专利名称：3d图像/2d图像切换显示装置和便携式终端设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够显示3D图像和2D图像、并且能够从一个切换到另一个的三维(3D)图像/二维(2D)图像切换显示装置，以及一种包括3D图像/2D图像切换显示装置的便携式终端设备。
背景技术：
已经开发了能够显示3D图像的显示装置。目前已经研究的3D图像显示系统可以被划分为使用眼镜方式的系统和不使用眼镜方式的系统。当采用使用眼镜方式的系统时，用户实际上不能够避免佩戴眼镜，其中，使用眼镜的方式包括立体相片(anaglyph)方式、以及利用偏振的偏振玻璃方式。在这方面，最近已经对不使用的无眼镜3D图像显示装置进行了积极的研究。
无眼镜3D图像显示装置包括视差栅栏(parallax barrier)方式的装置和柱状透镜(lenticular lens)方式的装置。1896年，Berthier想到了视差栅栏方式，并且由Ives于1903年对其进行了论证。视差栅栏具有在其中形成的多个细小的垂直开口或者切口。在视差栅栏的周围沿着与切口的长度方向垂直的方向布置着用于右眼的象素(此后被称为“右眼象素”)和用于左眼的象素(此后被称为“左眼象素”)。当通过视差栅栏时，来自象素的光被部分地遮蔽。更具体地说，对象素进行布置，从而使来自左眼象素的光到达左眼，而防止其去往右眼象素，同时使来自右眼象素的光到达右眼而不到达左眼。因此，来自左眼象素的光和来自右眼象素的光分别到达左眼和右眼，从而允许用户将图像识别为3D图像。在设计视差栅栏时，将视差栅栏设置在象素和眼睛之间，因此成为刺眼的东西，并且提供较低的可视度。最近对液晶显示器的研究成果可以将视差栅栏布置在每一个显示器的背后，从而改善了可视性。这造成了最近对视差栅栏方式的显示器的积极研究。
大约在1910年，由以上提到的Ives等人发明了柱状透镜方式的显示装置，例如，在来自Sangyo Tosho出版有限公司的Chihiro Masuda所写的《3D Display》中对其进行了描述。图1是显示柱状透镜的形状的透视图。如图1所示，柱状透镜100具有具有两个面，其中一个面是平的，而另一个面具有在其中形成的按照一个方向延伸的多个半圆柱状的突出部分。显示针对右眼的图像的右眼象素和显示针对左眼的图像的左眼象素交替布置在透镜的焦平面上。因此，由柱状透镜100将来自每一个象素的光分配到分别去往右眼和左眼的方向。这可以使右眼和左眼识别不同的图像，从而观察者可以识别3D图像。目前，此柱状透镜方式被广泛用于立体电视等。
最近，还对允许3D图像显示装置显示2D图像进行了研究。最早的方案是使前述的针对右眼和针对左眼的图像相互匹配，并且显示相同的图像。在这种情况下，在两个象素之上应该显示相同的信息，从而将分辨率降低到一半。这特别提出了一个重要的问题在显示2D图像时，使用最频繁的文本字符的可视度显著地降低。
目前，已经对显示3D图像和2D图像、并且将它们从一个切换到另一个而不降低分辨率的方案进行了研究。例如，日本专利待审公开No.068961/1996和日本专利待审公开No.112273/1992对使用柱状透镜的3D图像显示装置进行了描述，其中对该装置进行了设计，从而在柱状透镜和透明板之间，并且面向柱状透镜的不规则面(irregular side)，注入与柱状透镜材料具有相同折射率的物质，以消除透镜效果。图2是显示传统的3D图像显示装置的透视图。如图2所示，透明板103设置在该传统3D图像显示装置101的柱状透镜102的突起面，并且使间隙104位于柱状透镜102和透明板103之间。在显示2D图像时，当显示2D图像时，由泵105(pump)等将具有与透镜相同折射率的液态物质(未示出)注入间隙104。这使透镜效果失效，并且可以确保2D显示。在显示3D图像的情况下，从间隙104中排出注入的物质，以使透镜效果有效，从而确保3D显示。
日本专利待审公开No.197343/1997描述了一种通过改变象素的图像显示表面和柱状透镜之间的距离，在显示3D图像和显示2D图像之间进行切换的3D图像显示装置。图3是显示该3D图像显示装置的横截面图。如图3所示，在该传统3D图像显示装置111中，在柱状透镜112和图像显示单元113之间的距离是可变的。右眼象素114和左眼象素115交替布置在图像显示单元113上。当将在柱状透镜112和图像显示单元113之间的距离设置为柱状透镜的焦距时，对于来自象素114和115的光，柱状透镜112的透镜效果变得有效，从而确保了3D图像的显示。另一方面，当将柱状透镜112和图像显示单元113之间的距离设置为约等于零时，柱状透镜112的透镜效果失效，从而可以显示2D图像。在将诸如液晶设备的电子显示器用作图像显示单元113的情况下，玻璃基板的厚度限制了可变的距离，从而难以将柱状透镜112和图像显示单元113之间的距离设置为约等于零。为了处理这样的困难，在图像显示单元113的柱状透镜面的表面设置诸如纤维面板116的图像转移装置，以便等效地使柱状透镜112靠近图像显示单元113的附近。
然而，现有技术具有以下问题。传统的3D图像/2D图像切换显示装置具有柱状透镜，并且通过使柱状透镜的透镜效果有效来显示3D图像，通过使光学凸透镜的透镜效果无效来显示2D图像。由于在使柱状透镜的透镜效果有效和失效之间进行切换的切换装置尺寸较大，因此，不利地，3D图像/2D图像切换显示装置变得较厚和较大。切换装置的存在降低了显示质量。此外，切换装置的操作需要花费时间，从而需要较长的时间来在显示3D图像和显示2D图像之间进行切换。因此，切换装置的使用增加了3D图像/2D图像切换显示装置的成本。
将更具体地对这些问题进行讨论。依据如图2所示的、在日本专利待审公开No.068961/1996和日本专利待审公开No.112273/1992中描述的现有技术，通过泵105将具有与柱状透镜102材料相同折射率的液态物质注入间隙104、以及从间隙104中排出该液态物质的装置用作切换装置，以便使柱状透镜的透镜效果有效/失效。然而，该方法需要泵105以便注入和排出液态物质，并且需要容器存储放电的液态物质。该需要不可避免地使装置增大，并且增加了成本。如果没有完全地实现液态物质的注入和排出，会产生气泡等，从而降低显示质量。此外，液态物质的注入和显示需要花费时间，从而造成需要较长的时间在显示2D图像和显示3D图像之间从一个切换到另一个。
在如图3所示的日本专利待审申请No.197343/1997中描述的现有技术，将改变柱状透镜112和图像显示单元113之间的距离的装置用作切换装置，以便使柱状透镜的透镜效果有效/失效。该结构需要用于改变距离的空间，从而增加了3D图像/2D图像切换显示装置的厚度。需要使用价格昂贵的纤维面板116等会导致成本的增加。此外，由于来自图像显示单元113的光通过光纤面板116，因此，与不设置光纤面板116的情况相比，显示质量变低。另一问题在于柱状透镜112的移动需要花费时间。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种薄、小并且低成本的3D图像/2D图像切换显示装置、以及使用该3D图像/2D图像切换显示装置的便携式终端设备，从而确保在显示3D图像和显示2D图像之间进行快速的切换，提供较高的显示质量，并且特别适用于诸如便携式电话和PDC(个人数字助理)的移动应用。
依据本发明的三维(3D)图像/二维(2D)图像切换显示装置包括显示单元，它具有周期性排列的多个象素组，其中每一个象素组包括第一到第n象素(n为等于或者大于2的整数)；第一光学单元，该光学单元具有与各个象素组相关的周期性排列的第一光学元件，并且对从象素输出的光进行折射；以及第二光学单元，该光学单元具有与各个象素组相关的周期性排列的第二光学元件，并且对从第一光单元中输出的光进行折射，其中，当由第一到第n象素显示的图像彼此不同时，将第二光学单元相对于第一光学单元设置在第一位置，从而使第一和第二光学单元按照相互不同的第一和第n方向输出从第一到第n象素中输出的光，以及，当第一到第n象素单独地显示相同的图像时，将第二光学单元相对于第一光学单元设置在第二位置，其中，将第二位置设置在按照第二光学元件的排列方向，离第二光学元件的排列周期的一半的距离、或者等于第二光学元件的排列周期的整数倍加上排列周期的一半得到的距离的位置上，从而使第一和第二光学单元按照相同的方向输出从第一到第n象素输出的光。
依据本发明，可以通过改变第一光学单元和第二光学单元的相对位置，在是按照相互不同的第一到第n方向输出从第一到第n象素输出的光、还是按照相同的方向输出所述的光之间作出选择。如果由第一到第n象素显示的图像相互不同，并且第一和第二光学单元按照相互不同的第一到第n方向输出从第一到第n象素中输出的光，则观察者可以通过改变观察点，观察不同的图像。这可以允许观察者识别3D图像。如果第一到第n象素单独地显示相同的图像，并且第一和第二光学单元按照相同的方向输出从第一到第n象素中输出的光，则可以按照较高的分辨率显示2D图像。第一到第n象素单独地显示相同的图像表示这些象素一起显示相同的图像。与其中由相互不同的第一到第n象素显示图像的情况相比，这可以将相同图像的分辨率增加n倍。
依据本发明，可以通过相对于第一光学单元将第二光学单元移动了第二光学单元的排列周期的一半距离、或者等于第二光学元件的排列周期的整数倍加上排列周期的距离的一半的距离，在是按照彼此不同的第一到第n方向输出从第一到第n象素中输出的光、还是按照相同的方向输出所述的光之间作出选择。这可以实现薄、小和低成本的3D图像/2D图像切换显示装置，从而确保从一种图像显示向另一中图像显示的快速切换。此外，由于除了第一和第二光学单元之外，不存在让从象素中输出的光通过的结构元件，因此显示质量极佳。使用第一和第二光学单元可以降低象差，因此，可以实现高质量的图像显示。
显示单元可以具有两种象素，即针对右眼的右眼象素和针对左眼的左眼象素，在显示3D图像时，右眼象素可以显示针对右眼的图像，左眼象素可以显示针对左眼的图像，并且第一和第二光学单元可以按照第一方向输出从右眼象素中输出的光、以及按照第二方向输出从左眼象素中输出的光，在显示2D图像时，右眼象素和左眼象素一起可以显示2D图像，并且第一和第二光学单元可以按照相同的方向输出从右眼象素和左眼象素中输出的光。这就是前述的n等于2的情况。当观察者将右眼移动到第一方向的前方，并且将左眼移动到第二方向的前方时，观察者可以用右眼观察针对右眼的图像，以及用左眼观察针对左眼的图像。结果，观察者可以识别3D图像。在显示2D图像时，观察者可以用右眼和左眼观察相同的图像。
此外，第一光学单元可以是包括一个或者多个凸面型柱状透镜的第一柱状透镜部分，其中，第一光学元件是透镜元件，第二光学单元可以是包括一个或者多个凸面型柱状透镜的第二柱状透镜部分，其中，第二光学元件是透镜元件，在显示3D图像时，位于第二柱状透镜部分的中心的所述透镜元件的光轴可以与第一柱状透镜部分的一个透镜元件的光轴大体一致，在显示2D图像时，可以将位于第二柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴从位于第一柱状透镜部分的中心的所述透镜元件的光轴移动第二柱状透镜部分的透镜元件的排列周期的长度的一半、或者等于第二柱状透镜部分的透镜元件的排列周期的整数倍加上所述的排列周期的长度的一半的长度。
当第一柱状透镜的透镜元件的光轴与第二柱状透镜的透镜元件的光轴匹配时，第一和第二柱状透镜变得等价于其曲率等于第一和第二柱状透镜的曲率的两倍、并且其排列周期等于第一和第二柱状透镜的排列周期的单个的虚拟柱状透镜。这可以使针对右眼的图像按照第一方向输出，以及使针对左眼的图像按照第二方向输出。此外，当将第一柱状透镜的透镜元件的光轴从第二柱状透镜的透镜元件的光轴移动排列周期的一半时，第一和第二柱状透镜变为其曲率等于第一和第二柱状透镜的曲率的两倍，并且其排列周期大约等于第一和第二柱状透镜的排列周期的一半的单个的虚拟柱状透镜。这可以允许透镜元件分别与各个图像对应，从而按照相同的方向，对各个图像进行放大地投影。
此外，第一和第二柱状透镜部分中的至少一个可以包括两个或者更多相互堆叠的柱状透镜。在这种情况下，3D图像/2D图像切换显示装置具有三个或者更多的柱状透镜。该结构还降低了象差(aberration)。
此外，优选的是，第一柱状透镜部分的透镜元件的曲率应该等于第二柱状透镜部分的透镜元件的曲率，并且在将第一和第二柱状透镜部分看作单个的虚拟柱状透镜的情况下，在第一和第二柱状透镜部分之间的间隙应该等于或者小于虚拟柱状透镜的透镜元件的焦距的20％。这可以实现更好的3D图像显示。
此外，优选的是，在显示3D图像时，位于第一柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴和位于第二柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴之间的偏差量应该等于或者小于第一柱状透镜部分的透镜元件的排列周期的12％。这可以实现更好的3D图像显示。
此外，设置的第一和第二双光凸透镜部分可以分别相对于显示单元移动，在显示3D图像时，位于第一和第二柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴可以通过由位于显示单元的中心的右眼象素和左眼象素组成的象素组的中心，在显示2D图像时，位于第一柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴可以通过从所述的象素组的中心移动第一柱状透镜部分的透镜元件的排列周期的四分之一的长度、或者等于第一柱状透镜部分的透镜元件的排列周期的整数倍加上所述排列周期的四分之一的长度的位置，并且位于第二柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴可以通过、按照与相对于显示单元进行移动的方向相反的方向，从象素组的中心移动所述排列周期的四分之一的长度、或者等于第二柱状透镜部分的透镜元件的排列周期的整数倍加上所述的排列周期的四分之一的长度的位置。这可以使3D可视范围和2D可视范围相互匹配，从而不需要在显示3D图像和显示2D图像之间进行切换时改变观察点。
此外，优选的是，在显示2D图像时，应该将其中对象素的光发射部分进行放大地投影的2D可视范围的宽度设置得大于观察者两只眼睛之间的距离，以及在显示3D图像时，应该将其中通过离象素最近的透镜元件对从所述的象素输出的光进行放大地投影的3D可视范围的宽度设置为观察者的两只眼睛之间的距离的两倍。这可以使3D可视范围和2D可视范围相互重叠的区域最大。虽然观察者的两只眼睛之间的距离彼此不同，但是可以采用希望成为本发明的3D图像/2D图像切换显示装置的用户的两只眼睛之间的平均距离。通常，经常使用诸如65mm的值作为两只眼睛之间的距离。
第一和第二光学单元的其中之一可以是包括一个或者多个凸面型柱状透镜的凸面型柱状透镜部分，第一和第二光学单元中的另一个可以是包括一个或者多个凹面型柱状透镜的凹面型柱状透镜部分，在第一到第n象素分别显示第一到第n图像时，可以将位于凸面型柱状透镜部分的中心的所述透镜元件中心的光轴从位于凹面型柱状透镜部分的中心的所述透镜元件的光轴移动凸面型柱状透镜部分的透镜元件的排列周期的长度的一半，或者等于凸面型柱状透镜的透镜元件的排列周期的整数倍加上排列周期的长度的一半的长度，并且在第一到第n象素分别一起显示相同的图像时，位于凸面型柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴可以与凹面型柱状透镜部分的一个透镜元件的光轴大体一致。
在将凸面型柱状透镜的光轴从凹面型柱状透镜的光轴移动排列周期的一半时，凸面型和凹面型柱状透镜变为等价于其上排列有与各个象素对应的棱镜元件的单个的虚拟棱镜板。虚拟棱镜板使从第一到第n象素输出的光按照第一到第n方向输出。当凸面型柱状透镜的光轴与凹面型柱状透镜的光轴匹配时，抵消了透镜功能，并且按照相同的方向输出从第一到第n象素中输出的光。
此外，第一光学单元可以是包括一个或者多个飞孔(fly-eye)透镜的第一飞孔透镜部分，第二光学单元可以是包括一个或者多个飞孔透镜的第二飞孔透镜部分，并且第二飞孔透镜部分可以相对于第一飞孔透镜部分，按照对显示单元中的象素进行排列的所有方向移动。这可以允许光按照对象素进行排列的每一个方向照射。结果，例如，可以按照除了屏幕的左右方向之外的上下方向输出不同的图像。因此，即使当诸如将屏幕的方向切换到左右方向和上下方向，还可以确保在每一个方向上的3D图像显示。此外，可以实现在上下方向的3D感觉。
第一光学单元可以是其上排列有棱镜元件的第一棱镜板，第二光学单元可以是其上排列有棱镜元件的第二棱镜板，在显示3D图像时，从与显示单元的显示表面垂直的方向上可以看到，位于第二棱镜板的中心的棱镜元件的顶点可以与位于第一棱镜板中的一个棱镜元件和与所述的一个棱镜元件邻接的棱镜元件之间的谷底部分大体一致，在显示2D图像时，从与显示单元的显示表面垂直的方向可以看到，位于第二棱镜板中心的棱镜元件的顶点可以与第一棱镜板的一个棱镜元件的顶点大体一致。与使用柱状透镜的情况相比，使用棱镜板作为光学单元可以使成本降低。
优选的是，显示单元应该具有对从象素中输出的光进行着色的滤色器，并且应该具有着色为多种颜色且相互平行地周期性排列的条状部分，条状部分的长度方向应该与第一和第二光学元件的排列方向平行。这可以防止颜色干扰(color moiré)的产生，从而确保高质量的图像显示。
可选择的是，显示单元应该通过彩色场序制显示(color field sequentialdisplay)方法来显示图像。这可以取消对滤色器的需要，并且可以降低色彩空间分割(division of the color space)从而改善图像显示质量。还可以将象素数量降低到通常数量的三分之一。此外，不存在由滤色器产生的光吸收，从而改善了可以有助于节能的发射效率。
3D图像/2D图像切换显示装置还可以包括装入显示单元和第一和第二光学单元，并且将第二光学单元固定在其上的外壳(casing)。在这种情况下，第二光学单元可以具有作为显示单元的保护板、触摸板、或者前光的能力。这消除了特别地提供保护板、触摸板或者前光的需要，从而可以增强所述装置的能力和/或使所述装置变薄。
第一光学单元的至少一部分可以与构成显示单元的显示表面的构件结合起来形成。这可以使3D图像/2D图像切换显示装置更薄。如果将3D图像/2D图像切换显示装置的厚度设为不变，则可以增加其他的光学单元的厚度，从而抑制光学单元的扭曲和变形。这可以使具有较高的显示质量的3D图像/2D图像切换显示装置被高成品率地制造。
从与显示单元的显示表面垂直的方向可以看到，第一和第二光学单元中的至少一个可以被分割为多个部分，并且多个部分可以相互独立地移动。这可以确保同时显示2D图像和高分辨率的2D图像。
优选的是，应该为第一和第二光学单元中的至少一个设置框架。这可以抑制诸如扭曲和变形的光学单元的变化。
此外，优选的是，应该在第一和第二光学单元中的至少一个的表面上形成抗反射涂层。这可以抑制光学单元对光的反射，从而改善显示质量。
3D图像/2D图像切换显示装置还可以包括与第一和第二光学单元中的至少一个连接的执行装置(actuator)，以便将第一和第二光学单元中的所述的一个相对于另一个光学单元而移动。
3D图像/2D图像切换显示装置还可以包括外壳，用于装入显示单元以及第一和第二光学单元；以及一对或者多对非线性弹簧，所述的弹簧位于外壳和第一和第二光学单元的至少一个之间，从而按照第一光学元件的排列方向伸长和缩短，并且当位移量超过阈值时，其反作用力不连续地降低，并且对所述的弹簧进行设置，从而使每对非线性弹簧中的一个的位移量大于阈值，而另一非线性弹簧的位移量小于阈值。因此，由于非线性弹簧的反作用力的差别，可以将光学单元稳定地保持在第一位置或者第二位置。
所述的执行装置可以是由形状记忆合金组成的线性构件，并且与电源连接。因此，可以使用简单的结构实现对电信号进行操作的执行装置。
依据本发明的便携式终端设备具有如上所述的3D图像/2D图像切换显示装置。该便携式终端设备可以是便携式电话、便携式终端、PDA、游戏机、数字相机、或者数字录像机(digital video)。
依据本发明，如上所阐明的，提供了其上排列有第一光学元件的第一光学单元、以及其上排列有第二光学元件的第二光学单元，并且第二光学单元相对于第二光学单元，按照第一和第二光学单元的排列方向移动，以便改变第一光学单元和第二光学单元的相对位置，从而可以在显示3D图像和显示2D图像之间从一个切换到另一个。这可以实现薄、小且低成本的3D图像/2D图像切换显示装置，从而在显示3D图像和显示2D图像之间进行快速的切换，并且提供较高的显示质量。
图1是示出柱状透镜的形状的透视图；图2是示出一种传统3D图像显示装置的透视图；图3是示出另一传统的3D图像显示装置的横截面图；图4是示出依据本发明的第一实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图；图5是示出依据本实施例的便携式终端设备的透视图；图6A和6B是说明切换显示装置的操作的横截面图，图6A示出显示3D图像的情况，而图6B示出显示2D图像的情况；图7是示出在显示3D图像时，将两个柱状透镜看作单个的柱状透镜的情况下的光学模型；图8示出等价于两个柱状透镜的单个的柱状透镜的横截面图；图9是示出用于在实施例中仿真的光学模型，并且示出在显示3D图像时的布置；图10是示出仿真结果的曲线图，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度(irradiance)。
图11是示出在使用单个的柱状透镜显示3D图像的情况下、以及在不使用柱状透镜显示2D图像情况下的曲线图；其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度。
图12是示出仿真结果的曲线图，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度。
图13是示出柱状透镜之间的距离对3D图像的显示质量的影响，其中，水平轴示出观察者在柱状透镜的z轴上的位置，垂直轴示出对比率(CR)；图14是示出仿真结果的曲线图，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度；图15是示出柱状透镜之间的距离对3D图像的显示质量的影响的曲线图，其中，水平轴示出观察者在柱状透镜的X轴上的位置，垂直轴示出对比率CR；图16是示出依据本发明的第二实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，并且示出2D图像的显示状态；图17是示出在图16中的装置上的仿真结果，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度；图18是示出依据本发明的第三实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，并且示出3D图像的显示状态；图19是示出依据本发明的第四实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，并且示出了3D图像的显示状态；图20A和20B是示出3D可视范围和2D可视范围的容许范围的曲线图，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度；
图21A和21B是示出依据本发明的第五实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，图21A示出2D图像显示状态，而图21B示出3D图像显示状态；图22是示出透镜的形状的曲线图，其中，在水平轴上采用在与光轴垂直的透镜上的位置，在垂直轴上采用在该位置上透镜的高度；图23示出从一个象素的一个末端部分(end portion)输出的光的路径的图；图24是示出从该象素的另一末端部分输出的光的路径的图；图25是示出从象素的中心部分输出的光的路径的图；图26是示出在图21A和21B中所示的装置上的仿真结果，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度；图27A和27B是示出依据第五实施例的修改的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，图27A示出了2D图像的显示状态，而图27B示出了3D图像的显示状态；图28A和28B是示出依据本发明的第六实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，图28A示出2D图像的显示状态，而图28B示出3D图像的显示状态；图29是示出在图28A和28B中所示的装置上的仿真结果，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度；图30A和30B是示出依据本发明的第七实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，图30A示出3D图像的显示状态，而图30B示出2D图像的显示状态；图31A和31B是示出3D图像/2D图像切换显示装置的俯视图，图31A示出3D图像显示状态，而图31B示出2D图像的显示状态；图32是示出依据本发明的第八实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，并且示出了3D图像的显示状态；图33是示出该切换显示装置的光学模型的图；图34是示出依据本发明的第九实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的俯视图；图35是示出依据本发明的第十实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，并且示出了3D图像显示状态；图36是示出依据本发明的第十一实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的俯视图；图37是示出非线性弹簧的特性的曲线图，其中，在水平轴上采用位移位置，在垂直轴上采用反作用力；以及图38是示出依据本发明的第十二实施例的切换显示装置的3D图像/2D图像切换显示装置的俯视图。
具体实施例方式
下面，将参考附图对本发明的实施例进行具体的描述。首先，将描述第一实施例。图4是示出依据本实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，图5是示出依据本实施例的便携式终端设备的透视图。图4还示出观察者的右眼51和左眼52。
如图4所示，依据本实施例的3D图像/2D图像切换显示装置1(此后也被称为“切换显示装置1”)具有液晶显示(LCD)单元2、以及具有设置在光从其中输出的LCD单元2的一面上的光学分配器3。
LCD单元2具有背光(backlight)10，玻璃基板23、液晶(LC)层24、滤色器26和玻璃基板25，其中，滤色器26和玻璃基板25被设置在LCD单元2中输入来自背光10的光的位置上，并且从背光开始按顺序相互平行。将左眼象素41和右眼象素42交替地排列在LC层24之上。按照需要，将诸如起偏振片或者补偿器的光学薄膜8贴附于玻璃基板25上。滤色器是条形的，并且具有相互平行地周期性排列的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)条。
光学分配器3具有作为第一光学单元的凸面型柱状透镜31、以及作为第二光学单元的凸面型柱状透镜32。与图1所示的柱状透镜100相似，柱状透镜31具有两个面，一个面是平的，另一个面具有在其上按照一个方向延伸并且作为光学元件或者透镜元件的多个半圆柱状的突出部分31a(柱面透镜)。与柱状透镜31形状相同的柱状透镜32具有两个面，其中一个面是平面，另一个面具有在其上形成的多个半圆柱状的突出部分32a(柱面透镜)。由于柱状透镜31和32是凸面型透镜，因此它们具有正焦距。柱状透镜31和32相互平行地排列，且使突出部分31a面向突出部分32a。与柱状透镜31相比，柱状透镜32位置离LCD单元2更近。突出部分31a的排列方向(string direction)和突出部分32a的排列方向为同一方向11。此外，柱状透镜的透镜节距(lens pitch)在方向11上，对应于一对沿着方向11排列、并且彼此相邻的单一的左眼象素41和右眼象素42的长度。即，一个突出部分31a和一个突出部分32a与象素组对应，其中，每一个象素组由一对象素41和42组成。
将柱状透镜32通过光电粘合层9贴附于LCD单元2的光学薄膜8。此时，将柱状透镜32固定到LCD单元2上，并且使柱状透镜32的中心与LCD单元2的中心一致。此外，滤色器26的条的长度方向与突出部分31a和32a的排列方向11匹配。当滤色器26的长度方向变为与方向11垂直时，柱状透镜导致被观察为颜色干扰的颜色分离，从而降低显示质量。因此，有效的是，条的长度方向应该与方向11匹配。因此，在切换显示装置1中，按照指定的顺序相互平行地排列背光10、玻璃基板23、LC层24、滤色器26、玻璃基板25、光学薄膜8、光电固化粘合层9、柱状透镜32、以及柱状透镜31。
用于抑制诸如扭曲和变形的柱状透镜31的变化(transfomation)的框架7连接到柱状透镜31的外围(periphery)。执行装置6连接到框架7，并且可以相对于柱状透镜32，按照方向11移动柱状透镜31。柱状透镜31和32由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。此外，在柱状透镜31和32的表面上形成低反射涂层(未示出)，即用于抑制表面反射的抗反射涂层。此外，还提供了装入LCD单元2和光学分配器3的外壳(未示出)，该外壳构成切换显示装置1的外板(outside plate)。外壳具有用于引导柱状透镜31移动的引导单元。例如，该引导单元是沟槽。
下面，将讨论依据本实施例的便携式终端设备。图6A和6B是说明切换显示装置1的操作的横截面图。图6A示出显示3D图像的情况，图6B示出显示2D图像的情况。图7是示出在显示3D图像时，将两个柱状透镜看作单个的柱状透镜的情况下的图，图8是示出在显示2D图像时，等价于两个柱状透镜的单个的柱状透镜的横截面图。注意，在图6A和6B中未示出背光10、滤色器26、光学薄膜8、光电固化层9、框架7、以及执行装置6。在图16、18、19、21A、21B、27A、27B、28A、28B、30A、30B和32中的情况与此相同。
现在将开始对显示3D图像的情况进行讨论。如图6A所示，为了由切换显示装置1显示3D图像，由执行装置6(见图4)对柱状透镜31的位置进行调整，从而使柱状透镜31的突出部分31a的光轴(此后还被称为“柱状透镜31的光轴”)与柱状透镜32的突出部分32a的光轴(此后还被称为“柱状透镜32的光轴”)一致。即，使柱状透镜31的突出部分31a面对柱状透镜32的突出部分32a。然后，左眼象素41显示针对左眼的图像，右眼象素42显示针对右眼的图像。
如图4和6A，从背光10输出的光按照指定的顺序，通过LCD单元2的玻璃基板23、LC层24、以及玻璃基板25。此时，由LC层24的象素41和42形成图像。然后，已经进入玻璃基板25的光通过滤色器26、光学薄膜8、以及光电固化粘合层9，并且进入光学分配器3。入射到光学分配器3的光被分配到两个方向，一个方向去往观察者的左眼52，另一个方向去往右眼51。下面，将详细描述分配操作。
如图6A所示，在对柱状透镜31和32进行排列，从而使突出部分31a面对突出部分32a的情况下，柱状透镜31和32的突出部分31a和32a的高度相对于这些透镜的焦距足够小，因而可以将两个柱状透镜31和32看作等价于具有两倍于这些透镜的能力的单个的柱状透镜。即，图6A所示的两个柱状透镜31和32等价于图7所示的单个的柱状透镜，所述的柱状透镜的透镜节距等于柱状透镜31和32的透镜节距，并且其曲率等于柱状透镜31和32的曲率的两倍。
如图7所示，由柱状透镜36对从左眼象素41输出的光进行折射，并且将所述的光向区域EL传播。由柱状透镜36对从右眼象素42中输出的光进行折射，并且将所述的光向区域ER传播。因此，当观察者将左眼52移动到区域EL，并且将右眼51移动到区域ER时，将针对左眼的图像输入到左眼52，并且将针对右眼的图像输入到右眼，从而使观察者可以识别3D图像。
下面，将讨论显示2D图像的情况。如图6B所示，为了由切换显示装置1显示2D图像，由执行装置6对柱状透镜31的位置进行调整，从而使柱状透镜31的光轴从柱状透镜32的光轴按照方向11移动透镜节距的一半。即，使柱状透镜31的每一个突出部分31a面向柱状透镜32的突出部分32a之间的部分。在显示3D图像和显示2D图像之间进行切换时，只需要将柱状透镜31相对于柱状透镜32，按照方向11移动透镜节距的0.5倍的距离，但是还可以移动等于透镜节距的整数倍加上透镜节距的0.5倍的距离，例如，透镜节距的1.5倍的距离。然后，使象素41和42显示2D图像。此时，将象素41和42作为独立的象素驱动，以便一起显示相同的图像。因此，2D图像的分辨率变为前述的3D图像的分辨率的两倍。
如图4和6B所示，从背光10输出的光按照指定的顺序通过玻璃基板23、LC层24、玻璃基板25、滤色器26、光学薄膜8、以及光电粘合层9，并且进入光学分配器3。由光学分配器3的柱状透镜32和31按照一个方向输出已经进入光学分配器3的光。结果，将已经通过象素41和42的光都输入到观察者的左眼52和右眼51。下面，将对该操作进行详细的描述。
在将柱状透镜31的光轴从柱状透镜32的光轴按照方向11，移动透镜节距的一半的情况下，如图6B所示，柱状透镜31和32变为大体等价于单个的凸透镜37，所述的单个的柱状透镜37的透镜节距等于柱状透镜31和32的透镜节距的一半，并且其曲率等于如8所述的柱状透镜31和32的曲率的两倍。
由柱状透镜31和32对从象素41和42输出的光进行折射，并且按照相同的方向输出。此时，将每一个象素放大到具有给定宽度e的观察平面上的区域，并且所述的象素的周期节距也变为e。因此，将从象素41输出的光和从象素42输出的光都输入到观察者的左眼52和右眼51。结果，将相同的图像输入到左眼52和右眼51，从而使观察者可以识别2D图像。
下面，将对切换显示装置1的各个部分的尺寸进行讨论。虽然将对其中使用两个透镜的情况进行描述，但是首先将使用图7所示的光学模型对单个的柱状透镜的情况进行描述。让H等于柱状透镜36的厚度，并且让n等于柱状透镜36的折射率。假定柱状透镜36的一个面是平的，而另一个面具有沿着方向11排列，并且按照一个方向延伸的凸面型柱面透镜或者半圆柱状突出部分36a。让f等于柱状透镜的焦距，并且让L等于透镜节距。LCD单元2的象素按照组进行排列，其中每一个组由两个象素组成，即单个的左眼象素41和单个的右眼象素42。让P等于每一个象素的宽度。两个象素的组即单个的左眼象素41和单个的右眼象素42对应于单一的突出部分36a。让D等于柱状透镜36和观察者之间的距离，让e等于作为3D可视范围的区域EL和区域ER在方向11上的长度，所述的区域EL，和区域ER即左眼52和右眼51位于离透镜距离D、并且与观察者可以识别3D图像的透镜平行的虚拟平面上的区域。此外，让WL等于从位于凸透镜36的中心的突出部分36a的中心到位于柱状透镜36的末端的突出部分36a中心的距离，并且让WP等于从位于LCD单元2的中心的一对左眼象素41和右眼象素42的中心到位于LCD单元2的末端的象素对的中心的距离。此外，让α和β分别等于位于柱状透镜36的中心的突出部分36a上的光的入射角和输出角(output angle)，并且让γ和δ分别等于位于柱状透镜36的末端的突出部分36a上的光的入射角和输出角。让C等于在距离WL和距离WP之间的差，并且让2m等于包括在距离WP的区域内的象素的数量。
通常，由于经常依据显示单元来设计柱状透镜，因此将P作为常量来对待。此外，通过选择用于柱状透镜的材料来确定n。将透镜和观察者之间的距离D和3D可视范围e设置为期望的值。使用这些值，可以确定透镜表面和象素之间的距离H和透镜节距L。依据Snell的定律和几何关系，可以导出以下的等式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从等式2、1和3中分别推导出以下的等式10、11和12。
β=arctan(eD)]]>[等式11]α=arcsin(sinβn)]]>[等式12]H=Ptanα]]>从等式6和9推导出以下的等式13。从等式7到9推导出以下的等式14。此外，从等式5推导出以下给出的等式15。
δ=arctan(m×LD)]]>[等式14]C＝2×m×P-m×L[等式15]γ=arctan(CH)]]>
如果如以下的等式16所示，将柱状透镜的厚度H设置为等于焦距f，则从以下的等式17可以获得透镜的曲率半径r。
f＝H[等式17]r=H×n-1n]]>以下将示出切换显示装置1的具体尺寸的一个实例。以下给出的尺寸用于举例说明而使本实施例更容易理解，而不是限定性的。如果举例来说，使用具有象素节距P为0.24mm的显示单元，并且使用具有折射率n等于1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为柱状透镜的材料，在透镜和观察者之间的距离D为280nm，3D可视范围的长度e为65mm，以及将m的值设置为60，则从以上给出的等式可以知道应该将透镜表面和象素之间的距离设置为1.57mm，将透镜节距L设置为0.4782mm，并且将透镜的曲率半径r设置为0.5161mm。
依据这些结果，然后设计具有两个柱状透镜的光学系统。由于两个柱状透镜31和32等价于先前提到的单个的柱状透镜36，因此，将两个柱状透镜31和32的曲率半径R设计为单个的柱状透镜36的曲率半径r的两倍。即，满足以下的等式18。例如，两个柱状透镜31和32的曲率半径R是1.032mm。由所熟知的方案将柱状透镜处理为前面所提到的形状。柱状透镜31和32的厚度等于例如0.5mm。在两个柱状透镜31和32之间的间隙等于例如30μm。此外，玻璃基板23和25的厚度为例如0.7mm，以及光学薄膜的厚度为例如0.15mm。
R＝2×r为了研究该设计的适当性，使用市场上可得到的光束追踪仿真器(raytracing sinulator)执行计算机辅助仿真。图9是示出在该仿真中所使用的光学模型的图，并且示出了在显示3D图像时的排列。图10是示出仿真结果的曲线图，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度，图11是示出使用单个的柱状透镜显示3D图像的情况下、以及不使用柱状透镜使用2D图像的情况下的仿真结果，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度。
如图9所示，将具有曲率半径R等于1.032mm的九个半圆柱状突出32a排列在显示单元一侧的柱状透镜32上，将排列节距(透镜节距)L设置为0.4782mm，并且将厚度H设置为1.57mm。将位于九个突出部分的中心的突出部分32c的中心设置为仿真的原点，将Z轴设置在厚度方向，而将X轴设置在透镜的排列方向。将具有与柱状透镜32相同的节距和相同的曲率半径的透镜用作观察者一侧的柱状透镜31，并且将柱状透镜31的厚度设置为0.5mm。柱状透镜31具有方向朝着显示单元、并且与显示单元一侧的柱状透镜32相邻的透镜表面。
将作为象素的单个的照亮体43，即具有等于0.186mm宽度的发光区域，排列在坐标系中作为中心的位置(x，z)＝(0.12mm，-1.57mm)，并且使其靠近显示单元一侧的柱状透镜32的平整的面。即，该设置允许来自照亮体43的光进入右眼，但不进入左眼。在光发射区域的任一面上设置0.027mm的非显示区域。因此，区域0≤x≤0.027mm、以及区域0.213≤x≤0.240mm变为非显示区域，区域0.027≤x≤0.213mm变为发光区域。非显示区域等价于为了将显示信号转移(transfer)到象素而设置的光屏蔽部分。将等价于观察位置的光接收表面53设置在区域-150≤x≤150mm上。在对2D图像的显示进行仿真的情况下，将观察者一侧的柱状透镜31按照+X方向移动透镜节距的一半(0.2391mm)。
为了估算显示屏幕的均匀性，对于位于显示屏幕末端的象素进行相似的计算。为了实现均匀的显示，必要并且充分的条件是针对显示屏幕的中心的仿真结果应该与针对显示屏幕的末端的仿真结果一致。这是由于位于显示屏幕的中心和末端的象素的显示质量要取位于中心的象素的显示质量和位于显示屏幕的末端的象素的显示质量之间的中间值，通过估算中心象素和末端象素的显示质量可以估算整个显示屏的显示质量。在位于显示屏幕末端的象素的仿真中，将位于屏幕末端的透镜的中心设置为原点，并且按照针对显示屏幕中心进行设置的情况，对两个柱状透镜进行设置。将作为象素的、具有宽度0.186mm的照亮体设置在作为中心的x＝0.227mm的位置，而考虑到透镜节距和象素节距之间的差别，设置偏移量C＝0.107mm。在X方向上，将光接收表面设置在±150mm的区域上，其中，将位置(x，z)＝(-28.692mm，280mm)作为中心。图11示出了这些仿真结果。
出于比较的目的，在使用其曲率等于柱状透镜31和32的曲率的两倍的单个的柱状透镜显示3D图像的情况下、以及在不使用柱状透镜显示2D图像的情况下执行仿真。在图11中示出了仿真结果。
在使用图9所示的光学模型进行仿真的情况下，如图10所示，在显示3D图像时，照度在区域-60≤x≤0mm变得较高，并且在另一区域变得较低。虽然在区域-150≤x≤-120mm可以看到较低的峰值，但是它是已经通过图9所示的突出部分32b的光。在区域-60≤x≤0mm中所看到峰值是已经通过在九个突出部分中位于中心的突出部分32c的光。此外，在区域60≤x≤120mm中所看到的峰值是已经通过图9所示的突出部分32d的光。
在观察者的两只眼睛之间的距离为65mm，并且两只眼睛的中心位置x＝0mm的情况下，例如，右眼的位置变为x＝-32.5mm，并且左眼的位置变为x＝+32.5mm。因此，在进行图10所示的显示的情况下，足够量的光进入右眼，但是，光几乎没有进入左眼，这表示在图4所示的实际切换显示装置1中，使左眼象素显示针对左眼的图像、以及使右眼象素显示针对右眼的图像的情况下，针对左眼的图像被输入到左眼，针对右眼的图像被输入右眼，并且确保两个图像充分地分离，从而使观察者可以较好地识别3D图像。
在如图11所示，使用单个的柱状透镜显示3D图像的情况下，可以获得与图10所示使用两个透镜的情况下获得的结果大体相同的结果，但是，放大地投影的象素宽度大于图10所示的使用两个透镜的情况。这是由于与使用等价于两个透镜的单个的透镜的情况相比，使用两个透镜可以降低象差，从而可以抑制投影的图像的模糊(blurriness)。即，与使用单个透镜的情况相比，使用两个透镜可以实现具有更低象差的高质量的3D图像的显示，并且不可能导致色度亮度干扰。
在显示2D图像时，出现了以大约60mm为周期的降低照度的区域。这是前面提到的非显示区域被放大地投影的区域。除了此区域外，照度在较宽的区域-90≤x≤+150mm上变得大致均匀。
在如图11所示不使用柱状透镜显示2D图像的情况下，在整个观察区域获得几乎均匀的照度分布。虽然与如图11所示的不使用柱状透镜显示2D图像的情况相比，在如图11所示使用两个柱状透镜显示2D图像的情况下，可以识别对非显示区域进行放大地投影的区域、或者非2D可视范围，但是，除了在不使用透镜的情况下的较暗部分(dark portion)，可以获得相似的结果。
也就是说，如果避开了前面提到的2D可视范围，则即使在使用两个透镜的情况下，也会将具有彼此相等的照度的光输入到右眼和左眼，这表示即使在图4所示的实际切换显示装置1中的左眼象素和右眼象素都用作独立的象素，并且显示高分辨率的2D图像，通过适当地选择观察位置，以及例如从图10所示的A-A位置位置进行观察，可以使相同的图像输入左眼和右眼，观察者可以较好地识别2D图像。
此外，如图10所示，对于3D图像和2D图像而言，在显示单元的中心象素上的仿真结果与在末端象素上的仿真结果大体一致。因此，在整个显示屏幕上可以实现均匀的显示。当对在具有图10所示结果的仿真中设想的切换显示进行组装而将显示单元一侧的柱状透镜固定到LCD单元上时，显而易见的是，通过将两个柱状透镜设置在用于显示2D图像的状态，并且将柱状透镜调整到从其两只眼睛的距离为65mm的观察者的前方观察到的、使LCD单元的亮度最小的位置，可以精确地排列显示单元一侧的柱状透镜。
以下将描述本发明的各个结构元件的限定值的原因。
在第一柱状透镜部分和第二柱状透镜部分之间的间隙等于或者小于虚拟柱状透镜的透镜元件的焦距的20％在使用两个透镜的情况下，象素位于比第一透镜的焦距更近的位置，以致于从第一透镜的一个突出部分输出的光按照较宽的范围进入第二透镜。因此，在透镜之间的间隙的增加使入射到、除了排列在面对第一透镜中光从中输出的突出部分的位置上的第二透镜的突出部分之外的、第二透镜的其他突出部分上的光的量增加，从而降低了特性。例如，将从图9所示的突出部分32c输出的大部分光输入到突出部分31b、31d等。因此，需要将透镜间的间隙设置在给定的范围内。
为了研究在对两个柱状透镜进行排列的情况下，在Z轴方向的容许误差，即在两个柱状透镜之间的距离，通过改变这两个透镜在Z轴上的位置来进行仿真。在将观察者一侧的柱状透镜的位置在Z轴的正方向，设置为5μm、50μm、100μm和500μm的情况下，进行与以上所述的仿真相似的仿真。在图12中示出了结果。
图12是示出该仿真结果的曲线图，其中在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用观察位置的照度，以及，图13是示出在柱状透镜之间的距离对3D图像的显示质量的影响的曲线图，其中，水平轴示出了观察者在柱状透镜的Z轴上的位置，垂直轴示出了对比率CR。在图12所示的仿真结果中，在两只眼睛中心位置x＝0mm(即右眼的位置为x＝-32.5mm，左眼的位置为x＝32.5mm)、并且将两只眼睛的距离设置为65mm的情况下计算的对比率的结果是在图10示出的“0mm”处所看到的结果。在两只眼睛的中心位置x＝25.5mm(即右眼的位置为x＝-7mm，左眼的位置为x＝58mm)、并且两只眼睛之间的距离设置为65mm的情况下计算对比率的结果是在图10示出的“25.5mm”所看到的结果。
将色度亮度干扰作为用于定量地估算显示特性的指标(index)。由对比率CR来估算色度亮度干扰，并且值CR的绝对值越大，色度亮度干扰越少出现，从而实现了较好的3D显示。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来定义对比率CR。依据在NHK STRL R&D，Vol.2，p.13-17，1993中由Haruo Isono所写的标题为《3D Display Without Multiple-eye glasses》的文档，对比率CR应该小于大约-7.8dB，或者{右眼图像的亮度/左眼图像的亮度}＜1/6，以便确保较好的3D显示。
CR=10×log(iRiL)]]>如图12所示，在观察者一侧的柱状透镜的位置为z≤100μm情况下，即使透镜之间的距离增大，也不会看到显示特性的较大变化。然而，在观察者一侧的柱状透镜的位置变为z≤500μm的情况下，虽然当观察位置在区域-35≤x≤35mm的区域中时，可以获得与在z≤100μm的情况下所获得的结果几乎相同的结果，但是降低了在其他区域中的显示特性。
如图13所示，在将右眼和左眼的位置设置在x＝±32.5mm，即两只眼睛中心位置在x＝0mm的情况下，即使透镜的位置在500μm，也不会出现特性的显著恶化。考虑在±60mm的范围内对右眼和左眼已经进行移动的情况，需要在两只眼睛的中心位置为x＝25.5mm的情况下进行估算。在如图13所示的两只眼睛的中心位置为x＝25.5mm的情况下，随着透镜间隙增加，可以看到性能的恶化，当观察者一侧的柱状透镜的位置变为z＝500μm时，特性变得显著地降低。如从图13中显而易见，优选的是，应该将柱状透镜之间的间隙设置在320μm以内，以便即使在±60mm的观察区域的末端，也可以实现CR＜-7.8dB。
由于该值是在此仿真中为显示单元和透镜设置的容许值，因此，可以由普通的指标(index)表达容许值。通常，焦距是成为在光轴方向上的透镜长度的参考的量。在此仿真中，对于两只眼睛之间的距离的容许值为320μm，以及从等式16可见，等于透镜厚度H的透镜的焦距f为1.57mm。因此，在两只眼睛之间的距离的容许值等于焦距的20％。换句话说，优选的是，在两只眼睛之间的距离的容许值应该处于焦距的20％之内。
位于第一柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴和位于第二柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴之间的偏差量等于或者小于第一柱状透镜部分的透镜元件的排列周期(layout cycle)的12％为了研究在排列两个柱状透镜的情况下在X轴方向上的容许误差，即在执行3D显示时在两个柱状透镜的光轴之间的距离的容许值，通过改变透镜在X轴方向上的位置来进行仿真。具体地说，当相对于显示单元一侧的柱状透镜，将在观察者一侧的柱状透镜的位置按照X轴的方向，改变到x＝0μm、±30μm、±50μm、以及±100μm时进行仿真。注意x＝0表示如从与柱状透镜的光轴平行的方向可以看到，观察者一侧的柱状透镜的中心与显示单元一侧的柱状透镜的中心匹配，并且两个柱状透镜的光轴相互一致的情况。
图14是示出该仿真的结果的曲线图，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度，图15是示出柱状透镜之间的距离对3D图像的显示质量的影响，其中，水平轴示出观察者在柱状透镜的X轴上的位置，垂直轴示出对比率CR。虽然图14和1 5示出了在x≥0的范围内的仿真结果，但是在x＜0的范围内的仿真结果与在x≥0的情况下的仿真结果相同。
从图14中显而易见当透镜之间的位置偏差变得越大时，特性从靠近观察区域的中心附近开始降低。此现象看来是由于从显示单元一侧的透镜的一个突出部分、向与此突出部分面对的观察者一侧的透镜的突出部分相邻的突出部分传播的杂散光的增加所造成的。如图15所示，为了实现对比率CR＜-7.8dB，应该将柱状透镜的偏差量设置为±60μm或者更低。
由于该值是按照Z轴方向的情况，为显示单元和透镜在仿真中设置的容许值，因此，由普通的指标(ordinary index)来表达该容许值。通常，透镜节距是成为在与透镜的光轴垂直的方向上的柱状透镜的长度的参考的量。在仿真中，在透镜之间的偏差量的容许值为±60μm，并且透镜节距L是0.4782mm，因此，在X轴方向上的透镜偏差量的容许值等于透镜节距的12％。换句话说，优选的是，应该将两个透镜的光轴之间的偏差量设置在透镜节距的12％之内。
如上所述，依据本实例的3D图像/2D图像切换显示装置通过组合两个被组合的柱状透镜，并且将柱状透镜中的一个相对于另一个柱状透镜按照与光轴垂直的方向移动透镜节距的一半，可以在显示3D图像和显示2D图像之间进行切换。因此，切换显示装置不需要大尺寸的切换装置来对图像显示进行切换。透镜较短的移动距离有助于使切换显示装置更薄、更小和更轻，并且降低了成本。透镜的较短的移动距离还可以确保在显示3D图像和显示2D图像之间进行快速的切换。此外，由于不存在干涉光通过区域的切换装置，因此，显示质量不会变低。
与诸如在日本专利待审公开No.068961/1996和日本专利待审公开No.112273/1992中描述的现有技术相比，本实施例既不需要泵，也不需要容器等，而在上述的现有技术中，需要注入或者排出具有与柱状透镜的材料相同的折射率的液态物质。因此，本实施例可以降低装置的尺寸和成本。既不需要注入也不需要排出液态物质可以确保对图像显示的快速切换，并且不会产生不完全注入和不完全排出的问题，因而确保了较高的显示质量。此外，与其中使柱状透镜和图像显示单元之间的距离可变的日本专利待审公开No.197343/1997相比，本实施例不需要使距离可变的空间，并且可以使装置更薄。此外，由于不需要昂贵的纤维面板，因而成本可以更低。简而言之，本实施例可以提供具有诸如外形薄、尺寸小、重量轻、快切换、高质量显示、以及低成本的特征的3D图像/2D图像切换显示装置。
因此，依据本实施例的3D/2D图像切换显示装置可以适用于诸如便携式电话的便携式设备，并且可以显示都较好的3D图像和2D图像。与将该装置用于较大的显示设备不同，当将依据本实施例的3D图像/2D图像切换显示装置用于便携式设备时，观察者可以任意地调整他的两只眼睛和显示屏幕之间的位置关系，从而可以快速地找到最佳的可视范围。
虽然依据本实施例的切换显示装置具有作为光源设置的背光，但是可以设置前光来替换背光，在这种情况下，考虑到入射到LCD单元上的光束，优选的是，将光源设置在显示单元一侧的柱状透镜的末端部分，并且使来自光源的光被输入到显示单元一侧的柱状透镜。此时，显示单元一侧的柱状透镜的不规则表面充当使入射光向LCD单元散射的沟槽，从而不需要特别为前光形成沟槽。
依据本实施例的便携式终端设备可以适合于诸如便携式终端、PDA、游戏机、数字相机、数字录像机、以及便携式电话的便携式终端设备。此外，除了LCD单元之外，还可以将有机场致发光显示单元、等离子体显示单元、CRT显示单元、LED显示单元、场发射显示单元、PALC(等离子体寻址液晶)等用作显示单元。即使在使用LCD单元的情况下，不仅可以使用普通透射型LCD单元，还可以使用反射型LCD单元、半透射(transflective)型LCD单元、处处可见半透射型(visible everywheretransflective type)LCD单元等。依据本实施例的便携式终端设备还可以适用于诸如印刷品(print)的静止图像。
下面，将描述本发明的第二实施例。图16是示出依据该实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图。图17是示出对图16所示的装置进行仿真的结果的曲线图，其中在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的亮度。本实施例的特征在于在显示2D图像时，将柱状透镜的位置相对于显示单元中的象素，从显示3D图像时的位置移动透镜节距的四分之一(1/4)。
依据第一实施例，由于如图10所示，在显示2D图像时也对象素的非显示区域进行放大，在2D可视范围中产生了其中不能够识别2D图像的非2D可视范围。由于该非2D可视范围与3D可视范围重叠，2D可视范围和3D可视范围相互偏离。因此，在显示3D图像和显示2D图像之间进行切换时，为了观察应该移动观察点，这会较麻烦。
为了解决这一问题，非2D可视范围和3D可视范围不应该相互符合。存在两种可能方法来实现这一目的。第一方案是将在显示2D图像时的透镜位置相对于显示单元移动透镜节距的1/4。第二方案是将3D可视范围设置得较大。在以下的第二实施例的描述中，将讨论第一方案。
依据第一实施例，通过将两个柱状透镜相互移动透镜节距的一半获得的虚拟透镜的曲面具有原始柱状透镜的节距的一半，并且该虚拟透镜的光轴与每一个象素的中心一致。结果，将观察位置的中心作为中心，对象素进行放大地投影。因此，依据第二实施例，如图16所示，将两个柱状透镜的位置和象素的位置沿着方向11移动透镜节距的1/4。结果，将等价的虚拟透镜的曲面的光轴相对于每一个象素的中心移动透镜节距的1/4。因此，还将放大的图像的中心移动已放大的透镜节距的1/4。这可以使2D可视范围和3D可视范围相互一致。
如图16所示，当依据本实施例的3D图像/2D图像切换显示装置使用与第一实施例中所使用的相同的LCD单元2、柱状透镜单元31和32时，不将显示单元一侧的柱状透镜32贴附于LCD单元2，而按照离LCD单元2诸如大约20μm的间隙进行排列。此外，还将用于按照透镜排列方向11移动显示单元一侧的柱状透镜32的执行装置6连接到柱状透镜32。除了以上提到的之外的本实施例的切换显示装置的其他结构与第一实施例的结构相同。
下面将对依据本实施例的切换显示装置的操作进行描述。在显示3D图像时，对执行装置进行操作，从而使两个柱状透镜的光轴与在显示屏幕中心的一对象素的中心匹配。在显示2D图像时，通过驱动相关的执行装置，将显示单元一侧的柱状透镜32的光轴按照方向11移动透镜节距的1/4，并且通过驱动相关的执行装置，将观察者一侧的柱状透镜31的光轴按照与柱状透镜32的移动方向相反的方向，移动透镜节距的1/4。结果，将柱状透镜31的光轴和柱状透镜32的光轴移动透镜节距的一半，以及将等价于两个透镜的单个透镜的光轴相对于每一个象素移动透镜节距的1/4。
只要两个透镜按照相反的方向移动，不管每一个透镜的移动方向，都可以获得相同的结果。除了以上讨论的操作之外的本实施例的切换显示装置的其他操作与第一实施例的操作相同。上述的操作可以使在显示3D图像时的3D可视范围与在显示2D图像时的2D可视范围一致，从而实现极佳的3D图像显示和2D图像显示。
图17示出了对图16所示的光学系统进行计算机辅助仿真的结果。除了以上提到的条件之外的仿真中的其他条件与在第一实施例中的仿真条件相同。如图17所示，第二实施例的仿真结果示出2D可视范围与3D可视范围相互匹配。
由于本实施例明显地可以允许2D可视范围与3D可视范围匹配，因此，在显示3D图像和显示2D图像之间进行切换时，不需要变换观察点。除了以上所提到的效果之外，本实施例的切换显示装置的其他效果与第一实施例相同。
下面将讨论依据本发明的第三实施例，如18是示出依据该实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，并且示出了3D图像显示状态。如图18所示，依据本实施例的切换显示装置与依据第二实施例的切换显示装置的不同之处在于执行装置连接到LCD单元2和显示单元一侧的柱状透镜32。除了此不同之外，本实施例的其他结构与第二实施例中结构相同。
因此，本发明的切换显示装置通过移动LCD单元2和显示单元一侧的柱状透镜32，而不是如在第二实施例中的切换显示装置所作的移动两个柱状透镜31和32，在显示3D图像和显示2D图像之间进行切换。具体地说，在显示3D图像时，对连接到柱状透镜32上的执行装置6和连接到LCD单元2上的执行装置进行操作，从而使两个柱状透镜的光轴与在显示屏幕中间的象素之间的部分一致。在显示2D图像时，对连接到柱状透镜32上的执行装置6进行操作，以便将柱状透镜32的光轴按照透镜元件的排列方向11移动透镜节距的一半，并且对连接到LCD单元2上的执行装置6进行操作，以便将LCD单元2的位置按照与柱状透镜32的移动方向相反的方向移动透镜节距的1/4。结果，在柱状透镜31、柱状透镜32以及LCD单元2之间的相对位置关系变得与在第二实施例中显示2D图像时所获得的位置关系相同。除此之外的本实施例的其他操作与第二实施例中的操作相同。
在使装置的最上面的表面可移动的情况下，很有可能会由于灰尘的影响而造成操作故障。因此，这就需要为观察者一侧的柱状透镜另外在观察者一侧设置保护板，在这种情况下，保护板的厚度增加了该装置的整个厚度。因此，依据本实施例，对观察者一侧的柱状透镜进行固定，并且将执行装置连接到显示单元一侧的柱状透镜、以及LCD单元，以便使两者都可以移动。这可以使观察者一侧的柱状透镜具有保护板的能力，并且因而使整个装置变薄。观察者一侧的柱状透镜还可以具有触摸板或者前光的能力。特别地，在提供前光的能力的情况下，可以在观察者一侧的柱状透镜的观察者一侧的较平的面上设置用于将光向LCD单元散射的沟槽，或者可以由柱状透镜的不规则表面将光向LCD单元散射，从而消除对形成这样的沟槽的需要。
从以上所述显而易见，本实施例可以使在显示3D图像时的3D可视范围与在显示2D图像时的2D可视范围一致，因而可以实现薄且高度可靠的3D图像/2D图像切换显示装置。除以上提到的之外的本实施例的其他效果与第二实施例中的效果相同。
下面，将描述本发明的第四实施例。图19是示出依据本发明的实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，并且示出了3D图像显示状态。在该实施例的描述中，将讨论在前面对第二实施例的描述中提到的、使3D可视范围与2D可视范围一致的第二方案，即将3D可视范围设置得较大的方案。如图19所示，使本实施例的切换显示装置中的柱状透镜31和32的焦距比依据第一实施例的切换显示装置的焦距更短。除了此差别之外的其他结构与第一实施例中的结构相同。
本实施例使3D可视范围大于第一实例中的3D可视范围。当3D可视范围变得越大时，2D可视范围不可避免地变得更大。对3D可视范围和2D可视范围进行设计，以便使它们在观察者的两只眼睛的位置上相互重叠。下面将讨论设计方案。假定在图10中，左眼位于例如x＝32.5mm，右眼位于例如x＝-32.5mm。在这种情况下，两只眼睛位于非2D可视范围，在该范围中，对在2D显示中的非显示区域进行放大地投影，从而使观察者不能够识别2D图像。在以X＝0的位置作为中心，按照±X方向对3D图像和2D图像进行放大时，在图10中的±x方向对在位置-20≤x≤20mm上的2D可视范围进行放大，并且2D可视范围的末端到达两只眼睛的位置(x＝±32.5mm)，从而使观察者可以识别2D图像。然而，当进一步对图像进行放大时，在位置-50≤x≤-10mm的3D可视范围被按照-x方向移动，以致于离开了右眼(x＝-32.5mm)的位置，从而观察者不能够识别3D图像。
图20A和20B是示出3D可视范围和2D可视范围的容许范围的典型曲线图，其中，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度。假定WBM是两个相邻的象素的非显示部分的总宽度，Weye是两只眼睛之间的距离，则图20A所示的3D可视范围的容许宽度W3D是从眼睛的位置到非2D可视范围的距离，并且由以下的等式20给定。2D可视范围的容许宽度W2D是从眼睛到非2D可视范围的距离，并且由以下的等式21给出。
W3D=Weye2-e×WBM2×P]]>[等式21]W2D=e2-Weye2-e×WBM2×P]]>W3D和W2D相互匹配的情况是可以在最大的范围内识别3D图像和2D图像的情况。此时，满足以下的等式。这等价于将3D可视范围设置为两只眼睛之间的距离的两倍。
e＝2×Weye以下将描述依据上述设计的本实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的尺寸的一个实例。例如，柱状透镜的曲率半径为0.74mm，透镜节距为0.4791mm。此外，显示单元一侧的透镜板的厚度为0.3mm。该切换显示装置的其他部分的尺寸与前面示出的第一实施例中的尺寸相同。当此3D图像/2D图像切换显示装置按照与第一实施例中所作的相同的方式进行操作，并且在离柱状透镜400mm的位置进行观察时，在显示3D图像时和显示2D图像时都可以进行观察，而不需要改变观察点。可以确保在任一情况下的可视范围为离可视范围中心±18mm，这可以使3D可视/2D可视切换显示装置提供较宽的观察范围。
下面将描述本发明的第五实施例。图21A和21B是显示依据本发明的该实施例的3D图像/2D图像切换显示装置。图21A示出2D图像显示状态，图21B示出3D图像显示状态。图22是示出透镜的形状的曲线图，其中在水平轴上采用与光轴垂直的透镜上的位置，垂直轴采用在该位置上的透镜高度。图23是示出从一个象素的一个末端部分中输出的光的路径的图，图24是示出从该象素的另一末端部分输出的光的路径的图，以及，图25是示出从该象素的中心部分输出的光路径的图。此外，图26是示出对图21A和21B所示的装置进行仿真的结果的曲线图，其中在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度。
如图21A和21B所示，依据本实施例的切换装置的特征在于两个柱状透镜的其中之一是凹面型柱状透镜。在依据本实施例的切换显示装置中，将凸面型柱状透镜32设置在LCD单元一侧，另外将凹面型柱状透镜33设置在相对于双透镜32的观察者一侧。将执行装置连接到凹面型柱状透镜33，从而使柱状透镜33可以按照作为透镜元件的内凹部分的排列方向移动。凸面型柱状透镜32的焦距的绝对值大约等于凹面型柱状透镜33的焦距的绝对值。除了该不同之外的该实施例的其他结构与第一实施例的结构相同。
下面将描述依据本实施例的切换显示装置的操作。为了显示2D图像，如图21A所示，对柱状透镜32和33进行排列，从而使凸面型柱状透镜32的光轴与凹面型柱状透镜33的光轴匹配。该排列使两个柱状透镜的透镜作用相互抵消，从而实现2D显示。为了显示3D图像，如图21B所示，对柱状透镜32和33进行排列，从而使凸面型柱状透镜32的光轴从凹面型柱状透镜33的光轴移动透镜节距的一半。这防止如在显示2D图像所作的两个柱状透镜的透镜效果的相互抵消，因此可以确保较好的3D显示。
现在将对如何设计本实施例中的柱状透镜进行详细的描述。为了实现较好的2D显示而对透镜进行的限制较简单，这只要使凹透镜的焦距的绝对值与凸透镜的焦距的绝对值一致。因此，我们来考虑用于实现较好的3D显示的条件。
在对凹面型柱状透镜和凸面型柱状透镜进行排列，以便使它们相互移动透镜节距的一半的情况下，等价于这两个透镜的单个的虚拟透镜(此后被称为“组合透镜”)具有如图22所示几乎线性的形状。因此，在显示3D图像时，组合透镜具有与包括按照透镜节距排列的多个棱镜的棱镜板的能力。因此，只要对路径的倾斜角(倾角)进行设计就足够了。与透镜不同，在棱镜的情况下，来自象素的一个点的光被投影到观察平面，而不经过聚焦作用，因而会变为一束光(a bundle of light)，从而投影的图像的照度分配被预期为具有象山一样的形状。为了使3D显示的效果最好，应该将山顶的位置设置为眼睛的位置，这等价于来自象素中心的光被分散，并且将被分散的光在位置x＝±(e/2)周围宽度为e的范围上分散的情况。
此时，如图23所示，当右眼象素和左眼象素之间的边界为x＝0时，由棱镜板34或者组合透镜将位于与右眼象素42相关的左眼象素(未示出)较远处的、此右眼象素42的一侧的末端(图中的右手端)发出的光投影到观察平面上的区域-3×e/2≤x≤-e/2。如图24所示，由棱镜板34将位于与象素42相关的左眼象素较近处的、此右眼象素42的另一侧的末端(图中的左手端)投影在观察平面上的区域-e/2≤x≤e/2。如图25所示，由棱镜板34将从右眼象素42的中心发出的光投影到观察平面上的区域-e≤x≤0。假定棱镜的倾斜角为θ，则依据Snell定律，满足以下的等式23。
n×sin(θ-α2)=sinθ]]>使用在第一实施例中的值，则棱镜的倾斜角θ变为θ＝13.1°。现在将对通过将凹透镜的光轴与凸透镜的光轴相互移动透镜节距的一半来实现倾斜角θ的方法进行描述。如图22所示，在将具有曲率半径R的透镜相互移动透镜节距的一半的情况下，由以下的等式24给出在包括光轴的横截面中的凸透镜表面f(x)，以及由以下的等式25给出凹透镜表面g(x)。因此，由以下的等式26给出组合透镜的透镜表面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]]>依据等式26可以推导出以下给出的等式27和28。结果，由以下的等式29表达倾斜角θ。用以下的等式29求解曲率半径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(θ)=4×(R-R2-(L2)2)L]]>[等式30]R=L×{1+(tanθ2)2}2tanθ]]>例如，如果将前述的值即倾斜角θ＝13.1°，以及透镜节距L＝0.4782mm代入等式30中，则曲率半径变为等于1.03mm，这等价于在使用单个柱状透镜的曲率半径r＝0.5161的大约两倍。
为了研究该设计的适当性，执行计算机辅助仿真。在该仿真中所使用的光学模型与在第一实施例的仿真中所示的光学模型的不同在于将凹面型柱状透镜用作观察者一侧的柱状透镜，并且通过对两个柱状透镜进行排列，以使它们的光轴相互一致来实现2D显示，而通过对两个柱状透镜进行排列，以使它们的光轴相互移动透镜节距的一半来实现3D显示。除了前面提到的几个条件之外的仿真中的其他条件与在第一实施例中仿真相同。在图26中说明了仿真结果。
如图26所示，仿真结果示出对于2D显示和3D显示，在显示屏幕中心的显示特性与在显示屏幕末端的显示特性大致匹配。因此，切换显示装置可以实现在整个显示屏幕上的均匀显示。在2D显示的情况下，不可以观察到在第一实施例中观察到的非显示区域的放大的区域(见图10)，并且获得与不使用透镜的情况下获得的照度分布相似的均匀的照度分布。
从如上所述显而易见，与其中使用两个柱状透镜的情况相比，本实施例可以实现极佳的2D图像显示，其中不对象素的非显示区域进行放大地投影。本实施例还可以确保3D图像显示。因此可以实现3D图像/2D图像切换显示装置。
虽然如同第一实施例，在本实施例中观察者一侧的柱状透镜或者凹面型柱状透镜33是可移动的，但是也可以象第二和第三实施例那样，使LCD单元和显示单元一侧的柱状透镜、或者凹面型的柱状透镜32为可移动的。此时较重要的是在显示3D图像时，右眼象素、左眼象素和凸面型柱状透镜的突出部分的相对排列，并且在右眼象素和左眼象素之间的边界部分应该与相关的突出部分的中心匹配。只要依照此规则，凸面型柱状透镜或者凹面型柱状透镜中的任何一个可以排列在显示单元一侧，或者可以使任一透镜为可移动的。在将凸面型柱状透镜排列在显示单元一侧的情况下，通过对凸面型柱状透镜进行排列，可以实现精确的排列，从而可以观察到具有较好质量的在显示单元上显示的3D图像。
下面将描述对第五实施例的修改。图27A和27B是示出依据该修改的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图。图27A示出2D图像显示状态，图27B示出3D图像显示状态。在该修改中，以上所述的第五实施例的技术可以适合于多视(multi-view)型切换显示装置。“多视型”是其中除了右眼象素和左眼象素之外还准备一种或者多种的象素，从而使三个象素或者更多的象素与柱状透镜的单个的透镜元件相关。
如图27A和27B所示，例如，四种象素401到404按照指定的顺序，沿着方向11在LCD单元2的LC层24上周期性地排列。柱状透镜32中的一个突出部分32a和柱状透镜33中的一个突出部分33a与每一个由四个象素401到404组成的象素组相对应。除了此特别的排列之外的本修改的其他结构与第五实施例相同。
下面将对依据本修改的切换显示装置的操作进行讨论。如图27A所示，为了显示2D图像，使凸面型柱状透镜32的光轴与凹面型柱状透镜33的光轴一致。然后，使用作为独立的象素处理的象素401到404来显示相同的2D图像。由于此时凸面型柱状透镜32和凹面型柱状透镜的透镜效果相互抵消，从象素401到404输出的光按照相同的方向传播。
另一方面，如图27B所示，作为比较，在显示3D图像时，将凸面型柱状透镜32的光轴从凹面型柱状透镜33的光轴移动透镜节距的一半。因此，柱状透镜32和33充当按照第五实施例的棱镜。然后，象素401到404分别显示四种不同的图像。此时，凸面型柱状透镜32和凹面型柱状透镜33产生棱镜效果，并且按照第一方向输出来自象素401的光，按照第二方向输出来自象素402的光，按照第三方向输出来自象素403的光，并且按照第四方向输出来自象素404的光。因此，当观察者改变观察点时，观察者可以识别四种图像。结果，在显示对象(subject)的图像时，例如，可以进行显示，以致于在从前方对切换显示装置进行观察时，可以识别从前方看到的对象的图像，在从倾斜的方向对切换显示装置进行观察时，可以识别从倾斜方向看到的对象的图像。除了以上已经讨论的操作和效果之外的本修改的其他操作和效果与第五实施例的操作和效果相同。象素的种数不局限于四个，而可以使用三种、五种或者更多种。
下面将描述本发明的第六实施例。图28A和28B是示出依据该实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图。图28A示出2D图像的显示状态，图28B示出3D图像的显示状态。图29是示出对图28A和28B所示的装置进行仿真的结果的曲线图，在水平轴上采用观察位置，在垂直轴上采用在观察位置上的照度。
如图28A和28B所示，与第一实施例相比，本实施例的特征在于使用两个板状构件(plate-like member)(此后被称为“棱镜板”)来替代两个柱状透镜，在所述的两个板状构件中的每一个中，按照一个方向延伸的棱镜状的光学元件相互平行地排列。两个棱镜板35具有相同的形状。将两个棱镜板35中排列在显示单元一侧的一个棱镜板固定在LCD单元2上，并且将执行装置(未示出)连接到排列在观察者一侧的另一棱镜板上，从而使观察者一侧的棱镜板35可以按照棱镜状的光学元件的排列方向11移动。每一个棱镜板35的倾斜角是在第五实施例中的虚拟棱镜的倾斜角(θ＝13.1°)的一半。除了以上提到的结构之外的本实施例的其他结构与第五实施例中的结构相同。
下面将描述依据本实施例的切换显示装置的操作。在如图28A所示，切换显示装置显示2D图像的情况下，对两个棱镜板35进行排列，从而使显示单元一侧的棱镜板35的顶点与观察者一侧的棱镜板35的谷底(trough)匹配。这使两个棱镜板35的棱镜作用相互抵消，从而确保2D显示。
如图28B所示，在显示3D图像的情况下，对两个棱镜板35进行排列，从而使棱镜板35的顶点相互匹配。与其中棱镜效果相互抵消的2D显示的情况不同，这使两个棱镜板35等价于具有倾斜角θ为13.1°的单个的虚拟棱镜板35，从而可以按照第五实施例实现较好的3D显示。
图29示出使用以上所述的光学模型进行计算机辅助仿真的结果。除了以上所提到的条件，在仿真中的其他条件与在第一实施例的仿真中的条件相同。从图29中显而易见，与第五实施例的仿真结果类似(见图26)，仿真的结果在2D显示和3D显示时，都示出了较好的效果。
与柱状透镜相比，由于棱镜板具有简单的形状，因而可以按照较低的成本来制造。因此，本实施例可以实现3D图像/2D图像切换显示装置的低成本的制造。除了以上所提到的效果之外，本实施例的切换显示装置的其他效果与第五实施例的效果相同。
下面将描述本发明的第七实施例。图30A和30B是示出依据该实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图。图30A示出3D图像显示状态，图30B示出2D图像显示状态。图31A和31B是示出3D图像/2D图像切换显示装置的俯视图，图31A示出3D图像显示状态，而图31B示出2D图像显示状态。
如图30A、30B、31A、以及31B所示，与第一实施例相比，依据本实例的切换显示装置具有两个凸面型飞孔透镜38和39来替换两个柱状透镜。“飞孔透镜”是具有按照矩阵形式排列的普通透镜的透镜。在包括两个飞孔透镜38和39的焦点的平面上设置LCD单元2。LCD单元2具有分别示出不同的图像的四种象素44到47。每一个象素44到47两个两个地排列，以便构成一个象素组，每一组象素或者每一个象素组与飞孔透镜的每一个透镜元件对应。这实现了全影摄影术(integral photography)的方案。将两套执行装置(未示出)连接到观察者一侧的飞孔透镜38，从而使飞孔透镜38可以相对于飞孔透镜39，按照与显示单元一侧的飞孔透镜39垂直的任意方向移动。
下面将描述依据本实施例的切换显示装置的操作。如图30A和31A所示，在显示3D图像的情况下，对飞孔透镜38进行排列，从而使飞孔透镜38的每一个透镜元件的光轴与飞孔透镜39的相关的透镜元件的光轴一致。因此，两个凸面型飞孔透镜38和39充当单个的虚拟飞孔透镜。结果，凸面型的飞孔透镜38和39分别按照第一和第四方向，输出来自象素44到47的光。
如图30B和31B所示，在示出2D图像的情况下，对飞孔透镜38进行排列，从而使其从飞孔透镜39按照屏幕的左右方向或者屏幕的上下方向移动透镜节距的一半，或者同时按照屏幕的左右方向和上下方向移动透镜节距的一半，结果使飞孔透镜38的光轴从飞孔透镜39的光轴移动透镜节距的一半。因此，两个凸面型飞孔透镜38和39充当单个的虚拟飞孔透镜。结果，凸面型的飞孔透镜38和39分别按照第一和第四方向输出来自象素44到47的光。这可以依据与第一实施例相似的原理，使2D图像得以显示。
在如同第一实施例，将所设置的两个柱状透镜中的一个按照它的突出部分的排列方向进行移动时，可以只按照一个方向来分配要由多种象素显示的多个图像。如果按照左右方向对两种图像进行分配，以使不同的图像输入到右眼和左眼，则可以实现3D显示。如果按照左右方向对多种图像进行分配，以便当观察点按照左右方向移动时，可以识别不同的图像，则可以实现非常复杂的3D感觉。然而，第一实例所示出的结构除了在柱状透镜的突出部分的排列方向之外，不能够在其他方向分配图像。
作为比较，依据第七实施例，设置了两个飞孔透镜，并且按照这些凸面型透镜的透镜元件的排列方向对多种象素进行排列，从而使多个象素可以按照两个或者两个以上的方向分配。如果设置的执行装置不仅可以在水平方向移动透镜，而且可以在垂直方向移动透镜，则可以在水平3D感觉和垂直3D感觉之间进行选择。即，如果除了左右方向之外，还按照上下方向来分配图像，则即使按照与对于切换显示装置的屏幕的法线垂直的方向来显示图像的情况下，也可以实现3D显示。即，即使在通过改变屏幕布局的垂直边和水平边进行观察的情况下，也可以在分别对这些屏幕布局而言最佳的3D显示和2D显示之间进行选择。例如，在将切换显示装置安装在配备有照相机的便携式电话的情况下，当将该电话用作普通的便携式电话时，将屏幕垂直地排列，以便显示3D图像和2D图像，而当将便携式电话用作照相机时，考虑到3D CCD(电荷耦合装置)的排列，对屏幕进行水平地排列，以便显示3D图像和2D图像。例如，如果在斜上方观察屏幕时，对从斜上方看到的对象的图像进行识别，则观察者可以在上下方向上获得3D的感觉。如果按照任意的倾斜方向对象素进行排列，并且使飞孔透镜38可以在任意的倾斜方向移动，则可以在每一个方向上，在显示3D图像和显示2D图像之间进行切换。结果，当不仅在左右方向，而且在上下方向和倾斜方向对图像进行观察时，观察者都可以得到3D的感觉。
在如同本实施例，使用全影摄影术的情况下，优选的是，使用时分显示系统(场序制显示系统)。时分显示系统是通过使按照RGB三种颜色背光闪烁，按照时序加法表达颜色而不需要使用滤色器的方法。最好选用时分显示系统的原因是在全影摄影术中，飞孔透镜按照上下方向、以及左右方向对象素进行放大地投影。在使用序数滤色器的平面区分(plane division)型颜色显示装置中，与滤色器的条带的延伸方向平行的透镜部分(lens component)干扰了放大的图像的色素(color element)，因此产生了颜色干扰，并且使可视性恶化。通过比较，时分显示系统可以使用单一的方式显示全色，因此，不会产生这样的问题。虽然时分显示系统需要至少三倍的正常驱动频率，但是该系统可以将象素的数量降低到1/3，并且消除对滤色器的需要，从而具有诸如不会受到滤色器造成的光吸收的优点，并且节省了功率消耗。由于具有这些特征，时分显示系统可以适合于以上所述的第一到第六实施例，以及稍后将描述第八到第十二实施例。
下面将描述本发明的第八实施例。如图32是示出依据该实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图，并且示出3D图象显示状态。图33是示出该切换显示装置的光学模型的图。如图32所示，本实施例的切换显示装置具有与LCD单元2的玻璃基板25结合形成的两个柱状透镜中的一个，即柱状透镜12。可以使用2P模制法等作为在LCD单元2的玻璃基板25上设置柱状透镜的方法。具体地说，准备具有要模制的透镜的形状的倒置图案的模具，并且将脱模制和光电固化树脂涂在模具上，并且紧紧地附着在显示单元之上。然后，对树脂进行固化和分离，并且将柱状透镜的图案转移到显示单元上。
在按照这种方式准备柱状透镜的情况下，由显示单元的基板的厚度限制了透镜的位置。在这一点上，如图32所示，可以对观察者一侧的柱状透镜进行排列，并且使该双透镜表面朝向观察者一侧。在图33所示的光学模型的显示屏幕的中心部分，从Snell定律和几何关系可以推导出以下的等式31到36。
假定H1是从象素41和42到显示单元一侧的柱状透镜32的透镜表面的距离，H2是从象素41和42到观察者一侧的柱状透镜31的透镜表面的距离，并且两个柱状透镜可以被看作单个的虚拟柱状透镜，让H为从象素41和42到虚拟柱状透镜的透镜表面的距离，让D等于从象素41和42到虚拟柱状透镜的距离，让n为透镜的折射率，让L1为显示单元一侧的柱状透镜32的透镜节距，让L2为观察者一侧的柱状透镜31的透镜节距，让P为象素41和42中的每一个的宽度，让ΔP为在柱状透镜32的中心与从位于离象素41较远的一侧的象素42的末端输出的光通过透镜32的位置之间的距离，并且让Δe为柱状透镜31的中心与从位于离象素41较远的一侧的象素42的末端输出的光通过透镜31的位置之间的距离。
此外，让WL1等于从位于柱状透镜31的中心的突出部分的中心到位于透镜31的末端的突出部分的中心的距离，让WL2等于从位于柱状透镜32的中心的突出部分的中心到位于透镜32的末端的突出部分的中心的距离，让WP等于位于LCD单元中心的一对左眼象素和右眼象素42的中心位置、与位于LCD单元2的末端的象素对的中心位置之间的距离，让α和β分别等于位于柱状透镜32的中心的突出部分的光的入射角和输出角，让β和γ分别为位于柱状透镜31的中心的突出部分的光的入射角和输入角。让δ和ε分别等于位于柱状透镜32的末端的突出部分的光的入射角和输出角，让ε和φ分别等于位于柱状透镜31的末端的突出部分的光的入射角和输出角，让C1等于在距离WP和距离WL1之间的差，让C2等于距离WP和距离WL2之间的差，并且让2m等于包括在距离WP的区域内的象素的数量。
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，对于显示屏幕末端，可以类似地推导出以下的等式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，假定满足以下的等式42。
H2-H1＝H然后，使用在第一实施例中所使用的值H＝1.57mm(即从象素41和42到虚拟透镜的透镜表面的距离值H)、象素节距P＝0.24mm，折射率n＝1.49，距离D＝280mm，3D可视范围的宽度e＝65mm，以及m＝60对等式31到42进行求解。因此，得到的结果为显示单元一侧的柱状透镜32和象素之间的距离H1＝0.707mm，显示单元一侧的双透镜32的节距L1＝0.4795mm，观察者一侧的柱状透镜31和象素之间的距离H2＝2.51mm，以及观察者一侧的柱状透镜31的透镜节距L2＝0.4795mm。使用按照这种方式设计的切换显示装置，即使在两个柱状透镜之间存在距离的情况下，也可以对透镜进行排列，而不会降低显示性能。
如上所述，依据本实施例，与LCD单元2的玻璃基板25结合的显示单元一侧的柱状透镜的设置可以增加观察者一侧的柱状透镜31的厚度，因而可以降低透镜的扭曲和变形的影响，从而确保对具有较高质量的切换显示装置的高成品率的制造。
下面将描述本发明的第九实施例。图34是示出依据该实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的俯视图。如图34所示，将观察者一侧的柱状透镜31沿着突出部分(方向11)的排列方向分割为多个带状区段(band-1ike segment)31b到31e，从与LCD单元2的表面垂直的方向可以看到，这些带状区段的长度方向与方向11平行。将执行装置6连接到每一个部分，以便允许每一个区段可以独立地移动。除了以上所讨论的结构之外的本实施例的其他结构与第一实施例的结构相同。
下面将描述依据本实施例的切换显示装置的操作。如图34所示，LCD单元2(见图7)显示其中一部分为2D图像，而另一部分为3D图像的图像。通过驱动各个执行装置，对其中显示3D图像的区域的区段、例如区段31c和31e进行排列，从而使这些透镜的光轴相互一致，对其中显示2D图像的区域的区段、例如区段31b和31d进行排列，从而使这些透镜的光轴相互移动透镜节距的一半。这可以确保在显示屏幕内的不同的透镜排列，从而可以在显示屏幕内可以显示混合的3D图像和2D图像。除了以上讨论的操作和效果之外，本实施例的其他操作和效果与第一实施例的操作和效果相同。
下面将描述本发明的第十实施例。图35是示出依据该实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的横截面图。如图35所示，在第一实施例中的观察者一侧的柱状透镜31(见图7)由在第十实施例中的两个柱状透镜311和312的组合来构成。即，依据本实施例的切换显示装置具有从显示单元一侧开始按照指定顺序设置的三个柱状透镜32、311、312。在LCD单元2的基板上排列柱状透镜32，从而使其透镜表面朝向观察者一侧，对柱状透镜311进行排列，从而使其透镜表面朝向观察者一侧，以及，对柱状透镜312进行排列，从而使其透镜表面朝向显示单元一侧。两个柱状透镜311和312等价于单个的柱状透镜32。将柱状透镜311和312相互固定，并且将执行装置(未示出)连接到这两个透镜之上，从而使柱状透镜311和312可以按照方向11移动。除了以上所讨论的结构之外的本实施例的其他结构与第一实施例的结构相同。
依据第一实施例所采用的设计方案，对本实施例的切换显示装置的设计方案进行构思。即，当将观察者一侧的柱状透镜分为两个时，将每一个分开的透镜部分的焦距和透镜节距分别设置为2.064mm和0.4774mm，则可以实现使用三个透镜基板的结构。
下面将描述依据本实施例的切换显示装置的操作。如图35所示，在显示3D图像时，使柱状透镜32、311和312的光轴相互匹配。这可以使来自左眼象素41的光被输出到观察者的左眼52，并且使来自右眼象素42的光被输入到右眼51，从而使观察者可以识别3D图像。在显示2D图像时，驱动执行装置以便将柱状透镜311和312的光轴从柱状透镜32的光轴移动透镜节距的一半。此时，柱状透镜311的光轴与柱状透镜312的光轴保持一致。因此，三个柱状透镜的效果相互抵消，并且使观察者可以识别2D图像。除了以上所讨论的操作之外的本实施例的其他操作与第一实施例的操作相同。
在本实施例中，与使用两个透镜的情况相比，使用三个透镜可以进一步降低象差。这可以确保更好的显示。
虽然前面对本实施例的描述阐明了由两个透镜构成观察者一侧的柱状透镜的实例，但是本发明不限于这个特定的情况，观察者一侧的柱状透镜可以由三个或者更多的透镜构成，或者显示单元一侧的柱状透镜可以由两个凸透镜或者更多的透镜来构成、或者观察者一侧的柱状透镜和显示单元一侧的柱状透镜可以同时由两个或者更多的透镜构成。
下面将描述本发明的第十一实施例。图36是示出依据该实施例的3D图像/2D图像切换显示装置的俯视图，图37是示出非线性弹簧(non-linearspring)的特性的曲线图，在水平轴上采用位移位置，在垂直轴上采用反作用力。如图36所示，依据本实施例的切换显示装置与第一实施例的切换显示装置的不同之处在于执行装置的结构。
例如，当在第一实施例中，通过移动观察者一侧的柱状透镜31，在显示3D图像和显示2D图像之间从一个切换到另一个的时候，应该将柱状透镜31的位置稳定地排列在进行3D显示的位置，即柱状透镜31的光轴与柱状透镜32的光轴一致的位置，或者稳定地排列在进行2D显示的位置，即将柱状透镜31的光轴从柱状透镜32的光轴进行移动后的位置。也就是说，如果柱状透镜31保持在前述的两个位置之间的中间位置，则3D图像和2D图像都不能被稳定地显示。
在本实施例的切换显示装置中设置固定于外壳(未示出)上的固定框架72，并且将观察者一侧的柱状透镜31保持在固定框架72的开口部分。在方向11上的固定框架72的开口部分的长度长于在方向11上的柱状透镜31的长度，并且柱状透镜31可以在方向11上移动。两对即四个非线性弹簧65到68设置在与移动方向11垂直的柱状透镜31的边缘和固定框架72之间。非线性弹簧65和67形成一对，并且相互面对地排列。非线性弹簧66和68形成一对，并且相互面对地排列。非线性弹簧65和66连接到柱状透镜31的一个边缘，而非线性弹簧67和68连接到柱状透镜31的另一边缘。非线性弹簧65到68在方向11上挤压柱状透镜31。在附着了非线性替换65和66的一侧的边缘设置了在方向11上按压柱状透镜31的杆62，以及在附着了非线性弹簧67和68的一侧的边缘设置了在方向11上按压柱状透镜31的杆64。对柱状透镜31进行限制，以使其不按照不希望的方向、即除了导轨(未示出)的方向11之外的其他方向移动。
当施加到非线性弹簧上的压力(pressing force)增加时，弹簧的位移量依据压力而增加，但是当将对抗恒定的反作用力F1的压力施加到弹簧上导致弹簧的位移量超过给定的值c时，弹簧的反作用力从值F1改变到小于F1的值F2。当施加到弹簧上压力从弹簧的位移量较大的状态逐渐降低时，弹簧的位移量降低到值c，而同时显示了较弱的反作用力F2，并且趋向于返回到基本状态，而当位移量变得等于或者小于c时，显示出较强的反作用力F1。在本实施例中，将非线性弹簧中的一个的位移量设置为小于值c的值，而将另一弹簧的位移量设置为如图37所示的大于值c的值b。
下面将描述依据本实施例的切换显示装置的操作。当如图37所示，非线性弹簧65和66的位移量为a，并且非线性弹簧67和68的位移量为b时，非线性弹簧65和66的反作用力大于非线性弹簧67和68的反作用力，从而将柱状透镜31向非线性弹簧67和68挤压。即，将柱状透镜31排列在由图37中的双点化线所表示的第一位置。当在此状态推动杆64时，柱状透镜31向非线性弹簧65和66移动，结果，非线性弹簧65和66的位移量变为b，而非线性弹簧67和68的位移量变为a，从而将柱状透镜31压向非线性弹簧65和66。即，将柱状透镜31排列在由图37所示的实线所表示的第二位置。即使在释放施加在杆64上的力量之后，非线性弹簧67和68的反作用力仍然大于非线性弹簧65和66的反作用力，从而将柱状透镜31稳定地保持在第二位置。当在此状态推动杆62时，柱状透镜31再次向第一位置移动，并且由于非线性弹簧65到68的反作用力之间的不同，稳定地保持在第一位置。
在本实施例中，将第一位置作为诸如3D显示发挥作用的位置来处理，而将第二位置作为诸如2D显示发挥作用的位置来处理。依据本实施例，从以上所述显而易见，使用简单的结构可以将柱状透镜31稳定地保持在3D显示位置和2D显示位置中的任一个。除了以上所讨论的操作和效果之外，本实施例的其他操作和效果与第一实施例的操作和效果相同。
下面将描述本发明的第十二实施例。图38是示出依据该实施例的3D/2D图像切换显示装置的俯视图。如图38所示，依据本实施例的切换显示装置具有“＜”状的悬臂62a和64a来替换在第十一实施例中的杆62和64，并且悬臂62a和64a中的每一个的一端邻接于柱状透镜31。悬臂62a和64a中的每一个具有支持其在固定框架72上旋转的中心部分，以及，执行装置61和63的一端与悬臂62a和64a的另一端连接。执行装置61和63是由形状记忆合金制成的金属丝(wire)，并且可以缩短到导通状态(conductive state)，但是可以由外力变形为非导通状态。执行装置61和63独立地通过各个开关(未示出)与电源连接，并且当合上开关时，电流会流过。将执行装置61的参考长度设置为一定的长度，从而在非导通状态(non-conductive)，当柱状透镜31移动到执行装置61一侧位置，即由图38所示的实线表示的第二位置，并且使执行装置61伸长时，不需要将张力施加于悬臂62a，在导通状态，对执行装置61进行缩短，以使柱状透镜31通过悬臂62a被充分地推到在另一侧的位置，即由图38中所示的双点化线所表示的位置。按照与执行装置61相同的方式，对执行装置63的长度进行设计。
下面将描述依据本实施例的切换显示装置的操作。首先，假定如图38所示，柱状透镜31处于由图38中的双点化线所表示的第一位置。此时，由于非线性弹簧65到68的反作用力之间的差别，将柱状透镜31稳定地保持在第一位置。当给执行装置63通电时，执行机构63缩短以使悬臂64a旋转，从而使悬臂64a向柱状透镜31推向由图38中的实线所表示的第二位置。结果，柱状透镜从第一位置移动到第二位置。虽然柱状透镜31的移动使悬臂62a旋转而伸长了执行装置61，但是处于非导通状态的执行装置容易变形，因此，不会干扰柱状透镜31的移动。即使当此后停止给执行装置63通电，由于非线性弹簧65到68的反作用力之间的差别，会使柱状透镜31稳定地保持在第二位置。同样地，在将柱状透镜31从第二位置向第一位置移动的情况下，给执行装置61通电。结果，执行装置61缩短以使悬臂62a旋转，从而将柱状透镜31推向第一位置。除了以上讨论的操作之外，本实施例的其他操作与第十一实施例的操作相同。
从以上所述显而易见，该实施例可以对柱状透镜31的移动进行电控制。这可以允许在显示3D图像和显示2D图像之间进行自动地切换。由于将形状记忆合金的金属丝用作执行装置，因此结构较简单，并且可以将切换显示装置构造得更小型并且更轻便。
可以对弹簧进行连接，从而使执行装置总是按照长度方向伸长。这使执行装置在充电状态缩短，从而移动柱状透镜31，但是在非导通状态使执行装置充分伸长，从而可以防止悬臂推动柱状透镜31。这可以使非驱动侧的执行装置不会成为驱动侧的执行装置的负载，从而确保柱状透镜31的快速驱动。
在不需要使切换显示装置的外部尺寸较小的情况下，可以使用诸如电磁螺线管或者电磁马达(electromagnetic motor)的电执行装置。此外，第十一实施例和第十二实施例可以与第二到第十实施例结合起来。
权利要求
1.一种三维(3D)图像/二维(2D)图像切换显示装置，包括显示单元，它具有多个周期性排列的多个象素组，其中，每一个象素组包括第一到第n象素(n为等于或者大于2的整数)；第一光学单元，它具有与所述的各个象素组相关的、周期性排列的第一光学元件，并且对从所述的象素中输出的光进行折射；以及第二光学单元，它具有与所述的各个象素组相关的、周期性排列的第二光学元件，并且对从所述的第一光学单元中输出的光进行折射，其中，当由所述的第一到第n象素显示的图象相互不同时，将所述的第二光学单元相对于所述的第一光学单元放置在第一位置，从而使所述的第一和第二光学单元按照相互不同的第一到第n方向，输出从所述的第一到第n象素输出的光，以及当所述的第一到第n象素独立地显示相同的图像时，将所述的第二光学单元相对于所述的第一光学单元放置在第二位置，按照所述的第二光学元件的排列方向，将所述的第二位置设置在离所述的第一位置的距离等于所述的第二光学元件的排列周期的距离的一半，或者等于所述的第二光学元件的所述排列周期的整数倍加上所述的排列周期的距离一半所得到的距离，从而使所述的第一和第二光学单元按照相同的方向输出从所述的第一到第n象素中输出的光。
2.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一光学元件的排列周期大致等于所述的第二光学元件的所述排列周期。
3.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的显示单元具有两种象素，即针对右眼的象素和针对左眼的象素，并且在显示3D图像时，所述的右眼象素显示针对所述的右眼的图像，所述的左眼象素显示针对所述的左眼的图像，并且所述的第一光学单元和第二光学单元按照第一方向输出从所述的右眼象素中输出的光，以及按照第二方向输出从所述的左眼象素中输出的光，在显示2D图像时，所述的右眼象素和所述的左眼象素一起显示相同的2D图像，并且所述的第一和第二光学单元按照相同的方向，输出从所述的右眼象素和所述的左眼象素中输出的光。
4.根据权利要求3所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一光学单元是包括一个或者多个凸面型柱状透镜的第一柱状透镜部分，其中所述的第一光学元件是透镜元件，所述的第二光学单元是包括一个或者多个凸面型柱状透镜的第二柱状透镜部分，其中所述的第二光学元件是透镜元件，在显示3D图像时，位于所述的第二柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴与所述的第一柱状透镜部分的一个透镜元件的光轴大体一致，以及在显示2D图像时，将位于所述的第二柱状透镜部分的所述中心的所述透镜元件的所述光轴，从位于所述的第一柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴移动所述的第二双透镜部分的所述透镜元件的排列周期的长度的一半，或者等于所述的第二柱状透镜部分的所述透镜元件的所述排列周期的整数倍加上所述的排列周期的长度的一半得到的距离。
5.根据权利要求4所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一和第二柱状透镜部分中的至少一个包括两个或者多个相互堆叠(stack)的柱状透镜。
6.根据权利要求4所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于对所述的第一柱状透镜部分的透镜面进行布置，以使其面向所述的第二柱状透镜部分的透镜面。
7.根据权利要求4所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于对所述的第一柱状透镜部分的透镜面和所述的第二柱状透镜部分的透镜面进行布置，以使它们朝向相同的方向。
8.根据权利要求4所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一柱状透镜部分的所述透镜元件的曲率等于所述的第二柱状透镜部分的所述透镜元件的曲率，并且在将所述的第一和第二柱状透镜部分看作单个的虚拟柱状透镜的情况下，所述的虚拟柱状透镜的透镜元件的曲率等于所述的第一和第二柱状透镜部分的所述透镜元件的所述曲率的两倍。
9.根据权利要求4所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一柱状透镜部分的所述透镜元件的曲率等于所述的第二柱状透镜部分的所述透镜元件的曲率，并且在将所述的第一和第二柱状透镜部分看作单个的虚拟柱状透镜的情况下，所述的第一和第二柱状透镜部分之间的间隙等于或者小于所述的虚拟柱状透镜的透镜元件的焦距的20％。
10.根据权利要求4所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于在显示3D图像时，位于所述的第一柱状透镜部分的所述中心的所述透镜元件的所述光轴与位于所述的第二柱状透镜部分的所述中心的所述透镜元件的所述光轴之间的偏差量等于或者小于所述的第一柱状透镜部分的所述透镜元件的排列周期的12％。
11.根据权利要求4所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于设置的所述的第一和第二柱状透镜部分可以相对所述的显示单元移动，在显示3D图像时，位于所述的第一和第二柱状透镜部分的所述中心的所述透镜元件的所述光轴通过位于所述的显示单元的中心的象素组的中心，所述的象素组由所述的右眼象素和所述左眼象素组成，以及，在显示2D图像时，位于所述的第一柱状透镜部分的所述中心的所述透镜元件的所述光轴通过，从所述象素组的所述中心、按照所述的第一柱状透镜部分的所述透镜元件的排列周期的四分之一的长度，或者等于所述的第一柱状透镜部分所述透镜元件的整数倍加上所述的排列周期的四分之一的长度所得到的长度进行移位后的位置，以及，位于所述的第二柱状透镜部分的所述中心的所述透镜元件的所述光轴通过，相对于所述的显示单元、按照与前述的移动方向相反的方向，从所述的象素组的中心、按照所述排列周期的1/4，或者等于所述的第二柱状透镜部分的所述透镜元件的所述排列周期的整数倍加上所述的排列周期的1/4的长度后得到的长度进行移位后的位置。
12.根据权利要求4所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于在显示2D图像时，将其中对象素的发光部分进行放大地投影的2D可视范围的宽度设置得比观察者的两只眼睛的距离更大。
13.根据权利要求4所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于在显示3D图像时，将其中通过离象素最近的透镜元件对从该象素中输出的光进行放大地投影的3D可视范围的宽度设置为观察者的两只眼睛之间的距离的两倍。
14.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一和第二光学单元中的一个是包括一个或者多个凸面型柱状透镜的凸面型柱状透镜部分，所述的第一和第二光学单元中的另一个是包括一个或者多个凹面型柱状透镜的凹面型柱状透镜部分，在所述的第一到第n象素分别显示第一到第n图像时，将位于所述的凸面型柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴从位于所述的凹面型柱状透镜部分的中心的透镜元件的光轴、移动所述的凸面型柱状透镜部分的所述透镜元件的排列周期的长度的一半，或者等于所述的凸面型柱状透镜部分的所述透镜元件的所述排列周期的整数倍加上所述排列周期的长度的一半得到的长度，以及在所述的第一到第n象素分别一起显示相同的图像时，位于所述的凸面型柱状透镜部分的所述中心的所述透镜元件的所述光轴、与所述凹面型柱状透镜部分的一个透镜元件的光轴大体一致。
15.根据权利要求14所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述凸面型柱状透镜部分和所述凹面型柱状透镜部分中的至少一个包括两个或者多个相互堆叠的柱状透镜。
16.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一光学单元是包括一个或者多个飞孔透镜的第一飞孔透镜部分，所述的第二光学单元是包括一个或者多个飞孔透镜的第二飞孔透镜部分，并且所述的第二飞孔透镜部分可以相对于所述的第一飞孔透镜部分，在对所述显示单元的所述象素进行排列的所有方向进行移动。
17.根据权利要求16所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一和第二飞孔透镜部分中的至少一个包括两个或者多个相互堆叠的飞孔透镜。
18.根据权利要求16所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的显示单元具有按照两行乘以两列的矩阵形式排列的第一到第四象素，并且所述的第一和第二飞孔部分包括凸面型的飞孔透镜。
19.根据权利要求16所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的象素中的至少一个是针对右眼的右眼象素，其他象素中的至少一个是针对左眼的左眼象素，在显示3D图像时，所述的右眼象素显示针对所述的右眼图像，所述的左眼象素显示针对所述的左眼的图像，并且位于所述的第二飞孔透镜部分的中心的透镜元件的光轴与所述的第一飞孔透镜部分的一个透镜元件的光轴大体一致，在显示2D图像的情况下，将位于所述的第二飞孔透镜部分的所述中心的所述透镜元件的所述光轴，从位于所述的第二飞孔透镜部分的中心的透镜元件的光轴、按照从针对所述的右眼的所述图像去往针对左眼的所述图像的方向，或者与此相反的方向，移动所述的第二飞孔透镜部分的所述透镜元件的排列周期的长度的一半，或者等于所述的第二飞孔透镜部分的所述透镜元件的排列周期的整数倍加上所述排列周期的长度的一半得到的长度。
20.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一光学单元是其上排列有棱镜元件的第一棱镜板，所述的第二光学单元是其上排列有棱镜元件的第二棱镜板，在显示3D图像时，从与所述的显示单元的显示表面垂直的方向可以看到，位于所述的第二棱镜板的中心的棱镜元件的顶点，与所述的第一棱镜板的一个棱镜元件和与所述的这个棱镜元件相邻的棱镜元件之间的谷地部分一致，以及，在显示2D图像时，从与所述的显示单元的所述显示表面垂直的所述方向可以看到，位于所述的第二棱镜板的所述中心的所述棱镜元件的所述顶点与所述的第一棱镜板的一个棱镜元件的顶点一致。
21.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的显示单元具有对从所述的象素输出的光进行着色的滤色器，并且具有被着色为多种颜色并且相互平行地周期性排列的多个条形部分，所述的条形部分的长度方向与所述的第一和第二光学元件的排列方向平行。
22.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的显示单元使用彩色场序制显示方法(color field sequentialdisplay method)来显示图像。
23.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于还包括装入所述的显示单元、以及所述的第一和第二光学单元的外壳，将所述的第二光学单元固定到该外壳上。
24.根据权利要求23所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第二光学单元具有作为所述的显示单元的保护板、触摸板、或者前光的能力。
25.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一光学单元的至少一部分与构成所述的显示单元的显示表面的构件结合在一起形成。
26.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于从与所述的显示单元的显示表面垂直的方向可以看到，所述的第一和第二光学单元中的至少一个被分割为多个部分，所述的多个部分可以相互独立地移动。
27.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的第一和第二光学单元中的至少一个具有框架。
28.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于在所述的第一和第二光学单元中的至少一个的表面上形成抗反射涂层(antireflection coating)。
29.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于还包括连接到所述的第一和第二光学单元中的至少一个上的执行装置，用于相对于一个光学单元，移动所述的第一和第二光学单元中的所述的另一个。
30.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于还包括用于装入所述的显示单元和所述的第一和第二光学单元的外壳，以及，一对或者多对非线性弹簧，所述的弹簧位于所述的外壳和所述的第一和第二光学单元中的至少一个之间，并且使这些弹簧按照所述的第一光学单元的排列方向伸长和缩短，当位移量超过阈值时，这些弹簧的反作用力不连续地降低，并且对弹簧进行设置，从而使每一对非线性弹簧中的一个的位移量大于所述的阈值，而另一非线性弹簧的位移量变得小于所述的阈值。
31.根据权利要求30所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于至少一对非线性弹簧与在所述的第一和第二光学单元中的所述一个，按照与所述的排列方向垂直的方向延伸的边缘连接。
32.根据权利要求29所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的执行装置是由形状记忆合金制成的线性构件，并且与电源连接。
33.根据权利要求1所述的3D图像/2D图像切换显示装置，其特征在于所述的显示单元是液晶显示单元。
34.一种具有权利要求1到33中的任何一个的3D图像/2D图像切换显示装置的便携式终端设备。
35.根据权利要求34所述的终端设备，其特征在于所述的便携式终端设备是便携式电话、便携式终端、PDA(个人数字助理)、游戏机、数字相机、或者数字录像机(digital video)。
全文摘要
一种3D图像/2D图像切换显示装置具有液晶显示单元、以及第一和第二柱状透镜。为了显示3D图像，对第一柱状透镜进行排列，使第一柱状透镜的光轴与第二柱状透镜的光轴一致，从而使针对左眼的象素显示针对左眼的图像，针对右眼的象素显示针对右眼的图像。为了显示2D图像，对第一柱状透镜进行排列，使第一柱状透镜的光轴从第二柱状透镜的光轴移动透镜节距的一半，从而，针对左眼的象素和针对右眼的象素独立地显示相同的图象。
文档编号H04N13/00GK1487331SQ0315534
公开日2004年4月7日 申请日期2003年8月27日 优先权日2002年8月27日
发明者上原伸一, 高梨伸彰, 叶山浩, 彰 申请人:日本电气株式会社