立體圖像顯示設備的製作方法

2023-10-07 07:39:04 2

專利名稱：立體圖像顯示設備的製作方法
立體圖像顯示設備站士頓械本發明涉及一種顯示立體圖像的立體圖像顯示設備。
技術背景已知一種方法，其通過採用某種方法記錄立體圖像並將其再生為立體 圖像。該方法稱為全景攝影(integral photography)(以下也稱為IP方法)或者 光線再生方法，在該方法中，顯示很大數量的視差圖像。假設採用左右眼 來觀看一個物體。當觀看位於近距離處的點A時，將該點A與左右眼形成 的角表示為a。當觀看位於遠距離處的點B時，將該點B與左右眼形成的 角表示為P。角a和P根據在物體與觀看者之間的位置關係而變化。差值(a-(3) 稱為雙眼視差(binocular parallax)。人對於雙眼視差敏感，並且能夠產生立 體觀看效果。近年來，沒有玻璃的立體圖像顯示設備的開發有所前進。它們中很多 都是通過以下實現的使用普通的二維平面顯示裝置(例如，液晶顯示器)； 將由雙凸透鏡或狹縫(slit)形成的光學板放置在平面顯示裝置的前面或者後 面；利用以上所述的雙眼視差；並且控制來自平面顯示裝置的光線的角度， 以便當觀看者進行觀看時，使光線看上去是從位於平面顯示裝置前後幾個 cm處的物體發出的。這是因為由於實現了具有更高清晰度的二維顯示裝 置，因此即使是平面顯示裝置的光線被散布在幾種角度(稱為視差)，也可以 獲得清晰度高達一定程度的圖像。通過由此將IP方法應用於平面顯示裝置 而實現的三維(以下也稱為3D)顯示方法被稱為11(全景成像)方案。在II方案 中，從一個透鏡射出的光線數量對應於要素圖像組(element image group)的 數量。要素圖像組的數量通常稱為視差數量。在每個透鏡中，視差光線是 平行射出的。在II方案中，根據觀看者的位置和觀看者觀看時的角度，觀看者觀察 到不同圖像1個視差的圖像Y， 2個視差的圖像p，和3個視差的圖像a。因此，觀看者通過右眼與左眼之間的視差感知到一個立體實體。如果使用 雙凸透鏡作為所述光學板，則優點在於由於與狹縫相比，光的利用率較 高，因此顯示明亮。通常，液晶顯示裝置頻頻用作在立體圖像顯示設備中所使用的平面顯示裝置。關於液晶中光傳播的基本屬性，在例如由KatsumiYoShino編寫並 由CORONA PUBLISHING有限公司出版的"The foundation of liquid crystal and display application"中的第43-44頁中進行了描述。以下將簡要描述這些 基本屬性。在液晶中，每個分子都具有細長的形狀。在被稱為指向矢(director) 的分子縱向方向上，發生折射率的各向異性。例如，在向列型液晶中的很 多分子是細長分子。它們的長軸方向被對齊並定向。然而，分子的位置關 系是任意的。即使是分子的定向方向被對齊，絕對溫度也不是0度，從而 它們並非完美地平行並存在某種程度的波動。對一個局部區域進行觀察， 可以說分子在近似的一個方向上對齊。當假設一個在宏觀上足夠小但與液 晶分子尺寸相比又很巨大的區域時，在該區域中的分子的平均定向方向用 一個單位向量來表示，其被稱為指向矢或者定向向量。將指向矢變得與基 板幾乎平行的一個定向，稱為均勻定向。假設光入射到光學上單軸性液晶上從而具有與光軸形成角e的傳播方 向。在介質外側並具有各向同性的折射率no的部分中，光在與波陣面垂直的方向上傳播。而在該介質中，普通光線在波陣面法線方向上按照與在該 介質外部相同方式傳播。然而，對於異常光線而言，其在該介質中的能量傳播方向變為相對於光軸成^的方向。因此，在介質平面中，光在e—的方向上傳播，該方向是偏振方向。換而言之，在該介質中，在偏振方向上彼 此正交的普通光線和異常光線在不同方向上傳播。此外，液晶的最大特徵之一是光學各向異性。具體而言，由於分子排 列的自由度與諸如水晶之類的其他各向異性介質相比很高，因此在長軸與 短軸之間的折射率差異很大，而該折射率差異是雙折射的評價標準。如WO2003/015424A1中所述，存在一種二維圖像/三維圖像轉換型顯 示裝置，在該裝置中，通過為平面顯示裝置添加用於控制各向異性透鏡和 偏振方向的手段，使得透鏡的效果電氣地消失。將具有雙折射屬性的物質 放在透鏡中，並將各向同性的物質放在與其相對的位置中。結果，在具有折射率差異的方向上的光線被透鏡匯聚，而在沒有折射率差異的方向上的光線形成二維圖像。然而，在WO2003/015424A1中，沒有描述用於防止三 維圖像顯示相對於觀看者在透鏡脊線方向上進行觀察的角度而質量變差的 方法。在JP-A No.2000-503424(公開)中公開的了一種立體圖像顯示設備，其 包括具有由按矩陣形式排列的像素所形成的顯示表面的顯示裝置(例如， 矩陣型液晶顯示面板)；以及透鏡裝置，布置在該顯示裝置的輸出側，並具 有傳遞各種像素的輸出的透鏡元件陣列，形成至少一個立體視圖，並且使 所述立體視圖對於觀看者的各個眼睛可見。在這種立體圖像顯示設備中， 透鏡裝置包含具有電氣可變折射率的電光材料，並且通過選擇性地切換折 射率以去除透鏡元件的作用，來顯示高清晰度的二維圖像。然而，在JP-A No.2000-503424(公開)中，沒有描述用於防止三維圖像顯示相對於觀看者在 透鏡脊線方向上進行觀察的角度而質量變差的方法。在通過在立體圖像顯示設備中採用一維全景成像方案而得到的一種立 體圖像顯示設備中，僅僅在觀看者的橫向方向上控制三維圖像的光線，艮P， 將多個透鏡陣列的脊線放置在縱向方向上，並且僅在橫向視差方向上控制 光線。現在假設當立體圖像顯示設備比較大並且觀看角度範圍比較寬時， 觀看者以站立姿勢觀看立體圖像顯示設備，從而俯角根據人的高度而變化。 換而言之，假設平面圖像顯示裝置放置在桌子上，並且觀看者在一個俯角方向上觀察顯示屏幕。由於觀看者不僅從正面而且從傾斜的上方來觀看 立體圖像顯示設備，因此在用作立體圖像顯示設備的光學板的透鏡面與布 置在透鏡後面用來顯示要素圖像的平面顯示裝置之間的間隙(距離)，與從正 面觀看顯示面的情況相比變得更長。因此，所述間隙變得比透鏡的焦距大，並且串話增大，導致一個問題即，能夠觀看到適宜的三維圖像的觀察角 度減小了。另一方面，如果在立體圖像顯示設備中，使得透鏡與位於透鏡後面的 平面圖像顯示裝置之間的間隙近似地等於焦距，則當從觀看者側觀看該立 體圖像顯示設備時，獲得了一個相鄰要素圖像不混合的、適宜的立體圖像。發明內容本發明是針對這些情況而作出的，並且本發明的目的在於提供一種立 體圖像顯示設備，即使是透鏡與二維顯示裝置之間的光線軌跡變長，也能 夠防止立體顯示特性變差。根據本發明的一個方面的立體圖像顯示設備，包括平面顯示裝置， 其具有由按矩陣形式排列的多個像素所形成的顯示面；光學板，其包括多 個透鏡，所述多個透鏡布置在所述平面顯示裝置的顯示面的前面，並且具 有插入其中的單軸性雙折射性材料，所述光學板控制來自所述像素的光線； 以及偏振層板(sheet polarizer),位於所述平面顯示裝置與所述光學板之間， 用於調準(align)光線的偏振方向，其中，在所述雙折射性材料中，折射率的 最大主軸平行於所述透鏡的脊線，並且在與觀看者相對的方向上傾斜。


圖1是示出根據本發明的第一實施例的立體圖像顯示設備的斜視圖；圖2是根據第一實施例的立體圖像顯示設備的截面圖；圖3是示出雙折射率對入射角的依賴性的圖；圖4是示出雙折射率對在液晶分子上的入射角的依賴性的圖；圖5是示出雙折射性材料的折射率對俯角的依賴性的圖；圖6是示出水平方向上放置的立體圖像顯示設備中光線軌跡的圖；圖7是示出在90度俯角上水平方向中的觀看角度與透鏡和平面顯示裝置之間的間隙之間的關係的圖；圖8是示出由雙折射性材料形成的透鏡的焦距的延伸率以及由間隙的平均折射率造成的該間隙的延伸率對於俯角的依賴性的圖；圖9是示出由傾斜角造成的、由雙折射性材料形成的透鏡的焦距的延伸率以及間隙的延伸率對於俯角的依賴性的圖；圖10是焦距的延伸率和間隙的延伸率對於俯角的依賴性的圖；圖ii是示出在水平方向上的觀看角度與在俯角為e^時透鏡和平面顯示裝置之間的間隙之間的關係的圖；圖12是示出在俯角為90度時，在立體圖像顯示設備的水平方向上的 視域範圍的圖；圖13是當焦距增加到k倍時，在俯角為50度時，在立體圖像顯示設備的水平方向上的視域範圍的圖；圖14是示出根據本發明的第二實施例立體圖像顯示設備中的三維圖像 顯示的狀態的傾斜圖；圖15是示出根據本發明的第二實施例立體圖像顯示設備中的三維圖像 顯示的狀態的傾斜圖；以及圖16是示出根據本發明的第一實施例的另一不同立體圖像顯示設備的 傾斜圖。
具體實施方式
以下，將參考附圖描述本發明的實施例。 (第一實施例)在圖1中示出了根據本發明的第一實施例的立體圖像顯示設備。圖1 中示出了沿著切割面ABCD獲得的根據本實施例的立體圖像顯示設備的截 面。根據本實施例的立體圖像顯示設備包括平面顯示裝置1，其由例如水平 放置的液晶顯示器形成。在平面顯示裝置1上提供了阻滯膜15。在阻滯膜 15上提供了透明基板4。在基板4上放置單軸性雙折射性材料2。雙折射性 材料2的上面由透鏡陣列3覆蓋。換而言之，雙折射性材料2具有的以下 結構其被插入到基板4與透鏡陣列3之間。透鏡陣列3、雙折射性材料2 和基板4構成雙折射透鏡陣列(光學板)。如圖1所示，N是位於平凸透鏡內部的介質2的折射率，n是位於平凸 透鏡外側的介質3的折射率。平凸透鏡是雙凸面透鏡的一種特殊情況，其 是通過使內側透鏡的曲率半徑無限大而獲得的。平凸透鏡的焦距f用以下表 達式來表示，其中rl是平凸透鏡的曲率半徑。/ 。"在本實施例中，使透鏡陣列3的脊線方向與平面顯示裝置1的像素列 的方向不同，並傾斜某個角度。這是一種用於採取抵制波紋(moire)的措施 的方法。然而，如果使用不同的方法，例如傾斜地形成作為像素邊界的黑 矩陣，則透鏡陣列3的脊線方向可以與該像素方向相同。另夕卜，如圖1所示，透鏡在觀看者側的一面採用了凸起形狀。然而，在透鏡在觀察者側的 相對側的一面採用凸起形狀的情況下，焦距由表達式(l)表示。在兩種情況 下，都將焦距設定為近似地與透鏡彎曲表面中央部與顯示要素圖像的二維 顯示裝置之間的距離一致。對於平面顯示裝置1，廣泛而言存在兩種類型。 一種類型包括液晶顯示 器，例如反射型和透射型，而另一種包括除了液晶顯示器之外的有機EL顯 示器和等離子顯示器。液晶顯示器在其頂部面具有偏振層板，用以控制灰度級，並且偏振方向己經調準。因此，對於阻滯膜15，如果放置透明膜來 使偏振與在阻滯膜15的頂部面上放置的單軸性雙折射性材料2的最大主軸 方向相一致，則光的透射效率是很高的。作為一種通常已知的方法，可以 通過使A/2板的長軸方向與一個預定方向一致，來旋轉偏振方向。如果使用 除了 LCD之外的顯示器作為平面顯示裝置，則在該頂部面上沒有調準偏振 的東西，必須放置偏振層板作為阻滯膜15，並且將其偏振方向與在偏振層 板上放置的單軸性雙折射性材料2的最大主軸方向對齊(align)。放置偏振層 板通常導致較暗。因此，在除了LCD之外的顯示器的情況下，必須使得背 面顯示器的亮度更亮。如果在單軸性雙折射性材料(例如液晶)中長軸方向沒有對齊，則即使是 偏振方向與長軸方向對齊，折射率也不會變得恆定。假設這樣一種結構 其中，液晶夾在透鏡陣列3和基板4之間，因此，通過對與液晶接觸的兩 個相對面分別進行定向處理，能夠將液晶分子配置在恆定方向上。在本實施例中，平面顯示裝置1水平放置。然而，平面顯示裝置1可 以垂直豎立布置。在該情況下，根據本實施例的立體圖像顯示設備也垂直 豎立布置。作為本實施例的第一特徵，構成雙折射透鏡陣列2、 3和4的單軸性雙 折射性材料2的長軸方向(最大主軸方向)有時在與觀看者相對的方向上傾 斜。現在參考圖2描述其原因。已知的是根據用作液晶定向膜的膜類型， 可以控制由相對的基板與液晶的最大主軸的方向所形成的傾斜角e"見圖 2)。例如，如果使用由日產化工有限公司所生產的液晶定向膜材料 SUNEVER，則通過利用定向膜在組成的變化，可以在某種程度上控制該傾 斜角。根據在目錄中示出的設計值，型號SE410和SE130的傾斜角可以低到大約2度。在SE150和SE3310中，傾斜角在4到5度範圍內。在SE610 和SE3510中，傾斜角在7到8度範圍內。如果由此調整液晶定向膜的材料， 則在某種程度上將傾斜角控制在IO度以內。圖2是通過使用圖1所示的平面ABCD進行切割而獲得的橫截面視圖， 該平面ABCD是沿著透鏡的脊線方向形成的。如圖1所示，偏振方向(圖l 中所示的箭頭16的方向)與雙折射性材料2的最大主軸對齊。現在將要描述當在圖2中的俯角e一從0度改變為90度時，到雙折射 性材料2中液晶分子14的長軸方向的入射角如何改變。由於來自觀看者8 的入射光線從空氣中以俯角e^進入具有各向同性折射率n的透鏡陣列3， 因此在雙折射性材料2上的俯角變為en。根據Snell法則，獲得以下表達式。sin (90 - evert) x 1 = sin (90 - 9n) x ncos 9vert = cos 6n x n (2)顯然，在經過透鏡陣列3之後的俯角0n變得比從觀看者8觀看的俯角 0vert更大。9n = arccos (cos 9vert/n ) (3)來自具有各向同性折射率n的透鏡陣列3的光線以俯角^入射到具有 折射率nf的單軸性雙折射性材料2上。用9nf表示到具有折射率ef的單軸性 雙折射性材料2的入射角。光線進一步被折射率的差異所折射。sin (90 - 0n) x n = sin (90 - enf) x nfcos 9nf = cos 9n x n / rif根據表達式(2)，獲得以下表達式。cos 0nf = cos 0vert / rif (4)如果單軸性雙折射性材料2的長軸具有如圖2所示的傾斜角etilt，貝ij相 對於液晶分子14的最大長軸的實際入射的俯角e^變為如下0real = 6nf+6tilt (5)由於單軸性雙折射性材料2的折射率取決於到液晶分子14的入射角度ereal，因此在實施例中利用了折射率取決於俯角這一事實。更精確而言，用Ne表示在單軸性雙折射性材料2的長軸方向上的折射率，用N。表示在短軸 方向上的折射率，並且用e^表示由液晶分子14的長軸形成的角度，貝服 據由Katsumi YoShino編寫並由CORONA PUBLISHING有限公司出版的"The foundation of liquid crystal and display application"中的第43-44頁，雙折射性材料2的折射率N(e^)由以下表達式表示。由於單軸性雙折射性材料2的折射率為nf = N(^aL>，因此根據表達式 (4)、 (5)和(6)可以獲得以下表達式。cos 6nf = cos 9vert / nf =cos 9vert / N(f)reai) (7) 0nf = arccos {cos 0vert / N(9reai)}由於ereal大約為90度，因此可以假定N(ereal) = Ne。例如，在圖3中示出了通過基於在雙折射性材料的最大長軸中的折射 率]^= 1.587且短軸方向中的折射率>^。= 1.492的假設而找到表達式(6)中的N(e^)對於e^的依賴性，所得到的結果。如圖3所示，N(6^)在0real=9O度附近變為ne，並且n(e^)在ereal=o度附近變為n。。現在將描述當在圖2中所示的俯角9vert從0度變為90度時，在雙折射性材料2中的折射率是如何變化的。^t於與透鏡陣列外側邊界3接近平行地入射的光線，得出結論如果 液晶分子的入射角e^為0度且各向同性物質3的折射率n = 1.495，則根 據Sndl法則，0 = 42度。因此，雙折射性材料2能夠採用範圍僅在42<6。 <90之內的俯角。(a)當0仙=0度時根據表達式(4)、 (5)和(6)可以得到由觀看者8的俯角0vert所造成的透鏡陣列3的N(evert)。例如，在圖4中示出了，通過基於在雙折射性材料的最 大長軸中的折射率Ne = 1.587且短軸方向中的折射率N。 = 1.492的假設而找到表達式(6)中的N(eve》對於e^的依賴性，所得到的結果。從圖4中可以理解，取決於evert的單軸性雙折射性材料2的折射率僅僅降低到1.548，但是其不會降低到N, 1.492。現在將參考圖3描述折射率的變化率對入射角的依賴性。透鏡陣列外側的各向同性物質的折射率n設定為近似等於N。的值。formula see original document page 12 (8) formula see original document page 12(9)n(ereal = 70) = 1.575 (10) 將表達式(8)與表達式(9)進行比較，在80度到90度之間折射率的變化 率非常小，如由{n (0real = 90) - n (0real = 80)}/(Ne - N。)) = 0.02所表示的。然而， 將表達式(9)與表達式(10)進行比較，在70度到80度之間折射率的變化率變 A{n(erea! = 80) — n(erea! = 70)}/(Ne-N。))= 1,105。從以上描述中可以理解， 在80度到90之間的折射率的變化率與在70到80之間的折射率的變化率 相比足夠小。這時，將利用變化率較小的部分。 (2)當0韭=土8度時圖5示出了當液晶分子傾斜etilt時所獲得的折射率對於evert的依賴性。如果傾斜e出t是向著觀看者8—側傾斜8度，則從圖5中可看出，在折射率 變化率在2%以內的區域中，0頓在72到92度範圍內。如果傾斜0tm是向與 觀看者8相對的一側傾斜8度，則在折射率變化率在2%以內的區域中，evert 在88到108度範圍內。如果俯角變窄，則所述間隙(透鏡表面與要素圖像之間的距離)變長。這 時的目的是通過利用雙折射透鏡的折射率根據所述間隙的變化，來拉長焦 距。因此，試圖使所述間隙與焦距一致。焦距的取決於ev^的增大率變為圖5中所示的曲線的微分分量。顯然，當所述間隙的增大率小於焦距增大率時，將傾斜角向觀看者一側傾斜是優 選的，而當所述間隙的增大率大於焦距增大率時，將傾斜角向觀看者的相 對側傾斜是優選的。現在將描述通過使用幾個公式並代入具體值來對傾斜角傾斜的方向進 行優化的情況。對於傾斜角而言，傾斜角可以不傾斜任何角度。因為希望從垂直正面正常地觀察三維圖像，因此希望將傾斜角的上限設置在10度以內。現在將描述本實施例的第一實例。 (第一實例)現在假設採用範圍在上限值0u(例如90度)到下限值e,(例如50度)之間的俯角evert，觀察三維圖像顯示設備且沒有質量變壞。因此，假設滿足以下 關係。e^9vert〈eu (ii)將參考圖6繼續進行描述。由將觀看者8連接到立體圖像顯示設備中 央處的直線與顯示面所形成的角度表示為evert。用4表示下側透鏡面，用 15表示校正偏振方向的阻滯膜，用44表示液晶顯示裝置的玻璃基板，並且 用45表示顯示要素圖像的要素像素組，考慮到在各個長度之間的比率情況 下的雙折射性材料2與要素像素組45之間的平均折射率用n^表示，由透 明基板4、阻滯膜15和液晶顯示裝置的上側基板45所形成的基板中的光線與顯示面所形成的角度用e^s表示。在圖6中，透明基板4的折射率和間隙分別用ri4和g4表示，阻滯膜15 的折射率和間隙分別用n,5和g"表示，液晶顯示裝置的上側玻璃44的折射 率和間隙分別用1144和g44表示，在考慮了光路長度的情況下，以下表達式 對於平均值n^保持成立。niens x (g4 + gi5 + g44) = n4 x g4 + n15 xgl5 + n44 x g44根據圖6和Snell法則，獲得以下表達式。sin (90 - 0nf) x N(ereal) = sin (90 - elens) x nlenscos nlens = cos 9n x N(ereal) / nlens (12) 根據表達式(7)，獲得以下表達式。cos nlens = cos 0n x n / nlens = cos0vert / niens (13)顯然，在透鏡面上的e,ens變為比實際evw更大的角度。 根據表達式(13)，得到以下表達式。6lens = arccos (cos 9vert/ niens) (14) 用g表示在圖6中的二維顯示裝置1與雙折射性材料2之間的距離， 實際光學間隙g(e^)由以下表達式(15)表示g(0vert) = g / sin0lens= g / sin{arccos(; cos0vert/ nlens;)} (15) 圖7示出了在考慮到透鏡21的表面與要素圖像組45之間的各個光路 長度的情況下，在三維圖像顯示設備中的間隙g、觀察角度2e、視差數量m、 子像素間距Sp、和透鏡21的折射率(即平均折射率n,ens)之間的關係。獲得以下表達式。tan6=sp x m/(2g xniens)g = (sp x m) / (2nlens x tan 0) (16) 根據表達式(15)和(16)，得到以下表達式。formula see original document page 15(17)考慮到透鏡21中的雙折射性材料2的最大主軸在與觀看者8相對的方 向上傾斜etilt，得到了入射光線相對於在具有雙折射性材料2的透鏡中的最+ 士左出的*/fffi4^伯存oformula see original document page 15N(e^)是未知的量，並且難以在直觀上理解。在從正面的土45度俯角方 向中，如圖4所示，該變化很小，從而可以用Ne來替代N(e^)。9real = arccos {cos(evert / Ne)} + etilt (18)透鏡的焦距和曲率半徑由以下表達式(19)和(20)表示。顯然，透鏡的焦 距和曲率半徑彼此相關。formula see original document page 15)換而言之，如果r變小，則焦距f變短。如果r變大，則焦距f變長。 如果將透鏡的厚度d確定為一個合適的厚度，則也能夠確定焦距。當設計立體顯示設備時，透鏡與二維顯示裝置之間的距離g變為在確 定如圖ll所示的觀看角度ek時重要的一個值。將r、 n、 N和d的值確定為 使表達式(19)的值近似地與透鏡和二維顯示裝置之間的距離g相一致，以便 使透鏡的焦距與透鏡和二維顯示裝置之間的距離g相一致。假設表達式(19)中的f和N是ereal的變量，因此獲得以下表達式。formula see original document page 15在以下描述中，由表達式(i8)唯一地確定e^與e^之間的關係。當6^=卯度時，由此得到N(0real) = Ne。如果將透鏡的曲率r和厚度d確定為使得在立體圖像顯示設備正面(evert = 90度)，焦距與的透鏡陣列和要素圖像之間的距離g相一致，則在觀看者在近似正面觀看該立體圖像顯 示設備的位置上能夠獲得串話很小的適宜的三維圖像。以下，用幾個公式表示在正面的焦距f(90度)和透鏡與要素圖像之間的距離g(卯度)。7 、 " (iV(90deg-^) —")(27V(90deg—^y-(W(90deg—^,)-")力 g(卯degH (23)/(90deg) = g(90deg)換而言之，在對於觀看者在顯示器正面進行觀看的位置的設計中，確 定透鏡的曲率rl。如果此時傾斜角e仙為0度，則從表達式(23)中可以看出， 具有在液晶的指向矢方向上的偏振軸的光線經過在液晶中的具有折射率Ne的介質。然而，如果傾斜角e^傾斜了幾度，則光線在液晶的指向矢方向上 以傾斜角e他入射，從而具有在液晶的指向矢方向上的偏振軸的光線經過折射率小於Ne的介質。當確定透鏡的曲率r和透鏡的厚度時，在立體圖像顯 示設備的正面的折射率由基於表達式(6)的以下表達式給出。AA(90 -)=, g 。，，批2 sin2 (90 -《",)+ A^2 cos2 (90 - ,)根據表達式(21)和(22)可以確定透鏡曲率rl。這時，可以將透鏡外側的 折射率n確定為與NQ的值相同。單軸性物質的折射率確定為是N(ereal= 90 -9tiit)。最後，考慮到具有雙折射率的物質、外側透鏡陣列和內部基板的折射 率、包含在背面液晶顯示器中的玻璃基板和偏振層板的折射率、以及阻滯膜的折射率，來得到g(e^)和f(ereal)。對於透鏡的形狀，假設是圖16中所 示的雙凸面透鏡結構。如圖16所示，雙凸透鏡的厚度d是在雙凸透鏡的兩個凸面頂點之間的厚度。如圖16所示，焦距f是從兩個凸面頂點之間的中心位置到在平行光入射時光線的匯聚點的距離。如圖16所示，N是位於雙凸透鏡內部的介質 2的折射率，n是位於雙凸透鏡外部的介質的折射率，即，位於觀看者側的 透鏡側的介質3和位於二維顯示裝置側的透鏡側介質36的折射率。對於雙 凸透鏡，在位於內側和外側的兩個透鏡中具有曲率半徑。假設兩個曲率半 徑絕對值相同，將它們表示為r。雙凸透鏡的焦距f用以上所述的表達式(19) 和(20)表示。圖8示出了當傾斜角etilt為0度，即液晶分子沒有傾斜並且evert從0度變為9o度時，所獲得的焦距f(e^)的延伸率，使用當e一為9o度時所獲得的焦距進行歸一化。隨後，示出了當evert從0度變為90度時所獲得的在透鏡面與背面液晶顯示器的要素圖像之間的間隙g(evert)的延伸率。這時，使用1.2、 1.53(玻璃的折射率)和1.8作為透鏡陣列與要素圖像之間的間隙部分的 折射率的平均值。從圖8中可知，當間隙部分的折射率平均值為1.2時，焦距的延伸率和 間隙的延伸率彼此一致。然而，在一般的透明物體中，難以存在具有折射 率為1.2的材料。儘管例如可以通過某種比率的空氣和玻璃來構成該折射率 為1.2的材料，但是存在的問題是結構受到限制。隨後，試圖通過改變液晶顯示器的傾斜角etilt，來使焦距的延伸率和間隙的延伸率在一定範圍內彼此一致。這時，使用用作液晶顯示器基板的玻 璃基板折射率1.53，作為在間隙部分中的折射率平均值。從圖9中可知，在傾斜角e他為3度時，焦距的延伸率大於間隙的延伸率。當傾斜角e他在7到io度範圍內時，間隙的延伸率與焦距的延伸率一致。圖10示出了焦距的延伸率與間隙的延伸率的比率對於0vert的依賴性。如果希望在0vert在50到90度範圍內的情況下，使焦距和間隙彼此一致並且 焦距的延伸率與間隙的延伸率的比率在4%以內，則應該將傾斜角9他選擇為7度。如果希望在0vert在40到90度範圍內的情況下，使焦距和間隙彼此一致並且焦距的延伸率與間隙的延伸率的比率在5%以內，則應該將傾斜角9vert選擇為10度。如果為了進行比較而在圖8中使用各向同性透鏡，則焦距是恆定的， 並且間隙隨著e^變小而延長。因此，如果使間隙和透鏡在6^=90度時的正面彼此一致，則在evert=60度時延伸率相差5%，並且在0贈=50度時延伸 率相差10%。從圖10中可知，與使用各向同性透鏡情況下相比，透鏡焦距與在觀看 者所觀看的光路長度上從透鏡表面到要素圖像組的距離之間距離的一致 性，在使用單軸性雙折射性材料並且長軸方向在與觀看者相對的方向上傾 斜的情況下較高，即使是在垂直方向上的觀看角度從90度偏離的情況下也 是如此。如果如上所述的使用一般的雙折射性材料，則折射率在聚碳酸酯中變 為1.6，在液晶中變為1.5到1.7，並且An變為0.1到0.2。如果選擇玻璃作 為形成透鏡陣列與要素圖像之間間隙的物質，則折射率變為大約1.53。可 以理解的是，隨著在上述一般性非昂貴的立體顯示設備中面對立體圖像的 俯角變得更小，雙折射率造成的焦距延伸率變得比間隙的延伸率更大。因 此，為了擴大在透鏡脊線方向上的觀看角度，希望傾斜雙折射性材料的最 大主軸的傾斜角，以便如第一實施例中一樣朝向觀看者。(第二實例)現在將描述本發明的第二個實例。使用第一實例中的數位化公式可以 找到一般性條件。假設如圖16所示的雙凸透鏡。，、/"0 、 _ ",，啦,)sin(ar畫(cos^ /" J0.95 〈肌H,)〈 1.05 (25) 通過滿足以下表達式來獲得表達式(24)和(25)。 "一A^卿,)sin(arcc。s(c。s《^6>re。,= arccos(cos^/Ne)+通過將表達式(16)代入表達式(26)，獲得以下表達式。 '—")(2 W(《w > — (A^w —' 、；因此，應該將傾斜角etut選擇為使得相對於e一(e, 〈9ve^0u)滿足表達式(27)。(第三實例)將解釋本發明的第三個實例。使用第一實例中的數位化公式可以找到 一般性條件。假設如圖1所示的平凸透鏡。在圖1中，平凸透鏡的內部介質的折射率表示為N(e^)，外側介質的折射率表示為n，並且平凸透鏡的曲 率半徑表示為r,。T (28)通過使用表達式(28)和(17)，作為9^的函數的焦距f被重寫為0vert的函數。找到滿足表達式(25)的條件，如以下表達式所表示的。(，J-")？ 3 (29)《w = arccos(cosL/Ne) + (第四實例)將描述本實施例的第四實例。到此為止，己經描述了觀看角度在與透 鏡脊線方向平行的平面上的擴大。換而言之，目的是使間隙的延伸率與焦 距的延伸率彼此一致，以便擴大在立體圖像顯示設備的垂直方向上的觀看 角度。另一方面，由於焦距改變了，因此立體圖像顯示設備的水平方向上 的觀看角度也改變了。現在將要描述針對它們的對策。例如，從圖9中可知，當0vert從9O度變為5O度時，透鏡與要素圖像之 間的間隙的延長率變為1.1倍。將圖7與圖11進行比較，可以看到，隨著 透鏡表面與要素圖像組之間的間隙g變長，在水平方向上的觀看角度變小。從表達式(16)中可以得到當間隙g增加到如圖11中所示的k倍時所獲得的觀看角度ek。tan 0k / tan 0 = gk/g = k (30) 假設在表達式(30)中k為1.11。當觀看角度29為22度，g卩，6=11度，並且從55度的俯角方向觀看顯示器時，觀看角度20k的一半變為6k=10度。 假設k為l.ll。當觀看角度2e為30度，即，0=15度，並且從55度的俯角方向觀看顯示器時，觀看角度2ek的一半變為0k-13.7度。在這兩種情況下，觀看角度都變小。如果俯角與90度的evm相比變窄，則在透鏡面與要素圖像之間的間隙變為k倍，從而觀看角度變窄。由變窄的觀看範圍所導致的問題如圖13中的陰影部分所示，現在將要描述解決該問題的方法。在圖12中，對一個觀看範圍42加上陰影，在該 範圍中，能夠在從顯示器正面觀看時的eve^90度時，觀看到與透鏡的脊線方向垂直的平面中的立體顯示且無質量下降。另一方面，假設觀看角度e變窄，如圖13中9k所示。在與顯示器相距觀看距離L的一條直線和通過從顯示器中心畫垂線得到的直線的交點O處， 從觀看者向位於立體圖像顯示設備最左端處的透鏡中心繪製的光線軌跡中 的要素圖像的中心位置向左側偏移了所述間隔的延長量。在立體圖像顯示 設備中最右側的透鏡中，要素圖像中心向右側偏移。在圖13中對能夠觀看 到無質量降低的立體顯示的觀看範圍42加了陰影。由於在到目前為止所獲 得的觀看位置處在觀看範圍的兩端看到類似的圖像，因此觀看範圍看上去 好像變得更窄。對於該對策方法，必須延長同一要素圖像上的觀看距離。 如果不希望改變該觀看距離，則必須在將觀看角度設置為等於0k的狀態中 重新合成要素圖像。對於合成方法，存在一種用於校正要素圖像間距的方 法。以下，將描述要素圖像間距。如圖12所示，在與顯示器相距觀看距離 L的一條直線和通過從顯示器中心畫垂線得到的直線的交點O，畫兩條線到 一個任意透鏡的邊界。這兩條線與二維顯示裝置之間的交點間的距離P，變 得比通過用視差數量代替像素間距得到的m個視差略大。通過用視差數量代替比透鏡間距略寬的該距離所獲得結果，被稱為要 素圖像間距。如果通過以如圖13所示的更窄的俯角進行觀看而使得間隙變 寬為k倍，貝l傻素圖像間距Pk變為比圖12中所設定的要素圖像間距更寬。 通過將Pk校正到正確的寬度，能夠防止由觀看角度變窄導致的如圖13所示 的觀看範圍的減小，並且觀看範圍能夠在如圖12所示的觀看距離處變為最 大。現在將要描述要素圖像間距的最佳設計的一個實例。為了在不對表達 式(13)的範圍進行任何調整的情況下(即，不管俯角是9u還是e,)使觀看角度 最大化，應該平均地確定觀看角度。例如，現在將得到eu和e,各自的間隙。g(9vert) = g / sin{arccos(cos9vert / Ne)} (31)因此，得到g(6u)= g / sin{arccos(cos6u / Ne)} (32)g(9i) = g / sin{arccos(cos9i / Ne)} (33)k = g(Qu) / g(6i) = sin{arccos(cos0| / Ne)} / sin{arccos(cos9u / Ne)}根據表達式(30)，獲得以下表達式。ta逃=tan 9 x k=tan 0 x sin {arccos(cos6i / Ne)} / sin {arccos(cos0u / Ne)}如果試圖適應作為tan0k和tan6的中間值的emiddle，則得到以下表達式。tan6middle = tan 9k/2=tan 9 x (sin{arccos(cosQ| / Ne)} / (2sin{arccos(cos0u / Ne)}))應該在如上所述的tan emiddle時設定要素圖像間距。根據本實施例，通過如到此為止所述的，使用雙折射透鏡並將雙折射 的最大主軸方向向與觀看者相對的方向傾斜，使得透鏡的焦距可以根據由 俯角所導致的、在透鏡與平面顯示裝置之間的距離的變化而改變。即使是 透鏡與平面顯示裝置之間的距離變的更大並且與透鏡焦距不匹配，也可以 防止能看到適宜的三維圖像的觀看角度變小。(第二實施例)現在將要描述本發明的第二實施例。雙折射透鏡具有一個特徵艮P， 最大主軸的折射率(異常光線成分)與在垂直於主軸的平面中的折射率(普通 光線成分)不同。如用於三維顯示模式的圖14中和用於二維顯示模式的圖 15中所示，如果使用用於將經過平面顯示裝置1中阻滯膜15的光線的偏振 方向改變為最大主軸方向或者與最大主軸垂直的最小主軸方向11的裝置35 來控制偏振方向，可以將分離的光線劃分為普通光線成分和異常光線成分。 換而言之，如果具有與液晶分子的長軸方向10平行的偏振平面的光線入射， 則呈現異常光線成分的折射率Ne，從而光在邊界平面上發生折射並且入射。 另一方面，如果具有在垂直於液晶的長軸10的平面中的偏振平面的光線入 射時，則呈現普通光線成分的折射率N。，從而光在邊界平面上不發生折射 並筆直前進。其結果是，可以通過使用液晶透鏡來實現二維圖像/三維圖像 轉換。在本實施例中，同樣，通過採用與第一實施例相同的方式使用雙折射透鏡並將雙折射的最大主軸方向向與觀看者相對的方向傾斜，使得透鏡的 焦距可以根據由俯角所導致的、在透鏡與平面顯示裝置之間的距離的變化 而改變。即使是透鏡與平面顯示裝置之間的距離變的較大並且與透鏡焦距 不匹配，也可以防止能看到適宜的三維圖像的觀看角度變小。在第一和第二實施例中；將液晶顯示器作為背面顯示器的一個實例。然而，在諸如有機EL顯示器、FED或SED的平面顯示器中，通過將偏振 層板插入到雙折射透鏡與要素圖像之間的某處，同樣可以獲得類似效果。根據本發明的實施例，通過如上所述地使用雙折射透鏡並將雙折射的 最大主軸方向向與觀看者相對的方向傾斜，使得透鏡的焦距可以根據由俯 角所導致的、在透鏡與平面顯示裝置之間的距離的變化而改變。其結果是， 能夠擴大能看到適宜的三維圖像的觀看角度。根據本實施例，即使是在立體顯示設備中垂直方向上的俯角(換而言之， 在透鏡陣列的脊線方向上觀看立體顯示設備的角度)變窄，也可以防止立體 顯示質量下降。換而言之，即使是透鏡與二維顯示裝置之間的光線軌跡變 長，也能夠根據透鏡與二維顯示裝置之間的光線軌跡的延伸率來調節透鏡 焦距的延伸率。
權利要求
1、一種立體圖像顯示設備，包括平面顯示裝置，其具有由按矩陣形式排列的多個像素所形成的顯示面；光學板，其包括多個透鏡，所述多個透鏡布置在所述平面顯示裝置的顯示面的前面，並且具有插入其中的單軸性雙折射性材料，所述光學板控制來自所述像素的光線；以及偏振層板，位於所述平面顯示裝置與所述光學板之間，用於調準光線的偏振方向，其中，在所述雙折射性材料中，折射率的最大主軸平行於所述透鏡的脊線，並且在與觀看者相對的方向上傾斜。
2、 如權利要求l所述的設備，其中，在所述偏振層板中，使所述偏振 方向與所述雙折射性材料的折射率的最大主軸一致。
3、 如權利要求l所述的設備，還包括一裝置，其改變所述偏振方向， 以便在所述偏振方向與所述最大主軸匹配時顯示三維圖像，並且在所述偏 振方向與和所述最大主軸垂直的方向匹配時顯示二維圖像。
4、 如權利要求l所述的設備，其中，在所述多個透鏡的每一個中，透 鏡面在相反方向上具有相反的凸起形狀，2e表示觀看角度，Sp表示在水平 方向上的子像素間距，m表示在所述水平方向上的視差數量，m^表示位於 與所述雙凸透鏡頂點之間長度的一半相對應的位置到所述平面顯示裝置之 間的介質的折射率的平均值，r表示所述透鏡的兩個面的曲率半徑，d表示 在所述透鏡的頂點之間的透鏡厚度，Ne表示在所述透鏡內部形成的所述雙 折射性材料的最大主軸方向上的折射率，N。(〈Ne)表示在與所述最大主軸方 向垂直的短軸方向上的折射率，n表示在所述透鏡的透鏡面外側形成的各向同性物質的折射率，e^表示相對於所述透鏡脊線方向的觀看者的俯角，etilt 表示所述最大主軸方向向與所述觀看者相對的方向傾斜的角度，並且ereal 表示由經過所述雙折射性材料的光線與所述最大主軸方向所形成的角度，並且e^用以下表達式表示0reai = arc cos(cos 0vert / Ne) + 0tnt並且如果在所述光線已經通過了所述雙折射性材料時所獲得的折射率用以下表達式表示，formula see original document page 3所述角度etiu滿足以下條件formula see original document page 3
5、 如權利要求4所述的設備，其中，所述雙折射性材料的分子的最大主軸方向向與所述觀看者相對的方向傾斜的角度e^在7到IO度的範圍內。
6、 如權利要求4所述的設備，其中，在所述偏振層板中，使所述光線 的偏振方向與所述雙折射性材料的折射率的最大主軸一致。
7、 如權利要求4所述的設備，還包括一裝置，其改變所述偏振方向， 以便在所述偏振方向與所述最大主軸匹配時顯示三維圖像，並且在所述偏 振方向與和所述最大主軸垂直的方向匹配時顯示二維圖像。
8、 如權利要求1所述的顯示設備，其中，在所述多個透鏡的每一個中， 其中一個透鏡面在所述觀看者一側上具有凸起形狀或者在與所述觀看者相 對的一側上具有凸起形狀，29表示觀看角度，Sp表示在水平方向上的子像 素間距，m表示在所述水平方向上的視差數量，n^表示位於與所述透鏡的 兩端相接觸的平面到所述平面顯示裝置之間的介質的折射率的平均值，n 表示所述透鏡的曲率半徑，d表示透鏡厚度，Ne表示從每個透鏡的表面到 與每個透鏡的兩端相接觸的平面之間的範圍內在所述透鏡內部形成的所述 雙折射性材料的最大主軸方向上的折射率，N。( 〈Ne)表示在與所述最大主軸 方向垂直的短軸方向上的折射率，n表示在與所述透鏡的透鏡面相接觸的各向同性物質的折射率，0vert表示相對於所述透鏡的脊線方向的觀看者的俯角，eti,t表示所述最大主軸方向向與所述觀看者相對的方向傾斜的角度，並 且ereal表示由經過所述雙折射性材料的光線與所述最大主軸方向所形成的 角度，並且e^用以下表達式表示0reai = arc COS(COS 0vert / Ne) + 0tiU並且如果在所述光線己經通過了所述雙折射性材料時所獲得的折射率用以下表達式表示，formula see original document page 4則，所述角度6t"t滿足以下條件formula see original document page 4
9、 如權利要求8所述的設備，其中，所述雙折射性材料的分子的最大 主軸方向向與所述觀看者相對的方向傾斜的角度eti,t在7到10度的範圍內。
10、 如權利要求8所述的設備，其中，在所述偏振層板中，使所述偏 振方向與所述雙折射性材料的折射率的最大主軸一致。
11、 如權利要求8所述的設備，還包括一裝置，其改變所述偏振方向， 以便在所述偏振方向與所述最大主軸匹配時顯示三維圖像，並且在所述偏 振方向與和所述最大主軸垂直的方向匹配時顯示二維圖像。
全文摘要
可以提供一種立體顯示設備，其即使是在透鏡與二維顯示裝置之間的光線軌跡變長的情況下，也能防止立體圖像顯示特性質量降低。一種立體圖像顯示設備，包括平面顯示裝置，其具有由按矩陣形式排列的多個像素所形成的顯示面；光學板，其包括多個透鏡，所述多個透鏡布置在所述平面顯示裝置的顯示面的前面，並且所述多個透鏡具有插入其中的單軸性雙折射性材料，所述光學板控制來自所述像素的光線；以及偏振層板，位於所述平面顯示裝置與所述光學板之間，用於調整光線的偏振方向。在所述雙折射性材料中，折射率的最大主軸平行於所述透鏡的脊線，並且在與觀看者相對的方向上傾斜。
文檔編號G02B27/22GK101271200SQ20081008710
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月19日 優先權日2007年3月20日
發明者平山雄三, 高木亞矢子 申請人:株式會社東芝