空间图像显示装置的制作方法

专利名称：空间图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及显示空间物体的三维视频的空间图像显示装置。
背景技术：
通过使用对人体生理机能的认识，实现了三维视频的生成。换言之，观测者基于对分别进入其左右眼的图像位差(双眼视差)的认识和对会聚角的认识，对利用睫状体和睫状小带调节眼睛晶状体的焦距时所产生的生理机能(焦距调节机能)的认识，以及对图像运动时所看见的(多个)图像变化(运动视差)的认识，在大脑对其综合处理的过程中，感觉到三维物体。如同利用上述生理机能认识中的“双眼视差”和“会聚角，，生成三维视频的方法，例如，存在通过使用具有不同色彩的左右透镜的眼镜向左右眼提供不同图像(视差图像)的方法，和通过使用具有液晶快门眼镜的护目镜以极高的速度切换液晶快门眼镜来向左右眼提供视差图像的方法。还存在使用双面凸透镜(lenticular lens)将显示在二维显示装置上的分别用于左右眼的图像分配给左右眼来表示三维图像的方法。此外，与上述使用双面凸透镜的方法类似，还存在通过使用设置在液晶显示器表面上的面罩以允许右眼观看用于右眼的图像，以及左眼观看用于左眼的图像来表示三维图像的发展方法。但是，对于观测者来说，上述使用特殊眼镜和护目镜来获取视差图像的方法是非常麻烦的。另一方面，例如，就使用双面凸透镜的方法而言，必须将单个二维图像显示装置的区域划分为用于右眼的区域和用于左眼的区域。因此，上述方法具有不适合显示具有高清晰度的图像的问题。鉴于以上问题，近年来，基于光束再生法(例如，参见非专利文献1)对空间图像显示装置进行了研究。光束再生法的目的是通过从显示器射出的大量光束来表示空间图像， 从理论上来讲，是向观测者甚至是裸眼观测者提供精确的运动视差信息和焦距信息，使得所获得的空间图像具备相对较低的视觉疲劳。现有技术文献非专利文献非专利文献 1 :Yasuhiro TAKAGI, "Three-dimensional Images and Flat-panel Type Three-dimensional Display (三维图像和平板型三维显示器)”，Optical Society of Japan, Volume No. 35，Issue No. 8，2006，p.400 to 40
发明内容
但是，甚至对于上述光束再生法而言，实际上，为了在远离显示器的显示表面的位置处(在垂直于显示器的方向上)获取可感觉的空间图像，在所获得的空间图像中，其立体感和清晰度随到显示器的显示表面的距离的增加而降低。这很有可能是因为显示在显示器的显示表面上的二维显示图像随由多个限定尺寸的像素构成的各个发散光一起到达了观测者的眼睛。下面，通过参考图12及图13具体描述上述现象。图13㈧和图14㈧分别示出了观测者基于光束再现方法感觉到空间图像的理想状态的概念图。在图13(A)中，例示了在预定位置处形成构造某一空间图像的任意点图像 Zl的情况。为了形成点图像Z1，可以从显示器DP上的多个像素(这里通常表示为3个像素PXl至PX3)射出光束Ll至L3，以使其经过放置点图像Zl的位置。这样射出的光束Ll 至L3在经过观测者的瞳孔P之后，到达视网膜R。此时，观测者的眼睛自动调节设置在眼睛里的焦距可变透镜(透镜体)的焦距，使得光束Ll至L3在经过瞳孔P之后，汇聚到视网膜 R上的一点。被调节的焦距在与放置空间图像的位置处所配置的实际物体的情况一致。因此，观测者可以感觉到好似放置在要放置空间图像的位置处的空间图像(点图像Zl)。在此情况下，当像素PXl至PX3分别是没有发散的点光源时，例如，如图14(A)所示，经过投影透镜LN的光束Ll至L3各自形成厚度没有发生改变的平行光Lp。投影透镜LN放置在距光束 Ll至L3的点光源LSl焦距FL的位置处。但是实际上，从像素PXl至PX3分别射出的光束Ll至L3各自形成发散光。这是因为像素PXl至PX3是一组如上所述限定其发散的光源，即点光源。具体而言，如图14(B) 所示，经过投影透镜LN(放置在距在有限区域中延伸的点光源LS2焦距FL的位置处)的光束Ll至L3，形成其厚度逐渐增加的发散光Ld。一般而言，发散光Ld的发散度随有限区域中的光源面积而变化，当其面积减小时，其更接近平行光通量，并且当其面积增大时，出射光束的发散度增大。同样，在此情况下，尽管取决于各个像素PXl至PX3所控制的面积，例如，如图13(B)所示，但是观测者可以将点图像Zl本身看作是在有限区域中变得模糊的图像。因此，所获得的由多个点图像Zl构造的空间图像的清晰度也不高。或者由于形成发散光的光束Ll至L3的结果，如图13(C)所示，为了搜索到更清晰的点图像，观测者可以看见显示器DP上的像素PXl至PX3本身。如果是这种情况，那么很容易在显示器DP上只感觉到3个不同的点图像。这样，当来自显示屏上的像素的光束形成发散光时，存在空间图像变得模糊或者未能感觉到空间图像的问题。当在距显示器的显示表面一段距离的位置处观察空间图像时，上述问题变得尤为明显。这样，需要一种允许观测者更深度地观察空间图像的技术。鉴于上述问题进行了本发明，其目的是提供一种能够形成具有较好真实感和具有较高清晰度的空间图像的空间图像显示装置。根据本发明的实施例的空间图像显示装置包括二维图像生成装置，其包括多个像素，并且生成与视频信号相对应的二维显示图像；第一透镜阵列，其包括与各个像素对应设置的多个第一透镜，该第一透镜允许经过各个像素的光汇聚；以及第二透镜阵列，其将经过第一透镜阵列的汇聚光转变为平行光或者汇聚光，并且允许被转变的光经过其中。在此， 术语“第一透镜” “与各个像素对应设置”并不限于向一个像素设置一个第一透镜的情况， 它还包括向一个像素设置多个第一透镜设置的情况的概念。在根据本发明的实施例的空间图像显示装置中，经过二维图像生成装置中的各个像素的光被第一透镜阵列汇聚，并且接着被引至第二透镜阵列。因此，由于进入第二透镜阵列的光表现为从光源射出的光，所以被第一透镜阵列汇聚的光很容易被第二透镜阵列转变为平行光或者汇聚光，并且接着经过其中。因此，观测者的眼睛感觉到由该平行光或者该汇聚光形成的空间图像。对于根据本发明的实施例的空间图像显示装置，允许经过二维图像生成装置中的各个像素的光不是在发散的状态下到达观测者的眼睛，而是作为平行光或者汇聚光到达观测者的眼睛。因此，观测者可以感觉到具有较好真实感(深度感)和具有较高清晰度的三维视频。


[图1]示出了本发明第一实施例的空间图像显示装置的示例性构造的概要视图。[图2]示出了图1所示的第一透镜阵列1的构造的立体图，并且示出了显示部2 中的像素22的布置的平面图。[图3]示出了图1所示的第二透镜阵列3的构造的立体图。[图4]分别示出了图1所示的偏转部4中的液体光学元件41的构造的立体图。[图5]用于解释观测图1所示的空间图像显示装置中的三维视频的操作的概念图。[图6]示出了第一修改示例中的液体光学元件41的构造的立体图。[图7]示出了第二修改示例中的第一透镜阵列IA的立体构造的概念图，以及其透过光的传播状态。[图8]示出了第三修改示例中的空间图像显示装置IOB在水平面内的示例性构造的概要视图。[图9]示出了图8所示的扩散板的立体构造的概念视图，以及其透过光的传播状态。[图10]示出了第四修改示例中的第一透镜阵列IB的立体构造的概念图，以及其透过光的传播状态。[图11]示出了本发明第二实施例中的空间图像显示装置的示例性构造的概要视图。[图12]示出了图11所示的的空间图像显示装置中的透镜单元的示例性构造的概要图。[图13]分别用于解释光源与经过透镜的光的发散度之间的关系的概念图。[图14]分别用于解释来自显示器的光束的类型与观测者所感觉到的图像之间的关系的概念图。
具体实施例方式下面，通过参考附图来具体描述本发明的实施例。注意，以下面的次序进行描述。1.第一实施例(二维图像生成装置放置在第一透镜阵列与第二透镜阵列之间的示例)2.第二实施例(二维图像生成装置放置在与第一透镜阵列相比更接近光源侧的示例)(第一实施例)首先，通过参考图1至图4，描述本发明第一实施例的空间图像显示装置10(以下， 被称作空间图像显示装置10A，便于与下述的修改示例和第二示例进行区分)。图1示出了空间图像显示装置IOA在平面内的示例性构造。图2(A)示出了图1所示的第一透镜阵列1 的立体构造，且图2 (B)示出了像素22在图1所示的显示部2的XY平面上的布置。图3示出了图1所示的第二透镜阵列3的立体构造。图4示出了图1所示的偏转部4(下述)的具体构造。(空间图像显示装置的构造)如图1所示，空间图像显示装置IOA从光源(未示出)的侧开始，依次设有第一透镜阵列1、包括多个像素22 (下述)的显示部2、第二透镜阵列3和偏转部4。第一透镜阵列1具有多个沿与光轴(Z轴)正交的平面(XY平面)以矩阵形式排列的微透镜11 (11a、lib和11c)(图2(A))。微透镜11分别用以汇聚来自光源的背光BL， 并且用以朝向任一对应的像素22射出背光BL。微透镜11分别具有球形透镜表面，并且显示了经过包括光轴的水平面OCZ平面)的光的焦距与经过包括光轴且与该水平面正交的平面αζ平面)的光的焦距之间的匹配。微透镜11全部要求具有相同的焦距fll。至于背光 BL，可以使用发散光如萤火灯，但是由于使用准直透镜上述发散光进行准直的结果，例如， 由于在第二透镜阵列3中更容易执行平行光或者汇聚光的转变，因此期望以上所使用的发散光为平行光。注意，下面将具体描述第二透镜阵列3的构造和功能。当允许发散光如背光BL进入第一透镜阵列1时，由于光源与第一透镜阵列1之间具有较大的空间，所以即将进入第一透镜阵列的背光BL的平行度增加。相反地，由于光源与第一透镜阵列1之间具有较小的空间，所以进入第一透镜阵列1的背光BL的平行度降低。进入第一透镜阵列1的背光BL的平行度同样反映了从第二透镜阵列3射出的光的平行度。因此，可以依据应用(即， 依据用来显示的空间图像的虚拟位置与显示部之间的距离)来调节从第二透镜阵列3射出的光的平行度。显示部2用以生成与视频信号相对应的二维显示图像，具体而言，它是通过照射背光BL来射出显示图像光的彩色液晶装置。显示部2具有这样的构造，从第一透镜阵列1 的侧开始，玻璃衬底21、多个像素22 (每个像素22包括像素电极和液晶层)以及玻璃衬底 23依次叠压。玻璃衬底21和玻璃衬底23都是透明的，并且这两者的任一者设有色彩滤波器，该色彩滤波器包括红(R)、绿(G)和蓝(B)的色彩层。这样，像素22被划分为显示红色的像素22R、显示绿色的像素22G和显示蓝色的像素22B。在上述显示部2中，如图2 (B)所示，例如，在X轴方向上，依次重复排列像素22R、像素22G以及像素22B，但是在Y轴方向上， 完成相同颜色的像素22对齐的排列。在本说明书中，为了便于说明，将沿X轴方向对齐的像素22称作行，并且将沿Y轴方向对齐的像素22称作列。各像素22以矩形形状沿XY平面上的Y轴方向延伸，并且被设置为与微透镜组12 对应(图2(A))，微透镜组12的每一者包括沿Y轴方向对齐的一组微透镜Ila至11c。换言之，第一透镜阵列1与第二透镜阵列3具有这样的位置关系经过微透镜组12的微透镜Ila 至Ilc的光汇聚到各个像素22的有效区域中的圆点SPl至SP3 (图2 (A)与图2 (B))。例如， 在光经过微透镜组1 的微透镜Ila至Ilc之后，汇聚到像素22 的圆点SPl至SP3。类似地，来自微透镜12n+1的光汇聚到像素22Rn+1，并且来自微透镜12n+2的光汇聚到像素22Rn+2。 注意，可以将一个像素22配置为与一个微透镜11对应，或者可以将一个像素22配置为与两个或者四个或者更多的微透镜11对应。第二透镜阵列3用以将经过第一透镜阵列1和显示部2而被转变的光转变为水平面内的平行光或者汇聚光，并且射出该平行光或者汇聚光。具体而言，第二透镜阵列3是所谓的双面凸透镜，例如，如图3所示，并且具有这样的构造多个圆柱形透镜31沿X轴方向对齐，其中各个圆柱形透镜31具有包围沿Y轴的轴的圆柱表面。因此，圆柱形透镜31提供了作用在包括光轴(Z轴)的水平面上的屈光力(refractive power) 0在图1中，向沿X轴方向对齐的9列像素22的每一者提供一个圆柱形透镜31，但是数目并不限于此。此外，圆柱形透镜31可以具有包围与Y轴成预定倾斜角θ (Θ <45° )的轴的圆柱形表面。圆柱形透镜31全部要求具有相等的焦距f31。此外，第一透镜阵列1与第二透镜阵列2之间的距离fl3等于其焦距的总和，即微透镜11的焦距fll和圆柱形透镜31的焦距f31的总和 fll+f3l|，或者大于其总和。当距离f 13等于fll+f31时，如果背光BL是平行光，则从圆柱形透镜31射出的光也成为平行光。另一方面，当距离fl3大于|fll+f3l|时，如果背光BL是平行光，则从圆柱形透镜31射出的光变成了汇聚光。偏转部4具有多个液体光学元件41，从而使从第二透镜阵列3射出的光在水平面 OCZ平面)内向每一个像素22或者向一组像素22偏转。图4(A)至图4(C)示出了液体光学元件41的具体立体构造。如图4(A)所示，液体光学元件41具有这样的构造透明且具有不同折射率和界面张力的非极性液体42和极性液体43配置在光轴(Z轴)上，以被夹置在一对由铜或者其它材料制成的电极44A和44B 之间。这对电极44A和44B经由绝缘的密封部47分别粘附并固定到透明的底板45和顶板 46。电极44A和44B经由被连接到其外表面的端子44AT和44BT分别与外部电源(未示出)连接。顶板46由透明导电材料如氧化铟锡(ΙΤ0 =Indium Tin Oxide)和氧化锌(SiO) 制成，并且充当接地电极。电极44A和44B分别被连接到控制部(未示出)，并且各电极可以被设置为具有预定的电位。注意，不同于电极44A和44B的侧表面OCZ平面)被未示出的玻璃板或者其它材料覆盖，并且非极性液体42和极性液体43在完全密封的空间里处于被封装的状态。非极性液体42和极性液体43没有溶解，在封闭的空间里仍然彼此分离，并且形成界面41S。期望电极44A和44B的内表面(相互对立的表面)44AS和44BS被疏水性绝缘膜覆盖。该疏水性绝缘膜由对极性液体43表现出疏水性(排斥性)(更严格地来讲，在没有电场的情况下对非极性液体42表现出亲和性)且具有良好电绝缘性的材料制成。具体而言，例示了含氟高聚物如聚偏二氟乙烯(PVdF)和聚四氟乙烯(PTFE)。注意，为了进一步提高电极44A与电极44B之间的电绝缘，可以在电极44A和电极44B与上述疏水性绝缘膜之间设置由旋涂式玻璃(spin-on glass，S0G)或者其它材料制成的任何其它绝缘膜。非极性液体42是几乎没有极性的液体材料，并且表现出电绝缘性，例如，除了诸如癸烷、十二烷、十六烷或者十一烷之类的碳氢化合物材料之外，适合使用硅油或者其它材料。当电极44A与电极44B之间没有施加电压时，期望非极性液体42具有足够的容积来完全覆盖底板45的表面。另一方面，极性液体43是具有极性的液体材料，例如，除了水之外，适合使用其中溶解有电解质如氯化钾和氯化钠的水溶液。当向上述极性液体43施加电压时，与非极性液体42相比，其相对于疏水性绝缘膜的可湿性(极性液体43与疏水性绝缘膜之间的接触角) 发生了很大改变。极性液体43与作为接地电极的顶板46接触。被一对电极44A和44B、底板45以及顶板46封装并封入的非极性液体42和极性液体43由于没有共同的混合物而彼此分离，并且形成界面41S。注意，调节非极性液体42 和极性液体43，使其相对于彼此具有几乎相等的比重，并且按照封装的次序来确定非极性液体42与极性液体43之间的位置关系。因为非极性液体42和极性液体43是透明的，所以透过界面41S的光根据其入射角度以及非极性液体42和极性液体43的折射率而发生偏转。对于液体光学元件41，在电极44A与44B之间没有施加电压的状态下(在电极44A 和44B的电位均为0的状态下)，如图4(A)所示，界面41S是从极性液体43的侧朝向非极性液体42的凸曲面。可以通过选择覆盖内表面44AS和44BS的疏水性绝缘膜的材料类型来调节非极性液体42对于内表面44AS的接触角42 θ A和非极性液体42对于内表面44BS 的接触角42 θ B。在此，当非极性液体42具有大于极性液体43的折射率时，液体光学元件 41提供负的屈光力。另一方面，当非极性液体42具有小于极性液体43的折射率时，液体光学元件41提供正的屈光力。例如，当非极性液体42是碳氢化合物或者硅油时，并且当极性液体43是水或者电解质水溶液时，液体光学元件41提供负的屈光力。界面41S在Y轴方向上具有恒定的曲率，并且该曲率在此状态(电极44Α与44Β之间没有时间电压的状态) 下变得最大。当在电极44Α与44Β之间施加电压时，例如，如图4(B)所示，界面41S的曲率减小， 并且当施加预定值或者更高的电压时，得到了平面。也就是说，接触角42 θ A和42 θ B均变成直角(90° )。下面来设想上述现象。也就是说，通过施加电压，电荷聚集到内表面44AS 和44BS (或者聚集到覆盖内表面的疏水性绝缘膜的表面)，并且在电荷的库仑力的作用下， 具有极性的极性液体43朝向内表面44AS和44BS(或者朝向疏水性绝缘膜)移动。因此，增加了极性液体43与内表面44AS和44BS (或者与疏水性绝缘膜)的接触面积，而另一方面， 非极性液体42被极性液体43从其与内表面44AS和44BS (或者与疏水性绝缘膜)接触的部分排除而发生移动(变形)。因此，界面41Β更像平面。注意，图4(B)示出了电极44Α的电位(假设为Va)与电极44Β的电位(假设为Vb)彼此相等的情况。当电位Va与电位Vb 彼此不同时，例如，如图4(C)所示，得到了相对于X轴和Z轴(相对于与Y轴平行的表面) 倾斜02ΘΑ兴42ΘΒ)的平面。注意，图4(C)示出了电位Vb大于电位Va(接触角42 θ B 大于接触角42 θ Α)的情况。在此情况下，例如，进入液体光学元件41的入射光Φ在平行穿过电极44Α和44Β之后，在界面41S的TL平面内被折射，接着发生偏转。同样，通过调节电位Va和电位Vb的大小，能够使入射光Φ在)(Ζ平面内的预定方向上发生偏转。(空间图像显示装置的操作)接着，通过参考图5来描述空间图像显示装置IOA的操作。一般而言，为了观测某一物体上的物点，观测者观测从物点(作为点光源)射出的球面波，将其视作存在于三维空间中固有位置处的“点”。通常意义上，在自然界中，从物体射出的波面同时传播，并且以特定的波面形状不断并连续到达观测者。但是，除了目前情况下的全息技术之外，难以在空间各点处同时并连续再现光波的波面。但是，即使存在某一虚拟物体并从各虚拟点射出光波，并且即使每一个光波到达观测者的时间有点儿不准确，或者即使光波不是连续到达，而是作为断断续续的光信号到达，人眼也能因其积分作用而在没有不自然感觉的情况下观测到虚拟物体。对于本实施例中的空间图像显示装置10Α，可以通过利用人眼的积分作用，以较高的速度按照时序依次在空间各点处形成波面，形成比先前更为自然的三维图像。通过空间图像显示装置10Α，能够显示空间图像如下。图5是从上方观察观测者I和II通过使用空间图像显示装置IOA将虚拟物体IMG视作三维视频的状态的情况的概念图。下面，描述其操作原理。作为示例，如下在虚拟物体IMG上形成任意虚拟物点(例如，虚拟物点B)的视频光波。首先，在显示部2上分别显示与左右眼相对应的两种图像。此时，背光BL(这里未示出)从光源照射向第一透镜阵列1，并且透过多个微透镜11的光汇聚到各对应的像素22。 例如，如图2 (A)所示，经过微透镜组1 的微透镜Ila至Ilc的光汇聚到像素22的圆点SPl 至SP3。在到达各个像素22之后，光在作为显示图像光发散的同时，被引向第二透镜阵列 3。当来自各个像素22的显示图像光经过第二透镜阵列3时，被转变为平行光或者汇聚光。 当然，因为不可能同时显示两张图像，所以一个接一个地显示上述图像，最终分别将其依次送入左右眼。例如，在显示部2的点CLl (用于左眼)处和点CRl (用于右眼)处均显示与虚拟物点C相对应的图像。此时，汇聚光从其对应的微透镜11射向显示部2的点CLl (用于左眼)处和点CRl (用于右眼)处的像素22。从显示部2射出的显示图像光依次透过第二透镜阵列3和位于水平方向上的偏转部4，接着到达观测者II的左眼IIL和右眼IIR的每一者。类似地，在显示部2的点BLl (用于左眼)处和点BRl (用于右眼)处均显示用于观测者I的虚拟物点C的图像，并且在其依次透过第二透镜阵列3和位于水平方向上的偏转部4之后，接着到达观测者I的左眼IL和右眼顶的每一者。因为在人眼的积分效果的时间常数的范围之内以较高的速度执行了上述操作，所以观测者I和II能够在没有注意到图像依次被送入的情况下感觉到虚拟物点C。将从第二透镜阵列3射出的显示图像光引至偏转部4，作为水平面内的水平光或者汇聚光。在到达偏转部4的点CL2和点CR2之后，光波在水平面内的预定方向上发生偏转，接着分别照向观测者II的左眼IIL和右眼IIR。在此，例如，以偏转角指向观测者II 的左眼IIL时显示图像光的波面到达点CL2的方式，并且以偏转角的角度指向观测者II的右眼IIR时显示图像光的波面到达点CR2的方式，显示部2通过偏转部4送出与偏转角同步的图像光。由于从偏转部4射出的显示图像光的波面到达了观测者II的左眼IIL和右眼IIR，所以观测者II能够将虚拟物体IMG上的虚拟物点C视作三维空间里的一点。至于虚拟物点B，同样地，从显示部2的点BLl和点BRl射出的图像光在经过第二透镜阵列3之后，分别到达偏转部4中的点BL2和点BR2。在到达点BL2和点BR2之后，光波在水平面内的预定方向上发生偏转，接着分别射向观测者II的左眼IIL和右眼IIR。注意，图5示出了在显示部2的点BLl和点BR2处，向观测者I显示虚拟物点C的图像的状态，以及向观测者 II显示物点B的图像的状态。但是，并不是同时显示，而是在不同的定时处显示上述图像。同样，在空间图像显示装置IOA中，背光BL—旦被第一透镜阵列1的各个微透镜 11汇聚在各个对应的像素22的有效区域内的圆点处，随之便是来自显示部2的显示图像光朝向第二透镜阵列3发散。因此，进入第二透镜阵列3的显示图像光相当于从点光源射出的光。来自显示部2的显示图像光通过第二透镜阵列3转变为水平面内的平行光或者汇聚光。因此，允许显示图像光不以在水平面内发散的状态，而作为平行光或者汇聚光到达观测者的眼睛。因此，观测者能够感觉到具有较好真实感(深度感)且具有较高清晰度的三维视频(空间图像)。特别当使用第二透镜阵列3来转变水平面内的平行光时，观测者对于空间图像显示装置IOA的相对位置并不确定，从而允许多个观测者同时观察具有较高清晰度的三维视频(空间图像)。此外，因为在偏转部4中使用了液体光学元件41，所以与使用偏转板如玻璃板的情况相比，其可实现紧凑的构造。(修改示例1)接着描述本实施例的第一修改示例(修改示例1)。在本实施例中，第二透镜阵列 3由双面凸透镜构成，并且只在水平面内使显示图像光准直。另一方面，在本修改示例中， 第二透镜阵列3由多个具有各向同性的屈光力的球形透镜的配置构成。此外，偏转部4由图6所示的液体光学元件41A构成。液体光学元件41A的构造类似于液体光学元件41的构造，除了额外设置了沿Y轴相对的一对电极48A和48B。上述电极48A和48B由例如铜制成，并且经由密封部49，分别与底板45、顶板46以及电极44A和44B绝缘。电极48A和 48B经由被连接到其外表面的端子48AT和48BT分别与外部电源(未示出)连接。在液体光学元件4IA中，除了电极44A与44B之间的电压之外，还在电极48A和48B之间施加了电压，使得界面41S也相对于Y轴倾斜。通过，通过调节电极48A和电极48B的电位大小，也能够使入射光Φ在H平面的预定方向上(也是竖直方向上)发生偏转。在此情况下，即使连接观测者眼睛的虚拟线偏离了水平方向(倾斜)(即使观测者处于躺倒的姿势)，由于预定的图像到达了双眼，所以也可以进行三维观察。(修改示例2)接着，通过参考图7，描述上述第一实施例的第二修改示例(修改示例幻。在本修改示例中，第一透镜阵列IA被设置为第一透镜阵列1的替代物。图7示出了透过第一透镜阵列IA的光的传播状态(光在与光轴正交的表面上的传播的变化)和第一透镜阵列IA的立体构造。如图7所示，第一透镜阵列IA中的微透镜IlA具有不同于焦点位置CP2的焦点位置CP1，其中焦点位置CPl位于包括光轴的第一平面OCZ平面)内，焦点位置CP2位于包括光轴的第二平面(XY平面)内。也就是说，微透镜IlA具有椭球形透镜表面，并且透过微透镜IlA的光在TL平面上的焦点位置CPl处聚焦，并且在XY平面上的焦点位置CP2处聚焦。 在此情况下，例如，使光在焦点位置CPl处或者在焦点位置CP2处经过像素22。注意，只要来自微透镜11的光的外缘落在各个像素22的有效区域内，像素22的位置并不受特殊限制，在本修改示例的情况下，因为微透镜IlA使显示图像光在竖直方向上发生偏转， 所以即使观测者站在有点儿远离屏幕上-下方向(竖直方向)的位置处，也能够观看到空间图像。在这里注意，对于上述第一实施例的构造，因为第二透镜阵列3是双面凸透镜，所以能够在竖直方向上得到由微透镜11限定的偏转角。但是，可能存在这样的情况，即由微透镜11限定的偏转角较小，以及允许观测者观察空间图像的空间图像显示装置IOA与观测者之间的相对位置的可允许范围(可观测范围)可能不够充分。鉴于这种情况，如在本修改示例中，通过使用具有椭球形透镜表面的微透镜11Α，可以在某种程度上加宽竖直方向上的可观测范围。(修改示例3)接着，通过参考图8及图9，描述本实施例第三修改示例(修改示例幻的空间图像显示装置10Β。图8示出了空间图像显示装置IOB在水平方向上的示例性构造的视图。空间图像显示装置IOB在偏转部4的投影侧额外设有扩散板5，图9示出了透过扩散板5的光的传播状态(光在与光轴正交的表面上的传播的变化)以及图8所示的扩散板5的立体构造。扩散板5使来自偏转部4的光仅沿竖直方向(Y轴方向)扩散。来自偏转部4的光并不沿X轴方向扩散。例如，可以将透镜扩散板(Luminit (USA)，LLC;型号 LSD40X0.2或者其它)用作上述扩散板5。可替换地，例如，可以将其中排列有多个圆柱形透镜的双面凸透镜用作图3所示的第二透镜阵列3。注意，在此情况下，各圆柱形透镜具有包围沿X轴的轴的圆柱形表面，并且沿Y轴对齐。此外，圆柱形透镜的圆柱形表面具有尽可能大的曲率，并且可以在Y轴方向上增加每隔单位长度的双面凸透镜的数目。在此注意，扩散板5配置在第二透镜阵列3的投影侧上，但是也可以配置在第一透镜阵列1与第二透镜阵列3之间。在本修改示例中，扩散板5被用来在竖直方向上扩散显示图像光。因此，与修改示例2类似，即使观测者站得有点儿远离屏幕上-下方向(竖直方向)，也能够观察到空间图像。与修改示例2相比，可以在更大程度上增加此情况下的竖直方向上的可观测范围。(修改示例4)接着，通过参考图10，描述本实施例第四修改示例(修改示例4)的第一透镜阵列 1B。图10示出了透过第一透镜阵列IB的光的传播状态(光在与光轴正交的表面上的传播的变化)以及第一透镜阵列IB的立体构造.如图10所示，第一透镜阵列IB具有沿X轴方向使多个圆柱形透镜12对齐的构造， 其中多个圆柱形透镜12的每一者具有包围沿竖直方向(Y轴方向)的轴的圆柱形表面。圆柱形透镜12仅仅用以汇聚水平面OCZ平面)内的背光BL。也就是说，透过圆柱形透镜12 的光在τι平面上的焦点位置CPI处聚焦。在此情况下，例如，使光经过焦点位置CPI处的像素22。注意，只要来自圆柱形透镜12的光的外缘(透过区域)落在各个像素22的有效区域内，像素22的位置就不会受到特殊限制。同样在本修改示例中，可以实现与上述第一实施例中类似的效果。注意，同样在此情况下，当额外设置上述修改示例3中的扩散板5时，可以实现与修改示例3中类似的效果。此外，可以更简单的方式来制造本修改示例中的第一透镜阵列1Β，并且与包括微透镜 11和IlA的第一透镜阵列1和IA相比，其具有更高的精度。也就是说，因为在各个圆柱形透镜12中，)(Ζ平面的截面形状是一致的，所以当制造模具时，可以沿Y轴方向执行切割，以形成沿Y轴方向延伸的沟槽。另一方面，为了制造沿X轴方向和沿Y轴方向均对齐的微透镜阵列11和IlA的模具，需要通过使用NC车床或者其它来一个接一个地制造透镜表面。因此，不仅工序繁杂，而且容易引起微透镜11和IlA的相对位置的误差。(第二实施例)接着，通过参考图11及图12，描述本发明的第二实施例的空间图像显示装置10C。 图11是示出了空间图像显示装置IOC的整体构造的概要图。图12是被图11所示的虚线所包围的区域的一部分的放大视图。空间图像显示装置IOC是所谓的背投影机显示器，并且在基座60内部，设有投影光学单元61、反射镜62和透镜单元63。在此空间图像显示装置IOC中，用以生成二维显示图像的显示部(未示出)设置在投影光学单元61内部，并且从显示部射出的显示图像光经由反射镜62到达透镜单元63。图12示出了透镜单元63在水平面内的示例性构造。如图 12所示，透镜单元63具有菲涅耳透镜(Fresnel lens) 7、第一透镜阵列1、第二透镜阵列3 和偏转部4从投影光学单元61的侧依次排列的构造。菲涅耳透镜7用以将经由反射镜62而从透镜光学单元61入射的显示图像光转变为平行光。在此，第一透镜阵列1、第二透镜阵列3和偏转部4与上述第一实施例中的类似，因此在此忽略了对它们的描述。来自投影光学单元61的显示图像光以红(R)、绿(G)及蓝(B)的各色光并未合成且分离的状态出射，并且各色光以其分离的状态入射在与各个像素22R、像素22G和像素22B相对应的微透镜11 上。从各个微透镜11射出的显示图像光经发散之后入射在第二透镜阵列3上，接着被第二透镜阵列3转变为平行光或者发散光之后，被引导至偏转部4。已经到达偏转部4的显示图像光沿适当的方向发生偏转，并且到达观测者。同样，在显示部并未配置在第一透镜阵列1与第二透镜阵列3之间，而是配置在第一透镜阵列1的入射侧上的情况下，可以实现与上述第一实施例中类似的效果。注意，在本实施例中，在第一透镜阵列1与第二透镜阵列3之间的成像点附近，可以设置沿竖直方向扩散光的扩散板(各向同性扩散板)，或者沿竖直方向或水平方向扩散光的扩散板(各向异性扩散板)。如果是这种情况，可以加宽竖直方向上的可观测范围。并且即使观测者站在有点儿偏离上-下方向(垂直方向)的位置处。也能够感觉到空间图像。 此外，同样在本实施例中，能够分别应用上面第一实施例中所述的第一至第四修改示例，并且能够实现与其类似的效果。同样，尽管通过例示数个实施例和修改示例描述了本发明，但是本发明并不限于上述实施例和其它示例，并且可以作出各种修改。在上述的实施例和其它示例中，例如，描述了液晶装置用作显示装置的情况，但是并不限于此。例如，可以在一个阵列中配置诸如有机EL元件、等离子体发光元件、场致发光(FED)元件、发光二极管(LED)之类的自发光元件，以用作显示装置。当使用上述自发光显示装置时，没有必要单独设置用作背光的光源， 从而能够实现更加简化的构造。此外，上面实施例及其它示例中所述的液晶装置是充当透过性光阀的液晶装置，但是可替换地，可以将诸如GLV(Grating Light Valve，光栅光阀)或者DMD(Digital Multi Mirror，数字多镜装置)之类的反射型光阀用作显示装置。此外，在上述第一实施例的修改示例1中，偏转部4在执行显示图像光沿水平方向偏转的同时，执行了其沿竖直方向的偏转。可替换地，可以通过任何其它装置单独执行水平方向上的偏转和竖直方向上的偏转。
权利要求
1.一种空间图像显示装置，其包括二维图像生成装置，其包括多个像素，并且生成与视频信号相对应的二维显示图像；第一透镜阵列，其包括多个与各个像素对应设置的第一透镜，所述第一透镜允许经过各个像素的光汇聚；以及第二透镜阵列，其将已经经过所述第一透镜阵列的汇聚光转变为平行光或者汇聚光， 并且允许被转变的光经过所述第二透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，其中所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间的距离大于等于所述第一透镜的焦距与所述第二透镜的焦距的总和。
3.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，还包括光准直装置，用以将进入所述第一透镜阵列的光转变为平行光。
4.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，其中所述二维图像生成装置是液晶面板，所述液晶面板放置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间的光轴上。
5.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，其中所述二维图像生成装置放置在所述第一透镜阵列的入射光侧的光轴上。
6.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，其中所述第一透镜的第一平面上的焦点位置不同于所述第一透镜的第二平面上的焦点位置，所述第一平面包括光轴，并且所述第二平面包括所述光轴，并与所述第一平面正交。
7.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，其中所述第二透镜阵列由多个圆柱形透镜构造，所述圆柱形透镜各自具有包围沿与光轴正交的第一方向的轴的圆柱形表面，并且并列排列在与所述光轴和所述第一方向均正交的第二方向上。
8.根据权利要求7所述的空间图像显示装置，还包括各向异性扩散板，所述各向异性扩散板配置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间，或者配置在所述第二透镜阵列的光投影侧上，所述各向异性扩散板允许入射光沿所述第一方向分散。
9.根据权利要求7所述的空间图像显示装置，其中所述第一透镜阵列由多个圆柱形透镜构造，所述圆柱形透镜各自具有包围沿所述第一方向的轴的圆柱形表面，并且并列排列在所述第二方向上。
10.根据权利要求5所述的空间图像显示装置，还包括各向同性扩散板，所述各向同性扩散板配置在经过所述第一透镜阵列的光汇聚的位置处，所述各向同性扩散板允许已经经过所述第一透镜阵列的光以各向同性的方式沿与所述光轴正交的平面分散。
11.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，还包括多个液体光学元件，所述液体光学元件各自向所述像素的每一者或者向一组像素配置，以使从所述第二透镜阵列射出的光沿水平方向偏转，其中所述液体光学元件的每一者包括一对电极、极性液体和非极性液体，所述极性液体和所述非极性液体具有彼此不同的折射率，并且以沿所述光轴方向彼此分离的状态被封装在所述一对电极之间。
12.根据权利要求11所述的空间图像显示装置，其中所述极性液体与接地电极接触， 所述接地电极被配置为远离所述一对电极。
13.根据权利要求11所述的空间图像显示装置，其中所述一对电极的相对表面被绝缘膜覆盖，所述绝缘膜在没有电场的情况下，各自具有对所述非极性液体的亲和性。
全文摘要
本发明公开了一种空间图像显示装置，其能够形成具有良好真实感的高清晰度空间图像。该空间图像显示装置(10A)设有显示部(2)，其具有多个像素(22)，并且适合生成与视频信号相对应的二维显示图像；第一透镜阵列(1)，其包括与各个像素(22)对应设置并使经过像素(22)的光束聚焦的多个第一透镜(11)；以及第二透镜阵列(3)，其将经过第一透镜阵列(1)的聚焦光转变为平行光束或者汇聚光束，并且输出所得到的光束。经过显示部(2)的各个像素(22)的光束被第一透镜阵列(1)聚焦，并且射向第二透镜阵列(3)。因此，从各个像素(22)进入第二透镜阵列(3)的光束表现为从光源射出的光束，并且该光束通过第二透镜阵列(3)容易转变为平行光束或者汇聚光束。
文档编号G02B26/06GK102282500SQ201080004767
公开日2011年12月14日 申请日期2010年1月15日 优先权日2009年1月22日
发明者山田正裕, 青木直 申请人:索尼公司