透鏡32上，將排列節距(透鏡節距)L設置為0.4782mm，並且將厚度H設置為1.57mm。將位於九個突出部分的中心的突出部分32c的中心設置為仿真的原點，將Z軸設置在厚度方向，而將X軸設置在透鏡的排列方向。將具有與柱狀透鏡32相同的節距和相同的曲率半徑的透鏡用作觀察者一側的柱狀透鏡31，並且將柱狀透鏡31的厚度設置為0.5mm。柱狀透鏡31具有方向朝著顯示單元、並且與顯示單元一側的柱狀透鏡32相鄰的透鏡表面。
將作為象素的單個的照亮體43，即具有等於0.186mm寬度的發光區域，排列在坐標系中作為中心的位置(x，z)＝(0.12mm，-1.57mm)，並且使其靠近顯示單元一側的柱狀透鏡32的平整的面。即，該設置允許來自照亮體43的光進入右眼，但不進入左眼。在光發射區域的任一面上設置0.027mm的非顯示區域。因此，區域0≤x≤0.027mm、以及區域0.213≤x≤0.240mm變為非顯示區域，區域0.027≤x≤0.213mm變為發光區域。非顯示區域等價於為了將顯示信號轉移(transfer)到象素而設置的光屏蔽部分。將等價於觀察位置的光接收表面53設置在區域-150≤x≤150mm上。在對2D圖像的顯示進行仿真的情況下，將觀察者一側的柱狀透鏡31按照+X方向移動透鏡節距的一半(0.2391mm)。
為了估算顯示屏幕的均勻性，對於位於顯示屏幕末端的象素進行相似的計算。為了實現均勻的顯示，必要並且充分的條件是針對顯示屏幕的中心的仿真結果應該與針對顯示屏幕的末端的仿真結果一致。這是由於位於顯示屏幕的中心和末端的象素的顯示質量要取位於中心的象素的顯示質量和位於顯示屏幕的末端的象素的顯示質量之間的中間值，通過估算中心象素和末端象素的顯示質量可以估算整個顯示屏的顯示質量。在位於顯示屏幕末端的象素的仿真中，將位於屏幕末端的透鏡的中心設置為原點，並且按照針對顯示屏幕中心進行設置的情況，對兩個柱狀透鏡進行設置。將作為象素的、具有寬度0.186mm的照亮體設置在作為中心的x＝0.227mm的位置，而考慮到透鏡節距和象素節距之間的差別，設置偏移量C＝0.107mm。在X方向上，將光接收表面設置在±150mm的區域上，其中，將位置(x，z)＝(-28.692mm，280mm)作為中心。圖11示出了這些仿真結果。
出於比較的目的，在使用其曲率等於柱狀透鏡31和32的曲率的兩倍的單個的柱狀透鏡顯示3D圖像的情況下、以及在不使用柱狀透鏡顯示2D圖像的情況下執行仿真。在圖11中示出了仿真結果。
在使用圖9所示的光學模型進行仿真的情況下，如圖10所示，在顯示3D圖像時，照度在區域-60≤x≤0mm變得較高，並且在另一區域變得較低。雖然在區域-150≤x≤-120mm可以看到較低的峰值，但是它是已經通過圖9所示的突出部分32b的光。在區域-60≤x≤0mm中所看到峰值是已經通過在九個突出部分中位於中心的突出部分32c的光。此外，在區域60≤x≤120mm中所看到的峰值是已經通過圖9所示的突出部分32d的光。
在觀察者的兩隻眼睛之間的距離為65mm，並且兩隻眼睛的中心位置x＝0mm的情況下，例如，右眼的位置變為x＝-32.5mm，並且左眼的位置變為x＝+32.5mm。因此，在進行圖10所示的顯示的情況下，足夠量的光進入右眼，但是，光幾乎沒有進入左眼，這表示在圖4所示的實際切換顯示裝置1中，使左眼象素顯示針對左眼的圖像、以及使右眼象素顯示針對右眼的圖像的情況下，針對左眼的圖像被輸入到左眼，針對右眼的圖像被輸入右眼，並且確保兩個圖像充分地分離，從而使觀察者可以較好地識別3D圖像。
在如圖11所示，使用單個的柱狀透鏡顯示3D圖像的情況下，可以獲得與圖10所示使用兩個透鏡的情況下獲得的結果大體相同的結果，但是，放大地投影的象素寬度大於圖10所示的使用兩個透鏡的情況。這是由於與使用等價於兩個透鏡的單個的透鏡的情況相比，使用兩個透鏡可以降低象差，從而可以抑制投影的圖像的模糊(blurriness)。即，與使用單個透鏡的情況相比，使用兩個透鏡可以實現具有更低象差的高質量的3D圖像的顯示，並且不可能導致色度亮度幹擾。
在顯示2D圖像時，出現了以大約60mm為周期的降低照度的區域。這是前面提到的非顯示區域被放大地投影的區域。除了此區域外，照度在較寬的區域-90≤x≤+150mm上變得大致均勻。
在如圖11所示不使用柱狀透鏡顯示2D圖像的情況下，在整個觀察區域獲得幾乎均勻的照度分布。雖然與如圖11所示的不使用柱狀透鏡顯示2D圖像的情況相比，在如圖11所示使用兩個柱狀透鏡顯示2D圖像的情況下，可以識別對非顯示區域進行放大地投影的區域、或者非2D可視範圍，但是，除了在不使用透鏡的情況下的較暗部分(dark portion)，可以獲得相似的結果。
也就是說，如果避開了前面提到的2D可視範圍，則即使在使用兩個透鏡的情況下，也會將具有彼此相等的照度的光輸入到右眼和左眼，這表示即使在圖4所示的實際切換顯示裝置1中的左眼象素和右眼象素都用作獨立的象素，並且顯示高解析度的2D圖像，通過適當地選擇觀察位置，以及例如從圖10所示的A-A位置位置進行觀察，可以使相同的圖像輸入左眼和右眼，觀察者可以較好地識別2D圖像。
此外，如圖10所示，對於3D圖像和2D圖像而言，在顯示單元的中心象素上的仿真結果與在末端象素上的仿真結果大體一致。因此，在整個顯示屏幕上可以實現均勻的顯示。當對在具有圖10所示結果的仿真中設想的切換顯示進行組裝而將顯示單元一側的柱狀透鏡固定到LCD單元上時，顯而易見的是，通過將兩個柱狀透鏡設置在用於顯示2D圖像的狀態，並且將柱狀透鏡調整到從其兩隻眼睛的距離為65mm的觀察者的前方觀察到的、使LCD單元的亮度最小的位置，可以精確地排列顯示單元一側的柱狀透鏡。
以下將描述本發明的各個結構元件的限定值的原因。
在第一柱狀透鏡部分和第二柱狀透鏡部分之間的間隙等於或者小於虛擬柱狀透鏡的透鏡元件的焦距的20％在使用兩個透鏡的情況下，象素位於比第一透鏡的焦距更近的位置，以致於從第一透鏡的一個突出部分輸出的光按照較寬的範圍進入第二透鏡。因此，在透鏡之間的間隙的增加使入射到、除了排列在面對第一透鏡中光從中輸出的突出部分的位置上的第二透鏡的突出部分之外的、第二透鏡的其他突出部分上的光的量增加，從而降低了特性。例如，將從圖9所示的突出部分32c輸出的大部分光輸入到突出部分31b、31d等。因此，需要將透鏡間的間隙設置在給定的範圍內。
為了研究在對兩個柱狀透鏡進行排列的情況下，在Z軸方向的容許誤差，即在兩個柱狀透鏡之間的距離，通過改變這兩個透鏡在Z軸上的位置來進行仿真。在將觀察者一側的柱狀透鏡的位置在Z軸的正方向，設置為5μm、50μm、100μm和500μm的情況下，進行與以上所述的仿真相似的仿真。在圖12中示出了結果。
圖12是示出該仿真結果的曲線圖，其中在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用觀察位置的照度，以及，圖13是示出在柱狀透鏡之間的距離對3D圖像的顯示質量的影響的曲線圖，其中，水平軸示出了觀察者在柱狀透鏡的Z軸上的位置，垂直軸示出了對比率CR。在圖12所示的仿真結果中，在兩隻眼睛中心位置x＝0mm(即右眼的位置為x＝-32.5mm，左眼的位置為x＝32.5mm)、並且將兩隻眼睛的距離設置為65mm的情況下計算的對比率的結果是在圖10示出的「0mm」處所看到的結果。在兩隻眼睛的中心位置x＝25.5mm(即右眼的位置為x＝-7mm，左眼的位置為x＝58mm)、並且兩隻眼睛之間的距離設置為65mm的情況下計算對比率的結果是在圖10示出的「25.5mm」所看到的結果。
將色度亮度幹擾作為用於定量地估算顯示特性的指標(index)。由對比率CR來估算色度亮度幹擾，並且值CR的絕對值越大，色度亮度幹擾越少出現，從而實現了較好的3D顯示。假定iR是入射到右眼的光的亮度，iL是入射到左眼的光的亮度，可以由以下的等式19來定義對比率CR。依據在NHK STRL RD，Vol.2，p.13-17，1993中由Haruo Isono所寫的標題為《3D Display Without Multiple-eye glasses》的文檔，對比率CR應該小於大約-7.8dB，或者{右眼圖像的亮度/左眼圖像的亮度}＜1/6，以便確保較好的3D顯示。
CR=10log(iRiL)]]>如圖12所示，在觀察者一側的柱狀透鏡的位置為z≤100μm情況下，即使透鏡之間的距離增大，也不會看到顯示特性的較大變化。然而，在觀察者一側的柱狀透鏡的位置變為z≤500μm的情況下，雖然當觀察位置在區域-35≤x≤35mm的區域中時，可以獲得與在z≤100μm的情況下所獲得的結果幾乎相同的結果，但是降低了在其他區域中的顯示特性。
如圖13所示，在將右眼和左眼的位置設置在x＝±32.5mm，即兩隻眼睛中心位置在x＝0mm的情況下，即使透鏡的位置在500μm，也不會出現特性的顯著惡化。考慮在±60mm的範圍內對右眼和左眼已經進行移動的情況，需要在兩隻眼睛的中心位置為x＝25.5mm的情況下進行估算。在如圖13所示的兩隻眼睛的中心位置為x＝25.5mm的情況下，隨著透鏡間隙增加，可以看到性能的惡化，當觀察者一側的柱狀透鏡的位置變為z＝500μm時，特性變得顯著地降低。如從圖13中顯而易見，優選的是，應該將柱狀透鏡之間的間隙設置在320μm以內，以便即使在±60mm的觀察區域的末端，也可以實現CR＜-7.8dB。
由於該值是在此仿真中為顯示單元和透鏡設置的容許值，因此，可以由普通的指標(index)表達容許值。通常，焦距是成為在光軸方向上的透鏡長度的參考的量。在此仿真中，對於兩隻眼睛之間的距離的容許值為320μm，以及從等式16可見，等於透鏡厚度H的透鏡的焦距f為1.57mm。因此，在兩隻眼睛之間的距離的容許值等於焦距的20％。換句話說，優選的是，在兩隻眼睛之間的距離的容許值應該處於焦距的20％之內。
位於第一柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸和位於第二柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸之間的偏差量等於或者小於第一柱狀透鏡部分的透鏡元件的排列周期(layout cycle)的12％為了研究在排列兩個柱狀透鏡的情況下在X軸方向上的容許誤差，即在執行3D顯示時在兩個柱狀透鏡的光軸之間的距離的容許值，通過改變透鏡在X軸方向上的位置來進行仿真。具體地說，當相對於顯示單元一側的柱狀透鏡，將在觀察者一側的柱狀透鏡的位置按照X軸的方向，改變到x＝0μm、±30μm、±50μm、以及±100μm時進行仿真。注意x＝0表示如從與柱狀透鏡的光軸平行的方向可以看到，觀察者一側的柱狀透鏡的中心與顯示單元一側的柱狀透鏡的中心匹配，並且兩個柱狀透鏡的光軸相互一致的情況。
圖14是示出該仿真的結果的曲線圖，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度，圖15是示出柱狀透鏡之間的距離對3D圖像的顯示質量的影響，其中，水平軸示出觀察者在柱狀透鏡的X軸上的位置，垂直軸示出對比率CR。雖然圖14和1 5示出了在x≥0的範圍內的仿真結果，但是在x＜0的範圍內的仿真結果與在x≥0的情況下的仿真結果相同。
從圖14中顯而易見當透鏡之間的位置偏差變得越大時，特性從靠近觀察區域的中心附近開始降低。此現象看來是由於從顯示單元一側的透鏡的一個突出部分、向與此突出部分面對的觀察者一側的透鏡的突出部分相鄰的突出部分傳播的雜散光的增加所造成的。如圖15所示，為了實現對比率CR＜-7.8dB，應該將柱狀透鏡的偏差量設置為±60μm或者更低。
由於該值是按照Z軸方向的情況，為顯示單元和透鏡在仿真中設置的容許值，因此，由普通的指標(ordinary index)來表達該容許值。通常，透鏡節距是成為在與透鏡的光軸垂直的方向上的柱狀透鏡的長度的參考的量。在仿真中，在透鏡之間的偏差量的容許值為±60μm，並且透鏡節距L是0.4782mm，因此，在X軸方向上的透鏡偏差量的容許值等於透鏡節距的12％。換句話說，優選的是，應該將兩個透鏡的光軸之間的偏差量設置在透鏡節距的12％之內。
如上所述，依據本實例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置通過組合兩個被組合的柱狀透鏡，並且將柱狀透鏡中的一個相對於另一個柱狀透鏡按照與光軸垂直的方向移動透鏡節距的一半，可以在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行切換。因此，切換顯示裝置不需要大尺寸的切換裝置來對圖像顯示進行切換。透鏡較短的移動距離有助於使切換顯示裝置更薄、更小和更輕，並且降低了成本。透鏡的較短的移動距離還可以確保在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行快速的切換。此外，由於不存在幹涉光通過區域的切換裝置，因此，顯示質量不會變低。
與諸如在日本專利待審公開No.068961/1996和日本專利待審公開No.112273/1992中描述的現有技術相比，本實施例既不需要泵，也不需要容器等，而在上述的現有技術中，需要注入或者排出具有與柱狀透鏡的材料相同的折射率的液態物質。因此，本實施例可以降低裝置的尺寸和成本。既不需要注入也不需要排出液態物質可以確保對圖像顯示的快速切換，並且不會產生不完全注入和不完全排出的問題，因而確保了較高的顯示質量。此外，與其中使柱狀透鏡和圖像顯示單元之間的距離可變的日本專利待審公開No.197343/1997相比，本實施例不需要使距離可變的空間，並且可以使裝置更薄。此外，由於不需要昂貴的纖維面板，因而成本可以更低。簡而言之，本實施例可以提供具有諸如外形薄、尺寸小、重量輕、快切換、高質量顯示、以及低成本的特徵的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置。
因此，依據本實施例的3D/2D圖像切換顯示裝置可以適用於諸如可攜式電話的可攜式設備，並且可以顯示都較好的3D圖像和2D圖像。與將該裝置用於較大的顯示設備不同，當將依據本實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置用於可攜式設備時，觀察者可以任意地調整他的兩隻眼睛和顯示屏幕之間的位置關係，從而可以快速地找到最佳的可視範圍。
雖然依據本實施例的切換顯示裝置具有作為光源設置的背光，但是可以設置前光來替換背光，在這種情況下，考慮到入射到LCD單元上的光束，優選的是，將光源設置在顯示單元一側的柱狀透鏡的末端部分，並且使來自光源的光被輸入到顯示單元一側的柱狀透鏡。此時，顯示單元一側的柱狀透鏡的不規則表面充當使入射光向LCD單元散射的溝槽，從而不需要特別為前光形成溝槽。
依據本實施例的可攜式終端設備可以適合於諸如可攜式終端、PDA、遊戲機、數字相機、數字錄像機、以及可攜式電話的可攜式終端設備。此外，除了LCD單元之外，還可以將有機場致發光顯示單元、等離子體顯示單元、CRT顯示單元、LED顯示單元、場發射顯示單元、PALC(等離子體尋址液晶)等用作顯示單元。即使在使用LCD單元的情況下，不僅可以使用普通透射型LCD單元，還可以使用反射型LCD單元、半透射(transflective)型LCD單元、處處可見半透射型(visible everywheretransflective type)LCD單元等。依據本實施例的可攜式終端設備還可以適用於諸如印刷品(print)的靜止圖像。
下面，將描述本發明的第二實施例。圖16是示出依據該實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖。圖17是示出對圖16所示的裝置進行仿真的結果的曲線圖，其中在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的亮度。本實施例的特徵在於在顯示2D圖像時，將柱狀透鏡的位置相對於顯示單元中的象素，從顯示3D圖像時的位置移動透鏡節距的四分之一(1/4)。
依據第一實施例，由於如圖10所示，在顯示2D圖像時也對象素的非顯示區域進行放大，在2D可視範圍中產生了其中不能夠識別2D圖像的非2D可視範圍。由於該非2D可視範圍與3D可視範圍重疊，2D可視範圍和3D可視範圍相互偏離。因此，在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行切換時，為了觀察應該移動觀察點，這會較麻煩。
為了解決這一問題，非2D可視範圍和3D可視範圍不應該相互符合。存在兩種可能方法來實現這一目的。第一方案是將在顯示2D圖像時的透鏡位置相對於顯示單元移動透鏡節距的1/4。第二方案是將3D可視範圍設置得較大。在以下的第二實施例的描述中，將討論第一方案。
依據第一實施例，通過將兩個柱狀透鏡相互移動透鏡節距的一半獲得的虛擬透鏡的曲面具有原始柱狀透鏡的節距的一半，並且該虛擬透鏡的光軸與每一個象素的中心一致。結果，將觀察位置的中心作為中心，對象素進行放大地投影。因此，依據第二實施例，如圖16所示，將兩個柱狀透鏡的位置和象素的位置沿著方向11移動透鏡節距的1/4。結果，將等價的虛擬透鏡的曲面的光軸相對於每一個象素的中心移動透鏡節距的1/4。因此，還將放大的圖像的中心移動已放大的透鏡節距的1/4。這可以使2D可視範圍和3D可視範圍相互一致。
如圖16所示，當依據本實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置使用與第一實施例中所使用的相同的LCD單元2、柱狀透鏡單元31和32時，不將顯示單元一側的柱狀透鏡32貼附於LCD單元2，而按照離LCD單元2諸如大約20μm的間隙進行排列。此外，還將用於按照透鏡排列方向11移動顯示單元一側的柱狀透鏡32的執行裝置6連接到柱狀透鏡32。除了以上提到的之外的本實施例的切換顯示裝置的其他結構與第一實施例的結構相同。
下面將對依據本實施例的切換顯示裝置的操作進行描述。在顯示3D圖像時，對執行裝置進行操作，從而使兩個柱狀透鏡的光軸與在顯示屏幕中心的一對象素的中心匹配。在顯示2D圖像時，通過驅動相關的執行裝置，將顯示單元一側的柱狀透鏡32的光軸按照方向11移動透鏡節距的1/4，並且通過驅動相關的執行裝置，將觀察者一側的柱狀透鏡31的光軸按照與柱狀透鏡32的移動方向相反的方向，移動透鏡節距的1/4。結果，將柱狀透鏡31的光軸和柱狀透鏡32的光軸移動透鏡節距的一半，以及將等價於兩個透鏡的單個透鏡的光軸相對於每一個象素移動透鏡節距的1/4。
只要兩個透鏡按照相反的方向移動，不管每一個透鏡的移動方向，都可以獲得相同的結果。除了以上討論的操作之外的本實施例的切換顯示裝置的其他操作與第一實施例的操作相同。上述的操作可以使在顯示3D圖像時的3D可視範圍與在顯示2D圖像時的2D可視範圍一致，從而實現極佳的3D圖像顯示和2D圖像顯示。
圖17示出了對圖16所示的光學系統進行計算機輔助仿真的結果。除了以上提到的條件之外的仿真中的其他條件與在第一實施例中的仿真條件相同。如圖17所示，第二實施例的仿真結果示出2D可視範圍與3D可視範圍相互匹配。
由於本實施例明顯地可以允許2D可視範圍與3D可視範圍匹配，因此，在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行切換時，不需要變換觀察點。除了以上所提到的效果之外，本實施例的切換顯示裝置的其他效果與第一實施例相同。
下面將討論依據本發明的第三實施例，如18是示出依據該實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，並且示出了3D圖像顯示狀態。如圖18所示，依據本實施例的切換顯示裝置與依據第二實施例的切換顯示裝置的不同之處在於執行裝置連接到LCD單元2和顯示單元一側的柱狀透鏡32。除了此不同之外，本實施例的其他結構與第二實施例中結構相同。
因此，本發明的切換顯示裝置通過移動LCD單元2和顯示單元一側的柱狀透鏡32，而不是如在第二實施例中的切換顯示裝置所作的移動兩個柱狀透鏡31和32，在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行切換。具體地說，在顯示3D圖像時，對連接到柱狀透鏡32上的執行裝置6和連接到LCD單元2上的執行裝置進行操作，從而使兩個柱狀透鏡的光軸與在顯示屏幕中間的象素之間的部分一致。在顯示2D圖像時，對連接到柱狀透鏡32上的執行裝置6進行操作，以便將柱狀透鏡32的光軸按照透鏡元件的排列方向11移動透鏡節距的一半，並且對連接到LCD單元2上的執行裝置6進行操作，以便將LCD單元2的位置按照與柱狀透鏡32的移動方向相反的方向移動透鏡節距的1/4。結果，在柱狀透鏡31、柱狀透鏡32以及LCD單元2之間的相對位置關係變得與在第二實施例中顯示2D圖像時所獲得的位置關係相同。除此之外的本實施例的其他操作與第二實施例中的操作相同。
在使裝置的最上面的表面可移動的情況下，很有可能會由於灰塵的影響而造成操作故障。因此，這就需要為觀察者一側的柱狀透鏡另外在觀察者一側設置保護板，在這種情況下，保護板的厚度增加了該裝置的整個厚度。因此，依據本實施例，對觀察者一側的柱狀透鏡進行固定，並且將執行裝置連接到顯示單元一側的柱狀透鏡、以及LCD單元，以便使兩者都可以移動。這可以使觀察者一側的柱狀透鏡具有保護板的能力，並且因而使整個裝置變薄。觀察者一側的柱狀透鏡還可以具有觸摸板或者前光的能力。特別地，在提供前光的能力的情況下，可以在觀察者一側的柱狀透鏡的觀察者一側的較平的面上設置用於將光向LCD單元散射的溝槽，或者可以由柱狀透鏡的不規則表面將光向LCD單元散射，從而消除對形成這樣的溝槽的需要。
從以上所述顯而易見，本實施例可以使在顯示3D圖像時的3D可視範圍與在顯示2D圖像時的2D可視範圍一致，因而可以實現薄且高度可靠的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置。除以上提到的之外的本實施例的其他效果與第二實施例中的效果相同。
下面，將描述本發明的第四實施例。圖19是示出依據本發明的實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，並且示出了3D圖像顯示狀態。在該實施例的描述中，將討論在前面對第二實施例的描述中提到的、使3D可視範圍與2D可視範圍一致的第二方案，即將3D可視範圍設置得較大的方案。如圖19所示，使本實施例的切換顯示裝置中的柱狀透鏡31和32的焦距比依據第一實施例的切換顯示裝置的焦距更短。除了此差別之外的其他結構與第一實施例中的結構相同。
本實施例使3D可視範圍大於第一實例中的3D可視範圍。當3D可視範圍變得越大時，2D可視範圍不可避免地變得更大。對3D可視範圍和2D可視範圍進行設計，以便使它們在觀察者的兩隻眼睛的位置上相互重疊。下面將討論設計方案。假定在圖10中，左眼位於例如x＝32.5mm，右眼位於例如x＝-32.5mm。在這種情況下，兩隻眼睛位於非2D可視範圍，在該範圍中，對在2D顯示中的非顯示區域進行放大地投影，從而使觀察者不能夠識別2D圖像。在以X＝0的位置作為中心，按照±X方向對3D圖像和2D圖像進行放大時，在圖10中的±x方向對在位置-20≤x≤20mm上的2D可視範圍進行放大，並且2D可視範圍的末端到達兩隻眼睛的位置(x＝±32.5mm)，從而使觀察者可以識別2D圖像。然而，當進一步對圖像進行放大時，在位置-50≤x≤-10mm的3D可視範圍被按照-x方向移動，以致於離開了右眼(x＝-32.5mm)的位置，從而觀察者不能夠識別3D圖像。
圖20A和20B是示出3D可視範圍和2D可視範圍的容許範圍的典型曲線圖，其中，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度。假定WBM是兩個相鄰的象素的非顯示部分的總寬度，Weye是兩隻眼睛之間的距離，則圖20A所示的3D可視範圍的容許寬度W3D是從眼睛的位置到非2D可視範圍的距離，並且由以下的等式20給定。2D可視範圍的容許寬度W2D是從眼睛到非2D可視範圍的距離，並且由以下的等式21給出。
W3D=Weye2-eWBM2P]]>[等式21]W2D=e2-Weye2-eWBM2P]]>W3D和W2D相互匹配的情況是可以在最大的範圍內識別3D圖像和2D圖像的情況。此時，滿足以下的等式。這等價於將3D可視範圍設置為兩隻眼睛之間的距離的兩倍。
e＝2×Weye以下將描述依據上述設計的本實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的尺寸的一個實例。例如，柱狀透鏡的曲率半徑為0.74mm，透鏡節距為0.4791mm。此外，顯示單元一側的透鏡板的厚度為0.3mm。該切換顯示裝置的其他部分的尺寸與前面示出的第一實施例中的尺寸相同。當此3D圖像/2D圖像切換顯示裝置按照與第一實施例中所作的相同的方式進行操作，並且在離柱狀透鏡400mm的位置進行觀察時，在顯示3D圖像時和顯示2D圖像時都可以進行觀察，而不需要改變觀察點。可以確保在任一情況下的可視範圍為離可視範圍中心±18mm，這可以使3D可視/2D可視切換顯示裝置提供較寬的觀察範圍。
下面將描述本發明的第五實施例。圖21A和21B是顯示依據本發明的該實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置。圖21A示出2D圖像顯示狀態，圖21B示出3D圖像顯示狀態。圖22是示出透鏡的形狀的曲線圖，其中在水平軸上採用與光軸垂直的透鏡上的位置，垂直軸採用在該位置上的透鏡高度。圖23是示出從一個象素的一個末端部分中輸出的光的路徑的圖，圖24是示出從該象素的另一末端部分輸出的光的路徑的圖，以及，圖25是示出從該象素的中心部分輸出的光路徑的圖。此外，圖26是示出對圖21A和21B所示的裝置進行仿真的結果的曲線圖，其中在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度。
如圖21A和21B所示，依據本實施例的切換裝置的特徵在於兩個柱狀透鏡的其中之一是凹面型柱狀透鏡。在依據本實施例的切換顯示裝置中，將凸面型柱狀透鏡32設置在LCD單元一側，另外將凹面型柱狀透鏡33設置在相對於雙透鏡32的觀察者一側。將執行裝置連接到凹面型柱狀透鏡33，從而使柱狀透鏡33可以按照作為透鏡元件的內凹部分的排列方向移動。凸面型柱狀透鏡32的焦距的絕對值大約等於凹面型柱狀透鏡33的焦距的絕對值。除了該不同之外的該實施例的其他結構與第一實施例的結構相同。
下面將描述依據本實施例的切換顯示裝置的操作。為了顯示2D圖像，如圖21A所示，對柱狀透鏡32和33進行排列，從而使凸面型柱狀透鏡32的光軸與凹面型柱狀透鏡33的光軸匹配。該排列使兩個柱狀透鏡的透鏡作用相互抵消，從而實現2D顯示。為了顯示3D圖像，如圖21B所示，對柱狀透鏡32和33進行排列，從而使凸面型柱狀透鏡32的光軸從凹面型柱狀透鏡33的光軸移動透鏡節距的一半。這防止如在顯示2D圖像所作的兩個柱狀透鏡的透鏡效果的相互抵消，因此可以確保較好的3D顯示。
現在將對如何設計本實施例中的柱狀透鏡進行詳細的描述。為了實現較好的2D顯示而對透鏡進行的限制較簡單，這只要使凹透鏡的焦距的絕對值與凸透鏡的焦距的絕對值一致。因此，我們來考慮用於實現較好的3D顯示的條件。
在對凹面型柱狀透鏡和凸面型柱狀透鏡進行排列，以便使它們相互移動透鏡節距的一半的情況下，等價於這兩個透鏡的單個的虛擬透鏡(此後被稱為「組合透鏡」)具有如圖22所示幾乎線性的形狀。因此，在顯示3D圖像時，組合透鏡具有與包括按照透鏡節距排列的多個稜鏡的稜鏡板的能力。因此，只要對路徑的傾斜角(傾角)進行設計就足夠了。與透鏡不同，在稜鏡的情況下，來自象素的一個點的光被投影到觀察平面，而不經過聚焦作用，因而會變為一束光(a bundle of light)，從而投影的圖像的照度分配被預期為具有象山一樣的形狀。為了使3D顯示的效果最好，應該將山頂的位置設置為眼睛的位置，這等價於來自象素中心的光被分散，並且將被分散的光在位置x＝±(e/2)周圍寬度為e的範圍上分散的情況。
此時，如圖23所示，當右眼象素和左眼象素之間的邊界為x＝0時，由稜鏡板34或者組合透鏡將位於與右眼象素42相關的左眼象素(未示出)較遠處的、此右眼象素42的一側的末端(圖中的右手端)發出的光投影到觀察平面上的區域-3×e/2≤x≤-e/2。如圖24所示，由稜鏡板34將位於與象素42相關的左眼象素較近處的、此右眼象素42的另一側的末端(圖中的左手端)投影在觀察平面上的區域-e/2≤x≤e/2。如圖25所示，由稜鏡板34將從右眼象素42的中心發出的光投影到觀察平面上的區域-e≤x≤0。假定稜鏡的傾斜角為θ，則依據Snell定律，滿足以下的等式23。
nsin(-2)=sin]]>使用在第一實施例中的值，則稜鏡的傾斜角θ變為θ＝13.1°。現在將對通過將凹透鏡的光軸與凸透鏡的光軸相互移動透鏡節距的一半來實現傾斜角θ的方法進行描述。如圖22所示，在將具有曲率半徑R的透鏡相互移動透鏡節距的一半的情況下，由以下的等式24給出在包括光軸的橫截面中的凸透鏡表面f(x)，以及由以下的等式25給出凹透鏡表面g(x)。因此，由以下的等式26給出組合透鏡的透鏡表面h(x)。
f(x)=-R2-(L2)2+R2-x2]]>[等式25]g(x)=R2-(L2)2-R2-(x-L2)2]]>[等式26]h(x)=f(x)+g(x)=R2-x2-R2-(x-L2)2]]>依據等式26可以推導出以下給出的等式27和28。結果，由以下的等式29表達傾斜角θ。用以下的等式29求解曲率半徑R得到以下的等式30。
h(0)=R-R2-(L2)2]]>[等式28]h(L2)=-R+R2-(L2)2]]>[等式29]
tan=4(R-R2-(L2)2)L]]>[等式30]R=L{1+(tan2)2}2tan]]>例如，如果將前述的值即傾斜角θ＝13.1°，以及透鏡節距L＝0.4782mm代入等式30中，則曲率半徑變為等於1.03mm，這等價於在使用單個柱狀透鏡的曲率半徑r＝0.5161的大約兩倍。
為了研究該設計的適當性，執行計算機輔助仿真。在該仿真中所使用的光學模型與在第一實施例的仿真中所示的光學模型的不同在於將凹面型柱狀透鏡用作觀察者一側的柱狀透鏡，並且通過對兩個柱狀透鏡進行排列，以使它們的光軸相互一致來實現2D顯示，而通過對兩個柱狀透鏡進行排列，以使它們的光軸相互移動透鏡節距的一半來實現3D顯示。除了前面提到的幾個條件之外的仿真中的其他條件與在第一實施例中仿真相同。在圖26中說明了仿真結果。
如圖26所示，仿真結果示出對於2D顯示和3D顯示，在顯示屏幕中心的顯示特性與在顯示屏幕末端的顯示特性大致匹配。因此，切換顯示裝置可以實現在整個顯示屏幕上的均勻顯示。在2D顯示的情況下，不可以觀察到在第一實施例中觀察到的非顯示區域的放大的區域(見圖10)，並且獲得與不使用透鏡的情況下獲得的照度分布相似的均勻的照度分布。
從如上所述顯而易見，與其中使用兩個柱狀透鏡的情況相比，本實施例可以實現極佳的2D圖像顯示，其中不對象素的非顯示區域進行放大地投影。本實施例還可以確保3D圖像顯示。因此可以實現3D圖像/2D圖像切換顯示裝置。
雖然如同第一實施例，在本實施例中觀察者一側的柱狀透鏡或者凹面型柱狀透鏡33是可移動的，但是也可以象第二和第三實施例那樣，使LCD單元和顯示單元一側的柱狀透鏡、或者凹面型的柱狀透鏡32為可移動的。此時較重要的是在顯示3D圖像時，右眼象素、左眼象素和凸面型柱狀透鏡的突出部分的相對排列，並且在右眼象素和左眼象素之間的邊界部分應該與相關的突出部分的中心匹配。只要依照此規則，凸面型柱狀透鏡或者凹面型柱狀透鏡中的任何一個可以排列在顯示單元一側，或者可以使任一透鏡為可移動的。在將凸面型柱狀透鏡排列在顯示單元一側的情況下，通過對凸面型柱狀透鏡進行排列，可以實現精確的排列，從而可以觀察到具有較好質量的在顯示單元上顯示的3D圖像。
下面將描述對第五實施例的修改。圖27A和27B是示出依據該修改的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖。圖27A示出2D圖像顯示狀態，圖27B示出3D圖像顯示狀態。在該修改中，以上所述的第五實施例的技術可以適合於多視(multi-view)型切換顯示裝置。「多視型」是其中除了右眼象素和左眼象素之外還準備一種或者多種的象素，從而使三個象素或者更多的象素與柱狀透鏡的單個的透鏡元件相關。
如圖27A和27B所示，例如，四種象素401到404按照指定的順序，沿著方向11在LCD單元2的LC層24上周期性地排列。柱狀透鏡32中的一個突出部分32a和柱狀透鏡33中的一個突出部分33a與每一個由四個象素401到404組成的象素組相對應。除了此特別的排列之外的本修改的其他結構與第五實施例相同。
下面將對依據本修改的切換顯示裝置的操作進行討論。如圖27A所示，為了顯示2D圖像，使凸面型柱狀透鏡32的光軸與凹面型柱狀透鏡33的光軸一致。然後，使用作為獨立的象素處理的象素401到404來顯示相同的2D圖像。由於此時凸面型柱狀透鏡32和凹面型柱狀透鏡的透鏡效果相互抵消，從象素401到404輸出的光按照相同的方向傳播。
另一方面，如圖27B所示，作為比較，在顯示3D圖像時，將凸面型柱狀透鏡32的光軸從凹面型柱狀透鏡33的光軸移動透鏡節距的一半。因此，柱狀透鏡32和33充當按照第五實施例的稜鏡。然後，象素401到404分別顯示四種不同的圖像。此時，凸面型柱狀透鏡32和凹面型柱狀透鏡33產生稜鏡效果，並且按照第一方向輸出來自象素401的光，按照第二方向輸出來自象素402的光，按照第三方向輸出來自象素403的光，並且按照第四方向輸出來自象素404的光。因此，當觀察者改變觀察點時，觀察者可以識別四種圖像。結果，在顯示對象(subject)的圖像時，例如，可以進行顯示，以致於在從前方對切換顯示裝置進行觀察時，可以識別從前方看到的對象的圖像，在從傾斜的方向對切換顯示裝置進行觀察時，可以識別從傾斜方向看到的對象的圖像。除了以上已經討論的操作和效果之外的本修改的其他操作和效果與第五實施例的操作和效果相同。象素的種數不局限於四個，而可以使用三種、五種或者更多種。
下面將描述本發明的第六實施例。圖28A和28B是示出依據該實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖。圖28A示出2D圖像的顯示狀態，圖28B示出3D圖像的顯示狀態。圖29是示出對圖28A和28B所示的裝置進行仿真的結果的曲線圖，在水平軸上採用觀察位置，在垂直軸上採用在觀察位置上的照度。
如圖28A和28B所示，與第一實施例相比，本實施例的特徵在於使用兩個板狀構件(plate-like member)(此後被稱為「稜鏡板」)來替代兩個柱狀透鏡，在所述的兩個板狀構件中的每一個中，按照一個方向延伸的稜鏡狀的光學元件相互平行地排列。兩個稜鏡板35具有相同的形狀。將兩個稜鏡板35中排列在顯示單元一側的一個稜鏡板固定在LCD單元2上，並且將執行裝置(未示出)連接到排列在觀察者一側的另一稜鏡板上，從而使觀察者一側的稜鏡板35可以按照稜鏡狀的光學元件的排列方向11移動。每一個稜鏡板35的傾斜角是在第五實施例中的虛擬稜鏡的傾斜角(θ＝13.1°)的一半。除了以上提到的結構之外的本實施例的其他結構與第五實施例中的結構相同。
下面將描述依據本實施例的切換顯示裝置的操作。在如圖28A所示，切換顯示裝置顯示2D圖像的情況下，對兩個稜鏡板35進行排列，從而使顯示單元一側的稜鏡板35的頂點與觀察者一側的稜鏡板35的谷底(trough)匹配。這使兩個稜鏡板35的稜鏡作用相互抵消，從而確保2D顯示。
如圖28B所示，在顯示3D圖像的情況下，對兩個稜鏡板35進行排列，從而使稜鏡板35的頂點相互匹配。與其中稜鏡效果相互抵消的2D顯示的情況不同，這使兩個稜鏡板35等價於具有傾斜角θ為13.1°的單個的虛擬稜鏡板35，從而可以按照第五實施例實現較好的3D顯示。
圖29示出使用以上所述的光學模型進行計算機輔助仿真的結果。除了以上所提到的條件，在仿真中的其他條件與在第一實施例的仿真中的條件相同。從圖29中顯而易見，與第五實施例的仿真結果類似(見圖26)，仿真的結果在2D顯示和3D顯示時，都示出了較好的效果。
與柱狀透鏡相比，由於稜鏡板具有簡單的形狀，因而可以按照較低的成本來製造。因此，本實施例可以實現3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的低成本的製造。除了以上所提到的效果之外，本實施例的切換顯示裝置的其他效果與第五實施例的效果相同。
下面將描述本發明的第七實施例。圖30A和30B是示出依據該實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖。圖30A示出3D圖像顯示狀態，圖30B示出2D圖像顯示狀態。圖31A和31B是示出3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的俯視圖，圖31A示出3D圖像顯示狀態，而圖31B示出2D圖像顯示狀態。
如圖30A、30B、31A、以及31B所示，與第一實施例相比，依據本實例的切換顯示裝置具有兩個凸面型飛孔透鏡38和39來替換兩個柱狀透鏡。「飛孔透鏡」是具有按照矩陣形式排列的普通透鏡的透鏡。在包括兩個飛孔透鏡38和39的焦點的平面上設置LCD單元2。LCD單元2具有分別示出不同的圖像的四種象素44到47。每一個象素44到47兩個兩個地排列，以便構成一個象素組，每一組象素或者每一個象素組與飛孔透鏡的每一個透鏡元件對應。這實現了全影攝影術(integral photography)的方案。將兩套執行裝置(未示出)連接到觀察者一側的飛孔透鏡38，從而使飛孔透鏡38可以相對於飛孔透鏡39，按照與顯示單元一側的飛孔透鏡39垂直的任意方向移動。
下面將描述依據本實施例的切換顯示裝置的操作。如圖30A和31A所示，在顯示3D圖像的情況下，對飛孔透鏡38進行排列，從而使飛孔透鏡38的每一個透鏡元件的光軸與飛孔透鏡39的相關的透鏡元件的光軸一致。因此，兩個凸面型飛孔透鏡38和39充當單個的虛擬飛孔透鏡。結果，凸面型的飛孔透鏡38和39分別按照第一和第四方向，輸出來自象素44到47的光。
如圖30B和31B所示，在示出2D圖像的情況下，對飛孔透鏡38進行排列，從而使其從飛孔透鏡39按照屏幕的左右方向或者屏幕的上下方向移動透鏡節距的一半，或者同時按照屏幕的左右方向和上下方向移動透鏡節距的一半，結果使飛孔透鏡38的光軸從飛孔透鏡39的光軸移動透鏡節距的一半。因此，兩個凸面型飛孔透鏡38和39充當單個的虛擬飛孔透鏡。結果，凸面型的飛孔透鏡38和39分別按照第一和第四方向輸出來自象素44到47的光。這可以依據與第一實施例相似的原理，使2D圖像得以顯示。
在如同第一實施例，將所設置的兩個柱狀透鏡中的一個按照它的突出部分的排列方向進行移動時，可以只按照一個方向來分配要由多種象素顯示的多個圖像。如果按照左右方向對兩種圖像進行分配，以使不同的圖像輸入到右眼和左眼，則可以實現3D顯示。如果按照左右方向對多種圖像進行分配，以便當觀察點按照左右方向移動時，可以識別不同的圖像，則可以實現非常複雜的3D感覺。然而，第一實例所示出的結構除了在柱狀透鏡的突出部分的排列方向之外，不能夠在其他方向分配圖像。
作為比較，依據第七實施例，設置了兩個飛孔透鏡，並且按照這些凸面型透鏡的透鏡元件的排列方向對多種象素進行排列，從而使多個象素可以按照兩個或者兩個以上的方向分配。如果設置的執行裝置不僅可以在水平方向移動透鏡，而且可以在垂直方向移動透鏡，則可以在水平3D感覺和垂直3D感覺之間進行選擇。即，如果除了左右方向之外，還按照上下方向來分配圖像，則即使按照與對於切換顯示裝置的屏幕的法線垂直的方向來顯示圖像的情況下，也可以實現3D顯示。即，即使在通過改變屏幕布局的垂直邊和水平邊進行觀察的情況下，也可以在分別對這些屏幕布局而言最佳的3D顯示和2D顯示之間進行選擇。例如，在將切換顯示裝置安裝在配備有照相機的可攜式電話的情況下，當將該電話用作普通的可攜式電話時，將屏幕垂直地排列，以便顯示3D圖像和2D圖像，而當將可攜式電話用作照相機時，考慮到3D CCD(電荷耦合裝置)的排列，對屏幕進行水平地排列，以便顯示3D圖像和2D圖像。例如，如果在斜上方觀察屏幕時，對從斜上方看到的對象的圖像進行識別，則觀察者可以在上下方向上獲得3D的感覺。如果按照任意的傾斜方向對象素進行排列，並且使飛孔透鏡38可以在任意的傾斜方向移動，則可以在每一個方向上，在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行切換。結果，當不僅在左右方向，而且在上下方向和傾斜方向對圖像進行觀察時，觀察者都可以得到3D的感覺。
在如同本實施例，使用全影攝影術的情況下，優選的是，使用時分顯示系統(場序制顯示系統)。時分顯示系統是通過使按照RGB三種顏色背光閃爍，按照時序加法表達顏色而不需要使用濾色器的方法。最好選用時分顯示系統的原因是在全影攝影術中，飛孔透鏡按照上下方向、以及左右方向對象素進行放大地投影。在使用序數濾色器的平面區分(plane division)型顏色顯示裝置中，與濾色器的條帶的延伸方向平行的透鏡部分(lens component)幹擾了放大的圖像的色素(color element)，因此產生了顏色幹擾，並且使可視性惡化。通過比較，時分顯示系統可以使用單一的方式顯示全色，因此，不會產生這樣的問題。雖然時分顯示系統需要至少三倍的正常驅動頻率，但是該系統可以將象素的數量降低到1/3，並且消除對濾色器的需要，從而具有諸如不會受到濾色器造成的光吸收的優點，並且節省了功率消耗。由於具有這些特徵，時分顯示系統可以適合於以上所述的第一到第六實施例，以及稍後將描述第八到第十二實施例。
下面將描述本發明的第八實施例。如圖32是示出依據該實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖，並且示出3D圖象顯示狀態。圖33是示出該切換顯示裝置的光學模型的圖。如圖32所示，本實施例的切換顯示裝置具有與LCD單元2的玻璃基板25結合形成的兩個柱狀透鏡中的一個，即柱狀透鏡12。可以使用2P模製法等作為在LCD單元2的玻璃基板25上設置柱狀透鏡的方法。具體地說，準備具有要模製的透鏡的形狀的倒置圖案的模具，並且將脫模製和光電固化樹脂塗在模具上，並且緊緊地附著在顯示單元之上。然後，對樹脂進行固化和分離，並且將柱狀透鏡的圖案轉移到顯示單元上。
在按照這種方式準備柱狀透鏡的情況下，由顯示單元的基板的厚度限制了透鏡的位置。在這一點上，如圖32所示，可以對觀察者一側的柱狀透鏡進行排列，並且使該雙透鏡表面朝向觀察者一側。在圖33所示的光學模型的顯示屏幕的中心部分，從Snell定律和幾何關係可以推導出以下的等式31到36。
假定H1是從象素41和42到顯示單元一側的柱狀透鏡32的透鏡表面的距離，H2是從象素41和42到觀察者一側的柱狀透鏡31的透鏡表面的距離，並且兩個柱狀透鏡可以被看作單個的虛擬柱狀透鏡，讓H為從象素41和42到虛擬柱狀透鏡的透鏡表面的距離，讓D等於從象素41和42到虛擬柱狀透鏡的距離，讓n為透鏡的折射率，讓L1為顯示單元一側的柱狀透鏡32的透鏡節距，讓L2為觀察者一側的柱狀透鏡31的透鏡節距，讓P為象素41和42中的每一個的寬度，讓ΔP為在柱狀透鏡32的中心與從位於離象素41較遠的一側的象素42的末端輸出的光通過透鏡32的位置之間的距離，並且讓Δe為柱狀透鏡31的中心與從位於離象素41較遠的一側的象素42的末端輸出的光通過透鏡31的位置之間的距離。
此外，讓WL1等於從位於柱狀透鏡31的中心的突出部分的中心到位於透鏡31的末端的突出部分的中心的距離，讓WL2等於從位於柱狀透鏡32的中心的突出部分的中心到位於透鏡32的末端的突出部分的中心的距離，讓WP等於位於LCD單元中心的一對左眼象素和右眼象素42的中心位置、與位於LCD單元2的末端的象素對的中心位置之間的距離，讓α和β分別等於位於柱狀透鏡32的中心的突出部分的光的入射角和輸出角，讓β和γ分別為位於柱狀透鏡31的中心的突出部分的光的入射角和輸入角。讓δ和ε分別等於位於柱狀透鏡32的末端的突出部分的光的入射角和輸出角，讓ε和φ分別等於位於柱狀透鏡31的末端的突出部分的光的入射角和輸出角，讓C1等於在距離WP和距離WL1之間的差，讓C2等於距離WP和距離WL2之間的差，並且讓2m等於包括在距離WP的區域內的象素的數量。
n×sinα＝sinβ[等式32]n×sinβ＝sinγ[等式33](H2-H)tanβ＝Δe[等式34]
(D-H2+H)×tanγ＝e-Δe[等式35]H1×tanα＝ΔP[等式36](H-H1)tanβ＝P-ΔP此外，對於顯示屏幕末端，可以類似地推導出以下的等式37到41。
n×sinδ＝sinε[等式38]n×sinε＝sinφ[等式39]H1×tanδ＝2×m×P-m×L1[等式40](D-H2+H1)×tanφ＝m×L2[等式41](H2-H1)×tanε＝m×L1-m×L2此外，假定滿足以下的等式42。
H2-H1＝H然後，使用在第一實施例中所使用的值H＝1.57mm(即從象素41和42到虛擬透鏡的透鏡表面的距離值H)、象素節距P＝0.24mm，折射率n＝1.49，距離D＝280mm，3D可視範圍的寬度e＝65mm，以及m＝60對等式31到42進行求解。因此，得到的結果為顯示單元一側的柱狀透鏡32和象素之間的距離H1＝0.707mm，顯示單元一側的雙透鏡32的節距L1＝0.4795mm，觀察者一側的柱狀透鏡31和象素之間的距離H2＝2.51mm，以及觀察者一側的柱狀透鏡31的透鏡節距L2＝0.4795mm。使用按照這種方式設計的切換顯示裝置，即使在兩個柱狀透鏡之間存在距離的情況下，也可以對透鏡進行排列，而不會降低顯示性能。
如上所述，依據本實施例，與LCD單元2的玻璃基板25結合的顯示單元一側的柱狀透鏡的設置可以增加觀察者一側的柱狀透鏡31的厚度，因而可以降低透鏡的扭曲和變形的影響，從而確保對具有較高質量的切換顯示裝置的高成品率的製造。
下面將描述本發明的第九實施例。圖34是示出依據該實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的俯視圖。如圖34所示，將觀察者一側的柱狀透鏡31沿著突出部分(方向11)的排列方向分割為多個帶狀區段(band-1ike segment)31b到31e，從與LCD單元2的表面垂直的方向可以看到，這些帶狀區段的長度方向與方向11平行。將執行裝置6連接到每一個部分，以便允許每一個區段可以獨立地移動。除了以上所討論的結構之外的本實施例的其他結構與第一實施例的結構相同。
下面將描述依據本實施例的切換顯示裝置的操作。如圖34所示，LCD單元2(見圖7)顯示其中一部分為2D圖像，而另一部分為3D圖像的圖像。通過驅動各個執行裝置，對其中顯示3D圖像的區域的區段、例如區段31c和31e進行排列，從而使這些透鏡的光軸相互一致，對其中顯示2D圖像的區域的區段、例如區段31b和31d進行排列，從而使這些透鏡的光軸相互移動透鏡節距的一半。這可以確保在顯示屏幕內的不同的透鏡排列，從而可以在顯示屏幕內可以顯示混合的3D圖像和2D圖像。除了以上討論的操作和效果之外，本實施例的其他操作和效果與第一實施例的操作和效果相同。
下面將描述本發明的第十實施例。圖35是示出依據該實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的橫截面圖。如圖35所示，在第一實施例中的觀察者一側的柱狀透鏡31(見圖7)由在第十實施例中的兩個柱狀透鏡311和312的組合來構成。即，依據本實施例的切換顯示裝置具有從顯示單元一側開始按照指定順序設置的三個柱狀透鏡32、311、312。在LCD單元2的基板上排列柱狀透鏡32，從而使其透鏡表面朝向觀察者一側，對柱狀透鏡311進行排列，從而使其透鏡表面朝向觀察者一側，以及，對柱狀透鏡312進行排列，從而使其透鏡表面朝向顯示單元一側。兩個柱狀透鏡311和312等價於單個的柱狀透鏡32。將柱狀透鏡311和312相互固定，並且將執行裝置(未示出)連接到這兩個透鏡之上，從而使柱狀透鏡311和312可以按照方向11移動。除了以上所討論的結構之外的本實施例的其他結構與第一實施例的結構相同。
依據第一實施例所採用的設計方案，對本實施例的切換顯示裝置的設計方案進行構思。即，當將觀察者一側的柱狀透鏡分為兩個時，將每一個分開的透鏡部分的焦距和透鏡節距分別設置為2.064mm和0.4774mm，則可以實現使用三個透鏡基板的結構。
下面將描述依據本實施例的切換顯示裝置的操作。如圖35所示，在顯示3D圖像時，使柱狀透鏡32、311和312的光軸相互匹配。這可以使來自左眼象素41的光被輸出到觀察者的左眼52，並且使來自右眼象素42的光被輸入到右眼51，從而使觀察者可以識別3D圖像。在顯示2D圖像時，驅動執行裝置以便將柱狀透鏡311和312的光軸從柱狀透鏡32的光軸移動透鏡節距的一半。此時，柱狀透鏡311的光軸與柱狀透鏡312的光軸保持一致。因此，三個柱狀透鏡的效果相互抵消，並且使觀察者可以識別2D圖像。除了以上所討論的操作之外的本實施例的其他操作與第一實施例的操作相同。
在本實施例中，與使用兩個透鏡的情況相比，使用三個透鏡可以進一步降低象差。這可以確保更好的顯示。
雖然前面對本實施例的描述闡明了由兩個透鏡構成觀察者一側的柱狀透鏡的實例，但是本發明不限於這個特定的情況，觀察者一側的柱狀透鏡可以由三個或者更多的透鏡構成，或者顯示單元一側的柱狀透鏡可以由兩個凸透鏡或者更多的透鏡來構成、或者觀察者一側的柱狀透鏡和顯示單元一側的柱狀透鏡可以同時由兩個或者更多的透鏡構成。
下面將描述本發明的第十一實施例。圖36是示出依據該實施例的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的俯視圖，圖37是示出非線性彈簧(non-linearspring)的特性的曲線圖，在水平軸上採用位移位置，在垂直軸上採用反作用力。如圖36所示，依據本實施例的切換顯示裝置與第一實施例的切換顯示裝置的不同之處在於執行裝置的結構。
例如，當在第一實施例中，通過移動觀察者一側的柱狀透鏡31，在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間從一個切換到另一個的時候，應該將柱狀透鏡31的位置穩定地排列在進行3D顯示的位置，即柱狀透鏡31的光軸與柱狀透鏡32的光軸一致的位置，或者穩定地排列在進行2D顯示的位置，即將柱狀透鏡31的光軸從柱狀透鏡32的光軸進行移動後的位置。也就是說，如果柱狀透鏡31保持在前述的兩個位置之間的中間位置，則3D圖像和2D圖像都不能被穩定地顯示。
在本實施例的切換顯示裝置中設置固定於外殼(未示出)上的固定框架72，並且將觀察者一側的柱狀透鏡31保持在固定框架72的開口部分。在方向11上的固定框架72的開口部分的長度長於在方向11上的柱狀透鏡31的長度，並且柱狀透鏡31可以在方向11上移動。兩對即四個非線性彈簧65到68設置在與移動方向11垂直的柱狀透鏡31的邊緣和固定框架72之間。非線性彈簧65和67形成一對，並且相互面對地排列。非線性彈簧66和68形成一對，並且相互面對地排列。非線性彈簧65和66連接到柱狀透鏡31的一個邊緣，而非線性彈簧67和68連接到柱狀透鏡31的另一邊緣。非線性彈簧65到68在方向11上擠壓柱狀透鏡31。在附著了非線性替換65和66的一側的邊緣設置了在方向11上按壓柱狀透鏡31的杆62，以及在附著了非線性彈簧67和68的一側的邊緣設置了在方向11上按壓柱狀透鏡31的杆64。對柱狀透鏡31進行限制，以使其不按照不希望的方向、即除了導軌(未示出)的方向11之外的其他方向移動。
當施加到非線性彈簧上的壓力(pressing force)增加時，彈簧的位移量依據壓力而增加，但是當將對抗恆定的反作用力F1的壓力施加到彈簧上導致彈簧的位移量超過給定的值c時，彈簧的反作用力從值F1改變到小於F1的值F2。當施加到彈簧上壓力從彈簧的位移量較大的狀態逐漸降低時，彈簧的位移量降低到值c，而同時顯示了較弱的反作用力F2，並且趨向於返回到基本狀態，而當位移量變得等於或者小於c時，顯示出較強的反作用力F1。在本實施例中，將非線性彈簧中的一個的位移量設置為小於值c的值，而將另一彈簧的位移量設置為如圖37所示的大於值c的值b。
下面將描述依據本實施例的切換顯示裝置的操作。當如圖37所示，非線性彈簧65和66的位移量為a，並且非線性彈簧67和68的位移量為b時，非線性彈簧65和66的反作用力大於非線性彈簧67和68的反作用力，從而將柱狀透鏡31向非線性彈簧67和68擠壓。即，將柱狀透鏡31排列在由圖37中的雙點化線所表示的第一位置。當在此狀態推動杆64時，柱狀透鏡31向非線性彈簧65和66移動，結果，非線性彈簧65和66的位移量變為b，而非線性彈簧67和68的位移量變為a，從而將柱狀透鏡31壓向非線性彈簧65和66。即，將柱狀透鏡31排列在由圖37所示的實線所表示的第二位置。即使在釋放施加在杆64上的力量之後，非線性彈簧67和68的反作用力仍然大於非線性彈簧65和66的反作用力，從而將柱狀透鏡31穩定地保持在第二位置。當在此狀態推動杆62時，柱狀透鏡31再次向第一位置移動，並且由於非線性彈簧65到68的反作用力之間的不同，穩定地保持在第一位置。
在本實施例中，將第一位置作為諸如3D顯示發揮作用的位置來處理，而將第二位置作為諸如2D顯示發揮作用的位置來處理。依據本實施例，從以上所述顯而易見，使用簡單的結構可以將柱狀透鏡31穩定地保持在3D顯示位置和2D顯示位置中的任一個。除了以上所討論的操作和效果之外，本實施例的其他操作和效果與第一實施例的操作和效果相同。
下面將描述本發明的第十二實施例。圖38是示出依據該實施例的3D/2D圖像切換顯示裝置的俯視圖。如圖38所示，依據本實施例的切換顯示裝置具有「＜」狀的懸臂62a和64a來替換在第十一實施例中的杆62和64，並且懸臂62a和64a中的每一個的一端鄰接於柱狀透鏡31。懸臂62a和64a中的每一個具有支持其在固定框架72上旋轉的中心部分，以及，執行裝置61和63的一端與懸臂62a和64a的另一端連接。執行裝置61和63是由形狀記憶合金製成的金屬絲(wire)，並且可以縮短到導通狀態(conductive state)，但是可以由外力變形為非導通狀態。執行裝置61和63獨立地通過各個開關(未示出)與電源連接，並且當合上開關時，電流會流過。將執行裝置61的參考長度設置為一定的長度，從而在非導通狀態(non-conductive)，當柱狀透鏡31移動到執行裝置61一側位置，即由圖38所示的實線表示的第二位置，並且使執行裝置61伸長時，不需要將張力施加於懸臂62a，在導通狀態，對執行裝置61進行縮短，以使柱狀透鏡31通過懸臂62a被充分地推到在另一側的位置，即由圖38中所示的雙點化線所表示的位置。按照與執行裝置61相同的方式，對執行裝置63的長度進行設計。
下面將描述依據本實施例的切換顯示裝置的操作。首先，假定如圖38所示，柱狀透鏡31處於由圖38中的雙點化線所表示的第一位置。此時，由於非線性彈簧65到68的反作用力之間的差別，將柱狀透鏡31穩定地保持在第一位置。當給執行裝置63通電時，執行機構63縮短以使懸臂64a旋轉，從而使懸臂64a向柱狀透鏡31推向由圖38中的實線所表示的第二位置。結果，柱狀透鏡從第一位置移動到第二位置。雖然柱狀透鏡31的移動使懸臂62a旋轉而伸長了執行裝置61，但是處於非導通狀態的執行裝置容易變形，因此，不會干擾柱狀透鏡31的移動。即使當此後停止給執行裝置63通電，由於非線性彈簧65到68的反作用力之間的差別，會使柱狀透鏡31穩定地保持在第二位置。同樣地，在將柱狀透鏡31從第二位置向第一位置移動的情況下，給執行裝置61通電。結果，執行裝置61縮短以使懸臂62a旋轉，從而將柱狀透鏡31推向第一位置。除了以上討論的操作之外，本實施例的其他操作與第十一實施例的操作相同。
從以上所述顯而易見，該實施例可以對柱狀透鏡31的移動進行電控制。這可以允許在顯示3D圖像和顯示2D圖像之間進行自動地切換。由於將形狀記憶合金的金屬絲用作執行裝置，因此結構較簡單，並且可以將切換顯示裝置構造得更小型並且更輕便。
可以對彈簧進行連接，從而使執行裝置總是按照長度方向伸長。這使執行裝置在充電狀態縮短，從而移動柱狀透鏡31，但是在非導通狀態使執行裝置充分伸長，從而可以防止懸臂推動柱狀透鏡31。這可以使非驅動側的執行裝置不會成為驅動側的執行裝置的負載，從而確保柱狀透鏡31的快速驅動。
在不需要使切換顯示裝置的外部尺寸較小的情況下，可以使用諸如電磁螺線管或者電磁馬達(electromagnetic motor)的電執行裝置。此外，第十一實施例和第十二實施例可以與第二到第十實施例結合起來。
權利要求
1.一種三維(3D)圖像/二維(2D)圖像切換顯示裝置，包括顯示單元，它具有多個周期性排列的多個象素組，其中，每一個象素組包括第一到第n象素(n為等於或者大於2的整數)；第一光學單元，它具有與所述的各個象素組相關的、周期性排列的第一光學元件，並且對從所述的象素中輸出的光進行折射；以及第二光學單元，它具有與所述的各個象素組相關的、周期性排列的第二光學元件，並且對從所述的第一光學單元中輸出的光進行折射，其中，當由所述的第一到第n象素顯示的圖象相互不同時，將所述的第二光學單元相對於所述的第一光學單元放置在第一位置，從而使所述的第一和第二光學單元按照相互不同的第一到第n方向，輸出從所述的第一到第n象素輸出的光，以及當所述的第一到第n象素獨立地顯示相同的圖像時，將所述的第二光學單元相對於所述的第一光學單元放置在第二位置，按照所述的第二光學元件的排列方向，將所述的第二位置設置在離所述的第一位置的距離等於所述的第二光學元件的排列周期的距離的一半，或者等於所述的第二光學元件的所述排列周期的整數倍加上所述的排列周期的距離一半所得到的距離，從而使所述的第一和第二光學單元按照相同的方向輸出從所述的第一到第n象素中輸出的光。
2.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一光學元件的排列周期大致等於所述的第二光學元件的所述排列周期。
3.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的顯示單元具有兩種象素，即針對右眼的象素和針對左眼的象素，並且在顯示3D圖像時，所述的右眼象素顯示針對所述的右眼的圖像，所述的左眼象素顯示針對所述的左眼的圖像，並且所述的第一光學單元和第二光學單元按照第一方向輸出從所述的右眼象素中輸出的光，以及按照第二方向輸出從所述的左眼象素中輸出的光，在顯示2D圖像時，所述的右眼象素和所述的左眼象素一起顯示相同的2D圖像，並且所述的第一和第二光學單元按照相同的方向，輸出從所述的右眼象素和所述的左眼象素中輸出的光。
4.根據權利要求3所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一光學單元是包括一個或者多個凸面型柱狀透鏡的第一柱狀透鏡部分，其中所述的第一光學元件是透鏡元件，所述的第二光學單元是包括一個或者多個凸面型柱狀透鏡的第二柱狀透鏡部分，其中所述的第二光學元件是透鏡元件，在顯示3D圖像時，位於所述的第二柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸與所述的第一柱狀透鏡部分的一個透鏡元件的光軸大體一致，以及在顯示2D圖像時，將位於所述的第二柱狀透鏡部分的所述中心的所述透鏡元件的所述光軸，從位於所述的第一柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸移動所述的第二雙透鏡部分的所述透鏡元件的排列周期的長度的一半，或者等於所述的第二柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的所述排列周期的整數倍加上所述的排列周期的長度的一半得到的距離。
5.根據權利要求4所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一和第二柱狀透鏡部分中的至少一個包括兩個或者多個相互堆疊(stack)的柱狀透鏡。
6.根據權利要求4所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於對所述的第一柱狀透鏡部分的透鏡面進行布置，以使其面向所述的第二柱狀透鏡部分的透鏡面。
7.根據權利要求4所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於對所述的第一柱狀透鏡部分的透鏡面和所述的第二柱狀透鏡部分的透鏡面進行布置，以使它們朝向相同的方向。
8.根據權利要求4所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的曲率等於所述的第二柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的曲率，並且在將所述的第一和第二柱狀透鏡部分看作單個的虛擬柱狀透鏡的情況下，所述的虛擬柱狀透鏡的透鏡元件的曲率等於所述的第一和第二柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的所述曲率的兩倍。
9.根據權利要求4所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的曲率等於所述的第二柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的曲率，並且在將所述的第一和第二柱狀透鏡部分看作單個的虛擬柱狀透鏡的情況下，所述的第一和第二柱狀透鏡部分之間的間隙等於或者小於所述的虛擬柱狀透鏡的透鏡元件的焦距的20％。
10.根據權利要求4所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於在顯示3D圖像時，位於所述的第一柱狀透鏡部分的所述中心的所述透鏡元件的所述光軸與位於所述的第二柱狀透鏡部分的所述中心的所述透鏡元件的所述光軸之間的偏差量等於或者小於所述的第一柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的排列周期的12％。
11.根據權利要求4所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於設置的所述的第一和第二柱狀透鏡部分可以相對所述的顯示單元移動，在顯示3D圖像時，位於所述的第一和第二柱狀透鏡部分的所述中心的所述透鏡元件的所述光軸通過位於所述的顯示單元的中心的象素組的中心，所述的象素組由所述的右眼象素和所述左眼象素組成，以及，在顯示2D圖像時，位於所述的第一柱狀透鏡部分的所述中心的所述透鏡元件的所述光軸通過，從所述象素組的所述中心、按照所述的第一柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的排列周期的四分之一的長度，或者等於所述的第一柱狀透鏡部分所述透鏡元件的整數倍加上所述的排列周期的四分之一的長度所得到的長度進行移位後的位置，以及，位於所述的第二柱狀透鏡部分的所述中心的所述透鏡元件的所述光軸通過，相對於所述的顯示單元、按照與前述的移動方向相反的方向，從所述的象素組的中心、按照所述排列周期的1/4，或者等於所述的第二柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的所述排列周期的整數倍加上所述的排列周期的1/4的長度後得到的長度進行移位後的位置。
12.根據權利要求4所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於在顯示2D圖像時，將其中對象素的發光部分進行放大地投影的2D可視範圍的寬度設置得比觀察者的兩隻眼睛的距離更大。
13.根據權利要求4所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於在顯示3D圖像時，將其中通過離象素最近的透鏡元件對從該象素中輸出的光進行放大地投影的3D可視範圍的寬度設置為觀察者的兩隻眼睛之間的距離的兩倍。
14.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一和第二光學單元中的一個是包括一個或者多個凸面型柱狀透鏡的凸面型柱狀透鏡部分，所述的第一和第二光學單元中的另一個是包括一個或者多個凹面型柱狀透鏡的凹面型柱狀透鏡部分，在所述的第一到第n象素分別顯示第一到第n圖像時，將位於所述的凸面型柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸從位於所述的凹面型柱狀透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸、移動所述的凸面型柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的排列周期的長度的一半，或者等於所述的凸面型柱狀透鏡部分的所述透鏡元件的所述排列周期的整數倍加上所述排列周期的長度的一半得到的長度，以及在所述的第一到第n象素分別一起顯示相同的圖像時，位於所述的凸面型柱狀透鏡部分的所述中心的所述透鏡元件的所述光軸、與所述凹面型柱狀透鏡部分的一個透鏡元件的光軸大體一致。
15.根據權利要求14所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述凸面型柱狀透鏡部分和所述凹面型柱狀透鏡部分中的至少一個包括兩個或者多個相互堆疊的柱狀透鏡。
16.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一光學單元是包括一個或者多個飛孔透鏡的第一飛孔透鏡部分，所述的第二光學單元是包括一個或者多個飛孔透鏡的第二飛孔透鏡部分，並且所述的第二飛孔透鏡部分可以相對於所述的第一飛孔透鏡部分，在對所述顯示單元的所述象素進行排列的所有方向進行移動。
17.根據權利要求16所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一和第二飛孔透鏡部分中的至少一個包括兩個或者多個相互堆疊的飛孔透鏡。
18.根據權利要求16所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的顯示單元具有按照兩行乘以兩列的矩陣形式排列的第一到第四象素，並且所述的第一和第二飛孔部分包括凸面型的飛孔透鏡。
19.根據權利要求16所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的象素中的至少一個是針對右眼的右眼象素，其他象素中的至少一個是針對左眼的左眼象素，在顯示3D圖像時，所述的右眼象素顯示針對所述的右眼圖像，所述的左眼象素顯示針對所述的左眼的圖像，並且位於所述的第二飛孔透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸與所述的第一飛孔透鏡部分的一個透鏡元件的光軸大體一致，在顯示2D圖像的情況下，將位於所述的第二飛孔透鏡部分的所述中心的所述透鏡元件的所述光軸，從位於所述的第二飛孔透鏡部分的中心的透鏡元件的光軸、按照從針對所述的右眼的所述圖像去往針對左眼的所述圖像的方向，或者與此相反的方向，移動所述的第二飛孔透鏡部分的所述透鏡元件的排列周期的長度的一半，或者等於所述的第二飛孔透鏡部分的所述透鏡元件的排列周期的整數倍加上所述排列周期的長度的一半得到的長度。
20.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一光學單元是其上排列有稜鏡元件的第一稜鏡板，所述的第二光學單元是其上排列有稜鏡元件的第二稜鏡板，在顯示3D圖像時，從與所述的顯示單元的顯示表面垂直的方向可以看到，位於所述的第二稜鏡板的中心的稜鏡元件的頂點，與所述的第一稜鏡板的一個稜鏡元件和與所述的這個稜鏡元件相鄰的稜鏡元件之間的谷地部分一致，以及，在顯示2D圖像時，從與所述的顯示單元的所述顯示表面垂直的所述方向可以看到，位於所述的第二稜鏡板的所述中心的所述稜鏡元件的所述頂點與所述的第一稜鏡板的一個稜鏡元件的頂點一致。
21.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的顯示單元具有對從所述的象素輸出的光進行著色的濾色器，並且具有被著色為多種顏色並且相互平行地周期性排列的多個條形部分，所述的條形部分的長度方向與所述的第一和第二光學元件的排列方向平行。
22.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的顯示單元使用彩色場序制顯示方法(color field sequentialdisplay method)來顯示圖像。
23.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於還包括裝入所述的顯示單元、以及所述的第一和第二光學單元的外殼，將所述的第二光學單元固定到該外殼上。
24.根據權利要求23所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第二光學單元具有作為所述的顯示單元的保護板、觸摸板、或者前光的能力。
25.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一光學單元的至少一部分與構成所述的顯示單元的顯示表面的構件結合在一起形成。
26.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於從與所述的顯示單元的顯示表面垂直的方向可以看到，所述的第一和第二光學單元中的至少一個被分割為多個部分，所述的多個部分可以相互獨立地移動。
27.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的第一和第二光學單元中的至少一個具有框架。
28.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於在所述的第一和第二光學單元中的至少一個的表面上形成抗反射塗層(antireflection coating)。
29.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於還包括連接到所述的第一和第二光學單元中的至少一個上的執行裝置，用於相對於一個光學單元，移動所述的第一和第二光學單元中的所述的另一個。
30.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於還包括用於裝入所述的顯示單元和所述的第一和第二光學單元的外殼，以及，一對或者多對非線性彈簧，所述的彈簧位於所述的外殼和所述的第一和第二光學單元中的至少一個之間，並且使這些彈簧按照所述的第一光學單元的排列方向伸長和縮短，當位移量超過閾值時，這些彈簧的反作用力不連續地降低，並且對彈簧進行設置，從而使每一對非線性彈簧中的一個的位移量大於所述的閾值，而另一非線性彈簧的位移量變得小於所述的閾值。
31.根據權利要求30所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於至少一對非線性彈簧與在所述的第一和第二光學單元中的所述一個，按照與所述的排列方向垂直的方向延伸的邊緣連接。
32.根據權利要求29所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的執行裝置是由形狀記憶合金製成的線性構件，並且與電源連接。
33.根據權利要求1所述的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置，其特徵在於所述的顯示單元是液晶顯示單元。
34.一種具有權利要求1到33中的任何一個的3D圖像/2D圖像切換顯示裝置的可攜式終端設備。
35.根據權利要求34所述的終端設備，其特徵在於所述的可攜式終端設備是可攜式電話、可攜式終端、PDA(個人數字助理)、遊戲機、數字相機、或者數字錄像機(digital video)。
全文摘要
一種3D圖像/2D圖像切換顯示裝置具有液晶顯示單元、以及第一和第二柱狀透鏡。為了顯示3D圖像，對第一柱狀透鏡進行排列，使第一柱狀透鏡的光軸與第二柱狀透鏡的光軸一致，從而使針對左眼的象素顯示針對左眼的圖像，針對右眼的象素顯示針對右眼的圖像。為了顯示2D圖像，對第一柱狀透鏡進行排列，使第一柱狀透鏡的光軸從第二柱狀透鏡的光軸移動透鏡節距的一半，從而，針對左眼的象素和針對右眼的象素獨立地顯示相同的圖象。
文檔編號H04N13/00GK1487331SQ0315534
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月27日 優先權日2002年8月27日
發明者上原伸一, 高梨伸彰, 葉山浩, 彰 申請人:日本電氣株式會社