透镜阵列元件和图像显示装置的制作方法

专利名称：透镜阵列元件和图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及透镜阵列元件和图像显示装置，具体涉及电控产生用于实现三维显示 的透镜效果的透镜阵列元件，和使用该透镜阵列元件的图像显示装置。
背景技术：
实现立体视觉的方法在过去已经被人们所熟知，这样的方法通过显示引起观察者 两眼之间的视差的视差图像而产生立体视觉，包括观察者为实现立体视觉需要使用专用眼 镜的方法和观察者不需要使用眼镜的方法。例如，对于电影院中的放映机或者电视图像接收机，使用需要眼镜的方法。对于电 视图像接收机和诸如移动电话、智能电话或者上网本计算机的便携式电子装置的显示器， 期望使用不需要专用眼镜的方法。实现不需要专用眼镜的方法的具体方法可包括在诸如液晶显示器的二维显示装 置的画面上装配用于三维显示的光学器件，该光学器件将来自二维显示装置的显示图像光 偏转至多个视角方向。众所周知，用于三维显示的光学器件包括具有多个平行排列的柱面透镜的透镜阵 列。例如，在双眼立体视觉的情况下，向观察者的双眼示出不同的视差图像，因此观察者感 觉到立体视觉的效果。为了实现这一点，将在垂直方向上延伸的多个柱面透镜平行地设置 在相对于二维显示装置的显示表面的水平方向上，从而将来自二维显示装置的显示图像光 在水平方向上偏转，因此水平的视差图像正好到达观察者的双眼。除了柱面透镜之外，利用已知的液晶透镜的可变透镜阵列元件(在下文中，将其 称为液晶透镜阵列元件)也是公知的(例如，参见日本未审专利申请公开第2008-9370 号)。液晶透镜阵列元件可在存在和不存在与柱面透镜类似的透镜效果之间进行电切 换。因此，能够在两个显示模式(无透镜效果状态的二维显示模式和透镜效果状态的三维 显示模式)之间切换的液晶透镜阵列元件被设置在二维显示装置的画面上。

发明内容
如上所述，期望将使用液晶透镜阵列元件的三维显示器用于诸如智能电话的便携 式电子装置。在这种情况下，需要满足下列要求。也就是，电子装置的显示器包括显示状态可在纵向状态(画面的长宽比在垂直方 向上大)和横向状态(画面的长宽比在水平方向上大)之间切换，并且可在这两种状态下 使用的显示器。因此，要求无论显示状态如何都能实现三维显示。此外，除了整个画面可整体转换为二维或三维显示模式外，还可在画面上同时提 供二维显示模式区域和三维显示模式区域是较为便利的。通常，与二维显示相比，三维显示在分辨率上较低。因此，很可能要求具有高分辨 率的图像部分处于二维显示模式，而其他部分处于三维显示模式。此外，很可能用于显示影像(包括不需要处于三维显示中的部分)的区域局部地处于二维显示模式中。例如，可能 的是，当具有字幕的电影以三维模式进行显示时，字幕部分为二维显示模式。期望无论画面的方向(无论显示器是在纵向状态还是横向状态中使用)如何都能 够进行三维显示，并且同时在画面上提供二维显示模式区域和三维显示模式区域。作为本发明实施方式的第一方面的透镜阵列元件包括彼此相对并具有间隙的第 一和第二基板；在第一基板的面向第二基板的一侧形成的第一电极组，第一电极组包括多 个在第一方向上延伸并在宽带方向上以一定间隙平行设置的多个电极；连接在向第一电极 组施加电压的第一电压发生器与第一电极组的电极之间的第一开关组；在第二基板的面向 第一基板的一侧形成的第二电极组，第二电极组包括多个在与第一方向不同的第二方向上 延伸并在宽带方向上以一定间隙平行设置的多个电极；连接在向第二电极组施加电压的第 二电压发生器与第二电极组的电极之间的第二开关组；以及设置在第一基板和第二基板之 间的液晶层，液晶层包括具有折射率各向异性的液晶分子，并通过改变液晶分子的取向方 向来产生透镜效果，该改变基于施加于第一电极组的电压和施加于第二电极组的电压；其 中，切换第一和/或第二开关组，从而以平行于第一或第二方向的任意线作为边界，改变液 晶层的透镜效果。可以设计为，对第一和/或第二开关组进行切换，从而根据施加于第一电极组的 电压状态和施加于第二电极组的电压状态，以平行于第一或第二方向的任意线作为边界， 将液晶层电性变为无透镜效果状态、第一透镜状态(引起类似于在第一方向上延伸的柱面 透镜的第一透镜效果)以及第二透镜状态(引起类似于在第二方向上延伸的柱面透镜的第 二透镜效果)之一。可以设计为，液晶层在构成第一电极组的多个电极和构成第二电极组的多个电极 具有相同的电势时，处于无透镜效果状态，在将公共电压施加于构成第一电极组的全部电 极并且将驱动电压仅选择性地施加于构成第二电极组的电极中的、与第二柱面透镜的透镜 节距相应的位置处的电极时，处于第二透镜状态，在将公共电压施加于构成第二电极组的 全部电极并且将驱动电压仅选择性地施加于构成第一电极组的电极中的、与第一柱面透镜 的透镜节距相应的位置处的电极时，处于第一透镜状态。可以设计为，第一电极组被构成为具有多个第一电极(每个第一电极具有第一宽 度并在第一方向上延伸)和多个第二电极(每个第二电极具有大于第一宽度的第二宽度并 在第一方向上延伸)，其中第一电极和第二电极平行地交替设置，而第二电极组被构成为具 有多个第一电极(每个第一电极具有第一宽度并在第二方向上延伸)和多个第二电极(每 个第二电极具有大于第一宽度的第二宽度并在第二方向上延伸)，其中第一电极和第二电 极平行地交替设置。可以设计为，液晶层在构成第一电极组的多个电极和构成第二电极组的多个电极 具有相同的电势时处于无透镜状态，在将公共电压施加于构成第一电极组的所有电极并且 将驱动电压仅选择性地施加于构成第二电极组的电极中的第一电极时处于第二透镜状态， 而在将公共电压施加于构成第二电极组的所有电极并将驱动电压仅选择性地施加于构成 第一电极组的电极中的第一电极时处于第一透镜状态。可以设计为，液晶层在将驱动电压仅选择性地施加于构成第二电极组的电极中的 第一电极并且第二电极接地时处于第二透镜状态，在将驱动电压仅选择性地施加于构成第一电极组的电极中的第一电极并且第二电极接地时处于第一透镜状态。可以设计为，液晶层在将公共电压施加于构成第一电极组的所有电极并且将驱动 电压仅选择性地施加于构成第二电极组的电极中的第一电极时处于第二透镜状态，在将公 共电压施加于构成第二电极组的所有电极并且将驱动电压仅选择性地施加于构成第一电 极组的电极中的第一电极时处于第一透镜状态，其中第一驱动电压和第二驱动电压是振幅 电压相同但相位彼此相差180°的矩形波。可以设计为，第一电极组所包括的第一电极以与第一柱面透镜的透镜节距相应的 间隙来设置，而第二电极组所包括的第一电极以与第二柱面透镜的透镜节距相应的间隙来设置。可以设计为，第一方向和第二方向相互垂直，并且液晶层电变换为第一方向上的 透镜效果状态或第二方向上的透镜效果状态。可以设计为，第二方向与第一方向以(90° -Θ)相交，并且液晶层电变换为第一 方向上的透镜效果状态或第二方向上的透镜效果状态。可以设计为，θ满足tan—e =1/3。在作为本发明第一方面的实施方式的透镜阵列元件中，对第一和/或第二开关组 进行切换，从而以平行于第一或第二方向的任意线作为边界，改变液晶层的透镜效果。作为本发明第二方面的实施方式的图像显示装置，包括显示部，执行图像显示； 透镜阵列元件，与显示部的显示表面侧相对，用于选择性地改变来自显示部的光束通过状 态；检测单元，检测显示部的将使用的方向，检测单元与透镜阵列元件相对；设置单元，设 置显示边界；开关控制单元，控制开关；其中透镜阵列元件包括，以一定间隙彼此相对设置 的第一和第二基板，在第一基板的面向第二基板的一侧形成的第一电极组(第一电极组包 括在第一方向上延伸并在宽度方向上以一定间隙平行设置的多个电极)，连接在向第一电 极组施加电压的第一电压产生器与第一电极组的电极之间的第一开关组，在第二基板的面 向第一基板的一侧形成的第二电极组(第二电极组包括在不同于第一方向的第二方向上 延伸并在宽度方向上以一定间隙平行设置的多个电极)，连接在向第二电极组施加电压的 第二电压产生器与第二电极组的电极之间的第二开关组，以及设置在第一基板和第二基板 之间的液晶层，液晶层包括具有折射率各向异性的液晶分子，并通过改变液晶分子的取向 方向来产生透镜效果，该改变基于施加于第一电极组的电压和施加于第二电极组的电压， 并且开关控制单元根据所检测出的显示面板将使用的方向和所设置的显示边界中的至少 一个来切换第一和/或第二开关组，从而以平行于第一或第二方向的任选线作为边界，改 变液晶层的透镜效果。可以设计为，对第一和/或第二切换组进行切换，从而根据施加于第一电极组的 电压状态和施加于第二电极组的电压状态，以显示边界作为边界，将液晶层电性改变为无 透镜效果状态、第一透镜状态(引起类似于在第一方向上延伸的柱面透镜的第一透镜效 果)和第二透镜状态(引起类似于在第二方向上延伸的柱面透镜的第二透镜效果)中的一 个状态。在透镜阵列元件中，通过在无透镜效果状态与第一或第二透镜状态之间切换，可 在二维显示和三维显示之间进行电切换。可以设计为，当透镜阵列元件处于无透镜效果状态时，来自显示面板的显示图像光没有偏转地传输以用于二维显示，而当透镜阵列元件处于第一透镜状态时，来自显示面 板的显示图像光在垂直于第一方向的方向上偏转以用于在两只眼睛转向垂直于第一方向 的方向时产生立体视觉效果的三维显示，，并且当透镜阵列元件处于第二透镜状态时，来自 显示面板的显示图像光在垂直于第二方向的方向上偏转，以用于在两只眼睛转向垂直于第 二方向的方向时产生立体视觉效果的三维显示。在作为本发明第二方面的实施方式的图像显示装置中，开关控制单元根据检测出 的显示面板将使用的方向和所设置的显示边界中的至少一个来切换第一和/或第二开关 组，从而以平行于第一或第二方向的任选线作为边界，改变液晶层的透镜效果。根据本发明第一方面的实施方式，可获得这样的透镜效果，S卩，能够进行三维显示 而与画面方向无关，并能够在画面上同时提供二维显示模式区域和三维显示模式区域。根据本发明第二方面的实施方式，能够进行三维显示而与画面方向无关，并能够 在画面上同时提供二维显示模式区域和三维显示模式区域。通过下面的描述，本发明的其他的和进一步的目标、特点和优势将会更加充分地展现。


图IA至图IC是使用本发明实施方式的智能电话的外形图。图2是示出液晶透镜阵列元件的构造实例的截面图。图3是示出液晶透镜阵列元件的第一和第二电极组的透视图。图4是示出液晶透镜阵列元件的第一和第二电极组的透视图。图5是示出控制液晶透镜阵列元件的配置实例的框图。图6A和图6B是示出与显示器使用条件对应的开关的切换控制状态的示图。图7A和图7B是示出与显示器另一个使用条件对应的开关的切换控制状态的示 图。图8A和图8B是示出与显示器再一个使用条件对应的开关的切换控制状态的示 图。图9A和图9B是示出与显示器又一个使用条件对应的开关的切换控制状态的示 图。图IOA和图IOB是示出与显示器又一个使用条件对应的开关的切换控制状态的示图。图IlA和图IlB是示出与显示器又一个使用条件对应的开关的切换控制状态的示 图。图12A和图12B是示出与显示器又一个使用条件对应的开关的切换控制状态的示 图。图13A和图1 是示出与显示器又一个使用条件对应的开关的切换控制状态的示 图。图14A和图14B是示出与显示器又一个使用条件对应的开关的切换控制状态的示 图。图15A和图15B是示出与显示器又一个使用条件对应的开关的切换控制状态的示图。图16是整体示出与显示器使用条件对应的开关的切换控制状态的表。图17A至图17C是示出由X线发生器和Y线发生器产生的电压波形的示图。图18是示出显示面板实例的示图。图19A和图19B是示出与第一至第三实施例对应的第一电极组的角度和第二电极 组的角度的示图。图20A和图20B是示出与第四至第六实施例对应的第一电极组的角度和第二电极 组的角度的示图。图21是示出第一至第六实施例中的参数值的表。图22是示出三维显示的评价方法的示图。图23是示出第一至第六实施例的评价表。图24A和图24B是示出液晶透镜阵列元件的另一构造例的示图。
具体实施例方式在下文中，将参照附图详细描述执行本发明的最佳模式(在下文中，将其称为实 施方式)。1.实施方式智能电话的构造实例图1示出了作为本发明实施方式的智能电话的外观。智能电话1具有在垂直和水 平方向上长度不同的显示器2。显示器2配置有作为二维显示装置的显示面板20和设置在 显示面板20的画面上的液晶透镜阵列元件10 ( 二者都在图2中示出)。智能电话1使用直立的主体，也就是，使用如图IA所示的处于纵向状态的显示器 2。此外，智能电话1可使用倾斜90度的主体，也就是，处于如图IC所示的横向状态。自然， 显示器2上所显示内容的角度被调整到使得显示器2的这种倾斜抵消的方向。因此，而管 主体是否倾斜，智能电话1的用户(观察者)都可自然地观看所显示的信息。如图IB所示，可在显示器2被置于纵向状态时使用智能电话1，并且显示器的上部 2-1区域处于二维显示模式，其下部2-2区域处于三维显示模式。从而，例如，日历或钟表可 二维地显示在显示器2的上部区域2-1中，而照片等可同时三维地显示在下部区域2-2中。 上部区域2-1和下部区域2-2之间的边界可设置在合适的位置。可在上部区域2-1处于三 维显示模式并且下部区域2-2处于二维显示模式时使用智能电话1。此外，如图IC所示，可在显示器2被置于横向状态时使用智能电话1，其中显示器 的右侧区域2-3处于二维显示模式，而左侧区域2-4处于三维显示模式。从而，例如，任意 文字信息二维地显示在显示器2的右侧区域2-3中，而游戏等的画面可同时三维地显示在 左侧区域2-4中。右侧区域2-3和左侧区域2-4之间的边界可设置在合适的位置。可在右 侧区域2-3处于三维显示模式并且左侧区域2-4处于二维显示模式时使用智能电话1。液晶透镜阵列元件10的构造例图2示出了显示器2包括的液晶透镜阵列元件10的截面图。如图2所示，将液晶透镜阵列元件10设置在显示面板20的显示表面20A上。液晶透镜阵列元件10根据显示模式控制透镜效果，从而选择性地改变来自显示面板20的光束的通过状态。显示面板20可配置液晶显示器、有机EL等。显示面板20基 于二维图像数据在二维显示模式的区域中执行视频显示，并基于三维图像数据在三维显示 模式的区域中执行视频显示。例如，三维图像数据包括对应于三维显示中多个观察角方向 的多个视差图像，该三维图像数据是在双眼三维显示情况下用于右眼显示和左眼显示的视 差图像数据。液晶透镜阵列元件10具有以间隙d彼此相对设置的第一基板14和第二基板17， 液晶层11设置在两个基板之间。第一基板14和第二基板17是包括诸如玻璃或树脂材料的透明基板。在第一基板 14面向第二基板17的侧面上形成第一电极组16，电极组16包括在第一方向(图2的X轴 方向)上延伸并在宽度方向(图2的Y轴方向)上以一定间隙平行设置的多个透明电极。 此外，在第一基板14上介由第一电极组16形成取向膜15。同样，在第二基板17面向第一基板14的侧面上形成第二电极组17，该第二电极 组包括在不同于第一方向的第二方向(图2的Y轴方向)上延伸并在宽度方向(图2的X 轴方向)上以一定间隙平行设置的多个透明电极。此外，在第二基板17上介由第二电极组 19形成取向膜18。通过液晶分子13的取向方向(根据施加于第一电极组16的电压和施加于第二电 极组19的电压而改变)来控制包括液晶分子13的液晶层11的透镜效果。此外，根据施加 于第一电极组16的电压状态和施加于第二电极组19的电压状态，液晶透镜阵列元件10可 通过液晶层11电切换至各个区域的三个状态(无透镜效果状态、第一透镜状态以及第二透 镜状态)中的一个。每个液晶分子13具有折射率各向异性，例如，其具有对于在纵向方向和横向方向 之间传播的光束折射率不同的折射率椭球结构。在第一透镜状态中，产生类似于在第一方 向上延伸的柱面透镜的第一透镜效果。在第二透镜状态中，产生类似于在第二方向上延伸 的柱面透镜的第二透镜效果。在下文中，以第一方向作为图2的X方向(纸上的水平方向)和以第二方向作为 图2的Y方向(垂直于纸的方向)来描述实施方式。X方向和Y方向在基板表面中相互垂 直。然而，在一些情况下X方向和Y方向并不相互垂直。这种情况在后面参照图20进行描 述。液晶透镜阵列元件10的电极结构图3和图4示出了液晶透镜阵列元件10的电极结构。图3示出了相对于图1或 图4的电极结构处于颠倒方式的电极结构，也就是示出了在上侧具有第一基板14和在下侧 具有第二基板17的结构。设置在第一基板14上的第一电极组16包括多个透明电极，该多个透明电极包括 宽度不同并平行地交替设置的两种电极。也就是，第一电极组16具有多个X方向的第一电 极(第一电极16LY)和多个X方向的第二电极(第二电极16SY)，并且第一电极16LY和第 二电极16SY平行地交替设置。第一电极16LY以第一宽度Ly在第一方向(X方向)上延伸。第二电极16SY以大 于第一宽度Ly的第二宽度Sy在第一方向上延伸。第一电极16LY以与产生透镜效果的第 一柱面透镜的透镜节距P对应的周期性间隔平行设置。各个第一电极16LY和各个第二电极16SY以间隔a进行设置。如图4所示，在第一方向上延长的第一电极16LY的一端连接至用于将预定电压经 由开关33LY施加于第一电极组16的X线发生器31，而另一端经由开关34LY接地。类似 地，第二电极16SY的一端经由开关33SY连接至X线发生器31，而另一端经由开关34SY接 地。类似地，第二电极组19包括多个透明电极，该多个透明电极包括宽度不同并平行 地交替设置的两种电极。也就是，第二电极组19具有多个Y方向的第一电极(第一电极 19LX)和多个Y方向的第二电极(第二电极19SX)，并且第一电极19LX和第二电极19SX平 行地交替放置。第一电极19LX以第一宽度Lx在第二方向(Y方向)上延伸。第二电极19SX以大 于第一宽度Lx的第二宽度在第二方向上延伸。第一电极19LX以与产生透镜效果的第 二柱面透镜的透镜节距P对应的周期性间隔平行设置。各个第一电极19LX和各个第二电 极19SX以间隔a进行设置。 如图4所示，在第二方向上延长的第一电极19LX的一端连接至用于将预定电压经 由开关33LX施加于第二电极组19的Y线发生器32，而另一端经由开关34LX接地。类似 地，第二电极19SX的一端经由开关33SX连接至Y线发生器32，而另一端经由开关34SX接 地。在上述构造中，通过X线发生器31和Y线发生器32产生预定电压，开关33LY和 ;34LY、开关33SY和;34SY、开关33LX和!34LX、以及开关33SX和!MSX进行适当地切换，从而 可将液晶透镜阵列元件10的任意区域设置为二维或三维显示模式。X线发生器31和Y线发生器32没有产生预定电压，也就是，没有向液晶透镜阵列 元件10供电，从而可将液晶透镜阵列元件10的整个区域设置为与元件的方向无关的二维 显示模式。考虑到智能电话1的通常的使用情况，预计智能电话在整个工作时间内在液晶透 镜阵列元件10的整个区域被设置为二维显示模式的状态下使用得最长。因此，相比于将电 力持续供应给液晶透镜阵列元件10的情况，电力消耗会降低。液晶透镜阵列元件10的制造在制造液晶透镜阵列元件10时，在每个包括玻璃材料的第一基板14和第二基板 17上以预定图案形成诸如ITO(铟锡氧化物)的透明导电薄膜，从而形成第一电极组16和 第二电极组19。通过用布在一个方向上摩擦诸如聚酰亚胺的聚合物的摩擦方法，或者通过 SiO等的斜向蒸发(oblique evaporation)来形成取向膜15和23。因此，液晶分子13的 主轴可在一个方向上取向。为了保持第一基板14和第二基板17之间的间距d —致，将分散有包括玻璃或树 脂材料的隔离件12的密封剂印刷在取向膜15和23上。然后，将第一基板14附着在第二 基板16上，之后使带有隔离件的密封剂固化。之后，将预定液晶材料从密封剂的开口注入 进第一基板14和第二基板17之间的空间。接着，将预定的液晶材料合成物加热为各向同 性相，随后逐渐冷却，从而完成了液晶透镜阵列元件10。在液晶透镜阵列元件10中，随着各个液晶分子13的折射率各向异性Δ η越大，可 获得的透镜效果越大，从而所要使用的液晶材料优选制成具有这种属性的组合物。另一方面，当液晶合成物具有较大的折射率各向异性Δη时，液晶合成物的物理性质可能会退化， 组合物的粘性会因此增加。从而，液晶材料难以注入到基板之间的空间中，或者在低温下变 成类似结晶的状态。可选地，可增加液晶元件的内部电场，这导致元件驱动电压的增加。因 此，优选根据生产率和透镜效果来确定液晶材料组合物。将在后面描述的实施例中详细描 述液晶材料的特定组合物。液晶透镜阵列元件控制器40的配置例接下来，图5示出了在智能电话中设置的用于控制液晶透镜阵列元件10的液晶透 镜阵列元件控制器的配置例。液晶透镜阵列元件控制器40配置有倾斜传感器41、操作输入部42、控制部43、X 线电压控制器44、Y线电压控制器45和开关控制器46。倾斜传感器41检测智能电话1主体的倾斜，并通知控制部43检测结果。操作输入 部42接收用户的操作(例如选择二维或三维显示模式、指定每个显示模式的区域的边界、 以及指定显示器2的显示方向)并将对应于这种操作的操作信号进行输出。控制部43根据倾斜传感器41的检测结果和来自操作输入部42的操作信号，确定 显示器2的显示方向，并确定显示器2的画面上二维显示模式的区域和三维显示模式的区 域。控制部43还可根据倾斜传感器41的检测结果和运行的应用程序的控制而不基于用户 操作的操作信号来进行上述的确定。此外，控制部43根据这样的确定来控制X线电压控制 器44、Y线电压控制器45和开关控制器46。根据控制部43的控制，X线电压控制器44控制允许产生预定电压的X线发生器 31。根据控制部43的控制，Y线电压控制器45控制允许产生预定电压的Y线发生器32。 根据控制部43的控制，开关控制器46切换分别连接到第一电极组16和第二电极组19的 开关33LY和;34LY、开关33SY和!34SY、开关33LX和!34LX、以及开关33SX和!34SX。与显示器2的状态和显示模式对应的开关控制接下来，将参照图6A至图16描述与显示器2状态(显示器在纵向状态或横向状 态下使用)及其显示模式(二维或三维显示模式)对应的开关33LY和34LY、33SY和34SY、 33LX和;34LX、以及33SX和;MSX的状态。在图6A至图16中，假设X线发生器31和Y线发 生器32均产生预定的电压(稍后参照图17A至图17C进行描述)。当如图6A所示显示器2在横向状态下使用、同时显示器的整个画面处于三维显示 模式时，如图6B所示，连接至第一电极组16的所有开关导通，在连接至第二电极组19的开 关中，Y线发生器32侧上的开关33SX和接地侧上的开关34LX断开而其他开关导通。当如图7A所示显示器2在纵向状态下使用、同时显示器的整个画面处于三维显示 模式时，如图7B所示，在连接至第一电极组16的开关中，X线发生器31侧的开关33SY和 接地侧的开关34LY断开，而其它开关导通。此外，在连接至第二电极组19的开关中，Y线 发生器32侧上的所有开关导通。当如图8A所示显示器2在横向状态下使用、同时显示器的右侧区域处于三维显示 模式而左侧区域处于二维显示模式时，在连接至第一电极组16的开关中，X线发生器31侧 上的所有开关导通，而接地侧上的所有开关断开，如图8B所示。另外，在连接至第二电极组 19的开关中，Y线发生器32侧上，对应于二维显示模式区域(图8B的斜左下侧)的开关断 开，而对应于三维显示模式区域的开关33LX和开关33SX(图8B的斜右上侧)中开关33LX导通并且开关33SX断开。此外，在连接至第二电极组19的开关中，在接地侧上，对应于二维 显示模式区域的开关导通而对应于三维显示模式区域的开关34LX和开关34SX中开关34LX 断开并且开关34SX导通。当如图9A所示显示器2在横向状态下使用、同时显示器的右侧区域处于二维显示 模式而其左侧区域处于三维显示模式时，如图9B所示，在连接至第一电极组16的开关中，X 线发生器31侧上的所有开关导通，在接地侧上的所有开关断开。另外，连接至第二电极组 19的开关中，Y线发生器32侧上，对应于二维显示模式区域(图9B中斜右上侧)的开关断 开，而对应于三维显示模式区域(图9B中斜左下侧)的开关33LX和33SX中的开关33LX 导通，开关33SX断开。此外，在连接至第二电极组19开关中，在接地侧上，对应于二维显示 模式区域的开关导通，而对应于三维显示模式区域的开关34LX和34SX中的开关34LX断开 并且开关;MSX导通。当如图IOA所示显示器2在横向状态下使用、同时显示器的上部区域处于三维显 示模式而其下部区域处于二维显示模式时，在连接至第一电极组16的开关中，在X线发生 器31侧上对应于三维显示模式区域(图IOB的斜左上侧)的开关导通，在该侧上对应于二 维显示模式区域(图IOB的斜右下侧)的开关断开，如图IOB所示。另外，在连接至第一 电极组16的开关中，在接地侧上，对应于三维显示模式区域的开关断开，对应于二维显示 模式区域的开关导通。此外，在连接至第二电极组19的开关中，Y线发生器32侧上的开关 33LX导通，同时在该侧上的开关33SX断开。而且，在连接至第二电极组19的开关中，接地 侧上的开关:MLX断开，而该侧上的开关;MSX导通。当如图IlA所示显示器2在横向状态下使用、同时显示器的上部区域处于二维显 示模式而其下部区域处于三维显示模式时，在连接至第一电极组16的开关中，在X线发生 器侧上对应于三维显示模式区域(图IlB的斜右下侧)的开关导通，在该侧上对应于二维 显示模式区域(图IlB的斜左上侧)的开关断开，如图IlB所示。另外，在连接至第一电极 组16的开关中，在接地侧上对应于三维显示模式区域的开关断开并且对应于二维显示模 式区域的开关导通。此外，在连接至第二电极组19的开关中，在Y线发生器32侧上的开关 33LX导通，该侧上的开关33SX断开。此外，在连接至第二电极组19的开关中，接地侧上的 开关34LX断开，该侧上的开关34SX导通。当如图12A所示显示器2在纵向状态下使用、同时显示器的上部区域处于二维显 示模式而其下部区域处于三维显示模式时，如图12B所示，在连接至第一电极组16的开关 中，X线发生器32侧上的开关33LY导通，而在该侧上的开关33SY断开。而且，在连接至第 一电极组16的开关中，接地侧上的开关34LY断开，而该侧上的开关34SY导通。此外，在连 接至第二电极组19的开关中，在Y线发生器32侧上对应于二维显示模式区域(图12B的 斜右上侧)的开关断开，而在该侧上对应于三维显示模式区域(图12B的斜左下侧)的开 关导通。而且，在连接至第二电极组19的开关中，在接地侧上对应于二维显示模式区域的 开关导通，而在该侧上对应于三维显示模式区域的开关断开。当如图13A所示显示器2在纵向状态下使用、同时显示器的上部区域处于三维显 示模式而其下部区域处于二维显示模式时，如图13B所示，在连接至第一电极组16的开关 中，X线发生器31侧上的开关33LY导通，而该侧上的开关33SY断开。此外，在连接至第一 电极组16的开关中，接地侧上的开关34LY断开，而该侧上的开关34SY导通。此外，在连接至第二电极组19的开关中，在Y线发生器32侧对应于二维显示模式区域(图13B的斜 左下侧)的开关断开，在该侧上对应于三维显示模式区域(图13B的斜右上侧)的开关导 通。此外，在连接至第二电极组19的开关中，在接地侧上对应于二维显示模式区域的开关 导通，在该侧上对应于三维显示模式区域的开关断开。当如图14A所示显示器2在纵向状态下使用、同时显示器的右侧区域处于二维显 示模式而其左侧区域处于三维显示模式时，在连接至第一电极组16的开关中，在X线发生 器31侧上对应于二维显示模式区域(图14B的斜右下侧)的开关断开，在发生器31侧上 对应于三维显示模式区域(图14B的斜左上侧)的开关中，开关33LY导通，开关33SY断 开，如图14B所示。另外，在连接至第一电极组16的开关中，在接地侧上对应于二维显示模 式区域的开关导通，在接地侧上对应于三维显示模式区域的开关中，开关34LY断开，开关 34SY导通。此外，在连接至第二电极组19的开关中，Y线发生器32侧上的所有开关导通， 接地侧上的所有开关断开。当如图15A所示显示器2在纵向状态下使用、同时显示器的右侧区域处于三维显 示模式而其左侧区域处于二维显示模式时，如图15B所示，在连接至第一电极组16的开关 中，在X线发生器31侧上对应于二维显示模式区域(图15B的斜左上侧)的开关断开，在 发生器31侧上对应于三维显示模式区域(图15B的斜右下侧)的开关中，开关33LY导通， 开关33SY断开。另外，在连接至第一电极组16的开关中，在接地侧上对应于二维显示模式 区域的开关导通，在该侧上对应于三维显示模式区域的开关中，开关34LY断开，开关34SY 导通。此外，在连接至第二电极组19的开关中，Y线发生器32侧上的所有开关导通，而接 地侧上的所有开关断开。图16示出了各个电极的电压施加条件与如图6A至图15B所示的液晶透镜阵列元 件10中所产生的透镜效果之间的对应关系。如上文所述，根据实施方式的液晶透镜阵列元件10，无论显示器2的状态(纵向或 横向状态)如何都可实现三维显示模式，并且显示画面可在三维显示模式区域和二维显示 模式区域之间划分使用。由X线发生器31和Y线发生器32产生的电压接下来，将参照图17A至图17C描述由各个X线发生器31和Y线发生器32所产 生的电压。图17A示出了由每个X线发生器31和Y线发生器32所产生的电压波形的实例。 如图17A所示，例如，X线发生器31以+Vx、-Vx、+Vx、-Vx、…的顺序产生30Hz以上的矩形 波电压。另一方面八线发生器32以-￥7、+￥7、-￥7、+￥7，…的顺序产生相同周期的矩形波 电压。也就是，X线发生器31和Y线发生器32产生振幅大致相同(Vx = Vy)但相位偏移 180°的电压。图17B示出了与图6A所示状态对应的在垂直方向上的电极之间的电势。具体地， 图17B的上部示出了与第二电极组19的第一电极19LX对应的部分的电压波形，图17B的 下部示出了与其第二电极19SX对应的部分的电压波形。当实现图6A的状态时，在将液晶层11夹在中间的上部透明电极和下部透明电极 之间产生预定的电势差，从而在与第二电极组19的第一电极19LX对应的部分中液晶分子 13的取向可以改变。
具体地，构成第一电极组16的电极的X线发生器31侧的所有开关导通，以对这些 电极施加共同的电压(振幅Vx)。此外，在构成第二电极组19的多个电极中，仅第一电极 19LX连接至Y线发生器32，从而被选择性地施加有电压(振幅Vy)。另外，构成第二电极组 19的电极中，第二电极19SX接地。当X线发生器31和Y线发生器32产生如图17A所示的电压时，在第二电极组19 的第一电极19LX与、第一电极组16的和第一电极19LX对应的部分中的电极之间施加振幅 电压为(Vx+Vy)的矩形波，如图17B的上部所示。另一方面，在第二电极组19的第二电极 19SX与、第一电极组16的和第二电极19SX对应的部分中的电极之间施加振幅电压为Vx = Vy= (Vx+Vy)/2的矩形波，如图17B的下部所示。这时，在与第二电极19SX对应的部分中， 当振幅电压等于或者小于液晶的阈值电压时，虽然液晶分子13的运动并未实际发生，但是 可通过由第二电极19SX引起的横向电场来引发液晶分子13的初始取向分布，S卩，折射率分 布。图17C示出了与图7A所示状态对应的在垂直方向上的电极之间的电势。具体地， 图17C的上部示出了与第一电极组16的第一电极16LY对应的部分中的电压波形，图17C 的下部示出了与其第二电极16SX对应的部分中的电压波形。当实现图7A的状态时，在将液晶层11夹在中间的上、下透明电极之间产生预定的 电势差，从而在与第一电极组116的第一电极16LY对应的部分中，液晶分子13的取向可以改变。具体地，构成第二电极组19的电极的Y线发生器32侧的所有开关导通，从而将公 共电压(振幅为Vy)施加于这些电极。另外，在构成第一电极组16的多个电极中，仅第一 电极16LY连接至X线发生器31，从而被选择性地施加有电压(振幅为Vx)。另外，构成第 一电极组16的电极中，第二电极16SY接地。当X线发生器31和Y线发生器32产生如图17A所示电压时，在第一电极组16的 第一电极16LY与、第二电极组19的和第一电极16LY对应的部分中的电极之间施加振幅 电压为(Vx+Vy)的矩形波，如图17C的上部所示。另一方面，在第一电极组16的第二电极 16SY与、第二电极组的和第二电极16SY对应的部分中的电极之间施加振幅电压为Vx = Vy =(Vx+Vy)/2的矩形波，如图17C的下部所示。这时，在与第二电极16SY对应的部分中，当 振幅电压等于或小于液晶的阈值电压时，虽然液晶分子13的运动并未实际发生，但是可通 过由第二电极16SY引起的横向电场来引发液晶分子13的初始取向分布，即，折射率分布。当液晶层3整体变为无透镜效果状态时，优选可调整电压状态，使得构成第一电 极组16的全部电极和构成第二电极组19的全部电极具有相同的电势(OV)。也就是，如图 4所示，当X线发生器31和Y线发生器32产生OV的相同电压时，各电极接地。在这种情况 下，液晶分子13在由取向膜15和18确定的预定方向上取向一致，导致无透镜效果的状态。
实施例接下来，描述作为实施方式的智能手机1的具体实施例。如前所述，对于液晶透镜阵列元件10，通过公知的光刻法和湿蚀刻或者干蚀刻在 包括玻璃材料等的第一基板14和第二基板17之间形成包括ITO的第一电极组16和第二 电极组19。在每个电极组的电极上旋转涂聚酰亚胺并烘焙，从而形成取向膜15和18。
在烘焙该材料之后，在取向膜15和18上执行摩擦，并利用IPA等清洁表面，然后 加热干燥。冷却后，第一基板14以大约30 μ m至50 μ m的间隙贴合至第二基板17上，并且 摩擦方向彼此对准。间隙由散布在整个表面的隔离件保持。然后，通过真空注入法从密封 剂的开口处注入液晶材料，随后封闭该开口。然而，液晶单元加被热至各向同性相，然后逐 渐冷却。用于液晶层11的液晶材料是典型的向列型液晶，MBBA(ρ-甲氧基苯亚甲 基-ρ' -丁基苯胺)。该材料的折射率各向异性Δη在20°C时是0.255。化学式1
CH3O-Cv /)—CH=N-/^CH2CH2CH2CH3对于显示面板20，使用像素大小为70. 5 μ m的TFT-IXD面板。在显示面板20中， 像素R、G以及B以矩阵形式进行设置。另外，显示面板20的像素数量相对于由液晶透镜阵 列元件10所形成的柱面透镜的节距ρ为M2以上)。在三维显示模式区域中，N表示为光 线数(视轴数)。作为显示面板20，使用3英寸的WVGA面板(864*480像素)。图19A和图19B示出了对应于后面描述的第一至第三实施例的液晶透镜阵列元件 10的电极结构，其中图19A示出了第二基板17侧上的电极结构，图19B示出了第一基板14 侧的电极结构。如图19A和19B所示，在第一至第三实施例中，基板14上的电极和第二基 板17上的电极彼此相互垂直地形成。当如图19A和图19B所示第一基板14上的电极和第二基板17上的电极彼此垂直 时，会出现下列缺点。S卩，当显示面板20在图7A和图7B等所示的纵向状态中使用时，由于 在如图18所示像素R、G和B在显示面板20中设置在X方向上，所以在观察者观察到在三 维显示中往往产生波纹(moire)。为了防止这一点，在后面描述的第四至第六实施例中，第一基板14上的电极和第 二基板17上的电极不是垂直形成，而是以预定角度彼此交叉形成。图20A和图20B示出了对应于后面描述的第四至第六实施例的液晶透镜阵列元件 10的电极结构，其中图20A示出了第二基板17侧上的电极结构，而图20B示出了第一基板 14侧上的电极结构。如图20A和图20B所示，在第四至第六实施例中，第一基板14上的电 极和第二基板17上的电极以角度(90-θ )彼此相交形成。这里，θ是tad = 1/3。图21示出了对应于第一至第六实施例的各种设计参数值。N表示相对于显示面板 20的透镜节距ρ的像素数量，作为如图2所示的相关区域的长度的电极宽度Lx、Sx, Ly或 Sy、电极间隙a和基板间隙d以μ m为单位示出。X线发生器31和Y线发生器32以30Hz以上的矩形波且矩形波的振幅电压为约 5V至IOV来供电，该振幅根据透镜节距ρ或者基板间隙d进行调整。通常，振幅电压随着基 板节距的增加而需要设置得更高。接下来，将描述对第一至第六实施例的评价。由于目前用于确定三维显示质量的 确切标准还没有标准化，因此这里使用下面的简单方法，并将是否能够识别三维显示作为 标准。图22示出了在第一至第六实施例中三维显示的观察质量的评价原理。如图22所示，一个蓝色像素和一个红色像素，或者总共两个像素对应于由液晶透镜阵列元件10形成 的一个柱面透镜来进行设置。如图22所示，将显示图案输出至显示面板20并在其上显示， 使得分别向右眼和左眼示出蓝色和红色。将照相机设置在对应于右眼和左眼的位置上进行 拍摄，并检查是否向右眼和左眼分别示出蓝色和红色来作为标准。在二维显示模式区域中， 会观察到红色和蓝色混合为紫色。逐渐增加驱动振幅电压，并且将紧靠饱和区之前的电压值作为驱动电压，即使该 电压增加，可视性也不会有实质性的改变。施加于每个电极的矩形波的振幅电压V是V = 2Vx = 2Vy。另外，观测作为评价对象的通过施加OV电压从三维显示模式变为二维显示模 式的时间OD切换响应时间)。在下列七种使用条件下评价第一至第六实施例。评价结果如下。使用条件1 (整个画面是二维显示模式)在第一至第六实施例的任一实施例中，整个画面是紫色的，作为视觉评价结果，显 示了与在显示面板20上没有设置液晶透镜阵列元件10的情况下大致相同的二维显示。使用条件2 (对应于图6A和图6B，整个画面为横向状态下的三维显示模式)在第一至第六实施例的任一实施例中，在左眼位置处可观测到红色，在右眼位置 处观测到蓝色。换句话说，可以确定通过液晶透镜阵列元件10实现了三维显示模式。使用条件3 (对应于图7A和图7B，整个画面为在纵向状态下的三维显示模式)在第一至第六实施例的任一实施例中，在左眼位置处可观测到红色，在右眼位置 处可观测到蓝色。换句话说，可以确定通过液晶透镜阵列元件10实现了三维显示模式。然 而，在第一至第三实施例中，观测到被称为波纹的红色、蓝色和绿色的带状图案，例如，在整 个画面显示为白色时，导致缺乏视觉舒适度。使用条件4 (对应于图8A和图8B，或者图9A和图9B，在横向状态下分别水平地设 置三维显示模式区域和二维显示模式区域)在第一至第六实施例中的任一实施例中，不管三维显示模式和二维显示模式之间 的边界如何，在二维显示模式区域中都观测到紫色。在三维显示模式区域中，在左眼位置处 可观测到红色，在右眼位置处观测到蓝色。换句话说，可以确定通过液晶透镜阵列元件10 实现了三维显示模式。使用条件5 (对应于图IOA和图10B，或者图IlA和图11B，在横向状态下分别垂直 地设置三维显示模式区域和二维显示模式区域)在第一至第六实施例的任一实施例中，不管三维显示模式和二维显示模式之间的 边界如何，在二维显示模式区域中都观测到紫色。在三维显示模式区域中，在左眼位置处可 观测到红色，在右眼位置处观测到蓝色。换句话说，可以确定通过液晶透镜阵列元件10实 现了三维显示模式。使用条件6 (对应于图12A和图12B，或者图13A和图13B，在纵向状态下分别垂直 地设置三维显示模式区域和二维显示模式区域)在第一至第六实施例的任一实施例中，不管三维显示模式和二维显示模式之间的 边界如何，在二维显示模式区域中都观测到紫色。在三维显示模式区域中，在左眼位置处可 观测到红色，在右眼位置处观测到蓝色。换句话说，可以确定通过液晶透镜阵列元件10实 现了三维显示模式。然而，在第一至第三实施例中，观测到被称为波纹的红色、蓝色和绿色的带状图案，例如，在整个画面显示为白色时，导致缺乏视觉舒适度。使用条件7 (对应于图14A和图14B，或者图15A和图15B，在纵向状态下分别水平 地设置三维显示模式区域和二维显示模式区域)在第一至第六实施例的任一实施例中，不管三维显示模式和二维显示模式之间的 边界如何，在二维显示模式区域中都观测到紫色。在三维显示模式区域中，在左眼位置处可 观测到红色，在右眼位置处观测到蓝色。换句话说，可以确定通过液晶透镜阵列元件10实 现了三维显示模式。然而，在第一至第三实施例中，观测到被称为波纹的红色、蓝色和绿色 的带状图案，例如，在整个画面显示为白色时，导致缺乏视觉舒适度。图23整体示出了使用条件1至7中的评价结果。在图23中，对二维显示和三维 显示的评价用四个等级(很好，好，一般，差)来示出。“很好”表示观测到图像的红色和蓝 色分开。“一般”表示观测到图像的红色和蓝色差不多可以分开。“好”表示观测质量在“很 好”和“一般”之间。如上文所述，根据实施方式，与画面的纵向方向的取向无关，也就是，与是在纵向 状态还是在横向状态下使用智能电话无关，都可以实现三维显示，此外，可以以任选位置作 为边界在画面上同时设置二维显示模式区域和三维显示模式区域。其它实施方式当在画面上不是以任选位置作为边界来设置二维显示模式区域和三维显示模式 区域，而是将边界固定在预计最方便使用智能电话的位置上时，第一基板14上的第一电极 组16的电极可在作为边界的部分被分开，例如，如图24A和图24B所示。即使根据这样的 构造，也可以获得除可任意设置边界之外的与上述实施方式相同的优点。本发明的实施方式不局限于上述实施方式，而可在不偏离本发明要旨的范围内进 行各种修改和改变。本申请包含涉及于2010年1月27日向日本专利局提交的日本在先专利申 请JP2010-015739和于2010年6月30日向日本专利局提交的日本在先专利申请 JP2010-149206中公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。本领域技术人员可以理解的是，根据设计要求和其他因素可进行的各种修改、组 合、子组合和变化，但他们都落入所附的权利要求或者其等价物的范围中。
权利要求
1.一种立体显示装置，包括显示面板，用于执行图像显示；以及 透镜阵列元件，包括 第一电极，第二电极，与所述第一电极相对，以及 液晶层，设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述透镜阵列元件以这样的方式来配置根据施加至所述第一电极的电压和施加至所 述第二电极的电压来控制对于来自所述显示面板的显示图像光的透镜效果，其中，所述第一电极和所述第二电极中的一个被构造为允许将电场分别施加至多个预 定子区域中的每一个的液晶层。
2.根据权利要求1所述的立体显示装置，其中，所述透镜阵列元件中的所述多个预定子区域中的一部分被设置为处于透镜效果有效 的状态，使得来自所述显示面板的显示图像光被折射以允许立体视觉，由此在所述子区域 中的所述一部分实现三维显示，并且所述透镜阵列元件中的所述多个预定子区域中的剩余部分被设置为处于透镜效果无 效的状态，使得来自所述显示面板的显示图像光不经折射就通过所述子区域中的所述剩余 部分，由此在所述子区域的所述剩余部分中实现二维显示。
3.根据权利要求2所述的立体显示装置，其中， 所述第一电极整体上是平面状电极，所述第二电极配置为多个线电极，所述多个线电极被设置为在垂直方向上延伸，并在 它们之间具有间隙，并且所述多个线电极整体被施加预定的公共电压，以及 所述平面状电极由分别对应于所述多个预定子区域的多个分割电极构成。
4.根据权利要求2所述的立体显示装置，其中，所述第一电极是整体被施加预定的公共电压的平面状公共电极， 所述第二电极包括多个线电极，所述多个线电极被设置为在垂直方向上延伸并在它们 之间具有间隙，并且所述多个线电极被划分为分别对应于所述多个预定子区域的多个电极组，所述电极组 彼此电性分隔。
5.根据权利要求2所述的立体显示装置，其中，所述透镜阵列元件在透镜效果有效的 区域中表现出与在水平方向上平行设置的多个柱面透镜的透镜效果实质上等价的透镜效
6.根据权利要求2所述的立体显示装置，其中，所述多个预定子区域的大小相同。
7.根据权利要求2所述的立体显示装置，其中，第一子区域以及一个以上第二子区域被设置为所述多个预定的子区域，以及 所述第一子区域被分配作为所述多个预定子区域的所述一部分用于三维显示，所述第 二子区域被分配作为所述多个预定子区域的所述剩余部分用于二维显示。
8.一种立体显示装置，包括显示面板，用于执行图像显示；以及 透镜阵列元件，包括第一电极，第二电极，与所述第一电极相对，以及 液晶层，设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述透镜阵列元件以这样的方式来配置根据施加至所述第一电极的电压和施加至所 述第二电极的电压来控制对于来自所述显示面板的显示图像光的透镜效果，其中，所述第一电极和所述第二电极中的一个被划分为多个预定的子区域，所述多个 预定的子区域彼此电性分隔。
9.根据权利要求8所述的立体显示装置，其中， 所述第一电极整体上是平面状电极，所述第二电极配置为多个线电极，所述多个线电极被设置为在垂直方向上延伸，并在 它们之间具有间隙，并且所述多个线电极整体被施加预定的公共电压，以及 所述平面状电极由分别对应于所述多个预定子区域的多个分割电极构成。
10.根据权利要求8所述的立体显示装置，其中，所述第一电极是整体被施加预定的公共电压的平面状公共电极， 所述第二电极包括多个线电极，所述多个线电极被设置为在垂直方向上延伸并在它们 之间具有间隙，并且所述多个线电极被划分为分别对应于所述多个预定子区域的多个电极组，所述电极组 彼此电性分隔。
全文摘要
本发明涉及透镜阵列元件和图像显示装置。该图像显示装置包括执行图像显示的显示面板；以及透镜阵列元件，包括第一电极，与第一电极相对的第二电极，以及设置在第一电极和第二电极之间的液晶层，透镜阵列元件以如下方式配置根据施加于第一电极的电压和施加于第二电极的电压，控制来自显示面板的显示图像光的透镜效果。第一电极和第二电极之一被构造为允许将电场分别施加于多个预定子区域中的每一个的液晶层。
文档编号G02F1/13GK102135673SQ20111002414
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月19日 优先权日2010年1月27日
发明者佐藤能久, 坂本祥, 高桥贤一 申请人:索尼公司